一种高频隔离三相双向变换器的制作方法

1.本发明涉及电源转换技术领域，更具体地涉及一种高频隔离三相双向变换器。


背景技术：

2.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。
3.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导通以及整流侧开关管的zcs关断，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，使工作电压范围极大变窄，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。


技术实现要素：

4.本发明所要解决的技术问题是提供一种正反向工作时损耗较小，能提升工作电压范围的高频隔离三相双向变换器。
5.为解决上述技术问题，本发明提供一种高频隔离三相双向变换器，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高频隔离三相双向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，
6.每一谐振电路包括第一电感、第二电感、第一电容、第二电容以及选择开关，所述第二电容的一端连接第一电容和第二电感的一端，所述第二电感的该一端还通过选择开关连接第一电容/第二电容的另一端，以在高频隔离三相双向变换器工作在第一状态时通过选择开关连接至第一电容，在第二状态时通过选择开关连接至第二电容，所述第一电容和第二电容的该另一端还分别连接三相桥式开关电路中一桥臂的中点和第一电感的一端，所述第二电感和第一电感的另一端连接一隔离变压器的初级绕组，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，其中，在所述第一状态时，电力从所述第一连接侧传输到第二连接侧，而在所述第二状态时，电力从第二连接侧传输到第一连接侧。
7.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高频隔离三相双向变换器的第一连接侧。
8.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高频隔离三相双向变换器的第二连接侧。
9.其进一步技术方案为：所述开关管选用mosfet或igbt。
10.高其进一步技术方案为：所述高频隔离三相双向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高频隔离三相双向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。
11.为解决上述技术问题，本发明还提供一种高频隔离三相双向变换器，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高频隔离三相双向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，
12.每一谐振电路包括第一电感、第二电感、第三电感、第一电容、第二电容以及选择开关，所述第二电容两端分别连接第三电感和第一电感的一端，所述第三电感的另一端连接第一电容的一端，所述第二电感的一端连接于第三电感和第二电容之间，且第二电感的该一端还通过选择开关连接于第一电容/第一电感的另一端，以在高频隔离三相双向变换器工作在第一状态时通过选择开关连接至第一电容，在第二状态时通过选择开关连接至第一电感，所述第一电容的该另一端连接三相桥式开关电路中一桥臂的中点，所述第一电感的该另一端和第二电感的另一端连接一隔离变压器的初级绕组，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，其中，在所述第一状态时，电力从所述第一连接侧传输到第二连接侧，而在所述第二状态时，电力从第二连接侧传输到第一连接侧。
13.与现有技术相比，本发明高频隔离三相双向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，且等效电路相同，正反向工作时增益均无损耗，解决了传统llc谐振电路反向不能同等性能工作的问题，即本发明高频隔离三相双向变换器在能量反向流动时可升压，可有效提升变换器的输入输出电压范围，实现宽电压范围变换。
附图说明
14.图1是本发明高频隔离三相双向变换器第一实施例的电路示意图。
15.图2是本发明高频隔离三相双向变换器第二实施例的电路示意图。
具体实施方式
16.为使本领域的普通技术人员更加清楚地理解本发明的目的、技术方案和优点，以下结合附图和实施例对本发明做进一步的阐述。
17.参照图1，图1为本发明高频隔离三相双向变换器10第一实施例的电路示意图。在附图所示的实施例中，所述高频隔离三相双向变换器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的一侧分别作为高频隔离三相双向变换器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，每一谐振电路包括第一电感、第二电感、第一电容、第二电容以及选择开关，所述第二电容的一端连接第一电容和第二电感的一端，所述第二电感的该一端还通过选择开关连接第一电容/第二电容的另一端，以在高频隔离三相双向变换器10工作在第一状态时通过选择开关连接至第一电
容的另一端，在第二状态时通过选择开关连接至第二电容的另一端，所述第一电容和第二电容的该另一端还分别连接三相桥式开关电路100中一桥臂的中点和第一电感的一端，所述第二电感和第一电感的另一端连接一隔离变压器的初级绕组，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，其中，在所述第一状态时，电力从所述第一连接侧传输到第二连接侧，而在所述第二状态时，电力从第二连接侧传输到第一连接侧，即当能量正向流动时高频隔离三相双向变换器10的工作状态为第一状态，能量反向流动时高频隔离三相双向变换器10工作状态为第二状态。优选地，所述第一电感和第二电感的电感量相同。
18.具体地，在附图所示的实施例中，所述谐振腔200包括第一谐振电路、第二谐振电路以及第三谐振电路，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、第二电容c2以及选择开关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c3、第二电容c4以及选择开关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c5、第二电容c6以及选择开关s3，所述第一电容c1、第一电容c3以及第一电容c5对应连接所述三相桥式开关电路100的三个桥臂的中点，所述第一电感l1、第一电感l3以及第一电感l5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初级绕组的同名端，所述第二电感l2、第二电感l4以及第二电感l6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。
19.本实施例中，当能量正向流动时，即电力从第一连接侧向第二连接侧流动时，高频隔离三相双向变换器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，即电力从第二连接侧向第一连接侧流动时，则高频隔离三相双向变换器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。本发明高频隔离三相双向变换器10中的谐振电路在能量正向流动时，第一电容被短路，而在能量反向流动时，第二电容被短路，使得谐振电路在能量正反向流动时的等效电路相同，正反向工作时增益均无损耗，解决了传统llc谐振电路反向不能同等性能工作的问题，即在能量反向流动时可升压，可有效提升变换器的输入输出电压范围，实现宽电压范围变换，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。
20.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高频隔离三相双向变换器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，从而可实现高频隔离三相双向变换器10的各开关管均为软开关。
21.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高频隔离三相双向变换器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，而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。
22.进一步地，所述高频隔离三相双向变换器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c8两端连接至高频隔离三相双向变换器10的第一连接侧，所述第二滤波电容c9两端连接至高频隔离三相双向变换器10的第二连接侧。
23.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的开关频率来实现高频隔离三相双向变换器10的宽范围电压变换，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12的等效电路与能量正向传输时相同，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变换，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。
24.本发明高频隔离三相双向变换器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。
25.参照图2，图2为本发明高频隔离三相双向变换器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谐振电路的具体结构不同，其余电路结构相同或相似。具体地，本实施例中，所述谐振电路包括第一电感、第二电感、第三电感、第一电容、第二电容以及选择开关，所述第二电容两端分别连接第三电感和第一电感的一端，所述第三电感的另一端连接第一电容的一端，所述第二电感的一端连接于第三电感和第二电容之间，且第二电感的该一端还通过选择开关连接于第一电容/第一电感的另一端，以在高频隔离三相双向变换器10工作在第一状态时通过选择开关连接至第一电容的另一端，在第二状态时通过选择开关连接至第一电感的另一端，所述第一电容的该另一端连接三相桥式开关电路中一桥臂的中点，所述第一电感的该另一端和第二电感的另一端连接一隔离变压器的初级绕组。
26.即可理解地，在本实施例中，所述第一谐振电路包括第一电感l1、第二电感l2、第三电感l3、第一电容c1、第二电容c2以及选择开关s1，所述第二谐振电路包括第一电感l4、第二电感l5、第三电感l6、第一电容c3、第二电容c4以及选择开关s2，所述第三谐振电路包括第一电感l7、第二电感l8、第三电感l9、第一电容c5、第二电容c6以及选择开关s3。可知，本实施例中，所述第一电容c1、第一电容c3以及第一电容c5对应连接所述三相桥式开关电路100的三个桥臂的中点，所述第一电感l1、第一电感l4以及第一电感l7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初级绕组的同名端，所述第二电感l2、第二电感l5以及第二电感l8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；且在第一状态时，所述第二电感l2、第二电感l5以及第二电感l8分别通过选择开关s1、选择开关s2以及选择开关s3以分别连接第一电容c1、第一电容c3以及第一电容c5，而在第二状态时，所述第二电感l2、第二电感l5以及第二电感l8分别通过选择开关s1、选择开关s2以及选择开关s3以分别连接第一电感l1、第一电感l4以及第一电感l7。本实施例中的谐振电路在能量正反向流动时等效电路相同，增益相同，无损耗，可以有效提升高频隔离三相双向变换器10的输入输出电压范围，实现宽电压范围变换。
27.综上所述，本发明高频隔离三相双向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，且等效电路相同，正反向工作时增益均无损耗，解决了传统llc谐振电路反向不能同等性能工作的问题，即本发明高频隔离三相双向变换器在能量反向流动时可升压，可有效提升变换器的输入输出电压范围，实现宽电压范围变换。
28.以上所述仅为本发明的优选实施例，而非对本发明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，均应落入本发明的保护范围之内。