CN213367644U - 一种双向谐振变换器 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种双向谐振变换器，包括三电平单元、谐振单元和两电平单元；三电平单元包括三个桥臂单元，各桥臂单元的一端相互连接为第一直流正端，各桥臂单元的另一端相互连接为第一直流负端；各桥臂单元的中心点为交流端；谐振单元包括谐振变压器，谐振变压器包括三个原边和三个副边，三个原边的一端与各交流端相连，另一端相互连接；两电平单元包括三个两电平电路，各两电平电路包括两个桥臂，三个两电平电路的桥臂中心点与三个副边对应相连，各桥臂的一端连接为第二直流正端，另一端连接为第二直流负端，各两电平电路的第二直流端相互独立或者相互串联。本实用新型具有能量双向流动、可适应高电压大功率的复杂应用场景等优点。

Description

一种双向谐振变换器

技术领域

本实用新型主要涉及电压变换技术领域，具体涉及一种双向谐振变换器。

背景技术

目前典型的谐振变换器的电路原理如图1所示，包括一个开关网络(Q11、Q12)、一个谐振单元(电容Cr11、电感Lr11、电感Lm11)、谐振变压器(T11)和一个整流网络(S21、S22)。通过控制开关网络的开关频率，实现对输出电压的调节。这种谐振变换器的优点是能够实现原边的开关管零电压开通和副边整流二极管零电流关断，通过软开关技术，可以降低开关损耗，提高转换效率和功率密度。但是这种典型应用方式的缺点是不适合高电压和大功率传输。

实用新型内容

本实用新型要解决的技术问题就在于：针对现有技术存在的问题，本实用新型提供一种适应高电压、能量双向流动的双向谐振变换器。

为解决上述技术问题，本实用新型提出的技术方案为：

一种双向谐振变换器，包括依次相连的三电平单元、谐振单元和两电平单元；

所述三电平单元包括三个相互并联的桥臂单元，各所述桥臂单元的一端相互连接为第一直流正端，各所述桥臂单元的另一端相互连接为第一直流负端，所述第一直流正端和第二直流负端组合为第一直流端；各所述桥臂单元的中心点为交流端；各所述桥臂单元均包括四个功率开关；

所述谐振单元包括谐振变压器，所述谐振变压器包括三个原边和三个副边，三个原边的一端分别与各交流端相连，三个原边的另一端相互连接；

所述两电平单元包括三个两电平电路，各所述两电平电路均包括两个相互并联的桥臂，三个所述两电平电路的桥臂中心点与三个副边对应相连，各所述桥臂的一端相互连接为第二直流正端，各所述桥臂的另一端相互连接为第二直流负端，各所述两电平电路的第二直流正端与第二直流负端组合为第二直流端，各所述两电平电路的第二直流端相互独立或者相互串联。

作为上述技术方案的进一步改进：

各桥臂单元的上桥臂和下桥臂均包括两个功率开关，上桥臂的中心点与下桥臂的中心点之间设有箝位电路。

所述箝位电路包括两个相互串联的二极管，其中一个二极管的阴极与上桥臂的中心点相连，阳极与另一个二极管的阴极相连，另一个二极管的阳极与下桥臂的中心点相连。

所述第一直流正端与第一直流负端之间并联有电容单元，所述电容单元包括两个相互串联的电容，两个电容的连接点与各交流端相连。

所述谐振变压器的各个原边依次串联有谐振电感和谐振电容，且并联有励磁电感。

所述谐振电感为所述谐振变压器的漏感。

所述励磁电感为所述谐振变压器的励磁电感。

所述功率开关为Si-IGBT或Si-MOSFET或SiC-MOSFET。

各两电平电路的桥臂均包括两个功率管，各功率管为Si-IGBT或Si-MOSFET或SiC-MOSFET或GaN。

所述两电平单元的第二直流端并联有滤波单元。

与现有技术相比，本实用新型的优点在于：

本实用新型的双向谐振变换器，可实现能量双向流动、可适应高电压、大功率的复杂应用场景；在铁路车辆弓网正常时，将高压直流输入转换为低压直流向蓄电池充电，存储能量；当因弓网故障、自然灾害等引起铁路车辆供电中断异常时，释放蓄电池能量，将低压直流转换为高压直流给负载供电，从而维持交流负载(如电机、空调等)工作，进而实现电机拖动或维持空调运行，提升运营体验。其中三电平单元包括电容单元和箝位电路，能够实现对输入电压的分压以及对各功率开关的箝位，能够适应大功率传输。

附图说明

图1为现有技术中典型谐振电路原理图。

图2为本实用新型在实施例一中的电路原理图。

图3为本实用新型在实施例二中的电路原理图。

图中标号表示：1、三电平单元；2、谐振单元；3、两电平单元；4、滤波单元。

具体实施方式

以下结合说明书附图和具体实施例对本实用新型作进一步描述。

实施例一：

如图2所示，本实施例的双向谐振变换器，包括依次相连的三电平单元1、谐振单元2和两电平单元3；三电平单元1用于承载高电压，具体包括三个相互并联的桥臂单元，各桥臂单元的一端相互连接为第一直流正端，各桥臂单元的另一端相互连接为第一直流负端，第一直流正端和第二直流负端组合为第一直流端V1；各桥臂单元的中心点为交流端；各桥臂单元均包括四个功率开关，能够承受高电压；谐振单元2用于形成谐振槽及变压隔离，具体包括谐振变压器T1，用于实现变压及电气隔离，其中谐振变压器包括三个原边和三个副边，三个原边的一端分别与各交流端相连，三个原边的另一端相互连接；两电平单元3用于承载低压大功率，具体包括三个两电平电路，各两电平电路均包括两个相互并联的桥臂，三个两电平电路的桥臂中心点与三个副边对应相连，各桥臂的一端相互连接为第二直流正端，各桥臂的另一端相互连接为第二直流负端，各两电平电路的第二直流正端与第二直流负端组合为第二直流端V2，各两电平电路的第二直流端相互串联。

本实用新型的双向谐振变换器，可实现能量双向流动、可适应高电压、大功率的复杂应用场景；在铁路车辆弓网正常时，将高压直流输入转换为低压直流向蓄电池充电，存储能量；当因弓网故障、自然灾害等引起铁路车辆供电中断异常时，释放蓄电池能量，将低压直流转换为高压直流给负载供电，从而维持交流负载(如电机、空调等)工作，进而实现电机拖动或维持空调运行，提升运营体验。

本实施例中，三个桥臂单元分别为第一桥臂单元、第二桥臂单元和第三桥臂单元，其中第一桥臂单元包括功率开关Q1～Q4，第二桥臂单元包括Q5～Q8，第三桥臂单元包括Q9～Q12。其中各桥臂单元的上桥臂和下桥臂均包括两个功率开关，上桥臂的中心点与下桥臂的中心点之间设有箝位电路，分别为第一箝位电路、第二箝位电路和第三箝位电路，实现各功率开关Q1～Q12的电压箝位，将每个功率开关承受的电压应力箝持为输入电压的一半。具体地，各箝位电路包括两个相互串联的二极管，其中一个二极管的阴极与上桥臂的中心点相连，阳极与另一个二极管的阴极相连，另一个二极管的阳极与下桥臂的中心点相连。如图2所示，其中第一箝位电路包括二极管D1和D2，第二箝位电路包括二极管D3和D4，第三箝位电路包括二极管D5和D6。

进一步地，第一直流正端与第一直流负端之间并联有电容单元，电容单元包括两个相互串联的电容，分别为C1a和C1b，实现滤波及分压，分压即是将第一直流端的电压等分成电压仅为其一半的两个电压源，其中两个电容的连接点与各交流端相连。

本实施例中，谐振变压器的各个原边依次串联有谐振电感(Lr1～Lr3)和谐振电容(Cr1～Cr3)，且并联有励磁电感(Lm1～Lm3)。上述谐振电感(Lr1～Lr3)、谐振电容(Cr1～Cr3)和励磁电感(Lm1～Lm3)均为谐振单元2(谐振网络)的一部分，其中谐振电感(Lr1～Lr3)为谐振变压器的漏感；励磁电感(Lm1～Lm3)为谐振变压器的励磁电感，从而节省成本。当然，在其实施例中，谐振电感(Lr1～Lr3)和励磁电感(Lm1～Lm3)也可以为独立存在的电感器件。

本实施例中，各功率开关属于高压侧开关器件，可以为Si-IGBT或Si-MOSFET或SiC-MOSFET。

本实施例中，各两电平电路的桥臂均包括两个功率管。各功率管(S1～S12)均为低压侧开关器件，可以为Si-IGBT或Si-MOSFET或SiC-MOSFET或GaN。

本实施例中，第二直流端并联有滤波单元4，用于低通滤波；其中滤波单元4包括电容C2。

具体工作原理：当能量由V1向V2变换流动时，Q1～Q12逆变，S1～S12整流，Lm1～Lm3参与谐振。

当能量由V2向V1变换流动时，S1～S12逆变、Q1～Q12整流，Lm1～Lm3不参与谐振。

实施例二：

如图3所示，本实施例的双向谐振变换器与实施例一的区别仅在于：各两电平电路的第二直流端相互独立，分别为V2a、V2b和V2c。V2a、V2b和V2c各自保持在独立、电气隔离的状态，减小相互影响，从而有利于低压系统的配电独立性和可靠性。其它未述内容与实施例一相同，在此不再赘述。

以上仅是本实用新型的优选实施方式，本实用新型的保护范围并不仅局限于上述实施例，凡属于本实用新型思路下的技术方案均属于本实用新型的保护范围。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本实用新型原理前提下的若干改进和润饰，应视为本实用新型的保护范围。

Claims (10)

1.一种双向谐振变换器，其特征在于，包括依次相连的三电平单元(1)、谐振单元(2)和两电平单元(3)；

所述三电平单元(1)包括三个相互并联的桥臂单元，各所述桥臂单元的一端相互连接为第一直流正端，各所述桥臂单元的另一端相互连接为第一直流负端，所述第一直流正端和第二直流负端组合为第一直流端；各所述桥臂单元的中心点为交流端；各所述桥臂单元均包括四个功率开关；

所述谐振单元(2)包括谐振变压器，所述谐振变压器包括三个原边和三个副边，三个原边的一端分别与各交流端相连，三个原边的另一端相互连接；

所述两电平单元(3)包括三个两电平电路，各所述两电平电路均包括两个相互并联的桥臂，三个所述两电平电路的桥臂中心点与三个副边对应相连，各所述桥臂的一端相互连接为第二直流正端，各所述桥臂的另一端相互连接为第二直流负端，各所述两电平电路的第二直流正端与第二直流负端组合为第二直流端，各所述两电平电路的第二直流端相互独立或者相互串联。

2.根据权利要求1所述的双向谐振变换器，其特征在于，各桥臂单元的上桥臂和下桥臂均包括两个功率开关，上桥臂的中心点与下桥臂的中心点之间设有箝位电路。

3.根据权利要求2所述的双向谐振变换器，其特征在于，所述箝位电路包括两个相互串联的二极管，其中一个二极管的阴极与上桥臂的中心点相连，阳极与另一个二极管的阴极相连，另一个二极管的阳极与下桥臂的中心点相连。

4.根据权利要求3所述的双向谐振变换器，其特征在于，所述第一直流正端与第一直流负端之间并联有电容单元，所述电容单元包括两个相互串联的电容，两个电容的连接点与各交流端相连。

5.根据权利要求1～4中任意一项所述的双向谐振变换器，其特征在于，所述谐振变压器的各个原边依次串联有谐振电感和谐振电容，且并联有励磁电感。

6.根据权利要求5所述的双向谐振变换器，其特征在于，所述谐振电感为所述谐振变压器的漏感。

7.根据权利要求6所述的双向谐振变换器，其特征在于，所述励磁电感为所述谐振变压器的励磁电感。

8.根据权利要求1～4中任意一项所述的双向谐振变换器，其特征在于，所述功率开关为Si-IGBT或Si-MOSFET或SiC-MOSFET。

9.根据权利要求1～4中任意一项所述的双向谐振变换器，其特征在于，各两电平电路的桥臂均包括两个功率管，各功率管为Si-IGBT或Si-MOSFET或SiC-MOSFET或GaN。

10.根据权利要求9所述的双向谐振变换器，其特征在于，所述两电平单元(3)的第二直流端并联有滤波单元(4)。

Images