CN113809931A - 一种dc-dc变换电路 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种DC‑DC变换电路，包括两个变压器、两个与变压器对应的原边电路和4个输出整流电路，原边电路包括逆变电路和LC谐振电路；逆变电路的输出端接LC谐振电路的输入端，变压器的原边绕组串接在对应原边电路的LC谐振电路中；两个逆变电路的输入端串联后接直流输入端；每个变压器的副边包括4个副边绕组；两个变压器的对应副边绕组串接后接对应的输出整流电路的输入端，第一和第三输出整流电路的输出端串接后接直流输出端；第二和第一输出整流电路的输出端并接，第四和第三输出整流电路的输出端并接。本发明通过原边串联、副边交错串联实现原边输入自动均流。副边输出自动均压，提高了电路的可靠性。
Description
技术领域
本发明涉及DC-DC变换，尤其涉及一种DC-DC变换电路。
背景技术
在大功率高压DC-DC变换领域，为了满足体积小、功率大、安全可靠的需求，需要隔离高功率密度的拓扑结构。LLC电路在谐振开关频率附近可以实现全负载范围的开关器件软开关，在高开关频率下实现较小的开关损耗。高开关频率可以减小磁性元器件体积，从而实现高功率密度。LLC电路在电力电子领域，应用也越来越广。但是在大功率应用场合，采用单一磁性元器件体积会加大，会导致整个产品的体积加大，不利于产品的整体设计。为了解决这一问题，可以采用多组分立磁性元器件进行组串，也可以采用多路拓扑进行组串，进行功率分摊输出。
多组分立磁性元器件组串和多路拓扑组串的难点在于多路组串的功率均衡、热设计、元器件应力设计。因为多路元器件的磁性器件很难做到完全一致，包括其他开关器件的寄生参数的差异等等，经常会导致几路组串功率单元的功率不均衡。功率不均衡会导致其中的过载的功率单元发热过大，带来器件损坏的风险，严重影响了整个电路的可靠性。
发明内容
本发明要解决的技术问题是提供一种可靠性好的DC-DC变换电路。
为了解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是，一种DC-DC变换电路，包括直流输入端、直流输出端、两个变压器、两个与变压器对应的原边电路和4个输出整流电路，原边电路包括逆变电路和LC谐振电路；逆变电路的输出端接LC谐振电路的输入端，变压器的原边绕组串接在对应原边电路的LC谐振电路中；两个逆变电路的输入端串联后接直流输入端；每个变压器的副边包括4个副边绕组；两个变压器的对应副边绕组串接后接对应的输出整流电路的输入端，第一输出整流电路的输出端与第三输出整流电路的输出端串接后接直流输出端；第二输出整流电路的输出端与第一输出整流电路的输出端并接，第四输出整流电路的输出端与第三输出整流电路的输出端并接。
以上所述的DC-DC变换电路，第一变压器的第一副边绕组和第二变压器的第一副边绕组串联后接第一输出整流电路的输入端，第一变压器的第二副边绕组和第二变压器的第二副边绕组串联后接第三输出整流电路的输入端，第一变压器的第三副边绕组和第二变压器的第三副边绕组串联后接第二输出整流电路的输入端，第一变压器的第四副边绕组和第四变压器的第二副边绕组串联后接第四输出整流电路的输入端。
以上所述的DC-DC变换电路，变压器的原边绕组包括第一原边绕组和第二原边绕组，第一原边绕组与第二原边绕组串接；变压器的第一副边绕组和第二副边绕组与第一原边绕组耦合，变压器的第三副边绕组和第四副边绕组与第二原边绕组耦合。
以上所述的DC-DC变换电路，变压器包括第一分变压器和第二分变压器，第一分变压器包括所述的第一原边绕组、第一副边绕组和第二副边绕组，第二分变压器包括所述的第二原边绕组、第三副边绕组和第四副边绕组。
以上所述的DC-DC变换电路，所述的逆变电路为全桥逆变电路。
以上所述的DC-DC变换电路，包括两个输入电容和两个输出电容，两个输入电容串联后接在直流输入端的正极与负极之间；第一输入电容接在第一逆变电路输入端的正极和负极之间，第二输入电容接在第二逆变电路输入端的正极和负极之间；第一输出电容与第一输出整流电路的输出端并接，第二输出电容与第三输出整流电路的输出端并接。
以上所述的DC-DC变换电路，所述的输出整流电路为全桥整流电路。
以上所述的DC-DC变换电路，包括三个输出开关，第一输出整流电路的输出端的负极通过第一输出开关接第三输出整流电路的输出端的正极；第一输出整流电路输出端的正极通过第二输出开关接第三输出整流电路的输出端的正极，第一输出整流电路输出端的负极通过第三输出开关接第三输出整流电路的输出端的负极。
以上所述的DC-DC变换电路，DC-DC变换电路工作时包括以下两种工作模式：当第一输出开关闭合，第二输出开关和第三输出开关断开时，为低电压输出；当第一输出开关断开，第二输出开关和第三输出开关闭合时，为高电压输出。
以上所述的DC-DC变换电路，包括直流电源电路，所述的直流电源电路是三相维也纳电路，三相维也纳电路包括三个输入电感、三相二极管整流桥和三个双向开关，三个输入电感的第一端分别接交流电的三相输入端，三个输入电感的第二端分别接三相二极管整流桥的三个输入端；三相二极管整流桥输出端的正极接所述直流输入端的正极，三相二极管整流桥输出端的负极接所述直流输入端的负极；三个双向开关的第一端分别接三个输入电感的第二端，三个双向开关的第二端接两个输入电容的连接点。
本发明通过原边的逆变电路的输入串联，副边绕组的相互串联，输出整流电路输出端并联，可以实现变压器的原边绕组电流相等、两个逆变电路的输入电流相等，实现自动均流，副边整流后的输出电压可以实现自动均压，电路的可靠性好。
附图说明
下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
图1是本发明实施例DC-DC变换电路的电路图。
图2是本发明实施例直流电源电路的电路图。
具体实施方式
为了大功率宽输入电压范围和宽输出电压范围，本发明提出一种可以自动均压的DC-DC变换电路。在以下的实施例中，DC-DC变换电路采用全桥LLC拓扑，能通过软开关、变换器采用多组变压器和拓扑单元的组串，实现高功率密度，并且通过电路本身能够实现自动输入串联的均流和副边整流输出电压的均压。
本发明的实施例DC-DC变换电路的结构如图1所示。包括高压直流输入端Vi、直流输出端Vo、两个变压器、4个输出整流电路和与两个变压器对应的原边电路。两个高压直流输入电容C1和C2串联后接在高压直流输入端Vi的正极与负极之间，第一输入电容C1和第二输入电容C2上的电压分别为V1和V2。
第一输入电容C1接在第一全桥逆变电路输入端的正极和负极之间，第二输入电容C2接在第二第一全桥逆变电路输入端的正极和负极之间。
原边电路包括全桥逆变电路和LC谐振电路，全桥逆变电路的输出端接LC谐振电路的输入端，变压器的原边绕组串接在对应原边电路的LC谐振电路中。
每个变压器由两个分变压器组成，第一变压器包括变压器T1和变压器T2，第二变压器包括变压器T3和变压器T4。
第一全桥逆变电路由功率开关管Q1、Q2、Q3、Q4组成，其输出端与谐振电感Lr1、谐振电容Cr1、分变压器T1的原边绕组n1_1和分变压器T2的原边绕组n2_1串联。
第二全桥逆变电路由功率开关管Q5、Q6、Q7、Q8组成，其输出端与谐振电感Lr2、谐振电容Cr2、分变压器T3的原边绕组n3_1和分变压器T4的原边绕组n4_1串联。
在本实施例中全桥LLC开关管Q1、Q2、Q3、Q4与Q5、Q6、Q7、Q8的驱动一一对应，完全一致。
如图2所示，DC-DC变换电路的直流电源电路是三相维也纳电路，直流输入的Vin连接三相维也纳电路的输出端。
三相维也纳电路包括三个输入电感L1、L2、L3、由6个二极管D5至D10组成的三相二极管整流桥和三个双向开关。
三相输入电压VA、VB、VC，分别接输入电感L1、L2、L3的第一端。开关管Q9和开关管Q10的源极相连，组成第一双向开关，Q9的漏极与L1的第二端相连。开关管Q11和开关管Q12的源极相连，组成双向开关，Q11的漏极与L2的第二端相连。开关管Q13和开关管Q14的源极相连，组成第三双向开关，Q13的漏极与L3的第二端相连。开关管Q10、Q12、Q14的漏极相连，并且与母线电容中点，即第一输入电容C1与第二输入电容C2的连接点相连。输入电感L1和开关管Q9的连接点与二极管D5的P极和二极管D6的N极相连，二极管D5的N极与直流输入母线电压正极相连。二极管D6的P极与直流输入母线电压的负极相连。输入电感L2和开关管Q11的连接点与二极管D7的P极和二极管D8的N极相连，二极管D7的N极与直流输入母线电压正极相连。二极管D8的P极与直流输入母线电压的负极相连。输入电感L3和开关管Q13的连接点与二极管D9的P极和二极管D10的N极相连，二极管D9的N极与直流输入母线电压正极相连，二极管D10的P极与直流输入母线电压的负极相连。
分变压器T1有两个副边绕组n1_2和n1_3，匝比关系为n1_1：n1_2：n1_3=1:1:1；分变压器T2有两个副边绕组n2_2和n2_3，匝比关系为n2_1：n2_2：n2_3=1:1:1；分变压器T3有两个副边绕组n3_2和n3_3，匝比关系为n3_1：n3_2：n3_3=1:1:1；分变压器T4有两个副边绕组n4_2和n4_3，匝比关系为n4_1：n4_2：n4_3=1:1:1。且分变压器T1、分变压器T2、分变压器T3和分变压器T4原边绕组匝数都相同，即n1_1=n2_1=n3_1=n4_1。
分变压器T1的第一副边绕组n1_2与分变压器T3的第一副边绕组n3_2串联后接第一输出整流电路D1的输入端，因此绕组电流In1_2=In3_2,整流输出电压VD1=Vn1_2+Vn3_2。
分变压器T1的第二副边绕组n1_3与分变压器T3的第一副边绕组n3_3串联后接第三输出整流电路D3的输入端，因此绕组电流In1_3=In3_3,整流输出电压VD3=Vn1_3+Vn3_3。
分变压器T2的第一副边绕组n2_2与分变压器T4的第一副边绕组n4_2串联后接第二输出整流电路D2的输入端，因此绕组电流In2_2=In4_2,整流输出电压VD2=Vn2_2+Vn4_2。
分变压器T2的第二副边绕组n2_3和分变压器T4的第二副边绕组n4_3串联后接第四输出整流电路D4的输入端，因此绕组电流In2_3=In4_3,整流输出电压VD4=Vn2_3+Vn4_3。
第一输出整流电路D1和第二输出整流电路D2输出并联，接输出电容C3，电压为V3=Vn2_2+Vn4_2=Vn1_2+Vn3_2。
第三输出整流电路D3和第四输出整流电路D4输出并联，接输出电容C4，电压为V4=Vn1_3+Vn3_3=Vn2_3+Vn4_3。
第一输出整流电路D1的输出端与第三输出整流电路D3的输出端通过第一输出开关K1串联后接DC-DC变换电路的直流输出端Vo。
根据绕组匝数、并联关系，因此可以得到副边各绕组电压幅值有Vn1_1=Vn1_2=Vn1_3,Vn2_1=Vn2_2=Vn2_3,Vn3_1=Vn3_2=Vn3_3,Vn4_1=Vn4_2=Vn4_3。两个全桥开关管的驱动完全一致，因此分变压器T1、T2、T3、T4原边绕组的电压持续时间也一致，可以得到输出电压V3=V4，可以实现输出电压V3和V4自动调节均压。
由功率守恒有变压器原边功率等于副边两个绕组的功率In1_1*Vn1_1=In1_2*Vn1_2+In1_3*Vn1_3,因为Vn1_1=Vn1_2=Vn1_3，得到变压器绕组电流In1_1=In1_2+In1_3。同理变压器绕组电流In3_1=In3_2+In3_3。因此可以得到所有变压器原边电流相同In1_1=In2_1=In3_1=In4_1，可以实现直流输入侧的两个全桥并联电流相同，自动均流。
如图1所示，输出电容C3的正极与直流输出端VB的正极相连；输出电容C4负极与直流输出端VB的负极相连。第一输出整流电路的输出端与第三输出整流电路的输出端串联后接在DC-DC变换电路的直流输出端VB的正负极之间。第一输出整流电路的输出端的负极通过第一输出开关K1接第三输出整流电路的输出端的正极。第一开关管整流电路输出端的正极通过第二输出开关K2接第三开关管整流电路的输出端的正极，第一开关管整流电路输出端的负极通过第三输出开关K3接第三开关管整流电路的输出端的负极。
当开关K1闭合，开关K2和开关K3关断开时，DC-DC变换电路的总输出VB为第V3与V4串联之和,VB=V3+V4；当开关K1断开，开关K2和开关K3闭合时，DC-DC变换电路的总输出VB为V3与V4的并联值，VB=V3=V4。通过输出开关K1、开关K2、开关K3的两种模式的切换可以实现较宽电压范围的输出。
本发明以上实施例通过两个全桥LLC输入串联实现高压输入的需求，每个开关管电压应力减半。通过变压器的原边串联，副边串联，实现每个变压器单元的功率分摊并且实现了副边每个整流输出电压相等和输入并联电流的自动均流，提高了DC-DC变换电路的可靠性。
Claims (10)
1.一种DC-DC变换电路，包括直流输入端、直流输出端、两个变压器和两个与变压器对应的原边电路，原边电路包括逆变电路和LC谐振电路；逆变电路的输出端接LC谐振电路的输入端，变压器的原边绕组串接在对应原边电路的LC谐振电路中；其特征在于，包括4个输出整流电路，两个逆变电路的输入端串联后接直流输入端；每个变压器的副边包括4个副边绕组；两个变压器的对应副边绕组串接后接对应的输出整流电路的输入端，第一输出整流电路的输出端与第三输出整流电路的输出端串接后接直流输出端；第二输出整流电路的输出端与第一输出整流电路的输出端并接，第四输出整流电路的输出端与第三输出整流电路的输出端并接。
2.根据权利要求1所述的DC-DC变换电路，其特征在于，第一变压器的第一副边绕组和第二变压器的第一副边绕组串联后接第一输出整流电路的输入端，第一变压器的第二副边绕组和第二变压器的第二副边绕组串联后接第三输出整流电路的输入端，第一变压器的第三副边绕组和第二变压器的第三副边绕组串联后接第二输出整流电路的输入端，第一变压器的第四副边绕组和第四变压器的第二副边绕组串联后接第四输出整流电路的输入端。
3.根据权利要求1所述的DC-DC变换电路，其特征在于，变压器的原边绕组包括第一原边绕组和第二原边绕组，第一原边绕组与第二原边绕组串接；变压器的第一副边绕组和第二副边绕组与第一原边绕组耦合，变压器的第三副边绕组和第四副边绕组与第二原边绕组耦合。
4.根据权利要求3所述的DC-DC变换电路，其特征在于，变压器包括第一分变压器和第二分变压器，第一分变压器包括所述的第一原边绕组、第一副边绕组和第二副边绕组，第二分变压器包括所述的第二原边绕组、第三副边绕组和第四副边绕组。
5.根据权利要求1所述的DC-DC变换电路，其特征在于，所述的逆变电路为全桥逆变电路。
6.根据权利要求1所述的DC-DC变换电路，其特征在于，包括两个输入电容和两个输出电容，两个输入电容串联后接在直流输入端的正极与负极之间；第一输入电容接在第一逆变电路输入端的正极和负极之间，第二输入电容接在第二逆变电路输入端的正极和负极之间；第一输出电容与第一输出整流电路的输出端并接，第二输出电容与第三输出整流电路的输出端并接。
7.根据权利要求1所述的DC-DC变换电路，其特征在于，所述的输出整流电路为全桥整流电路。
8.根据权利要求1所述的DC-DC变换电路，其特征在于，包括三个输出开关，第一输出整流电路的输出端的负极通过第一输出开关接第三输出整流电路的输出端的正极；第一输出整流电路输出端的正极通过第二输出开关接第三输出整流电路的输出端的正极，第一输出整流电路输出端的负极通过第三输出开关接第三输出整流电路的输出端的负极。
9.根据权利要求8所述的DC-DC变换电路，其特征在于，DC-DC变换电路工作时包括以下两种工作模式：当第一输出开关闭合，第二输出开关和第三输出开关断开时，为低电压输出；当第一输出开关断开，第二输出开关和第三输出开关闭合时，为高电压输出。
10.根据权利要求6所述的DC-DC变换电路，其特征在于，包括直流电源电路，所述的直流电源电路是三相维也纳电路，三相维也纳电路包括三个输入电感、三相二极管整流桥和三个双向开关，三个输入电感的第一端分别接交流电的三相输入端，三个输入电感的第二端分别接三相二极管整流桥的三个输入端；三相二极管整流桥输出端的正极接所述直流输入端的正极，三相二极管整流桥输出端的负极接所述直流输入端的负极；三个双向开关的第一端分别接三个输入电感的第二端，三个双向开关的第二端接两个输入电容的连接点。
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