CN217508601U - 一种三相双向dc-dc变换器 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开一种三相双向DC‑DC变换器，包括三相桥式开关电路、谐振腔、三个隔离变压器以及三相桥式整流电路，所述谐振腔包括三个谐振电路，三个谐振电路分别对应连接于三相桥式开关电路的三个桥臂的中点和三个隔离变压器初级绕组之间，每一谐振电路包括第一电感、第二电感、第一电容及开关，所述第二电感和开关串联后的两端分别连接第一电感的一端和一隔离变压器初级绕组的异名端，并连接至三相桥式开关电路，所述第一电容两端分别连接第一电感的另一端和隔离变压器初级绕组的同名端，三个隔离变压器次级绕组的同名端分别连接三相桥式整流电路的三个桥臂的中点，三个所述隔离变压器初级绕组和次级绕组的异名端分别互相连接形成Y型连接。

Description

一种三相双向DC-DC变换器

技术领域

本实用新型涉及电源转换技术领域，更具体地涉及一种三相双向DC-DC变换器。

背景技术

双向DC-DC变换器是能够根据需要调节能量双向传输的直流/直流的变换器，其主要运用于储能系统、车载电源系统、回馈充放电系统、混合能源电动汽车等场合。

在传统的LLC谐振双向变换器中，无论正反向工作均能够实现原边侧开关管的ZVS导通以及整流侧二极管的ZCS导通，但其在能量反向流动时，其电路特性不再是LLC谐振特性而退化为LC谐振特性，LC谐振最大的电压增益变为1，大大降低了反向工作时的电压增益，使输出电压范围极大变窄，因此不太适合工作在宽电压范围能量双向流动的状态，限制了其应用场景。

实用新型内容

本实用新型所要解决的技术问题是提供一种正反向工作时损耗小，能提升工作电压范围的三相双向DC-DC变换器。

为解决上述技术问题，本实用新型提供一种三相双向DC-DC变换器，包括三相桥式开关电路、谐振腔、三个隔离变压器以及三相桥式整流电路，所述三相桥式开关电路和三相桥式整流电路的一侧分别作为三相双向DC-DC变换器的第一连接侧和第二连接侧，所述谐振腔包括三个谐振电路，三个所述谐振电路分别对应连接于三相桥式开关电路的三个桥臂的中点和三个隔离变压器初级绕组之间，其中，

每一谐振电路包括第一电感、第二电感、第一电容以及开关，所述第二电感和开关串联后的两端分别连接第一电感的一端和一隔离变压器初级绕组的异名端，且该第二电感和开关串联后的一端还连接至三相桥式开关电路中一桥臂的中点，所述第一电容两端分别连接第一电感的另一端和所述隔离变压器初级绕组的同名端，三个隔离变压器次级绕组的同名端分别对应连接三相桥式整流电路的三个桥臂的中点，三个所述隔离变压器初级绕组和次级绕组的异名端分别互相连接形成Y型连接。

其进一步技术方案为：每一所述隔离变压器还包括有第三电感，所述第三电感并联于该隔离变压器初级绕组的同名端和异名端之间。

其进一步技术方案为：每一所述谐振电路还包括有第二电容，所述第二电容连接于三相桥式开关电路桥臂的中点和第一电感之间。

其进一步技术方案为：所述三相桥式开关电路包括六个开关管，每两个开关管串联构成一个桥臂，三个桥臂并联后其两端作为三相双向DC-DC变换器的第一连接侧。

其进一步技术方案为：所述三相桥式整流电路包括六个开关管，每两个开关管串联构成一个桥臂，三个桥臂并联后其两端作为三相双向DC-DC变换器的第二连接侧。

其进一步技术方案为：所述开关管选用MOSFET或IGBT。

其进一步技术方案为：所述三相双向DC-DC变换器还包括第一滤波电容和第二滤波电容，所述第一滤波电容两端连接至三相双向DC-DC变换器的第一连接侧，所述第二滤波电容两端连接至第二连接侧。

与现有技术相比，本实用新型三相双向DC-DC变换器中的谐振电路在能量正反向流动时的等效电路均为多元件谐振电路，正反向工作时均实现软开关，损耗小，解决了传统LLC谐振电路反向增益不足的问题，即本实用新型三相双向DC-DC变换器在能量反向流动时，即能量从第二连接侧向第一连接侧流动时可升压，可有效提升变换器的工作电压范围，实现宽电压范围输入输出。

附图说明

图1是本实用新型三相双向DC-DC变换器第一实施例的电路示意图。

图2是本实用新型三相双向DC-DC变换器第二实施例的电路示意图。

图3是本实用新型三相双向DC-DC变换器第三实施例的电路示意图。

具体实施方式

为使本领域的普通技术人员更加清楚地理解本实用新型的目的、技术方案和优点，以下结合附图和实施例对本实用新型做进一步的阐述。

参照图1，图1为本实用新型三相双向DC-DC变换器10第一实施例的电路示意图。在附图所示的实施例中，所述三相双向DC-DC变换器10包括三相桥式开关电路100、谐振腔200、三个隔离变压器以及三相桥式整流电路300，所述三相桥式开关电路100和三相桥式整流电路300的一侧分别作为变换器10的第一连接侧和第二连接侧，以连接电源或负载，所述谐振腔包括三个谐振电路，三个所述谐振电路分别对应连接于三相桥式开关电路100的三个桥臂的中点和三个隔离变压器初级绕组之间。其中，每一所述谐振电路包括第一电容、第一电感、第二电感以及开关，所述第二电感和开关串联后的两端分别连接第一电感的一端和一隔离变压器初级绕组的异名端，且该第二电感和开关串联后的一端还连接至三相桥式开关电路100中一桥臂的中点，所述第一电容两端分别连接第一电感的另一端和所述隔离变压器初级绕组的同名端，三个隔离变压器次级绕组的同名端分别对应连接三相桥式整流电路300的三个桥臂的中点，三个所述隔离变压器初级绕组和次级绕组的异名端分别互相连接形成Y型连接，即三个所述隔离变压器初级绕组的异名端互相连接形成Y型连接，该三个隔离变压器次级绕组的异名端同样互相连接形成Y型连接。优选地，所述第一电感和第二电感的电感量相同。本实施例中，当能量从第一连接侧向第二连接侧流动时，开关断开，此时隔离变压器中的励磁电感一起工作，和第一电容以及第二电感构成三元件等效电路，而当能量从第二连接侧向第一连接侧流动时开关闭合。

具体地，本实施例中，所述谐振腔200包括第一谐振电路、第二谐振电路和第三谐振电路，三个隔离变压器包括第一隔离变压器T1、第二隔离变压器T2以及第三隔离变压器T3，所述第一谐振电路包括第一电感L1、第二电感L2、第一电容C1和开关S1，所述第二谐振电路包括第一电感L3、第二电感L4、第一电容C2和开关S2，所述第三谐振电路包括第一电感L5、第二电感L6、第一电容C3和开关S3，在附图所示的实施例中，所述第一电感L1、第一电感L3以及第一电感L5对应连接所述三相桥式开关电路100的三个桥臂的中点，所述第二电感L2、第二电感L4以及第二电感L6分别和开关S1、开关S2和开关S3串联后对应连接第一隔离变压器T1、第二隔离变压器T2以及第三隔离变压器T3初级绕组的异名端。

本实施例中，当能量正向流动时，即能量从第一连接侧向第二连接侧流动时，三相双向DC-DC变换器10的第一连接侧作为直流输入端，可外接电源，其第二连接侧作为直流输出端，可外接负载；而当能量反向流动时，即能量从第二连接侧向第一连接侧流动时，则三相双向DC-DC变换器10的第二连接侧作为直流输入端，其第一连接侧作为直流输出端。本实用新型三相双向DC-DC变换器10结构简单，在能量正反向流动时的等效电路均为多元件谐振电路，正反向工作时均可实现软开关，损耗小，解决了传统LLC谐振电路反向增益不足的问题，即在能量从第二连接侧向第一连接侧流动时可升压，可有效提升变换器10的输入输出电压范围，实现宽电压范围输入输出，可适用于大功率电路；且三个隔离变压器的初级绕组和次级绕阻均采用Y型连接，流入Y型连接中点的总电流和流出Y型连接中点的总电流相等，即三个谐振电路的电流之和为“0”，因此任意时刻始终有一个谐振电路的电流为另外两个谐振电路的电流之和，则在整个开关周期内即便每个谐振电路的谐振参数有一定的容差，但它们的电流有效值偏差也很小，从而保证三个谐振电路之间的电流均衡，避免某个谐振电路电流过大而导致该电路的器件损坏或过热。

在某些实施例中，所述三相桥式开关电路100包括第一开关管Q1、第二开关管Q2、第三开关管Q3、第四开关管Q4、第五开关管Q5以及第六开关管Q6共六个开关管，每两个开关管串联构成一个桥臂，三个桥臂并联后其两端作为三相双向DC-DC变换器10的第一连接侧，其中，所述第一开关管Q1和第二开关管Q2串联构成的桥臂的中点与第一谐振电路连接，所述第三开关管Q3和第四开关管Q4串联构成的桥臂的中点与第二谐振电路连接，第五开关管Q5和第六开关管Q6串联构成的桥臂的中点与第三谐振电路连接。本实施例中，采用PFM方式控制开关管的工作，即占空比恒定，调制波频率可变，从而可实现三相双向DC-DC变换器10的各开关管均为软开关。

在附图所示的实施例中，所述三相桥式整流电路300包括第七开关管Q7、第八开关管Q8、第九开关管Q9、第十开关管Q10、第十一开关管Q11以及第十二开关管Q12六个开关管，每两个开关管串联构成一个桥臂，三个桥臂并联后其两端作为三相双向DC-DC变换器10的第二连接侧，其中，所述第七开关管Q7和第八开关管Q8串联构成的桥臂的中点与第一隔离变压器T1的次级绕组连接，所述第九开关管Q9和第十开关管Q10串联构成的桥臂的中点与第二隔离变压器T2的次级绕组连接，第十一开关管Q11和第十二开关管Q12串联构成的桥臂的中点与第三隔离变压器T3的次级绕组连接。基于该设计，在能量正向流动时，所述三相桥式整流电路300可将隔离变压器周期性输出的电压波形进行整流，产生负载所需的工作电压。优选地，所述开关管可选用MOS、IGBT或其他可控功率开关管，以实现更好的电路性能，在某些其他实施例中，在每一开关管上还可并联一二极管，若开关管选用MOS管，则在其漏极和源极之间并联一二极管，而若开关管选用IGBT管，则在其发射极和集电极之间并联一二极管。

进一步地，所述三相双向DC-DC变换器10还包括第一滤波电容C8和第二滤波电容C9，所述第一滤波电容C8两端连接至三相双向DC-DC变换器10的第一连接侧，所述第二滤波电容C9两端连接至三相双向DC-DC变换器10的第二连接侧。

可理解地，本实施例中，在能量正向传输时，通过控制第一开关管Q1、第二开关管Q2、第三开关管Q3、第四开关管Q4、第五开关管Q5和第六开关管Q6的开关频率来实现三相双向DC-DC变换器10的宽范围电压输出，且每个桥臂上的两个开关管互补导通，可实现电路软开关；能量反向传输时，谐振电路的等效电路也为三元件谐振电路，因此，通过控制第七开关管Q7、第八开关管Q8、第九开关管Q9、第十开关管Q10、第十一开关管Q11和第十二开关管Q12的开关频率可实现与正向传输时同样的宽范围电压输出，且每个桥臂上的两个开关管互补导通，可实现电路软开关。并且，在开关管开关频率等于谐振频率时，连接于隔离变压器初级绕组的谐振电路中的电容可避免出现阻抗为零的情况。

本实用新型三相双向DC-DC变换器10采用三相交错技术，Q1和Q2、Q3和Q4、Q5和Q6的导通相位差均为180度，Q1，Q3，Q5的导通时序上互差120度；因此Q2，Q4，Q6的导通时序也互差120度，三相输入输出电流相差120度，三相电路的输入输出电流波动互补，使得输入输出电流纹波较小，从而实现较好电路性能。在任意时刻，Q1，Q3，Q5中至少一个至多两个会导通，同样Q2，Q4，Q6中也是至少一个至多两个会导通，且导通的开关管个数始终等于三个。以三个谐振电路的其中一个为例，当Q1、Q4和Q6导通时，谐振直流电压通过第一开关管Q1传送至第一隔离变压器T1，同时第一谐振电路的电流值增大，进行储能，第七开关管Q7导通，和第二滤波电容C9实现对第一隔离变压器T1的输出电压进行整流、滤波，以输出稳定的电压，控制输出电流；当Q2、Q3和Q5导通时，谐振直流反向电压通过第二开关管Q2传送至第一隔离变压器T1，同时第一谐振电路反向电流值增大，对第一隔离变压器T1进行供电，第八开关管Q8导通，实现对第一隔离变压器T1的输出电压进行整流、滤波，以输出稳定的电压，控制输出电流。同理，其余两个谐振电路工作原理与此路一致。

参照图2，图2为本实用新型三相双向DC-DC变换器10第二实施例的电路示意图，本实施例与第一实施例的不同在于隔离变压器的具体结构不同，其余电路结构相同或相似。本实施例中，每一所述隔离变压器还包括有并联于隔离变压器T1初级绕组的同名端和异名端之间的第三电感Lm，即第一隔离变压器T1、第二隔离变压器T2以及第三隔离变压器T3初级绕组的同名端和异名端之间均并联有一第三电感Lm。本实施例中，当能量从第一连接侧向第二连接侧流动时，开关S断开，而当能量从第二连接侧向第一连接侧流动时开关S闭合，第三电感Lm被钳位，同样可以有效提升变换器10的工作电压范围，实现宽电压范围输入输出，且隔离变压器中不包含励磁电感，第三电感Lm相当于第一实施例隔离变压器T1中的励磁电感。可知，本实施例同样可以有效提升变换器10的工作电压范围，实现宽电压范围输入输出。

参照图3，图3为本实用新型三相双向DC-DC变换器10第三实施例的电路示意图，本实施例与第一实施例的不同在于第一谐振电路、第二谐振电路和第三谐振电路的具体结构不同，其余电路结构相同或相似。本实施例中的第一谐振电路、第二谐振电路和第三谐振电路与第一实施例相比增加了一个电容，具体为：所述第一谐振电路、第二谐振电路和第三谐振电路还分别包括有一第二电容C5、第二电容C6和第二电容C7，所述第二电容C5连接于三相桥式开关电路100一桥臂的中点和第一电感L1之间，所述第二电容C6连接于三相桥式开关电路100一桥臂的中点和第一电感L3之间，所述第二电容C7连接于三相桥式开关电路100一桥臂的中点和第一电感L5之间。本实施例中的谐振电路在能量正反向流动时损耗均较小，同样可以有效提升变换器10的工作电压范围，实现宽电压范围输入输出。

综上所述，本实用新型三相双向DC-DC变换器中的谐振电路在能量正反向流动时的等效电路均为多元件谐振电路，正反向工作时实现软开关，损耗小，解决了传统LLC谐振电路反向增益不足的问题，即本实用新型三相双向DC-DC变换器在能量反向流动时，即能量从第二连接侧向第一连接侧流动时可升压，可有效提升变换器的工作电压范围，实现宽电压范围输入输出。

以上所述仅为本实用新型的优选实施例，而非对本实用新型做任何形式上的限制。本领域的技术人员可在上述实施例的基础上施以各种等同的更改和改进，凡在权利要求范围内所做的等同变化或修饰，均应落入本实用新型的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种三相双向DC-DC变换器，其特征在于：所述三相双向DC-DC变换器包括三相桥式开关电路、谐振腔、三个隔离变压器以及三相桥式整流电路，所述三相桥式开关电路和三相桥式整流电路的一侧分别作为三相双向DC-DC变换器的第一连接侧和第二连接侧，所述谐振腔包括三个谐振电路，三个所述谐振电路分别对应连接于三相桥式开关电路的三个桥臂的中点和三个隔离变压器初级绕组之间，其中，

每一谐振电路包括第一电感、第二电感、第一电容以及开关，所述第二电感和开关串联后的两端分别连接第一电感的一端和一隔离变压器初级绕组的异名端，且该第二电感和开关串联后的一端还连接至三相桥式开关电路中一桥臂的中点，所述第一电容两端分别连接第一电感的另一端和所述隔离变压器初级绕组的同名端，三个隔离变压器次级绕组的同名端分别对应连接三相桥式整流电路的三个桥臂的中点，三个所述隔离变压器初级绕组和次级绕组的异名端分别互相连接形成Y型连接。

2.如权利要求1所述的三相双向DC-DC变换器，其特征在于：每一所述隔离变压器还包括有第三电感，所述第三电感并联于该隔离变压器初级绕组的同名端和异名端之间。

3.如权利要求1所述的三相双向DC-DC变换器，其特征在于：每一所述谐振电路还包括有第二电容，所述第二电容连接于三相桥式开关电路桥臂的中点和第一电感之间。

4.如权利要求1所述的三相双向DC-DC变换器，其特征在于：所述三相桥式开关电路包括六个开关管，每两个开关管串联构成一个桥臂，三个桥臂并联后其两端作为三相双向DC-DC变换器的第一连接侧。

5.如权利要求1所述的三相双向DC-DC变换器，其特征在于：所述三相桥式整流电路包括六个开关管，每两个开关管串联构成一个桥臂，三个桥臂并联后其两端作为三相双向DC-DC变换器的第二连接侧。

6.如权利要求4或5所述的三相双向DC-DC变换器，其特征在于：所述开关管选用MOSFET或IGBT。

7.如权利要求1所述的三相双向DC-DC变换器，其特征在于：所述三相双向DC-DC变换器还包括第一滤波电容和第二滤波电容，所述第一滤波电容两端连接至三相双向DC-DC变换器的第一连接侧，所述第二滤波电容两端连接至第二连接侧。

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