CN111193421A - 一种三相隔离ac-dc变换器 - Google Patents

一种三相隔离ac-dc变换器 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种三相隔离AC‑DC变换器，它包括原边侧、副边侧和谐振网络三个部分。原边侧每相上下桥臂采用相同结构的一组共源极反串联开关管，谐振网络采用LLC串联谐振结构，副边整流侧采用整流电路。该拓扑的原边电路的功率器件可实现零电压软开通（ZVS），并且可同时实现功率因数校正技术（PFC）功能。该变换器将功率因数校正技术和谐振软开关技术相结合，使变换器输入电流很好地跟随输入电压变化，实现PFC功能；该变换器通过控制输出电压实现稳定的直流电压输出；同时，该变换器具有高频变压器，可实现电气隔离功能。

Description

一种三相隔离AC-DC变换器
技术领域
本发明属于电力电子领域，具体涉及AC-DC变换器。
背景技术
随着全球能源危机的加深以及各国环保意识的增强，电动汽车得到越来越广泛的应用，我国电动汽车也迎来爆发式增长，在公交、出租、物流、乘用车等诸多领域都已初具规模。作为不可或缺的供能设备，充电系统是电动汽车推广应用的关键基础设施。但遗憾的是，虽然充电桩数量持续翻倍增长，但仍存在体积大、效率低的问题。因此研究高功率密度、高效率的充电系统具有重大社会和经济意义。
根据变换器中是否含有隔离变压器，可将充电系统拓扑分为隔离型和非隔离型。在电动汽车充电应用中，为了安全和输入输出电压的匹配，需要采用隔离型拓扑。从功率变换的形式来看，充电系统拓扑可分为单级式拓扑和两级式拓扑。目前广泛采用的充电系统拓扑为两级式结构，即前级AC-DC变换器，以及后级隔离DC-DC变换器。AC-DC和DC-DC通过中间直流母线电容连接，两者在控制上天然解耦。但该结构所需开关管数量众多，驱动电路设计繁杂，且直流母线电容体积庞大。单级式变换器比两级式省去了一级变换器，减小了电路的复杂度，提高了功率密度和系统效率。
发明内容
本发明的目的是提供一种三相隔离AC-DC变换器。该变换器将功率因数校正技术和谐振技术结合，使变换器输入电流很好地跟随输入电压变化，实现功率因数校正功能；该变换器通过控制输出电压，实现稳定的直流电压输出；同时，该变换器具有高频变压器，可以实现电气隔离的功能。
本发明提供的一种三相隔离AC-DC变换器，包括A相输入端、B相输入端、C相输入端、三相全桥单元、LLC谐振网络和输出整流单元；
其中，三相全桥单元包括A相上桥臂开关管单元、B相上桥臂开关管单元、C相上桥臂开关管单元、A相下桥臂开关管单元、B相下桥臂开关管单元和C相下桥臂开关管单元，LLC谐振网络包括谐振电感、谐振电容、励磁电感和变压器；
A相输入端、A相上桥臂开关管单元一端、A相下桥臂开关管单元一端连接在一起，B相输入端、B相上桥臂开关管单元一端、B相下桥臂开关管单元一端连接在一起，C相输入端、C相上桥臂开关管单元一端、C相下桥臂开关管单元一端连接在一起；A相上桥臂开关管单元另一端、B相上桥臂开关管单元另一端、C相上桥臂开关管单元另一端、谐振电容Cr一端连接在一起，A相下桥臂开关管单元另一端、B相下桥臂开关管单元另一端、C相下桥臂开关管单元另一端、谐振电感一端连接在一起；谐振电容另一端、励磁电感一端、变压器原边侧一端连接在一起，谐振电感另一端、励磁电感另一端、变压器原边侧另一端连接在一起；变压器副边侧与输出整流单元连接；
A相上桥臂开关管单元、B相上桥臂开关管单元、C相上桥臂开关管单元、A相下桥臂开关管单元、B相下桥臂开关管单元、C相下桥臂开关管单元分别为一对反接串联开关管；优选地，这一对反接串联开关管中的开关管分别为IGBT或者MOSFET。
例如，A相上桥臂开关管单元、B相上桥臂开关管单元、C相上桥臂开关管单元、A相下桥臂开关管单元、B相下桥臂开关管单元、C相下桥臂开关管单元均可以是这种结构：由两个共源极开关管反接串联组成，第一个开关管和第二个开关管的源极连接在一起，第一个开关管的漏极和第二个开关管的漏极分别对应ABC各相上或下桥臂开关管单元的两端。这种情况如图1(a)中所示。
又如，A相上桥臂开关管单元、B相上桥臂开关管单元、C相上桥臂开关管单元、A相下桥臂开关管单元、B相下桥臂开关管单元、C相下桥臂开关管单元均可以是这种结构：由两个共漏极开关管反接串联组成，第一个开关管和第二个开关管的漏极连接在一起，第一个开关管的源极和第二个开关管的源极分别对应ABC各相上或下桥臂开关管单元的两端。这种情况如图1(b)中所示。
进一步地，输出整流单元包括第一整流管单元、第二整流管单元、第三整流管单元、第四整流管单元和输出滤波电容，变压器副边侧一端、第一整流管单元的一端、第三整流管单元的一端连接在一起，变压器副边侧另一端、第二整流管单元的一端、第四整流管单元的一端连接在一起；第一整流管单元的另一端、第二整流管单元的另一端、输出滤波电容正端连接在一起，第三整流管单元的另一端、第四整流管单元的另一端、输出滤波电容负端连接在一起。
进一步地，第一整流管单元、第二整流管单元、第三整流管单元、第四整流管单元分别为开关管或二极管；优选地，这里的开关管为IGBT或者MOSFET。
例如，各整流管单元由二极管、电容构成，即输出整流单元包括第一二极管、第二二极管、第三二极管、第四二极管和输出滤波电容，变压器副边的一端、第一二极管阳极、第三二极管阴极连接在一起，变压器副边的另一端、第二二极管阳极、第四二极管阴极连接在一起；第一二极管阴极、第二二极管阴极、输出滤波电容正端连接在一起，第三二极管阳极、第四二极管阳极、输出滤波电容负端连接在一起。这种情况如图1(a)中所示。
按照实际情况的需求，还可包括输入滤波器，所述输入滤波器设置在三相全桥单元前端，三相电源经输入滤波器接入三相全桥单元，即滤波器与A相输入端、B相输入端、C相输入端连接。接何种滤波器都不影响本发明的工作原理。
本发明的有益效果为：本发明将LLC谐振软开关技术与PFC技术融合，既可以达到功率因数校正（PFC）效果，也可以使原边侧开关管实现ZVS软开关。软开关技术可以避免由硬开关带来的各种电磁干扰问题，易于实现电路的高频化，同时有利于电路效率的提升。本发明的变换器能够将一个交流电压转换为希望得到的直流电压，同时可实现电气隔离，这个功能应用范围非常广泛，例如用于通讯用开关电源、电动汽车充电、LED驱动等。相比于传统的三相PFC整流器，本发明的三相隔离AC-DC变换器存在以下特点：
1) 传统的三相PFC整流器要实现降压输出，采用的是两级架构，前级实现升压型PFC，后级实现降压；而本发明的三相隔离AC-DC变换器则可用单级架构实现上述功能；
2) 传统的开关三相PFC型整流器为硬开关拓扑，开关损耗大，需要外加风扇或水冷装置实现散热；本发明的三相隔离AC-DC变换器为一种基于零电压开通ZVS和零电流关断ZCS软开关技术的拓扑，降低了系统开关损耗，有利于实现系统的密封型模块化设计；
3) 传统的三相PFC型整流器采用开关频率固定的调制方式；本发明的三相隔离AC-DC变换器采用开关频率变化的调制方式，以满足回路中谐振器件的工作条件；
4) 传统的三相PFC型整流器是基于Boost升压电路原理，要求输出电压高于输入的线电压峰值；本发明的三相隔离AC-DC变换器既可实现升压，也可实现降压；
5) 传统的三相PFC型整流器采用三个输入电感，且由于开关频率较低导致磁性元件发热较大，三个电感的感值和体积都较大；而本发明的三相隔离AC-DC变换器工作在高频条件下，只用一个高频谐振电感及高频变压器的组合，且这两个器件由于工作在高频状态，参数和体积都比较小，有利于降低系统体积和成本。
附图说明
图1（a）是本发明一个实施例的电路拓扑图，图1（b）-图1（e）是本发明其他实施例的电路拓扑图。
图2是输入三相电压及扇区划分图。
图3是本发明一个实施例的驱动逻辑图。
图4（a）-图4（j）是本发明一些实施例的换流状态图。
附图标记解释：100. 三相全桥结构，101. A相上桥臂开关管单元、102. B相上桥臂开关管单元、103. C相上桥臂开关管单元、104. A相下桥臂开关管单元、105. B相下桥臂开关管单元，106. C相下桥臂开关管单元；200. 谐振网络，201. 谐振电容，202. 励磁电感，203. 高频变压器，204. 谐振电感；300. 输出整流单元，301. 第一整流管单元，302.第二整流管单元，303. 第三整流管单元，304. 第四整流管单元，305. 输出滤波电容。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明做进一步说明。
如图1（a）所示，本发明一个实施例的一种三相隔离AC-DC变换器，包括A相输入端、B相输入端、C相输入端、三相全桥结构100、谐振网络200和输出整流单元300。
该三相隔离AC-DC变换器的原边侧采用三相全桥结构，每相桥臂采用一对四象限开关。三相全桥结构100包括A相上桥臂开关管单元101、B相上桥臂开关管单元102、C相上桥臂开关管单元103、A相下桥臂开关管单元104、B相下桥臂开关管单元105和C相下桥臂开关管单元106，其中，A相上桥臂开关管单元101由一对共源极反串联开关管Q1u和Q2u组成，B相上桥臂开关管单元102由一对共源极反串联开关管Q3u和开关管Q4u组成，C相上桥臂开关管单元103由一对共源极反串联开关管Q5u和开关管Q6u组成，A相下桥臂开关管单元104由一对共源极反串联开关管Q1L和开关管Q2L组成，B相下桥臂开关管单元105由一对共源极反串联开关管Q3L和开关管Q4L组成，C相下桥臂开关管单元106由一对共源极反串联开关管Q5L和开关管Q6L组成。每相上下桥臂结构一致，如图1（a）所示。
谐振电感Lr 204、谐振电容Cr 201、励磁电感Lm 202、高频变压器TX 203组成LLC谐振网络200。
该三相隔离AC-DC变换器的副边侧为输出整流单元，包括第一整流管单元301、第二整流管单元302、第三整流管单元303、第四整流管单元304和输出滤波电容305；其中第一整流管单元301为二极管D1，第二整流管单元302为二极管D2，第三整流管单元303为二极管D3，第四整流管单元为二极管D4。
输入电源包括三相电网电压Va、Vb、Vc，变换器的输入端（A相输入端、B相输入端、C相输入端）接滤波器FILTER。
具体地，开关管Q1u的漏极连接开关管Q3u和Q5u的漏极，开关管Q1u的源极连接开关管Q2u的源极，开关管Q3u的源极连接开关管Q4u的源极，开关管Q5u的源极连接开关管Q6u的源极；开关管Q2L的漏极连接开关管Q4L和Q6L的漏极，开关管Q1L的源极连接开关管Q2L的源极，开关管Q3L的源极连接开关管Q4L的源极，开关管Q5L的源极连接开关管Q6L的源极；开关管Q1L的漏极连接开关管Q2u的漏极，开关管Q3L的漏极连接开关管Q4u的漏极，开关管Q5L的漏极连接开关管Q6u的漏极。开关管Q1L的漏极与开关管Q2u的漏极连接A相输入端（滤波器FILTER的A端），开关管Q3L的漏极与开关管Q4u的漏极连接B相输入端（滤波器FILTER的B端），开关管Q5L的漏极与开关管Q6u的漏极连接C相输入端（滤波器FILTER的C端）；电网电压Va连接滤波器FILTER的a端，电网电压Vb连接滤波器FILTER的b端，电网电压Vc连接滤波器FILTER的c端。
开关管Q1u、Q3u和Q5u的漏极连接谐振电容Cr的一端，谐振电容Cr的另一端连接励磁电感Lm的一端和变压器TX原边侧的同名端；变压器TX原边侧另一端与励磁电感Lm的另一端相连，并且与谐振电感Lr的一端相连，谐振电感Lr的另一端连接开关管Q2L、Q4L和Q6L的漏极。对于变压器TX副边侧，变压器TX的同名端连接二极管D1阳极和二极管D3阴极，二极管D1阳极与二极管D3阴极相连，变压器TX的异名端连接二极管D2阳极和二极管D4阴极，二极管D2阳极与二极管D4阴极相连；二极管D1阴极与二极管D2阴极相连，并且连接输出滤波电容Co的正端；二极管D3阳极与二极管D4阳极相连，并且连接输出滤波电容Co的负端。
本发明的变换器通过检测网侧三相电压的绝对值|V|，判断出绝对值最大相L=Max|V|、绝对值最小相S=Min|V|以及绝对值中间相M=Medium|V|，以此决定开关管的开通次序；由于三相电压的对称性，最大相L与最小相S和中间相M方向总是相反，中间相M和最小相S方向总是相同；通过对流经三相的谐振电流进行合理的分配，实现网侧功率因数校正功能（PFC）；通过LLC串联谐振实现原边侧开关管的零电压开通（ZVS）以及副边侧整流管的零电流关断（ZCS）。
由图2可知，LMS的次序每30°变换一次；此处以电网电压区间90°~120°、电路拓扑如图1（a）所示电路为例对本发明的工作模式进行说明。
如图3所示为网侧电压区间在90°~120°时，原边侧开关管的驱动逻辑，其中Va为绝对值最大相L，Vc为绝对值中间M，Vb为绝对值最小相S；此区间内Q1u、Q2L、Q5L、Q6u处于常通状态，除此之外，其余开关管运行在高频模式；在高频管中，最大相L对应的高频开关管对应的驱动占空比为50%，最小相S与中间相M对应的高频开关管所对应的驱动占空比相加之和为50%；并且将最小相开关管相对中间相开关管延迟Td开通，既为了避免造成相间短路，也为开关管续流做准备；通过调节最小相S与中间相M对应的高频开关管所对应的驱动占空比来实现PFC功能。
网侧电压区间90°~120°内Va为绝对值最大相L，Vc为绝对值中间M，Vb为绝对值最小相S，由于Va为正，Vb、Vc为负，因此在该区间内Q1u、Q2L、Q5L、Q6u处于常通状态，这4个开关的状态在换流描述中不再进行赘述，其驱动逻辑如图3所示，驱动逻辑对应的换流过程如图4(a)-(j)所示。
在其他实施例中，原边的三相全桥单元和副边的输出整流单元可以由多个开关组合与/或二极管通过不同的组合形式构成，如图1(b)-图1(e)所示。
本领域技术人员将认识到。对以上描述做出众多变通是可能的，所以实施例仅是用来描述一个或多个特定实施方式。
以上所述仅仅是对本发明专利的优选示范实施方式进行描述，并非对本发明专利的范围进行限定，在不脱离本发明专利设计精神的前提下，本领域普通技术人员对本发明专利的技术方案做出的各种变形和改进，均应落入本发明专利权利要求书确定的保护范围内。

Claims (5)

1.一种三相隔离AC-DC变换器，其特征在于：包括A相输入端、B相输入端、C相输入端、三相全桥单元、LLC谐振网络和输出整流单元；
其中，三相全桥单元包括A相上桥臂开关管单元、B相上桥臂开关管单元、C相上桥臂开关管单元、A相下桥臂开关管单元、B相下桥臂开关管单元和C相下桥臂开关管单元，LLC谐振网络包括谐振电感、谐振电容、励磁电感和变压器；
A相输入端、A相上桥臂开关管单元一端、A相下桥臂开关管单元一端连接在一起，B相输入端、B相上桥臂开关管单元一端、B相下桥臂开关管单元一端连接在一起，C相输入端、C相上桥臂开关管单元一端、C相下桥臂开关管单元一端连接在一起；A相上桥臂开关管单元另一端、B相上桥臂开关管单元另一端、C相上桥臂开关管单元另一端、谐振电容Cr一端连接在一起，A相下桥臂开关管单元另一端、B相下桥臂开关管单元另一端、C相下桥臂开关管单元另一端、谐振电感一端连接在一起；谐振电容另一端、励磁电感一端、变压器原边侧一端连接在一起，谐振电感另一端、励磁电感另一端、变压器原边侧另一端连接在一起；变压器副边侧与输出整流单元连接；
A相上桥臂开关管单元、B相上桥臂开关管单元、C相上桥臂开关管单元、A相下桥臂开关管单元、B相下桥臂开关管单元、C相下桥臂开关管单元分别为一对反接串联开关管。
2.根据权利要求1所述的三相隔离AC-DC变换器，其特征在于：一对反接串联开关管中的开关管分别为IGBT或者MOSFET。
3.根据权利要求1所述的三相隔离AC-DC变换器，其特征在于：输出整流单元包括第一整流管单元、第二整流管单元、第三整流管单元、第四整流管单元和输出滤波电容，变压器副边侧一端、第一整流管单元的一端、第三整流管单元的一端连接在一起，变压器副边侧另一端、第二整流管单元的一端、第四整流管单元的一端连接在一起；第一整流管单元的另一端、第二整流管单元的另一端、输出滤波电容正端连接在一起，第三整流管单元的另一端、第四整流管单元的另一端、输出滤波电容负端连接在一起。
4.根据权利要求3所述的三相隔离AC-DC变换器，其特征在于：第一整流管单元、第二整流管单元、第三整流管单元、第四整流管单元分别为开关管或二极管。
5.根据权利要求1~4任一权利要求所述的三相隔离AC-DC变换器，其特征在于：还包括滤波器，滤波器与A相输入端、B相输入端、C相输入端连接。
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