一种适用于三相CLLC谐振变换器切相策略的数字式同步整流控制方法
本发明涉及谐振变换器领域，具体为一种适用于三相cllc谐振变换器切相策略的数字式同步整流控制方法。
背景技术：
1、三相cllc谐振变换器因其自动均流、高功率密度和低输出纹波等优异特性在电动汽车车载充电器应用中备受青睐。此外，三相cllc谐振变换器可以通过切相策略，在负载电流减小时关断一个或两个桥臂，来覆盖电池充电的三个阶段(预充电阶段、恒流充电阶段、恒压充电阶段)，解决轻载时效率降低的问题。
2、三相cllc谐振变换器拓扑结构如图1所示，该电路由一次侧逆变网络、二次侧整流网络和谐振网络组成。其中，变压器按星形连接，谐振电容按三角形连接，构成谐振网络,一、二次侧通过三相变压器实现电气隔离。由于mosfet体二极管压降较大，当二次侧的谐振电流流过时，就会产生一定的损耗。为了进一步提升变换器效率并实现能量的双向传输，可以采用同步整流控制。即在谐振电流过零点时控制二次侧mosfet开关，使电流不经过二极管，因为mosfet的导通电阻低，电流流过时产生的损耗低，进而提升变换器的效率。
3、数字同步整流技术通过将二次侧体二极管的导通时间与一次侧驱动信号之间的关系预设在控制器中，可以在无额外检测电路的情况下实现同步整流控制和效率提升，具有成本优势而被广泛应用。然而，目前针对三相cllc谐振变换器的同步整流控制的研究较为有限，特别是适用于切相策略的同步整流方案尚未广泛研究。同时，切相策略改变了谐振变换器的拓扑结构，这也给同步整控制带来了挑战。
技术实现思路
1、针对现有技术不足，本发明提供了一种适用于三相cllc谐振变换器切相策略的数字式同步整流控制方法，在无需额外增加传感器的基础上，以一种数字式的控制方式，精确计算出二次侧mosfet的导通时间，且适用于变换器切相后的所有运行模式，可有效提升变换器全负载范围的效率。
2、本发明是通过以下技术方案实现的：
3、一种适用于三相cllc谐振变换器切相策略的数字式同步整流控制方法，所述谐振变换器包括一次侧逆变网络、谐振网络和二次侧整流网络。其中谐振网络中三相变压器的一、二次侧采用星形连接，谐振电容采用三角形连接，可实现三相运行模式下的自动均流，且由于谐振电容没有直流偏置，也有助于实现软启动。所述三相cllc谐振变换器数字式同步整流控制方法包括以下步骤：
4、步骤1：对输入和输出电压、电流进行实时采样；
5、步骤2：通过对电压、电流的采样数据，判断变换器的工作模式；
6、步骤3：确定二次侧mosfet的开通时刻；
7、步骤4：根据不同的模式，在基波分析法的基础上，计算出输入方波和二次侧谐振电流的相位差，进一步得到二次侧mosfet电流的过零点；
8、步骤5：计算得到二次侧mosfet的导通时间；
9、步骤6：确定二次侧mosfet的关断时刻；
10、进一步的，所述步骤2中，可以通过采样数据，计算输出功率，确定谐振变换器当前的工作模式。
11、进一步的，所述步骤3中，二次侧mosfet和对应一次侧mosfet保持同步开通。
12、进一步的，以三相运行模式为例，所述步骤4具体包括以下步骤：
13、(1)计算等效电阻req_3ph，计算公式为：
14、
15、其中req_3ph为三相运行模式等效输出负载；ro为输出负载、n为变压器变比；
16、(2)计算负载阻抗z1，计算公式为：
17、
18、其中,
19、
20、式中,ωs为变换器工作频率，lrs为二次侧谐振电感，crs为二次侧谐振电容；
21、(3)计算负载阻抗z1的阻抗角θ1,计算公式为：
22、
23、(4)计算负载阻抗z2，计算公式为：
24、z2＝jωlm||z1＝a2+jb2 (5)
25、其中,
26、
27、式中,lm为变换器励磁电感；
28、(5)计算负载阻抗z2的阻抗角θ2,计算公式为：
29、
30、(6)计算负载阻抗z3，计算公式为：
31、
32、其中,
33、
34、式中,lrp为一次侧谐振电感，crp为一次侧谐振电容；
35、(7)计算二次侧的谐振电流is(t)，假设输入方波的相位为0°，则有
36、
37、式中θ＝θ2-θ3-θ1,为谐振电流的相位角，故可以得到时域下二次侧谐振电流为:
38、
39、进一步的，所述步骤5具体包括以下步骤：
40、(1)计算死区时间tdead,确保mosfet能实现zvs，需考虑死区时间内mosfet寄生电容的电荷能够完全释放，故有：
41、tdead＞18lmcossfmax (12)
42、式中，tdead为死区时间，coss为开关管结电容，fmax为变换器最大工作频率；
43、(2)计算导通时间ton,设谐振电流的相位与二次侧mosfet开通时刻的相位差为则可以计算得到：
44、
45、进一步的，所述步骤6中，二次侧mosfet的关断时刻为二次侧mosfet的开通时刻加上导通时间ton。
46、进一步的，当变换器切换到全桥运行模式时，根据其拓扑结构可知，其一、二次侧谐振电容变为原来的一半，一、二次侧谐振电感变为原来的2倍，励磁电感变为原来的2倍，且有：
47、
48、其中req_2ph为全桥运行模式的等效输出负载。
49、进一步的，通过上述三相模式的计算步骤，同理可以计算出全桥模式的二次侧mosfet导通时间ton,进而得到全桥模式下二次侧mosfet的关断时刻。
50、进一步的，当变换器切换到半桥运行模式时，根据其拓扑结构可知，其一、二次侧谐振电容变为原来的一半，一、二次侧谐振电感变为原来的2倍，励磁电感变为原来的2倍，且有：
51、
52、其中req_1ph为半桥运行模式的等效输出负载。
53、进一步的，通过上述三相模式的计算步骤，同理可以计算出半桥模式的二次侧mosfet导通时间ton,进而得到半桥模式下二次侧mosfet的关断时刻。
54、与现有技术相比，本发明的有益效果是：
55、(1)本发明采用数字式控制，只需对输入和输出侧的直流电压、电流采样，因此本发明并未增加其他硬件辅助电路，降低了谐振变换器的成本。
56、(2)本发明采用cllc谐振变换器最常用的基波分析法即可确定二次侧mosfet的开通和关断时刻，简化了计算过程。
57、(3)本发明的同步整流控制算法可以满足三相cllc谐振变换器切相策略的所有工作模式，提高了三相cllc谐振变换器全负载范围的效率。
技术特征：
1.一种适用于三相cllc谐振变换器切相策略的数字式同步整流控制方法，所述谐振变换器包括一次侧逆变网络、谐振网络和二次侧整流网络。其中谐振网络中三相变压器的一、二次侧采用星形连接，谐振电容采用三角形连接，可实现三相运行模式下的自动均流，且由于谐振电容没有直流偏置，也有助于实现软启动，其特征在于：所述三相cllc谐振变换器数字式同步整流控制方法包括以下步骤：
2.根据权利要求1所述的适用于三相cllc谐振变换器切相策略的数字式同步整流控制方法，其特征在于：所述步骤2中，可以通过采样数据，计算输出功率，确定谐振变换器当前的工作模式。
3.根据权利要求1所述的适用于三相cllc谐振变换器切相策略的数字式同步整流控制方法，其特征在于：所述步骤3中，二次侧mosfet和对应一次侧mosfet保持同步开通。
4.根据权利要求1所述的适用于三相cllc谐振变换器切相策略的数字式同步整流控制方法，其特征在于：以三相运行模式为例，所述步骤4具体包括以下步骤：
5.根据权利要求1所述的适用于三相cllc谐振变换器切相策略的数字式同步整流控制方法，其特征在于：所述步骤5具体包括以下步骤：
6.根据权利要求1所述的适用于三相cllc谐振变换器切相策略的数字式同步整流控制方法，其特征在于：所述步骤6中，二次侧mosfet的关断时刻为二次侧mosfet的开通时刻加上导通时间ton。
7.根据权利要求1所述的适用于三相cllc谐振变换器切相策略的数字式同步整流控制方法，其特征在于：变换器切换到全桥运行模式时，根据其拓扑结构可知，其一、二次侧谐振电容变为原来的一半，一、二次侧谐振电感变为原来的2倍，励磁电感变为原来的2倍，且有：
8.根据权利要求1所述的适用于三相cllc谐振变换器切相策略的数字式同步整流控制方法，其特征在于：变换器切换到半桥运行模式时，根据其拓扑结构可知，其一、二次侧谐振电容变为原来的一半，一、二次侧谐振电感变为原来的2倍，励磁电感变为原来的2倍，且有：
9.根据权利要求1、2、3、4、5、6所述的适用于三相cllc谐振变换器切相策略的数字式同步整流控制方法，其特征在于：通过上述三相模式的计算步骤，同理可以计算出全桥模式和半桥模式下的二次侧mosfet导通时间ton,进而得到全桥模式和半桥模式下二次侧mosfet的关断时刻。
技术总结
本发明提供了一种适用于三相CLLC谐振变换器切相策略的数字式同步整流控制方法，所述三相CLLC谐振变换器包含一次侧逆变网络、谐振网络和二次侧整流网络，谐振网络中包含谐振电容、谐振电感以及高频变压器。三相CLLC谐振变换器可以通过切相策略工作在三相模式、全桥模式和半桥模式。该方法首先固定二次侧MOSFET和一次侧MOSFET保持同步开通，通过分析不同模式下的基波等效模型，计算出不同模式下输入方波信号和副边谐振电流的相位差，进而可计算得到二次侧MOSFET的导通时间，确定不同模式下二次侧MOSFET的关断时刻。本发明通过数字控制实现了三相CLLC谐振变换器切相策略后所有工作模式的同步整流，实现了变换器全负载范围效率的提升，且无需增加额外的元器件。
技术研发人员：程鹤,徐恺,李朋圣,齐乃菊,苗赫勋
受保护的技术使用者：中国矿业大学
技术研发日：
技术公布日：2024/9/23