一種具有雙容錯能力的全橋式LLC諧振變換器的製作方法

2024-03-06 12:27:15

本發明屬於電力電子領域，具體設計一種具有雙容錯能力的全橋式llc諧振變換器。

背景技術：

隨著航空市場競爭的日益激烈，更低成本和更環保的飛機成為航空製造商的研究熱點。為滿足航空業不斷提高的要求，多電飛機技術應運而生。與傳統飛機不同，它以電力系統作為主要二次能源系統，代替了傳統飛機的機械、液壓和氣動系統，提高了能量的綜合利用效率，有效減少了飛機的排放量，降低了對環境的影響。同時，採用電能作為二次能源，更易實現能源架構的優化，減小了對發動機的功率需求，進而有效減少了飛機的燃油消耗。相較於傳統飛機，多電飛機的電力系統更加複雜。以多電飛機的hvdc供電系統為例，其包含270v高壓直流母線，28v低壓直流母線和115v/400hz交流電壓母線。為實現各母線之間的電壓轉換和電能控制，電力電子變換器在多電飛機電力系統中得到了廣泛的應用，如dc-dc變換器，dc-ac變換器，ac-dc變換器等。

多電飛機電力系統的安全性和可靠性至關重要，現代航空工業要求飛機電力系統能承受多次故障。在經受一次故障後，供電系統應仍能向全部飛機用電負載供電。而在經受兩次故障後，供電系統應仍能向所有關鍵任務負載供電。為滿足上述要求，作為電力系統重要組件的電力電子變換器也應該具備多次容錯能力。實現多次容錯的最簡單方法是對電力電子變換器進行多臺冗餘備份，但冗餘備份將造成系統整體體積龐大，同時導致高額的成本。為獲得具有多次容錯能力且成本低廉的電力電子變換器，現有文獻提出了一系列變換器拓撲與控制方法，但大多針對dc-ac變換器。而對於相應dc-dc變換器的研究，較為少見。

l.costa和g.buticchi在標題為afault-tolerantseries-resonantdc-dcconverter(ieeetransactionsonpowerelectronic,2017,32(2),pp.900-905)的文章中提出了一種拓撲重構技術，即在全橋串聯諧振dc-dc變換器某一橋臂發生故障時，通過保證橋臂上管區域開路，橋臂下管區域短路，實現全橋拓撲到半橋拓撲的轉化，保證變換器仍能正常工作。同時，為了保持輸出電壓不變，該文章在副邊電路增加一輔助開關管，使得故障發生時副邊結構受控切換為倍壓輸出結構。但該變換器僅能承受一次故障。此外，故障發生後，為保證相同的功率輸出，變換器原邊開關管電流應力增加，大於正常工作值，不僅增大了器件成本，也給電路參數設計帶來了不便。

技術實現要素：

針對現有技術所存在的上述技術問題，本發明提出了一種具有雙容錯能力的全橋式llc諧振變換器。該變換器將冗餘結構和拓撲重構技術結合，僅需一個冗餘備份和兩個輔助二極體便可使變換器具有兩次容錯能力，在系統成本儘量低的基礎上大大提高了變換器的可靠性和安全性。

一種具有雙容錯能力的全橋式llc諧振變換器，由兩個子電路和兩個輔助構成，所述的子電路為全橋llc諧振變換電路，所述的全橋llc諧振變換電路的原邊為全橋電路結構，副邊為全波整流電路結構，所述的輔助二極體為功率二極體。

所述子電路的原邊包括一個原邊繞組，一個諧振電容，一個諧振電感，一個勵磁電感和兩個並聯的橋臂，每個橋臂由兩個帶反並二極體的開關管經由一個保險絲串聯組成；原邊繞組的異名端通過諧振電容與其中一橋臂的下管的漏極以及相應保險絲的下端共連，原邊繞組的同名端與諧振電感的一端相連，諧振電感的另一端和另一橋臂的下管的漏極以及該橋臂中相應保險絲的下端共連；勵磁電感的兩端與原邊繞組的兩端相連。所述的開關管可實現零電壓開通，選擇金屬-氧化物半導體場效應電晶體(mosfet)。

所述的諧振電感為隔離變壓器的原邊等效漏感或外置電感；所述的勵磁電感為隔離變壓器的原邊等效勵磁電感。

優選地，所述的金屬-氧化物半導體場效應電晶體(mosfet)的源極與漏極兩端均並聯有緩衝電容，所述的緩衝電容為開關管內部的寄生電容或外置電容；此電容有利於開關管實現軟開關，避免了因開關管硬開關帶來的各種電磁幹擾問題，同時提升了變換器效率。

所述的兩個子電路中，子電路之一的副邊包括第一隔離變壓器的第一、第二副邊繞組，第一功率二極體和第二功率二極體；第一隔離變壓器的第一副邊繞組的異名端與第一功率二極體的陰極相連。第一隔離變壓器的第一副邊繞組的同名端與第一隔離變壓器的第二副邊繞組的異名端相連，並與輸出負載正端相連。第一功率二極體的陽極與第二功率二極體的陽極相連，並與輸出負載負端相連。第二功率二極體的陰極與第一隔離變壓器的第二副邊繞組的同名端相連。

所述的子電路之二的副邊包括第二隔離變壓器的第一、第二副邊繞組，第三功率二極體和第四功率二極體；第二隔離變壓器的第一副邊繞組的異名端與第三功率二極體的陽極相連。第二隔離變壓器的第一副邊繞組的同名端與第二隔離變壓器的第二副邊繞組的異名端相連，並與輸出負載負端相連。第三功率二極體的陰極與第四功率二極體的陰極相連，並與輸出負載正端相連。第四功率二極體的陽極與第二隔離變壓器的第二副邊繞組的同名端相連。

所述的第一輔助二極體的陽極與子電路之二的第一副邊繞組的異名端以及第三功率二極體的陽極共連；第一輔助二極體的陰極與子電路之一的第一副邊繞組的異名端以及第一功率二極體的陰極共連。

所述的第二輔助二極體的陽極與子電路之二的第二副邊繞組的同名端以及第四功率二極體的陽極共連；第二輔助二極體的陰極與子電路之一的第二副邊繞組的同名端和第二功率二極體的陰極共連。

根據實際情況，所述變換器負載兩端並聯有濾波電容，以獲取更好的輸出波形。

本發明逆變器相對於現有技術具有以下優點：

(1)本發明變換器具有雙容錯能力，在承受兩次故障後仍能保持正常工作，正常輸出額定電壓與額定功率。

(2)本發明變換器在各次故障發生前後，開關管電壓電流應力基本不變，簡化了器件選取和電路參數設計，降低了成本。

(3)本發明變換器在各次故障發生時，電路結構自動切換，無需額外輔助開關管，簡化了變換器的控制策略。

(4)本發明變換器中的功率開關管容易實現軟開關，避免了由於開關管硬開關帶來的各種電磁幹擾問題，易於實現電路的高頻化，同時有利於電路效率的提高。

(5)本發明變換器建立在成熟的技術基礎之上，子電路是傳統的llc諧振電路，原邊為全橋結構，副邊為全波整流結構；電路採用傳統llc諧振電路的pfm調製方法，技術成熟。

本發明可用於多電飛機供電系統，實現電壓變換與電能控制，或用於其他需要多次容錯能力的場合，如伺服器電源等。

附圖說明

圖1為本發明全橋式llc諧振變換器示意圖。

圖2為工作於正常模式的本發明全橋式llc諧振變換器示意圖。

圖3為工作於正常模式的本發明全橋式llc諧振變換器主要波形示意圖。

圖4為工作於模式2a的本發明全橋式llc諧振變換器示意圖。

圖5為工作於模式2a的本發明全橋式llc諧振變換器主要波形示意圖。

圖6為工作於模式2b的本發明全橋式llc諧振變換器示意圖。

圖7為工作於模式3a的本發明全橋式llc諧振變換器示意圖。

圖8為工作於模式3a的本發明全橋式llc諧振變換器主要波形示意圖。

圖9為工作於模式3b的本發明全橋式llc諧振變換器示意圖。

圖10為工作於模式3c的本發明全橋式llc諧振變換器示意圖。

圖11為工作於模式3d的本發明全橋式llc諧振變換器示意圖。

具體實施方式

為了更為具體地描述本發明，下面結合附圖及具體實施方式對本發明的技術方案及其相關工作原理進行詳細說明。

一種具有雙容錯能力的全橋式llc諧振變換器，包括兩個全橋llc諧振電路和兩個輔助二極體；全橋llc諧振電路的原邊為全橋電路結構，副邊為全波整流電路結構；輔助二極體為功率二極體。

如圖1所示，原邊電路包括：

1)與輸入電源並聯的第一原邊支路，由帶反並聯二極體ds1的第一功率開關管s1，帶反並聯二極體ds2的第二功率開關管s2，第一緩衝電容cs1，第二緩衝電容cs2，第一保險絲f1組成；其中帶反並聯二極體ds1的第一功率開關管s1的漏極與電源的正極相連，帶反並聯二極體的ds1第一功率開關管s1的源極和第一保險絲f1的一端相連，第一保險絲f1的另一端與帶反並聯二極體ds2的第二功率開關管s2的漏極相連(連接點為a點)，帶反並聯二極體ds2的第二功率開關管s2的源極與電源的負極相連，第一緩衝電容cs1的兩端分別與帶反並聯二極體ds1的第一功率開關管s1的漏極和源極相連，第二緩衝電容cs2的兩端分別與帶反並聯二極體ds2的第二功率開關管s2的漏極和源極相連；所述開關管s1與s2為功率金屬-氧化物半導體場效應電晶體(mosfet)。

2)與輸入電源並聯的第二原邊支路，由帶反並二極體ds4的第四功率開關管s4，帶反並聯二極體ds3的第三功率開關管s4，第三緩衝電容cs3，第四緩衝電容cs4和第二保險絲f2組成；其中帶反並聯二極體ds4的第四功率開關管s4的漏極與電源的正極相連，帶反並聯二極體ds4的第四功率開關管s4的源極和第二保險絲f2的一端相連，第二保險絲f2的另一端與帶反並聯二極體ds3的第三功率開關管s3的漏極相連(連接點為b點)，帶反並聯二極體ds3的第三功率開關管s3的源極與電源的負極相連，第四緩衝電容cs4的兩端分別與帶反並聯二極體ds4的第四功率開關管s4的漏極和源極相連，第三緩衝電容cs3的兩端分別與帶反並聯二極體ds3的第三功率開關管s3的漏極和源極相連；所述開關管s3與s4為功率金屬-氧化物半導體場效應電晶體(mosfet)。

3)與輸入電源並聯的第三原邊支路，由帶反並二極體ds5的第五功率開關管s5，帶反並聯二極體ds6的第六功率開關管s6，第五緩衝電容cs5，第六緩衝電容cs6和第三保險絲f3組成；其中帶反並聯二極體ds5的第五功率開關管s5的漏極與電源的正極相連，帶反並聯二極體ds5的第五功率開關管s5的源極和第三保險絲f3的一端相連，第三保險絲f3的另一端與帶反並聯二極體ds6的第六功率開關管s6的漏極相連(連接點為c點)，帶反並聯二極體ds6的第六功率開關管s6的源極與電源的負極相連，第五緩衝電容cs5的兩端分別與帶反並聯二極體ds5的第五功率開關管s5的漏極和源極相連，第六緩衝電容cs6的兩端分別與帶反並聯二極體ds6的第六功率開關管s6的漏極和源極相連；所述開關管s5與s6為功率金屬-氧化物半導體場效應電晶體(mosfet)。

4)與輸入電源並聯的第四原邊支路，由帶反並二極體ds7的第七功率開關管s7，帶反並聯二極體ds8的第八功率開關管s8，第七緩衝電容cs7，第八緩衝電容cs8和第四保險絲f4組成；其中帶反並聯二極體ds8的第八功率開關管s8的漏極與電源的正極相連，帶反並聯二極體ds8的第八功率開關管s8的源極和第四保險絲f4的一端相連，第四保險絲f4的另一端與帶反並聯二極體ds7的第七功率開關管s7的漏極相連(連接點為d點)，帶反並聯二極體ds7的第七功率開關管s7的源極與電源的負極相連，第七緩衝電容cs7的兩端分別與帶反並聯二極體ds7的第七功率開關管s7的漏極和源極相連，第八緩衝電容cs8的兩端分別與帶反並聯二極體ds8的第八功率開關管s8的漏極和源極相連；所述開關管s7與s8為功率金屬-氧化物半導體場效應電晶體(mosfet)。

4)第一隔離變壓器t1的原邊繞組n11，第一諧振電感lr1，第一諧振電容cr1和第一勵磁電感lm1；其中諧振電容cr1的一端接於b點，cr1的另一端與第一隔離變壓器t1的原邊繞組n11的異名端相連，第一隔離變壓器t1原邊繞組n11的同名端和第一諧振電感lr1的一端相連，lr1的另一端接於a點；第一勵磁電感lm1的兩端與第一隔離變壓器t1的原邊繞組n11的兩端相連，

5)第二隔離變壓器t2的原邊繞組n21，第二諧振電感lr2,第二諧振電容cr2和第二勵磁電感lm2；其中第二諧振電容cr2的一端接於d點，cr2的另一端與第一隔離變壓器t2的原邊繞組n21的異名端相連，第二隔離變壓器t2原邊繞組n21的同名端與第二諧振電感lr2的一端相連，lr2的另一端接於c點；第二勵磁電感lm2的兩端與第二隔離變壓器t2的原邊繞組n21的兩端相連。副邊電路包括：

1)與輸出負載並聯的第一副邊支路，由第一功率二極體d1和第一隔離變壓器t1的第一副邊繞組n12組成；其中第一功率二極體d1的陽極與輸出負載的負端相連，第一功率二極體d1的陰極與第一隔離變壓器t1的第一副邊繞組n12的異名端相連(連接點為e點)，第一隔離變壓器t1的第一副邊繞組n12的同名端與輸出負載的正端相連。

2)與輸出負載並聯的第二副邊支路，由第二功率二極體d2和第一隔離變壓t1器的第二副邊繞組n13組成；其中第二功率二極體d2的陽極與輸出負載的負端相連，第二功率二極體d2的陰極與第一隔離變壓器t1的第二副邊繞組n13的同名端相連(連接點為f點)，第一隔離變壓器t1的第二副邊繞組n13的異名端與輸出負載的正端相連。

3)與輸出負載並聯的第三副邊支路，由第三功率二極體d3和第二隔離變壓器t2的第一副邊繞組n22組成；其中第三功率二極體d3的陰極與輸出負載的正端相連，第三功率二極體d3的陽極與第二隔離變壓器t2的第一副邊繞組n22的異名端相連(連接點為g點)，第二隔離變壓器t2的第一副邊繞組n22的同名端與輸出負載的負端相連。

4)與輸出負載並聯的第四副邊支路，由第四功率二極體d4和第二隔離變壓器t2的第二副邊繞組n23組成；其中第四功率二極體d4的陰極與輸出負載的正端相連，第四功率二極體d4的陽極與第二隔離變壓器t2的第二副邊繞組n23的同名端相連(連接點為h點)，第二隔離變壓器t2的第二副邊繞組n23的異名端與輸出負載的負端相連。

5)第一輔助二極體d5；第一輔助二極體d5的陽極連於g點；第一輔助二極體d5的陰極連於e點。

6)第二輔助二極體d6；第二輔助二極體d6的陽極連於h點；第二輔助二極體d6的陰極連於f點。

7)輸出濾波電容co；輸出濾波電容co正負端分別接在輸出埠正負兩端。

8)電阻負載r；電阻負載r跨接在輸出埠正負兩端。

圖1中第一諧振電感lr1和第二諧振電感lr2由單獨的電感構成，或由第一隔離變壓器t1的原邊等效漏感和第二隔離變壓器t2的原邊等效漏感構成；第一勵磁lm1和第二勵磁電感lm2由第一隔離變壓器t1的原邊等效勵磁電感和第二隔離變壓器t2的原邊等效勵磁電感構成。

圖1中第一緩衝電容cs1、第二緩衝電容cs2、第三緩衝電容cs3、第四緩衝電容cs4、第五緩衝電容cs5、第六緩衝電容cs6、第七緩衝電容cs7、第八緩衝電容cs8由單獨的電容構成，或者由帶反並二極體ds1的第一功率開關管s1漏極與源極間的寄生電容、帶反並二極體ds2的第二功率開關管s2漏極與源極間的寄生電容、帶反並二極體ds3的第三功率開關管s3漏極與源極間的寄生電容、帶反並二極體ds4的第四功率開關管s4漏極與源極間的寄生電容、帶反並二極體ds5的第五功率開關管s5漏極與源極間的寄生電容、帶反並二極體ds6的第六功率開關管s6漏極與源極間的寄生電容、帶反並二極體ds7的第七功率開關管s7漏極與源極間的寄生電容、帶反並二極體ds8的第八功率開關管s8漏極與源極間的寄生電容構成。

本發明全橋式llc諧振變換器採用傳統的全橋llc諧振變換器pfm調製方法，根據經受故障次數的不同，共分為三個工作模式：

1)模式1，正常工作模式：如圖2所示，變換器未發生故障，僅子電路之一參與工作，原邊包含帶反並二極體的第一至第四功率開關管s1-s4，第一、第二保險絲f1、f2，第一隔離變壓器t1的原邊繞組n11，第一勵磁電感lm1,第一諧振電感lr1以及第一諧振電容cr1；副邊包含副邊第一支路與副邊第二支路，即第一、第二功率二極體d1、d2以及第一隔離變壓器t1的第一、第二副邊繞組n12和n13；此模式下，變換器工作原理與全波整流的全橋llc諧振變換器相同，原邊開關管s1、s3的驅動均為d1，s2、s4的驅動均為d2，d1和d2互補且均為50％佔空比，副邊二極體d1和d2交替工作，變換器在正常模式下的關鍵工作波形如圖3所示。

2)模式2，一次故障模式：在正常工作模式時，若任一原邊支路上的開關管發生故障，則變換器進入一次故障模式。根據故障支路的位置的不同，模式2可分為模式2a與模式2b兩種狀態。當故障位於第一原邊支路，變換器工作於模式2a；當故障位於第二原邊支路，變換器工作於模式2b。

如圖4所示，假設故障位於第一原邊支路，如第二功率開關管s2在正常工作時發生故障後短路，第一保險絲f1將由於短路造成的大電流熔斷,變換器切換至模式2a工作。子電路之一停止工作，即第一至第四功率開關管s1-s4的驅動被封鎖。同時，子電路之二開始工作，原邊包含帶反並二極體的第五至第八功率開關管s5-s8，第三和第四保險絲f3、f4，第二隔離變壓器t2的原邊繞組n21,第二勵磁電感lm2,第二諧振電感lr2以及第二諧振電容cr2；副邊包含副邊第三支路與副邊第四支路，即第三、第四功率二極體d3、d4以及第二隔離變壓器t2的第一、第二副邊繞組n22和n23；此模式下，變換器工作原理與模式1基本相同，原邊開關管s5、s7的驅動均為d1，s6、s8的驅動均為d2，d1和d2互補且均為50％佔空比，副邊二極體d3和d4交替工作，變換器在模式2a下的關鍵工作波形如圖5所示。

如圖6所示，假設故障位於第二原邊支路，如第三功率開關管s3在正常工作時發生故障後短路，第二保險絲f2將由於短路造成的大電流熔斷,變換器切換至模式2b工作。與模式2a相同，子電路之一停止工作，子電路之二開始工作，其工作原理、驅動配置和工作波形與模式2a完全相同，不再贅述。

3)模式3，二次故障模式：在一次故障的基礎上，若第三或第四原邊支路任一發生故障，變換器進入二次故障模式。同樣根據故障所處的原邊支路的不同，模式3共有2×2＝4種分類，分別為模式3a(故障位於第一和第三原邊支路)、模式3b(故障位於第一和第四原邊支路)、模式3c(故障位於第二和第三原邊支路)、模式3d(故障位於第二和第四原邊支路)。

如圖7所示，在模式2a的基礎上，假設第三原邊支路發生故障，如第六功率開關管s6發生故障後短路，第三保險絲f3因而熔斷，變換器切換至模式3a工作。此時，未發生故障的第二、第四原邊支路，第一、第二隔離變壓器t1、t2，第一、第二諧振電感lr1、lr2,第一、第二勵磁電感lm1、lm2，第一、第二諧振電容cr1、cr2與第一、第二副邊輔助二極體d5、d6參與工作，形成原邊並聯副邊串聯的雙半橋llc諧振變換器結構。s3與s4,s7與s8互補導通，且佔空比均為50％，其中s3和s7的驅動為d1,s4和s8的驅動為d2。模式3a下的變換器關鍵工作波形如圖8所示。

如圖9所示，在模式2a的基礎上，假設第四原邊支路發生故障，如第七功率開關管s7故障後短路，第四保險絲f4因而熔斷，變換器切換至模式3b工作。類似地，未發生故障的第二、第三原邊支路，第一、第二隔離變壓器t1、t2，第一、第二諧振電感lr1、lr2,第一、第二勵磁電感lm1、lm2，第一、第二諧振電容cr1、cr2與第一、第二副邊輔助二極體d5、d6參與工作，形成原邊並聯副邊串聯的雙半橋llc諧振變換器結構。s3與s4,s5與s6互補導通，且佔空比均為50％，其中s3和s5的驅動為d1,s4和s6的驅動為d2。

如圖10所示，在模式2b的基礎上，假設第三原邊支路發生故障，如第五功第六功率開關管s6發生故障後短路，第三保險絲f3因而熔斷，變換器切換至模式3c工作。此模式下，未發生故障的第一、第四原邊支路，第一、第二隔離變壓器t1、t2，第一、第二諧振電感lr1、lr2,第一、第二勵磁電感lm1、lm2，第一、第二諧振電容cr1、cr2與第一、第二副邊輔助二極體d5、d6參與工作，形成雙半橋llc諧振變換器結構。s1與s2,s7與s8互補導通，且佔空比均為50％，其中s1和s7的驅動為d1,s2和s8的驅動為d2。

如圖11所示，在模式2b的基礎上，假設第四原邊支路發生故障，如第七功率開關管s7故障後短路，第四保險絲f4因而熔斷，變換器切換至模式3d工作。此模式下，未發生故障的第一、第三原邊支路，第一、第二隔離變壓器t1、t2，第一、第二諧振電感lr1、lr2,第一、第二勵磁電感lm1、lm2，第一、第二諧振電容cr1、cr2與第一、第二副邊輔助二極體d5、d6參與工作，形成雙半橋llc諧振變換器結構。s1與s2,s5與s6互補導通，且佔空比均為50％，其中s1和s5的驅動為d1,s2和s6的驅動為d2。

模式3b-3d時變換器的工作波形與圖9所示的模式3a的關鍵工作波形類似，不再給出。表1給出了各個工作模式對應的故障狀態與各功率開關管在不同模式下的驅動,其中0表示驅動封鎖，1表示對應開關管故障後短路。

表1本發明變換器各個模式對應故障狀態與各開關管驅動