CN202759382U - 一种大电流高频隔离直流-直流变换器 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种大电流高频隔离直流-直流变换器，包括开关电路、谐振电路、三相变压器以及输出整流滤波电路。直流输入电压首先经过开关电路和谐振电路，利用软开关技术，将输入直流电压变换为三相交流电压，然后再经过三相变压器，进入输出整流滤波电路，三相电在这里被整流为单相高频电压，通过滤波后得到输出直流电压。电路中的谐振电路有LCC和LCL两种结构，前者能够减小谐振电路中电容所承受的电压，防止其被击穿。后者可以增大谐振电路的等效电感，扩大软开关的工作范围。直流电被转换成三相交流电，其电路拓扑结构自然构成三条回路，有效的分流输入电流，使该电路适应大电流的工作环境。

Description

一种大电流高频隔离直流-直流变换器

技术领域

本发明涉及一种大电流高频隔离直流-直流变换器，属于直流-直流变换器电路领域。

背景技术

    谐振变换器是利用软开关技术发展起来的一种直流-直流变换器，通过建立谐振电路，使得开关管可以在零电压下进行通断切换，具有隔离性能好、损耗低、多路输出直流电源等优点。但是构成谐振网络的电感较大，电容容易被瞬间的大电压击穿。

在高频大电流工作环境中，单一的高频半导体开关无法满足高电流的要求，通常采用多个开关并联分流。由此造成开关数量增加，损耗增加，控制同步困难等。

发明内容

发明目的：本发明提出一种大电流高频隔离直流-直流电路，它能够适应大电流的工作环境。

技术方案：本发明由开关电路、谐振电路、三相变压器和输出整流滤波电路组成。直流输入电压首先经过开关电路和谐振电路，利用软开关技术，将输入直流电压变换为三相交流电压，然后再经过三相变压器，进入输出整流滤波电路，三相电在这里被整流为单相高频电压，通过滤波后得到输出直流电压。

开关电路主要根据PWM控制技术，利用外加的控制信号，来控制各个开关的通断，达到逆变的功能。本发明中利用三相全桥电压型逆变电路，利用现有技术产生控制信号，控制开关的通断，并配合谐振电路，实现软开关功能，将输入直流电压逆变为三相交流电压。

所述开关电路包括第一至六开关、第一至六二极管、第一至六电容，共同组成从输入端正极到负极的三条回路；

所述第一回路中，包括第一开关、第四开关、第一二极管、第四二极管、第一电容、第二电容；

所述第一开关第一极接第一控制信号，第二极与输入电压正极相连，第三极分别与第四开关的第二极以及谐振电路输入端相连，第四开关的第一极接第四控制信号，第三极与输入电压负极相连；

所述第一开关的第二极还与第一二极管的负极相连，第三极与所述第一二极管的正极相连，在第一电容并联在第二极和第三极之间；

所述第四开关的第二极还与第四二极管的负极相连，第三极与所述第四二极管的正极相连，第四电容并联在第二极和第三极之间；

所述第二回路与第一回路的元件相对应，依次包括第三开关、第六开关、第三二极管、第六二极管、第三电容、第六电容，其连接方式与第一回路相同；

所述第三回路与第一回路的元件相对应，依次包括第五开关、第二开关、第五二极管、第二二极管、第五电容、第二电容，其连接方式与第一回路相同。

谐振电路用于与开关电路共同构成软开关，从而降低开关功耗和开关噪声，提高开关工作频率。

作为实现所述谐振电路的第一种技术方案，其包括第一电感、第二电感、第三电感、第七至十二电容，这种拓扑结构也叫做LCC型谐振电路。

第一电感一端与开关电路输出端相连，另一端第七电容相串联，第七电容另一端与三相变压器第一原边绕组同名端串联，第十电容连接在与第一副边绕组同名端和第二副边绕组同名端之间；

第二电感一端与开关电路输出端相连，另一端第八电容相串联，第八电容另一端与三相变压器第二原边绕组同名端串联，第十一电容连接在与第二副边绕组同名端和第三副边绕组同名端之间；

第三电感一端与开关电路输出端相连，另一端第九电容相串联，第九电容另一端与三相变压器第三原边绕组同名端串联，第十二电容连接在与第一副边绕组同名端和第三副边绕组同名端之间。

作为实现所述谐振电路的第二种技术方案，其包括第一电感、第二电感、第三电感、第七电容、第八电容、第九电容、第四电感，第五电感，第六电感，这种拓扑结构也叫做LCL型谐振电路。

第一电感一端与开关电路第一输出端相连，另一端第七电容相串联，第七电容另一端与三相变压器第一原边绕组同名端串联，第四电感连接在与第一副边绕组同名端和第二副边绕组同名端之间；

第二电感一端与开关电路第二输出端相连，另一端第八电容相串联，第八电容另一端与三相变压器第二原边绕组同名端串联，第五电感连接在与第二副边绕组同名端和第三副边绕组同名端之间；

第三电感一端与开关电路第三输出端相连，另一端第九电容相串联，第九电容另一端与三相变压器第三原边绕组同名端串联，第六电感连接在与第一副边绕组同名端和第三副边绕组同名端之间。

输出整流滤波电路，三相全桥整流电路和第十三电容，用于将三相变压器输出的三相交流电压变换为单相电压，并滤掉高频交流电压。三相全桥整流电路的输入端接三相变压器副边绕组，输出端并联第十三电容，作为滤波电容。上述输出整流滤波电路适用于LCC型谐振电路。在LCL型谐振电路中，输出整流滤波电路还增加了第十电容、第十一电容、第十二电容，它们并联在三相全桥整流电路的输入端。

有益效果：开关电路在拓扑结构上自然形成三条并联的回路，可以将输入的大电流分流，从而适应大电流工作环境。软开关技术的使用降低了开关功耗和开关噪声，提高了电路工作频率。

在LCC型谐振电路中，从三相变压器原边绕组端看过去，并联在三相变压器副边绕组的第十电容、第十一电容、第十二电容，可视为经过变压器阻抗变换作用缩小的并联在原边绕组一个小电容。这种阻抗变换，可以相对应地减小第七电容、第八电容、第九电容的分电压，使他们不易被击穿。在变频控制中，通过较小的频率变化就可以控制大范围变化的负载。除此以外，副边绕组端的这三个电容还可以起到高频滤波的作用。

在LCL型谐振电路中，从三相变压器原边绕组端看过去，并联在三相变压器副边绕组的第四电感、第五电感、第六电感，可视为经过变压器阻抗变换作用放大的并联在原边绕组上大电感。这样就不必在原边绕组端使用大电感，而只需要在副边绕组端使用一个小电感，通过变压器阻抗变换作用即可放大成原边绕组端的大电感，同时还可以利用变压器原副边绕组的漏感，进一步增大原边绕组端的等效电感，这样位于原边绕组端的整个谐振网络的总电感就变大了。开关电路中某一回路工作在死区时，电感励磁电流衰减较慢，这样可以较快的给与开关并联的电容充放电，扩大了软开关的工作范围。同时减小第七电容、第八电容、第九电容的分电压，使他们不易被击穿。

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为本发明所述的LCC型电路结构图。

图2为本发明所述的LCC型电路第一状态示意图。

图3为本发明所述的LCC型电路第二状态示意图。

图4为本发明所述的LCC型电路第三状态示意图。

图5为本发明所述的LCL型电路结构图。

图6为本发明所述的控制信号波形图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例，进一步阐明本发明，应理解这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围，在阅读了本发明之后，本领域技术人员对本发明的各种等价形式的修改均落于本申请所附权利要求所限定的范围。

本发明第一种实施方式，即LCC型电路如图1所示，包括开关电路1、LCC型谐振电路2、三相变压器Nt、输出整流滤波电路3。开关电路1包括第一开关Q1、第二开关Q2、第三开关Q3、第四开关Q4、第五开关Q5、第六开关Q6；第一二极管D1、第二二极管D2、第三二极管D3、第四二极管D4、第五二极管D5、第六二极管D6；第一电容C1、第二电容C2、第三电容C3、第四电容C4、第五电容C5、第六电容C6。谐振电路2包括第一电感La、第二电感Lb、第三电感Lc；第七电容Ca、第八电容Cb、第九电容Cc、第十电容Cab、第十一电容Cbc、第十二电容Cca；输出整流滤波电路3包括二极管d1-d6、第十三电容Co。除此之外，电路还包括输入电压Vs、负载RL、输出电流Io、输出电压Vo。

第一至第六开关的第一极均接有控制信号，控制信号可以利用现有技术产生，对应于第一至第六开关的第一极的控制信号为Vg1至Vg6。

电路的第一状态如图2所示，第一开关Q1、第五开关Q5、第六开关Q6导通。此时，原边绕组电流ia、ic分别流过第一电感La、Lc，并流入三相变压器的第一原边绕组N11和第三原边绕组N13，原边绕组电流ib与ia、ic方向相反，流出第二原边绕组N12，输入电压Vs加在初级绕组两端。三相变压器副边绕组的电流iL流过整流电路中的二极管d1、d5、d6以及负载RL，在负载RL上形成输出电压。

电路的第二状态如图3所示，当初级绕组中的电流逐步增大到最大值时，第五开关Q5关闭。由于电感电流不能突变，所以原边绕组电流ia、ib、ic仍保持原来的方向，但此时ic流经第五电容C5和第二电容C2。第二电容C2原电压为Vs，此时经过ic的放电作用，其电压开始下降，并最终趋于零电压。当第二电容C2零电压时，第二二极管导通，将第二开关Q2的第二极和第三极间电压钳在零电压。

电路的第三状态如图4所示，第二开关Q2的第二极和第三极被钳在零电压，此时打开第二开关Q2，即实现零电压开通的软开关功能。第二开关Q2导通后ic反向并逐步增大。三相变压器副边绕组的电流iL流过整流电路中的二极管d1、d2、d6和负载，形成输出电压。

按照上述原理，依次关闭第六开关Q6，打开第三开关Q3，关闭第一开关Q1，打开第四开关Q4。即从第三回路开始，对本回路内的两个开关交替地关闭打开，一直操作到第一回路视为完成一个周期，照此往复循环。

本发明第二种实施方式，即LCL型电路如图5所示，包括开关电路1、LCL谐振电路2、三相变压器Nt、输出整流滤波电路3。开关电路1包括第一开关Q1、第二开关Q2、第三开关Q3、第四开关Q4、第五开关Q5、第六开关Q6；第一二极管D1、第二二极管D2、第三二极管D3、第四二极管D4、第五二极管D5、第六二极管D6；第一电容C1、第二电容C2、第三电容C3、第四电容C4、第五电容C5、第六电容C6。谐振电路2包括第一电感La、第二电感Lb、第三电感Lc；第七电容Ca、第八电容Cb、第九电容Cc、第四电感Lab、第五电感Lbc、第六电感Lca；输出整流滤波电路3包括第十电容Cab、第十一电容Cbc、第十二电容Cca、二极管d1-d6、第十三电容Co。除此之外，电路还包括输入电压Vs、负载RL、输出电流Io、输出电压Vo。

第一至第六开关的第一极均接有控制信号，控制信号可以利用现有技术产生，对应于第一至第六开关的第一极的控制信号为Vg1至Vg6。各个控制信号的波形图如图6所示。

第二种实施方式的工作状态与第一种实施方式相同，在此不再赘述。

Claims (5)

1.一种大电流高频隔离直流-直流变换器，包括:开关电路、谐振电路、三相变压器、输出整流滤波电路，其特征在于：

所述开关电路为三相全桥电压型逆变电路；所述谐振电路可以利用变压器阻抗变换原理；所述整流滤波电路中的整流电路为三相全桥整流电路。

2.根据权利要求1所述的大电流高频隔离直流-直流变换器，其特征在于：所述三相全桥电压型逆变电路中的开关为金属氧化物半导体场效应晶体管或绝缘栅双极晶体管。

3.根据权利要求1所述大电流高频隔离直流-直流变换器，其特征在于：所述三相变压器包括第一原边绕组、第二原边绕组、第三原边绕组、第一副边绕组、第二副边绕组、第三副边绕组，三个原边绕组的异名端连接在一起，三个副边绕组的异名端连接在一起。

4.根据权利要求3所述的大电流高频隔离直流-直流变换器，其特征在于：所述谐振电路包括第一电感、第二电感、第三电感、第七电容、第八电容、第九电容、第十电容，第十一电容，第十二电容；

第一电感一端与开关电路输出端相连，另一端第七电容相串联，第七电容另一端与三相变压器第一原边绕组同名端串联，第十电容连接在与第一副边绕组同名端和第二副边绕组同名端之间；

第二电感一端与开关电路输出端相连，另一端第八电容相串联，第八电容另一端与三相变压器第二原边绕组同名端串联，第十一电容连接在与第二副边绕组同名端和第三副边绕组同名端之间；

第三电感一端与开关电路输出端相连，另一端第九电容相串联，第九电容另一端与三相变压器第三原边绕组同名端串联，第十二电容连接在与第一副边绕组同名端和第三副边绕组同名端之间。

5.根据权利要求3所述的大电流高频隔离直流-直流变换器，其特征在于：所述谐振电路包括第一电感、第二电感、第三电感、第七电容、第八电容、第九电容、第四电感，第五电感，第六电感，

第一电感一端与开关电路第一输出端相连，另一端第七电容相串联，第七电容另一端与三相变压器第一原边绕组同名端串联，第四电感连接在与第一副边绕组同名端和第二副边绕组同名端之间；

第二电感一端与开关电路第二输出端相连，另一端第八电容相串联，第八电容另一端与三相变压器第二原边绕组同名端串联，第五电感连接在与第二副边绕组同名端和第三副边绕组同名端之间；

第三电感一端与开关电路第三输出端相连，另一端第九电容相串联，第九电容另一端与三相变压器第三原边绕组同名端串联，第六电感连接在与第一副边绕组同名端和第三副边绕组同名端之间。

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