CN116345920B - 单级隔离电能变换电路和电力设备 - Google Patents

单级隔离电能变换电路和电力设备 Download PDF

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Abstract

本申请公开了一种单级隔离电能变换电路和电力设备。该电路包括：AC/DC整流模块和DC/DC三相谐振模块，AC/DC整流模块包括三相交流输入电压源、AC/DC三相整流单元、三组中间桥臂双向开关管和三组桥臂功率开关管。该电路在单级隔离电能变换电路运行时，三组中间桥臂双向开关管切换进行高频开关工作，使得在一运行时刻上，存在一组中间桥臂双向开关管进行高频开关工作。并且，利用与三组中间桥臂双向开关管分别三相连接的三组桥臂功率开关管，通过调控三组桥臂功率开关管的开关频率调控输出的电压/电流。该电路能够提供更大的功率等级、更宽的输出电压范围。

Description

单级隔离电能变换电路和电力设备
技术领域
本申请涉及电能变换技术领域，尤其涉及一种单级隔离电能变换电路和电力设备。
背景技术
随着电动汽车领域的蓬勃发展，充电设施的需求越来越多。目前充电设施中功率转换的核心指标是高效率、高性价比、高可靠性。当前业内采用的将交流电转换为负载所需的直流电基本都是采用两级隔离的拓扑电路实现。然而，采用两级隔离的拓扑电路结构，两级中间需要增加容值很大的母线电容来实现两级控制环路解耦以及输出动态负载的跟随。两级拓扑需要设计更多器件，占用更大的体积，这也导致了电能转换效率较低。目前采用的单极隔离的拓扑电路结构，虽说可以减少器件数量，部分提高电能转换效率，但是无法满足更大功率等级、更宽输出电压范围的实际需求。
发明内容
有鉴于此，本申请实施例提供了一种单级隔离电能变换电路和电力设备，用以解决单极隔离的拓扑电路结构无法满足更大功率等级、更宽输出电压范围的问题。
第一方面，本申请实施例提供了一种单级隔离电能变换电路，包括：
AC/DC整流模块和DC/DC三相谐振模块，所述AC/DC整流模块包括三相交流输入电压源、AC/DC三相整流单元、三组中间桥臂双向开关管和三组桥臂功率开关管；
所述三相交流输入电压源，用于输入三相交流电流，所述三相包括A相、B相和C相；
所述AC/DC三相整流单元，用于对所述三相交流电流进行整流；
三组所述中间桥臂双向开关管，其中，第一组所述中间桥臂双向开关管与所述A相连接，第二组所述中间桥臂双向开关管与所述B相连接，第三组所述中间桥臂双向开关管与所述C相连接，其中，在所述单级隔离电能变换电路运行时，三组所述中间桥臂双向开关管切换进行高频开关工作，在一运行时刻上，存在一组所述中间桥臂双向开关管进行所述高频开关工作；
三组所述桥臂功率开关管，其中，第一组所述桥臂功率开关管的桥臂中点与所述第一组所述中间桥臂双向开关管连接，第二组所述桥臂功率开关管的桥臂中点与所述第二组所述中间桥臂双向开关管连接，第三组所述桥臂功率开关管的桥臂中点与所述第三组所述中间桥臂双向开关管连接。
如上所述的方面和任一可能的实现方式，进一步提供一种实现方式，当所述A相、所述B相或所述C相的相线电压为中间电压值时，所述中间电压值对应相的所述中间桥臂双向开关管进行所述高频开关工作。
如上所述的方面和任一可能的实现方式，进一步提供一种实现方式，通过环路控制，将流过所述高频开关工作的所述中间桥臂双向开关管的电流平均值控制为开通相的相电流，并在所述环路控制中加入所述开通相的相输入电压波形系数，以根据所述开通相的相输入电压波形系数实现所述开通相上的功率因数校正功能，其中，所述高频开关工作的所述中间桥臂双向开关管对应的相为所述开通相。
如上所述的方面和任一可能的实现方式，进一步提供一种实现方式，通过所述环路控制，将流过三组所述桥臂功率开关管上桥臂的所述电流平均值控制为第一关闭相的相电流，并在所述环路控制中加入所述第一关闭相的相输入电压波形系数，以根据所述第一关闭相的相输入电压波形系数实现所述第一关闭相上的所述功率因数校正功能；将流过三组所述桥臂功率开关管下桥臂的所述电流平均值控制为第二关闭相的相电流，并在所述环路控制中加入所述第二关闭相的相输入电压波形系数，以根据所述第二关闭相的相输入电压波形系数实现所述第二关闭相上的所述功率因数校正功能，其中，电压值最大的相为所述第一关闭相，电压值最小的相为所述第二关闭相。
如上所述的方面和任一可能的实现方式，进一步提供一种实现方式，三组所述桥臂功率开关管根据负载需求确定环路输出电压和/或环路输出电流，根据所述环路输出电压和/或所述环路输出电流得到三组所述桥臂功率开关管的开关频率，其中，当所述开关频率越小，所述AC/DC整流模块输出的功率越大。
如上所述的方面和任一可能的实现方式，进一步提供一种实现方式，所述DC/DC三相谐振模块包括三相谐振单元、三相隔离单元和三相整流滤波单元。
如上所述的方面和任一可能的实现方式，进一步提供一种实现方式，所述三相隔离单元包括三组变压器，三组所述变压器采用星型接法或三角形接法连接。
如上所述的方面和任一可能的实现方式，进一步提供一种实现方式，所述三相整流滤波单元每一相包括至少两组变压器绕组的输入，并通过继电器开关实现所述三相整流滤波单元的至少两组电能输出。
如上所述的方面和任一可能的实现方式，进一步提供一种实现方式，所述AC/DC三相整流单元为二极管或者为主动开关管。
第二方面，本申请实施例提供了一种电力设备，包括如第一方面所述的单级隔离电能变换电路。
在本申请实施例中，采用三相三线制输入以及独特设计的三相LLC谐振拓扑模式设计出一种新型单级型的电路拓扑。该新型单级型的电路拓扑采用三相交流输入电压源、AC/DC三相整流单元、三组中间桥臂双向开关管和三组桥臂功率开关管实现；其中，三组中间桥臂双向开关管分别与三相交流输入电压源的三相输出连接，且在单级隔离电能变换电路运行时，三组中间桥臂双向开关管切换进行高频开关工作，使得在一运行时刻上，存在一组中间桥臂双向开关管进行高频开关工作，这样，将三相交流输入电压源的三相输出直接与三组中间桥臂双向开关管连接上形成三相切换的高频开关控制。并且，利用与三组中间桥臂双向开关管分别三相连接的三组桥臂功率开关管，通过调控三组桥臂功率开关管的开关频率调控输出的电压/电流。相比目前采用的LLC拓扑结构，本申请采用的拓扑结构能够利用三组中间桥臂双向开关管的三相切换的高频开关控制，提供更大的功率等级、更宽的输出电压范围。
附图说明
为了更清楚地说明本申请实施例的技术方案，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性的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图。
图1是本申请实施例中一种单级隔离电能变换电路的示意图；
图2是本申请实施例中另一种单级隔离电能变换电路的示意图；
图3是本申请实施例中一种三相输入相电压的时序图；
图4是本申请实施例中一种单级隔离电能变换电路的输出串并联的示意图；
图5是本申请实施例中一种采用三角形接法的单级隔离电能变换电路的示意图；
图6是本申请实施例中一种采用三角形接法的单级隔离电能变换电路的输出串并联的示意图；
图7是本申请实施例中一种单级隔离电能变换电路采用主动开关管作为AC/DC三相整流单元的示意图。
具体实施方式
为了更好的理解本申请的技术方案，下面结合附图对本申请实施例进行详细描述。
应当明确，所描述的实施例仅仅是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，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它实施例，都属于本申请保护的范围。
在本申请实施例中使用的术语是仅仅出于描述特定实施例的目的，而非旨在限制本申请。在本申请实施例和所附权利要求书中所使用的单数形式的“一种”、“此”和“该”也旨在包括多数形式，除非上下文清楚地表示其他含义。
应当理解，本文中使用的术语“和/或”仅仅是一种描述关联对象的相同的字段，表示可以存在三种关系，例如，A和/或B，可以表示：单独存在A，同时存在A和B，单独存在B这三种情况。另外，本文中字符“/”，一般表示前后关联对象是一种“或”的关系。
应当理解，尽管在本申请实施例中可能采用术语第一、第二、第三等来描述预设范围等，但这些预设范围不应限于这些术语。这些术语仅用来将预设范围彼此区分开。例如，在不脱离本申请实施例范围的情况下，第一预设范围也可以被称为第二预设范围，类似地，第二预设范围也可以被称为第一预设范围。
取决于语境，如在此所使用的词语“如果”可以被解释成为“在……时”或“当……时”或“响应于确定”或“响应于检测”。类似地，取决于语境，短语“如果确定”或“如果检测（陈述的条件或事件）”可以被解释成为“当确定时”或“响应于确定”或“当检测（陈述的条件或事件）时”或“响应于检测（陈述的条件或事件）”。
本申请提供一种单级隔离电能变换电路，包括：
1：AC/DC整流模块和DC/DC三相谐振模块。
在一实施例中，单级隔离电能变换电路具体可包括两个部分，一个是将输入的交流电（AC）转换为直流电（DC）的AC/DC整流模块，一个是直流转直流（DC/DC），将直流电通过变压器（隔离）转换为负载所需直流电的DC/DC三相谐振模块。可以看到，单级隔离电能变换具体包括AC/DC和DC/DC两个过程。
1-1：AC/DC整流模块包括三相交流输入电压源、AC/DC三相整流单元、三组中间桥臂双向开关管和三组桥臂功率开关管。
在一实施例中，本申请的AC/DC整流模块在三相交流输入电压源的基础上，设置有对三相交流电进行整流的AC/DC三相整流单元，以及对三相交流电的输入进行调控的三组中间桥臂双向开关管和三组桥臂功率开关管。其中，每一组中间桥臂双向开关管具体可由两个高频的开关管组成，开关管具体可以是MOSFET管（Metal-Oxide-SemiconductorField-Effect Transistor，金属-氧化物半导体场效应晶体管）或IGBT管（Insulated GateBipolar Transistor，绝缘栅双极型晶体管）等开关管，在此不作限定。此外，一组中间桥臂双向开关管中的一开关管也可以是指由两个及以上具体的MOSFET管或IGBT管串联得到的开关管，应将中间桥臂双向开关管中的开关管视为一个整体的开关模块。同理，桥臂功率开关管的开关管组成参照中间桥臂双向开关管。本申请中，将根据该三组中间桥臂双向开关管和三组桥臂功率开关管为基础形成三相LLC谐振拓扑模式，得到一种新型单级型的电路拓扑。本申请将三相交流输入电压源的三相输出直接与三组中间桥臂双向开关管连接上形成三相切换的高频开关控制，并进一步通过与其连接的三组桥臂功率开关管实现电压/电流输出的调控。具体的电压/电流输出的调控实现方式，将在下文描述中给出。
1-1-1：三相交流输入电压源，用于输入三相交流电流，三相包括A相、B相和C相。
在一实施例中，为了方便对单级隔离电能变换电路进行描述，把三相交流电流的三相分别区分表述为A相、B相和C相。其中，A相并不限定表示三相中的具体某一相，而应表示为可以是三相中任一的一相，A相、B相和C相仅作为各相之间的区分。
1-1-2：AC/DC三相整流单元，用于对三相交流电流进行整流。
在一实施例中，AC/DC三相整流单元是将三相交流电流转换为三相直流电流的单元。
1-1-3：三组中间桥臂双向开关管。第一组中间桥臂双向开关管与A相连接，第二组中间桥臂双向开关管与B相连接，第三组中间桥臂双向开关管与C相连接，其中，在单级隔离电能变换电路运行时，三组中间桥臂双向开关管切换进行高频开关工作，在一运行时刻上，存在一组中间桥臂双向开关管进行高频开关工作。
在一实施例中，三组中间桥臂双向开关分别与A相、B相和C相连接。本申请中，中间桥臂双向开关为高频开关管，并且，在单级隔离电能变换电路运行期间切换进行高频开关工作，在一运行时刻上仅有一组中间桥臂双向开关管处于导通状态，另外两组中间桥臂双向开关管处于截至状态。这样，可以利用流经处于导通状态的中间桥臂双向开关管的电流进行功率因素校正，此时进行功率因素校正的为A相、B相或C相上的电流，并且，利用流经三组桥臂功率开关管的上桥臂和下桥臂的电流，可对其他两相进行功率因素校正。这样，中间桥臂双向开关在单级隔离电能变换电路运行期间，可针对各相进行功率因素校正，保证功率转换效率。
在一实施例中，在各相均能实现功率转换效率的基础上，本申请既实现了三组中间桥臂双向开关管的三相切换控制，还实现了每组中间桥臂双向开关管的高频开关工作状态。这与现有技术相比，本申请采用的三组中间桥臂双向开关管采用的高频开关工作状态（软开关）具有更大的功率调控空间，并且，结合三组中间桥臂双向开关管采用的三相切换控制，使得三相三线制输入模式下能够载入的功率进一步得到较大的提升，这为该单级隔离电能变换电路实现更大的功率等级、更宽的输出电压范围提供了重要的实现基础和前提。
需要说明的是，现有技术中采用的双向开关管仅能实现低频开关，并只输出无相位差的电流，缺少功率调控空间。本申请对此做出改进，在三相三线制输入的基础上设计了三相LLC谐振拓扑模式，三组中间桥臂双向开关管能够支持高频开关工作状态，并实现在三相电路上切换中间桥臂双向开关管导通和截至的切换控制方式，不仅支持各相上的功率因素校正，还大大提升了功率调控空间，可通过调节桥臂功率开关管的开关频率调控输出功率，实现更大的功率等级、更宽的输出电压范围。
此外，本申请的单级隔离电能变换电路不仅在同功率级别下能够显著提高电能转换效率，并且大幅减小了器件个数，有效降低电路成本，提升电能变换的功率密度。本申请在电路设计上不仅更加精简，还能够实现更大的功率等级、更宽的输出电压范围，具有较强的实用性，可推广应用到各电力设备中。
1-1-4：三组桥臂功率开关管，其中，第一组桥臂功率开关管的桥臂中点与第一组中间桥臂双向开关管连接，第二组桥臂功率开关管的桥臂中点与第二组中间桥臂双向开关管连接，第三组桥臂功率开关管的桥臂中点与第三组中间桥臂双向开关管连接。
在一实施例中，中间桥臂双向开关管连接有桥臂功率开关管，用户可根据负载输出的实际需求，对桥臂功率开关管的开关频率进行调控，其中，当开关频率越小时，电路的输出电压越高、输出电流越大，输入各相的电流幅值也会相应增大。
进一步地，当A相、B相或C相的相线电压为中间电压值时，中间电压值对应相的中间桥臂双向开关管进行高频开关工作。
在一实施例中，中间桥臂双向开关管的导通条件具体可以设置为相上的相线电压是否为中间电压值。在一时间周期内，各相的电压大小是呈现周期性交互变化的，本申请中，可将处于中间电压值的相作为开通相，这样，可以中间电压值的相为基础相进行功率因素校正，并结合其他相电流的流向，通过流过桥臂功率开关管的电流进行其他相上的功率因素校正。
进一步地，通过环路控制，将流过高频开关工作的中间桥臂双向开关管的电流平均值控制为开通相的相电流，并在环路控制中加入开通相的相输入电压波形系数，以根据开通相的相输入电压波形系数实现开通相上的功率因数校正功能，具体地，高频开关工作的中间桥臂双向开关管对应的相为开通相。
在一实施例中，根据流过高频开关工作的中间桥臂双向开关管的电流平均值可获知开通相上的电流情况，在负载需求的前提下，通过利用环路控制，可在环路控制中加入开通相的输入电压波形系数，使得开通相上输入电流有效跟随开通相上的输入电压，实现开通相上的功率因素校正。
进一步地，通过环路控制，将流过三组桥臂功率开关管上桥臂的电流平均值控制为第一关闭相的相电流，并在环路控制中加入第一关闭相的相输入电压波形系数，以根据第一关闭相的相输入电压波形系数实现第一关闭相上的功率因数校正功能；将流过三组桥臂功率开关管下桥臂的电流平均值控制为第二关闭相的相电流，并在环路控制中加入第二关闭相的相输入电压波形系数，以根据第二关闭相的相输入电压波形系数实现第二关闭相上的功率因数校正功能，其中，电压值最大的相为第一关闭相，电压值最小的相为第二关闭相。
在一实施例中，在以高频开关工作的中间桥臂双向开关管对应的相作为开通相时，第一关闭相和第二关闭相上的电流分别流经桥臂功率开关管上桥臂和桥臂功率开关管下桥臂，在负载需求的前提下，通过利用环路控制，可在环路控制中加入第一关闭相和第二关闭相的输入电压波形系数，使得第一关闭相和第二关闭相相上输入电流有效跟随输入电压，实现第一关闭相和第二关闭相相上的功率因素校正。
进一步地，三组桥臂功率开关管根据负载需求确定环路输出电压和/或环路输出电流，根据环路输出电压和/或环路输出电流得到三组桥臂功率开关管的开关频率，其中，当开关频率越小，AC/DC整流模块输出的功率越大。
在一实施例中，实际的负载需求如负载的电压/电流运行环境，确定了环路输出电压和/或环路输出电流，三组桥臂功率开关管的开关频率可通过输出电压环路和/或输出电流环路上确定的环路输出电压和/或环路输出电流计算得到三组桥臂功率开关管的开关频率，若需要AC/DC整流模块输出更高的电压或更大的电流，可通过调小桥臂功率开关管的开关频率的方式实现满足负载需求的环路输出电压和/或环路输出电流。
进一步地，DC/DC三相谐振模块包括三相谐振单元、三相隔离单元和三相整流滤波单元。
在一实施例中，三相谐振单元中具体可包括至少一个电感和至少一个电容，其中，电感和电容具体可以采用串联的方式连接，以实现相应的谐振效果。
进一步地，三相隔离单元包括三组变压器，三组变压器采用星型接法或三角形接法连接。
在一实施例中，中间桥臂双向开关管和桥臂功率开关管都是对三相电流进行处理，DC/DC三相谐振模块中的隔离单元具体采用的是三相隔离单元，该三相隔离单元具体可以是三组采用星型接法或三角形接法连接的三组变压器。
进一步地，三相整流滤波单元每一相包括至少两组变压器绕组的输入，并通过继电器开关实现三相整流滤波单元的至少两组电能输出。
在一实施例中，本申请可设计更大输出功率的单级电能变换电路，具体地，通过变压器多绕组设计，将三相整流滤波单元的输出分成两组，通过继电器开关可将两组输出进行串并联，从而进一步拓宽单级电能变换电路的输出电压范围以及输出电流能力。
进一步地，AC/DC三相整流单元具体可以包括二极管或者为主动开关管。
在一实施例中，AC/DC三相整流单元除了采用二级管外，还可以采用实现主动开关控制的主动开关管，具体可以是低频的开关管。主动开关管通过低频开关动作能够实现输入的低频同步整流设计，可进一步减小导通损耗，提高电能转换效率。
本申请的单级隔离电能变换电路，结合了三相三线制的输入电流和为零和三相LLC拓扑谐振腔的电流和为零的特点，通过单级型环路控制方法，可实现三组上下桥臂开关管的软开关谐振工作，也能实现中间桥臂开关管的软开关动作，能够大幅减少主电流回路上器件的个数，降低主功率电流回路上的开通损耗，并且能够提供更大的功率等级、更宽的输出电压范围。
以下通过结合图示，通过更多的实施方式对本申请的单级隔离电能变换电路进行说明。
图1是本申请实施例中一种单级隔离电能变换电路的示意图。如图1所示， Va、Vb、Vc为三相交流输入电压源，ia、ib、ic为三相输入电流。AC/DC三相整流单元为用于对三相交流电进行整流的单元。Q1、Q2组成A相连接的中间桥臂双向开关，Q3、Q4组成B相连接的中间桥臂双向开关，Q5、Q6组成C相连接的中间桥臂双向开关。Q11、Q12为A相桥臂的功率开关管，Q13、Q14为B相桥臂的功率开关管、Q15、Q16为C相桥臂的功率开关管。此外，该电路还包括DC/DC三相谐振模块、输出滤波电容器Cout，输出直流电压Vo+、Vo-。其中，Cout也可以作为元器件包含在DC/DC三相谐振模块之内，图示并不限定本电路可能的多种变换方式。
本电路拓扑中，Q1和Q2、Q3和Q4、Q5和Q6组成三组中间桥臂双向开关，连接到输入A、B、C三相，并且在各种连接的相线电压为中间值时高频开关工作，Q11和Q12、Q13和Q14、Q15和Q16组成三组桥臂，通过整体控制环路进行高频开关动作。
图2是本申请实施例中另一种单级隔离电能变换电路的示意图。
如图2所示，包括Va、Vb、Vc为三相交流输入电压源，ia、ib、ic为三相输入电流，D1、D2、D3、D4、D5、D6为三相整流二极管，Q1、Q2组成A相连接的中间桥臂双向开关，Q3、Q4组成B相连接的中间桥臂双向开关，Q5、Q6组成C相连接的中间桥臂双向开关，Q11、Q12为A相桥臂的功率开关管，Q13、Q14为B相桥臂的功率开关管、Q15、Q16为C相桥臂的功率开关管，Lr1为A相桥臂的谐振电感，Cr1为A相桥臂的谐振电容，Lr2为B相桥臂的谐振电感，Cr2为B相桥臂的谐振电容，Lr3为C相桥臂的谐振电感，Cr3为C相桥臂的谐振电容，T1、T2、T3为组成星形接法的主变压器，D11、D12、D13、D14、D15、D16为副边输出整流二极管，Cout为输出滤波电容器，Vo+、Vo-为输出直流电压。
本电路拓扑中，D1、D3、D5 二极管的阳极分别连接输入A、B、C三相，取出Va，Vb，Vc三相电压的最大值为VH，D2，D4，D6二极管的阴极分别连接输入A、B、C三相，取出Va，Vb，Vc三相电压的最小值为VL，Q1和Q2、Q3和Q4、Q5和Q6组成三组中间桥臂双向开关，连接到输入A、B、C三相，并且在各种连接的相线电压为中间值时高频开关工作，Q11和Q12、Q13和Q14、Q15和Q16组成三组桥臂，通过整体控制环路进行高频开关动作，Lr1和Cr1、Lr2和Cr2、Lr3和Cr三组成三组谐振腔，并且结合T1、T2、T3的星形接法组成类似三相LLC的拓扑结构。D11和D12、D13和D14、D15和D16组成三组整流滤波电路，实现三相星形接法的输出滤波。Cout为输出滤波电容，能够减小输出电压和输出电流纹波。
图3是本申请实施例中一种三相输入相电压的时序图。下面将进一步结合图3的三相输入相电压Va、Vb、Vc的时序波形，分别介绍本申请拓扑电路工作的12个工作模，以帮助理解本申请拓扑电路的运行原理，如图3所示：
t0-t1时段：相电压关系Vc>Va>0>Vb，此时根据相电压的大小关系可知D5、D4二极管为导通状态，D6、D3、D1、D2均为反向截止状态，即此时的VH等于Vc，VL等于Vb，Q3和Q4、Q5和Q6组成的两组双向开关处于常关状态，Q1、Q2组成的双向开关处于高频工作状态，流过Q1、Q2的电流平均值可通过环路控制为A相电流，并且在环路控制中加入A相输入电压波形系数，可以使得A相电流有效跟随A相输入电压，实现功率因数校正功能，Q11和Q12、Q13和Q14、Q15和Q16组成的三组LLC主控开关桥臂，均处于高频谐振开关工作状态，通过相应环路控制策略，流过Q11、Q13、Q15三路上桥臂的电流之和的平均值为C相输入电流，流过Q12、Q14、Q16三路下桥臂的电流之和的平均值为B相输入电流，在Q11、Q13、Q15的开关发波环路控制中加入C相输入电压波形系数，可以使得C相输入电流有效跟随C相输入电压，同时在Q12、Q14、Q16的开关发波环路控制中加入B相输入电压波形系数，可以使得B相输入电流有效跟随B相输入电压，实现功率因数校正。在三组桥臂开关发波的环路控制中，输出电压Vo的电压环和输出电流io取决于负载需求，根据输出带载情况引入环路计算，得到三桥臂的开关频率，当开关频率越小，输出电压越高，输出电流越大，输入各相的电流幅值也会相应增大。
t1-t2时段：相电压关系Va>Vc>0>Vb，此时D1、D4二极管为导通状态，D2、D3、D5、D6均为反向截止状态，即此时的VH等于Va，VL等于Vb，Q1和Q2、Q3和Q4组成的两组双向开关处于常关状态，Q5、Q6组成的双向开关处于高频工作状态，流过Q5、Q6的电流平均值可通过环路控制为C相电流，并且在环路控制中加入C相输入电压波形系数，可以使得C相电流有效跟随C相输入电压，实现功率因数校正功能，Q11和Q12、Q13和Q14、Q15和Q16组成的三组LLC主控开关桥臂，均处于高频谐振开关工作状态，通过相应环路控制策略，流过Q11、Q13、Q15三路上桥臂的电流之和的平均值为A相输入电流，流过Q12、Q14、Q16三路下桥臂的电流之和的平均值为B相输入电流，在Q11、Q13、Q15的开关发波环路控制中加入A相输入电压波形系数，可以使得A相输入电流有效跟随A相输入电压，同时在Q12、Q14、Q16的开关发波环路控制中加入B相输入电压波形系数，可以使得B相输入电流有效跟随B相输入电压，实现功率因数校正。在三组桥臂开关发波的环路控制中，输出电压Vo的电环和输出电流io取决于负载需求，根据输出带载情况引入环路计算，得到三桥臂的开关频率。
t2-t3时段：相电压关系Va>0>Vc>Vb，与t1-t2时段控制方式一样，存在差异在于C相电压从正变成负，C相的输入电流也会从输入正电流变成输入负电流。该时段中D1、D4二极管为导通状态，D2、D3、D5、D6均为反向截止状态，即此时的VH等于Va，VL等于Vb，Q1和Q2、Q3和Q4组成的两组双向开关处于常关状态，Q5、Q6组成的双向开关处于高频工作状态，流过Q5、Q6的电流平均值可通过环路控制为C相电流，并且在环路控制中加入C相输入电压波形系数，可以使得C相电流有效跟随C相输入电压，实现功率因数校正功能，Q11和Q12、Q13和Q14、Q15和Q16组成的三组LLC主控开关桥臂，均处于高频谐振开关工作状态，通过相应环路控制策略，流过Q11、Q13、Q15三路上桥臂的电流之和的平均值为A相输入电流，流过Q12、Q14、Q16三路下桥臂的电流之和的平均值为B相输入电流，在Q11、Q13、Q15的开关发波环路控制中加入A相输入电压波形系数，可以使得A相输入电流有效跟随A相输入电压，同时在Q12、Q14、Q16的开关发波环路控制中加入B相输入电压波形系数，可以使得B相输入电流有效跟随B相输入电压，实现功率因数校正。在三组桥臂开关发波的环路控制中，输出电压Vo的电环和输出电流io取决于负载需求，根据输出带载情况引入环路计算，得到三桥臂的开关频率。
t3-t4时段：相电压关系Va>0>Vb>Vc，此时D1、D6二极管为导通状态，D2、D3、D4、D5均为反向截止状态，即此时的VH等于Va，VL等于Vc，Q1和Q2、Q5和Q6组成的两组双向开关处于常关状态，Q3、Q4组成的双向开关处于高频工作状态，流过Q3、Q4的电流平均值可通过环路控制为B相电流，并且在环路控制中加入B相输入电压波形系数，可以使得B相电流有效跟随B相输入电压，实现功率因数校正功能，Q11和Q12、Q13和Q14、Q15和Q16组成的三组LLC主控开关桥臂，均处于高频谐振开关工作状态，通过相应环路控制策略，流过Q11、Q13、Q15三路上桥臂的电流之和的平均值为A相输入电流，流过Q12、Q14、Q16三路下桥臂的电流之和的平均值为C相输入电流，在Q11、Q13、Q15的开关发波环路控制中加入A相输入电压波形系数，可以使得A相输入电流有效跟随A相输入电压，同时在Q12、Q14、Q16的开关发波环路控制中加入C相输入电压波形系数，可以使得C相输入电流有效跟随C相输入电压，实现功率因数校正。在三组桥臂开关发波的环路控制中，输出电压Vo的电环和输出电流io取决于负载需求，根据输出带载情况引入环路计算，得到三桥臂的开关频率。
t4-t5时段：相电压关系Va>Vb>0>Vc，与t3-t4时段控制方式一样，存在差异在于B相电压从负变成正，B相的输入电流也会从输入负电流变成输入正电流。该时段中D1、D6二极管为导通状态，D2、D3、D4、D5均为反向截止状态，即此时的VH等于Va，VL等于Vc，Q1和Q2、Q5和Q6组成的两组双向开关处于常关状态，Q3、Q4组成的双向开关处于高频工作状态，流过Q3、Q4的电流平均值可通过环路控制为B相电流，并且在环路控制中加入B相输入电压波形系数，可以使得B相电流有效跟随B相输入电压，实现功率因数校正功能，Q11和Q12、Q13和Q14、Q15和Q16组成的三组LLC主控开关桥臂，均处于高频谐振开关工作状态，通过相应环路控制策略，流过Q11、Q13、Q15三路上桥臂的电流之和的平均值为A相输入电流，流过Q12、Q14、Q16三路下桥臂的电流之和的平均值为C相输入电流，在Q11、Q13、Q15的开关发波环路控制中加入A相输入电压波形系数，可以使得A相输入电流有效跟随A相输入电压，同时在Q12、Q14、Q16的开关发波环路控制中加入C相输入电压波形系数，可以使得C相输入电流有效跟随C相输入电压，实现功率因数校正。在三组桥臂开关发波的环路控制中，输出电压Vo的电环和输出电流io取决于负载需求，根据输出带载情况引入环路计算，得到三桥臂的开关频率。
t5-t6时段：相电压关系Vb>Va>0>Vc，此时D3、D6二极管为导通状态，D1、D2、D4、D5均为反向截止状态，即此时的VH等于Vb，VL等于Vc，Q3和Q4、Q5和Q6组成的两组双向开关处于常关状态，Q1、Q2组成的双向开关处于高频工作状态，流过Q1、Q2的电流平均值可通过环路控制为A相电流，并且在环路控制中加入A相输入电压波形系数，可以使得A相电流有效跟随A相输入电压，实现功率因数校正功能，Q11和Q12、Q13和Q14、Q15和Q16组成的三组LLC主控开关桥臂，均处于高频谐振开关工作状态，通过相应环路控制策略，流过Q11、Q13、Q15三路上桥臂的电流之和的平均值为B相输入电流，流过Q12、Q14、Q16三路下桥臂的电流之和的平均值为C相输入电流，在Q11、Q13、Q15的开关发波环路控制中加入B相输入电压波形系数，可以使得B相输入电流有效跟随B相输入电压，同时在Q12、Q14、Q16的开关发波环路控制中加入C相输入电压波形系数，可以使得C相输入电流有效跟随C相输入电压，实现功率因数校正。在三组桥臂开关发波的环路控制中，输出电压Vo的电环和输出电流io取决于负载需求，根据输出带载情况引入环路计算，得到三桥臂的开关频率。
t6-t7时段：相电压关系Vb>0>Va>Vc，与t5-t6时段控制方式一样，存在差异在于A相电压从正变成负，B相的输入电流也会从输入正电流变成输入负电流。该时段中D3、D6二极管为导通状态，D1、D2、D4、D5均为反向截止状态，即此时的VH等于Vb，VL等于Vc，Q3和Q4、Q5和Q6组成的两组双向开关处于常关状态，Q1、Q2组成的双向开关处于高频工作状态，流过Q1、Q2的电流平均值可通过环路控制为A相电流，并且在环路控制中加入A相输入电压波形系数，可以使得A相电流有效跟随A相输入电压，实现功率因数校正功能，Q11和Q12、Q13和Q14、Q15和Q16组成的三组LLC主控开关桥臂，均处于高频谐振开关工作状态，通过相应环路控制策略，流过Q11、Q13、Q15三路上桥臂的电流之和的平均值为B相输入电流，流过Q12、Q14、Q16三路下桥臂的电流之和的平均值为C相输入电流，在Q11、Q13、Q15的开关发波环路控制中加入B相输入电压波形系数，可以使得B相输入电流有效跟随B相输入电压，同时在Q12、Q14、Q16的开关发波环路控制中加入C相输入电压波形系数，可以使得C相输入电流有效跟随C相输入电压，实现功率因数校正。在三组桥臂开关发波的环路控制中，输出电压Vo的电环和输出电流io取决于负载需求，根据输出带载情况引入环路计算，得到三桥臂的开关频率。
t7-t8时段：相电压关系Vb>0>Vc>Va，此时D3、D2二极管为导通状态，D1、D4、D5、D6均为反向截止状态，即此时的VH等于Vb，VL等于Va，Q1和Q2、Q3和Q4组成的两组双向开关处于常关状态，Q5、Q6组成的双向开关处于高频工作状态，流过Q5、Q6的电流平均值可通过环路控制为C相电流，并且在环路控制中加入C相输入电压波形系数，可以使得C相电流有效跟随C相输入电压，实现功率因数校正功能，Q11和Q12、Q13和Q14、Q15和Q16组成的三组LLC主控开关桥臂，均处于高频谐振开关工作状态，通过相应环路控制策略，流过Q11、Q13、Q15三路上桥臂的电流之和的平均值为B相输入电流，流过Q12、Q14、Q16三路下桥臂的电流之和的平均值为A相输入电流，在Q11、Q13、Q15的开关发波环路控制中加入B相输入电压波形系数，可以使得B相输入电流有效跟随B相输入电压，同时在Q12、Q14、Q16的开关发波环路控制中加入A相输入电压波形系数，可以使得A相输入电流有效跟随A相输入电压，实现功率因数校正。在三组桥臂开关发波的环路控制中，输出电压Vo的电环和输出电流io取决于负载需求，根据输出带载情况引入环路计算，得到三桥臂的开关频率。
t8-t9时段：相电压关系Vb>Vc>0>Va，与t7-t8时段控制方式一样，存在差异在于C相电压从负变成正，C相的输入电流也会从输入负电流变成输入正电流。该时段中，D3、D2二极管为导通状态，D1、D4、D5、D6均为反向截止状态，即此时的VH等于Vb，VL等于Va，Q1和Q2、Q3和Q4组成的两组双向开关处于常关状态，Q5、Q6组成的双向开关处于高频工作状态，流过Q5、Q6的电流平均值可通过环路控制为C相电流，并且在环路控制中加入C相输入电压波形系数，可以使得C相电流有效跟随C相输入电压，实现功率因数校正功能，Q11和Q12、Q13和Q14、Q15和Q16组成的三组LLC主控开关桥臂，均处于高频谐振开关工作状态，通过相应环路控制策略，流过Q11、Q13、Q15三路上桥臂的电流之和的平均值为B相输入电流，流过Q12、Q14、Q16三路下桥臂的电流之和的平均值为A相输入电流，在Q11、Q13、Q15的开关发波环路控制中加入B相输入电压波形系数，可以使得B相输入电流有效跟随B相输入电压，同时在Q12、Q14、Q16的开关发波环路控制中加入A相输入电压波形系数，可以使得A相输入电流有效跟随A相输入电压，实现功率因数校正。在三组桥臂开关发波的环路控制中，输出电压Vo的电环和输出电流io取决于负载需求，根据输出带载情况引入环路计算，得到三桥臂的开关频率。
t9-t10时段：相电压关系Vc>Vb>0>Va，此时D5、D2二极管为导通状态，D1、D3、D4、D6均为反向截止状态，即此时的VH等于Vc，VL等于Va，Q1和Q2、Q5和Q6组成的两组双向开关处于常关状态，Q3、Q4组成的双向开关处于高频工作状态，流过Q3、Q4的电流平均值可通过环路控制为B相电流，并且在环路控制中加入B相输入电压波形系数，可以使得B相电流有效跟随B相输入电压，实现功率因数校正功能，Q11和Q12、Q13和Q14、Q15和Q16组成的三组LLC主控开关桥臂，均处于高频谐振开关工作状态，通过相应环路控制策略，流过Q11、Q13、Q15三路上桥臂的电流之和的平均值为C相输入电流，流过Q12、Q14、Q16三路下桥臂的电流之和的平均值为A相输入电流，在Q11、Q13、Q15的开关发波环路控制中加入C相输入电压波形系数，可以使得C相输入电流有效跟随C相输入电压，同时在Q12、Q14、Q16的开关发波环路控制中加入A相输入电压波形系数，可以使得A相输入电流有效跟随A相输入电压，实现功率因数校正。在三组桥臂开关发波的环路控制中，输出电压Vo的电环和输出电流io取决于负载需求，根据输出带载情况引入环路计算，得到三桥臂的开关频率。
t10-t11时段：相电压关系Vc>0>Vb>Va，与t9-t10时段控制方式一样，存在差异在于B相电压从正变成负，B相的输入电流也会从输入正电流变成输入负电流。该时段中，D5、D2二极管为导通状态，D1、D3、D4、D6均为反向截止状态，即此时的VH等于Vc，VL等于Va，Q1和Q2、Q5和Q6组成的两组双向开关处于常关状态，Q3、Q4组成的双向开关处于高频工作状态，流过Q3、Q4的电流平均值可通过环路控制为B相电流，并且在环路控制中加入B相输入电压波形系数，可以使得B相电流有效跟随B相输入电压，实现功率因数校正功能，Q11和Q12、Q13和Q14、Q15和Q16组成的三组LLC主控开关桥臂，均处于高频谐振开关工作状态，通过相应环路控制策略，流过Q11、Q13、Q15三路上桥臂的电流之和的平均值为C相输入电流，流过Q12、Q14、Q16三路下桥臂的电流之和的平均值为A相输入电流，在Q11、Q13、Q15的开关发波环路控制中加入C相输入电压波形系数，可以使得C相输入电流有效跟随C相输入电压，同时在Q12、Q14、Q16的开关发波环路控制中加入A相输入电压波形系数，可以使得A相输入电流有效跟随A相输入电压，实现功率因数校正。在三组桥臂开关发波的环路控制中，输出电压Vo的电环和输出电流io取决于负载需求，根据输出带载情况引入环路计算，得到三桥臂的开关频率。
t11-t12时段：相电压关系Vc>0>Va>Vb，与t0-t1时段控制方式一样，存在差异在于A相电压从正变成负，A相的输入电流也会从输入正电流变成输入负电流。该时段中，D5、D4为二极管导通状态，D6、D3、D1、D2均为反向截止状态，即此时的VH等于Vc，VL等于Vb，Q3和Q4、Q5和Q6组成的两组双向开关处于常关状态，Q1、Q2组成的双向开关处于高频工作状态 ，流过Q1、Q2的电流平均值可通过环路控制为A相电流，并且在环路控制中加入A相输入电压波形系数，可以使得A相电流有效跟随A相输入电压，实现功率因数校正功能，Q11和Q12、Q13和Q14、Q15和Q16组成的三组LLC主控开关桥臂，均处于高频谐振开关工作状态，通过相应环路控制策略，流过Q11、Q13、Q15三路上桥臂的电流之和的平均值为C相输入电流，流过Q12、Q14、Q16三路下桥臂的电流之和的平均值为B相输入电流，在Q11、Q13、Q15的开关发波环路控制中加入C相输入电压波形系数，可以使得C相输入电流有效跟随C相输入电压，同时在Q12、Q14、Q16的开关发波环路控制中加入B相输入电压波形系数，可以使得B相输入电流有效跟随B相输入电压，实现功率因数校正。在三组桥臂开关发波的环路控制中，输出电压Vo的电压环和输出电流io取决于负载需求，根据输出带载情况引入环路计算，得到三桥臂的开关频率。
图4是本申请实施例中一种单级隔离电能变换电路的输出串并联的示意图。
本申请中，通过主变压器多绕组设计，将总输出直流电压设置为由第一输出直流电压和第二输出直流电压两组输出单元得到，通过继电开关S1、S2、S3，可以将第一输出直流电压和第二输出直流电压两组输出单元进行串并联，当S1闭合，S2、S3断开时，实现输出第一输出直流电压和第二输出直流电压串联工作，此时总输出直流电压为两路输出直流电压之和；当S1断开，S2、S3闭合时，实现第一输出直流电压和第二输出直流电压并联工作，此时总输出直流电流为两路电流之和。该输出串并联设计能够进一步拓宽单级隔离电能变换电路的输出电压范围以及输出电流能力。进一步地，如图4所示，在第一输出直流电压的输出单元分组中，包括该分组中作为副边输出整流二极管的D11、D12、D13、D14、D15、D16，以及该分组上设置的第一输出滤波电容器Co1；在第二输出直流电压的输出单元分组中，包括该分组中作为副边输出整流二极管的D21、D22、D23、D24、D25、D26，以及该分组上设置的第二输出滤波电容器Co2；总输出直流电压上对应设置有第三输出滤波电容器Co3。
图5是本申请实施例中一种采用三角形接法的单级隔离电能变换电路的示意图。
本申请设计的拓扑可以将三相LLC的主变压器的接法，从星形接法变形设计为三角形接法，如图5所示，通过更改主变原边和副边的输出绕组的三角形接法同样可以实现单级隔离电能变换电路的上述功能。
图6是本申请实施例中一种采用三角形接法的单级隔离电能变换电路的输出串并联的示意图。类似地，如图6所示，本申请也可以对三角形接法的主变压器设计为两组输出，通过继电开关进行串并联。这样能够实现更宽输出电压和更大输出电流。
图7是本申请实施例中一种单级隔离电能变换电路采用主动开关管作为AC/DC三相整流单元的示意图。如图7所示，本申请设计的三相LLC谐振拓扑可以将输入端的二极管D1/D2/D3/D4/D5/D6设计为主动开关器件QD1/QD2/QD3/QD4/QD5/QD6。
在一实施例中，下面以时段t0-t1为例进一步说明主动低频同步整流的控制方法：采样输入相电压关系Vc>Va>0>Vb，此时QD5、QD4开关管驱动置高电平，QD5、QD4处于导通状态，QD6、QD3、QD1、QD2开关管置低电平，QD6、QD3、QD1、QD2处于反向截止状态，直到进入下一个时段，根据输入电压的关系进行低频开关动作。本实施例中，通过在每个时段的低频开关动作，能够实现输入的低频同步整流设计，从而进一步减小二极管的导通损耗，提高电能转换效率。
本申请还提供一种电力设备，该电力设备具体可以是电动汽车、储能系统和高频电力装置等。该电力设备包括如上述实施例提及的单级隔离电能变换电路，例如，在电动汽车充电电源、储能系统模块电源和高频电力装置等电力设备的电力电源中采用该单级隔离电能变换电路作为实现大功率、高功率转换率的基础结构。
在本申请实施例中，采用三相三线制输入以及独特设计的三相LLC谐振拓扑模式设计出一种新型单级型的电路拓扑。该新型单级型的电路拓扑采用三相交流输入电压源、AC/DC三相整流单元、三组中间桥臂双向开关管和三组桥臂功率开关管实现；其中，三组中间桥臂双向开关管分别与三相交流输入电压源的三相输出连接，且在单级隔离电能变换电路运行时，三组中间桥臂双向开关管切换进行高频开关工作，使得在一运行时刻上，存在一组中间桥臂双向开关管进行高频开关工作，这样，将三相交流输入电压源的三相输出直接与三组中间桥臂双向开关管连接上形成三相切换的高频开关控制。并且，利用与三组中间桥臂双向开关管分别三相连接的三组桥臂功率开关管，通过调控三组桥臂功率开关管的开关频率调控输出的电压/电流。相比目前采用的LLC拓扑结构，本申请采用的拓扑结构能够利用三组中间桥臂双向开关管的三相切换的高频开关控制，提供更大的功率等级、更宽的输出电压范围。
应理解，以上述单级隔离电能变换电路作为基础所实施的方案及产品，都应落入到本申请的保护范围之内。
所属领域的技术人员可以清楚地了解到，为了描述的方便和简洁，仅以上述各功能单元、模块的划分进行举例说明，实际应用中，可以根据需要而将上述功能分配由不同的功能单元、模块完成，即将装置的内部结构划分成不同的功能单元或模块，以完成以上描述的全部或者部分功能。
以上实施例仅用以说明本申请的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本申请进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本申请各实施例技术方案的精神和范围，均应包含在本申请的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种单级隔离电能变换电路，其特征在于，包括：
AC/DC整流模块和DC/DC三相谐振模块，所述AC/DC整流模块包括三相交流输入电压源、AC/DC三相整流单元、三组中间桥臂双向开关管和三组桥臂功率开关管；
所述三相交流输入电压源，用于输入三相交流电流，所述三相包括A相、B相和C相；
所述AC/DC三相整流单元，用于对所述三相交流电流进行整流；
三组所述中间桥臂双向开关管，其中，第一组所述中间桥臂双向开关管与所述A相连接，第二组所述中间桥臂双向开关管与所述B相连接，第三组所述中间桥臂双向开关管与所述C相连接，其中，在所述单级隔离电能变换电路运行时，三组所述中间桥臂双向开关管切换进行高频开关工作，在一运行时刻上，存在一组所述中间桥臂双向开关管进行所述高频开关工作；
三组所述桥臂功率开关管，其中，第一组所述桥臂功率开关管的桥臂中点与所述第一组所述中间桥臂双向开关管连接，第二组所述桥臂功率开关管的桥臂中点与所述第二组所述中间桥臂双向开关管连接，第三组所述桥臂功率开关管的桥臂中点与所述第三组所述中间桥臂双向开关管连接。
2.根据权利要求1所述的电路，其特征在于，当所述A相、所述B相或所述C相的相线电压为中间电压值时，所述中间电压值对应相的所述中间桥臂双向开关管进行所述高频开关工作。
3.根据权利要求1所述的电路，其特征在于，通过环路控制，将流过所述高频开关工作的所述中间桥臂双向开关管的电流平均值控制为开通相的相电流，并在所述环路控制中加入所述开通相的相输入电压波形系数，以根据所述开通相的相输入电压波形系数实现所述开通相上的功率因数校正功能，其中，所述高频开关工作的所述中间桥臂双向开关管对应的相为所述开通相。
4.根据权利要求3所述的电路，其特征在于，通过所述环路控制，将流过三组所述桥臂功率开关管上桥臂的所述电流平均值控制为第一关闭相的相电流，并在所述环路控制中加入所述第一关闭相的相输入电压波形系数，以根据所述第一关闭相的相输入电压波形系数实现所述第一关闭相上的所述功率因数校正功能；将流过三组所述桥臂功率开关管下桥臂的所述电流平均值控制为第二关闭相的相电流，并在所述环路控制中加入所述第二关闭相的相输入电压波形系数，以根据所述第二关闭相的相输入电压波形系数实现所述第二关闭相上的所述功率因数校正功能，其中，电压值最大的相为所述第一关闭相，电压值最小的相为所述第二关闭相。
5.根据权利要求1所述的电路，其特征在于，三组所述桥臂功率开关管根据负载需求确定环路输出电压和/或环路输出电流，根据所述环路输出电压和/或所述环路输出电流得到三组所述桥臂功率开关管的开关频率，其中，当所述开关频率越小，所述AC/DC整流模块输出的功率越大。
6.根据权利要求1所述的电路，其特征在于，所述DC/DC三相谐振模块包括三相谐振单元、三相隔离单元和三相整流滤波单元。
7.根据权利要求6所述的电路，其特征在于，所述三相隔离单元包括三组变压器，三组所述变压器采用星型接法或三角形接法连接。
8.根据权利要求6所述的电路，其特征在于，所述三相整流滤波单元每一相包括至少两组变压器绕组的输入，并通过继电器开关实现所述三相整流滤波单元的至少两组电能输出。
9.根据权利要求1-8任一项所述的电路，其特征在于，所述AC/DC三相整流单元包括二极管或者主动开关管。
10.一种电力设备，其特征在于，包括如权利要求1-9任一项所述的单级隔离电能变换电路。
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