CN107482922A - 一种基于切换开关的双向llc谐振变换器 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种基于切换开关的双向LLC谐振变换器。它包括三个主要部分，即：单向LLC谐振变换部分、切换开关网络部分、稳压放电部分。单向LLC谐振变换部分作用是通过控制MOSFET开关频率，将直流电转换成到相应的高频交流电；切换开关网络部分作用是进行电路充放电功能转换；稳压放电部分作用是在电路充放电结束后对电路进行放电，保证电路不带电。本文利用切换开关设计出的双向LLC电路，通过开关K1和K2闭合，其他开关断开，DC/DC变换器根据控制器触发信号对电池进行充电；通过开关K3和K4闭合，其他开关断开，进行电池升压放电。通过K5闭合，其他开关断开，进行稳压电容放电。这种方式使用的可控开关器件少，辅助器件少，使得电路结构较为简单、稳定。
Description
技术领域
本发明涉及一种应用于电动汽车的V2G技术领域，特别是涉及一种采用切换开关使电网侧与负载侧充放电切换更加简单稳定的电路。
背景技术
在电动汽车研究领域中，V2G作为关键技术，促使研究者们对V2G模式的深入研究，以利用好这一庞大的资源。V2G是Vehicle-to-grid的简称即电动汽车到电网。它描述了这样的一个系统：
当混合电动车或是纯电动车不在运行的时候，通过联接到电网的电动马达将能量输给电网，反过来，当电动车的电池需要充满时，电流可以从电网中提取出来给到电池。
它的基本概念是指电动汽车在闲置的时候能够向电网反馈能量的过程。其中双向变换器起到了一个基础支撑的作用。与传统PWM变换器相比，LLC谐振变换器具有很多优点。在控制方法上，LLC谐振变换器是在保持开关管占空比不变的情况下，通过控制开关频率来调节输出电压，不存在输入电压范围宽时占空比严重偏离的情况，所以它的掉电维持时间特性比较好，且由于输入电压的增大，谐振槽路电流峰值在减小，使得开关管通态损耗、关断损耗都在减小，所以LLC谐振变换器非常适合应用在输入电压较宽的场合。在输出整流二极管电压应力上，LLC谐振变换器所承受电压应力更小，所以LLC谐振变换器在输入电压范围较宽时的效率较高。除此之外由于LLC谐振变换器中的串联谐振电感Lr和并联谐振电感Lm，可以用变压器的漏感及励磁电感来实现，大大减小了变换器的体积，减小了寄生参数对变换器的不利影响，在高频时的电磁兼容问题比较小。
本文针对双向DC/DC变换器提出一种新设计思路。当前充电电路DC/DC变换部分中广泛采用LLC谐振原理，使用较多的电路结构有半桥单向、全桥单向、三电平单向等结构，基本都是单向功率流动。目前能够实现双向的LLC电路形式，主要有半桥双向LLC电路、全桥双向LLC电路、三电平双向LLC电路等等。这些电路采用的可控开关器件较多，尤其是三电平电路；虽然半桥式双向电路中开关器件较少，但是辅助器件较多，影响电路的稳定性、可控性，增加了电路设计难度。
本发明利用切换开关方式设计出双向电路，使得LLC谐振电路双向能量传递过程得到简化，能够有效减少减少装置成本，提高工作效率。
发明内容
本发明的目的是提供一种基于切换开关的双向充放电LLC谐振变换器，在单向LLC谐振式DC/DC变换器基础上，通过两组切换开关，来实现电路的充放电变换。为了防止电容或电池对稳压电容反向充电，造成对电容电流冲击，同时在每组开关上加入一个辅助二极管。
为实现上述目的，本发明的技术方案是：提供一种基于切换开关的双向LLC谐振变换器，它包括三个主要部分，即：单向LLC谐振变换部分、切换开关网络部分、稳压放电部分。单向LLC谐振变换部分作用是通过控制MOSFET开关频率，将直流电转换成到相应的高频交流电；切换开关网络部分作用是进行电路充放电功能转换；稳压放电部分作用是在电路充放电结束后对电流进行放电，保证电路不带电。具体的说，包括输入直流源DCS、第一功率MOS开关管M1、第二功率MOS开关管M2、谐振电容Cr、谐振电感Lr、高频隔离变压器T1及其漏感Lm、第一功率二极管D1、第二功率二极管D2、稳压电容C、稳压电感R、开关K1、带有辅助二极管的开关K2、带有辅助二极管的开关K3、开关K4、开关K5、负载动力电池BAT；所述变压器由漏感Lm、原边绕组Np、副边中心抽头输出绕组Ns1和Ns2构成；所述输入直流源DCS正向输出端连接第二功率MOS开关管M2的源级、开关K1、带有辅助二极管的开关K3、高压隔离变压器T1的漏感Lm及其原边绕组Np；所述开关K1连接开关K4、第一功率MOS开关管M1的漏级；所述第一功率MOS开关管M1的源级连接谐振电容Cr、开关K1和K4、第二功率MOS开关管M2的漏级；所述第二功率MOS开关管M2的漏级连接谐振电容Cr、第一功率MOS开关管M1；所述谐振电容Cr连接谐振电感Lr、第一功率MOS开关管M1的源级、第二功率MOS开关管M2的漏级；所述谐振电感Lr连接谐振电容Cr、谐振电感Lr、变压器原边绕组Np的同名端及其漏感Lm；所述变压器副边中心抽头输出绕组Ns1的同名端连接第一功率二极管D1的正极；所述变压器副边中心抽头输出绕组Ns1的异名端连接变压器副边中心抽头输出绕组Ns2的同名端；所述变压器中心抽头输出绕组Ns2的同名端连接稳压电容的阴极、稳压电感R、负载动力电池的阴极；所述中心抽头输出绕组Ns2的异名端连接第二功率二极管D2的正极；所述第一功率二极管D1的负极以及第二功率二极管D2的负极连接第二功率二极管D2的负极、连接K2开关的辅助二极管的正极、稳压电容C、开关K5；所述开关K1连接开关K3、输入直流源正端、开关K4、第一功率MOS开关管漏级；所述开关K3连接输入直流源DCS的正端、开关K1；所述开关K4连接开关K1、第一功率MOS开关管M1的漏级、开关K2、负载动力电池BAT；所述开关K3连接其辅助二极管阴极、开关K1、输入直流源的正端；所述开关K5连接稳压电容C、稳压电感R、第一功率二极管D1的负极、开关K2的辅助二极管的正极。
进一步地，所述第一功率MOS开关管M1和第二功率MOS开关管M2构成了半桥逆变部分，通过控制MOSFET开关状态得到高频电流。
进一步地，所述谐振电容Cr、谐振电感Lr和高频隔离变压器T1及其漏感Lm构成了谐振网络部分，当开关频率在各个频率范围内变化时，能够实现MOS开关管的零电压开关和消除二极管反向恢复产生的损耗。
进一步地，所述第一功率二极管D1、第二功率二极管D2、稳压电容C和稳压电感R构成了整流稳压部分，能够实现对变压器副边输出进行整流，并在充电结束后对电路进行放电。
进一步地，开关K1、开关K2及其辅助二极管、开关K3及其辅助二极管和开关K4构成了切换开关网络，通过K1和K2、K3和K4的切换，来实现电源对电池的充电和电池对电源的放电过程，实现功率的双向流动。其中两个辅助二极管的作用是防止电源或电池对稳压电容反向充电，造成电容电流冲击，损坏电源、电容以及电池。
本发明在K1和K2闭合时，其他开关断开，相当于单向LLC谐振式DC/DC变换器，通过控制两个MOS开关管的频率，可以实现为电池充电功能；在K3和K4闭合时，其他开关断开，电池能够放电，为电源反馈能量。在充电结束后，K5闭合，其他开关断开，进入稳压电容放电过程。
本发明的基于切换开关的双向充放电LLC谐振变换器设计方案，提供了能够简便切换电动汽车电池的充电和放电过程的方法，所需设备仅仅是四个开关和两个辅助二极管，相比传统的双向LLC电路，这种方式减少了可控开关器件和辅助器件的数量，提高了电路稳定性，同时也简化了电路，减少生产成本和维护成本。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍。
图1为本发明实施例的基于切换开关的双向LLC电路示意图。
图2为本发明实施例的基于切换开关的双向LLC电路充电等效电路。
图3为本发明实施例的基于切换开关的双向LLC电路放电等效电路。
图4为本发明实施例的基于切换开关的双向LLC电路稳压放电等效电路。
附图中所列部件列表如下所示：
00:直流源DCS
11：切换开关K1； 12：切换开关K2；
13：切换开关K3； 14：切换开关4；
15：切换开关K3的辅助二极管Ds1； 16：切换开关K2的辅助二极管Ds2；
21：第一功率MOS开关管M1； 22：第二功率MOS开关管M2；
31：谐振电容Cr； 32：串联谐振电感Lr；
33：高频隔离变压器漏感Lm； 41：变压器原边绕组Np；
42：变压器副边绕组Ns1； 43：变压器副边绕组Ns2；
51：第一功率二极管D1； 52：第二功率二极管D2；
61：稳压电容C； 62：稳压电感R；
63：稳压电路开关K5； 71：负载动力电池BAT；
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行解释。
图1是本发明的一种基于切换开关的双向LLC电路，包括输入直流源DCS(00)、第一功率MOS开关管M1(21)、第二功率MOS开关管M2(22)、谐振电容Cr(31)、谐振电感Lr(32)、高频隔离变压器T1(44)及其漏感Lm(33)、第一功率二极管D1(51)、第二功率二极管D2(52)、稳压电容C(61)、稳压电感R(61)、开关K1(11)、带有辅助二极管Ds2(16)的开关K2(12)、带有辅助二极管Ds1(15)的开关K3(13)、开关K4(14)、开关K5(63)、负载动力电池BAT(71)；所述变压器由漏感Lm(33)、原边绕组Np(41)、副边中心抽头输出绕组Ns1(42)和Ns2(43)构成；所述输入直流源DCS(00)正向输出端连接第二功率MOS开关管M2(21)的源级、开关K1、带有辅助二极管(15)的开关K3(13)、高压隔离变压器T1(44)的漏感Lm(33)及其原边绕组Np(41)；所述开关K1(11)连接开关K4(14)、第一功率MOS开关管M1(21)的漏级；所述第一功率MOS开关管M1(21)的源级连接谐振电容Cr、开关K1(11)和K4(14)、第二功率MOS开关管M2(22)的漏级；所述第二功率MOS开关管M2(22)的漏级连接谐振电容Cr(31)、第一功率MOS开关管M1(21)；所述谐振电容Cr(31)连接谐振电感Lr(32)、第一功率MOS开关管M1(21)的源级、第二功率MOS开关管M2(22)的漏级；所述谐振电感Lr(32)连接谐振电容Cr(31)、变压器原边绕组Np(41)的同名端及其漏感Lm(33)；所述变压器副边中心抽头输出绕组Ns1(42)的同名端连接第一功率二极管D1(51)的正极；所述变压器副边中心抽头输出绕组Ns1(42)的异名端连接变压器副边中心抽头输出绕组Ns2(43)的同名端；所述变压器中心抽头输出绕组Ns2(43)的同名端连接稳压电容(61)的阴极、稳压电感R(62)、负载动力电池(71)的阴极；所述中心抽头输出绕组Ns2(43)的异名端连接第二功率二极管D2(52)的正极；所述第一功率二极管D1(51)的负极以及第二功率二极管D2(52)的负极连接第二功率二极管D2(52)的负极、连接K2开关的辅助二极管(16)的正极、稳压电容C(61)、开关K5(63)；所述开关K1(11)连接开关K3(13)、输入直流源正端、开关K4(14)、第一功率MOS开关管(21)漏级；所述开关K3(13)连接输入直流源DCS(00)的正端、开关K1(11)；所述开关K4(14)连接开关K1(11)、第一功率MOS开关管M1(21)的漏级、开关K2(12)、负载动力电池BAT(71)；所述开关K3(13)连接其辅助二极管(15)阴极、开关K1(11)、输入直流源的正端(00)；所述开关K5(63)连接稳压电容C(61)、稳压电感R(62)、第一功率二极管D1(51)的负极、开关K2的辅助二极管(16)的正极。
所述高频变压器T1原边绕组Np(41)以及副边中心抽头输出绕组Ns1(42)和Ns2(43)的上部为同名端，下部为异名端。
所述变压器原边绕组侧电路为半桥结构，两个第一功率MOS开关管M1(21)和第二功率MOS开关管M2(22)构成了半桥逆变部分。
所述变压器原边绕组侧形成一谐振网络，该网络由谐振电容Cr(31)和谐振电感Lr(32)串联后，与变压器漏感Lm(33)并联组成，该网络能将由半桥逆变输出的方波转换为正弦交流电。
所述变压器副边侧电路为整流稳压电路，变压器副边Ns1(42)和第一功率二极管D1(51)、负载动力电池BAT(71)组成的整流电路与变压器副边Ns2(43)和第二功率二极管D2(52)、负载动力电池BAT(71)组成的整流电路，将从变压器原边输出的交流电整流成恒定的直流电，为负载电池充电。
所述稳压电容C(61)和稳压电感R(62)以及开关K5(63)组成了稳压放电电路，在电路充放电完毕后，对电路进性放电，保证电路不带电。
所述开关K1(11)、开关K2(12)及其辅助二极管Ds2(16)、开关K3(13)及其辅助二极管Ds1(15)、开关K4(14)组成了切换开关网络，通过切换开关，实现充电与放电的转换。
如图2所示，所述开关K1(11)和K2(12)闭合，其余开关断开，令第一功率MOS开关管(21)和第二功率MOS开关管(22)的驱动信号互补，设置固定低占空比(0.3左右)，此时功率正向流动，通过变频控制来实现电路降压充电过程。
如图3所示，所述开关K3(13)和K4(14)闭合，其余开关断开，设置固定高占空比(0.98左右)，此时功率方向流动，通过变频控制来实现电路升压放电过程。
如图4所示，所述开关K5(63)闭合，其余开关断开，可以实现充电或放电过程结束后的电路稳压放电过程，保证电路不带电。
本发明实施例的基于切换开关的双向充放电LLC谐振变换器设计方案，提供了能够简便切换电动汽车电池的充电和放电过程的方法，所需设备仅仅是四个开关和两个辅助二极管，相比传统的双向LLC电路，这种方式减少了可控开关器件和辅助器件的数量，提高了电路稳定性，同时也简化了电路，减少生产成本和维护成本。
以上只是本发明的较佳实施例，对于本领域技术人员，依据本发明思想，在具体实施方式以及应用范围上均会有改变之处，此例不做限制。
Claims (7)
1.一种基于切换开关的LLC充放电电路，其特征在于，包括三个主要部分，即：单向LLC谐振变换部分、切换开关网络部分、稳压放电部分。单向LLC谐振变换部分作用是通过控制MOSFET开关频率，将直流电转换成到相应的高频交流电；切换开关网络部分作用是进行电路充放电功能转换；稳压放电部分作用是在电路充放电结束后对电路进行放电，保证电路不带电。具体的说，主要包括输入直流源DCS、第一功率MOS开关管M1、第二功率MOS开关管M2、谐振电容Cr、谐振电感Lr、高频隔离变压器T1及其漏感Lm、第一功率二极管D1、第二功率二极管D2、稳压电容C、稳压电感R、开关K1、带有辅助二极管的开关K2、带有辅助二极管的开关K3、开关K4、开关K5、负载动力电池BAT；所述变压器由漏感Lm、原边绕组Np、副边中心抽头输出绕组Ns1和Ns2构成；所述输入直流源DCS正向输出端连接第二功率MOS开关管M2的源级、开关K1、带有辅助二极管的开关K3、高压隔离变压器T1的漏感Lm及其原边绕组Np；所述开关K1连接开关K4、第一功率MOS开关管M1的漏级；所述第一功率MOS开关管M1的源级连接谐振电容Cr、开关K1和K4、第二功率MOS开关管M2的漏级；所述第二功率MOS开关管M2的漏级连接谐振电容Cr、第一功率MOS开关管M1；所述谐振电容Cr连接谐振电感Lr、第一功率MOS开关管M1的源级、第二功率MOS开关管M2的漏级；所述谐振电感Lr连接谐振电容Cr、谐振电感Lr、变压器原边绕组Np的同名端及其漏感Lm；所述变压器副边中心抽头输出绕组Ns1的同名端连接第一功率二极管D1的正极；所述变压器副边中心抽头输出绕组Ns1的异名端连接变压器副边中心抽头输出绕组Ns2的同名端；所述变压器中心抽头输出绕组Ns2的同名端连接稳压电容的阴极、稳压电感R、负载动力电池的阴极；所述中心抽头输出绕组Ns2的异名端连接第二功率二极管D2的正极；所述第一功率二极管D1的负极以及第二功率二极管D2的负极连接第二功率二极管D2的负极、连接K2开关的辅助二极管的正极、稳压电容C、开关K5；所述开关K1连接开关K3、输入直流源正端、开关K4、第一功率MOS开关管漏级；所述开关K3连接输入直流源DCS的正端、开关K1；所述开关K4连接开关K1、第一功率MOS开关管M1的漏级、开关K2、负载动力电池BAT；所述开关K3连接其辅助二极管阴极、开关K1、输入直流源的正端；所述开关K5连接稳压电容C、稳压电感R、第一功率二极管D1的负极、开关K2的辅助二极管的正极。
2.根据权利要求1所述的一种基于切换开关的双向LLC谐振变换器，其特征在于：这种谐振变换器中的串联谐振电感Lr和并联谐振电感Lm，可以用变压器的漏感和励磁电感来实现。
3.根据权利要求1所述的一种基于切换开关的双向LLC谐振变换器，其特征在于：所述开关K1和所述开关K2闭合，能够实现单向LLC谐振式DC/DC变换器功能，即正向降压充电电路。
4.根据权利要求1所述的一种基于切换开关的双向LLC谐振变换器，其特征在于：所述开关K3和所述开关K4闭合，能够实现反向LLC谐振变换器功能，即反向升压放电电路。
5.根据权利要求1所述的一种基于切换开关的双向LLC谐振变换器，其特征在于：所述开关K5闭合，进入稳压放电阶段，能够实现充电完毕后对整个电路进行放电，保证电路不带电。
6.根据权利要求1所述的一种基于切换开关的双向LLC谐振变换器，其特征在于：所述第一功率二极管D1和第二功率二极管D2，均为快恢复功率二极管。
7.根据权利要求1所述的一种基于切换开关的双向LLC谐振变换器，其特征在于：所述谐振电容Cr为高频电容，稳压电容C为电解电容。
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