2006复合式全桥三电平LLC谐振变换器

第26卷 第3期 2006年2月 中 国 电 机 工 程 学 报

Proceedings of the CSEE Vol.26 No.3 Feb. 2006

©2006 Chin.Soc.for Elec.Eng.

文章编号：0258-8013 (2006) 03-0053-06 中图分类号：TM46 文献标识码：A 学科分类号：470 40

复合式全桥三电平LLC谐振变换器

金 科， 阮新波

（南京航空航天大学航空电源重点实验室，江苏省 南京市 210016）

Hybrid Full Bridge Three-level LLC Resonant Converter

JIN Ke, RUAN Xin-bo

(Nanjing University of Aeronautics & Astronautics, Nanjing 210016, Jiangsu Province, China)

ABSTRACT: This paper proposes a novel hybrid full-bridge three-level LLC resonant converter, which is suitable for fuel cell power system. It integrates the advantages of hybrid full-bridge three-level converter and LLC resonant converter such as: Operating with very high efficiency over an wide input voltage range; Three-level leg switches sustain only the half of the input voltage; The voltage stress on rectifier diodes can be minimized to the output voltage. ZCS is achieved for the rectifier diodes; ZVS capability from zero to full load, etc. A 200-400V input, 360V/4A output prototype converter is built in lab to verify the operation principle of the proposed converter. KEY WORDS: Three-level converter；LLC resonant converter；Zero-voltage-switching；Zero-current-switching 摘要：该文提出了一种适合于燃料电池供电系统新颖的复合式全桥三电平LLC谐振变换器。它是在复合式全桥三电平变换器的基础上加入了LLC谐振网路以实现开关管ZVS和整流二极管ZCS。该变换器集合了复合式全桥三电平变换器和LLC谐振变换器的优点：适合于在宽输入电压范围的应用场合；三点平桥臂的开关管电压应力只有输入电压的一半；整流二极管实现ZCS，其电压应力仅为输出电压；可以在全负载范围内实现ZVS。该文通过一个200－400V输入，360V/4A输出的原理样机验证了它的工作原理，并给出实验结果。

关键词：三电平变换器；LLC谐振变换器；零电压开关；零电流开关

竭，而且它所造成的环境污染日益严重。氢能作为

一种绿色新能源，得到越来越多的应用。氢能利用的一个重要方面是燃料电池。它将氢和氧发生反应转换为电能，其优点是反应产物为纯净水，而且噪声也很小，对环境没有污染。因此燃料电池供电系统的研究对减少环境污染和减小温室效应具有重要的意义[1-4]。

燃料电池的最大特性是动态响应慢，外特性较软，即其输出电压范围较宽，因此要求后级单向DC-DC变换器必须能够在宽输入电压范围内高效工作。另外，变换器的输入电压和电流脉动小，这样可以减小燃料电池的电流电压脉动，增长寿命[3]。 文献[5-8]提出了PWM复合式全桥三电平变换器(Hybrid full bridge three-level converter, H-FB TL 变换器)。该变换器具有以下优点：① 它不仅可以工作在三电平模态还可以工作在两电平模态，因此非常适合于宽输入电压范围的应用场合；② 一个桥臂是三电平桥臂，开关管的电压应力为输入电压的一半，并且可以在很宽的负载范围内实现ZVS；③ 一个桥臂是两电平桥臂，开关管的电压应力为输入电压，它可以利用谐振电感的能量实现ZVS；④输出整流波形中高频分量小，可以减小输出滤波电感，但是它的输出整流管依然存在反向恢复问题，输出整流管要承受电压尖峰，另外，滞后管在轻载的情况较难实现软开关。

LLC谐振变换器是将LLC谐振网络加入到变换器中，使得开关管可以在全负载范围内实现ZVS[9-15]。由于该变换器副边没有滤波电感，因此如果采用全桥整流，整流二极管的电压应力仅为输出电压，而且可以实现ZCS，从而减小开关损耗。

1 引言

随着人类生活水平的不断提高，对能源的需求大幅度增加。化石能源作为不可再生能源正日益枯

基金项目：国家自然科学基金项目(50177013)；江苏省自然科学基金项目(BK2003419)。

Project Supported by National Natural Science Foundation of China (50177013).

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第26卷

变压器漏感可以被利用为谐振电感，因此不存在由

漏感引起的寄生振荡等问题。但该变换器采用变频控制，因此在输入电压范围宽或负载变化很大的情况下，变换器的开关频率范围很宽，难于优化设计。

本文将LLC谐振网络引入到H-FB TL 变换器中，得到复合式全桥三电平LLC谐振变换器(H-FB TL LLC谐振变换器)。该变换器集合了H-FB TL变换器和LLC谐振变换器的优点：①适合于宽输入电压范围的应用场合；②三电平桥臂的开关管电压应力只有输入电压的一半；③整流二极管的电压应力仅为输出电压；④可以在全负载范围内实现ZVS。因此非常适合于宽输入电压范围的应用场合，如燃料电池供电系统等。

v2 工作原理

2.1 电路图和波型

图1给出了H-FB TL LLC谐振变换器的电路图和主要波形。谐振电感Lr，变压器励磁电感Lm和谐振电容Cr构成LLC谐振网络。变压器漏感可以被利用为谐振电感。

(c) 两电平模式主要波形

图1 复合式全桥三电平LLC谐振变换器

Fig. 1 H-FB TL LLC resonant converter

Q2, Q3, Q5和Q6移相控制。Q2和Q3为超前管，Q5和Q6为滞后管。Q1和Q4 分别相对于Q2和Q3进行PWM 控制，因此被称为斩波管。

当输入电压较低时，Q1和Q4斩波工作，Q2和Q3与Q5和Q6之间有一个较小的固定相位差，将Q2、Q3实现ZVS和Q5、Q6实现ZVS分离开来。vAB为三电平波形，输出电压由斩波管的占空比来调节，称之为三电平模式(3L模式)，其主要波形图如图1(b)。当输入电压较高时，Q1和Q4的脉宽减小到零，Q2和Q3与Q6和Q5移相工作，即通过调节两者之间的移相角来调节输出电压，此时vAB为近似两电平波形，称之为两电平模式(2L模式) ，其主要波形图如图1(c)。 2.2 3L模式

模态1[t0，t1]：t0以前，Q3、Q5和D8导通，AB两点间电压vAB为 Vin/2。在t0时刻，关断Q3。谐振电感电流iLr给C3充电，并通过Css给C2放电。在C2和C3的缓冲下，Q3近似零电压关断。在t1时刻，Q2的体二极管导通。

Im=nVoTr/(4Lm)

(1) vC3(t)=Im(t t0)/(2C3l)

v(t)=V/2 I/[2C(t t)]

m C2in3l0式中 Im为励磁电感电流最大值，在t0时刻，iLm达

到反向最大值；n为变压器原副边匝比；C3l为三电平桥臂开关管寄生电容。

+

Vo

_

v(b)三电平模式主要波形

模态2[t1，t2]：在t1时刻，D1和D2导通，此时

第3期 金 科等： 复合式全桥三电平LLC谐振变换器 55

o

可以零电压开通Q2，vAB＝0。由于Lm较大，因此

iLr基本保持不变，仍为Im对Cr充电，其电压vCr线形反向上升。

模态3[t2，t3]：在t2时刻，零电压关断Q5，iLr

给Q5充电，同时给Q6放电，vAB由零变为正。iLr在该模态中保持不变，仍为Im。在t3时刻，Q6的体二极管导通。

vC5(t)=Im(t t2)/2C2l

(2)

vtVIttC()= ( )/2 C6inm22l

式中 C2l为两电平桥臂开关管寄生电容。 模态4[t3，t4]：在t3时刻，零电压开通Q6。此

时iLr>iLm，DR1和DR4导通，nVo加在Lm上。而Vin－nVo加在Lr和Cr之上，iLr …… 此处隐藏：8363字，全部文档内容请下载后查看。喜欢就下载吧 ……