一种共用谐振腔的双向隔离型三相直流变换器的制作方法

本发明涉及一种双向隔离型直流变换器拓扑，属于电力电子装置技术领域。

背景技术：

双向隔离型三相直流变换器能实现能量的双向流动，具有高功率密度和高传输效率的优点，在储能、直流输配电、电动汽车充电等领域有广泛的应用前景，现有技术方案典型结构如图1所示。

图1中，vp为原边直流源或负载；pcap为原边直流电容，s1、s2、s3、s4、s5、s6为电力电子开关器件，原边直流电容pcap与电力电子开关器件s1、s2、s3、s4、s5、s6构成原边三相半桥逆变电路；cra为原边a相谐振电容，lra为原边a相谐振电感，原边a相谐振电容cra与原边a相谐振电感lra构成原边a相谐振电路；crb为原边b相谐振电容，lrb为原边b相谐振电感，原边b相谐振电容crb与原边b相谐振电感lrb构成原边b相谐振电路；crc为原边c相谐振电容，lrc为原边c相谐振电感，原边c相谐振电容crc与原边c相谐振电感lrc构成原边c相谐振电路；通常情况下，原边a相谐振电容cra、原边b相谐振电容crb与原边c相谐振电容crc的电容值相同，原边a相谐振电感lra、原边b相谐振电感lrb与原边c相谐振电感lrc电感值相同。

vs为付边直流源或负载；scap为付边直流电容，q1、q2、q3、q4、q5、q6为电力电子开关器件，付边直流电容scap及电力电子开关器件q1、q2、q3、q4、q5、q6构成付边三相半桥逆变电路；crx为付边x相谐振电容，lrx为付边x相谐振电感，付边x相谐振电容crx及付边x相谐振电感lrx构成付边x相谐振电路；cry为付边y相谐振电容，lry为付边y相谐振电感，付边y相谐振电容cry及付边y相谐振电感lry构成付边y相谐振电路；crz为付边z相谐振电容，lrz为付边z相谐振电感，付边z相谐振电容crz及付边z相谐振电感lrz构成付边z相谐振电路；通常情况下，付边x相谐振电容crx、付边y相谐振电容cry与付边z相谐振电容crz电容值相同，付边x相谐振电感lrx、付边y相谐振电感lry与付边z相谐振电感lrz电感值相同。

t1为三相隔离变压器，原/付边匝比为n：1；lm1、lm2、lm3为三相对应的励磁电感，通常情况下，lm1、lm2、lm3电感值相同。

图1所示双向隔离型三相直流变换器工作原理如下：

当能量由vp流向vs：原边vp为直流源，付边vs为负载。a相s1、s2开关脉冲互补，占空比略小于0.5且相等。b相s3、s4开关脉冲互补，占空比略小于0.5且相等，相位滞后于a相1/3开关周期。c相s5、s6开关脉冲互补，占空比略小于0.5且相等，相位滞后于a相2/3开关周期；付边q1、q2、q3、q4、q5、q6开关脉冲均封锁。

当能量由vs流向vp：付边vs为直流源，原边vp为直流源或负载。x相q1、q2开关脉冲互补，占空比略小于0.5且相等。y相q3、q4开关脉冲互补，占空比略小于0.5且相等，相位滞后于x相1/3开关周期。z相q5、q6开关脉冲互补，占空比略小于0.5且相等，相位滞后于x相2/3开关周期；原边s1、s2、s3、s4、s5、s6开关脉冲均封锁。

由上述工作原理可知，现有双向隔离型三相直流变换器原/付边具有对称的结构和控制方法。因此，以下分析仅以能量从原边vp流向付边vs为例。

当能量从原边vp流向付边vs时，图1所示双向隔离型三相直流变换器的等效结构如图2所示，其结构与行业内熟知的单向隔离型三相直流变换器(见图3)相似，仅多出能量流入侧谐振电路(付边谐振电路)部分。

采用行业内熟知的fha(firstharmonicapproximatio)分析方法，当能量从原边vp流向付边vs，图2所示双向隔离型三相直流变换器对应的增益公式为：

图3所示单向隔离型三相直流变换器对应的增益公式为：

选取常见高压电池组充电工况，vp为直流源，电压值为750v，vs为电池组，电压范围为：600v-900v，变压器变比n＝1；lm1＝80uh，lrx1＝lra＝16uh，cra＝crx＝15.6uf，恒定充电电流is＝200a；绘制600v和900v工况下的增益曲线。

图2所示双向隔离型三相直流变换器对应的增益曲线如图4中实线所示，图3所示单向隔离型三相直流变换器的曲线如图4中虚线所示。

工况1：vp＝750v，vs＝600v，is＝200a，增益＝600v/750v＝0.80。

由图4实线一可知，图2变换器原边器件开关工作频率约为13.2khz。

由图4虚线一可知，图3变换器原边器件开关工作频率约为16.3khz。

工况2：vp＝750v，vs＝900v，is＝200a，增益＝900v/750v＝1.20。

由图4实线二可知，图2变换器原边器件开关工作频率约为4.6khz。

由图4虚线二可知，图3变换器原边器件开关工作频率约为7.0khz。

由图4曲线可知，图3变换器原边工作频率范围为7.0k-16.3khz范围内，虚线一/虚线二所对应的增益曲线单调，因此，付边输出电压范围可达到600v-900v，意味着图3的增益范围可达到0.8-1.2。

由图4曲线可知，图2变换器原边工作频率范围为4.6k-13.2khz范围内，实线二对应的增益曲线单调，但实线一对应的增益曲线非单调，因此，付边可输出600v电压，但无法输出900v电压，意味着图2的增益范围无法达到1.2。

由上述分析可知，当能量由vp流向vs时，相同参数下，图1所示双向直流变换器增益范围比图3所示单向直流变换器增益范围缩小，限制了变换器的性能。

技术实现要素：

本发明要解决的技术问题是：当能量由vp流向vs时，相同参数下，双向直流变换器增益范围比单向直流变换器增益范围缩小，限制了变换器的性能。

为了解决上述技术问题，本发明的技术方案是提供了一种共用谐振腔的双向隔离型三相直流变换器，包括原边直流源或负载vp及付边直流源或负载vs；原边直流源或负载vp与原边三相逆变电路相连，付边直流源或负载vs与付边三相逆变电路相连，其特征在于：

原边三相逆变电路连接原边三相隔离变压器t1的原边，原边三相隔离变压器t1的付边与共用谐振电路的一端相连；共用谐振电路的另一端连接付边三相隔离变压器t2的原边，付边三相隔离变压器t2的付边连接付边三相逆变电路。

优选地，所述共用谐振电路包括并联的三相谐振电路，每一相谐振电路包括串联的谐振电感及谐振电容。

优选地，所述原边三相隔离变压器t1的原/付边匝比为n1：n2；所述付边三相隔离变压器t2的原/付边匝比为n2：n3。

本发明的另一个技术方案是提供了一种共用谐振腔的双向隔离型三相直流变换器，包括原边直流源或负载vp及付边直流源或负载vs；原边直流源或负载vp与原边三相逆变电路相连，付边直流源或负载vs与付边三相逆变电路相连，其特征在于：

原边三相逆变电路分别与第一相共用谐振电路、第二相共用谐振电路及第三相共用谐振电路的一端相连；还包括a相原边电感、b相原边电感及c相原边电感；第一相原边电感、第二相原边电感及第三相原边电感的一端相连；a相原边电感的另一端连接在原边三相逆变电路与第一相共用谐振电路之间，b相原边电感的另一端连接在原边三相逆变电路与第二相共用谐振电路之间，c相原边电感的另一端连接在原边三相逆变电路与第三相共用谐振电路之间；

第一相共用谐振电路、第二相共用谐振电路及第三相共用谐振电路的另一端连接付边三相隔离变压器t2的原边，付边三相隔离变压器t2的付边连接付边三相逆变电路。

本发明的另一个技术方案是提供了一种共用谐振腔的双向隔离型三相直流变换器，包括原边直流源或负载vp及付边直流源或负载vs；原边直流源或负载vp与原边三相逆变电路相连，付边直流源或负载vs与付边三相逆变电路相连，其特征在于：

原边三相逆变电路连接原边三相隔离变压器t1的原边，原边三相隔离变压器t1的付边与第一相共用谐振电路、第二相共用谐振电路及第三相共用谐振电路的一端相连；

第一相共用谐振电路、第二相共用谐振电路及第三相共用谐振电路的另一端连接付边三相逆变电路；还包括x相付边电感、y相付边电感及z相付边电感；x相付边电感、y相付边电感及z相付边电感的一端相连；x相付边电感的另一端连接在第一相共用谐振电路与付边三相逆变电路之间，y相付边电感的另一端连接在第二相共用谐振电路与付边三相逆变电路之间，z相付边电感的另一端连接在第三相共用谐振电路与付边三相逆变电路之间。

本发明与双向隔离型三相直流变换器相比共用谐振电路，元件数量更少，具有更宽的增益范围。本发明与单相隔离型三相直流变压器相比：具有双向能量传输能力。

附图说明

图1为典型双向隔离型三相直流变换器结构；

图2为能量从vp流向vs时，图1所示典型双向隔离型三相直流变换器等效结构；

图3为能量从vp流向vs时，典型单向隔离型三相直流变换器；

图4为背景技术中能量从vp流向vs时，典型双向隔离型三相直流变换器增益曲线；

图5为本发明实施例1提出的双向隔离型三相直流变换器；

图6及图7为图5的等效回路；

图8为本发明实施例2提出的双向隔离型三相直流变换器；

图9为本发明实施例3提出的双向隔离型三相直流变换器。

具体实施方式

下面结合具体实施例，进一步阐述本发明。应理解，这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。此外应理解，在阅读了本发明讲授的内容之后，本领域技术人员可以对本发明作各种改动或修改，这些等价形式同样落于本申请所附权利要求书所限定的范围。

实施例1

如图5所示，本实施例公开的双向隔离型三相直流变换器的原/付边三相逆变器与已知图1结构相同，

图5中，vp为原边直流源或负载；pcap为原边直流电容，s1、s2、s3、s4、s5、s6为电力电子开关器件，原边直流电容pcap以及电力电子开关器件s1、s2、s3、s4、s5、s6构成原边三相半桥逆变电路。

vs为付边直流源或负载；scap为付边直流电容，q1、q2、q3、q4、q5、q6为电力电子开关器件，付边直流电容scap以及电力电子开关器件q1、q2、q3、q4、q5、q6构成付边三相半桥逆变电路。

t1为原边三相隔离变压器，原/付边匝比为n1：n2；lma、lmb、lmc为三相对应的励磁电感，通常情况下，lma、lmb、lmc电感值相同。

t2为付边三相隔离变压器，原/付边匝比为n2∶n3；lmx、lmy、lmz为三相对应的励磁电感，通常情况下，lmx、lmy、lmz电感值相同。

cr1为共用第一相谐振电容，lr1为共用第一相谐振电感，共用第一相谐振电容cr1及共用第一相谐振电感lr1构成共用第一相谐振电路。cr2为共用第二相谐振电容，lr2为共用第二相谐振电感，共用第二相谐振电容cr2及共用第二相谐振电感lr2构成共用第二相谐振电路。cr3为共用第三相谐振电容，lr3为共用第三相谐振电感，共用第三相谐振电容cr3及共用第三相谐振电感lr3构成共用第三相谐振电路。通常情况下，共用第一相谐振电容cr1、共用第二相谐振电容cr2与共用第三相谐振电容cr3电容值相同，共用第一相谐振电感lr1、共用第二相谐振电感lr2与共用第三相谐振电感lr3电感值相同。

当能量由vp流向vs：原边vp为直流源，付边vs为直流源或负载。a相电力电子开关器件s1、s2开关脉冲互补，占空比略小于0.5且相等。b相电力电子开关器件s3、s4开关脉冲互补，占空比略小于0.5且相等，相位滞后于a相1/3开关周期。c相电力电子开关器件s5、s6开关脉冲互补，占空比略小于0.5且相等，相位滞后于a相2/3开关周期。付边电力电子开关器件q1、q2、q3、q4、q5、q6开关脉冲均封锁。

当能量由vs流向vp：付边vs为直流源，原边vp为直流源或负载。x相电力电子开关器件q1、q2开关脉冲互补，占空比略小于0.5且相等。y相电力电子开关器件q3、q4开关脉冲互补，占空比略小于0.5且相等，相位滞后于x相1/3开关周期。z相电力电子开关器件q5、q6开关脉冲互补，占空比略小于0.5且相等，相位滞后于x相2/3开关周期。原边电力电子开关器件s1、s2、s3、s4、s5、s6开关脉冲均封锁。

由上述工作原理可知，图5所示双向隔离型三相直流变换器原/付边具有对称的结构和控制方法。因此，以下分析仅以能量从原边vp流向付边vs为例，图5变换器可以等效拆分为图6和图7两种回路。

图6回路与图3所示已有的变换器工作回路完全相同，采用相同的控制方法，增益曲线可满足公式2。而图7回路会适当的增加原边开关器件的工作电流，并不会对图6回路性能产生额外影响。因此，本发明提出的双向隔离型三相直流变换器回路既单向隔离型三相直流变换器的增益性能，同时，又具备能量双向流动的能力。

实施例2

如图8所示，本实施例公开的双向隔离型三相直流变换器与实施例1的区别在于：将实施例1中的付边三相隔离变压器t2用x相付边电感lmx、y相付边电感lmy及z相付边电感lmz代替。本实施例的其他结构及工作原理同实施例1，此处不再赘述。

实施例3

如图9所示，本实施例公开的双向隔离型三相直流变换器与实施例1的区别在于：将实施例1中的原边三相隔离变压器t1用a相原边电感lma、b相原边电感lmb及c相原边电感lmc代替。本实施例的其他结构及工作原理同实施例1，此处不再赘述。