CN201846235U - 一种功率变换系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型提供一种功率变换系统，包括功率因数校正电路、与所述功率因数校正电路耦合的DC/DC变换电路，所述DC/DC变换电路包括第一DC/DC变换电路和与所述第一DC/DC变换电路并联的第二DC/DC变换电路，其特征在于：所述第一DC/DC变换电路包括第一谐振电路，和与所述第一谐振电路耦合的第一整流电路，所述第一谐振电路包括第一谐振电感；所述第二DC/DC变换电路包括第二谐振电路和与所述第二谐振电路耦合的第二整流电路，所述第二谐振电路包括第二谐振电感；其中，所述第一谐振电感与所述第二谐振电感共用磁芯，组成双绕组集成、解耦储能式电感。本实用新型具有磁芯利用率高、输出电流纹波小、谐振参数差异小的优点。

Description

一种功率变换系统

技术领域

本实用新型涉及一种功率变换系统。

背景技术

如图1所示，专利文件WO2009/028954A1公开了的一种功率变换器，但此技术方案存在以下两个问题：

1.无桥PFC(功率因数校正电路)电感的磁芯利用率不足。AC输入正半周时电感Lb1流过电流，电感Lb2中无电流；AC输入负半周时电感Lb2流过电流，电感Lb1中无电流。

2.输出滤波电容的纹波电流有效值比较大，在输出电流大的场合不是很适应。例如，输出电流为Iout＝100A，Ip为流过整流开关的电流峰值，那么输出滤波电容的纹波电流有效值为：

$\mathrm{Ir}=\sqrt{\frac{1}{\mathrm{\π}}{\∫}_0^{\mathrm{\π}}{(\mathrm{Ip}\sin t-\mathrm{Iout})}^2\mathrm{dt}}$ Ir＝48.24

其输出侧电流波形如图2所示。

另外，现有技术中，DC/DC部分采用两个谐振变换器并联的结构时，两个谐振变换器的谐振参数容易存在差异，两路电流不均衡，当谐振参数差异较大时，甚至出现一个谐振变换器不往副边传递功率的情况。

实用新型内容

针对上述技术问题，本实用新型提供一种功率变换系统，具有输出电流纹波小，并联谐振变换器谐振参数一致，电感磁芯利用率高的优点。

本实用新型的技术问题通过以下技术手段予以实现：一种功率变换系统，包括功率因数校正电路、与所述功率因数校正电路耦合的DC/DC变换电路，所述DC/DC变换电路包括第一DC/DC变换电路和与所述第一DC/DC变换电路并联的第二DC/DC变换电路，其中：所述第一DC/DC变换电路包括第一谐振电路，和与所述第一LLC谐振电路耦合的第一整流电路，所述第一谐振电路包括第一谐振电感；所述第二DC/DC变换电路包括第二谐振电路和与所述第二谐振电路耦合的第二整流电路，所述第二谐振电路包括第二谐振电感；所述第一谐振电感与所述第二谐振电感共用磁芯，组成双绕组集成、解耦储能式电感。

优选地，所述第一谐振电感Lr1包括第一绕组NA1和与所述第一绕组NA1串联的第二绕组NA2，所述第一绕组NA1与所述第二绕组NA2匝数相同；所述第二谐振电感Lr2包括第三绕组NB1和与所述第三绕组NB1串联的第四绕组NB2，所述第三绕组NB1与所述第四绕组NB2匝数相同；所述磁芯包括第一磁芯和第二磁芯；所述第一绕组NA1与所述第三绕组NB1分别绕于所述第一磁芯的两侧且绕向相同；所述第二绕组NA2与所述第四绕组NB2分别绕于所述第二磁芯的两侧且绕向相反。

采用上述结构时，在双绕组集成、解耦储能式电感中，当第一谐振电感Lr1有电流流过时，其在第二谐振电感Lr2的两个绕组NB1、NB2中的感应电流大小相同，方向相反；同理当第二谐振电感Lr2有电流流过时，其在第一谐振电感Lr1的两个绕组NA1、NA2中的感应电流大小相同，方向相反。因此两个谐振电压在工作时类似于两个独立的电感。

优选地，所述功率因数校正电路包括：输入端与交流电连接第一电感(Lb1)和第二电感(Lb2)；其中，所述第一电感(Lb1)与所述第二电感(Lb2)共用磁芯，组成双绕组集成、解耦储能式电感。本优选方案，在PFC电路中采用双绕组集成、解耦储能式电感，无论AC输入工作于正半周或负半周，被第一电感(Lb1)与所述第二电感(Lb2)共用的磁芯均处于工作状态，因此相比于现有技术，提高了PFC电路中磁芯的利用率。

进一步，所述第一电感(Lb1)包括第五绕组和与所述第五绕组串联的第六绕组，所述第五绕组与所述第六绕组匝数相同；所述第二电感(Lb2)包括第七绕组和与所述第七绕组串联的第八绕组，所述第七绕组与所述第八绕组匝数相同；

所述磁芯包括第三磁芯和第四磁芯；所述第五绕组与所述第七绕组分别绕于所述第三磁芯的两侧且绕向相同；所述第六绕组与所述第八绕组分别绕于所述第四磁芯的两侧且绕向相反。

由于将两路并联的DC/DC电路中谐振电路的电感集成形成双绕组集成、解耦储能式电感，共用两个磁芯，一方面，与现有技术的两路谐振电路的谐振电感各自采用独立的磁芯相比，本实用新型的两个磁芯同时为两个谐振电感所利用，提高了磁芯利用率(在谐振电感所需磁通相同的情况下，本实用新型的两个磁芯的体积要明显小于现有技术中的两个独立磁芯)；另一方面，与分别使用不同的磁芯相比，本实用新型的两路谐振电路的电感共用两个磁芯，且在两个磁芯上的线圈匝数也分别相同，因此两路谐振电路的电感具有相同的电学参数，从而减小了两路谐振电路因两路谐振电感的电学参数不同而造成的谐振参数差异。

附图说明

图1是现有技术实施例的结构示意图；

图2是现有技术实施例的输出纹波电流示意图；

图3是本实用新型具体实施方式一的电路结构框图；

图4是本实用新型具体实施方式一的电路结构图；

图5是本实用新型具体实施方式一的双绕组集成、解耦储能式电感的结构示意图；

图6是本实用新型具体实施方式一的输出电流波形图；

图7是本实用新型具体实施方式二的DC/DC电路的电路结构图；

图8是本实用新型具体实施方式三的DC/DC电路的电路结构图；

图9是本实用新型具体实施方式四的DC/DC电路的电路结构图；

图10是本实用新型具体实施方式五的功率因数校正电路的电路结构图；

图11是本实用新型具体实施方式六的功率因数校正电路的电路结构图。

具体实施方式

具体实施方式一

如图3所示，一种功率变换系统，包括功率因数校正电路、与所述功率因数校正电路耦合的DC/DC变换电路，该DC/DC变换电路包括第一DC/DC变换电路和与所述第一DC/DC变换电路并联的第二DC/DC变换电路，所述第一DC/DC变换电路包括第一谐振电路，和与所述第一谐振电路耦合的第一整流电路，第一谐振电路包括第一谐振电感；所述第二DC/DC变换电路包括第二谐振电路和与所述第二LLC谐振电路耦合的第二整流电路，所述第二谐振电路包括第二谐振电感；

其中，所述第一谐振电感与所述第二谐振电感共用磁芯，组成双绕组集成、解耦储能式电感。

下面结合附图4对本实施方式的DC/DC电路部分的具体元件及连接结构进行详细描述：

第一谐振电路包括第三开关S3、第四开关S4、第一电容Cr1和第二电容Cr2组成的第一开关电路；第三开关S3的两端分别与第四开关S4的第一端、功率因数校正电路的第一输出端相连，第四开关S4的第二端与功率因数校正电路的第二输出端相连；第一电容Cr1的两端分别和第二电容Cr2的第一端、功率因数校正电路的第一输出端相连，第二电容Cr2的第二端与功率因数校正电路的第二输出端相连；第三开关S3和第四开关S4的连接端与第一隔离变压器T1的初级线圈的第一端相连，第一隔离变压器T1的初级线圈的第二端与所述第一谐振电感Lr1的第一端相连(实践中变压器T1的副边也可以通过一个电感Lm1与谐振电路耦合)，第一谐振电感的第二端与第一电容Cr1和第二电容Cr2的连接端相连；

第二谐振电路包括第五开关S5、第六开关S6、第三电容Cr3和第四电容Cr4组成的第二开关电路；第五开关S5的两端分别与第六开关S6的第一端、功率因数校正电路的第一输出端相连，第六开关S6的第二端与功率因数校正电路的第二输出端相连；第三电容Cr3的两端分别和第四电容Cr4的第一端、功率因数校正电路的第一输出端相连，第四电容Cr4的第二端与功率因数校正电路的第二输出端相连；第五开关S5和第六开关S6的连接端与第二隔离变压器T2的初级线圈的第一端相连，第二隔离变压器T2的初级线圈的第二端与第二谐振电感的第一端相连(实践中变压器T2的副边也可以通过一个电感Lm2与谐振电路耦合)，第二谐振电感的第二端与第三电容Cr3和第四电容Cr4的连接端相连。

其中，如图5所示，第一谐振电感Lr1包括第一绕组NA1和与第一绕组串联的第二绕组NA2，第一绕组NA1与第二绕组NA2匝数相同；第二谐振电感Lr2包括第三绕组NB1和与第三绕组串联的第四绕组NB2，第三绕组NB1与第四绕组NB2匝数相同；

第一谐振电感Lr1和第二谐振电感Lr2使用共同的环形第一磁芯和第二磁芯；第一绕组NA1与第三绕组NB1分别绕于第一磁芯的两侧且绕向相同；第二绕组NA2与第四绕组NB2分别绕于所述第二磁芯的两侧且绕向相反。

下面再结合附图4对本实施方式的功率因数校正电路(PFC电路)的具体元件组成和连接关系进行详细描述：功率因数校正电路包括：第一电感Lb1、第二电感Lb2、第一二极管D1、第二二极管D2、第一开关S1、第二开关S2和第五电容C5，还包括：第三二级管D3和第四二极管D4；其中，

第一二极管D1的正极与第一开关S1的第一端相连、负极与第五电容C5的一端相连，第五电容C5的第二端与第一开关S1的第二端相连；第二二极管D2的正极与第二开关S2的第一端相连、负极与第五电容C5的第一端相连，第五电容C5的第二端还与第二开关S2的第二端相连；第一电感Lb1的第一端为一交流电输入端，第二端与所述第一二极管D1的正极和第一开关S1的连接端相连；第二电感Lb2的第一端为另一交流电输入端，第二端与第二二极管D2的正极和第二开关S2的连接端相连；第三二级管D3的负极与第一电感Lb1的第一相连、正极与第一开关S1与第五电容C5的连接端相连；第四二极管D4的负极与第二电感Lb2的第一相连、正极与第一开关S1和第五电容C5的连接端相连；其中的第一电感Lb1与第二电感Lb2共用相同的磁芯组成双绕组集成、解耦储能式电感，该双绕组集成、解耦储能式电感与前述的第一谐振电感和第二谐振电感所组成双绕组集成、解耦储能式电感Lr800具有相同的结构，其具体结构描述如下：

第一电感Lb1包括第五绕组和与第五绕组串联的第六绕组，第五绕组与第六绕组匝数相同；第二电感包括第七绕组和与第七绕组串联的第八绕组，第七绕组与第八绕组匝数相同；

第一电感Lb1与第二电感Lb2共用相同的磁芯，该磁芯包括第三磁芯和第四磁芯；第五绕组与第七绕组分别绕于第三磁芯的两侧且绕向相同；第六绕组与第八绕组分别绕于第四磁芯的两侧且绕向相反。

本实施方式的整流电路和输出电路如图4所示，为现有技术中常用的电路。

本实施方式的功率变换系统工作时，并联的第一DC/DC电路与第二DC/DC电路以相同频率错相90度工作，以降低输出纹波电流。例如：在输出电流为Iout＝100A时，并联后输出滤波电容的纹波电流有效值Ir为：

$\mathrm{Ir}=\sqrt{\frac{2}{\mathrm{\π}}{\∫}_0^{\frac{\mathrm{\π}}{2}}{(\mathrm{Ip}\sin t+\mathrm{Ip}\cos t-\mathrm{Iout})}^2\mathrm{dt}}$ Ir＝9.77A

(其中Ip为流过整流开关的电流峰值)

远远小于普通谐振变换器的输出电流纹波，其输出侧电流波形如图6所示。

具体实施方式二

本实施方式为本实用新型的DC/DC电路的具体应用电路。

其结构如图7所示，本实施方式的DC/DC电路与具体实施方式一的区别仅仅在于其谐振电路，下面主要针对该不相同的部分进行描述：

本具体实施方式的第一谐振电路包括第一开关S1和第二开关S2、第一电容Cr1、第一谐振电感Lr1及第一隔离变压器T1；第一开关S1的两端分别与功率因数校正电路的正输出端、第二开关S2的第一端相连，第二开关S2的第二端与所述功率因数校正电路的负输出端相连，所述第一开关S1和第二开关S2的连接端与所述第一电容Cr1的第一端相连，所述第一电容Cr1的第二端与所述第一隔离变压器的初级线圈的第一端相连，所述第一隔离变压器的初级线圈的第二端与所述第一谐振电感Lr1的第一端相连，所述第一谐振电感Lr1的第二端与所述功率因数校正电路的负输出端相连；

第二谐振电路包括第二电容Cr2、第三开关S3、第四开关S4、第二电容Cr2、第二谐振电感Lr2和第二隔离变压器T2；所述第三开关S3的两端分别与功率因数校正电路的正输出端、所述第四开关S4的第一端相连，所述第四开关S4的另一端与所述功率因数校正电路的负输出端相连，所述第三开关S3和第四开关S4的连接端与所述第二电容Cr2的第一端相连，所述第二电容Cr2的第二端与所述第二隔离变压器T2的初级线圈的第一端相连，所述第二隔离变压器T2的初级线圈的第二端与所述第二谐振电感Lr2的第一端相连，所述第二谐振电感Lr2的第二端与所述功率因数校正电路的负输出端相连。

具体实施方式三

本实施方式为本实用新型的DC/DC电路的具体应用电路。如图8所示，与具体实施方式一中的DC/DC电路相比，区别仅仅在于将实施方式一中的第一电容Cr1、第二电容Cr2、第三电容Cr3和第四电容Cr4分别用开关S5、S6、S7和S8代替。

具体实施方式四

本实施方式的电路结构如图9所示，为本实用新型DC/DC电路的具体应用实例。本实施方式与具体实施方式一的DC/DC电路的区别仅在于其开关电路。本实施方式的第一开关电路包括依次连接的开关S1、S2、S3、S4，二极管D1、D2，电容Cr1、Cr2；电容Cr1的第一端和第二端分别与开关S1的第一端、二极管D1的正极相连，二极管D2的负极与开关S1、S2的连接端相连；电容Cr2的第一端和第二端分别与电容Cr1的第二端、开关S4的一端连接；二极管D2的正极与开关S3、S4的连接端相连，负极与电容Cr2的第一端相连。本实用新型的第二开关电路的电路结构与第一开关电路的电路结构相同。

具体实施方式五

本实施方式为本实用新型的PFC电路的具体应用实例，如图10所示，与具体实施方式一的PFC电路相比，其区别仅在于将具体实施方式一的PFC电路中的第三二极管D3、第四二极管D4去除，简化了电路结构。

具体实施方式六

本实施方式为本实用新型的PFC电路的具体应用实例，如图11所示，与具体实施方式一的PFC电路相比，其区别仅在于将具体实施方式一得PFC电路中的第三二极管D3、第四二极管C4用第一电容C1、第二电容C2代替。

以上内容是结合具体的优选实施方式对本实用新型所作的进一步详细说明，不能认定本实用新型的具体实施只局限于这些说明。对于本实用新型所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本实用新型构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换，都应当视为属于本实用新型的保护范围。

Claims (6)

1.一种功率变换系统，包括功率因数校正电路、与所述功率因数校正电路耦合的DC/DC变换电路，所述DC/DC变换电路包括第一DC/DC变换电路和与所述第一DC/DC变换电路并联的第二DC/DC变换电路，其特征在于：

所述第一DC/DC变换电路包括第一谐振电路，和与所述第一谐振电路耦合的第一整流电路，所述第一谐振电路包括第一谐振电感(Lr1)；所述第二DC/DC变换电路包括第二谐振电路和与所述第二LLC谐振电路耦合的第二整流电路，所述第二谐振电路包括第二谐振电感(Lr2)；

其中，所述第一谐振电感(Lr1)与所述第二谐振电感(Lr2)共用磁芯，组成双绕组集成、解耦储能式电感(Lr800)。

2.根据权利要求1所述的功率变换系统，其特征在于：

所述第一谐振电感(Lr1)包括第一绕组(NA1)和与所述第一绕组(NA1)串联的第二绕组(NA2)，所述第一绕组(NA1)与所述第二绕组(NA2)匝数相同；所述第二谐振电感(Lr2)包括第三绕组(NB1)和与所述第三绕组(NB1)串联的第四绕组(NB2)，所述第三绕组(NB1)与所述第四绕组(NB2)匝数相同；

所述磁芯包括第一磁芯和第二磁芯；所述第一绕组(NA1)与所述第三绕组(NB1)分别绕于所述第一磁芯的两侧且绕向相同；所述第二绕组(NA2)与所述第四绕组(NB2)分别绕于所述第二磁芯的两侧且绕向相反。

3.根据权利要求2所述的功率变换系统，其特征在于：所述第一谐振电路还包括第一隔离变压器(T1)，所述第一整流电路通过所述第一隔离变压器(T1)与所述第一谐振电路耦合；所述第二谐振电路还包括第二隔离变压器(T2)，所述第二整流电路通过所述第二隔离变压器(T2)与所述第二LLC谐振电路耦合。

4.根据权利要求1、2或3所述的功率变换系统，其特征在于，所述第一磁芯和所述第二磁芯分别为环形磁芯。

5.根据权利要求1、2或3所述的功率变换系统，其特征在于，所述功率因数校正电路包括：输入端分别与交流电的两个输出端连接的第一电感(Lb1)和第二电感(Lb2)；其中，所述第一电感(Lb1)与所述第二电感(Lb2)共用磁芯，组成双绕组集成、解耦储能式电感。

6.根据权利要求5所述的功率变换系统，其特征在于，所述第一电感(Lb1)包括第五绕组和与所述第五绕组串联的第六绕组，所述第五绕组与所述第六绕组匝数相同；所述第二电感(Lb2)包括第七绕组和与所述第七绕组串联的第八绕组，所述第七绕组与所述第八绕组匝数相同；

所述磁芯包括第三磁芯和第四磁芯；所述第五绕组与所述第七绕组分别绕于所述第三磁芯的两侧且绕向相同；所述第六绕组与所述第八绕组分别绕于所述第四磁芯的两侧且绕向相反。

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