一种基于多元件谐振槽的宽增益多相LLC谐振变换器

本发明涉及电力电气领域，具体为一种基于多元件谐振槽的宽增益多相llc谐振变换器。

背景技术：

1、对天然气、煤炭、石油等资源的日益增强的依赖性，导致人类对其的过度开发，在全球能源危机的进一步加剧下，各国都在扩大对新能源技术的研究。广泛采用诸如太阳能和风能等的可再生能源将有助于减少环境中的碳足迹。太阳能的潜力巨大，其安装率近年一直在增长。大规模风力发电的广泛应用也增加了可再生能源存储的需求。新能源发电的枢纽dc-dc变换器能够为储能与发电系统之间的转换提供可靠通道以保持能量传输的稳定性，例如在电动汽车中，需要dc-dc变换器来实现能量的流动，以实现其稳定运行；因此，通常由发电部分、储能部分、变压器及逆变器组成一类新能源系统汽车dc-dc变换器的拓扑结构及其控制技术近年来发展迅速。为满足变换器高效、高功率密度的发展趋势，如何降低变换器的损耗和体积成为研究热点。

2、dc/dc变换器分为pwm型和谐振型（llc）。相较于效率低、损耗高的pwm型dc/dc变换器来说，谐振型变换器具有软开关特性，即在全负载范围内能够实现原边开关管零电压开通和副边二极管零电流关断的优势，使其在保证效率的同时可以提高开关频率。同时，变压器的漏感可以部分充当谐振电感，这意味着利用磁集成技术可以进一步提高变换器的功率密度。故llc谐振变换器在中小功率应用场合的使用日益增多。

3、传统llc变换器的增益特性表明，通过调节其开关频率可以实现电压调节，然而在开关频率大于谐振频率的部分，增益曲线随频率变化较为平缓，在低输出电压时开关频率很高，并且单个桥臂的存在使得电流幅值较高，从而导致损耗增加，效率降低。

技术实现思路

1、本发明为解决传统llc变换器在开关频率大于谐振频率的部分，增益曲线随频率变化较为平缓，在低输出电压时开关频率很高，并且单个桥臂的存在使得电流幅值较高，从而导致损耗增加，效率降低的技术问题，提供一种基于多元件谐振槽的宽增益多相llc谐振变换器。

2、本发明是采用如下技术方案实现的：一种基于多元件谐振槽的宽增益多相llc谐振变换器，所述llc谐振变换器拓扑结构包括直流母线输入电路、方波发生器、谐振槽、变压器、整流滤波电路和负载；方波发生器采用半桥逆变电路，整个拓扑共有2n个开关管 s1、s2...s2n-1，s2n，n≥3，其中s1与s2构成一个半桥，s3与s4构成一个半桥...s2n-1与s2n构成一个半桥，分别作为第一、第二、...第n相，且同一半桥的开关管是互补导通的；每相之间的驱动信号相互交错，多相相交错时驱动信号互差 360/n°，每相的变压器的原边都接地；谐振槽中，cr为电容，lr为谐振电感，lm为励支路的电感；谐振元件cr1与lr1串联，cr2与lr2串联，上述两条串联后的线路并联后，一端与s1与s2构成的半桥中点相连接，另一端通过lm1连接至变压器的第一相原边；谐振元件cr3与lr3串联，cr4与lr4串联，上述两条串联后的线路并联后，一端与s3与s4构成的半桥中点相连接，另一端通过lm2连接至变压器的第二相原边；以此类推，谐振元件cr2n-1与lr2n-1串联，cr2n与lr2n串联，上述两条串联后的线路并联后，一端与s2n-1与s2n构成的半桥中点相连接，另一端通过lmn连接至变压器的第n相原边；上述各条串联电路等效为可变电容，形成陷波器；变压器二次侧采用2n个自由组合的二级管或者mos管d1-d2n，d1和d2、d3和d4...d2n-1和d2n各构成一个半桥，作为整流滤波电路，n个半桥分别接变压器的第一、第二...第n相；整流滤波电路后接输出电容连接至负载。

3、本发明的技术特点：本发明为多元件谐振槽，在传统三相llc谐振变换器三桥臂基础上，针对每个桥臂加入了新的桥臂，同时将传统的三相llc谐振变换器拓展到了多相。增加的桥臂可以改善增益特性并实现利用基波和三次谐波传输有功功率，并且将原桥臂的部分电流分流。本发明通过对谐振槽的拓扑变形，从而改善谐振变换器的增益特性，使得变换器在每个谐振槽内的电流幅值降低，在低输出电压时不再像传统的llc变换器一样需要较高频率，降低导通损耗与变压器损耗，同时实现高增益，提升了效率和功率密度。

4、本发明有益效果：本发明提出的变换器，在传统的llc谐振变换器基础上，添加了多元件组成的新桥臂，且新桥臂中的元件参与谐振。新桥臂中的元件改善了变换器的增益特性，谐振频率附近的增益随频率变化响应快，有助于实现窄频率范围的宽增益，同时新桥臂的加入使得变换器可以利用基波和三次谐波来传输有功功率，提高效率。此外，新的桥臂分走了原桥臂的部分电流，减小了电流幅值。

技术特征：

1.一种基于多元件谐振槽的宽增益多相llc谐振变换器，所述llc谐振变换器拓扑结构包括直流母线输入电路、方波发生器、谐振槽、变压器、整流滤波电路和负载；其特征在于，方波发生器采用半桥逆变电路，整个拓扑共有2n个开关管 s1、s2...s2n-1，s2n，n≥3，其中s1与s2构成一个半桥，s3与s4构成一个半桥...s2n-1与s2n构成一个半桥，分别作为第一、第二、...第n相，且同一半桥的开关管是互补导通的；每相之间的驱动信号相互交错，多相相交错时驱动信号互差 360/n°，每相的变压器的原边都接地；谐振槽中，cr为电容，lr为谐振电感，lm为励支路的电感；谐振元件cr1与lr1串联，cr2与lr2串联，上述两条串联后的线路并联后，一端与s1与s2构成的半桥中点相连接，另一端通过lm1连接至变压器的第一相原边；谐振元件cr3与lr3串联，cr4与lr4串联，上述两条串联后的线路并联后，一端与s3与s4构成的半桥中点相连接，另一端通过lm2连接至变压器的第二相原边；以此类推，谐振元件cr2n-1与lr2n-1串联，cr2n与lr2n串联，上述两条串联后的线路并联后，一端与s2n-1与s2n构成的半桥中点相连接，另一端通过lmn连接至变压器的第n相原边；上述各条串联电路等效为可变电容，形成陷波器；变压器二次侧采用2n个自由组合的二级管或者mos管d1-d2n，d1和d2、d3和d4...d2n-1和d2n各构成一个半桥，作为整流滤波电路，n个半桥分别接变压器的第一、第二...第n相；整流滤波电路后接输出电容连接至负载。

2.如权利要求1所述的一种基于多元件谐振槽的宽增益多相llc谐振变换器，其特征在于，所述n=3；llc谐振变换器包括如下9个工作模式：

3.如权利要求1或2所述的一种基于多元件谐振槽的宽增益多相llc谐振变换器，其特征在于，开关管 s1-s2n为碳化硅或者氮化镓mosfet，副边d1-d2n为二极管或碳化硅或氮化镓mosfet。

技术总结
本发明涉及电力电气领域，具体为一种基于多元件谐振槽的宽增益多相LLC谐振变换器。解决了传统LLC变换器在开关频率大于谐振频率的部分，增益曲线随频率变化较为平缓，在低输出电压时开关频率很高，并且单个桥臂的存在使得电流幅值较高，从而导致损耗增加，效率降低的技术问题。本发明在传统的LLC谐振变换器基础上，添加了多元件组成的新桥臂，且新桥臂中的元件参与谐振。新桥臂中的元件改善了变换器的增益特性，谐振频率附近的增益随频率变化响应快，有助于实现窄频率范围的宽增益，同时新桥臂的加入使得变换器可以利用基波和三次谐波来传输有功功率，提高效率。此外，新的桥臂分走了原桥臂的部分电流，减小了电流幅值。

技术研发人员：任春光,杨军军,底昊天,韩肖清,李欣芪,尚江,赵文龙,常雨洁,陈文波,黄艳斗,刘澳洋,刘江涛
受保护的技术使用者：太原理工大学
技术研发日：
技术公布日：2024/1/15