一种移相交错串联三电平LLC谐振电路的制作方法

本实用新型属于电路设计领域，尤其涉及一种移相交错串联三电平LLC谐振电路。

背景技术：

近年来由于环境污染及传统能源的价格不断上涨，光伏发电技术得到了突飞猛进的发展，光伏发电具有清洁无污染、蕴含量大等优点，同时也有供给不稳定、受天气影响较大、输出电压范围宽等特点。传统LLC谐振电路拥有结构简单、较高的效率、软开关等优点，在通信电源中一直有着很普遍的应用；但是单相LLC谐振电路的开关器件直接接在供电输入端，造成每个开关器件的电压应力等于输入电压，所以需要采用耐压值很高的开关器件，而电压应力高的开关器件意味着性能的下降及成本的上升，导致LLC谐振电路的变换效率降低；单相LLC谐振电路输出端存在着较大的纹波电流，导致输出滤波电容发热且对后级用电设备存在干扰。

技术实现要素：

本实用新型的主要目的在于提供了一种移相交错串联三电平 LLC谐振电路，该电路能有效降低每一相LLC谐振电路的工作电压，提升谐振电路的变换效率，降低成本，用以解决传统LLC电路中性能低、成本高而且变换效率低的问题；具体技术方案如下：

一种移相交错串联三电平LLC谐振电路，所述电路的总输入电压为vin，所述电路包括N相结构相同的LLC谐振电路，且N相所述LLC谐振电路串联链接；每一相所述LLC谐振电路的工作电压为 vin/N，用以降低整个电路的工作电压范围；每一相所述LLC谐振电路均采用三电平方式，用以降低每一所述LLC谐振电路中开关器件的工作电压；每一相所述LLC谐振电路提供相位差大小相同的驱动信号，用以在任何时刻提供能量给所述电路输出端的负载。

本实用新型的进一步改进在于，每一相所述LLC谐振电路提供相位差大小为360°/N的驱动信号，用以为所述电路输出端的负载提供能量。

本实用新型的进一步改进在于，每一相所述LLC谐振电路中原边开关器件的工作电压为vin/2N。

本实用新型的进一步改进在于，每一所述LLC谐振电路中设置有预设数量的所述开关器件，所述开关器件采用串联连接或并联连接。

本实用新型的进一步改进在于，每相所述LLC谐振电路中所采用的所述三电平电路中包括一分压电容，且所述分压电容并联一电阻设计，所述电阻用于所述分压电容均匀分压。

本实用新型的移相交错串联三电平LLC谐振电路，通过移相交错串联的方式将N相LLC谐振电路结合起来，并在每一相LLC谐振电路中采用三电平拓扑，这样，一方面可以将N相LLC谐振电路每一相的工作电压降低至整个电路的1/N，另一方面可以将每一相LLC 谐振电路中的开关器件的工作电压降低至1/2N；同时，本实用新型中每一相LLC谐振电路中的驱动信号为相位差大小为360°/N，这样可以保证在任何时刻电路输出端的负载均有设备提供能量；与现有技术相比，本实用新型中每一LLC谐振电路的开关器件工作电压降低，可以降低成本的投入；在任何时刻能够提供给输出端负载能量，可以有效降低LLC电路输出端的纹波电流，并且提高运用本实用新型LLC 电路的机器的整机效率和供电质量。

附图说明

图1为本实用新型实施例中所述移相交错串联三电平LLC谐振电路结构图示意；

图2为本实用新型实施例中所述移相交错串联三电平LLC谐振电路中每一相三电平LLC电路结构图示意；

图3为本实用新型实施例中每一相三电平LLC电路的效率点的工作状态图示意；

图4为传统LLC谐振电路结构图示意；

图5为理想半桥谐振电路工作波形图示意。

具体实施方式

为了使本技术领域的人员更好地理解本实用新型方案，下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。

参阅图4，图示为传统LLC谐振电路的结构图，从中可知，LLC 谐振变换的直流特性分为零电压工作区和零电流工作区，这种变换有两个谐振频率：一个是电感Lr和电容Cr的谐振点，可由公式

计算；另外一个谐振点由电感Lr，电容Cr以及电感Lm决定，可由公式·计算；为了尽可能提高效率，设计电路时需把工作频率设定在Fr1附近；而当输入电压下降时，可以通过降低工作频率获得较大的增益；并且通过选择合适的谐振参数，可让LLC谐振变换无论是负载变化或输入电压变化都能工作在零电压工作区。

参阅图5，图示为理想半桥谐振电路工作波形图，从中可知，图中Vgs1和Vgs2分别是传统LLC谐振电路中开关器件Q1、Q2的驱动波形，Ir为谐振电感Lr电感电流波形，Im为变压器励磁电感Lm 电流波形，Id1和Id2分别是次级侧输出整流二极管波形，Ids1则为Q1 导通电流；具体结合图4，波形图根据不同工作状态被分成6个阶段，具体过程为：

T0～T1：Q1关断，Q2开通，电感Lr和Cr进行谐振，次级D1

关断，D2开通，二极管D1约为两倍输出电压，此时能量从Cr,Lr 转换至次级。直到Q2关断。

T1～T2：开关器件Q1和开关器件Q2同时关断，此时时处于死区时间，此时电感Lr和电感Lm电流给开关器件Q2的输出电容充电，给开关器件Q1的输出电容放电直到开关器件Q2输出电容的电压等于vin；次级二极管D1和二极管D2关断Vd1＝Vd2＝0,当开关器件Q1开通时该相位结束。

T2～T3：开关器件Q1导通，开关器件Q2关断，而二极管D1 导通，二极管D2关断，此时Vd2＝2Vout，电容Cr和电感Lr谐振在fr1,此时电感Ls的电流通过开关器件Q1返回到vin,直到电感Lr的电流为零，此相位结束。

T3～T4：开关器件Q1导通，开关器件Q2关断，二极管D1导通，二极管D2关断，Vd2＝2Vout，电容Cr和电感Lr谐振在fr1，电感Lr的电流反向通过开关器件Q1流回功率地。能量从输入转换到次级，直到开关器件Q1关断该相位结束。

T4～T5：开关器件Q1，开关器件Q2同时关断，二极管D1，二极管D2关断，原边电流I(Lr+Lm)给Q1开关器件的Coss充电，给Q2的Coss放电，直到开关器件Q2的Coss电压为零；此时开关器件Q2二极管开始导通；开关器件Q2开通时相位结束。

T5～T6：开关器件Q1关断，开关器件Q2导通，二极管D1关断，二极管D2开通，电容Cr和电感Ls谐振在频率fr1，电感Lr电流经开关器件Q2回到地；当电感Lr电流为零时相位结束。

结合图1～图3，在本实用新型实施例中，提供了一种移相交错串联三电平LLC谐振电路，所述电路的总输入电压为vin，电路包括N 相结构相同的LLC谐振电路，且N相LLC谐振电路串联链接；每一相LLC谐振电路的工作电压为vin/N，用以降低整个电路的工作电压范围；每一相LLC谐振电路均采用三电平方式，用以降低每一LLC 谐振电路中开关器件的工作电压；每一相LLC谐振电路提供相位差大小相同的驱动信号，用以在任何时刻提供能量给电路输出端的负载。

在具体实施例中，每一相所述LLC谐振电路提供相位差大小为360°/N的驱动信号，用以为电路输出端的负载提供能量；且每一相所述LLC谐振电路的工作电压为vin/2N。

此外，为了满足各种不同需求，本实用新型在每一LLC谐振电路中设置有预设数量的开关器件，开关器件采用串联连接或并联连接，对于开关器件设置的数量以及连接方式，本实用新型在此并不进行限制和固定，可根据实际情况进行选择。

接下来，结合图1～图3，以三相的移相交错串联三电平LLC谐振电路进行具体说明；参阅图1，三相串联方式可将电源的输入电压分压为vin/3的低压，再通过数字控制器控制的三相交错工作，可使每一相分别向输出提供能量，降低输出的纹波电流且提高效率；而每一相的三电平LLC电路又将各个开关器件的工作电压降为输入(vin/3) 的一半，可使LLC电路选择耐压低的开关器件；进一步的，本实用新型在每相LLC谐振电路中的三电平电路中设计一分压电容和电阻，分压电容和电阻并联连接，通过电阻可以在整个谐振电路接入的负载比较小时，使得分压电容更好均压，保证每一相电路的电压相等。参阅图2，在实施例中，三电平LLC电路在工作时取其频率为 f＝Fs时的最高效率点可分为6个工作状态，具体可参阅图3，其中， Fs可通过公式计算；再次参阅图3可知，图中 Vgs1和Vgs2分别是开关器件Q11、Q12的驱动波形，Vgs3和 Vgs4分别是开关器件Q13、Q14的驱动波形，Ip为谐振电感Ls1电感电流波形，Im为变压器漏感Lm1电流波形，ID是次级侧输出整流二极管Ds1和二极管Ds4的电流波形，Ids2则为开关器件Q12导通电流。其工作原理分析如下：

t0-t1阶段：在t0时刻开关器件Q11和开关器件Q12同时开通，而开关器件Q13和开关器件Q14关闭；原边电流流过开关器件Q11 和开关器件Q12，该电流以正弦形式逐渐上升；副边二极管Ds1和二极管Ds4起整流作用且导通，流过电感Lm的电流为励磁电流与谐振电流之和，在t1时刻原边谐振电流和励磁电流相等。

t1-t2阶段：在t1时刻开关器件Q11关断而开关器件Q12导通，流过电感Lm1和电感Ls1的电流通过二极管D11续流，同时开关器件Q11上的电压被嵌位到vin/6。

t2-t3阶段：在t2时刻开关器件Q11、开关器件Q12均关断，于是原边电流对开关器件Q13和开关器件Q14的结电容进行放电，直到放电完成后开关器件Q13和开关器件Q14的体二极管导通。

t3-t4阶段：在t3时刻开关器件Q13、开关器件Q14上的电压已经降为零，这时开关器件Q13和开关器件Q14同时导通，所以开关器件Q13和开关器件Q14工作在ZVS状态,原边谐振电感Ls1和电容 C4电流开始反向谐振。

t4-t5阶段：在t4时刻类似阶段2，开关器件Q14关断而开关器件Q13导通，流过电感Lm1和电感Ls1的电流通过D12续流，同时开关器件Q14上的电压被嵌位到vin/6。

t5-t6阶段：在t5时刻，开关器件Q13、开关器件Q14均关断，于是原边电流转到对开关器件Q11和开关器件Q12的结电容放电，直到放电完成后开关器件Q11和开关器件Q12体二极管导通，为下一次开关器件Q11和开关器件Q12的ZVS做准备。

本实用新型的移相交错串联三电平LLC谐振电路，通过移相交错串联的方式将N相LLC谐振电路结合起来，并在每一相LLC谐振电路中采用三电平拓扑，这样，一方面可以将N相LLC谐振电路每一相的工作电压降低至整个电路的1/N，另一方面可以将每一相LLC 谐振电路中的开关器件的工作电压降低至1/2N；同时，本实用新型中每一相LLC谐振电路中的驱动信号为相位差大小为360°/N，这样可以保证在任何时刻电路输出端的负载均有设备提供能量；与现有技术相比，本实用新型中每一LLC谐振电路的开关器件工作电压降低，可以降低成本的投入；在任何时刻能够提供给输出端负载能量，可以有效降低LLC电路输出端的纹波电流，并且提高运用本实用新型LLC 电路的机器的整机效率和供电质量。

以上仅为本实用新型的较佳实施例，但并不限制本实用新型的专利范围，尽管参照前述实施例对本实用新型进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来而言，其依然可以对前述各具体实施方式所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等效替换。凡是利用本实用新型说明书及附图内容所做的等效结构，直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理在本实用新型专利保护范围之内。