CN115149826A

CN115149826A - 一种三相隔离ac/dc高频变压器

Info

Publication number: CN115149826A
Application number: CN202210650386.5A
Authority: CN
Inventors: 占志旺; 刘斌; 王欣睿; 伍家驹; 陈亮亮; 刘�文; 蔡金琪
Original assignee: Nanchang Hangkong University
Current assignee: Nanchang Hangkong University
Priority date: 2022-06-10
Filing date: 2022-06-10
Publication date: 2022-10-04

Abstract

本申请涉及一种三相隔离AC/DC高频变压器，它包括三相桥式电路、反串联共源极开关管桥臂、LLC谐振网络、高频变压器、副边整流电路和输出滤波电容；高频变压器的原边侧沿电压输入方向，依次设置有三相桥式电路、反串联共源极开关管桥臂和LLC谐振网络；高频变压器的副边侧沿电压输出方向依次设置有副边整流电路和输出滤波电容；三相桥式电路中每相的上下桥臂结构对称，并且均由开关管和电容串联组成；反串联共源极开关管桥臂由一对共源极反串联开关管组成。本发明可实现一次侧高频开关器件的零电压软开通和二次侧整流二极管的自然换流，通过变频调制、移相调制或者混合调制的控制方式控制输出电压，实现稳定的直流电压输出。

Description

一种三相隔离AC/DC高频变压器

技术领域

本申请涉及电力电子技术领域，具体涉及一种三相隔离AC/DC高频变压器。

背景技术

根据AC/DC变换器中是否含有隔离变换器，将变换器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。LLC谐振变换器具有良好的调压特性，可以通过变频调制、移相调制或者混合调制的方式获得宽范围的电压增益；另外LLC谐振变换器可以实现一次侧高频开关器件的零电压开通和二次侧整流二极管的零电流关断，能够极大的提高AC/DC变换器的效率、功率密度以及减少电磁噪声。而现有的基于LLC的AC/DC变换器多采用三相矩阵变换结构，各个桥臂都是由4个开关管组成，整个系统共需要12个开关管，系统的调制复杂，使得该类变换器的实现难度大，降低了系统的可靠性。

发明内容

本发明的目的在于，提供一种三相隔离AC/DC高频变压器，实现一次侧高频开关器件的零电压软开通和二次侧整流二极管的自然换流，通过变频调制、移相调制或者混合调制的控制方式控制输出电压，实现稳定的直流电压输出。

本发明采取的技术方案是：一种三相隔离AC/DC高频变压器，包括三相桥式电路、反串联共源极开关管桥臂、LLC谐振网络、高频变压器、副边整流电路和输出滤波电容；所述高频变压器的原边侧沿电压输入方向，依次设置有所述三相桥式电路、反串联共源极开关管桥臂和LLC谐振网络；所述高频变压器的副边侧沿电压输出方向依次设置有所述副边整流电路和输出滤波电容；所述三相桥式电路中每相的上下桥臂均由开关管和电容串联组成，并且每相的上下桥臂结构对称；所述反串联共源极开关管桥臂由一对共源极反串联开关管组成。

进一步地，所述三相桥式电路的三个输入端前端均设置有输入开关管。

进一步地，所述输入开关管的前端设置有滤波器。

进一步地，所述LLC谐振网络由谐振电感、励磁电感、和谐振电容依次串联而成，所述谐振电感和谐振电容分别与三相桥式电路的输出端和反串联共源极开关管桥臂连接，所述励磁电感两端与所述高频变压器的原边侧连接。

进一步地，所述副边整流电路为二极管桥式整流电路、推挽电路或同步整流电路。

进一步地，所述输入开关管和三相桥式电路中的开关管均为带有反并二极管的高频开关管。

本发明的有益效果在于：

（1）本发明使用的LLC谐振变换器可以实现开关管软开关，可以避免硬开关带来的各种电磁干扰问题，易于实现电路的高频化，同时有效提升电路效率；相对现有LLC谐振变换器，本发明减少了开关管的数量，降低了整个系统的成本；同时减少了一个LLC谐振周期内工作的开关管数量，降低了调制的复杂度，提升了系统可靠性；

（2）本发明提出了在三相全桥结构和LLC谐振电路中间增加反串联共源极开关管桥臂，可以使LLC两端电压实现零电压，能够更有效更方便的控制输出电压增益；

（3）本发明在三相桥式电路的桥臂中引入电容，一方面可以降低相间开关管直通的风险，另一方面电容也参与LLC谐振，实现能量传递。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图。

图1为本发明实施例的电路拓扑图；

图2为本发明实施例输入三相电压绝对值及扇区划分图；

图3为本发明实施例的驱动逻辑图；

图4为本发明实施例谐振电流ir、输出电流iout以及励磁电感电流im的波形图；

图5（a）~（h）为本发明实施例的使用状态图。

具体实施方式

为了能够更清楚地理解本发明的上述目的、特征和优点，下面结合附图和具体实施方式对本发明进行进一步的详细描述。在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明，但是，本发明还可以采用其他不同于在此描述的其他方式来实施，因此，本发明并不限于下面公开的具体实施例的限制。

除非另作定义，此处使用的技术术语或者科学术语应当为本申请所述领域内具有一般技能的人士所理解的通常意义。本专利申请说明书以及权利要求书中使用的“第一”、“第二”以及类似的词语并不表示任何顺序、数量或者重要性，而只是用来区分不同的组成部分。同样， “一个”或者“一”等类似词语也不表示数量限制，而是表示存在至少一个。 “连接”或者“相连”等类似的词语并非限定于物理的或者机械的连接，而是可以包括电性的连接，不管是直接的还是间接的。 “上”、 “下”、 “左”、 “右”等仅用于表示相对位置关系，当被描述对象的绝对位置改变后，则该相对位置关系也相应地改变。

如图1所示，一种三相隔离AC/DC高频变压器，包括三相桥式电路、反串联共源极开关管桥臂、LLC谐振网络、高频变压器Tx、副边整流电路和输出滤波电容Co；所述高频变压器Tx的原边侧沿电压输入方向，依次设置有所述三相桥式电路、反串联共源极开关管桥臂和LLC谐振网络；所述高频变压器Tx的副边侧沿电压输出方向依次设置有所述副边整流电路和输出滤波电容Co。

所述三相桥式电路中每相的上下桥臂均由开关管和电容串联组成，并且每相的上下桥臂结构对称。其中，第一电容C1的阴极和第一开关管Q1的源极相连；第二电容C2的阳极和第二开关管Q2的源极相连；第三电容C3的阳极和第三开关管Q3的源极相连；第四电容C4的阴极和第四开关管Q4的源极相连；第五电容C5的阴极和第五开关管Q5的源极相连；第六电容C6的阴极和第六开关管Q6的源极相连。第一电容C1与第四电容C4串联；第二电容C2与第五电容C5串联，第三电容C3与第六电容C6串联。所述三相桥式电路通过和第十开关管Q10和第十一开关管Q11配合调制，实现LLC谐振腔的交变电压输入，第一至第六电容C1~C6一方面可以防止相间直通短路，另一方面参与LLC电路谐振。

所述反串联共源极开关管桥臂由一对共源极反串联开关管组成，第十开关管Q10的源极和第十一开关管Q11的源极相连。第一开关管Q1的漏极、第二开关管Q2的漏极和第三开关管Q3的漏极与第十开关管Q10的漏极连接；第四开关管Q4的漏极、第五开关管Q5的漏极和第六开关管Q6的漏极与第十一开关管Q11的漏极连接。反串联共源极开关管桥臂可以实现LLC谐振网络的零电压输入以及LLC谐振电流的续流。

所述LLC谐振网络由谐振电感Lr、励磁电感Lm、和谐振电容Cr依次串联而成，所述谐振电感Lr与第一开关管Q1的漏极、第二开关管Q2的漏极、第三开关管Q3的漏极和第十开关管Q10的漏极连接，谐振电容Cr与第四开关管Q4的漏极、第五开关管Q5的漏极、第六开关管Q6的漏极和第十一开关管Q11的漏极连接，所述励磁电感Lm的两端与所述高频变压器Tx的原边侧连接，谐振电容Cr的一端和高频变压器Tx原边侧的一端相连，谐振电感Lr的一端和高频变压Tx原边侧的另一端相连。所述LLC谐振网络和励磁电感Lm相互作用，实现两种谐振频率之间的作用为谐振状态变换和能量传递。

所述副边整流电路为二极管桥式整流电路、推挽电路或同步整流电路。在本发明实施例中，所述副边整流电路为二极管桥式整流电路。所述二极管桥式整流电路由二极管D1~D4组成。第一二极管D1的阳极和第三二极管D3的阴极与高频变压器Tx的副边侧连接，第二二极管D2的阳极和第四二极管D4的阴极也与高频变压器Tx的副边侧连接。第一二极管D1的阴极和第二二极管D2的阴极与输出滤波电容Co的正极连接，第三二极管D3的阳极和第四二极管D4的阳极与输出滤波电容Co的负极连接。所述副边整流电路将交流电流整为直流，实现对负载的供电。

在本发明实施例中，所述三相桥式电路的三个输入端前端均设置有输入开关管Q7~Q9。

所述输入开关管Q7~Q9的前端设置有滤波器FILTER。第一输入开关管Q7的漏极连接滤波器FILTER的A端；第二输入开关管Q8的漏极连接滤波器FILTER的B端；第三输入开关管Q9的漏极连接滤波器FILTER的C端；第一输入开关管Q7的源极与第一电容C1的阴极和第四电容C4的阳极相连；第二输入开关管Q8的源极与第二电容C2的阴极和第五电容C5的阳极相连；第三输入开关管Q9的源极与第三电容C3的阴极和第六电容C6的阳极相连。所述输入开关管Q7~Q9和三相桥式电路中的开关管Q1~Q6均为带有反并二极管的可高频工作开关管，如MOSFET。输入开关管Q7~Q9和开关管Q1~Q6一起，实现LLC谐振电流路径的控制和相间分配，滤波器FILTER可滤除电流中的高频分量，使三相输入电流更接近正弦。

使用时，将电网电压Va连接在滤波器FILTER的a端，电网电压Vb连接在滤波器FILTER的b端，电网电压Vc连接在滤波器FILTER的c端，负载Ro连接在输出滤波电容Co的两端。本发明实施例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90°~120°为例对本发明实施例的工作模式进行说明进行。

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为绝对值中间相M，Vb为绝对值最小相S。此区间内第一开关管Q1和第三输入开关管Q9处于常通状态，第二开关管Q2、第三开关管Q3和第四开关管Q4处于常闭状态，其余开关管则运行在高频模式；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%。

如图5（a）所示，在[t0-t1]区间内，t0时刻，如图4所示，谐振电流ir为负，第二开关管Q2、第三开关管Q3、第四开关管Q4和第五开关管Q5关断，此时间段内第六开关管Q6和第一输入开关管Q7未导通，谐振电流ir流过第一开关管Q1的反并二极管、第一输入开关管Q7的反并二极管、第三输入开关管Q9和第六Q6的反并二极管。

在[t1-t2]区间内，t1时刻，如图4所示，谐振电流ir仍然为负。第六开关管Q6和第一输入开关管Q7零电压开通，谐振电流流向如图5（b）所示，第五开关管Q5稍后于第六开关管Q6开通。

在[t2-t3]区间内，此时谐振电流ir为正，电流流向如图5（c）所示。

在[t3-t4]区间内，t3时刻，第六开关管Q6关断，第五开关管Q5处于导通状态，电流流向如图5（d）所示，谐振电流ir流过第五开关管Q5和第二输入开关管Q8的反并二极管。

在[t4-t5]区间内，t4时刻，第二输入开关管Q8零电压开通，此时谐振电流ir仍为正，电流流向如图5（e）所示。

在[t5-t6]区间内，t5时刻，第五开关管Q5、第一输入开关管Q7和第二输入开关管Q8关断，第十一开关管Q11导通，此时谐振电流ir通过第十开关管Q10的反并二极管续流，电流流向如图5（f）所示。

在[t6-t7]区间内，t6时刻，第十开关管Q10零电压开通，谐振电流ir流向如图5（g）所示。

在[t7-t8]区间内，t7时刻，谐振电流ir为负，电流流向如图5（h）所示。

t8时刻之后，关断第十开关管Q10，系统状态回到图5（a）。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims

1.一种三相隔离AC/DC高频变压器，其特征在于，包括三相桥式电路、反串联共源极开关管桥臂、LLC谐振网络、高频变压器、副边整流电路和输出滤波电容；所述高频变压器的原边侧沿电压输入方向，依次设置有所述三相桥式电路、反串联共源极开关管桥臂和LLC谐振网络；所述高频变压器的副边侧沿电压输出方向依次设置有所述副边整流电路和输出滤波电容；所述三相桥式电路中每相的上下桥臂均由开关管和电容串联组成，并且每相的上下桥臂结构对称；所述反串联共源极开关管桥臂由一对共源极反串联开关管组成。

2.根据权利要求1所述的一种三相隔离AC/DC高频变压器，其特征在于，所述三相桥式电路的三个输入端前端均设置有输入开关管。

3.根据权利要求2所述的一种三相隔离AC/DC高频变压器，其特征在于，所述输入开关管的前端设置有滤波器。

4.根据权利要求1所述的一种三相隔离AC/DC高频变压器，其特征在于，所述LLC谐振网络由谐振电感、励磁电感、和谐振电容依次串联而成，所述谐振电感和谐振电容分别与三相桥式电路的输出端和反串联共源极开关管桥臂连接，所述励磁电感两端与所述高频变压器的原边侧连接。

5.根据权利要求1所述的一种三相隔离AC/DC高频变压器，其特征在于，所述副边整流电路为二极管桥式整流电路、推挽电路或同步整流电路。

6.根据权利要求2所述的一种三相隔离AC/DC高频变压器，其特征在于，所述输入开关管和三相桥式电路中的开关管均为带有反并二极管的高频开关管。