CN211183801U

CN211183801U - Llc谐振型dc/dc变换器

Info

Publication number: CN211183801U
Application number: CN201922303034.9U
Authority: CN
Inventors: 周强; 戴路家; 阮世良
Original assignee: Gospower Digital Technology Shenzhen Co ltd
Current assignee: Shenzhen Energy Efficiency Electrical Technology Co.,Ltd.
Priority date: 2019-12-20
Filing date: 2019-12-20
Publication date: 2020-08-04
Anticipated expiration: 2029-12-20

Abstract

本实用新型公开了一种LLC谐振型DC/DC变换器，包括三电平开关电路、谐振电路和N个功率单元，功率单元包括两台变压器和两个整流电路；谐振电路的谐振电容、谐振电感与所有变压器的原边绕组串联后接三电平开关电路的输入端；变压器包括两个副边绕组，在同一个功率单元中，第一变压器的第一副边绕组与第二变压器的第一副边绕组并接后第一桥式整流电路的输入端，第一变压器的第二副边绕组与第二变压器的第二副边绕组并接后第二桥式整流电路的输入端。本实用新型通过每个功率单元内的两组变压器原边串联和副边交错并串实现了每个变压器的每个绕组功率分摊和副边整流管的电压应力、电流应力减半，提高了电路的可靠性。

Description

LLC谐振型DC/DC变换器

[技术领域]

本实用新型涉及DCDC变换，尤其涉及一种LLC谐振型DC/DC变换器。

[背景技术]

在大功率高压直流到直流变换领域，为了满足体积小、功率大、安全可靠的需求，需要隔离高功率密度的拓扑结构。LLC电路在谐振开关频率附近可以实现全负载范围的开关器件软开关，在高开关频率下实现较小的开关损耗。高开关频率可以减小磁性元器件体积，从而实现高功率密度。LLC电路在电力电子领域，应用也越来越广。但是在大功率应用场合，采用单一磁性元器件体积会加大，会导致整个产品的体积加大，不利于产品的整体设计。为了解决这一问题，可以采用多组分立磁性元器件进行组串，也可以采用多路拓扑进行组串，进行功率分摊输出。

多组分立磁性元器件组串和多路拓扑组串的难点在于多路组串的功率均衡、热设计、元器件应力设计。因为多路元器件的磁性器件很难做到完全一致，包括其他开关器件的寄生参数的差异等等，经常会导致几路组串功率单元的功率不均衡。功率不均衡会导致其中的过载的功率单元发热过大，带来器件损坏的风险，严重影响了整个电路的可靠性。

[发明内容]

本实用新型要解决的技术问题是提供一种可靠性好的LLC谐振型DC/DC变换器。

为了解决上述技术问题，本实用新型采用的技术方案是，一种LLC谐振型 DC/DC变换器，包括三电平开关电路，三电平开关电路包括逆变电路、谐振电路和N个功率单元，功率单元包括两台相同的隔离变压器和两个相同的桥式整流电路，所述的N为正整数；谐振电路的谐振电容、谐振电感与所有隔离变压器的原边绕组串联后接逆变电路的输出端；每台隔离变压器包括两个同样的副边绕组，在同一个功率单元中，第一隔离变压器的第一副边绕组与第二隔离变压器的第一副边绕组并接后第一桥式整流电路的输入端，第一隔离变压器的第二副边绕组与第二隔离变压器的第二副边绕组并接后第二桥式整流电路的输入端；第一桥式整流电路的输出端与第一桥式整流电路的输出端串接后作为功率单元的输出端。

以上所述的LLC谐振型DC/DC变换器，当N＞1时，所有功率单元的输出端并接。

以上所述的LLC谐振型DC/DC变换器，所述的逆变电路三电平逆变电路，包括分压电容、箝位电路和半桥逆变器，半桥逆变器的上臂和下臂各包括两个开关管，分压电容包括两个串接的、相同的电容，箝位电路包括两个二极管；分压电容接在逆变电路的两个直流输入端口之间，第一二极管的阳极接分压电容的中点，阴极接半桥逆变器上臂和两个开关管的连接点，第二二极管的阴极接分压电容的中点，阳极接半桥逆变器下臂和两个开关管的连接点；谐振电路的谐振电容、谐振电感与所有隔离变压器的原边绕组串联后，一端接分压电容的中点，另一端接半桥逆变器的上臂与下臂的连接点。

以上所述的LLC谐振型DC/DC变换器，所述的桥式整流电路包括四个二极管的桥式电路、输出电容和均压电阻，输出电容接在桥整流电路的两个输出端口之间，均压电阻与输出电容并接。

以上所述的LLC谐振型DC/DC变换器，包括复数个所述的三电平开关电路，复数个三电平开关电路的输入端并接，输出端并接。

本实用新型通过N个功率单元的原边串联，副边并联，实现每个功率单元的功率分摊。通过每个功率单元内的两组变压器原边串联和副边交错并串实现了每个变压器的功率分摊和副边整流管的电压应力、电流应力减半，提高了电路的可靠性。

[附图说明]

下面结合附图和具体实施方式对本实用新型作进一步详细的说明。

图1是本实用新型实施例1一个功率单元的三电平LLC谐振型DC/DC变换器的电路图。

图2是本实用新型实施例2两个功率单元的三电平LLC谐振型DC/DC变换器的电路图。

图3是本实用新型实施例3多个功率单元的三电平LLC谐振型DC/DC变换器的电路图。

图4是另一种一个功率单元的三电平LLC谐振型DC/DC变换器的电路图。

图5是本实用新型实施例5两个三电平开关电路的三电平LLC谐振型DC/DC 变换器的电路图。

[具体实施方式]

为了实现高压直流到直流的大功率输出和高功率密度，本实用新型提出一种可以自动均流的多功率单元组串式三电平LLC谐振型DC/DC变换器。DC/DC变换器采用三电平LLC拓扑，实现高效率输出和低的器件应力。变换器采用多组变压器和拓扑单元的组串，实现高功率密度，并且通过自动均流实现多路功率单元的功率均衡。

三电平LLC谐振变换器将LLC串联谐振型变换器和三电平技术结合在一起，兼有LLC串联谐振型变换器高功率密度和三电平变换器的优点。三电平LLC变换器的开关管上的电压应力是输入电压的一半，可以很好地解决输入电压过高而不容易选择合适器件的问题。

本实用新型解决多组变压器和拓扑单元的组串的均流均压所采用的技术方案是：三电平LLC拓扑输入为直流高压Vin。三电平LLC拓扑变压器原边为2N 个变压器原边串联，一共有2N个变压器，N为正整数；2N个变压器规格完全一致。每个变压器原边有一个绕组，副边有两个绕组,两个副边绕组匝数感量均一致。两个变压器和副边桥式整流滤波电路组成一个功率单元。每个功率单元的原边串联，原边电流相等。每个功率单元的输出端并联，输出电压相等。因此可以实现每一个功率单元的均流和功率均衡。

每个功率单元包含的两个隔离变压器，两个隔离变压器的原边绕组串联，第一个变压器的两个绕组分别与第二个变压器的两个绕组并联。两两并联的绕组分别接两个桥式整流电路，桥式整流电路的输出端分别接输出电容和均压电阻。两组并联整流滤波后串联。两组串联的电压为Vo1和Vo2,分别接的电容容值相同、均压电阻阻值相同。每组两个并联的绕组电压相同，每个变压器副边两个绕组匝比相同，绕组电压也相同，从而实现两组串联的电压Vo1和Vo2电压的均衡。而两个变压器的原边绕组串联电流相同，因此每个副边绕组实现了均流和功率均衡，从而实现两个变压器的功率均衡和热均衡。

通过功率单元内的均流功率均衡和功率单元间的均流功率均衡，能自动实现整个拓扑电路的输出功率均衡。

本实用新型的一个实施例如图1中展示了一个功率单元的三电平LLC三电平开关电路。其中Vin是高压直流输入。分压电容C1、C2，二极管D1、D2，开关管Q1、Q2、Q3、Q4，谐振电容Cr，谐振电感Lr和变压器原边构成了三电平 LLC的原边电路。三电平LLC电路中原边开关管Q1、Q2、Q3、Q4上承受电压为

在实施例图2中，包括两个功率单元M1、M2。功率单元的构成和电路一致。在功率单元M1中，包括两个相同参数变压器T1、T2。每个变压器都有一个原边绕组和两个副边绕组，两个副边绕组匝数和感量一致。T1的原边绕组n1_1和 T2的原边n2_1串联，因此T1的原边电流i1_1和T2的原边电流i2_1相等。变压器原副边电流关系满足i1_2＝i1_3＝n*i1_1，其中n为原副边匝比。因为原边电流相等，而匝比也都相等，所以有 i1_2＝i1_3＝i2_2＝i2_3＝i3_2＝i3_3＝i4_2＝i4_3。在T1变压器的两个副边绕组匝数相等，因此两个副边绕组电压满足Vn1_2＝Vn1_3。同样T2变压器的两个副边绕组电压满足Vn2_2＝Vn2_3。T1的副边绕组n1_2和T2的副边绕组n2_2并联，T1 的副边绕组n1_3和T2的副边绕组n2_3并联，并联的绕组端电压相等，因此.T1 的副边绕组n1_3的电压Vn1_3和T2的副边绕组n2_3电压Vn2_3满足Vn1_3＝Vn2_3。同样另外两个绕组电压满足Vn1_2＝Vn2_2。因此同一个功率单元的所有变压器副边绕组电压满足Vn1_2＝Vn2_2＝Vn1_3＝Vn2_3的关系。因此可以得出在每个功率单元内部的每一个变压器副边绕组均流均压，可以实现功率均衡。T1的副边绕组n1_2和T2的副边绕组n2_2并联后接由四个二极管组成的桥式整流D11,D11的整流输出接电容C11和电阻R11，C11和R11两端电压为Vo1。由于每个功率单元内的副边绕组电压相同，可以得到Vo1＝Vo2。M2与M1的电路构成完全一致，而且M2的原边与M1原边串联，原副边电流相同，M2的原边整流输出与M1原边整流输出并联，副边电压相同，因此可以实现M1与M2均流均压和功率均衡。

在图1中，只有一个功率单元M1与图2中的M1完全一致。在图4中，是另外一种只有一个功率单元的三电平LLC电路。在图4电路中其原边两个变压器绕组串联。变压器T1的两个副边绕组并联后接由四个二极管组成的桥式整流D11,D11的整流输出接电容C11和电阻R11，C11和R11两端电压为Vo1。变压器T2的两个副边绕组并联后接由四个二极管组成的桥式整流D21,D21的整流输出接电容C21和电阻R21，C21和R21两端电压为Vo2，Vo1和Vo2串联为输出电压Vo.图4中变压器T1两个副边绕组匝数相同，可以保证两个副边绕组端电压相同。但是由于变压器T1和T2可能存在差异性，不发保证两个变压器T1和 T2的副边绕组端电压相同，也就无法保证Vo1和Vo2相同，无法保证两个变压器T1、T2的均压和均功率。

在图3中，展示了一种多功率单元的三电平LLC电路。该电路一共有N个功率单元，N为大于1的正整数。其原边变压器绕组均串联，功率单元的输出并联。每个功率单元的电路构成与图2中的功率单元一致。多个功率单元并联可以实现功率分担，易于磁性元器件的设计、减少器件应力、高功率密度的集成。每个变压器均可以自动实现功率均衡和均流，保证了拓扑的可靠性。

在图5中，由两个三电平开关电路(功率模组)S和S’组成，两个模组内部组成完全一致，且与图例2所示电路完全一致。两个功率模组输入并联，输出并联。并且通过检测两个模组内部的变压器原边电流Is和Is’，通过软件控制两个模组的三电平LLC驱动发波，实现两个模组内部的变压器原边电流Is和Is’的实时均流，从而实现两个功率模组S和S’的功率均衡。功率模组内部的均流均压和均功率的实现与图例2所示一致。

本实用新型以上实施例通过三电平LLC拓扑实现高压输入的需求，每个开关管电压应力减半。通过N个功率单元的原边串联，副边并联，实现每个功率单元的功率分摊。通过每个功率单元内的两组变压器原边串联和副边交错并串实现了每个变压器的功率分摊，和副边整流管的电压应力、电流应力减半。并且本拓扑通过这种多功率单元组串式设计能实现每个功率单元的功率均衡，提高了电路的可靠性。

尽管上面已经示出和描述了本实用新型的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本实用新型的限制。本领域的普通技术人员通过本实用新型的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。

Claims

1.一种LLC谐振型DC/DC变换器，其特征在于，包括三电平开关电路，三电平开关电路包括逆变电路、谐振电路和N个功率单元，功率单元包括两台相同的隔离变压器和两个相同的桥式整流电路，所述的N为正整数；谐振电路的谐振电容、谐振电感与所有隔离变压器的原边绕组串联后接逆变电路的输出端；每台隔离变压器包括两个同样的副边绕组，在同一个功率单元中，第一隔离变压器的第一副边绕组与第二隔离变压器的第一副边绕组并接后第一桥式整流电路的输入端，第一隔离变压器的第二副边绕组与第二隔离变压器的第二副边绕组并接后第二整流电路的输入端；第一桥式整流电路的输出端与第二桥式整流电路的输出端串接后作为功率单元的输出端。

2.根据权利要求1所述的LLC谐振型DC/DC变换器，其特征在于，当N＞1时，所有功率单元的输出端并接。

3.根据权利要求1所述的LLC谐振型DC/DC变换器，其特征在于，所述的三电平开关电路，包括分压电容、箝位电路和半桥逆变器，半桥逆变器的上臂和下臂各包括两个开关管，分压电容包括两个串接的、相同的电容，箝位电路包括两个二极管；分压电容接在逆变电路的两个直流输入端口之间，第一二极管的阳极接分压电容的中点，阴极接半桥逆变器上臂和两个开关管的连接点，第二二极管的阴极接分压电容的中点，阳极接半桥逆变器下臂和两个开关管的连接点；谐振电路的谐振电容、谐振电感与所有隔离变压器的原边绕组串联后，一端接分压电容的中点，另一端接半桥逆变器的上臂与下臂的连接点。

4.根据权利要求1所述的LLC谐振型DC/DC变换器，其特征在于，所述的桥式整流电路包括四个二极管的桥式电路、输出电容和均压电阻，输出电容接在桥式整流电路的两个输出端口之间，均压电阻与输出电容并接。

5.根据权利要求1所述的LLC谐振型DC/DC变换器，其特征在于，包括复数个所述的三电平开关电路，复数个三电平开关电路的输入端并接，输出端并接。