一种基于多元件谐振槽的宽增益多相LLC谐振变换器制造技术

本发明专利技术涉及电力电气领域，具体为一种基于多元件谐振槽的宽增益多相LLC谐振变换器。解决了传统LLC变换器在开关频率大于谐振频率的部分，增益曲线随频率变化较为平缓，在低输出电压时开关频率很高，并且单个桥臂的存在使得电流幅值较高，从而导致损耗增加，效率降低的技术问题。本发明专利技术在传统的LLC谐振变换器基础上，添加了多元件组成的新桥臂，且新桥臂中的元件参与谐振。新桥臂中的元件改善了变换器的增益特性，谐振频率附近的增益随频率变化响应快，有助于实现窄频率范围的宽增益，同时新桥臂的加入使得变换器可以利用基波和三次谐波来传输有功功率，提高效率。此外，新的桥臂分走了原桥臂的部分电流，减小了电流幅值。减小了电流幅值。减小了电流幅值。

【技术实现步骤摘要】
一种基于多元件谐振槽的宽增益多相LLC谐振变换器


[0001]本专利技术涉及电力电气领域，具体为一种基于多元件谐振槽的宽增益多相LLC谐振变换器。

技术介绍

[0002]对天然气、煤炭、石油等资源的日益增强的依赖性，导致人类对其的过度开发，在全球能源危机的进一步加剧下，各国都在扩大对新能源技术的研究。广泛采用诸如太阳能和风能等的可再生能源将有助于减少环境中的碳足迹。太阳能的潜力巨大，其安装率近年一直在增长。大规模风力发电的广泛应用也增加了可再生能源存储的需求。新能源发电的枢纽DC
‑
DC变换器能够为储能与发电系统之间的转换提供可靠通道以保持能量传输的稳定性，例如在电动汽车中，需要DC
‑
DC变换器来实现能量的流动，以实现其稳定运行；因此，通常由发电部分、储能部分、变压器及逆变器组成一类新能源系统汽车DC
‑
DC变换器的拓扑结构及其控制技术近年来发展迅速。为满足变换器高效、高功率密度的发展趋势，如何降低变换器的损耗和体积成为研究热点。
[0003]DC/DC变换器分为PWM型和谐振型（LLC）。相较于效率低、损耗高的PWM型DC/DC变换器来说，谐振型变换器具有软开关特性，即在全负载范围内能够实现原边开关管零电压开通和副边二极管零电流关断的优势，使其在保证效率的同时可以提高开关频率。同时，变压器的漏感可以部分充当谐振电感，这意味着利用磁集成技术可以进一步提高变换器的功率密度。故LLC谐振变换器在中小功率应用场合的使用日益增多。
[0004]传统LLC变换器的增益特性表明，通过调节其开关频率可以实现电压调节，然而在开关频率大于谐振频率的部分，增益曲线随频率变化较为平缓，在低输出电压时开关频率很高，并且单个桥臂的存在使得电流幅值较高，从而导致损耗增加，效率降低。

技术实现思路

[0005]本专利技术为解决传统LLC变换器在开关频率大于谐振频率的部分，增益曲线随频率变化较为平缓，在低输出电压时开关频率很高，并且单个桥臂的存在使得电流幅值较高，从而导致损耗增加，效率降低的技术问题，提供一种基于多元件谐振槽的宽增益多相LLC谐振变换器。
[0006]本专利技术是采用如下技术方案实现的：一种基于多元件谐振槽的宽增益多相LLC谐振变换器，所述LLC谐振变换器拓扑结构包括直流母线输入电路、方波发生器、谐振槽、变压器、整流滤波电路和负载；方波发生器采用半桥逆变电路，整个拓扑共有2n个开关管 S1、S2...S
2n
‑1，S
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，n≥3，其中S1与S2构成一个半桥，S3与S4构成一个半桥...S
2n
‑1与S
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构成一个半桥，分别作为第一、第二、...第n相，且同一半桥的开关管是互补导通的；每相之间的驱动信号相互交错，多相相交错时驱动信号互差 360/n
°
，每相的变压器的原边都接地；谐振槽中，Cr为电容，Lr为谐振电感，Lm为励支路的电感；谐振元件Cr1与Lr1串联，Cr2与Lr2串联，上述两条串联后的线路并联后，一端与S1与S2构成的半桥中点相连接，另一端通过Lm1连接至
变压器的第一相原边；谐振元件Cr3与Lr3串联，Cr4与Lr4串联，上述两条串联后的线路并联后，一端与S3与S4构成的半桥中点相连接，另一端通过Lm2连接至变压器的第二相原边；以此类推，谐振元件Cr
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‑1与Lr
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‑1串联，Cr
2n
与Lr
2n
串联，上述两条串联后的线路并联后，一端与S
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‑1与S
2n
构成的半桥中点相连接，另一端通过Lm
n
连接至变压器的第n相原边；上述各条串联电路等效为可变电容，形成陷波器；变压器二次侧采用2n个自由组合的二级管或者MOS管D1‑
D
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，D1和D2、D3和D4...D
2n
‑1和D
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各构成一个半桥，作为整流滤波电路，n个半桥分别接变压器的第一、第二...第n相；整流滤波电路后接输出电容连接至负载。
[0007]本专利技术的技术特点：本专利技术为多元件谐振槽，在传统三相LLC谐振变换器三桥臂基础上，针对每个桥臂加入了新的桥臂，同时将传统的三相LLC谐振变换器拓展到了多相。增加的桥臂可以改善增益特性并实现利用基波和三次谐波传输有功功率，并且将原桥臂的部分电流分流。本专利技术通过对谐振槽的拓扑变形，从而改善谐振变换器的增益特性，使得变换器在每个谐振槽内的电流幅值降低，在低输出电压时不再像传统的LLC变换器一样需要较高频率，降低导通损耗与变压器损耗，同时实现高增益，提升了效率和功率密度。
[0008]本专利技术有益效果：本专利技术提出的变换器，在传统的LLC谐振变换器基础上，添加了多元件组成的新桥臂，且新桥臂中的元件参与谐振。新桥臂中的元件改善了变换器的增益特性，谐振频率附近的增益随频率变化响应快，有助于实现窄频率范围的宽增益，同时新桥臂的加入使得变换器可以利用基波和三次谐波来传输有功功率，提高效率。此外，新的桥臂分走了原桥臂的部分电流，减小了电流幅值。
附图说明
[0009]图1本专利技术所述谐振变换器整体框架结构示意图；图2本专利技术所述谐振变换器在n=3时的拓扑结构示意图；图3本专利技术所述变换器（n=3时）工作在频率小于等于谐振频率时的工作波形图；图4工作模式1:[t0‑
t1]时的工作模态；图5工作模式2:[t1‑
t2]时的工作模态；图6工作模式3:[t2‑
t3]时的工作模态；图7工作模式4:[t3‑
t4]时的工作模态；图8工作模式5:[t4‑
t5]时的工作模态；图9工作模式6:[t5‑
t6]时的工作模态；图10工作模式7:[t6‑
t7]时的工作模态；图11工作模式8:[t7‑
t8]时的工作模态；图12工作模式9:[t8‑
t9]时的工作模态；图13为本专利技术所述谐振变换器各参数设计流程图。
具体实施方式
[0010]本专利技术的目的是提供了一种基于多谐振槽的高增益多相LLC谐振变换器，通过对谐振槽的拓扑变形，从而改善谐振变换器的增益特性，使得变换器在每个谐振槽内的电流幅值降低，在低输出电压时不再像传统的LLC变换器一样需要较高频率，降低导通损耗与变压器损耗，同时实现高增益，提升了效率和功率密度。
[0011]所述LLC谐振变换器拓扑结构包括直流母线输入电路、方波发生器、谐振槽、变压器、整流滤波电路和负载；方波发生器采用半桥逆变电路，当n=3时，整个拓扑共有六个开关管 S1、S2、S3、S4、S
5 与 S6，其中S1与S2构成一个半桥，S3与S4构成一个半桥，S5与S6构成一个半桥，分别作为A、B、C相，且同一半桥的 S1与S2、S3与S4、S5与S6是互补导通的；每相之间的驱动信号相互交错，三相交错时驱动信号互差120
°
，每相的变压器的原边都接本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于多元件谐振槽的宽增益多相LLC谐振变换器，所述LLC谐振变换器拓扑结构包括直流母线输入电路、方波发生器、谐振槽、变压器、整流滤波电路和负载；其特征在于，方波发生器采用半桥逆变电路，整个拓扑共有2n个开关管 S1、S2...S
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‑1，S
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，n≥3，其中S1与S2构成一个半桥，S3与S4构成一个半桥...S
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‑1与S
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构成一个半桥，分别作为第一、第二、...第n相，且同一半桥的开关管是互补导通的；每相之间的驱动信号相互交错，多相相交错时驱动信号互差 360/n
°
，每相的变压器的原边都接地；谐振槽中，Cr为电容，Lr为谐振电感，Lm为励支路的电感；谐振元件Cr1与Lr1串联，Cr2与Lr2串联，上述两条串联后的线路并联后，一端与S1与S2构成的半桥中点相连接，另一端通过Lm1连接至变压器的第一相原边；谐振元件Cr3与Lr3串联，Cr4与Lr4串联，上述两条串联后的线路并联后，一端与S3与S4构成的半桥中点相连接，另一端通过Lm2连接至变压器的第二相原边；以此类推，谐振元件Cr
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‑1与Lr
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‑1串联，Cr
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与Lr
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串联，上述两条串联后的线路并联后，一端与S
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‑1与S
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构成的半桥中点相连接，另一端通过Lm
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连接至变压器的第n相原边；上述各条串联电路等效为可变电容，形成陷波器；变压器二次侧采用2n个自由组合的二级管或者MOS管D1‑
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，D1和D2、D3和D4...D
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‑1和D
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各构成一个半桥，作为整流滤波电路，n个半桥分别接变压器的第一、第二...第n相；整流滤波电路后接输出电容连接至负载。2.如权利要求1所述的一种基于多元件谐振槽的宽增益多相LLC谐振变换器，其特征在于，所述n=3；LLC谐振变换器包括如下9个工作模式：（1）工作模式1:[t0‑
t1]t0时刻，开关管S1、S4、S6导通；对于A相，谐振电流开始ir1>0，逐渐增大之后减小，励磁电流im1>0，逐渐增大，副边二极管或MOS管D1导通，Lm1被输出电压箝位，不参与谐振；对于B相，谐振电流ir2<0，励磁电流im2<0，且谐振电流等于励磁电流即ir2=im2，此时iD4=0，副边二极管或MOS管D4自然关断实现零电流开关ZCS；对于C相，谐振电流ir3<0，逐渐反向增大之后减小，励磁电流im3>0，逐渐减小，副边二极管或MOS管D6导通，Lm3被输出电压箝位，不参与谐振；（2）工作模式2:[t1‑
t2]t1时刻，开关管S1、S6导通，S4关断；对于A相，谐振电流ir1>0，逐渐减小，励磁电流im1>0，逐渐增大，副边二极管或MOS管D1导通，Lm1被输出电压箝位，不参与谐振；对于B相，谐振电流ir2<0，逐渐反向减小，励磁电流im2<0，也逐渐反向减小，因为S4是关断的，所以谐振电流开始给S4充电，而给S3放电，副边二极管或MOS管D3导通，Lm2被输出电压箝位，不参与谐振；对于C相，谐振电流ir3<0，反向逐渐增大，励磁电流im3<0，也反向逐渐增大，副边二极管或MOS管D6导通，Lm3被输出电压箝位，参与谐振；（3）工作模式3:[t2‑
t3]t2时刻，开关管S1、S6导通；对于A相，谐振电流ir1>0，逐渐减小，励磁电流im1>0，逐渐增大，副边二极管或MOS管D1导通，Lm1被输出电压箝位，不参与谐振；对于B相，谐振电流ir2>0，开始逐渐增大，励磁电流im2<0，反向减小，S4两端电压上升至输入电压，而S3两端电压降为0，当S3的驱动信号来临时，便可以实现零电流开关ZVS，此时副边二极管或MOS管D3导通，Lm2被输出电压箝位，不再参与谐振；对于C相，谐振电流ir3<0，反向逐渐增大，励磁电流im3<0，也反向逐渐增大副边二极管或MOS管D6导通，Lm3被输出电压箝位，参与谐振；（4）工作模式4:[t3‑
t4]
t3时刻，开关管S1、S3、S6导通；对于A相，谐振电流ir1&g...

【专利技术属性】
技术研发人员：任春光，杨军军，底昊天，韩肖清，李欣芪，尚江，赵文龙，常雨洁，陈文波，黄艳斗，刘澳洋，刘江涛，
申请(专利权)人：山西国臣直流配电工程技术有限公司山西国臣光储直柔研究院有限公司，
类型：发明
国别省市：