CN203466729U - 一种多电平llc变换器 - Google Patents
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Abstract
本实用新型公开了一种多电平LLC变换器，包括至少两个LLC谐振变换电路和隔直电容，LLC谐振变换电路包括直流电源、全桥结构的方波发生电路、LLC谐振电路、输出整流电路。第一LLC谐振变换电路直流电源的负极接第二LLC谐振变换电路直流电源的正极，第一LLC谐振变换电路方波发生电路的负极输入端接第二LLC谐振变换电路方波发生电路的正极输入端；隔直电容的第一端接第一LLC谐振变换电路直流电源的负极，隔直电容的第二端接第一LLC谐振变换电路方波发生电路的负极输入端；第一LLC谐振变换电路输出整流电路的输出端与第二LLC谐振变换电路整流电路的输出端并接。本实用新型可以实现高电压输入、大功率输出和原边稳态均流。
Description
[技术领域]
本实用新型涉及直流变换技术领域，尤其涉及一种多电平LLC变换器。
[背景技术]
单级LLC谐振变换电路的结构如图1所示。LLC谐振变换电路因其原边开关管宽范围可实现零电压开通（ZVS），副边整流管可实现零电流关断（ZCS），输出增益可通过谐振参数调节等优点，广泛使用在直流变换领域中。单级LLC电路因受器件、工艺、成本等因素的影响，制约了其在高输入电压、高输出电压、大功率输出等场合的应用。将多个单级LLC电路通过串联、并联、混联等方式，方便实现LLC电路在高输入电压、高输出电压、大功率输出等场合的应用已经逐渐成为了技术研究热点。
考虑LLC谐振电路的自身特点：输出增益与LLC谐振参数、工作频率、变压器变比、分布参数等因素相关。在多个单级LLC电路通过串联、并联、混联等方式组合而成的电路中，如何平衡各级LLC电路的输出电压、输出电流、输出功率，提高整体可靠性变得尤为重要。
[发明内容]
本实用新型要解决的技术问题是提供一种高输入电压、大功率输出、原边稳态均流的多电平LLC变换器。
为了解决上述技术问题，本实用新型采用的技术方案是，一种多电平LLC变换器，包括至少两个LLC谐振变换电路和隔直电容，LLC谐振变换电路包括直流电源、全桥结构的方波发生电路、LLC谐振电路、输出整流电路。第一LLC谐振变换电路直流电源的负极接第二LLC谐振变换电路直流电源的正极，第一LLC谐振变换电路方波发生电路的负极输入端接第二LLC谐振变换电路方波发生电路的正极输入端；隔直电容的第一端接第一LLC谐振变换电路直流电源的负极，隔直电容的第二端接第一LLC谐振变换电路方波发生电路的负极输入端；第一LLC谐振变换电路输出整流电路的输出端与第二LLC谐振变换电路整流电路的输出端并接。
以上所述的多电平LLC变换器，方波发生电路的第一桥臂包括串接的两个开关管、第二桥臂包括串接的两个谐振电容；两个开关管的连接点为第一桥臂的输出端，两个谐振电容的连接点为第二桥臂的输出端。
以上所述的多电平LLC变换器，LLC谐振变换电路包括变压器，LLC谐振电路与输出整流电路通过变压器耦合。
以上所述的多电平LLC变换器，输出整流电路为全桥整流电路或变压器副边绕组中心抽头的全波整流电路。
以上所述的多电平LLC变换器，LLC谐振电路包括串联谐振电容、串联谐振电感和并联谐振电感，串联谐振电容、串联谐振电感与并联谐振电感串联后的两端分别接方波发生电路的两个输出端，并联谐振电感与变压器原边绕组并联。
以上所述的多电平LLC变换器，串联谐振电感是变压器原边的漏感，并联谐振电感是变压器的激磁电感。
本实用新型多电平LLC变换器可以应用在高输入电压、大功率输出领域。通过适当地设计隔直电容的容量，能够提高整个电路对各级供电电压源间电压不平衡、供电电压存在波动以及LLC谐振参数存在差异等不利因素的响应速度及适应性，实现LLC变换器原边稳态均流。
[附图说明]
下面结合附图和具体实施方式对本实用新型作进一步详细的说明。
图1是现有技术LLC变换电路的原理图。
图2是本实用新型多电平LLC变换器实施例1的原理图。
图3是本实用新型多电平LLC变换器实施例2的原理图。
图4是本实用新型多电平LLC变换器实施例3的原理图。
[具体实施方式]
图2所示是本实用新型实施例1的三电平全桥LLC变换器，包括输入供电电压源VDC1、VDC2、两级LLC谐振变换电路、隔直电容Cb、输出滤波电容Cout和输出负载阻抗Rout。
两级LLC谐振变换电路的结构相同，仅以第一级LLC谐振变换电路为例进行说明。方波发生电路的正负极输入端分别接输入供电电压源VDC1的正负极。方波发生电路为4个开关管Q1、Q2、Q3和Q4构成的全桥结构；LLC谐振电路包括串联谐振电容C1、串联谐振电感L1和并联谐振电感Lm1组成的串联电路，串联电路的两端分别接方波发生电路的两个输出端，并联谐振电感Lm1与变压器T1原边绕组并联。其中，串联谐振电感可以是变压器原边的漏感，并联谐振电感可以是变压器的激磁电感。输出整流电路为变压器T1副边绕组中心抽头的全波整流电路。
两级LLC谐振变换电路的直流电源串接，即输入供电电压源VDC1的负极接VDC2的正极，上一级LLC谐振变换电路方波发生电路的负极输入端接下一级LLC谐振变换电路方波发生电路的正极输入端；隔直电容Cb的第一端接上一级LLC谐振变换电路直流电源VDC1的负极，隔直电容Cb的第二端接上一级LLC谐振变换电路方波发生电路的负极输入端。上一级LLC谐振变换电路输出整流电路的输出端与下一级LLC谐振变换电路整流电路的输出端并接；输出滤波电容Cout和输出负载阻抗Rout并接在输出整流电路的两个输出端之间。
从结构上看，上下两级LLC谐振变换电路完全一致，忽略两级LLC谐振变换电路参数差异，假设输入供电电压VDC1、VDC2相等，两级LLC谐振变换电路同频同相位工作，则上级LLC谐振变换电路工作状态应该与下级LLC谐振变换电路的工作状态完全一致。上级LLC谐振变换电路流入隔直电容Cb的电流等于从隔直电容流入下级LLC谐振变换电路的电流，实际流过隔直电容Cb的电流为零，隔直电容端压电压为零，隔直电容将不会影响上下两级LLC谐振变换电路的正常工作，原边自然实现均流。
在输入电压相同的应用情况下，即VDC=2×VDC1=2×VDC2，输入三电平LLC谐振电路原边单个开关器件耐压仅为图一所示的单级LLC谐振电路中原边单个开关器耐压的一半，从而降低了输入三电平LLC谐振电路开关器件的要求，方便扩展到更高输入电压的应用领域。
在输出总功率相同的应用情况下，输入三电平LLC谐振变换器中单个LLC谐振电路的输出功率仅为图1所示的单级LLC谐振电路输出功率的一半，从而降低了输入三电平LLC谐振电路功率器件的要求，方便扩展到更高输出功率的应用领域。
考虑输入供电电压以及两级LLC谐振变换电路之间参数差异等因素，现假设供电电压源VDC1的电压高于供电电压源VDC2的电压，上级LLC谐振电路L1、C1本征谐振频率高于下级LLC谐振电路L2、C2本征谐振频率，且各级LLC谐振变换电路工作频率相同且处在本征谐振频率附近的单调区间内，则根据LLC谐振变换电路输入电压越高输出能力越强、工作频率相对本征谐振频率越低输出能力越强的输出特性，上级LLC谐振变换电路的输出功率要大于下级LLC谐振变换电路。
若电路初态为隔直电容Cb的端压为零，根据前述上级LLC谐振变换电路的输出功率要大于下级LLC谐振变换电路，则上级LLC谐振变换电路流入隔直电容Cb的电流要大于隔直电容Cb流入下级LLC谐振变换电路的电流，隔直电容Cb的净电流方向为从LLC谐振变换电路流向供电电源VDC1、VDC2的中点，即隔直电容Cb的电压VCb左负右正逐渐增加。上级LLC谐振变换电路的等效输入电压为VDC1-VCb会随着隔直电容Cb电压VCb逐渐上升而减小，下级LLC谐振变换电路的等效输入电压为VDC2+VCb会随着隔直电容Cb电压VCb逐渐上升而增加。
随着上级LLC谐振变换电路输入工作电压的下降，上级LLC谐振变换电路原边电流会逐渐下降；随着下级LLC谐振变换电路输出电压的增加，下级LLC谐振变换电路原边电流会逐渐增加。当且仅当上级LLC谐振变换电路原边平均电流下降到等于下级LLC谐振变换电路增加后的原边平均电流，流过隔直电容Cb的平均电流为零，VCb保持相对恒定，两级LLC谐振变换电路原边电流保持恒定，电路进入稳态。从而实现了各级LLC谐振变换电路原边电流的稳态均流。
以上通过图2所示的具有隔直电容的原边串联结构的三电平全桥LLC谐振变换器，阐述了本实用新型如何通过隔直电容Cb将各级LLC电路原边电路串联起来，方便实现高电压输入、高输出功率领域的应用，同时通过调节隔直电容的端压，实现各级LLC谐振变换电路的原边工作电流稳态均流。
图3所示的实施例2是一种具有隔直电容的原边串联结构的三电平半桥LLC谐振电路，方波发生电路的左桥臂包括串接的两个开关管、右桥臂包括串接的两个谐振电容；两个开关管的连接点为左桥臂的输出端，两个谐振电容的连接点为右桥臂的输出端。副边整流电路采用全桥整流结构，其整流二极管的耐压相对中心抽头整流结构的整流二极管耐压减半。从结构上来看，遵循两级LLC谐振变换电路原边串联中点与供电电源中点通过隔直电容连接的原则，不仅有利于实现在高电压输入、高输出功率领域的应用，而且通过调节隔直电容的端压，适应各级LLC子变换器因电路参数的差异等引起的输出增益差异，实现各级LLC变换器的原边工作电流稳态均流。其基本工作原理如前所述，不再累述。
本实用新型LLC变换器实施例3的结构如图4所示，为三级LLC谐振变换电路级联。遵循任两级相串联的LLC谐振变换电路方波发生器串联中点与其供电电源串联中点通过隔直电容连接的原则，扩展成多电平LLC变换器。
本实用新型以上实施例使得LLC谐振变换电路更容易应用在高输入电压、大功率输出功率等领域。特别地，通过适当地设计隔直电容Cb的容量，不仅不会影响LLC谐振变换电路的基本工作状态，还能提高整个电路对各级供电电压源间电压不平衡、供电电压存在波动以及LLC谐振参数存在差异等不利因素的响应速度及适应性，实现LLC谐振变换电路原边稳态均流。
Claims (6)
1.一种多电平LLC变换器，包括至少两个LLC谐振变换电路，LLC谐振变换电路包括直流电源、全桥结构的方波发生电路、LLC谐振电路、输出整流电路，其特征在于，包括隔直电容，第一LLC谐振变换电路直流电源的负极接第二LLC谐振变换电路直流电源的正极，第一LLC谐振变换电路方波发生电路的负极输入端接第二LLC谐振变换电路方波发生电路的正极输入端；隔直电容的第一端接第一LLC谐振变换电路直流电源的负极，隔直电容的第二端接第一LLC谐振变换电路方波发生电路的负极输入端；第一LLC谐振变换电路输出整流电路的输出端与第二LLC谐振变换电路整流电路的输出端并接。
2.根据权利要求1所述的多电平LLC变换器，其特征在于，方波发生电路的第一桥臂包括串接的两个开关管、第二桥臂包括串接的两个谐振电容；两个开关管的连接点为第一桥臂的输出端，两个谐振电容的连接点为第二桥臂的输出端。
3.根据权利要求1所述的多电平LLC变换器，其特征在于，LLC谐振变换电路包括变压器，LLC谐振电路与输出整流电路通过变压器耦合。
4.根据权利要求3所述的多电平LLC变换器，其特征在于，输出整流电路为全桥整流电路或变压器副边绕组中心抽头的全波整流电路。
5.根据权利要求3所述的多电平LLC变换器，其特征在于，LLC谐振电路包括串联谐振电容、串联谐振电感和并联谐振电感，串联谐振电容、串联谐振电感与并联谐振电感串联后的两端分别接方波发生电路的两个输出端，并联谐振电感与变压器原边绕组并联。
6.根据权利要求5所述的多电平LLC变换器，其特征在于，串联谐振电感是变压器原边的漏感，并联谐振电感是变压器的激磁电感。
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