三相交错谐振变换器和电源电路的制作方法

1.本技术涉及谐振变换器技术领域，尤其涉及一种三相交错谐振变换器和电源电路。


背景技术：

2.单相llc谐振变换器因其实现了原边侧零电压开关(zero voltage switching，zvs)和副边侧零电压开关/零电流开关(zero current switching，zcs)，并优化了并联绕组和同步整流器之间的均流问题和端接损耗(termination loss)，适合应用于高效率、高功率密度的电源电路。
3.由于单相llc谐振变换器存在输出电流纹波大和输出滤波电容的体积大的问题，以及随着功率与功率密度的需求提高，相关业者提出多相交错谐振变换器，借以减小输出电流纹波、减小输出滤波电容的体积和数量以及改善热量分布。然而，在实际多相交错谐振变换器中，由于制作工艺的偏差、元器件(例如：谐振电感与谐振电容)的参数差异以及环境变化引起的参数变化等原因，导致每一相变换器分担的负载电流不均衡，进而降低了多相交错谐振变换器的效率、可靠性和寿命。另外，多相交错谐振变换器也会存在器件数量多的问题。
4.因此，如何提供一种简化的多相交错谐振变换器，使其运行时能够实现电流均衡，是本领域技术人员亟待解决的问题。


技术实现要素：

5.本技术实施例提供一种三相交错谐振变换器和电源电路，可以有效解决现有技术中，多相交错谐振变换器运行时，存在每一相谐振变换器的电流不均衡的问题。
6.为了解决上述技术问题，本技术是这样实现的：
7.第一方面，提供了一种三相交错谐振变换器，其包括：三相逆变电路、三相变压器、三相谐振电路以及三相整流滤波电路。三相逆变电路连接输入电压且包括第一输出节点、第二输出节点和第三输出节点；三相变压器包括三个变压器；三相谐振电路包括三个谐振电容和三个谐振电感。三个谐振电感的一端分别与第一输出节点、第二输出节点和第三输出节点连接，三个谐振电感的另一端分别与三个谐振电容和三个变压器的原边绕组所交错连接形成的三角进行连接。三相整流滤波电路分别与三个变压器的副边绕组连接，用以分别对三个变压器的副边绕组输出的副边电流进行整流及滤波，并据以产生输出电压。
8.第二方面，提供了一种电源电路，其包括：本技术实施例的三相交错谐振变换器。
9.在本技术实施例中，三相交错谐振变换器和电源电路通过第一输出节点、第二输出节点和第三输出节点分别与三个谐振电感串联，然后再与三个谐振电容和三个变压器的原边绕组所交错连接形成的三角型进行连接的电路拓扑设计，使得器件数量不多的三相交错谐振变换器在运行时具有自然均流的能力，无需额外的均流控制手段。另外，由于三个谐振电容和三个变压器的原边绕组交错连接形成三角形，使得所述谐振电容的体积(或电容
值)可以减少三分之二，提高功率密度。
附图说明
10.此处所说明的附图用来提供对本技术的进一步理解，构成本技术的一部分，本技术的示意性实施例及其说明用于解释本技术，并不构成对本技术的不当限定。在附图中：
11.图1为依据本技术的三相交错谐振变换器的一实施例电路拓扑图；
12.图2为图1的第一开关桥臂的一实施例驱动波形图；
13.图3为图1的第二开关桥臂的一实施例驱动波形图；
14.图4为图1的第三开关桥臂的一实施例驱动波形图；
15.图5至图7分别为图1的三个谐振电感的电流和三个励磁电感中任两个之间的电流差值的一实施例波形图；
16.图8为图1的三个励磁电感的电压应力的一实施例波形图；
17.图9为图1的每一个整流桥臂的上部二极管的电流的一实施例波形图；
18.图10为图1的输出电压的一实施例波形图；
19.图11为图1的三个谐振电感的电流的一实施例波形图；
20.图12为图1的三个励磁电感的电流的一实施例波形图；
21.图13为图1的三个谐振电容的电压应力的一实施例波形图；及
22.图14为依据本技术的三相交错谐振变换器的另一实施例电路拓扑图。
具体实施方式
23.以下将配合相关附图来说明本发明的实施例。在这些附图中，相同的标号表示相同或类似的组件或方法流程。
24.必须了解的是，使用在本说明书中的“包含”、“包括”等词，是用于表示存在特定的技术特征、数值、方法步骤、作业处理、组件和/或组件，但并不排除可加上更多的技术特征、数值、方法步骤、作业处理、组件、组件，或以上的任意组合。
25.必须了解的是，当组件描述为“连接”或“耦接”至另一组件时，可以是直接连结、或耦接至其他组件，可能出现中间组件。相反地，当组件描述为“直接连接”或“直接耦接”至另一组件时，其中不存在任何中间组件。
26.请参阅图1，其为依据本技术的三相交错谐振变换器的一实施例电路拓扑图。如图1所示，在本实施例中，三相交错谐振变换器100包括：三相逆变电路110、三相变压器120、三相谐振电路130以及三相整流滤波电路140。其中，三相逆变电路110连接输入电压vin且包括第一输出节点a、第二输出节点b和第三输出节点k，三相变压器120包括三个变压器(即第一变压器t1、第二变压器t2和第三变压器t3)，三相谐振电路130包括三个谐振电容(即第一谐振电容c1、第二谐振电容c2和第三谐振电容c3)和三个谐振电感(即第一谐振电感l1、第二谐振电感l2和第三谐振电感l3)。三个谐振电感(即第一谐振电感l1、第二谐振电感l2和第三谐振电感l3)的一端分别与第一输出节点a、第二输出节点b和第三输出节点k连接，三个谐振电感(即第一谐振电感l1、第二谐振电感l2和第三谐振电感l3)的另一端分别与三个谐振电容(即第一谐振电容c1、第二谐振电容c2和第三谐振电容c3)和三个变压器的原边绕组(即第一变压器t1的原边绕组np1、第二变压器t2的原边绕组np2和第三变压器t3的原边
绕组np3)所交错连接形成的三角进行连接。三相整流滤波电路140分别与三个变压器的副边绕组(即第一变压器t1的副边绕组ns1、第二变压器t2的副边绕组ns2和第三变压器t3的副边绕组ns3)连接，用以分别对三个变压器的副边绕组(即第一变压器t1的副边绕组ns1、第二变压器t2的副边绕组ns2和第三变压器t3的副边绕组ns3)输出的副边电流进行整流及滤波，并据以产生输出电压vo。
27.需注意的是，第一谐振电容c1、第二谐振电容c2和第三谐振电容c3为具有相同规格的谐振电容，第一谐振电感l1、第二谐振电感l2和第三谐振电感l3为具有相同规格的谐振电感，第一变压器t1、第二变压器t2和第三变压器t3为具有相同规格的变压器。
28.在本实施例中，三相交错谐振变换器100可通过第一输出节点a、第二输出节点b和第三输出节点k分别与第一谐振电感l1、第二谐振电感l2和第三谐振电感l3串联，然后再与第一谐振电容c1、第一变压器t1的原边绕组np1、第二谐振电容c2、第二变压器t2的原边绕组np2、第三谐振电容c3和第三变压器t3的原边绕组np3所依序连接形成的三角型进行连接，使得器件数量不多的三相交错谐振变换器100在运行时具有自然均流的能力，无需额外的均流控制手段。另外，三相交错谐振变换器100也可借由上述的电路拓扑能够实现软开关。
29.在一实施例中，三相逆变电路110包括并联的第一开关桥臂112、第二开关桥臂114和第三开关桥臂116，第一开关桥臂112的中点为第一输出节点a，第二开关桥臂114的中点为第二输出节点b，第三开关桥臂116的中点为第三输出节点k，第一开关桥臂112的驱动脉冲和第二开关桥臂114的驱动脉冲之间的相位相差120度，第二开关桥臂114的驱动脉冲和第三开关桥臂116的驱动脉冲之间的相位相差120度，第三开关桥臂116的驱动脉冲和第一开关桥臂112的驱动脉冲之间的相位相差120度。通过第一开关桥臂112、第二开关桥臂114和第三开关桥臂116之间为120度交错工作，使得输入与输出三相交错谐振变换器100的电流纹波更小，适合于大功率的应用环境。其中，第一开关桥臂112、第二开关桥臂114和第三开关桥臂116的驱动脉冲为幅值相等、频率相等、相位相差120度的三相电信号。
30.在一实施例中，第一开关桥臂112包括相互串联且开关时序相差180度的两个第一开关管q1、q2，第二开关桥臂114包括相互串联且开关时序相差180度的两个第二开关管q3、q4，第三开关桥臂116包括相互串联且开关时序相差180度的两个第三开关管q5、q6。其中，第一开关桥臂112的中点(即第一输出节点a)位于第一开关管q1与第一开关管q2之间，第二开关桥臂114的中点(即第二输出节点b)位于第二开关管q3与第二开关管q4之间，第三开关桥臂116的中点(即第三输出节点k)位于第三开关管q5与第三开关管q6之间。
31.在一实施例中，第一开关管q1、第一开关管q2、第二开关管q3、第二开关管q4、第三开关管q5与第三开关管q6分别为双极性晶体管(igbt)、碳化硅(sic)晶体管、金属氧化物场效应晶体管(mosfet)或氮化镓(gan)晶体管。需注意的是，第一开关管q1、第一开关管q2、第二开关管q3、第二开关管q4、第三开关管q5与第三开关管q6需为具有相同规格的开关管。
32.在一实施例中，第一开关管q1、第一开关管q2、第二开关管q3、第二开关管q4、第三开关管q5与第三开关管q6中的每一个的两端分别并联反向二极管。
33.在一实施例中，第一谐振电容c1、第一变压器t1的原边绕组np1、第二谐振电容c2、第二变压器t2的原边绕组np2、第三谐振电容c3和第三变压器t3的原边绕组np3依序连接形成三角型连接，第一谐振电感l1的两端分别连接第一谐振电容c1与第三变压器t3的原边绕
组np3之间的连接节点r和第一输出节点a，第二谐振电感l2的两端分别连接第二谐振电容c2与第一变压器t1的原边绕组np1之间的连接节点s和第二输出节点b，第三谐振电感l3的两端分别连接第三谐振电容c3与第二变压器t2的原边绕组np2之间的连接节点m和第三输出节点k。
34.在一实施例中，第一变压器t1的第一励磁电感lm1与原边绕组np1并联连接，第二变压器t2的第二励磁电感lm2与原边绕组np2并联连接，第三变压器t3的第三励磁电感lm3与原边绕组np3并联连接(即三个变压器中的每一个的励磁电感与原边绕组并联连接)。其中，第一励磁电感lm1、第二励磁电感lm2和第三励磁电感lm3可分别设置于第一变压器t1、第二变压器t2和第三变压器t3的内部，也可分别设置于第一变压器t1、第二变压器t2和第三变压器t3的外部；当第一励磁电感lm1、第二励磁电感lm2和第三励磁电感lm3可分别设置于第一变压器t1、第二变压器t2和第三变压器t3的外部时，可减小了第一变压器t1、第二变压器t2和第三变压器t3的涡流损耗。另外，第一谐振电容c1、第一谐振电感l1和第一励磁电感lm1构成一个llc谐振电路，第二谐振电容c2、第二谐振电感l2和第二励磁电感lm2构成一个llc谐振电路，第三谐振电容c3、第三谐振电感l3和第三励磁电感lm3构成一个llc谐振电路，三相交错谐振变换器100为三相交错llc谐振变换器。
35.需注意的是，第一励磁电感lm1、第二励磁电感lm2和第三励磁电感lm3为具有相同规格的励磁电感。
36.在一实施例中，三相整流滤波电路140包括并联的三个整流桥臂(即第一整流桥臂142、第二整流桥臂144和第三整流桥臂146)，三个整流桥臂的中点分别与三个变压器的副边绕组(即第一变压器t1的副边绕组ns1、第二变压器t2的副边绕组ns2和第三变压器t3的副边绕组ns3)相互连接所形成的三角型进行连接。
37.在一实施例中，第一整流桥臂142包括相互串联的第一二极管d1和第一二极管d2，第二整流桥臂144包括相互串联的第二二极管d3和第二二极管d4，第三整流桥臂146包括相互串联的第三二极管d5和第三二极管d6(即三个整流桥臂中的每一个包括相互串联的两个二极管)。其中，第一二极管d1、第二二极管d3和第三二极管d5也可分别称为第一整流桥臂142、第二整流桥臂144和第三整流桥臂146的上部二极管，第一二极管d2、第二二极管d4和第三二极管d6也可分别称为第一整流桥臂142、第二整流桥臂144和第三整流桥臂146的下部二极管。
38.需注意的是，第一二极管d1、第一二极管d2、第二二极管d3、第二二极管d4、第三二极管d5和第三二极管d6为具有相同规格的二极管。
39.在一实施例中，三相整流滤波电路140还包括：滤波电容c0，与三个整流桥臂(即第一整流桥臂142、第二整流桥臂144和第三整流桥臂146)并联，用以将经由第一整流桥臂142、第二整流桥臂144和第三整流桥臂146整流后的所述副边电流变换成对输出负载电路提供能量的输出电压vo。
40.以下配合图1至图13以实例的方式进行三相交错谐振变换器100具有自然均流能力，能实现软开关的说明。
41.请参阅图1至图4，图2为图1的第一开关桥臂的一实施例驱动波形图，图3为图1的第二开关桥臂的一实施例驱动波形图，图4为图1的第三开关桥臂的一实施例驱动波形图。其中，图2至图4的横轴为时间，单位为秒(s)；图2至图4的纵轴仅表示驱动波形的变化量，无
单位；图2的实线为第一开关管q1的驱动波形，图2的虚线为第一开关管q2的驱动波形；图3的实线为第二开关管q3的驱动波形，图3的虚线为第二开关管q4的驱动波形；图4的实线为第三开关管q5的驱动波形，图4的虚线为第三开关管q6的驱动波形。第一开关管q1与第一开关管q2互补导通且驱动波形之间需设置必要的死区时间d，以避免发生第一开关桥臂112直通；第二开关管q3与第二开关管q4互补导通且驱动波形之间需设置必要的死区时间d，以避免发生第二开关桥臂114直通；第三开关管q5与第三开关管q6互补导通且驱动波形之间需设置必要的死区时间d，以避免发生第三开关桥臂116直通。另外，第一开关管q1、第二开关管q3和第三开关管q5的驱动波形分别交叉120度导通(即相位相差120度)。
42.请参阅图1和图5至图10，图5至图7分别为图1的三个谐振电感的电流和三个励磁电感中任两个之间的电流差值的一实施例波形图，图8为图1的三个励磁电感的电压应力的一实施例波形图，图9为图1的每一个整流桥臂的上部二极管的电流的一实施例波形图，图10为图1的输出电压的一实施例波形图。其中，图5至图10的横轴为时间，单位为秒(s)；图5至图7和图9的纵轴为电流，单位为安培(a)；图8和图10的纵轴为电压，单位为伏特(v)；图5的实线为第一谐振电感l1的电流波形，图5的虚线为第一励磁电感lm1与第三励磁电感lm3之间的电流差值(即第一励磁电感lm1的电流值减去第三励磁电感lm3的电流值的差值)波形；图6的实线为第二谐振电感l2的电流波形，图6的虚线为第二励磁电感lm2与第一励磁电感lm1之间的电流差值(即第二励磁电感lm2的电流值减去第一励磁电感lm1的电流值的差值)波形；图7的实线为第三谐振电感l3的电流波形，图7的虚线为第三励磁电感lm3与第二励磁电感lm2之间的电流差值(即第三励磁电感lm3的电流值减去第二励磁电感lm2的电流值的差值)波形；图8的实线为第一励磁电感lm1的电压应力波形，图8的虚线为第二励磁电感lm2的电压应力波形，图8的链线为第三励磁电感lm3的电压应力波形；图9的实线为第一二极管d1的电流波形，图9的虚线为第二二极管d3的电流波形，图9的链线为第三二极管d5的电流波形。
43.从图5至图10中可以看出，三相交错谐振变换器100中的每一相谐振变换器与现有的单相谐振变换器的工作原理类似。当三相谐振电路130发生谐振时，由于电流或电压周期性地过零点，使得三相交错谐振变换器100能够实现软开关，达到降低开关损耗的目的。
44.请参阅图1和图11至图13，图11为图1的三个谐振电感的电流的一实施例波形图，图12为图1的三个励磁电感的电流的一实施例波形图，图13为图1的三个谐振电容的电压应力的一实施例波形图。其中，图11至图13的横轴为时间，单位为秒(s)；图11和图12的纵轴为电流，单位为安培(a)；图13的纵轴为电压，单位为伏特(v)；图11的实线为第一谐振电感l1的电流波形，图11的虚线为第二谐振电感l2的电流波形，图11的链线为第三谐振电感l3的电流波形；图12的实线为第一励磁电感lm1的电流波形，图12的虚线为第二励磁电感lm2的电流波形，图12的链线为第三励磁电感lm3的电流波形；图13的实线为第一谐振电容c1的电压应力波形，图13的虚线为第二谐振电容c2的电压应力波形，图13的链线为第三谐振电容c3的电压应力波形。
45.从图11至图13中可以看出，第一谐振电感l1、第二谐振电感l2和第三谐振电感l3的谐振电流相等，第一励磁电感lm1、第二励磁电感lm2和第三励磁电感lm3的电流相等，第一谐振电容c1、第二谐振电容c2和第三谐振电容c3的电压应力相等。因此，三相交错谐振变换器100具有自然均流的能力。
46.请参阅图14，其为依据本技术的三相交错谐振变换器的另一实施例电路拓扑图。如图14所示，三相交错谐振变换器200与图1的三相交错谐振变换器100之间的差异在于第一整流桥臂242包括相互串联的第四开关管q7和第四开关管q8，第二整流桥臂244包括相互串联的第五开关管q9和第五开关管q10，第三整流桥臂246包括相互串联的第六开关管q11和第六开关管q12(即三相整流滤波电路240的三个整流桥臂中的每一个包括相互串联的两个开关管)。
47.在一实施例中，第四开关管q7、第四开关管q8、第五开关管q9、第五开关管q10、第六开关管q11和第六开关管q12可为双极性晶体管、碳化硅晶体管、金属氧化物场效应晶体管或氮化镓晶体管。
48.在一实施例中，第四开关管q7、第四开关管q8、第五开关管q9、第五开关管q10、第六开关管q11和第六开关管q12中的每一个的两端分别并联反向二极管。
49.需注意的是，第四开关管q7、第四开关管q8、第五开关管q9、第五开关管q10、第六开关管q11和第六开关管q12为具有相同规格的开关管。
50.本技术实施例提供的电源电路可包括三相交错谐振变换器100或三相交错谐振变换器200，所述电源电路的其它结构，如电源、外壳等，均相对现有技术相比不作改进，不再赘述。
51.综上所述，本技术实施例的三相交错谐振变换器和电源电路可通过第一输出节点、第二输出节点和第三输出节点分别与三个谐振电感串联，然后再与三个谐振电容和三个变压器的原边绕组所交错连接形成的三角型进行连接的电路拓扑设计，使得器件数量不多的三相交错谐振变换器在运行时具有自然均流的能力，无需额外的均流控制手段。另外，由于三个谐振电容和三个变压器的原边绕组交错连接形成三角型，使得所述谐振电容的体积(或电容值)可以减少三分之二，提高功率密度。此外，由于三个谐振电容和三个变压器的原边绕组交错连接形成三角型且所述励磁电感与所述变压器的原边绕组并联连接，使得所述励磁电感的感量增大，所以减小励磁电流和磁芯的损耗，进而提高了所述三相交错谐振变换器的效率。
52.虽然在本技术的图式中包含了以上描述的组件，但不排除在不违反发明的精神下，使用更多其他的附加组件，已达成更佳的技术效果。
53.虽然本发明使用以上实施例进行说明，但需要注意的是，这些描述并非用于限缩本发明。相反地，此发明涵盖了所属技术领域中的技术人员显而易见的修改与相似设置。所以，权利要求范围须以最宽广的方式解释来包含所有显而易见的修改与相似设置。