CN207010552U - 多相双向谐振变换器 - Google Patents

多相双向谐振变换器 Download PDF

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Abstract

本实用新型提供了一种多相双向谐振变换器，包括控制单元以及并联连接在第一外接端子和第二外接端子之间的n条变流支路，且每一变流支路包括依次连接的第一变换单元、正向谐振电路、反向谐振电路、变压器和第二变换单元，所述n为大于或等于2的整数；所述控制单元分别与所述n条变流支路的第一变换单元以及第二变换单元连接并输出脉冲宽度调制信号，且多个脉冲宽度调制信号之间的相位差为360/n度。本实用新型通过将多条变流支路并联连接在第一外接端子和第二外接端子之间，可提高变换器的传输功率，并大大提高变换器的可靠性，及实现较小的输出纹波。

Description

多相双向谐振变换器
技术领域
本实用新型涉及变换器领域，更具体地说，涉及一种多相双向谐振变换器。
背景技术
随着电动汽车及自动化行业的不断发展，越来越多应用场合要求实现双向能量传输。双向能量传输可由两个单向的功率变换器来实现，但是这种方式不仅功率密度低而且可靠性低，因此双向功率变换器应运而生。
相比于传统单向功率变换器，双向功率变换器虽然提高了功率密度，但是其效率等特性却会有所下降。基于此，实现高效率、高功率密度的双向功率变换器是当今电源行业所研究的重点之一。
如图1所示，是现有的降压/升压(Buck/Boost)变换器的电路拓扑图，该降压/升压变换器在降压时采用降压(Buck)拓扑，即开关管Q2保持关断，由PWM(plus widthmodulation，脉宽调制)波驱动的开关管Q1、电感L1、电容C2将电压V1降压为电压V2输出；在升压时采用升压(Boost)拓扑，即开关管Q1保持导通，由PWM波驱动的开关管Q2、电感L1、电容C2将电压V2升压为电压V1输出。该降压/升压变换器虽然可以实现双向的能量传输，但是这种变换器属于非隔离变换器，并且其单向只能实现升压或者降压中的一种，无法在单向上既实现降压又实现升压，应用场合较为局限。
此外，上述变换器拓扑在输入功率变大时，需要并联MOS(metal oxidesemiconductor，金属氧化物半导体)管来降低导通损耗。然而，随着输出功率的增加，其输出纹波也会增加，因此在汽车电子等领域并联MOS管无法满足高可靠性的需求。
如图2所示，是现有两级双向变换器的电路拓扑图。两级双向变换器的其中第一级为降压/升压(Buck/Boost)非隔离结构(包括电感L1、开关管Q1、Q2、电容C3)，第二级为隔离结构(包括隔离变换器)。两级双向变换器的降压/升压通常由Buck/Boost非隔离结构级实现。但该双向变换器由于采用两级结构，因此其体积较大，不利于功率密度的提升。
此外，该变换器拓扑经过第一级的升压后，第二级的输入MOS管会难以选择，造成成本增加。并且上述第一级结构也会造成较复杂的EMI(Electro Magnetic Interference，电磁干扰)问题。
实用新型内容
本实用新型要解决的技术问题在于，针对上述双向变换器存在电磁干扰、可靠性不高的问题，提供一种多相双向谐振变换器。
本实用新型解决上述技术问题的技术方案是，提供一种多相双向谐振变换器，包括控制单元以及并联连接在第一外接端子和第二外接端子之间的n条变流支路，且每一所述变流支路包括依次连接的第一变换单元、正向谐振电路、反向谐振电路、变压器和第二变换单元，所述n为大于或等于2的整数；所述控制单元分别与所述n条变流支路的第一变换单元以及第二变换单元连接并输出脉冲宽度调制信号，且n个脉冲宽度调制信号之间的相位差依次为360/n度。
在本实用新型所述的多相双向谐振变换器中，所述第一变换单元由第一斩波电路构成，且所述第一斩波电路包括多个开关管；所述第二变换单元由第二斩波电路构成，且所述第二斩波电路包括多个开关管；所述第一斩波电路和所述第二斩波电路的开关管的控制端分别连接到所述控制单元。
在本实用新型所述的多相双向谐振变换器中，所述正向谐振电路和反向谐振电路共用一个第一电感，所述正向谐振电路由一个第一电容及第一电感构成，所述反向谐振电路由一个第二电感、一个第二电容及第一电感构成；所述第一电容、第二电容和第二电感串联连接在第一斩波电路的第一接线端与变压器的第一侧绕组的第一接线端之间；所述第一电感的第一端连接到第一电容与第二电容的连接点，所述第一电感的第二端直接连接到第一斩波电路的第二接线端以及所述变压器第一侧绕组的第二接线端。
在本实用新型所述的多相双向谐振变换器中，在能量由第一外接端子流向第二外接端子时，所述第一斩波电路的斩波频率大于：
其中，Cm为第一电容的容值，Lm为第一电感的电感量。
在本实用新型所述的多相双向谐振变换器中，在能量由第二外接端子流向第一外接端子时，所述第二斩波电路的斩波频率大于：
其中，Cr为第二电容的容值，Lr为第二电感的电感量，Lm为第一电感的电感量。
在本实用新型所述的多相双向谐振变换器中，所述正向谐振电路和反向谐振电路共用一个第一电感，所述正向谐振电路由第一电感、两个第三电容构成，所述反向谐振电路由第二电感、第二电容及第一电感构成；所述两个第三电容串联连接在第一外接端子的两个接线端之间；所述第二电容、第二电感串联连接在两个第三电容的连接点与变压器的第一侧绕组的第一接线端之间；所述第一电感的第一端连接到两个第三电容的连接点，且所述第一电感的第二端分别连接第一斩波电路的两个开关管的连接点以及变压器的第一侧绕组的第二接线端。
在本实用新型所述的多相双向谐振变换器中，所述正向谐振电路和反向谐振电路共用一个第一电感，所述正向谐振电路由一个第三电感、一个第一电容及第一电感构成，所述反向谐振电路由一个第二电感、一个第二电容及第一电感构成；所述第三电感、第一电容、第二电容和第二电感串联连接在第一斩波电路的第一接线端与变压器的第一侧绕组的第一接线端之间；所述第一电感的第一端连接到第一电容与第二电容的连接点，所述第一电感的第二端直接连接到第一斩波电路的第二接线端以及变压器第一侧绕组的第二接线端。
在本实用新型所述的多相双向谐振变换器中，所述第一斩波电路采用单桥臂斩波结构或H桥臂斩波结构；所述第二斩波电路采用单桥臂结构或H桥斩波结构。
在本实用新型所述的多相双向谐振变换器中，所述第二电感集成到所述变压器。
在本实用新型所述的多相双向谐振变换器中，所述第一外接端子和所述第二外接端子分别连接有滤波电容。
本实用新型的多相双向谐振变换器，通过将多条变流支路并联连接在第一外接端子和第二外接端子之间，可提高变换器的传输功率，并大大提高变换器的可靠性，及实现较小的输出纹波。
附图说明
图1是现有降压/升压变换器的电路拓扑图；
图2是现有两级双向变换器的电路拓扑图；
图3是本实用新型多相双向谐振变换器的原理拓扑图；
图4是本实用新型多相双向谐振变换器第一实施例的电路拓扑图；
图5是图4中多相双向谐振变换器的典型工作波形示意图；
图6是本实用新型多相双向谐振变换器第二实施例的电路拓扑图。
具体实施方式
为了使本实用新型的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本实用新型进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本实用新型，并不用于限定本实用新型。
如图3所示，是本实用新型多相双向谐振变换器，该变换器可实现高效的能量传输。本实用新型的多相双向谐振变换器包括控制单元以及并联连接在第一外接端子和第二外接端子之间的n条变流支路，且每一变流支路包括依次连接的第一变换单元、谐振腔、变压器和第二变换单元，上述n为大于或等于2的整数。特别地，上述谐振腔包括正向谐振电路、反向谐振电路，且正向谐振电路和反向谐振电路串联连接。控制单元分别与n条变流支路的第一变换单元以及第二变换单元连接并输出脉冲宽度调制信号，且n个脉冲宽度调制信号之间的相位差依次为360/n度。
能量正向传输时，在每一变流支路中，来自第一外接端子V1的直流输入经滤波电容滤波后，由第一变换单元转换为交流电，并经谐振腔中的正向谐振电路增加或者维持电压的幅值；变压器将谐振腔输出的电压进行降压或者升压，最后通过第二变换单元整流成直流电压，并通过第二外接端子V2输出。能量反向传输时，来自第二外接端子V2的直流输入经滤波电容滤波后，由第二变换单元和变压器的副边绕组转换为交流电，并通过变压器将交流电传输到谐振腔；谐振腔中的反向谐振电路增加或者维持电压的幅值，最后通过第一变换单元整流成直流电压，并通过第一外接端子V1输出。
上述多相双向谐振变换器采用多相并联方式，不仅可实现双向的能量传输，而且通过多相并联实现了高的传输功率，同时多相并联还可提高功率变换器的可靠性。此外，上述多相双向谐振变换器还可实现非常小的输出纹波。
上述第一变换单元可由第一斩波电路构成，且第一斩波电路包括多个开关管；第二变换单元由第二斩波电路构成，且第二斩波电路包括多个开关管；第一斩波电路和所述第二斩波电路的开关管的控制端分别连接到控制单元，并由控制单元输出的PWM(PulseWidth Modulation，脉冲宽度调制)信号控制通断。
如图4所示，在本实用新型的多相双向谐振变换器的一个实施例中，第一外接端子V1和第二外接端子V2之间并联连接有3条变流支路(即n＝3)。
在第一个变流支路中，第一斩波电路包括第一开关管Qu_1和第二开关管Qd_1构成；第二斩波电路包括第三开关管Qs_1和第四开关管Qt_1构成；谐振腔的正向谐振电路和反向谐振电路共用一个第一电感Lm_1，正向谐振电路由一个第一电容Cm_1及第一电感Lm_1构成，反向谐振电路由一个第二电感Lr_1、一个第二电容Cr_1及第一电感Lm_1构成；上述第一电容Cm_1、第二电容Cr_1和第二电感Lr_1串联连接在第一斩波电路的第一接线端与变压器T_1的第一侧绕组的第一接线端之间；第一电感Lm_1的第一端连接到第一电容Cm_1与第二电容Cr_1的连接点，第一电感Lm_1的第二端直接连接到第一斩波电路的第二接线端以及变压器T_1第一侧绕组的第二接线端。
在第二个变流支路中，第一斩波电路包括第一开关管Qu_2和第二开关管Qd_2构成；第二斩波电路包括第三开关管Qs_2和第四开关管Qt_2构成；谐振腔的正向谐振电路和反向谐振电路共用一个第一电感Lm_2，正向谐振电路由一个第一电容Cm_2及第一电感Lm_2构成，反向谐振电路由一个第二电感Lr_2、一个第二电容Cr_2及第一电感Lm_2构成；上述第一电容Cm_2、第二电容Cr_2和第二电感Lr_2串联连接在第一斩波电路的第一接线端与变压器T_2的第一侧绕组的第一接线端之间；第一电感Lm_2的第一端连接到第一电容Cm_2与第二电容Cr_2的连接点，第一电感Lm_2的第二端直接连接到第一斩波电路的第二接线端以及变压器T_2第一侧绕组的第二接线端。
在第三个变流支路中，第一斩波电路包括第一开关管Qu_3和第二开关管Qd_3构成；第二斩波电路包括第三开关管Qs_3和第四开关管Qt_3构成；谐振腔的正向谐振电路和反向谐振电路共用一个第一电感Lm_3，正向谐振电路由一个第一电容Cm_3及第一电感Lm_3构成，反向谐振电路由一个第二电感Lr_3、一个第二电容Cr_3及第一电感Lm_3构成；上述第一电容Cm_3、第二电容Cr_3和第二电感Lr_3串联连接在第一斩波电路的第一接线端与变压器T_3的第一侧绕组的第一接线端之间；第一电感Lm_3的第一端连接到第一电容Cm_3与第二电容Cr_3的连接点，第一电感Lm_3的第二端直接连接到第一斩波电路的第二接线端以及变压器T_3第一侧绕组的第二接线端。
以下以第一个变流支路为例说明变流过程：在能量正向传输时，第一开关管Qu_1和第二开关管Qd_1将第一外接端子V1输入的直流电斩成方波，第一电容Cm_1、第一电感Lm_1、第二电感Lr_1、第二电容Cr_1组成的谐振腔将增加或者维持方波电压的幅值，变压器T_1将谐振腔输出的电压进行降压或者升压，最后通过变压器T_1副边的第三开关管Qs_1和第四开关管Qt_1同步整流成直流电压，并经电容滤波后通过第二外接端子V2输出；能量反向传输时，第三开关管Qs_1、第四开关管Qt_1和变压器T_1的副边绕组将输入的直流电斩成方波，第一电容Cm_1、第一电感Lm_1、第二电感Lr_1、第二电容Cr_1组成的谐振腔将增加或者维持方波电压的幅值，最后第一开关管Qu_1和第二开关管Qd_1将谐振腔的输出电压进行半波整流形成输出电压，并经滤波电容滤波后通过第一外接端子V1输出。
在第一变流支路正向工作时，第一电容Cm_1、第一电感Lm_1形成LC谐振。谐振腔的增益主要由第一电容Cm_1和第一电感Lm_1来控制，此时，谐振腔仅有一个低频谐振频率点：
其中，Cm为第一电容Cm_1的电容值，Lm为第一电感Lm_1的电感值。即正向传输时，控制单元控制第一斩波电路的斩波频率大于fl,f。控制单元通过降低开关频率来增加输出电压，通过提高开关频率来降低输出电压。
在第一变流支路反向工作时，第一电感Lm_1、第二电感Lr_1、第二电容Cr_1形成LLC谐振。谐振腔的增益主要由第一电感Lm_1、第二电感Lr_1、第二电容Cr_1来控制。此时，振荡器会产生高频、低频两个谐振频率点，低频谐振频率点为：
高频谐振频率点为：
其中，Cr为第二电容Cr_1的电容值，Lr为第二电感Lr_1的电感值。即反向传输时，控制单元控制第二斩波电路的斩波频率大于fl,b。
采用以上方式可以控制多相双向谐振变换器能量的正向和反向流动。多相双向谐振变换器通过降低开关频率来增加输出电压，通过提高开关频率来降低输出电压。
如图5所示，控制单元通过相位差为120度的三路PWM信号Vm_1、Vm_2、Vm_3控制分别控制三个变流支路中的第一斩波电路进行斩波操作，并分别产生三个电流Ip_1、Ip_2、Ip_3并分别输出到三个第一电容Cm_1、Cm_2、Cm_3；电流Ip_1、Ip_2、Ip_3分别经三个变流支路中的谐振腔和变压器处理后分别生成电流I1、I2、I3，且电流I1、I2、I3叠加后输出纹波大大降低。
如图6所示，是本实用新型的多相双向谐振变换器的另一实施例的电路拓扑图，其包括多个具有相同拓扑结构的变流支路。
以下以第一个变流支路来说明本实施例中的变流支路的结构：谐振腔中的正向谐振电路和反向谐振电路共用一个第一电感Lm_1，正向谐振电路由第一电感Lm_1、两个第三电容Cp_1构成，反向谐振电路由第二电感Lr_1、第二电容Cr_1及第一电感Lm_1构成；两个第三电容Cp_1串联连接在第一外接端子V1的两个接线端之间；第二电容Cr_1、第二电感Lr_1串联连接在两个第三电容Cp_1的连接点与变压器T_1的第一侧绕组的第一接线端之间；第一电感Lm_1的第一端连接到两个第三电容Cp_1的连接点，且第一电感Lm_1的第二端分别连接第一斩波电路的两个开关管的连接点以及变压器T_1的第一侧绕组的第二接线端。
此外，在谐振腔中的正向谐振电路也可采用LLC谐振电路，即正向谐振电路和反向谐振电路共用一个第一电感，正向谐振电路由一个第三电感、一个第一电容及第一电感构成，反向谐振电路由一个第二电感、一个第二电容及第一电感构成；第三电感、第一电容、第二电容和第二电感串联连接在第一斩波电路的第一接线端与变压器的第一侧绕组的第一接线端之间；第一电感的第一端连接到第一电容与第二电容的连接点，第一电感的第二端直接连接到第一斩波电路的第二接线端以及变压器第一侧绕组的第二接线端。
特别地，第一斩波电路和第二斩波电路除了采用单桥臂斩波结构外，还可采用H桥臂斩波结构。并且，各个变流支路中的谐振腔的第二电感还可集成到所在变流支路的变压器，以减少元件数量。
以上所述，仅为本实用新型较佳的具体实施方式，但本实用新型的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本实用新型揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本实用新型的保护范围之内。因此，本实用新型的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。

Claims (10)

1.一种多相双向谐振变换器，其特征在于：包括控制单元以及并联连接在第一外接端子和第二外接端子之间的n条变流支路，且每一所述变流支路包括依次连接的第一变换单元、正向谐振电路、反向谐振电路、变压器和第二变换单元，所述n为大于或等于2的整数；所述控制单元分别与所述n条变流支路的第一变换单元以及第二变换单元连接并输出脉冲宽度调制信号，且n个脉冲宽度调制信号之间的相位差依次为360/n度。
2.根据权利要求1所述的多相双向谐振变换器，其特征在于：所述第一变换单元由第一斩波电路构成，且所述第一斩波电路包括多个开关管；所述第二变换单元由第二斩波电路构成，且所述第二斩波电路包括多个开关管；所述第一斩波电路和所述第二斩波电路的开关管的控制端分别连接到所述控制单元。
3.根据权利要求2所述的多相双向谐振变换器，其特征在于：所述正向谐振电路和反向谐振电路共用一个第一电感，所述正向谐振电路由一个第一电容及第一电感构成，所述反向谐振电路由一个第二电感、一个第二电容及第一电感构成；所述第一电容、第二电容和第二电感串联连接在第一斩波电路的第一接线端与变压器的第一侧绕组的第一接线端之间；所述第一电感的第一端连接到第一电容与第二电容的连接点，所述第一电感的第二端直接连接到第一斩波电路的第二接线端以及所述变压器第一侧绕组的第二接线端。
4.根据权利要求3所述的多相双向谐振变换器，其特征在于：在能量由第一外接端子流向第二外接端子时，所述第一斩波电路的斩波频率大于：
其中，Cm为第一电容的容值，Lm为第一电感的电感量。
5.根据权利要求3所述的多相双向谐振变换器，其特征在于：在能量由第二外接端子流向第一外接端子时，所述第二斩波电路的斩波频率大于：
其中，Cr为第二电容的容值，Lr为第二电感的电感量，Lm为第一电感的电感量。
6.根据权利要求2所述的多相双向谐振变换器，其特征在于：所述正向谐振电路和反向谐振电路共用一个第一电感，所述正向谐振电路由第一电感、两个第三电容构成，所述反向谐振电路由第二电感、第二电容及第一电感构成；所述两个第三电容串联连接在第一外接端子的两个接线端之间；所述第二电容、第二电感串联连接在两个第三电容的连接点与变压器的第一侧绕组的第一接线端之间；所述第一电感的第一端连接到两个第三电容的连接点，且所述第一电感的第二端分别连接第一斩波电路的两个开关管的连接点以及变压器的第一侧绕组的第二接线端。
7.根据权利要求2所述的多相双向谐振变换器，其特征在于：所述正向谐振电路和反向谐振电路共用一个第一电感，所述正向谐振电路由一个第三电感、一个第一电容及第一电感构成，所述反向谐振电路由一个第二电感、一个第二电容及第一电感构成；所述第三电感、第一电容、第二电容和第二电感串联连接在第一斩波电路的第一接线端与变压器的第一侧绕组的第一接线端之间；所述第一电感的第一端连接到第一电容与第二电容的连接点，所述第一电感的第二端直接连接到第一斩波电路的第二接线端以及变压器第一侧绕组的第二接线端。
8.根据权利要求2所述的多相双向谐振变换器，其特征在于：所述第一斩波电路采用单桥臂斩波结构或H桥臂斩波结构；所述第二斩波电路采用单桥臂结构或H桥斩波结构。
9.根据权利要求3、6或7所述的多相双向谐振变换器，其特征在于：所述第二电感集成到所述变压器。
10.根据权利要求1所述的多相双向谐振变换器，其特征在于：所述第一外接端子和所述第二外接端子分别连接有滤波电容。
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Patentee after: Suzhou Huichuan United Power System Co.,Ltd.

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