三相AC‑DC电源转换系统的制作方法

本发明涉及电源转换技术领域，更具体地涉及一种三相AC-DC电源转换系统。

背景技术：

目前，运用于电源供应器的电源转换系统通常包括交直流转换模块和直流转换模块，交直流转换模块可将工频的交流输入电压变换为工频纹波波动较大的直流电压，使得电源转换系统满足相关的标准，直流转换模块可将交直流模块变换的直流电压转换为幅值和纹波满足用电要求的直流电压。通常，交直流转换模块采用并联交错三相PFC电路，直流转换模块采用交错LLC串联谐振电路。参照图1，其为现有的交错LLC串联谐振电路的电路示意图，在图1中，交错LLC串联谐振电路包括有变压器电路、连接至变压器初级侧的开关电路以及连接至变压器次级侧的整流电路，其中，变压器电路包括两个初级绕组及磁耦合至各个初级绕组的同样数量的次级绕组。参照图2，其展示了现有的交错LLC串联谐振电路每相电路自输入输出电流纹波和两相交错后输出电流纹波的波形对比图，结合图1和图2可看出该电路两相交错后输出电流纹波虽然较单相的输出纹波减小了，但仍很大，导致整个电源转换系统电路性能不佳。

鉴于此，有必要提供一种输入和输出电流纹波较小、具有较好电路性能的三相AC-DC电源转换系统以解决上述缺陷。

技术实现要素：

本发明的目的是提供一种输入和输出电流纹波较小、具有较好电路性能的三相AC-DC电源转换系统以解决现有技术的缺陷。

为了实现上述目的，本发明提供一种三相AC-DC电源转换系统，包括交错并联三相PFC电路和三相交错LLC串联谐振电路，其中，所述交错并联三相PFC电路的三个用于连接至电网的交流输入端A端、B端、C端作为所述三相AC-DC电源转换系统的输入端，所述三相交错LLC串联谐振电路的两个用于连接负载的输出端作为所述三相AC-DC电源转换系统的输出端，所述交错并联三相PFC电路的输出侧连接至所述三相交错LLC串联谐振电路的输入侧。与现有技术相比，本发明的三相AC-DC电源转换系统采用交错并联技术既可实现三相PFC电路中输入电流波形跟踪输入电压波形，大幅度减小输入电流的高频纹波电流，又可实现LLC串联谐振电路中三相电路输入和输出电流波动互补，使得输入和输出电流纹波较小，从而提高电路性能。

其进一步技术方案为：所述交错并联三相PFC电路包括三路结构相同的boost电路和一路输出电容电路，其中，所述三路结构相同的boost电路分别为第一boost电路、第二boost电路和第三boost电路，所述第一boost电路、第二boost电路和第三boost电路的输入分别与所述交流输入端A端、B端、C端连接，其输出侧均连接至所述输出电容电路。

其进一步技术方案为：所述输出电容电路包括第四电容和第五电容，所述第四电容的阳极连接至所述三相PFC电路的输出正，所述第五电容的阴极连接至所述三相PFC电路的输出负，所述第四电容的阴极和所述第五电容的阳极连接，该连接点为O点；所述第一boost电路包括第一电感、第四电感、第五电感、第一二极管、第二二极管、第三二极管、第四二极管、第一双向开关、第二双向开关；其中，所述第一电感的输入端与所述交流输入端A端连接，其输出端同时与所述第四电感和第五电感的输入端连接而共同组成三电感结构，所述第一电感的输入端作为所述三电感结构的输入端，所述第四电感的输出端作为所述三电感结构的第一输出端，所述第五电感的输出端作为所述三电感结构的第二输出端；所述第一输出端连接所述第一双向开关的输入端，该第一双向开关的输出端连接至所述O点，所述第二输出端连接所述第二双向开关的输入端，该第二双向开关的输出端连接至所述O点；所述第一二极管的阳极和所述第二二极管的阴极连接组成第一二极管桥臂，所述第一二极管桥臂的中点连接于所述第一输出端与第一双向开关的连接节点，所述第一二极管桥臂的阴极连接至所述三相PFC电路的输出正，该第一二极管桥臂的阳极连接至所述三相PFC电路的输出负；所述第三二极管的阳极和所述第四二极管的阴极连接组成第二二极管桥臂，所述第二二极管桥臂的中点连接于所述第二输出端与第二双向开关的连接节点，所述第二二极管桥臂阴极连接至所述三相PFC电路的输出正，该第二二极管桥臂阳极连接至所述三相PFC电路的输出负。基于上述设计可知，本发明的并联交错三相PFC电路每一相PFC电路由两相频率相同，相位相差180度的升压电路并联构成，交错的两相电路的升压电感使用三电感结构，以实现输入电流波形跟踪输入电压波形，从而实现较高的功率因数和较低的总谐波畸变，避免对电网造成污染。

其进一步技术方案为：所述第一双向开关及第二双向开关均由两个开关管串联组成。优选地，所述开关管选用MOSFET、IGBT或SiC功率管，以实现更好的电路性能。

其进一步技术方案为：所述交错并联三相PFC电路还包括一EMI滤波电路，所述EMI滤波电路包括第一电容、第二电容以及第三电容，所述第一电容、第二电容以及第三电容分别并联于所述交流输入端A端、B端、C端和所述O点之间。本电路增加的三个并联的Y型连接的电容的公共端与所述输出电容电路的O点连接，使得整个电路的共模噪音有旁路的通道，极大的减小了共模噪音，利于抑制电磁干扰，提高电路可靠性。

其进一步技术方案为：所述三相交错LLC串联谐振电路包括三相桥式开关电路、三相谐振电路以及三相桥式整流电路，其中，所述三相谐振电路包括第十电感、第十一电感、第十二电感、第六电容、第七电容、第八电容、第一变压器、第二变压器以及第三变压器，所述第十电感、第六电容和第一变压器初级绕组的同名端串联组成第一LLC谐振电路；所述第十一电感、第七电容和第二变压器初级绕组的同名端串联组成第二LLC谐振电路；所述第十二电感、第八电容和第三变压器初级绕组的同名端串联组成第三LLC谐振电路；所述第一LLC谐振电路、第二LLC谐振电路以及第三LLC谐振电路与电感连接的一端对应连接所述三相桥式开关电路的三个桥臂的中点，所述第一LLC谐振电路、第二LLC谐振电路以及第三LLC谐振电路的另一端互相连接形成Y型连接，所述第一变压器、第二变压器以及第三变压器次级绕阻的同名端对应连接所述三相桥式整流电路的三个桥臂的中点，所述第一变压器、第二变压器以及第三变压器次级绕阻的异名端互相连接形成Y型连接。本发明的三相交错LLC串联谐振电路采用三相交错技术，三相输入和输出电流相差120度，三相电路的输入和输出电流波动互补，使得输入和输出电流纹波较小，从而实现良好的电路性能，且三相交错LLC串联谐振电路中三个变压器的初级绕组和次级绕阻均采用Y型连接，流入Y连接中点的总电流和流出Y连接中点的总电流相等，即三相交错LLC串联谐振电路的电流之和为“0”，因此任意时刻始终有一相LLC串联谐振电路的电流为另外两相LLC串联谐振电路的电流之和，因此在整个开关周期内即便每相LLC串联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，从而保证三相交错LLC串联谐振电路三相之间的电流均衡，避免某相LLC串联谐振电路的电流过大而导致器件过热或损坏。

其进一步技术方案为：所述三相桥式开关电路根据外部输入至该电路的不同相位的信号产生彼此不同相位的PWM驱动信号，其包括六个开关管，每两个开关管串联构成一个桥臂，三个桥臂并联在一起连接至所述交错并联三相PFC电路的输出正和输出负之间。

其进一步技术方案为：所述三相桥式整流电路包括六个二极管或MOSFET，每两个二极管或MOSFET串联构成一个桥臂，三个桥臂并联在一起连接至所述三相AC-DC电源转换系统的输出正和输出负之间。基于本设计，所述三相桥式整流电路可将所述三相谐振电路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。

其进一步技术方案为：所述三相桥式整流电路还包括至少一个滤波电容，所述滤波电容的阳极和阴极分别连接所述三相AC-DC电源转换系统的输出正和输出负。

与现有技术相比，本发明的三相AC-DC电源转换系统采用交错并联技术既可实现三相PFC电路中输入电流波形跟踪输入电压波形，大幅度减小输入电流的高频纹波电流，又可实现LLC串联谐振电路中三相电路输入和输出电流波动互补，使得输入和输出电流纹波较小，从而提高电路性能。

通过以下的描述并结合附图，本发明将变得更加清晰，这些附图用于解释本发明的实施例。

附图说明

图1为现有的交错LLC串联谐振电路的电路示意图。

图2为图1中两相电路每相自输入输出电流纹波和两相交错后输出电流纹波的波形对比图。

图3为本发明三相AC-DC电源转换系统一具体实施例的电路示意图。

图4为本发明三相AC-DC电源转换系统中交错并联三相PFC电路一具体实施例的电路示意图。

图5为图4所示交错并联三相PFC电路中第一boost电路中三电感结构的示意图。

图6为本发明三相AC-DC电源转换系统中三相交错LLC串联谐振电路的电路示意图。

图7为图6所示三相交错LLC串联谐振电路中三相电路每相自输入输出电流纹波和三相交错后输出电流纹波的波形对比图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，附图中类似的组件标号代表类似的组件。显然，以下将描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

参照图3，其展示了本发明三相AC-DC电源转换系统100一具体实施例的电路示意图。本实施例的三相AC-DC电源转换系统100包括并联三相PFC电路10和三相交错LLC串联谐振电路20，其中，所述交错并联三相PFC电路10的三个用于连接至电网的交流输入端A端、B端、C端作为所述三相AC-DC电源转换系统100的输入端，所述三相交错LLC串联谐振电路20的两个用于连接负载的输出端作为所述三相AC-DC电源转换系统100的输出端，所述交错并联三相PFC电路10的输出侧连接至所述三相交错LLC串联谐振电路20的输入侧。与现有技术相比，本发明的三相AC-DC电源转换系统100采用交错并联技术既可实现三相PFC电路10中输入电流波形跟踪输入电压波形，大幅度减小输入电流的高频纹波电流，又可实现LLC串联谐振电路20中三相电路输入和输出电流波动互补，使得输入和输出电流纹波较小，从而提高电路性能。

参照图4至图5，其展示了本发明三相AC-DC电源转换系统100中交错并联三相PFC电路10一具体实施例的电路示意图。参照图4，所述交错并联三相PFC电路10包括三路结构相同的boost电路和一路输出电容电路，其中，所述三路结构相同的boost电路分别为第一boost电路、第二boost电路和第三boost电路，所述第一boost电路、第二boost电路和第三boost电路的输入分别与所述交流输入端A端、B端、C端连接，其输出侧均连接至所述输出电容电路。

在附图所示的实施例中，所述输出电容电路包括第四电容C4和第五电容C5，所述第四电容C4的阳极连接至所述三相PFC电路10的输出正，所述第五电容C5的阴极连接至所述三相PFC电路10的输出负，所述第四电容C4的阴极和所述第五电容C5的阳极连接，该连接点为O点。

所述第一boost电路包括第一电感L1、第四电感L4、第五电感L5、第一二极管D1、第二二极管D2、第三二极管D3、第四二极管D4、第一双向开关S1、第二双向开关S2；其中，所述第一电感L1的输入端与所述交流输入端A端连接，所述第一电感L1的输出端同时与所述第四电感L4和第五电感L5的输入端连接而共同组成三电感结构，所述第一boost电路的三电感结构如图5所示，所述第一电感L1的输入端作为所述三电感结构的输入端，所述第四电感L4的输出端作为所述三电感结构的第一输出端，所述第五电感L5的输出端作为所述三电感结构的第二输出端；所述第一输出端连接所述第一双向开关S1的输入端，该第一双向开关S1的输出端连接至所述O点，所述第二输出端连接所述第二双向开关S2的输入端，该第二双向开关S2的输出端连接至所述O点；所述第一二极管D1的阳极和所述第二二极管D2的阴极连接组成第一二极管桥臂，所述第一二极管桥臂的中点连接于所述第一输出端与第一双向开关S1的连接节点，所述第一二极管桥臂的阴极连接至所述三相PFC电路10的输出正，该第一二极管桥臂的阳极连接至所述三相PFC电路10的输出负；所述第三二极管D3的阳极和所述第四二极管D4的阴极连接组成第二二极管桥臂，所述第二二极管桥臂的中点连接于所述第二输出端与第二双向开关S2的连接节点，所述第二二极管桥臂阴极连接至所述三相PFC电路10的输出正，该第二二极管桥臂阳极连接至所述三相PFC电路10的输出负。

所述第二boost电路包括第二电感L2、第六电感L6、第七电感L7、第五二极管D5、第六二极管D6、第七二极管D7、第八二极管D8、第三双向开关S3、第四双向开关S4；其中，所述第二电感L2的输入端与所述交流输入端B端连接，所述第二电感L2的输出端同时与所述第六电感L6和第七电感L7的输入端连接而共同组成三电感结构，所述第二电感L2的输入端作为所述三电感结构的输入端，所述第六电感L6的输出端作为所述三电感结构的第三输出端，所述第七电感L7的输出端作为所述三电感结构的第四输出端；所述第三输出端连接所述第三双向开关S3的输入端，该第三双向开关S3的输出端连接至所述O点，所述第四输出端连接所述第四双向开关S4的输入端，该第四双向开关S4的输出端连接至所述O点；所述第五二极管D5的阳极和所述第六二极管D6的阴极连接组成第三二极管桥臂，所述第三二极管桥臂的中点连接于所述第三输出端与第三双向开关S3的连接节点，所述第三二极管桥臂的阴极连接至所述三相PFC电路10的输出正，该第三二极管桥臂的阳极连接至所述三相PFC电路10的输出负；所述第七二极管D7的阳极和所述第八二极管D8的阴极连接组成第四二极管桥臂，所述第四二极管桥臂的中点连接于所述第四输出端与第四双向开关S4的连接节点，所述第四二极管桥臂阴极连接至所述三相PFC电路10的输出正，该第四二极管桥臂阳极连接至所述三相PFC电路10的输出负。

所述第三boost电路包括第三电感L3、第八电感L8、第九电感L9、第九二极管D9、第十二极管D10、第十一二极管D11、第十二二极管D12、第五双向开关S5、第六双向开关S6；其中，所述第三电感L3的输入端与所述交流输入端C端连接，所述第三电感L3的输出端同时与所述第八电感L8和第九电感L9的输入端连接而共同组成三电感结构，所述第三电感L3的输入端作为所述三电感结构的输入端，所述第八电感L8的输出端作为所述三电感结构的第五输出端，所述第九电感L9的输出端作为所述三电感结构的第六输出端；所述第五输出端连接所述第五双向开关S5的输入端，该第五双向开关S5的输出端连接至所述O点，所述第六输出端连接所述第六双向开关S6的输入端，该第六双向开关S6的输出端连接至所述O点；所述第九二极管D9的阳极和所述第十二极管D10的阴极连接组成第五二极管桥臂，所述第五二极管桥臂的中点连接于所述第五输出端与第五双向开关S5的连接节点，所述第五二极管桥臂的阴极连接至所述三相PFC电路10的输出正，该第五二极管桥臂的阳极连接至所述三相PFC电路10的输出负；所述第十一二极管D11的阳极和所述第十二二极管D12的阴极连接组成第六二极管桥臂，所述第六二极管桥臂的中点连接于所述第六输出端与第六双向开关S6的连接节点，所述第六二极管桥臂阴极连接至所述三相PFC电路10的输出正，该第六二极管桥臂阳极连接至所述三相PFC电路10的输出负。

基于上述设计可知，本发明的交错并联三相PFC电路10每一相PFC电路由两相频率相同，相位相差180度的升压电路并联构成，交错的两相电路的升压电感使用三电感结构，以实现输入电流波形跟踪输入电压波形，从而实现较高的功率因数和较低的总谐波畸变，避免对电网造成污染。

在某些实施例，例如本实施例中，六个所述双向开关均由两个开关管串联组成，其中所述第一双向开关S1由第一开关管Q1和第二开关管Q2串联组成，所述第二双向开关S2由第三开关管Q3和第四开关管Q4串联组成，所述第三双向开关S3由第五开关管Q5和第六开关管Q6串联组成，第四双向开关S4由第七开关管Q7和第八开关管Q8串联组成，所述第五双向开关S5由第九开关管Q9和第十开关管Q10串联组成，所述第六双向开关S6由第十一开关管Q11和第十二开关管Q12串联组成。优选地，所述开关管选用MOSFET、IGBT或SiC功率管,以实现更好的电路性能。

在某些实施例，例如本实施例中，所述交错并联三相PFC电路10还包括一EMI滤波电路，所述EMI滤波电路包括第一电容C1、第二电容C2以及第三电容C3，所述第一电容C1、第二电容C2以及第三电容C3分别并联于所述交流输入端A端、B端、C端和所述O点之间。本电路增加的三个并联的Y型连接的电容的公共端与所述输出电容电路的O点连接，使得整个电路的共模噪音有旁路的通道，极大的减小了共模噪音，利于抑制电磁干扰，提高电路可靠性。

参照图6，其展示了本发明三相AC-DC电源转换系统100中三相交错LLC串联谐振电路20一具体实施例的电路示意图。所述三相交错LLC串联谐振电路20包括三相桥式开关电路210、三相谐振电路220以及三相桥式整流电路230。

其中，所述三相谐振电路220包括第十电感L10、第十一电感L11、第十二电感L12、第六电容C6、第七电容C7、第八电容C8、第一变压器T1、第二变压器T2以及第三变压器T3，所述第十电感L10、第六电容C6和第一变压器T1初级绕组的同名端串联组成第一LLC谐振电路；所述第十一电感L11、第七电容C7和第二变压器T2初级绕组的同名端串联组成第二LLC谐振电路；所述第十二电感L12、第八电容C8和第三变压器T3初级绕组的同名端串联组成第三LLC谐振电路；所述第一LLC谐振电路、第二LLC谐振电路以及第三LLC谐振电路与电感连接的一端对应连接所述三相桥式开关电路210的三个桥臂的中点，所述第一LLC谐振电路、第二LLC谐振电路以及第三LLC谐振电路的另一端互相连接形成Y型连接，所述第一变压器T1、第二变压器T2以及第三变压器T3次级绕阻的同名端对应连接所述三相桥式整流电路230的三个桥臂的中点，所述第一变压器T1、第二变压器T2以及第三变压器T3次级绕阻的异名端互相连接形成Y型连接。

本发明的三相交错LLC串联谐振电路20采用三相交错技术，三相输入和输出电流相差120度，三相电路的输入和输出电流波动互补，使得输入和输出电流纹波较小，从而实现良好的电路性能，且三相交错LLC串联谐振电路20中三个变压器的初级绕组和次级绕阻均采用Y型连接，流入Y连接中点的总电流和流出Y连接中点的总电流相等，即三相交错LLC串联谐振电路的电流之和为“0”，因此任意时刻始终有一相LLC串联谐振电路的电流为另外两相LLC串联谐振电路的电流之和，因此在整个开关周期内即便每相LLC串联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，从而保证三相交错LLC串联谐振电路三相之间的电流均衡，避免某相LLC串联谐振电路的电流过大而导致器件过热或损坏。

在某些实施例，例如本实施例中，所述三相桥式开关电路210包括第十三开关管Q13、第十四开关管Q14、第十五开关管Q15、第十六开关管Q16、第十七开关管Q17及第十八开关管Q18共六个开关管，每两个开关管串联构成一个桥臂，三个桥臂并联在一起连接至所述交错并联三相PFC电路10的输出正和输出负之间，其中，所述第十三开关管Q13和所述第十四开关管Q14串联构成的桥臂的中点与所述第一LLC谐振电路相连，所述第十五开关管Q15和所述第十六开关管Q16串联构成的桥臂的中点与所述第二LLC谐振电路相连，所述第十七开关管Q17和所述第十八开关管Q18构成的桥臂的中点与所述第三LLC谐振电路相连。基于本设计，所述三相桥式开关电路210可根据外部输入至该电路的不同相位的信号产生彼此不同相位的PWM驱动信号。优选地，所述开关管选用MOS、IGBT或其他可控功率开关管，以实现更好的电路性能。

在附图所示的实施例中，所述三相桥式整流电路230包括第十三二极管D13、第十四二极管D14、第十五二极管D15、第十六二极管D16、第十七二极管D17及第十八二极管D18共六个二极管，每两个二极管串联构成一个桥臂，三个桥臂并联在一起连接至所述三相AC-DC电源转换系统100的输出正和输出负之间，其中，所述第十三二极管D13和第十四二极管D14串联构成的桥臂的中点与第一变压器T1的次级绕组相连、所述第十五二极管D15和所述第十六二极管D16串联构成的桥臂的中点与第二变压器T2的次级绕组相连，所述第十七二极管D17和所述第十八二极管D18构成的桥臂的中点与第三变压器T3的次级绕组相连。基于本设计，所述三相桥式整流电路230可将所述三相变压器电路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。

在某些实施例，所述三相桥式整流电路230还包括至少一个滤波电容，在本实施例中，所述三相桥式整流电路230包括一个滤波电容，所述滤波电容的阳极和阴极分别连接所述三相AC-DC电源转换系统100的输出正和输出负。

结合图6详细说明本发明三相AC-DC电源转换系统100中三相交错LLC串联谐振电路20的工作原理。

继续参照图6，Q13和Q14不能同时导通否则造成输入短路，Q15和Q16,Q17和Q18情况类似，且Q13～Q18导通时间相同且接近但小于开关周期的1/2，因此Q13和Q14、Q15和Q16、Q17和Q18的导通相位差均为180度。Q13，Q15，Q17的导通时序上互差120度；因此Q14，Q16，Q18的导通时序也互差120度。可见在任意时刻，Q13，Q15，Q17中至少一个至多两个会导通，同样Q14，Q15，Q16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。以所述三相谐振电路220的其中一相为例，当第十三开关管Q13、第十六开关管Q16和第十八开关管Q18导通时，谐振直流电压通过第十三开关管Q13传送至第一变压器T1，同时第十电感L10和第六电容C6电流值增大，进行储能，第十三二极管D13导通，和第九电容C9实现对第一变压器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；当第十四开关管Q14、第十五开关管Q15和第十七开关管Q17导通时，谐振直流反向电压通过第十四开关管Q14传送至第一变压器T1，同时第十电感L10和第六电容C6反向电流值增大，对第一变压器T1进行供电，第十四二极管D14导通，和第九电容C9实现对第一变压器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。所述三相谐振电路220中的其他两相的电路工作原理与此相一致。

参照图7并结合图6，可以看出本发明的三相交错LLC串联谐振电路20采用三相交错技术，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，且三相交错LLC串联谐振电路20中三个变压器的初级绕组和次级绕阻均采用Y型连接，流入Y连接中点的总电流和流出Y连接中点的总电流相等，即三相交错LLC串联谐振电路的电流之和为“0”，因此任意时刻始终有一相LLC串联谐振电路的电流为另外两相LLC串联谐振电路的电流之和，因此在整个开关周期内即便每相LLC串联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，从而保证三相交错LLC串联谐振电路之间的电流均衡,避免某相LLC串联谐振电路电流过大而导致该相电路的器件损坏或过热。

综上所述，本发明的三相AC-DC电源转换系统采用交错并联技术既可实现三相PFC电路中输入电流波形跟踪输入电压波形，大幅度减小输入电流的高频纹波电流，又可实现LLC串联谐振电路中三相电路输入和输出电流波动互补，使得输入和输出电流纹波较小，从而提高电路性能。

以上结合最佳实施例对本发明进行了描述，但本发明并不局限于以上揭示的实施例，而应当涵盖各种根据本发明的本质进行的修改、等效组合。