CN101771351A

CN101771351A - 一种三相三电平llc谐振变换器

Info

Publication number: CN101771351A
Application number: CN200910003514A
Authority: CN
Inventors: 胡永辉; 黄庆义; 弗兰克·赫尔特
Original assignee: Liebert Corp
Current assignee: Vertiv Corp
Priority date: 2009-01-07
Filing date: 2009-01-07
Publication date: 2010-07-07

Abstract

一种三相三电平LLC谐振变换器，包括由三个三电平桥臂并联构成的逆变器、三相变压器、由三组谐振电容和谐振电感串联连接后和三相变压器的三个励磁电感构成的谐振电路、与三相变压器副边连接的三相整流电路、连接在三相整流电路输出端的滤波电路。设有分压电容，将输入电压源等分为电压仅为其一半的两个电压源；还设有零电位点与分压电容的中点连接的三组箝位电路，将每个开关管承受的电压应力箝持为输入电压的一半。能解决半桥LLC谐振变换器输出滤波电容的纹波电流比较大的问题，每个开关管的电压应力为输入电压的一半；并且将输出滤波电路输出电流的纹波频率提高为开关管频率的六倍，可采用更小体积的滤波元件，使输出滤波电路的体积减小。

Description

一种三相三电平LLC谐振变换器

技术领域

本发明涉及谐振变换，尤其是涉及一种三相三电平LLC谐振变换器。

背景技术

中国专利CN1242539C公告了一种《LLC串联共振DC/DC变换器》，该DC/DC变换器是一种半桥LLC谐振变换器，其典型电路如图4所示。它包含由两个主开关管S1和S2构成半桥结构的方波产生器，该方波产生器的驱动信号是固定50％占空比的互补信号，用来产生具有方波波形的一系列输出电压。该DC/DC变换器还包含连接于该方波产生器的谐振网络，该谐振网络由串联电容Cr、串联电感Lr和励磁电感Lm构成，连接在半桥的中点与地之间，谐振电容Cr也起到隔直电容的作用。该DC/DC变换器还包含变压器T1有原边串接于该串联电感器Lr且并接于该并联电感器Lm。该变压器T1还包含副边用来连接于一由整流二极管D1和D2构成中心抽头的整流电路，整流二极管直接连接到输出电容Co上。采用变频调制以调节输出电压，以对输出负载电路提供已整流直流电压。这种半桥LLC谐振变换器优点如下：

1)变压器原边的开关管可以实现零电压开通(Zero voltage switching，简称ZVS)，减小了开关管的开通损耗；

2)变压器副边的整流二极管可以实现的零电流关断(Zero currentswitching，简称ZCS)；

3)高端输入时效率比较高，可以提高变换器的功率密度，非常适合有断电保持时间要求的场合。

但是，半桥LLC谐振变换器也存在着如下不足之处：

这种拓扑结构的谐振变换器输出滤波电容的纹波电流有效值比较大，在输出大电流的场合不太适用；由于其每个开关管的电压应力等于最高输入电压，变压器原边的开关管承受的电流应力很大，在特别高压的场合也不是很适用。例如，在三相功率因数校正电路之后的DC/DC变换器的输入电压通常在700V以上，再考虑开关管电压容量需要留有富裕量，就必须采用耐压1000V以上的开关管器件。而适用于高频且耐压1000V以上的MOSFET器件价格高，性能还有所下降。此外，输出电流的纹波频率为系统开关管频率的两倍，这时输出滤波电路的体积不容易减小。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是弥补上述现有技术的不足，提出一种改进的三相三电平LLC谐振变换器。

本发明的技术问题采用以下技术方案予以解决：

这种三相三电平LLC谐振变换器，包括

由三个三电平桥臂并联构成的逆变器，用于将直流电压逆变成一个方波或阶梯波电压，所述三电平桥臂由四个开关管串联构成；采用频率调制方式改变开关管频率以控制输出电压；

由三组谐振电容和谐振电感串联连接后和三相变压器的三个励磁电感构成的谐振电路，所述谐振电容和谐振电感构成谐振变换器的第一本征谐振频率fr，谐振电感和谐振电容以及变压器的励磁电感构成低于所述第一本征谐振频率的谐振变换器的第二本征谐振频率fm，(fr＞fm)；

原边三个绕组分别与三组谐振电感以及谐振电容串联连接、副边与三相整流电路连接的三相变压器；

与所述三相变压器副边连接的三相整流电路；

连接在所述三相整流电路输出端的滤波电路，将所述三相变压器副边提供的同一方向的脉冲电流变换成对输出负载电路提供能量的直流电压。

这种三相三电平LLC谐振变换器的特点是：

设有分压电容，所述分压电容是两个相同的极性电容，一个极性电容的正极与输入电压源正极连接，其负极与另一个极性电容的正极连接为分压电容的中点，另一个极性电容的负极与输入电压源负极连接，将输入电压源Vin等分为电压仅为其一半的两个电压源。

还设有三组箝位电路，所述三组箝位电路的零电位点与分压电容的中点连接，所述三组箝位电路的箝位点分别与所述三个三电平桥臂的中点连接，分别对所述三个三电平桥臂箝位，将每个开关管承受的电压应力箝持为输入电压的一半。

本发明的的技术问题采用以下进一步的技术方案予以解决：

所述三相变压器原边绕组的Y形连接点与所述分压电容的中点连接。

所述谐振电感是外在电感或三相变压器的漏感。

所述三相整流电路输出端的滤波电路是一滤波电容。

本发明与现有技术对比的有益效果是：

能够解决半桥LLC谐振变换器输出滤波电容的纹波电流比较大的问题，每个开关管的电压应力为输入电压的一半；并且将输出滤波电路输出电流的纹波频率提高为开关管频率的六倍，可以采用更小体积的滤波元件，使输出滤波电路的体积减小。

附图说明

图1是本发明的具体实施方式一的电路图；

图2是本发明的具体实施方式二的电路图；

图3是本发明的具体实施方式一的波形图；

图4是现有半桥LLC谐振变换器的电路图。

具体实施方式

下面将结合具体实施方式并对照附图对本发明作进一步说明

具体实施方式一

如图1所示的一种三相三电平LLC谐振变换器是典型的三相三电平LLC谐振变换器。它包括分压电容、逆变器、箝位电路、谐振电路、三相变压器、整流电路、滤波电路。

分压电容是两个相同的极性电容C1、C2，极性电容C1的正极与输入电压源Vin正极连接，极性电容C1的负极与极性电容C2的正极连接为分压电容的中点，极性电容C2的负极与输入电压源Vin负极连接，将输入电压源Vin等分为电压仅为其一半的两个电压源。

逆变器由三个三电平桥臂并联构成，用于将直流电压逆变成一个方波或阶梯波电压。第一个三电平桥臂由四个开关管S1～S4串联构成，第二个三电平桥臂由四个开关管S5～S8串联构成，第三个三电平桥臂由四个开关管S9～S12串联构成。三个三电平桥臂错相120°，开关管S1、S2和开关管S3、S4驱动信号是固定50％占空比的互补信号，开关管S5、S6和开关管S7、S8驱动信号是固定50％占空比的互补信号，开关管S9、S10和开关管S11、S12驱动信号也是固定50％占空比的互补信号，都是采用频率调制方式改变开关管S1～S12的频率以控制输出电压。

箝位电路共有三组，三组箝位电路的零电位点与分压电容的中点连接，三组箝位电路的箝位点分别与上述三个三电平桥臂的中点连接，分别对三个三电平桥臂箝位，将每个开关管承受的电压应力箝持为输入电压的一半。其中箝位二极管D1、D2将开关管S1～S4承受的电压应力箝持为输入电压的一半，箝位二极管D3、D4将开关管S5～S8承受的电压应力箝持为输入电压的一半，箝位二极管D5、D6将开关管S9～S12承受的电压应力箝持为输入电压的一半。(请发明人对照附图审核各字母)

由三组谐振电容Cr1、Cr2、Cr3和谐振电感Lr1、Lr2、Lr3串联连接后和三相变压器T1的三个励磁电感Lm1、Lm2、Lm3构成谐振电路，谐振电感Lr1、Lr2、Lr3包括外在电感或三相变压器的漏感，谐振电容Cr1、Cr2、Cr3和谐振电感Lr1、Lr2、Lr3构成谐振变换器的第一本征谐振频率fr，谐振电感Lr1、Lr2、Lr3和谐振电容Cr1、Cr2、Cr3以及变压器T1的励磁电感Lm1、Lm2、Lm3构成谐振变换器的第二本征谐振频率fm，fr＞fm。三相变压器T1的原边三个绕组与三组谐振电感Lr1、Lr2、Lr3以及谐振电容Cr1、Cr2、Cr3分别串联连接，副边与三相整流电路连接。

由整流二极管Dr1～Dr6构成的三相整流电路与三相变压器副边连接。

连接在整流电路输出端的滤波电容Co，将三相变压器T1副边提供的同一方向的脉冲电流变换成对输出负载电路提供能量的直流电压。

本具体实施方式一的工作过程如下：

为方便说明，设定滤波电容Co容量为无穷大，以恒压源替代；分压电容C1、C2容量也为无穷大，以两个Vin/2的电压源替代；电流从左向右的方向为正，电流从右向左的方向为负；还假设开关管S1、S2和开关管S3、S4驱动信号同步，开关管S5、S6和开关管S7、S8驱动信号同步，开关管S9、S10和开关管S11、S12驱动信号也同步。如果驱动信号不同步，则增加6个工作阶段。当开关管频率fs＝fr，谐振变换器的一个周期分为12个工作阶段，相应的工作波形如图6所示。当开关管频率fs＞fr，谐振变换器的一个周期也分为12个工作阶段，工作波形类似图6所示，此时三相三电平LLC谐振变换器的工作会变为三相三电平串联谐振变换器。当开关管频率fm＜fs＜fr；每个桥臂增加两个谐振电感、谐振电容以及变压器励磁电感共振的工作阶段，即LLC谐振过程，该变换器的一个周期增加为18个工作阶段。本发明所属技术领域的普通技术人员很容易理解开关管频率处于不同工作阶段时，相应工作阶段的差别。以下仅详细说明开关管频率fs＝fr时，本具体实施方式一在一个周期的12个工作阶段的工作过程，相应的波形图如图3所示。

1)阶段1，t0～t1：

在t0时刻，开关管S1和S2同时开通，开关管S9、S10依然开通，开关管S7、S8依然开通。

流过谐振电感Lr1的电流Ilr1以正弦形式逐渐上升，流过变压器T1励磁电感Lm1的电流Ilm1线性上升，流过整流二极管Dr1的输出电流Idr1为谐振电流Ilr1和励磁电流Ilm1之差；

流过谐振电感Lr2的电流Ilr2以正弦形式逐渐负向增长，流过变压器T1励磁电感Lm2的电流Ilm2线性减小，流过整流二极管Dr6的输出电流Idr6为谐振电流Ilr2和励磁电流Ilm2之差；

流过谐振电感Lr3的电流Ilr3以正弦形式逐渐减小，流过变压器T1励磁电感Lm3的电流Ilm3继续线性上升，流过整流二极管Dr5的输出电流Idr5为谐振电流Ilr3和励磁电流Ilm3之差。

2)阶段2，t1～t2：

在t1时刻，开关管S9和S10关断，开关管S1、S2依然开通，开关管S7、S8依然开通。

流过谐振电感Lr3的电流Ilr3对开关管S11、S12的结电容放电直到零，开关管S11、S12的体二极管导通，开关管S9和S10各承受的电压为Vin/2。

3)阶段3，t2～t3：

在t2时刻，开关管S11和S12同时开通，开关管S1、S2依然开通，开关管S7、S8依然开通。

流过谐振电感Lr1的电流Ilr1以正弦形式逐渐上升，流过变压器T1励磁电感Lm1的电流Ilm1线性上升，但是斜率为阶段1的两倍，流过整流二极管Dr1的输出电流Idr1为谐振电流Ilr1和励磁电流Ilm1之差；

流过谐振电感Lr2的电流Ilr2以正弦形式负向减小，流过变压器T1励磁电感Lm2的电流Ilm2线性减小，但是斜率为阶段1的1/2，流过整流二极管Dr6的输出电流Idr6为谐振电流Ilr2和励磁电流Ilm2之差；

流过谐振电感Lr3的电流Ilr3以正弦形式负向增长，流过变压器T1励磁电感Lm3的电流Ilm3线性减小，但是斜率和阶段1相同，流过整流二极管Dr2的输出电流Idr2为谐振电流Ilr3和励磁电流Ilm3之差。

4)阶段4，t3～t4；

在t3时刻，开关管S7和S8关断，开关管S1、S2依然开通，开关管S11、S12依然开通。

流过谐振电感Lr2的电流Ilr2对开关管S5/S6的结电容放电直到零，开关管S5、S6的体二极管导通，开关管S7和S8各承受的电压为Vin/2。

5)阶段5，t4～t5；

在t4时刻，开关管S5和S6同时开通，开关管S1、S2依然开通，开关管S11、S12依然开通。

流过谐振电感Lr1的电流Ilr1以正弦形式逐渐减小，流过变压器T1励磁电感Lm1的电流Ilm1线性上升，但是斜率和阶段1相同，流过整流二极管Dr1的输出电流Idr1为谐振电流Ilr1和励磁电流Ilm1之差；

流过谐振电感Lr2的电流Ilr2以正弦形式逐渐上升，流过变压器T1励磁电感Lm2的电流Ilm2线性上升，但是斜率为阶段1的1/2，流过整流二极管Dr3的输出电流Idr1为谐振电流Ilr1和励磁电流Ilm1之差；

流过谐振电感Lr3的电流Ilr3以正弦形式负向增长，流过变压器T1励磁电感Lm3的电流Ilm3线性减小，但是斜率为阶段1的2倍，流过整流二极管Dr2的输出电流Idr2为谐振电流Ilr3和励磁电流Ilm3之差。

6)阶段6，t5～t6；

在t5时刻，开关管S1和S2关断，开关管S5、S6依然开通，开关管S11、S12依然开通。

流过谐振电感Lr1的电流Ilr1对开关管S3/S4的结电容放电直到零，开关管S3、S4的体二极管导通，开关管S1和S2各承受的电压为Vin/2。

7)阶段7，t6～t7；

工作波形与阶段1对称。

8)阶段8，t7～t8；

工作波形与阶段2对称。

9)阶段9，t8～t9；

工作波形与阶段3对称。

10)阶段10，t8～t10；

工作波形与阶段4对称。

11)阶段11，t10～t11；

工作波形与阶段5对称。

12)阶段12，t11～t12；

工作波形与阶段6对称。

本具体实施方式一能够解决半桥LLC谐振变换器输出滤波电容Co的纹波电流比较大的问题，开关管S1～S12的电压应力为输入电压源Vin电压的一半；并且将输出滤波电路输出电流Idr的纹波频率提高为开关管S1～S12频率fs的六倍，可以采用更小体积的滤波电容Co，使输出滤波电路的体积减小。

具体实施方式二

如图2所示的一种三相三电平LLC谐振变换器是变型的三相三电平LLC谐振变换器。它也包括分压电容、逆变器、箝位电路、谐振电路、三相变压器、整流电路、滤波电路。与具体实施方式一的区别在于：三相变压器原边绕组Y形连接点与分压电容中点连接。

本具体实施方式二具有与具体实施方式一基本相同的有益效果。

以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下做出若干等同替代或明显变型，而且性能或用途相同，则应当视为属于本发明由所提交的权利要求书确定的保护范围。

Claims

1.一种三相三电平LLC谐振变换器，包括

由三个三电平桥臂并联构成的逆变器，所述三电平桥臂由四个开关管串联构成，采用频率调制方式改变开关管频率；

由三组谐振电容和谐振电感串联连接后和三相变压器的三个励磁电感构成的谐振电路，所述谐振电容和谐振电感构成谐振变换器的第一本征谐振频率，所述谐振电感和谐振电容以及变压器的励磁电感构成低于所述第一本征谐振频率的谐振变换器的第二本征谐振频率；

与所述三相变压器副边连接的三相整流电路；

连接在所述三相整流电路输出端的滤波电路，将所述三相变压器副边提供的同一方向的脉冲电流变换成对输出负载电路提供能量的直流电压，

其特征在于：

设有分压电容，所述分压电容是两个相同的极性电容，一个极性电容的正极与输入电压源正极连接，其负极与另一个极性电容的正极连接为分压电容的中点，另一个极性电容的负极与输入电压源负极连接，将输入电压源等分为电压仅为其一半的两个电压源；

2.如权利要求1所述的三相三电平LLC谐振变换器，其特征在于：

3.如权利要求1或2所述的三相三电平LLC谐振变换器，其特征在于：

所述谐振电感是外在电感或三相变压器的漏感。

4.如权利要求3所述的三相三电平LLC谐振变换器，其特征在于：

所述三相整流电路输出端的滤波电路是一滤波电容。