CN115800765A - 一种基于llc谐振的高频变压器并联电路 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于LLC谐振的高频变压器并联电路，包括多个并联的功率单元，每个功率单元包括：H桥1、H桥2、谐振电感Lr和N个变压器并联单元；H桥1的直流侧输入端1和输入端2分别连接直流母线V1的正极和负级；H桥2的直流侧输入端1和输入端2分别连接直流母线V2的正极和负级；H桥1的交流侧输出端3和输出端4分别连接变压器并联单元1～N的输入端1和输入端2；H桥2的交流侧输出端3连接谐振电感Lr的一端，谐振电感Lr的另一端连接变压器并联单元1～N的输出端3；H桥2的交流侧输出端4连接变压器并联单元1～N的输出端4。本发明可使用同一种变压器实现任意功率等级的扩容，且不增加额外的技术难度和成本。

Description

一种基于LLC谐振的高频变压器并联电路

技术领域

本发明涉及电子变换技术领域，更具体的说是涉及一种基于LLC谐振的高频变压器并联电路。

背景技术

随着新能源领域的发展，从事电力电子研发的公司日益增长，对测试电源的需求也日益增加，目前普遍遇到问题是现有的办公楼大都难以进入并摆放笨重的大功率测试电源设备，尤其是百千瓦等级以上的电源设备，而采用高频小型测试电源并联的成本又太高。大功率测试电源设备中大都采用工频变压器隔离方式，造成电源的体积和重量增加。采用高频双向隔离DCDC在体积和重量上比工频变压器更有优势，而随着开关频率的提高，单个高频变压器的容量受限，因此需对变压器进行并联扩容。

高频变压器的扩容方法有两种：第一种是变压器原副边分别并联，这样做的问题是，变压器的均流取决于变压器的加工工艺的一致性，而高频下影响均流的主要是变压器漏感，影响变压器漏感的因素较多，例如匝数、磁导率、绕制工艺、气隙等，此外还包含并联过程中的线路引入的额外电感量，因此这种方法几乎没有使用在高频变压器的并联扩容；第二种是高频变压器扩容方法在于一侧串联，另一侧并联，优点是变压器的均流和均压会非常一致，适合变压器并联数量较少的场合，但是变压器并联数量很多的时候，就需要平衡变压器数量与变压器的变比和绕线工艺，难度和成本都会大大增加。

因此，如何提供一种扩容结构简单、成本低的基于LLC谐振的高频变压器并联电路是本领域技术人员亟需解决的问题。

发明内容

有鉴于此，本发明提供了一种基于LLC谐振的高频变压器并联电路，可使用同一种变压器实现任意功率等级的扩容，且不增加额外的技术难度和成本。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种基于LLC谐振的高频变压器并联电路，包括多个并联的功率单元，每个功率单元包括：H桥1、H桥2、谐振电感Lr和N个变压器并联单元；

所述H桥1的直流侧输入端1和输入端2分别连接直流母线V1的正极和负级；所述H桥2的直流侧输入端1和输入端2分别连接直流母线V2的正极和负级；所述H桥1的交流侧输出端3和输出端4分别连接所述变压器并联单元1～N的输入端1和输入端2；所述H桥2的交流侧输出端3连接所述谐振电感Lr的一端，所述谐振电感Lr的另一端连接所述变压器并联单元1～N的输出端3；所述H桥2的交流侧输出端4连接所述变压器并联单元1～N的输出端4。

进一步的，每个所述变压器并联单元均包括：谐振电容Cr和高频变压器T；所述谐振电容Cr的一端作为所述变压器并联单元的输入端1，谐振电容Cr的另一端连接到所述高频变压器T原边绕组的一端,所述高频变压器T的原边绕组另一端作为所述变压器并联单元的输入端2；所述高频变压器T的副边绕组的两端分别作为所述变压器并联单元的输出端3和输出端4。

进一步的，所述高频变压器T还具有均流绕组，各所述功率单元中的各所述高频变压器的均流绕组相并联，形成均流母线。

经由上述的技术方案可知，与现有技术相比，本发明公开提供了一种基于LLC谐振的高频变压器并联电路，具有以下有益效果：

1)变压器的差异影响小：在本发明结构下，变压器可通过谐振电容阻抗自动均流，而变压器本身的漏感等影响可以忽略。

2)高频环路小：传统的变压器并联方式需要一侧串联，因此电流需要流经每一个变压器，电流环路将会很大，导致较大的涡流损耗，限制了变压器的并联数量，而本发明结构下，变压器并联数量可大大增加。

3)易于扩容：通过简单增加变压器并联单元数量，可以轻松达到几十甚至上百千瓦的功率等级；

4)扩展性好：只需要一种变压器的并联组合，即可满足不同功率等级的需求，可根据需要简单的增减变压器并联的数量，达到增减功率的需要；而传统的变压器并联方案，变压器的数量是不能增减的。

5)组成功率单元并联简单：功率单元之间也可实现并联的无主从自动均流。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述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发明的实施例，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，还可以根据提供的附图获得其他的附图。

图1为本发明提供的基于LLC谐振的高频变压器并联电路的结构示意图；

图2为传统的变压器并联电路图；

图3和图4为本发明提供的图1的等效电路；

图5为增加均流绕组之后的基于LLC谐振的高频变压器并联电路的结构示意图；

图6为两组功率单元之间的变压器及谐振网络等效电路；

图7为图6的简化示意图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

如图1所示，本发明实施例公开了一种基于LLC谐振的高频变压器并联电路，包括多个并联的功率单元，每个功率单元包括：H桥1、H桥2、谐振电感Lr和N个变压器并联单元；

所述H桥1的直流侧输入端1和输入端2分别连接直流母线V1的正极和负级；所述H桥2的直流侧输入端1和输入端2分别连接直流母线V2的正极和负级；所述H桥1的交流侧输出端3和输出端4分别连接所述变压器并联单元1～N的输入端1和输入端2；所述H桥2的交流侧输出端3连接所述谐振电感Lr的一端，所述谐振电感Lr的另一端连接所述变压器并联单元1～N的输出端3；所述H桥2的交流侧输出端4连接所述变压器并联单元1～N的输出端4。

具体而言，每个所述变压器并联单元均包括：谐振电容Cr和高频变压器T；所述谐振电容Cr的一端作为所述变压器并联单元的输入端1，谐振电容Cr的另一端连接到所述高频变压器T原边绕组的一端,所述高频变压器T的原边绕组另一端作为所述变压器并联单元的输入端2；所述高频变压器T的副边绕组的两端分别作为所述变压器并联单元的输出端3和输出端4。

如图3-4所示，所有的变压器并联单元的谐振电容Cr、漏感Ls支路和励磁电感Lm等效并联。由于串联谐振点不受励磁电感Lm的影响，因此在计算过程中不考虑励磁电感Lm。整个拓扑的串联谐振频率点为

在谐振频率fs下，变压器串联支路的阻抗为

为了削弱变压器漏感对变压器串联支路阻抗的影响，要求谐振电容Cr的阻抗远大于变压器漏感Ls的阻抗，即有

因此变压器支路在谐振点fs处的阻抗可近似为

所以谐振电容的一致性决定了变压器支路的均流，为了保证较好的变压器均流，需选择精度较高的谐振电容。值得注意的是，该拓扑中，引入了一个新的谐振点：

这个谐振点是有害的，会导致变压器之间的环路高频环流，因此需要尽量避开此谐振点即可，由于frs通常会高于fs的5倍频率，实际影响也不会太大。可限定工作频率低于0.5frs，也可避开此谐振点。

传统的变压器并联方式如图2所示，需要一侧串联，电流需要流经每一个变压器，电流环路将会很大，导致较大的涡流损耗，限制了变压器的并联数量。相较而言，本发明实施例结构可大大增加变压器并联数量。

如图5所示，所述高频变压器T增加一个绕组，即均流绕组，各所述功率单元中的各所述高频变压器的均流绕组相并联，形成均流母线。

通过高频变压器T均流绕组的并联，可以互相钳位高频变压器T端口电压，两组功率单元并联之后，可以互相钳位变压器端口电压，可以将两组功率单元组成一个新的谐振网络，实现两组功率单元之间的并联均流。其工作原理如下：

两组功率单元之间的变压器及谐振网络可以等效为图6所示电路图，进一步简化见图7。设并联的功率单元数量为X，并联后的谐振点为：

因此可以看到，并联后的谐振点，与功率模块的数量X无关，同时与单独功率模块的谐振频率

一致。

此时的并联的功率单元的H桥1和H桥2的均流原理不同，工作原理如下：

由图5可知，其中所有的变压器全部通过均流绕组并联在一起，和图6等效，简化之后如图7所示。两组功率单元的H桥1分别通过各自的谐振电容NCr和漏感Ls/N并联在一起，两组H桥1分别串联的支路阻抗为：

由于谐振点处谐振电容的阻抗

远大于变压器漏感的阻抗

可将H桥1串联的阻抗近似为

所以可以看作两组H桥1分别串联阻抗为

的支路之后再并联。同时两组H桥1采用相同的驱动，输出的电压激励完全一致，因此均流效果取决于谐振电容Cr容量精度；同理，两组功率单元H桥2是通过谐振电感Lr并联在一起，其支路阻抗为2πfsLR，同时两组H桥2采用相同的驱动，输出的电压激励完全一致，因此均流效果取决于谐振电感电感量精度。

本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。对于实施例公开的装置而言，由于其与实施例公开的方法相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。

对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (3)

1.一种基于LLC谐振的高频变压器并联电路，其特征在于，包括多个并联的功率单元，每个功率单元包括：H桥1、H桥2、谐振电感Lr和N个变压器并联单元；

所述H桥1的直流侧输入端1和输入端2分别连接直流母线V1的正极和负级；所述H桥2的直流侧输入端1和输入端2分别连接直流母线V2的正极和负级；所述H桥1的交流侧输出端3和输出端4分别连接所述变压器并联单元1～N的输入端1和输入端2；所述H桥2的交流侧输出端3连接所述谐振电感Lr的一端，所述谐振电感Lr的另一端连接所述变压器并联单元1～N的输出端3；所述H桥2的交流侧输出端4连接所述变压器并联单元1～N的输出端4。

2.根据权利要求1所述的一种基于LLC谐振的高频变压器并联电路，其特征在于，每个所述变压器并联单元均包括：谐振电容Cr和高频变压器T；所述谐振电容Cr的一端作为所述变压器并联单元的输入端1，谐振电容Cr的另一端连接到所述高频变压器T原边绕组的一端,所述高频变压器T的原边绕组另一端作为所述变压器并联单元的输入端2；所述高频变压器T的副边绕组的两端分别作为所述变压器并联单元的输出端3和输出端4。

3.根据权利要求2所述的一种基于LLC谐振的高频变压器并联电路，其特征在于，所述高频变压器T还具有均流绕组，各所述功率单元中的各所述高频变压器的均流绕组相并联，形成均流母线。

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