CN109067187A - 一种移相交错串联三电平llc谐振电路 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种移相交错串联三电平LLC谐振电路，所述电路的总输入电压为vin，所述电路包括N相结构相同的LLC谐振电路，且N相所述LLC谐振电路串联连接；每一相所述LLC谐振电路的工作电压为vin/N，用以降低整个电路的工作电压范围；每一相所述LLC谐振电路均采用三电平方式，用以降低每一所述LLC谐振电路中开关器件的工作电压；每一相LLC谐振电路提供相位差大小相同的的驱动信号，用以在任何时刻提供能量给所述电路输出端的负载；每一相所述LLC谐振电路提供相位差大小为360/N°；每一相所述LLC谐振电路的工作电压为vin/N；每一LLC谐振电路开关管的工作电压为vin/2N；本发明能够有效降低每一相LLC谐振电路中的工作电压以及LLC电路中开管的工作电压，降低成本，提高效率。
Description
技术领域
本发明属于电路设计领域，尤其涉及一种移相交错串联三电平LLC谐振电路。
背景技术
近年来由于环境污染及传统能源的价格不断上涨，光伏发电技术得到了突飞猛进的发展，光伏发电具有清洁无污染、蕴含量大等优点，同时也有供给不稳定、受天气影响较大、输出电压范围宽等特点。传统LLC谐振电路拥有结构简单、较高的效率、软开关等优点，在通信电源中一直有着很普遍的应用；但是单相LLC谐振电路的开关器件直接接在供电输入端，造成每个开关器件的电压应力等于输入电压，所以需要采用耐压值很高的开关器件，而电压应力高的开关器件意味着性能的下降及成本的上升，导致LLC谐振电路的变换效率降低；单相LLC谐振电路输出端存在着较大的纹波电流，导致输出滤波电容发热且对后级用电设备存在干扰。
发明内容
本发明的主要目的在于提供了一种移相交错串联三电平LLC谐振电路，该电路能有效降低每一相LLC谐振电路的工作电压，提升谐振电路的变换效率，降低成本，用以解决传统LLC电路中性能低、成本高而且变换效率低的问题；具体技术方案如下：
一种移相交错串联三电平LLC谐振电路，所述电路的总输入电压为vin，所述电路包括N相结构相同的LLC谐振电路，且N相所述LLC谐振电路串联链接；每一相所述LLC谐振电路的工作电压为vin/N，用以降低整个电路的工作电压范围；每一相所述LLC谐振电路均采用三电平方式，用以降低每一所述LLC谐振电路中开关器件的工作电压；每一相所述LLC谐振电路提供相位差大小相同的驱动信号，用以在任何时刻提供能量给所述电路输出端的负载。
本发明的进一步改进在于，每一相所述LLC谐振电路提供相位差大小为360°/N的驱动信号，用以为所述电路输出端的负载提供能量。
本发明的进一步改进在于，每一相所述LLC谐振电路中原边开关器件的工作电压为vin/2N。
本发明的进一步改进在于，每一所述LLC谐振电路中设置有预设数量的所述开关器件，所述开关器件采用串联连接或并联连接。
本发明的进一步改进在于，每相所述LLC谐振电路中所采用的所述三电平电路中包括一分压电容，且所述分压电容并联一电阻设计，所述电阻用于所述分压电容均匀分压。
本发明的移相交错串联三电平LLC谐振电路，通过移相交错串联的方式将N相LLC谐振电路结合起来，并在每一相LLC谐振电路中采用三电平拓扑，这样，一方面可以将N相LLC谐振电路每一相的工作电压降低至整个电路的1/N，另一方面可以将每一相LLC谐振电路中的开关器件的工作电压降低至1/2N；同时，本发明中每一相LLC谐振电路中的驱动信号为相位差大小为360°/N，这样可以保证在任何时刻电路输出端的负载均有设备提供能量；与现有技术相比，本发明中每一LLC谐振电路的开关器件工作电压降低，可以降低成本的投入；在任何时刻能够提供给输出端负载能量，可以有效降低LLC电路输出端的纹波电流，并且提高运用本发明LLC电路的机器的整机效率和供电质量。
附图说明
图1为本发明实施例中所述移相交错串联三电平LLC谐振电路结构图示意；
图2为本发明实施例中所述移相交错串联三电平LLC谐振电路中每一相三电平LLC电路结构图示意；
图3为本发明实施例中每一相三电平LLC电路的效率点的工作状态图示意；
图4为传统LLC谐振电路结构图示意；
图5为理想半桥谐振电路工作波形图示意。
具体实施方式
为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。
参阅图4，图示为传统LLC谐振电路的结构图，从中可知，LLC谐振变换的直流特性分为零电压工作区和零电流工作区，这种变换有两个谐振频率：一个是电感Lr和电容Cr的谐振点，可由公式计算；另外一个谐振点由电感Lr，电容Cr以及电感Lm决定，可由公式计算；为了尽可能提高效率，设计电路时需把工作频率设定在Fr1附近；而当输入电压下降时，可以通过降低工作频率获得较大的增益；并且通过选择合适的谐振参数，可让LLC谐振变换无论是负载变化或输入电压变化都能工作在零电压工作区。
参阅图5，图示为理想半桥谐振电路工作波形图，从中可知，图中VgQ11和VgQ12分别是传统LLC谐振电路中开关器件Q1、Q2的驱动波形，Ir为谐振电感Lr电感电流波形，Im为变压器励磁电感Lm电流波形，Id1和Id2分别是次级侧输出整流二级管波形，IdQ11则为Q1导通电流；具体结合图4，波形图根据不同工作状态被分成6个阶段，具体过程为：
T0～T1：Q1关断，Q2开通，电感Lr和Cr进行谐振，次级D1关断，D2开通，二极管D1约为两倍输出电压，此时能量从Cr,Lr转换至次级。直到Q2关断。
T1～T2：开关器件Q1和开关器件Q2同时关断，此时处于死区时间，此时电感Lr和电感Lm电流给开关器件Q2的输出电容充电，给开关器件Q1的输出电容放电直到开关器件Q2输出电容的电压等于vin；次级二极管D1和二极管D2关断Vd1＝Vd2＝0,当开关器件Q1开通时该相位结束。
T2～T3：开关器件Q1导通，开关器件Q2关断，而二极管D1导通，二极管D2关断，此时Vd2＝2Vout，电容Cr和电感Lr谐振在fr1,此时电感Ls的电流通过开关器件Q1返回到vin,直到电感Lr的电流为零，此相位结束。
T3～T4：开关器件Q1导通，开关器件Q2关断，二极管D1导通，二极管D2关断，Vd2＝2Vout，电容Cr和电感Lr谐振在fr1，电感Lr的电流反向通过开关器件Q1流回功率地。能量从输入转换到次级，直到开关器件Q1关断该相位结束
T4～T5：开关器件Q1，开关器件Q2同时关断，二极管D1，二极管D2关断，原边电流I(Lr+Lm)给Q1开关器件的Coss充电，给CosQ12放电，直到开关器件Q2的Coss电压为零；此时开关器件Q2二极管开始导通；开关器件Q2开通时相位结束。
T5～T6：开关器件Q1关断，开关器件Q2导通，二极管D1关断，二极管D2开通，电容Cr和电感Ls谐振在频率fr1，电感Lr电流经开关器件Q2回到地；当电感Lr电流为零时相位结束。
结合图1～图3，在本发明实施例中，提供了一种移相交错串联三电平LLC谐振电路，所述电路的总输入电压为vin，电路包括N相结构相同的LLC谐振电路，且N相LLC谐振电路串联链接；每一相LLC谐振电路的工作电压为vin/N，用以降低整个电路的工作电压范围；每一相LLC谐振电路均采用三电平方式，用以降低每一LLC谐振电路中开关器件的工作电压；每一相LLC谐振电路提供相位差大小相同的驱动信号，用以在任何时刻提供能量给电路输出端的负载。
在具体实施例中，每一相所述LLC谐振电路提供相位差大小为360°/N的驱动信号，用以为电路输出端的负载提供能量；且每一相所述LLC谐振电路的工作电压为vin/2N。
此外，为了满足各种不同需求，本发明在每一LLC谐振电路中设置有预设数量的开关器件，开关器件采用串联连接或并联连接，对于开关器件设置的数量以及连接方式，本发明在此并不进行限制和固定，可根据实际情况进行选择。
接下来，结合图1～图3，以三相的移相交错串联三电平LLC谐振电路进行具体说明；参阅图1，三相串联方式可将电源的输入电压分压为vin/3的低压，再通过数字控制器控制的三相交错工作，可使每一相分别向输出提供能量，降低输出的纹波电流且提高效率；而每一相的三电平LLC电路又将各个开关器件的工作电压降为输入(vin/3)的一半，可使LLC电路选择耐压低的开关器件；进一步的，本发明在每相LLC谐振电路中的三电平电路中设计一分压电容和电阻，分压电容和电阻并联连接，通过电阻可以在整个谐振电路接入的负载比较小时，使得分压电容更好均压，保证每一相电路的电压相等。
参阅图2，在实施例中，三电平LLC电路在工作时取其频率为f＝Fs时的最高效率点可分为6个工作状态，具体可参阅图3，其中，Fs可通过公式计算；再次参阅图3可知，图中Vgs1和Vgs2分别是开关器件Q11、Q12的驱动波形，Vgs3和Vgs4分别是开关器件Q13、Q14的驱动波形，Ip为谐振电感Ls1电感电流波形，Im为变压器漏感Lm1电流波形，ID是次级侧输出整流二极管Ds1和二极管Ds4的电流波形，Ids2则为开关器件Q12导通电流。其工作原理分析如下：
t0-t1阶段：在t0时刻开关器件Q11和开关器件Q12同时开通，而开关器件Q13和开关器件Q14关闭；原边电流流过开关器件Q11和开关器件Q12，该电流以正弦形式逐渐上升；副边二极管Ds1和二极管Ds4起整流作用且导通，流过电感Lm的电流为励磁电流与谐振电流之和，在t1时刻原边谐振电流和励磁电流相等。
t1-t2阶段：在t1时刻开关器件Q11关断而开关器件Q12导通，流过电感Lm1和电感Ls1的电流通过二极管D11续流，同时开关器件Q11上的电压被嵌位到vin/6
t2-t3阶段：在t2时刻开关器件Q11、开关器件Q12均关断，于是原边电流对开关器件Q13和开关器件Q14的结电容进行放电，直到放电完成后开关器件Q13和开关器件Q14的体二极管导通。
t3-t4阶段：在t3时刻开关器件Q13、开关器件Q14上的电压已经降为零，这时开关器件Q13和开关器件Q14同时导通，所以开关器件Q13和开关器件Q14工作在ZVS状态,原边谐振电感Ls1和电容C4电流开始反向谐振。
t4-t5阶段：在t4时刻类似阶段2，开关器件Q14关断而开关器件Q13导通，流过电感Lm1和电感Ls1的电流通过D12续流，同时开关器件Q14上的电压被嵌位到vin/6。
t5-t6阶段：在t5时刻，开关器件Q13、开关器件Q14均关断，于是原边电流转到对开关器件Q11和开关器件Q12的结电容放电，直到放电完成后开关器件Q11和开关器件Q12体二极管导通，为下一次开关器件Q11和开关器件Q12的ZVS做准备。
本发明的移相交错串联三电平LLC谐振电路，通过移相交错串联的方式将N相LLC谐振电路结合起来，并在每一相LLC谐振电路中采用三电平拓扑，这样，一方面可以将N相LLC谐振电路每一相的工作电压降低至整个电路的1/N，另一方面可以将每一相LLC谐振电路中的开关器件的工作电压降低至1/2N；同时，本发明中每一相LLC谐振电路中的驱动信号为相位差大小为360°/N，这样可以保证在任何时刻电路输出端的负载均有设备提供能量；与现有技术相比，本发明中每一LLC谐振电路的开关器件工作电压降低，可以降低成本的投入；在任何时刻能够提供给输出端负载能量，可以有效降低LLC电路输出端的纹波电流，并且提高运用本发明LLC电路的机器的整机效率和供电质量。
以上仅为本发明的较佳实施例，但并不限制本发明的专利范围，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来而言，其依然可以对前述各具体实施方式所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等效替换。凡是利用本发明说明书及附图内容所做的等效结构，直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理在本发明专利保护范围之内。
Claims (5)
1.一种移相交错串联三电平LLC谐振电路，所述电路的总输入电压为vin，其特征在于，所述电路包括N相结构相同的LLC谐振电路，且N相所述LLC谐振电路串联链接；每一相所述LLC谐振电路的工作电压为vin/N，用以降低整个电路的工作电压范围；每一相所述LLC谐振电路均采用三电平方式，用以降低每一所述LLC谐振电路中开关器件的工作电压；每一相所述LLC谐振电路提供相位差大小相同的驱动信号，用以在任何时刻提供能量给所述电路输出端的负载。
2.根据权利要求1所述的一种移相交错串联三电平LLC谐振电路，其特征在于，每一相所述LLC谐振电路提供相位差大小为360°/N的驱动信号，用以为所述电路输出端的负载提供能量。
3.根据权利要求1所述的一种移相交错串联三电平LLC谐振电路，其特征在于，每一相所述LLC谐振电路中原边开关器件的工作电压为vin/2N。
4.根据权利要求1所述的一种移相交错串联三电平LLC谐振电路，其特征在于，每一所述LLC谐振电路中设置有预设数量的所述开关器件，所述开关器件采用串联连接或并联连接。
5.根据权利要求1所述的一种移相交错串联三电平LLC谐振电路，其特征在于，每相所述LLC谐振电路中所采用的所述三电平电路中包括一分压电容，且所述分压电容并联一电阻设计，所述电阻用于所述分压电容均匀分压。
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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