阅读说明：本技术 一种三电平llc变换器及其控制方法 (Three-level LL C converter and control method thereof ) 是由 何艳凯 张运刚 张学武 薛玉山 郭小强 于 2020-04-18 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种三电平LLC变换器及其控制方法,所述三电平LLC变换器包含四个直流输入滤波电容,四个开关器件,一个钳位电容,两个滤波器,两个变压器,两个二极管以及一个输出稳压电容；所述控制方法包含输出电压分数阶控制调节以及驱动信号产生环节。所述三电平LLC变换器拓扑开关应力小,为直流母线电压的一半,开关损耗小,提高系统效率,最后所述三电平LLC变换器能够实现电路输入电容电压自平衡,无需增加大量电压传感器和复杂电压均衡控制算法,其系统控制结构简单,具备优良的抗扰性,稳态和动态性能,具有工程应用价值。(The invention discloses a three-level LL C converter and a control method thereof, wherein the three-level LL C converter comprises four direct current input filter capacitors, four switching devices, a clamping capacitor, two filters, two transformers, two diodes and an output voltage stabilizing capacitor, and the control method comprises an output voltage fractional order control regulation and driving signal generation link, the three-level LL C converter is small in topological switch stress and half of direct current bus voltage, small in switch loss and capable of improving system efficiency, and finally the three-level LL C converter can achieve circuit input capacitor voltage self-balancing without adding a large number of voltage sensors and complex voltage balance control algorithms.)

一种三电平LLC变换器及其控制方法

技术领域

本发明涉及变换器技术领域，特别是涉及一种三电平LLC变换器及其控制方法。

背景技术

随着电力电子行业的快速发展，使得LLC变换器广泛地被应用，如军用电源，电动汽车充电桩，新能源发电系统，不间断供电和智能电网等。LLC变换器可以实现软开关技术，进而消除开关损耗，降低电磁干扰，提高电能的转换效率，实现系统高效率和高功率密度。然而，传统LLC变换器及其控制方法的电压调节对负载条件有很大的依赖性，从而导致传统LLC变换器输出电压范围受限，为了解决该问题，王浩宇等人在IEEE Transaction onPower Electronics发表的论文A PWM LLC Type Resonant Converter Adapted to WideOutput Range in PEV Charging Applications中提出了一种基于PWM的LLC变换器，与传统的LLC拓扑相比，该拓扑优化了磁元件的设计，实现了与负载条件无关的宽的电压增益范围。然而该方案为两电平LLC变换器，相比较于三电平LLC变换器，两电平LLC变换器具有波形质量低，所需滤波器电感较大，开关器件电压应力大等问题。针对于此问题，山东大学王广柱教授在电工技术学报上刊出的论文“具有宽范围输出电压的三电平半桥LLC谐振变换器控制策略”有效地实现的三电平输出，且实现全程软开关和宽范围输出电压控制。虽然该控制方案和拓扑的波形质量得到了改善，开关器件两端电压应力减小，具有宽的输出电压范围。但忽略了三电平LLC变换器中存在电容电压不均衡问题，同时未考虑不同负载情况下的系统稳态和动态性能。为了解决该问题，通常需要增加大量电压传感器，同时需要复杂电压均衡控制算法，增加硬件成本和变换器体积。为此，亟需一种不增加电压传感器，也无需杂电压均衡控制算法同时具备不同负载情况下良好稳态和动态性能的三电平LLC变换器。

发明内容

本发明为了解决上述现有技术中存在的问题，本发明提供了一种三电平LLC变换器及其控制方法，其具有开关应力小，开关损耗小，系统效率高等优点，且无需增加大量电压传感器和复杂电压均衡控制算法的情况下能够实现电路电容自平衡，具备优良的抗扰性，稳态和动态性能。

本发明采用的具体技术方案是：

一种三电平LLC变换器，包括开关单元、变压器及输出整流单元，所述的开关单元借助变压器与输出整流单元电连接，所述的开关单元形成为变换器的输入端并连接电源V_in，所述的输出整流单元形成为变换器输出端V_o，所述的开关单元包括开关器件S1、S2、S3及S4，

所述的开关器件S1、S2、S3及S4的开闭侧串联连接在电源V_in的正负极之间；

所述的电开关单元并联有电容回路，所述的电容回路包括沿电源V_in的正极到负极之间依次串联的电容C1、C2、C3及C4；

所述的变压器包括第一变压器及第二变压器；

所述的开关器件S1与开关器件S2的串联点借助电感L1与第一变压器的原边正极连接，所述的第一变压器的原边负极与电容回路的电容C1与电容C2的串联点电连接；

所述的开关器件S3与开关器件S4的串联点借助电感L2与第二变压器的原边正极连接，所述的第二变压器的原边负极与电容回路的电容C3与电容C4的串联点电连接；

所述的开关器件S2和开关器件S3的串联点形成为N点，电容C2和电容C3的串联点形成为O点，N点与O点电连接。

所述的电容C1、C2、C3及C4为直流输入滤波电容，

所述的开关器件S2与开关器件S3之间并联有钳位电容C5。

所述的输出整流单元包括二极管D1及D2，所述的第一、二变压器的副边正极分别串联二极管D1及D2后电连接形成为变压器输出端V_o的正极，所述的第一、二变压器的副边负极连接形成为变压器输出端V_o的负极。

所述的变压器输出端V_o的正负极之间串联有滤波电容C6。

一种基于三电平LLC变换器的控制方法，所述的控制方法包括

步骤1、输出电压分数阶控制调节：

输出电压误差为△u₀＝V_o ^*-V_o，其中△u₀为输出电压误差量，V_o ^*为输出电压参考，V_o为输出电压反馈；

输出电压误差经过分数阶控制调节1的传函数为输出电压反馈经过分数阶控制调节2的传函数为(k1,k2,k3为控制变量，λa，λb为分数)，两者结果相减后得到参考频率f^*；

步骤2、驱动信号产生环节：

将步骤1中得到的参考频率f^*送入三电平PFM驱动信号产生模块，产生控制所述四个开关器件S1、S2、S3及S4的驱动信号。

本发明的有益效果是：

本发明提供一种三电平LLC变换器及其控制方法，具有开关应力小，开关损耗小，系统效率高等优点，且无需增加大量电压传感器和复杂电压均衡控制算法的情况下能够实现电路电容自平衡，具备优良的抗扰性，稳态和动态性能，提高了LLC变换器系统性能。

附图说明

图1为本发明提供的三电平LLC变换器电路图；

图2为本发明提供的三电平LLC变换器控制方法实施方式。

具体实施方式

下面结合附图及具体实施例对本发明作进一步说明：

具体实施例如图1所示，本发明为一种三电平LLC变换器，包括开关单元、变压器及输出整流单元，所述的开关单元借助变压器与输出整流单元电连接，所述的开关单元形成为变换器的输入端并连接电源V_in，所述的输出整流单元形成为变换器输出端V_o，所述的开关单元包括开关器件S1、S2、S3及S4，

所述的开关器件S1、S2、S3及S4的开闭侧串联连接在电源V_in的正负极之间；

所述的电开关单元并联有电容回路，所述的电容回路包括沿电源V_in的正极到负极之间依次串联的电容C1、C2、C3及C4；

所述的变压器包括第一变压器及第二变压器；

所述的开关器件S1与开关器件S2的串联点借助电感L1与第一变压器的原边正极连接，所述的第一变压器的原边负极与电容回路的电容C1与电容C2的串联点电连接；

所述的开关器件S3与开关器件S4的串联点借助电感L2与第二变压器的原边正极连接，所述的第二变压器的原边负极与电容回路的电容C3与电容C4的串联点电连接；

所述的开关器件S2和开关器件S3的串联点与电容C2和电容C3的串联点电连接。

所述的开关器件S2与开关器件S3之间并联有钳位电容C5。

所述的输出整流单元包括二极管D1及D2，所述的第一、二变压器的副边正极分别串联二极管D1及D2后电连接形成为变压器输出端V_o的正极，所述的第一、二变压器的副边负极连接形成为变压器输出端V_o的负极。

如图1所示，图中电感L1所连接变压器为第一变压器，电感L2所连接的变压器为第二变压器。

所述的变压器输出端V_o的正负极之间串联有滤波电容C6。

如图2所示，本发明还包括一种基于三电平LLC变换器的控制方法，所述的控制方法包括

步骤1、输出电压分数阶控制调节：

输出电压误差为△u₀＝V_o ^*-V_o，其中△u₀为输出电压误差量，V_o ^*为输出电压参考，V_o为输出电压反馈；

输出电压误差经过分数阶控制调节1的传函数为输出电压反馈经过分数阶控制调节2的传函数为(k1,k2,k3为控制变量，λa,λb为分数)，两者结果相减后得到参考频率f^*；

步骤2、驱动信号产生环节：

将步骤1中得到的参考频率f^*送入三电平PFM驱动信号产生模块，产生控制所述四个开关器件S1、S2、S3及S4的驱动信号。

结合所述三电平LLC变换器拓扑及所述控制方法，所述三电平LLC变换器拓扑能够实现三电平输出，波形质量高，有效减小磁性元件，提高系统功率密度；所述三电平LLC变换器拓扑开关应力小，为直流母线电压的一半，开关损耗小，提高系统效率，无需增加大量电压传感器，仅采用输出电压参考V_o ^*和输出电压反馈V_o即可进行计算，也不需要复杂电压均衡控制算法，其系统控制结构简单，具备优良的抗扰性，稳态和动态性能，具有工程应用价值。

最后所述三电平LLC变换器通过电容C1、C2、C3和C4串联相互充电就能够实现电路电容自平衡，具备优良的抗扰性，稳态和动态性能。