一种三相LLC谐振直流变换器

技术领域

本发明涉及电力电子技术领域，特别涉及一种三相LLC谐振直流变换器。

背景技术

LLC谐振变换器作为一种高频软开关变换器，相对于工作于硬开关状态的 变换器，存在许多优点，例如，具有更宽的工作范围，其MOS管的开关损耗 小、且EMI(Electromagnetic Interference，电磁干扰)性能优，同时能够保证 高频高效率等，因此被广泛应用。

但是，现有技术中存在的单相LLC谐振变换器，其结构示意图如图1所示， 在设计成大功率变换器时输出电流纹波大，导致输出滤波电容发热严重而造 成电容失效，从而缩短了电源的使用寿命。

因此，现有技术提出了一种两相LLC谐振变换器，如图2至图4所示，图2 公开了一种两端口(如图2中Vin+、Vin-以及Vo+、Vo-所示)变换器，图3和 图4则公开了三端口(如图3和图4中V1、V2以及V3所示)隔离变换器，以图2 为例，其通过两路输出交错的串联结构，达到降低环流损耗、减小输出电流 纹波的目的。但是，无论是两端口还是三端口，两相LLC谐振变换器只能将每 路变换器的功率降低为原先的一半，也即减小输出电流纹波的效果并不理想。

发明内容

有鉴于此，本发明实施例提供一种三相LLC谐振直流变换器，以实现各端 口电压独立调节，进而显著改善母线侧纹波电流。

为实现上述目的，本发明实施例提供如下技术方案：

本发明提供一种三相LLC谐振直流变换器，其特征在于，包括：原边电路、 第一副边电路、第二副边电路及变压器；其中：

所述原边电路、所述第一副边电路和第二副边电路均为三相变换电路；

所述原边电路的交流侧三相直接或间接与所述变压器的三相原边绕组对 应相连；

所述变压器的三相第一副边绕组和所述第一副边电路的交流侧三相对应 相连；

所述变压器的三相第二副边绕组直接或间接与所述第二副边电路的交流 侧三相对应相连；

所述原边电路与所述第一副边电路之间，和，所述原边电路与所述第二 副边电路之间，能量流通方式不同，以实现对于所述三相LLC谐振直流变换器 各个端口电压的独立调节。

优选的，所述原边电路的交流侧三相、所述变压器的三相原边绕组及所 述变压器的三相第二副边绕组异名端中的至少一个，存在至少两组相邻相， 其每组相邻相的两相之间均设置有至少一个相间电路，以实现功率传输时的 相应功能复用。

优选的，所述原边电路的交流侧三相中存在至少两组相邻相，其每组相 邻相的两相之间均设置的相间电路为第一相间电路。

优选的，所述第一相间电路包括：第一电感。

优选的，所述第一相间电路还包括：与所述第一电感串联连接的开关。

优选的，还包括：三个谐振电路，分别设置于所述原边电路与所述变压 器原边中点之间的对应相支路上。

优选的，所述谐振电路包括：至少一个第一电容和至少一个第二电感；

各所述第一电容、各所述第二电感及所述变压器中的对应原边绕组串联 连接，串联后的一端与所述原边电路的交流侧对应相相连，串联后的另一端 连接所述变压器的原边中点。

优选的，所述变压器的各个原边绕组分别并联有相应的励磁电感。

优选的，所述副边电路为交流/直流双向变换电路。

优选的，所述变压器的三相原边绕组异名端中的至少两组相邻相，其每 组相邻相的两相之间均设置的相间电路为第二相间电路。

优选的，所述变压器的三相原边绕组异名端中，仅存在两组相邻相，其 每组相邻相的两相之间均设置有所述第二相间电路。

优选的，所述第二相间电路包括：串联连接的至少一个第二电容和至少 一个第三电感。

优选的，所述变压器的各个原边绕组分别并联有相应的励磁电感。

优选的，所述变压器的三相第二副边绕组异名端中存在至少两组相邻相， 其每组相邻相的两相之间均设置的相间电路为第三相间电路，以实现从原边 向相应副边传输能量时的正向工作模式下移相功能的复用。

优选的，所述变压器的三相第二副边绕组异名端中仅存在两组相邻相， 其每组相邻相的两相之间均设置有一个所述第三相间电路。

优选的，所述第三相间电路包括：第三电感。

优选的，所述原边电路的交流侧三相中无相间电路时，还包括：三个分 别设置于所述原边电路与所述变压器之间的对应相支路上的谐振电路；

所述谐振电路包括：至少一个第五电感和由至少一个第二电容与至少一 个第四电感串联而成的第一支路；

当所述第五电感的个数大于1时，各个所述第五电感串联成第二支路；

所述第一支路的一端和所述第二支路的一端，均与所述原边电路的交流 侧对应相相连；

所述第一支路的另一端连接所述变压器的对应原边绕组的同名端；

所述第二支路的另一端连接所述变压器的对应原边绕组的异名端；

所述变压器的各个原边绕组的异名端相连。

优选的，所述变压器的各个原边绕组分别并联有相应的励磁电感。

优选的，所述励磁电感集成于所述变压器中。

优选的，所述变压器的三相原边绕组同名端中，仅存在两组相邻相，其 每组相邻相的两相之间设置的相间电路为励磁电感。

优选的，所述第一副边电路和所述第二副边电路为单向整流电路或者交 流/直流双向变换电路。

优选的，所述变压器的三相第二副边绕组异名端中无相间电路时，所述 变压器的三相第二副边绕组，分别通过相应的第六电感，与所述第二副边电 路的交流侧三相对应相连。

优选的，所述原边电路与所述第一副边电路之间采用谐振调频方式实现 能量流通。

优选的，所述原边电路与所述第二副边电路之间采用调频移相方式实现 能量流通。

优选的，还包括：至少一个第三副边电路；

所述变压器的三相第三副边绕组直接或间接与所述第三副边电路的交流 侧三相对应相连。

优选的，所述原边电路、所述第一副边电路和第二副边电路均为三相半 桥变换电路。

优选的，还包括：设置于所述原边电路直流侧的输入电容模块，设置于 所述第一副边电路直流侧的第一输出电容模块，和，设置于所述第二副边电 路直流侧的第二输出电容模块。

基于上述本发明实施例提供的三相LLC谐振直流变换器，设置有三个端 口，即设置有原边电路和两个副边电路，其中，该原边电路和副边电路均为 三相变换电路，由于三相变换电路交错输出，使得三相LLC谐振直流变换器 内的三相变换电路驱动波形相角错开120度，相对于现有技术提供两相变换 器，能够让三相LLC谐振直流变换器母线侧纹波电流大幅度抵消；并且，所 述原边电路与所述第一副边电路之间，和，所述原边电路与所述第二副边电 路之间，能量流通方式不同，以实现对于所述三相LLC谐振直流变换器各个 端口电压的独立调节，即能够分别控制各端口输出侧纹波电流的频率和幅值， 使得三相LLC谐振直流变换器母线侧纹波电流得到了显著的改善。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实 施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面 描述中的附图仅仅是本发明的实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不 付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图获得其他的附图。

图1为现有技术中单相LLC谐振变换器的结构示意图；

图2为现有技术中两相两端口LLC谐振变换器的结构示意图；

图3为现有技术中两相半桥式三端口LLC谐振变换器的结构示意图；

图4为现有技术中两相全桥式三端口LLC谐振变换器的结构示意图；

图5为现有技术中两相LLC谐振变换器的输出侧纹波电流曲线图；

图6为本发明实施例提供的一种三相LLC谐振直流变换器的结构示意图；

图7为本发明实施例提供的另一种三相LLC谐振直流变换器的结构示意 图；

图8为本发明实施例提供的一种三相LLC谐振直流变换器母线侧纹波电流 与现有技术中两相LLC谐振变换器输出侧纹波电流的对比曲线图；

图9a和图9b本发明另一实施例提供的另外两种三相LLC谐振直流变换器 的结构示意图；

图10-图13本发明另一实施例提供的另外四种三相LLC谐振直流变换器的 结构示意图。

具体实施方式

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，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而 不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做 出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

在本申请中，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非 排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅 包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种 过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语 句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、 物品或者设备中还存在另外的相同要素。

现有技术中，如图1所示的单相LLC谐振变换器，该变换器的原边电路包 括接收输入直流母线电压Vin的桥臂(如图1中功率开关管Q1和Q2所示)，该 原边电路通过桥臂中点与串联的谐振元件(如图1中Cr和Lr所示)连接后与变 压器T1原边相连，副边电路包括二极管D1和D2。由于其输出滤波电路只有滤 波电容Co，因此若输入直流母线电压Vin较大时，会造成输出纹波太大，进而 减少电池的寿命，虽然可以通过增加输出电容的方式减小输出纹波，但是不 利于充电模块体积的减小。

而现有技术中的两相LLC谐振变换器的结构示意图如图2至图4，以图2中 两相两端口变换器为例进行说明，可以看出，两相变换器通过采用两路LLC 谐振变换器输出交错的串联结构，在同等输出功率下，每路变换的功率只为 原先的一半，能够减少输出侧纹波电流，其曲线图如图5所示。可见，现有技 术中的两相LLC谐振变换器虽然可以减小输出侧纹波电流，但是效果并不理 想。

因此，本发明实施例提供了一种三相LLC谐振直流变换器，以实现各端口 电压独立调节，进而显著改善母线侧纹波电流。

该三相LLC谐振直流变换器的结构示意图如图6所示，包括：原边电路110、 第一副边电路120、第二副边电路130及变压器140；其中：

原边电路110、第一副边电路120和第二副边电路130均为三相变换电路； 原边电路110的交流侧三相直接或间接与变压器140的三相原边绕组对应相 连；变压器140的三相第一副边绕组与第一副边电路120的交流侧三相对应相 连；变压器140的三相第二副边绕组直接或间接与第二副边电路130的交流测 三相相连；原边电路110与第一副边电路120之间，和，原边电路110与第二副 边电路130之间，能量流通方式不同，以实现对于该三相LLC谐振直流变换器 各个端口电压的独立调节；比如一个是调频方式、另一个是调频加等效占空 比调节的方式，即原边电路110与第一副边电路120之间采用谐振调频方式实 现能量流通，原边电路110与第二副边电路130之间采用调频移相方式实现能 量流通。

如图6所示，本发明实施例提供的三相LLC谐振直流变换器为一种三相三 端口拓扑，其中，原边电路110设置有第一端口V1，第一副边电路120设置有 第二端口V2，第二副边电路设置有第三端口V3，实际应用时，可以通过设置 至少一个第三副边电路和与其对应相连的变压器第三副边绕组，拓展至多于 三个端口的拓扑，只要设置相应个数的变压器副边绕组和副边电路即可，其 连接结构可以此类推，不再赘述。并且，各个原副边端口之间的能量流通方 式可以视其具体应用环境而选择，此处不做限定，均在本申请的保护范围内。

需要说明的是，该变压器130的各个原边绕组分别并联有相应的励磁电感 (如图6中L

具体的，原边电路110包括多个开关管(如图6中S1-S6所示)，由开关管 串联连接组成原边电路110内的各个桥臂，例如，与输入电源V1并联、由第一 开关管S1和第二开关管S2串联组成的第一桥臂，第一开关管S1的漏极与输入 电源V1的正极相连，第二开关管S2的源极与输入电源V1的负极相连；与输入 电源V1并联、由第三开关管S3和第四开关管S4串联组成的第二桥臂，其中， 第三开关管S3的漏极与输入电源V1的正极相连，第四开关管S4的源极与输入 电源V1的负极相连；与输入电源V1并联、由第五开关管S5和第六开关管S6串联组成的第三桥臂，其中，第五开关管S5的漏极与输入电源V1的正极相连， 第六开关管S6的源极与输入电源V1的负极相连。同样的，第一副边电路120 包括分别与第二端口V2并联连接的三个桥臂(如图6中S7-S12所示)，第二副 边电路130包括分别与第三端口V3并联的三个桥臂(如图S13-S18所示)，各 个开关管的连接关系与原边电路110内各开关管相同，不再赘述。实际应用中， 该三相LLC谐振直流变换器内各个开关管均并联有一个寄生二极管。

一般情况下，原边电路110的交流侧三相间接与变压器140的三相原边 绕组对应相连，变压器140的三相第二副边绕组也间接与第二副边电路130 的交流测三相相连；此时：

如图6所示，该三相LLC谐振直流变换器还包括三个谐振电路150，分 别设置于原边电路110与变压器140之间的对应相支路上。具体的，如图6 所示，三个分别设置于原边电路110与变压器140之间的对应相支路上的谐 振电路150均包括：至少一个第五电感(如图6中L

同时，变压器140的三相第二副边绕组，分别通过相应的第六电感(如 图6或图7中L

因此，本发明实施例提供的三相LLC谐振直流变换器，展示一种三相三 端口拓扑，即其原边电路110、第一副边电路120以及第二副边电路130均为 三相变换电路，由于三相变换电路交错输出，使得三相LLC谐振直流变换器 内的三相变换电路驱动波形相角错开120度，相对于现有技术提供两相变换 器，能够让三相LLC谐振直流变换器母线侧纹波电流大幅度抵消；并且，原 边电路与第一副边电路之间，和，原边电路与第二副边电路之间，能量流通 方式不同，以实现对于该三相LLC谐振直流变换器各个端口电压的独立调节， 进而能够分别控制各端口输出侧纹波电流的频率和幅值，使得母线侧纹波电 流得到了显著的改善。

二者的纹波电流对比如图8所示，其中，Y2(t)，即实线表示现有技术 中两相变换器的输出侧纹波电流，Y3(t)，即虚线表示本发明实施例提供的 三相LLC谐振直流变换器的母线侧纹波电流。

并且，相对于现有技术提供的变换器，本发明实施例提供的三相LLC谐 振直流变换器设置了第一相间电路210，在副边向原边传输能量的反向工作模 式下，增加较少的谐振元件即可实现双向升压，减少了系统体积和成本。

本发明另一实施例提供了一种三相LLC谐振直流变换器，在上述实施例 的基础上，为了进一步减小系统体积和成本，可以设置原边电路的交流侧三 相、变压器的三相原边绕组及变压器的三相第二副边绕组异名端中的至少一 个，存在至少两组相邻相，其每组相邻相的两相之间均设置有至少一个相间 电路，以实现功率传输时的相应功能复用。具体情况分为以下几种：

(1)原边电路的交流侧三相中存在至少两组相邻相，其每组相邻相的两 相之间均设置有相间电路，且该相间电路为第一相间电路。

在原边电路110的交流侧三相分别通过相应的谐振电路与变压器140的 原边对应相连的情况下，为了减少系统体积和成本，可以将图6中三个谐振 电路内的三个第五电感进行改造，此时，各谐振电路150分别设置于原边电 路110与变压器140原边中点之间的对应相支路上，其中，该原边中点指的 是各个原边绕组异名端的连接点(如图7中所示的N1)；即原边电路110的 交流侧与变压器140的原边中点之间的各相支路上，串联有一个谐振电路150 和相应的原边绕组；当谐振电路150中的各个器件全部或者部分设置于原边 电路110交流侧和变压器140相应的原边绕组之间时，原边电路110的交流 侧间接与变压器140的原边对应相连；而当谐振电路150中的各个器件全部 设置于变压器140相应的原边绕组异名端与原边中点N1之间时，原边电路 110的交流侧直接与变压器140的原边对应相连。本发明实施例以原边电路 110的交流侧间接与变压器140的原边对应相连为例进行说明，同时，在原边 电路110的交流侧三相中的至少两组相邻相，其每组相邻相的两相之间均设 置有第一相间电路210，其结构示意图如图7所示；并且，其各谐振电路150 均被改造为包括：至少一个第一电容和至少一个第二电感；各第一电容、各 第二电感及变压器140中的对应原边绕组串联连接，串联顺序不限，串联后 的一端与原边电路的交流侧对应相相连，串联后的另一端连接变压器的原边 中点。图7仅以一个第一电容与一个第二电感(分别如图7中L

实际上，各第一相间电路210均包括：第一电感(如图7中L

此时，该三相LLC谐振直流变换器中，变压器140的三相第二副边绕组 可以通过相应的电感间接与第二副边电路130的交流测三相相连，即如图7 中所示。

(2)变压器的三相原边绕组异名端中的至少两组相邻相，其每组相邻相 的两相之间均设置有相间电路，且该相间电路为第二相间电路。

此时，该三相LLC谐振直流变换器可以是双向变换器(如图9a所示)，也 可以是单向变换器(如图12所示)，即其第一副边电路120和第二副边电路130 可以是交流/直流双向变换电路(如图9a所示)，也可以是单向整流电路，比 如二极管整流桥(如图12中的120和130所示)。

并且，该三相LLC谐振直流变换器未增加任何元件，仅是对图6原有的三 个谐振电路进行改进，复用谐振电路内的电感和电容，即分别利用两个或三 个第二相间电路，实现单向变换器的功率传输以及双向变换器的正向工作模 式或反向工作模式，并在双向变换器处于反向工作模式时，能够达到如上述 实现反向升压的效果，且明显降低了电路体积和成本。此时，原边电路110的 交流侧三相直接与变压器140的三相原边绕组对应相连。

优选的，变压器140的三相原边绕组异名端中，仅存在两组相邻相，其每 组相邻相的两相之间均设置有第二相间电路310。可见，如图9a或图12所示， 该三相LLC谐振直流变换器未增加任何元件，而是对原有的三个谐振电路进行 改进，其相邻相复用谐振电路内的电感和电容，减少了一个谐振电路，电路 体积和成本更低。

如图9a或图12所示，该第二相间电路310包括：串联连接的至少一个 第二电容(如图9a或图12中C

此时，该三相LLC谐振直流变换器中，变压器140的三相第二副边绕组 可以通过相应的电感间接与第二副边电路130的交流测三相相连，即如图9a 中所示。

(3)原边电路的交流侧三相中存在至少两组相邻相，其每组相邻相的两 相之间均设置有第一相间电路；并且，变压器的三相原边绕组异名端中的至 少两组相邻相，其每组相邻相的两相之间均设置有第二相间电路。

此时，原边电路110的交流侧三相直接与变压器140的三相原边绕组对应 相连。其具体结构可以参见图9b，可以视为是对情况(1)和(2)的结合应 用，参见上述说明即可，不再赘述。

此时，该三相LLC谐振直流变换器中，变压器140的三相第二副边绕组 可以通过相应的电感间接与第二副边电路130的交流测三相相连，即如图9b 中所示。

(4)变压器的三相第二副边绕组异名端中存在至少两组相邻相，其每组 相邻相的两相之间均设置有相间电路，其该相间电路为第三相间电路。

同样的，如情况(2)所述，该三相LLC谐振直流变换器可以是双向变换 器(如图10所示)，也可以是单向变换器(未进行图示)，即其第一副边电 路120和第二副边电路130可以是交流/直流双向变换电路(如图10所示)， 也可以是单向整流电路，比如二极管整流桥(与图12中120和130相同)。

优选的，为了进一步节约成本，可以复用上述实施例中三个移相电感(即 图6中的L

此时，变压器140的三相第二副边绕组异名端中存在三组相邻相，在三 组相邻相中任意选择两组(如图10所示)或者三组(未进行图示)相邻相， 在其每组相邻相的两相之间均设置有一个第三相间电路410，该第三相间电路 410包括第三电感(如图10中L

此时，该三相LLC谐振直流变换器，复用上述实施例中三个移相电感，同 样能够实现上述实施例的对各个端口电压的独立调节，同时，让三相LLC谐振 直流变换器母线侧纹波电流大幅度抵消，得到显著改善的目的，并降低了系 统成本和体积。

并且，该情况下，其原边电路的交流侧与变压器的原边之间的谐振电路 设置方式，可以如图10所示，即采用间接连接方式，也可以参见上述三种情 况，也即情况(4)可以与情况(1)至(3)中的任意一种结合应用，参见上 述说明即可，不再赘述。

一般的，上述几种情况下，该变压器130的各个原边绕组分别并联有相应 的励磁电感(如图6中L

(5)变压器的三相原边绕组同名端中，仅存在两组相邻相，其每组相邻 相的两相之间设置的相间电路为励磁电感。

也即，在变压器140未集成励磁电感的情况下，可以将外置的励磁电感(如 图13中所示的L

实际应用时，复用励磁电感的情况(5)可以与上述实施例提供的图6或 者情况(1)至(4)任一情况结合应用，不再赘述。

值得说明的是，上述情况(1)和(3)提供的拓扑中，由于设置有第一 相间电路210，因此当三相LLC谐振直流变换器处于正向工作模式时，第一相 间电路210内的第一电感虽然不参与谐振，但是仍会流过电流，进而产生损耗。 所以该三相LLC谐振直流变换器的原边电路110与副边电路120均为交流/直流 双向变换电路，即该三相LLC谐振直流变换器为双向变换器，可以应用于大功 率充电桩、储能等能量双向流动场合，以实现该三相LLC谐振直流变换器在反 向工作模式下电压增益的提升、增强了增益调节功能。其他未设置第一相间电路210的拓扑，可以应用于单向变换器或者双向变换器。

其余的原理与上述实施例相同，此处不再一一赘述。

本发明实施例还提供了一种三相LLC谐振直流变换器，在上述实施例的基 础上，在设置有第一相间电路210的拓扑中，即在上述实施例中的情况(1) 或情况(3)下，为了进一步减少损耗、提高系统效率，本发明实施例还提供 了以下拓扑，其结构示意图如图11(以在图7的基础上为例进行展示)所示， 其中：

第一相间电路210还包括：与第一电感串联连接的开关(如图11中S19所 示)。

本发明实施例提供的三相LLC谐振直流变换器，在第一相间电路210内设 置有开关，在三相LLC谐振直流变换器能量由原边传输至副边时控制各开关断 开，而在三相LLC谐振直流变换器能量由副边传输至原边时再控制各开关导 通，因此，避免产生损耗，提供了系统效率。

值得说明的是，本发明实施例提供的第一相间电路210、谐振电路150、 励磁电感的复用以及第二相间电路310或者第三相间电路410的设置方式，均 可以根据实际需要进行自由组合，并不仅限于以上几种，不再一一列举。

其余原理与上述实施例相同，此处不再一一赘述。

本说明书中的各个实施例均采用递进的方式描述，各个实施例之间相同 相似的部分互相参见即可，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同 之处。尤其，对于系统或系统实施例而言，由于其基本相似于方法实施例， 所以描述得比较简单，相关之处参见方法实施例的部分说明即可。以上所描 述的系统及系统实施例仅仅是示意性的，其中所述作为分离部件说明的单元 可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是或者也可 以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个网络单元上。 可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部模块来实现本实施例方案的目 的。本领域普通技术人员在不付出创造性劳动的情况下，即可以理解并实施。

专业人员还可以进一步意识到，结合本文中所公开的实施例描述的各示 例的单元及算法步骤，能够以电子硬件、计算机软件或者二者的结合来实现， 为了清楚地说明硬件和软件的可互换性，在上述说明中已经按照功能一般性 地描述了各示例的组成及步骤。这些功能究竟以硬件还是软件方式来执行， 取决于技术方案的特定应用和设计约束条件。专业技术人员可以对每个特定 的应用来使用不同方法来实现所描述的功能，但是这种实现不应认为超出本 发明的范围。

对所公开的实施例的上述说明，本说明书中各实施例中记载的特征可以 相互替换或者组合，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些 实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所 定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例 中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合 与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。