CN105897000A - 一种移相补偿交错并联三电平llc谐振变换器 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种移相补偿交错并联三电平LLC谐振变换器，属于电力电子变换器技术领域。该变换器包括：一个输入电源，两个三电平LLC谐振电路、两个中心抽头变压器、两个整流电路、一个输出电路；三电平LLC谐振电路，包括依次连接的输入分压电容、开关桥臂、谐振腔。本发明提出的变换器，不仅可以实现宽范围输入，而且可通过移相调节模块调节占空比，补偿由于参数误差而造成的两电路开关频率不同步。通过这种交错并联结构可不增加任何辅助电路的情况下，使两电路工作在相同的开关频率，降低输出纹波，提高变换器效率，延长电源寿命。

Description

一种移相补偿交错并联三电平LLC谐振变换器
【技术领域】
本发明属于电力电子变换器技术领域，尤其涉及一种移相补偿交错并联三电平LLC谐振变换器。
【背景技术】
近年来，随着能源危机、环境污染等问题日益严重，越来越多的学者已开始关注新能源技术，尤其是如何高效利用电能已成为当今的研究热点之一，但新能源发电单元受气候条件和天气的影响很大，输出电能不稳定、不连续，输出电压变化范围较宽。因此为适应宽范围输入，三电平LLC谐振变换器成为了行业研究热点。
在宽范围输入时，由于单路三电平LLC谐振变换器输出电流纹波大，且当其工作在断续模式时二次侧不可实现零电流关断，也会造成输出电流纹波较大。
为了满足输出电流纹波，可通过增大操作频率来减小电容纹波电流，但是这将会影响变换器的效率；可在副边通过很多的大电容并联进行滤波，否则将造成输出电容的严重发热，进而影响电源的寿命，但这会增大变换器的体积；可采用电感滤波器来降低输出端电流纹波，但变压器二次侧将会失去ZCS的能力。因此可采用交错并联技术，但谐振元件的参数误差使得三电平LLC谐振变换器交错并联时难以均流，可加入额外的控制环来控制两路均流，这将使电路设计更为复杂；也可通过频率控制来调节输出电流，但是该变换器的最优操作点是由所设计的参数决定的，这种方法不能够严格调节输出电压以实现宽范围输入。
【发明内容】
本发明的目的在于解决上述现有技术中的问题，提供一种结构简单的移相补偿交错并联三电平LLC谐振变换器，该变换器不仅能实现宽范围输入，用于新能源发电；而且能实现在不增加任何辅助电路的情况下，使两电路不受器件参数误差影响，工作在相同的开关频率，降低输出纹波，提高变换器效率，延长电源寿命。
为了实现上述目的，本发明采用以下技术方案予以实现：
一种移相补偿交错并联三电平LLC谐振变换器，包括均与输入电源Vin相连的两组分压电容和两组开关桥臂，每组开关桥臂的输出端分别通过两组谐振腔接在两个变压器的原边绕组上，两变压器的副边绕组分别通过整流电路接在输出电容CO两端，输出电容CO两端并联负载RO。
本发明进一步的改进在于：
所述两组分压电容的结构相同，第一组分压电容包括串联的电容Cin1和电容Cin2，第二组分压电容包括串联的电容Cin3和电容Cin4，电容Cin1和电容Cin3的正极接电源Vin正极，电容Cin2和电容Cin4的负极接电源Vin负极。
所述两组开关桥臂的结构相同，第一组开关桥臂包括四个MOS管，MOS管Q1的漏极接电源Vin正极，源极接MOS管Q2的漏极，MOS管Q2的源极接MOS管Q3的漏极，MOS管Q3的源极接MOS管Q4的漏极，MOS管Q4的源极接电源Vin负极；MOS管Q1的源极和MOS管Q4的漏极为第一组开关桥臂的输出端；
第二组开关桥臂包括四个MOS管，MOS管Q5的漏极接电源Vin正极，源极接MOS管Q6的漏极，MOS管Q6的源极接MOS管Q7的漏极，MOS管Q7的源极接MOS管Q8的漏极，MOS管Q8的源极接电源Vin负极；MOS管Q5的源极和MOS管Q8的漏极为第二组开关桥臂的输出端。
所述MOS管Q1、MOS管Q2、MOS管Q3、MOS管Q4、MOS管Q5、MOS管Q6、MOS管Q7和MOS管Q8均为带体二极管的MOS管。
所述MOS管Q1、MOS管Q2、MOS管Q3、MOS管Q4、MOS管Q5、MOS管Q6、MOS管Q7和MOS管Q8的漏极和源极之间分别并联电容C1、电容C2、电容C3、电容C4、电容C5、电容C6、电容C7和电容C8；其中，每个电容的正极均接对应MOS管的漏极，负极接源极。
所述两组谐振腔的结构相同，第一组谐振腔包括依次串联的谐振电容Cr1、谐振电感Lr1和励磁电感Lm1，谐振电容Cr1和励磁电感Lm1的两端接第一组开关桥臂的输出端；励磁电感Lm1的两端并联第一变压器T1的原边绕组；
第二组谐振腔包括依次串联的谐振电容Cr2、谐振电感Lr2和励磁电感Lm2，谐振电容Cr2和励磁电感Lm2的两端接第二组开关桥臂的输出端；励磁电感Lm2的两端并联第一变压器T2的原边绕组。
所述第一变压器T1副边绕组的两端分别通过二极管D1和二极管D2接输出电容CO的负极，第一变压器T1副边绕组的中间节点接输出电容CO的正极；
第二变压器T2副边绕组的两端分别通过二极管D3和二极管D4接输出电容CO的负极，第二变压器T2副边绕组的中间节点接输出电容CO的正极。
所述第一变压器T1副边第一绕组同名端接二极管D1的阴极，异名端接输出电容CO的正极；副边第二绕组异名端接二极管D2的阴极，同名端接输出电容CO的正极；
第二变压器T2副边第一绕组同名端接二极管D3的阴极，异名端接输出电容CO的正极；副边第二绕组异名端接二极管D4的阴极，同名端接输出电容CO的正极。
还包括变频调节模块和移相补偿模块，变频调节模块取输出电阻RO两端的电压作为其输入，输出端直接控制MOS管Q1、MOS管Q2、MOS管Q5和MOS管Q6；移相补偿模块取为输出电容CO提供的电流iO1和iO2作为其输入，输出端直接控制MOS管Q3、MOS管Q4、MOS管Q7和MOS管Q8。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
本发明具有变频调节模块和移相调节模块，可以在不增加任何辅助电路的情况下，通过移相模块调节占空比，使电路增益变小，且开关频率也随之改变，使得两电路开关频率相同。这种拓扑用移相模块可弥补由于两电路参数有误差和精度不高所带来的影响，减小输出电流纹波，有效改善电源的寿命，可用于宽范围输入和输出电流纹波要求较低的场所。本发明可实现宽范围输入，用于新能源发电方面；同时，不受两电路参数误差的影响，对输出电流纹波减小有明显改善。有利于减小滤波器体积；同时，滤波器的减小还有助于改善变换器的动态性能；另外，本发明不增加任何辅助电路，结构简单，对电源系统的体积、重量和寿命有很大改善。最后，由本发明构成的电源具有热点分布好、电磁干扰小、冗余性好等优点。
进一步的，本发明通过移相补偿(PSM)模块，能够不增加任何辅助电路，使两电路不受电路器件参数精度影响，工作在相同的开关频率，降低输出纹波，提高变换器效率。虽然电路元件数目增多了，但对输出电流纹波减小有明显改善，有利于减小滤波器体积，有助于改善变换器的动态性能；此外，还可实现宽范围输入，用于新能源发电方面。
【附图说明】
图1为本发明的电路图；
图2为本发明的结构框图；
图3为移相补偿模式电路工作的波形图。
【具体实施方式】
下面结合附图对本发明做进一步详细描述：
本发明可在较宽输入电压范围内实现软开关，通过移相补偿(PSM)模块，调节两电路开关管导通时的占空比，使得在不增加任何辅助电路的情况下，输出电路的电流纹波变小，且不受两电路参数误差的影响，特别适用于新能源发电中要求输出电流纹波较小的场合。
如图1所示，本发明包括一个输入电源Vin，两个三电平LLC谐振电路、两个变压器、两个整流电路、一个输出电路。第一个三电平LLC谐振电路输入端由串联连接的分压电容Cin1和分压电容Cin2组成，分压电容Cin1和分压电容Cin2的两端分别与电源的正极和负极分别连接；第二个三电平LLC谐振电路输入端由串联连接的分压电容Cin3和分压电容Cin4组成，分压电容Cin3和分压电容Cin4的两端分别与电源的正极和负极相连。
第一个三电平LLC谐振电路，包括依次连接的输入分压电容、开关桥臂、谐振腔。开关桥臂由带体二极管的MOS管Q1、MOS管Q2、MOS管Q3、MOS管Q4的漏源极依次串联连接，MOS管Q1的漏极和MOS管Q4的源极分别与电源的正极和负极相连接，MOS管Q2和MOS管Q3的中间连接点与分压电容Cin1和分压电容Cin2的中间连接点相连接。谐振腔由谐振电容Cr1、谐振电感Lr1和励磁电感Lm1依次串联组成谐振电路，谐振电容的另一端与MOS管Q1和MOS管Q2的中间连接点相连接，励磁电感Lm1的另一端与开关桥臂中的MOS管Q3和MOS管Q4的中间连接点相连接。
第二个三电平LLC谐振电路，包括依次连接的输入分压电容、开关桥臂、谐振腔。开关桥臂由带体二极管的MOS管Q5、MOS管Q6、MOS管Q7、MOS管Q8的漏源极依次串联连接，MOS管Q5的漏极和MOS管Q8的源极分别与电源的正极和负极相连接，MOS管Q6和MOS管Q7的中间连接点与分压电容Cin3和分压电容Cin4的中间连接点相连接。谐振腔由谐振电容Cr2、谐振电感Lr2和励磁电感Lm2依次串联组成谐振电路，谐振电容的另一端与MOS管Q5和MOS管Q6的中间连接点相连接，励磁电感Lm2的另一端与开关桥臂中的MOS管Q7和MOS管Q8的中间连接点相连接。
第一三电平LLC谐振变换器的变压器T1原边与谐振腔中的励磁电感Lm1并联连接，变压器副边第一绕组同名端和二极管D1的阴极连接，异名端和变压器副边第二绕组同名端与副边输出电容的Co的正极连接；变压器副边第二绕组异名端和二极管D2阴极连接。二极管D1和二极管D2的阳极与输出输出电容Co的阴极连接，负载R接在正负输出之间。
第二三电平LLC谐振变换器的变压器T2原边与谐振腔中的励磁电感Lm2并联连接，变压器副边第一绕组同名端和二极管D3的阴极连接，异名端和变压器副边第二绕组同名端与副边输出电容的Co的正极连接；变压器副边第二绕组异名端和二极管D4阴极连接。二极管D3和二极管D4的阳极与输出输出电容Co的阴极连接，负载R接在正负输出之间。
图2是该变换器的结构框图，其具有变频调节(PFM)模块和移相补偿(PSM)模块，变频调节(PFM)模块是取输出电阻RO两端的电压作为其输入，输出端直接控制开关管Q1、Q2、Q5、Q6；移相补偿(PSM)模块是取两个三电平LLC谐振电路为输出电容CO提供的电流iO1、iO2作为其输入，输出端直接控制开关管Q3、Q4、Q7、Q8。可以在不增加任何辅助电路的情况下，通过移相模块调节占空比，使电路增益变小，且开关频率也随之改变，使得两电路开关频率相同。这种拓扑用移相模块可弥补由于两电路参数有误差和精度不高所带来的影响，减小输出电流纹波，有效改善电源的寿命，可用于宽范围输入和输出电流纹波要求较低的场所。
本发明的工作原理及工作过程：
本发明将两个三电平LLC谐振变换器交错并联，通过添加移相补偿(PSM)模块，将第一个三电平LLC谐振变换器的开关管Q1、Q2与Q3、Q4移相一定的角度，同时将第一个和第二个三电平电路的Q1、Q2与Q5、Q6移相一定的角度，可实现在不添加任何辅助电路的情况下，通过控制占空比来补偿由于两电路参数误差而引起的增益变化，使两电路工作在相同的开关频率，降低输出纹波，且PSM对ZCS影响较小，提高了变换器效率。该变换器由于采用了三电平结构，能够用于宽范围输入的场合。
电路工作波形如图3所示：
Vb1、Vb2为两个交错并联三电平叠桥部分的输出电压，Ta是两个交错结构的移相宽度，ir1、ir2分别是两个三电平电路谐振回路的电流，io1、io2分别是两个交错并联电路变压器二次侧的电流。
在t0时，开关管Q1开通，功率将从第一个三电平LLC谐振电路传向副边；在t1时，开关管Q5开通，功率将从第二个三电平LLC谐振电路传向副边。两路交错并联结构的功率转换是只有单路时的一半。将PSM控制用于第一个三电平LLC谐振变换器，在t2时，开关管Q3关断，叠桥的输出电压Vb1变为零，励磁电流将会降低，储存在谐振回路的能量将会减少，因此即使两交错并联电路的参数存在误差时，输出端的电流纹波也会明显改善。在t3时将进入下一个半周期，与上半周期工作过程类似，Vb2为第二个三电平LLC谐振变换器叠桥的输出电压。
本发明通过移相调节模块，控制两电路开关管的占空比，能够不增加任何辅助电路，使两电路不受电路器件参数误差影响，工作在相同的开关频率，降低输出纹波，提高变换器效率，可用于新能源发电且要求输出纹波较小的场合。
以上内容仅为说明本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本发明权利要求书的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种移相补偿交错并联三电平LLC谐振变换器，其特征在于，包括均与输入电源Vin相连的两组分压电容和两组开关桥臂，每组开关桥臂的输出端分别通过两组谐振腔接在两个变压器的原边绕组上，两变压器的副边绕组分别通过整流电路接在输出电容CO两端，输出电容CO两端并联负载RO。
2.根据权利要求1所述的移相补偿交错并联三电平LLC谐振变换器，其特征在于，所述两组分压电容的结构相同，第一组分压电容包括串联的电容Cin1和电容Cin2，第二组分压电容包括串联的电容Cin3和电容Cin4，电容Cin1和电容Cin3的正极接电源Vin正极，电容Cin2和电容Cin4的负极接电源Vin负极。
3.根据权利要求1所述的移相补偿交错并联三电平LLC谐振变换器，其特征在于，所述两组开关桥臂的结构相同，第一组开关桥臂包括四个MOS管，MOS管Q1的漏极接电源Vin正极，源极接MOS管Q2的漏极，MOS管Q2的源极接MOS管Q3的漏极，MOS管Q3的源极接MOS管Q4的漏极，MOS管Q4的源极接电源Vin负极；MOS管Q1的源极和MOS管Q4的漏极为第一组开关桥臂的输出端；
第二组开关桥臂包括四个MOS管，MOS管Q5的漏极接电源Vin正极，源极接MOS管Q6的漏极，MOS管Q6的源极接MOS管Q7的漏极，MOS管Q7的源极接MOS管Q8的漏极，MOS管Q8的源极接电源Vin负极；MOS管Q5的源极和MOS管Q8的漏极为第二组开关桥臂的输出端。
4.根据权利要求3所述的移相补偿交错并联三电平LLC谐振变换器，其特征在于，所述MOS管Q1、MOS管Q2、MOS管Q3、MOS管Q4、MOS管Q5、MOS管Q6、MOS管Q7和MOS管Q8均为带体二极管的MOS管。
5.根据权利要求3或4所述的移相补偿交错并联三电平LLC谐振变换器，其特征在于，所述MOS管Q1、MOS管Q2、MOS管Q3、MOS管Q4、MOS管Q5、MOS管Q6、MOS管Q7和MOS管Q8的漏极和源极之间分别并联电容C1、电容C2、电容C3、电容C4、电容C5、电容C6、电容C7和电容C8；其中，每个电容的正极均接对应MOS管的漏极，负极接源极。
6.根据权利要求1所述的移相补偿交错并联三电平LLC谐振变换器，其特征在于，所述两组谐振腔的结构相同，第一组谐振腔包括依次串联的谐振电容Cr1、谐振电感Lr1和励磁电感Lm1，谐振电容Cr1和励磁电感Lm1的两端接第一组开关桥臂的输出端；励磁电感Lm1的两端并联第一变压器T1的原边绕组；
第二组谐振腔包括依次串联的谐振电容Cr2、谐振电感Lr2和励磁电感Lm2，谐振电容Cr2和励磁电感Lm2的两端接第二组开关桥臂的输出端；励磁电感Lm2的两端并联第一变压器T2的原边绕组。
7.根据权利要求6所述的移相补偿交错并联三电平LLC谐振变换器，其特征在于，所述第一变压器T1副边绕组的两端分别通过二极管D1和二极管D2接输出电容CO的负极，第一变压器T1副边绕组的中间节点接输出电容CO的正极；
第二变压器T2副边绕组的两端分别通过二极管D3和二极管D4接输出电容CO的负极，第二变压器T2副边绕组的中间节点接输出电容CO的正极。
8.根据权利要求7所述的移相补偿交错并联三电平LLC谐振变换器，其特征在于，所述第一变压器T1副边第一绕组同名端接二极管D1的阴极，异名端接输出电容CO的正极；副边第二绕组异名端接二极管D2的阴极，同名端接输出电容CO的正极；
第二变压器T2副边第一绕组同名端接二极管D3的阴极，异名端接输出电容CO的正极；副边第二绕组异名端接二极管D4的阴极，同名端接输出电容CO的正极。
9.根据权利要求1所述的移相补偿交错并联三电平LLC谐振变换器，其特征在于，还包括变频调节模块和移相补偿模块，变频调节模块取输出电阻RO两端的电压作为其输入，输出端直接控制MOS管Q1、MOS管Q2、MOS管Q5和MOS管Q6；移相补偿模块取为输出电容CO提供的电流iO1和iO2作为其输入，输出端直接控制MOS管Q3、MOS管Q4、MOS管Q7和MOS管Q8。
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