CN212627694U

CN212627694U - 一种llc谐振型三端口dc-dc变换器结构

Info

Publication number: CN212627694U
Application number: CN202020470030.XU
Authority: CN
Inventors: 高圣伟; 查茜; 赵子祎; 王浩
Original assignee: Tianjin Polytechnic University
Current assignee: Tianjin Polytechnic University
Priority date: 2020-04-02
Filing date: 2020-04-02
Publication date: 2021-02-26
Anticipated expiration: 2030-04-02

Abstract

本实用新型公开一种LLC谐振型三端口DC‑DC变换器结构，该变换器结构由原边电路、副边电路、变压器加LLC谐振网络三部分构成。原边电路和副边电路是由双路交错并联双向Buck‑Boost电路与双有源桥集成所得，变压器加LLC谐振网络由高频变压器、谐振电容C_r、谐振电感L_r和励磁电感L_m构成。本实用新型将双有源桥电路与双向Buck‑Boost电路集成起来，通过开关管复用，集成输入功率母线，实现开关管数量减少，系统功率密度提升，原边电压升降压灵活，降低成本。该三端口变换器结构适用于光伏发电系统、燃料电池汽车、混合电动汽车与混合储能等系统。

Description

一种LLC谐振型三端口DC-DC变换器结构

技术领域

本实用新型涉及光伏发电系统、燃料电池汽车、混合电动汽车与混合储能等系统中的电力电子变换器领域，尤其涉及一种LLC谐振型三端口DC-DC变换器结构。

背景技术

地球资源的逐渐短缺以及人们对地球环境的日渐关注使可再生能源发电系统的运用越来越广泛。目前，光伏发电和风力发电是可再生能源发电形式中应用较多的两种，但由于自然气候的影响，会发生电力供应不稳定、不连续的问题。因此，常常需要将可再生能源和其它能源及储能系统结合起来构成可再生能源联合供电系统，利用可再生能源和其他能源之间的互补从而获得较稳定和连续的电能，例如光伏一蓄电池联合供电系统，蓄电池单元加入，不仅提高了系统的稳定性，还实现了能量的高效运用。

为了实现多个输入电源共同给负载供电，需要多端口变换器作为接口，连接发电单元、储能单元以及负载端口。传统的联合供电系统中，每种形式的能源均要一个DC-DC变换器与之对应，将光伏或燃料电池等可再生能源或储能系统连接到公共直流母线上，直流母线不仅能给直流负载供电，也能通过 DC-DC变换器与储能系统进行能量转换。这种变换器结构包含较多功率变换单元，结构较为复杂，且每增加一个端口就相应增加一个功率变换单元，系统成本高，可靠性较低。

实用新型内容

本实用新型提供一种LLC谐振型三端口DC-DC变换器结构，以实现减少开关管数量，降低成本，提升系统功率密度，原边电压升降压灵活的目的。

本实用新型提供一种LLC谐振型三端口DC-DC变换器结构，该变换器由原边电路、副边电路、变压器加LLC谐振网络三部分构成。原边电路和副边电路是由双路交错并联双向Buck-Boost电路与双有源桥集成所得，变压器加LLC谐振网络由高频变压器、谐振电容C_r、谐振电感L_r和励磁电感L_m构成。

所述原边电路包括直流电压源V₁、蓄电池电源V_bat，输入电容C_i，第一电感L₁、第二电感L₂及开关管S₁、开关管S₂、开关管S₃、开关管S₄；开关管S₁、开关管S₂、开关管S₃、开关管S₄构成全桥单元，开关管S₁的源极与开关管S₂的漏极连接，构成全桥单元的前桥臂，开关管S₃的源极与开关管S₄的漏极连接，构成全桥单元的后桥臂，全桥单元的前桥臂、全桥单元的后桥臂并联连接构成原边全桥单元；直流电压源V₁与输入电容C_i、原边全桥单元并联连接；蓄电池电源V_bat的正极连接第一电感L₁与第二电感L₂的公共端，第一电感L₁的另一端与前桥臂中点连接，第二电感L₂的另一端与后桥臂中点连接。

所述副边电路包括开关管S₅、开关管S₆、开关管S₇、开关管S₈、输出电容C_o和输出电阻R_o；开关管S₅、开关管S₆、开关管S₇、开关管S₈。开关管S₅的源极与开关管S₆的漏极连接，构成全桥单元的前桥臂，开关管S₇的源极与开关管S₈的漏极连接，构成全桥单元的后桥臂，全桥单元的前桥臂、全桥单元的后桥臂并联连接构成副边全桥单元；副边全桥单元与输出电容C_o和输出电阻R_o并联连接。

所述变压器加LLC谐振网络包括高频变压器、谐振电容C_r、谐振电感L_r和励磁电感L_m；所述高频变压器包括两个绕组N₁和N₂，原边绕组为绕组N₁，副边绕组为绕组N₂；绕组N₁与励磁电感L_m并联，谐振电感L_r一端与开关管S₁的源极连接，另一端与高频变压器的绕组N₁同名端相连；谐振电容C_r的一端与开关管S₃的源极连接，另一端与高频变压器的绕组N₁非同名端相连；高频变压器的绕组N₂的同名端与开关管S₅的源极相连，其非同名端与开关管S₇的源极相连。

本实用新型的有益效果为：

(1)本实用新型通过双路交错并联双向Buck-Boost电路与双有源桥集成在一起，形成三端口DC-DC变换器，实现开关管的复用，集成输入功率母线，实现开关管数量减少，系统功率密度提升，原边电压升降压灵活，降低成本。本三端口变换器结构适用于光伏发电系统、燃料电池汽车、混合电动汽车与混合储能等系统。有效减少开关管的数量，降低成本，提高系统功率密度。

(2)本实用新型的直流电压源V₁与蓄电池电源V_bat均可实现能量双向传输，易于系统的能量管理控制，可提高输入能量的利用率。

(3)LLC谐振网络、第一电感L₁与第二电感L₂使原边电路和副边电路的八个开关管均可实现软开关，从而减小变换器的开关损耗，实现提高开关频率和系统功率密度的目的。由于原边电路是双向Buck-Boost电路交错并联工作，使得电流纹波明显降低，接入新能源与储能等系统中更为合适。

(4)本实用新型简化了电路结构，使用三端口DC-DC变换器代替传统的变换器结构，通过变换器拓扑和功能合并，组成新型的可再生能源分布式发电系统。三端口DC-DC变换器的开关器件数目和相关辅助电路较少，成本低，功率密度高，功率变换的级数减少，系统效率提高，布置紧凑，装置的可靠性增强，易于实现能量集中控制。并且，两个输入端口可以单独或同时向负载供电，系统的稳定性和灵活性也明显提高。

附图说明

图1是本实用新型LLC谐振型三端口DC-DC变换器的电路结构原理图；

图2本实用新型LLC谐振型三端口DC-DC变换器在光伏一蓄电池供电系统中各功率传输模式等效电路图的光伏输入端到储能电池端的等效电路图。

图3本实用新型LLC谐振型三端口DC-DC变换器在光伏一蓄电池供电系统中各功率传输模式等效电路图的光伏输入端到负载输出端的等效电路图。

图4本实用新型LLC谐振型三端口DC-DC变换器在光伏一蓄电池供电系统中各功率传输模式等效电路图的储能电池端到负载输出端的等效电路图。

图中符号含义：V₁为输入/输出直流电压源、V_bat为蓄电池输入/输出电源，V_pv为光伏输入/输出端，C_i为输入电容，L₁为第一电感、L₂为第二电感，开关管为S₁、开关管为S₂、开关管为S₃、开关管为S₄，R_o为输出电阻，C_r为谐振电容，L_r为谐振电感，L_m为励磁电感，N₁和N₂为高频变压器的两个绕组，S₅-S₈为副边电路四个开关管，C_o为输出电容，R_o为输出电阻。

具体实施方式

下面结合附图对本实用新型进一步说明。

实施例1

针对光伏发电系统、燃料电池汽车、混合电动汽车与混合储能等系统的应用，本实用新型提出一种LLC谐振型三端口DC-DC变换器结构，如图1所示。该变换器由原边电路、副边电路、变压器加LLC谐振网络三部分构成。原边电路和副边电路是由双路交错并联双向Buck-Boost电路与双有源桥集成所得，变压器加LLC谐振网络由高频变压器、谐振电容C_r、谐振电感L_r和励磁电感L_m构成。

如图1，所述LLC谐振型三端口DC-DC变换器结构由直流电压源V₁、蓄电池电源V_bat、输入电容C_i、第一电感L₁、第二电感L₂、原边电路开关管S₁、开关管S₂、开关管S₃、开关管S₄副边电路，开关管S₅、开关管S₆、开关管S₇、开关管S₈、输出电容C_o、输出电阻R_o、高频变压器、谐振电容C_r、谐振电感L_r和励磁电感L_m构成；

原边电路四个开关管构成全桥单元，开关管S₁的源极与开关管S₂的漏极连接，构成全桥单元的前桥臂，开关管S₃的源极与开关管S₄的漏极连接，构成全桥单元的后桥臂，前后两个桥臂并联连接构成原边全桥单元；直流电压源V₁与输入电容C_i、原边全桥单元并联连接；蓄电池电源V_bat的正极连接第一电感L₁与第二电感L₂的公共端，第一电感L₁的另一端与前桥臂中点连接，第二电感L₂的另一端与后桥臂中点连接；副边电路开关管S₅的源极与开关管S₆的漏极连接，构成全桥单元的前桥臂，开关管S₇的源极与开关管S₈的漏极连接，构成全桥单元的后桥臂，前后两个桥臂并联连接构成副边全桥单元；副边全桥单元与输出电容C_o和输出电阻R_o并联连接；LLC谐振网络的高频变压器包括两个绕组N₁和N₂，原边绕组为绕组N₁，副边绕组为绕组N₂；绕组N₁与励磁电感L_m并联，谐振电感 L_r一端与开关管S₁的源极连接，另一端与高频变压器的绕组N₁同名端相连；谐振电容C_r的一端与开关管S₃的源极连接，另一端与高频变压器的绕组N₁非同名端相连；高频变压器的绕组N₂的同名端与开关管S₅的源极相连，其非同名端与开关管S₇的源极相连。

Claims

1.一种LLC谐振型三端口DC-DC变换器结构，其特征在于：包括原边电路、副边电路、变压器加LLC谐振网络三部分构成，原边电路和副边电路由双路交错并联双向Buck-Boost电路与双有源桥集成所得，变压器加LLC谐振网络由高频变压器、谐振电容C_r、谐振电感L_r和励磁电感L_m构成。

2.按照权利要求1所述的一种LLC谐振型三端口DC-DC变换器结构，其特征在于：所述原边电路包括直流电压源V₁、蓄电池电源V_bat，输入电容C_i，第一电感L₁、第二电感L₂、开关管S₁、开关管S₂、开关管S₃、开关管S₄；开关管S₁、开关管S₂、开关管S₃、开关管S₄构成全桥单元，开关管S₁的源极与开关管S₂的漏极连接组成全桥单元的前桥臂，开关管S₃的源极与开关管S₄的漏极连接构成全桥单元的后桥臂，全桥单元的前桥臂、全桥单元的后桥臂并联连接构成原边全桥单元；直流电压源V₁与输入电容C_i、原边全桥单元并联连接；蓄电池电源V_bat的正极连接第一电感L₁与第二电感L₂的公共端，第一电感L₁的另一端与前桥臂中点连接，第二电感L₂的另一端与后桥臂中点连接。

3.按照权利要求1所述的一种LLC谐振型三端口DC-DC变换器结构，其特征在于：所述副边电路包括开关管S₅、开关管S₆、开关管S₇、开关管S₈、输出电容C_o和输出电阻R_o；开关管S₅的源极与开关管S₆的漏极连接构成全桥单元的前桥臂，开关管S₇的源极与开关管S₈的漏极连接构成全桥单元的后桥臂，全桥单元的前桥臂、全桥单元的后桥臂并联连接构成副边全桥单元；副边全桥单元与输出电容C_o和输出电阻R_o并联连接。

4.按照权利要求1所述的一种LLC谐振型三端口DC-DC变换器结构，其特征在于：所述变压器加LLC谐振网络包括高频变压器、谐振电容C_r、谐振电感L_r和励磁电感L_m；所述高频变压器包括两个绕组N₁和N₂，原边绕组为绕组N₁，副边绕组为绕组N₂；绕组N₁与励磁电感L_m并联，谐振电感L_r一端与开关管S₁的源极连接，另一端与高频变压器的绕组N₁同名端相连；谐振电容C_r的一端与开关管S₃的源极连接，另一端与高频变压器的绕组N₁非同名端相连；高频变压器的绕组N₂的同名端与开关管S₅的源极相连，其非同名端与开关管S₇的源极相连。