创新的谐振变换器具有高效率、高功率密度、固定开关频率的特点

作者:永利皇宫电气网 2019-08-21 16:40阅读:155

高效率、高功率密度是当今电力变换器的重要发展趋势。随着开关频率的增加,传统的硬开关PWM变换器的转换效率明显降低,开关频率和功率密度无法进一步提高,这与上述趋势不符。
 
谐振变换器与其它变换器相比具有不可比拟的优点,因为它可以实现开关的零电压开关和二极管的零电流开关。目前,谐振变换器的研究主要集中在LLC变换器和DCX变换器上。其中,LLC变换器具有结构简单、软开关特性好等特点,引起了研究者的广泛关注。然而,为了调整LLC变换器的输出电压,需要采用调整开关频率的控制方式。开关频率范围宽,会显著增加磁性元件和同步整流驱动器的设计难度,不利于效率的提高。
 
DCX变换器是一种不可控变换器,即输入电压与输出电压之间的关系与负载、开关频率和占空比无关。这种转换器可以在最佳工作点进行设计,以达到更高的效率。参考文献[13]介绍了一种适用于低功耗应用的具有简单拓扑和良好软开关特性的电流前馈DCX转换器。
 
在此基础上,文献[14,15]对其进行了扩展,导出了一系列电流反馈谐振变换器,但它们仍然没有输出电压调节能力。因此,参考文献[16,17]通过增加变压器的谐振电感与励磁电感之比,并结合调频控制,扩大了电压输入范围,但在一定程度上增加了控制的复杂性,降低了转换效率。
 
为避免上述问题,可采用DCX变换器作为两级变换器的前级,采用PWM变换器调节后级输出电压。由于两级变换器拓扑结构复杂,回路设计比较困难,降低了系统的可靠性。为了进一步提高DCX变换器的性能,参考文献[8]中,大部分输入功率由单级变换器传递,以获得更高的效率;其余的输入功率由两级变换器传递,以调节输出电压。
 
在参考文献[20]中,提出了DCX变换器和辅助PWM变换器的串联输入和并联输出方案。通过调整辅助电路的占空比,优化了变换器的整体效率。此外,为了简化传统的调频控制方法,一些学者还提出了PWM谐振变换器。
 
在此基础上,提出了一种开关频率固定、输出可调的有源钳位正激双向谐振变换器。与传统的有源箝位技术不同,变换器中的单有源箝位电路可以使两个变压器去磁,简化电路结构,并提供一个谐振电路以实现能量的反向传递。
 
同时,输入-串联-输出并联结构可以降低单个开关的电压应力。交错并联PWM模式可以大大降低输入电流纹波,并且变换器的开关频率是固定的,具有一定的输出电压调节能力。与传统的调频控制方式相比,脉宽调制控制方式更为简单,更有利于磁性元件的设计、同步整流驱动的设计,电路可靠性更高。
 
此外,该谐振变换器还可以实现开关管的零电压开关和二极管的零电流开关。它可以显著降低MOSFET的开关损耗,而不需要二极管的反向恢复,并且具有更好的效率和性能,有利于变换器的高功率密度集成。
 
结论
 
本文提出了一种开关频率固定的输出可调有源钳位正向双向谐振变换器,并对其工作原理进行了详细分析。最后,设计并制作了实验验证样机。实验表明,该变换器具有以下特点:
 
1)与传统的有源箝位技术不同,变换器中的同一有源箝位电路不仅使两台变压器消磁,简化了整个电路结构,还提供了谐振电路,实现了能量的反向传输。
 
2)拓扑采用输入串输出并联结构,降低了开关的电压应力。因此,可以选择低耐压的高性能开关器件,进一步提高转换效率。
 
3)该谐振变换器的开关频率是固定的,大大简化了传统的调频控制方法,有效地避免了磁性元件和同步整流驱动设计的困难,提高了该变换器的抗干扰能力。电路。
 
4)变换器的开关和二极管均实现软开关,有利于提高效率和高功率密度集成。
 
 

关键词: 创新的谐振变换器

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