CN106452079B - 一种n相谐振变换器和电源电路 - Google Patents

一种n相谐振变换器和电源电路 Download PDF

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Abstract

本发明实施例提供了一种n相谐振变换器和电源电路，用以降低励磁电感外置时产生通态损耗和涡流损耗。该n相谐振变换器中的每个谐振电路分别连接在所述n相逆变拓扑中的一相的输出端和所述n相整流电路中的一相的输入端之间；各个谐振电路中的变压器中的原边绕组的第一端和副边绕组的第一端均构成星形连接；其中，每个谐振电路中的变压器中的原边绕组的第一端与该变压器的副边绕组的第一端为同名端；各个励磁电感依次首尾相连，且每个励磁电感分别连接在与所述n相逆变拓扑中相位差为360/n度的两相的输出端所连接的LLC谐振电路中的变压器的原边绕组的第二端之间；n为大于2的整数。

Description

一种n相谐振变换器和电源电路
技术领域
本发明涉及电力电子技术领域，尤其涉及一种n相谐振变换器和电源电路。
背景技术
半桥LLC谐振电路和全桥LLC谐振电路具有转换效率高、电磁干扰小、开关应力小等诸多优点，因而在通信电源和服务器电源等领域被广泛应用。但是，LLC谐振电路的输出电流纹波较大，不仅在输出滤波器中产生较大的损耗，而且需要并联相当多的电容才能起到满意的滤波效果，特别是在低压大电流输出的时候，LLC谐振电路的输出电流纹波更大。
为了减小LLC谐振电路的输出电流纹波，通常会采用多相LLC谐振电路的交错并联技术。然而，对于多相交错LLC谐振电路，由于各相谐振参数不可能做到完全一致，导致各相的直流增益不同，增益的微小差异就会使各相之间发生严重的不均流。对于多相交错LLC谐振电路的不均流问题，目前是将各个变压器的原边连接成星形。
目前的三相LLC谐振电路通常如图1所示，该电路中变压器T的原边和副边都是星形无中线的连接方式，并且变压器T的副边与整流电路相连。图1中的三个励磁电感(或称并联谐振电感)，即励磁电感Lm1、励磁电感Lm2和励磁电感Lm3，一般是通过在变压器T的中柱开气隙的方式产生，也有采用简单外置方案的，即在每个原边绕组分别并联一个电感。
图1所示的电路中包括由开关管Q1、开关管Q2、开关管Q3、开关管Q4、开关管Q5和开关管Q6构成的逆变拓扑，由二极管D1、二极管D2、二极管D3、二极管D4、二极管D5和二极管D6构成的整流电路，电容Cr1、电容Cr2、电容Cr3、电感Lr1、电感Lr2、电感Lr3和变压器T构成的LLC电路，以及滤波电容C1和负载R1。图1中的A点为逆变拓扑中的A相电压输出端，B点为逆变拓扑中的B相电压输出端，C点为逆变拓扑中的C相电压输出端。
当励磁电感内置于变压器T时，为了获得合适的励磁电感，需要在变压器T的磁芯中柱开气隙，气隙附近产生的扩散磁通会切割原、副边绕组产生不必要的涡流损耗。
当励磁电感简单外置于变压器T时，可避免在变压器T的磁芯中开气隙，这减小了变压器T的涡流损耗，但是励磁电流流过励磁电感绕组仍会产生通态损耗。
综上所述，当现有的三相LLC谐振电路采用励磁电感外置时，励磁电流流过励磁电感绕组时会在励磁电感绕组中产生通态损耗和涡流损耗。
发明内容
本发明实施例提供了一种n相谐振变换器和电源电路，用以降低励磁电感简单外置时，励磁电流流过励磁电感绕组时在励磁电感绕组中产生通态损耗和涡流损耗。
基于上述问题，本发明实施例提供的一种n相谐振变换器，包括n相逆变拓扑、n个谐振电路、n个励磁电感和n相整流电路；n为大于2的整数；
每个谐振电路分别连接在所述n相逆变拓扑中的一相的输出端和所述n相整流电路中的一相的输入端之间；
各个谐振电路中的变压器中的原边绕组的第一端连接在一起构成星形连接，各个谐振电路中的变压器中的副边绕组的第一端构成星形连接；其中，每个谐振电路中的变压器中的原边绕组的第一端与该变压器的副边绕组的第一端为同名端；
各个励磁电感依次首尾相连，且每个励磁电感分别连接在与所述n相逆变拓扑中相位差为360/n度的两相的输出端所连接的谐振电路中的变压器的原边绕组的第二端之间。
本发明实施例提供的一种电源电路，包括本发明实施例提供的n相谐振变换器。
本发明实施例的有益效果包括：
本发明实施例提供了一种n相谐振变换器和电源电路，n相谐振变换器中的各个谐振电路中的变压器的原边绕组的第一端和副边绕组的第一端均为星形连接；其中，每个谐振电路中的变压器中的原边绕组的第一端与该变压器的副边绕组的第一端为同名端；各个励磁电感依次首尾相连，且每个励磁电感分别连接在与所述n相逆变拓扑中相位差为360/n度的两相的输出端所连接的谐振电路中的变压器的原边绕组的第二端之间，这样，每一相的励磁电流都等于该相所连接的谐振电路中的变压器的原边绕组的第一端上连接的两个励磁电感上的电流之和，因此，可以在保证每相总励磁电流峰值不变的前提下，减小每个励磁电感中的电流，并且增大每个励磁电感的感量，从而减小每个励磁电感的通态损耗和涡流损耗。
附图说明
图1为现有技术中的三相LLC谐振电路的结构示意图；
图2a为本发明实施例提供的n相谐振变换器的结构示意图之一；
图2b为本发明实施例提供的n相谐振变换器的结构示意图之二；
图3为本发明实施例提供的n相谐振变换器的结构示意图之三；
图4为本发明实施例提供的n相谐振变换器的结构示意图之四；
图5为图1所示的三相LLC谐振电路中的A相的工作状态的示意图；
图6为本发明实施例提供的n相谐振变换器中的A相励磁电流、励磁电感Lm1上的电流和励磁电感Lm2上的电流的示意图；
图7为本发明实施例提供的n相谐振变换器中的励磁电感Lm1上的电流、及其两端的电压的示意图；
图8为本发明实施例提供的n相谐振变换器中的谐振电感和励磁电感共用磁路时的结构示意图。
具体实施方式
本发明实施例提供了一种n相谐振变换器和电源电路，n相谐振变换器中的各个谐振电路中的变压器的原边绕组的第一端和副边绕组的第一端均为星形连接，其中，每个谐振电路中的变压器中的原边绕组的第一端与该变压器的副边绕组的第一端为同名端；各个励磁电感依次首尾相连，且每个励磁电感分别连接在与所述n相逆变拓扑中相位差为360/n度的两相的输出端所连接的谐振电路中的变压器的原边绕组的第二端之间，从而将励磁电感和变压器分开，这样首先可以在保证每相所需的励磁电流不变的情况下，减小每个励磁电感中的电流，并增加每个励磁电感的感量，从而减小励磁电感的通态损耗和涡流损耗，其次可以针对励磁电感和变压器进行分别优化，达到各自损耗最小的目的。
下面结合说明书附图，对本发明实施例提供的一种n相谐振变换器和电源电路的具体实施方式进行说明。
本发明实施例提供的一种n相谐振变换器，包括n相逆变拓扑、n个谐振电路、n个励磁电感和n相整流电路；n为大于2的整数
每个谐振电路分别连接在所述n相逆变拓扑中的一相的输出端和所述n相整流电路中的一相的输入端之间；
各个谐振电路中的变压器中的原边绕组的第一端连接在一起构成星形连接，各个谐振电路中的变压器中的副边绕组的第一端连接在一起构成星形连接；其中，每个谐振电路中的变压器中的原边绕组的第一端与该变压器的副边绕组的第一端为同名端；
各个励磁电感依次首尾相连，且每个励磁电感分别连接在与所述n相逆变拓扑中相位差为360/n度的两相的输出端所连接的谐振电路中的变压器的原边绕组第二端之间。
各个谐振电路中的变压器中的原边绕组的第一端可以是该变压器的原边绕组的两端中的任意一端，该变压器的原边绕组的第二端即为该变压器的原边绕组的两端中除第一端以外的一端。
本发明实施例提供的n相谐振变换器，其中的谐振电路中的各个谐振电路中的变压器的原边绕组的第一端和副边绕组的第一端均为星形连接，其中，每个谐振电路中的变压器中的原边绕组的第一端与该变压器的副边绕组的第一端为同名端；各个励磁电感依次首尾相连，且每个励磁电感分别连接在与所述n相逆变拓扑中相位差为360/n度的两相的输出端所连接的谐振电路中的变压器的原边绕组的第二端之间，也就是说，每个谐振电路中的变压器的原边绕组的第二端上均连接了两个励磁电感，并且，这n个励磁电感依次首尾相连，因此，每一相的励磁电流都等于该相所连接的谐振电路中的变压器的原边绕组的第二端上连接的两个励磁电感上的电流之和，这相对于现有技术中的励磁电感内置来说，可以避免在变压器的磁芯的中柱上开气隙，因此，可以降低涡流损耗，相对于励磁电感简单外置来说，可以在保证每相总励磁电流峰值不变的前提下，减小每个励磁电感中的电流，并且增大每个励磁电感的感量，而每个励磁电感中的电流减小可以减小每个励磁电感的通态损耗，每个励磁电感的感量增大可以由减小励磁电感中的磁芯上的气隙来实现，随着励磁电感中的磁芯上的气隙的减小，每个励磁电感绕组的涡流损耗也会减小。
本发明实施例提供的n相谐振变压器中的n相逆变拓扑可以是两电平逆变拓扑、三电平逆变拓扑、多电平逆变拓扑等，可以是半桥逆变拓扑、全桥逆变拓扑、I型逆变拓扑、T性逆变拓扑等，还可以是其他能够实现逆变功能的拓扑结构。本发明实施例提供的n相谐振变压器中的n相整流电路可以全桥整流电路、二极管整流电路、同步整流电路等，也可以是其他能够实现整流功能的电路。
当本发明实施例提供的n相谐振变换器中的谐振电路为LLC谐振电路时，本发明实施例提供的n相谐振变换器如图2a或图2b所示，即谐振电路中还包括谐振电感和谐振电容，且谐振电感与谐振电容串联后连接在n相逆变拓扑的一相的输出端与该谐振电路中的变压器的原边绕组的第二端之间。
图2a和图2b所示的n相谐振变换器仅以n＝3为例进行说明，即图2a和图2b给出的是三相谐振变换器的结构示意图。其中，谐振电容Cr1、谐振电感Lr1和变压器T1构成一个LLC谐振电路，该谐振电路连接在三相逆变拓扑的A相输出端和三相整流电路的A相输入端之间，谐振电容Cr2、谐振电感Lr2和变压器T2构成一个LLC谐振电路，该谐振电路连接在三相逆变拓扑的B相输出端和三相整流电路的B相输入端之间，谐振电容Cr3、谐振电感Lr3和变压器T3构成一个LLC谐振电路，该谐振电路连接在三相逆变拓扑的C相输出端和三相整流电路的C相输入端之间。变压器T1的原边绕组的第一端、变压器T2的原边绕组的第一端和变压器T3的原边绕组的第一端连接在一起构成星形连接，连接点为N；变压器T1的副边绕组的第一端、变压器T2的副边绕组的第一端、和变压器T3的副边绕组的第一端连接在一起也构成星形连接，连接点为n。其中，变压器T1的原边绕组的第一端和变压器T1的副边绕组的第一端为同名端，变压器T2的原边绕组的第一端和变压器T2的副边绕组的第一端为同名端，变压器T3的原边绕组的第一端和变压器T3的副边绕组的第一端为同名端。励磁电感Lm2连接在变压器T1的原边绕组的第二端与变压器T2的原边绕组的第二端之间；励磁电感Lm3连接在变压器T2的原边绕组的第二端与变压器T3的原边绕组的第二端之间；励磁电感Lm1连接在变压器T1的原边绕组的第二端与变压器T3的原边绕组的第二端之间。
本发明实施例提供的n相谐振变换器中的每个LLC谐振电路中的变压器的副边绕组的第二端分别直接连接该n相谐振变换器中的n相整流电路中的一相的输入端。而每个LLC谐振电路中的谐振电容和谐振电感的连接顺序不限，既可以是逆变拓扑中的一相的输出端连接谐振电容、谐振电容连接谐振电感、谐振电感连接变压器的原边绕组的第二端(如图2a所示)，也可以是，逆变拓扑中的一相的输出端连接谐振电感、谐振电感连接谐振电容、谐振电容连接变压器的原边绕组的第二端(如图2b所示)。
当本发明实施例提供的n相谐振变换器中的谐振电路为LCCL谐振电路时，本发明实施例提供的n相谐振变换器如图3所示，谐振电感Lr1和谐振电容Cr1串联后，并联在谐振电容Cr4的两端，谐振电容Cr4连接在三相逆变拓扑的A相输出端和变压器T1的原边绕组的第二端之间，谐振电感Lr1、谐振电容Cr1、谐振电容Cr4和变压器T1构成一个LCCL谐振电路；谐振电感Lr2和谐振电容Cr2串联后，并联在谐振电容Cr5的两端，谐振电容Cr5连接在三相逆变拓扑的B相输出端和变压器T2的原边绕组的第二端之间，谐振电感Lr2、谐振电容Cr2、谐振电容Cr5和变压器T2构成一个LCCL谐振电路；谐振电感Lr3和谐振电容Cr3串联后，并联在谐振电容Cr6的两端，谐振电容Cr6连接在三相逆变拓扑的C相输出端和变压器T3的原边绕组的第二端之间，谐振电感Lr3、谐振电容Cr3、谐振电容Cr6和变压器T3构成一个LCCL谐振电路。
本发明实施例提供的n相谐振变换器中的每个谐振电路还包括第一谐振电感、第一谐振电容和第二谐振电感；所述第一谐振电感与所述第一谐振电容串联后与所述第二谐振电感并联，所述第二谐振电感连接在所述n相逆变拓扑中的一相的输出端和该谐振电路中的变压器的第二端之间。此时，本发明实施例提供的n相谐振变换器如图4所示，谐振电感Lr1和谐振电容Cr1串联后，并联在谐振电感Lr4的两端，谐振电感Lr4连接在三相逆变拓扑的A相输出端和变压器T1的原边绕组的第二端之间，谐振电感Lr1、谐振电容Cr1、谐振电感Lr4和变压器T1构成一个谐振电路；谐振电感Lr2和谐振电容Cr2串联后，并联在谐振电感Lr5的两端，谐振电感Lr5连接在三相逆变拓扑的B相输出端和变压器T2的原边绕组的第二端之间，谐振电感Lr2、谐振电容Cr2、谐振电感Lr5和变压器T2构成一个谐振电路；谐振电感Lr3和谐振电容Cr3串联后，并联在谐振电感Lr6的两端，谐振电感Lr6连接在三相逆变拓扑的C相输出端和变压器T3的原边绕组的第二端之间，谐振电感Lr3、谐振电容Cr3、谐振电感Lr6和变压器T3构成一个谐振电路。
另外，本发明实施例提供的n相谐振变换器中的谐振电路还可以是其他的包括了变压器和其他元器件的谐振电路，只要变压器的励磁电感参与了谐振。
下面仅以本发明实施例提供的n相谐振变换器中的谐振电路为LLC谐振电路为例进行说明。对于图1所示的三相LLC谐振电路和图2a、图2b所示的三相谐振变换器，可以通过合理的设置其中的励磁电感以及变压器的匝比，从而保证这两个电路的每相的谐振电流、总励磁电流、变压器原/副边电流完全相同。图5为图1所示的三相LLC谐振电路或者图2a或图2b所示的三相谐振变换器中的一相(可以是A相、也可以是B相，还可以是C相，以A相为例)的工作状态，其中，实线表示谐振电流Ir，虚线表示励磁电流Im，点划线表示变压器的原边电压，Ts为谐振周期，Vo是逆变拓扑中A相的输出电压，N是A相变压器的匝比。图5是以开关频率等于谐振频率时为例进行说明的，从图5中可以看出变压器原边绕组两端的电压分成六段阶梯波变化，各阶段的电压为±N*Vo/3和±2N*Vo/3中的一个，励磁电流也分成六段变化。
根据图1所示的三个励磁电感与变压器之间的连接关系可以得到的三相LLC谐振电路中的A相励磁电流的峰值IpA1表达式为：
图2a或图2b所示的三相谐振变换器中每一相的励磁电流等于两个电感上的电流之和，如A相的励磁电流等于励磁电感Lm1上的电流与励磁电感Lm2上的电流之和，B相的励磁电流等于励磁电感Lm2上的电流与励磁电感Lm3上的电流之和，C相的励磁电流等于励磁电感Lm3上的电流与励磁电感Lm1上的电流之和。根据图2a或图2b所示的三相谐振变换器中的励磁电感Lm1、励磁电感Lm2、励磁电感Lm3、变压器T1、变压器T2和变压器T3之间的连接关系，可以得到图6所示的一个谐振周期中的A相励磁电流、励磁电感Lm1上的电流、励磁电感Lm2上的电流的示意图，以及图7所示的励磁电感Lm1两端的电压和其上的电流的示意图。
根据图7所示的励磁电感Lm1两端的电压和其上的电流的示意图可以得出励磁电 感Lm1上的电流的峰值ILm1_p为:而励磁电感Lm2上的电流的峰值的表 达式与励磁电感Lm1上的电流的峰值的表达式相同。也就是说励磁电感Lm2上的电流的峰值 ILm2_p为:因此，A相的励磁电流的峰值IpA2为：
假设图2a或图2b所示的三相谐振变换器中的三个励磁电感的感量相等，即Lm1＝Lm2＝Lm3＝L，则图2a或图2b所示的三相谐振变换器中的A相的励磁电流的峰值IpA2为：因此，在A相励磁电流的峰值、输出电压Vo、谐振周期Ts均相等的情况下，图1所示的三相LLC谐振电路中的励磁电感Lm1的感量是图2a或图2b所示的三相谐振变换器中的励磁电感Lm1或励磁电感Lm2的感量的三分之一，也就是说，当各相所需的励磁电流的峰值、逆变拓扑的输出电压、谐振周期均相等时，图2a或图2b所示的三相谐振变换器中的励磁电感的感量大于图1所示的三相LLC谐振变换电路中励磁电感的感量，因此，图2a或图2b所示的三相谐振变换器中的励磁电感的磁芯上的气隙可以更小，从而使得图2a或图2b所示的三相谐振变换器中的励磁电感绕组的涡流损耗更小。
另外，当图2a或图2b所示的三相谐振变换器中的各个励磁电感的感量相等时，每个励磁电感上的电流的峰值是一相励磁电流的峰值的一半，而图1所示的三相LLC谐振变换电路中的每个励磁电感上的电流的峰值等于一相励磁电流的峰值，因此，在各相所需的励磁电流的峰值相等时，图2a或图2b所示的三相谐振变换器中的励磁电感上的电流的峰值等于图1所示的三相LLC谐振变换电路中的励磁电感上的电流的峰值的一半，这使得图2a或图2b所示的三相谐振变换器中的励磁电感的通态损耗小于图1所示的三相LLC谐振变换电路中的励磁电感的通态损耗。
上述分析是以开关频率等于谐振频率为例的情况进行分析的，而当开关频率不等于谐振频率时，若各相所需的励磁电流的峰值相等，则图2a或图2b所示的三相谐振变换器的结构也可以减小其中的励磁电感的涡流损耗，并减小其中的励磁电感的通态损耗，这会提高三相谐振变换器的转换效率。
另外，当n为大于3的整数时，本发明实施例提供的n相谐振变换器中的一相的励磁电流的峰值同样也等于与逆变拓扑中该相输出端相连的LLC谐振电路中的变压器的原边所连接的两个励磁电感上的电流的峰值之和，因此，在各相所需的励磁电流的峰值相等的情况下，本发明实施例提供的n相谐振变换器的结构也可以减小其中的励磁电感的涡流损耗，并减小其中的励磁电感的通态损耗，这会提高n相谐振变换器的转换效率。
本发明实施例提供的n相谐振变换器中的每个谐振电路中的变压器可以为独立的单相变压器，当然，n个谐振电路中的变压器也可以为共用磁路的n相变压器。
本发明实施例提供的n相谐振变换器中的每个励磁电感与该励磁电感所连接的变压器所在的谐振电路中的谐振电感共用磁路，此时，励磁电感与谐振电感的结构可以采用图8所示的结构。其中，电感Lm1、电感Lm2和电感Lm3均为励磁电感，电感Lm1、电感Lm2和电感Lm3首尾依次连接，连接点分别为a点、b点和c点；电感Lr1、电感Lr2和电感Lr3均为谐振电感。另外，本发明实施例提供的n相谐振变换器中的n个励磁电感可以共用磁路也可以不共用磁路，图8所示的结构中仅以励磁电感共用磁路为例进行说明。
另外，本发明实施例提供的n相谐振变换器中的n个励磁电感可以共用磁路也可以不共用磁路，图8所示的结构中仅以励磁电感共用磁路为例进行说明。本发明实施例提供的n相谐振变换器中的n个谐振电感可以共用磁路也可以不共用磁路，图8所示的结构中仅以谐振电感共用磁路为例进行说明。
本发明实施例提供的电源电路包括本发明实施例提供的n相谐振变换器。
本领域技术人员可以理解附图只是一个优选实施例的示意图，附图中的模块或流程并不一定是实施本发明所必须的。
本领域技术人员可以理解实施例中的装置中的模块可以按照实施例描述进行分布于实施例的装置中，也可以进行相应变化位于不同于本实施例的一个或多个装置中。上述实施例的模块可以合并为一个模块，也可以进一步拆分成多个子模块。
上述本发明实施例序号仅仅为了描述，不代表实施例的优劣。
显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。

Claims (11)

1.一种n相谐振变换器，其特征在于，包括n相逆变拓扑、n个谐振电路、n个励磁电感和n相整流电路；n为大于2的整数；
每个谐振电路分别连接在所述n相逆变拓扑中的一相的输出端和所述n相整流电路中的一相的输入端之间；
各个谐振电路中的变压器中的原边绕组的第一端连接在一起构成星形连接，各个谐振电路中的变压器中的副边绕组的第一端构成星形连接；其中，每个谐振电路中的变压器中的原边绕组的第一端与该变压器的副边绕组的第一端为同名端；
各个励磁电感依次首尾相连，且每个励磁电感分别连接在与所述n相逆变拓扑中相位差为360/n度的两相的输出端所连接的谐振电路中的变压器的原边绕组的第二端之间。
2.如权利要求1所述的n相谐振变换器，其特征在于，每个谐振电路均为LLC谐振电路。
3.如权利要求1所述的n相谐振变换器，其特征在于，每个谐振电路均为LCCL谐振电路。
4.如权利要求1所述的n相谐振变换器，其特征在于，每个谐振电路中还包括第一谐振电感、第一谐振电容和第二谐振电感；
所述第一谐振电感与所述第一谐振电容串联后与所述第二谐振电感并联，所述第二谐振电感连接在所述n相逆变拓扑中的一相的输出端和该谐振电路中的变压器的原边绕组的第二端之间。
5.如权利要求1所述的n相谐振变换器，其特征在于，每个谐振电路中的变压器为独立的单相变压器。
6.如权利要求1所述的n相谐振变换器，其特征在于，n个谐振电路中的变压器构成共用磁路的n相变压器。
7.如权利要求1所述的n相谐振变换器，其特征在于，每个励磁电感与该励磁电感所连接的谐振电路中的谐振电感共用磁路。
8.如权利要求1所述的n相谐振变换器，其特征在于，每个谐振电路中的变压器的副边绕组的第二端分别直接连接所述n相整流电路中的一相的输入端。
9.如权利要求1所述的n相谐振变换器，其特征在于，所述n相整流电路为二极管整流电路。
10.如权利要求1所述的n相谐振变换器，其特征在于，所述n相整流电路为同步整流电路。
11.一种电源电路，其特征在于，包括如权利要求1～10任一所述的n相谐振变换器。
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