專利名稱：隔離型有源箝位交錯(cuò)并聯(lián)雙向直流-直流變換器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種雙向直流-直流變換器，尤其是隔離型有源箝位交錯(cuò)并聯(lián)雙向直 流-直流變換器。
背景技術(shù)：
近年來(lái)，隨著石油、煤等傳統(tǒng)能源大量的消耗，能源的短缺和環(huán)境的污染已經(jīng)成為 世界的焦點(diǎn)，可再生能源的發(fā)展和應(yīng)用受到世界各國(guó)的廣泛關(guān)注。在可再生能源發(fā)電系統(tǒng) 中，如風(fēng)能、太陽(yáng)能等可再生能源所產(chǎn)生的電能存在短時(shí)間內(nèi)的波動(dòng)問(wèn)題，需要使用能量存 儲(chǔ)系統(tǒng)使發(fā)電系統(tǒng)能量平穩(wěn)輸出。其中，能量存儲(chǔ)系統(tǒng)的核心就是雙向的直流_直流變換 器，可以在發(fā)電系統(tǒng)輸出過(guò)多能量時(shí)存儲(chǔ)多余能量于蓄電池等儲(chǔ)能設(shè)備，而在發(fā)電系統(tǒng)輸 出能量不足時(shí)輸出功率，滿足負(fù)載的需求。與此同時(shí)，出于對(duì)人身安全方面考慮，許多應(yīng)用 場(chǎng)合都有電氣隔離的要求，為延長(zhǎng)蓄電池等儲(chǔ)能設(shè)備使用壽命，需要減少低壓電池側(cè)紋波。 所以低輸入紋波、高升壓/降壓、高效率的隔離型雙向變換器在可再生能源發(fā)電領(lǐng)域里有 著重要的作用。常規(guī)的Buck-Boost型雙向直流-直流變換器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，應(yīng)用廣泛，但該變換器的 功率開關(guān)工作于硬開關(guān)狀態(tài)，開關(guān)損耗較大，功率開關(guān)管的電壓應(yīng)力較大，低壓側(cè)電流紋波 大。常規(guī)的Buck-Boost型交錯(cuò)并聯(lián)直流_直流雙向變換器只在一定程度上減小了低壓側(cè)電 流的紋波，但是其它問(wèn)題仍然存在。近年來(lái)相繼出現(xiàn)了一些高升壓/降壓隔離型直流-直流 雙向變換器，有建立于全橋拓?fù)涞幕A(chǔ)上，且增加有源箝位電路實(shí)現(xiàn)功率開關(guān)管的軟開關(guān)， 所用開關(guān)管數(shù)量較多，且結(jié)構(gòu)復(fù)雜；另外有提出了一種基于半橋結(jié)構(gòu)的雙向變換器，但需要 增加額外的控制電路來(lái)解決電容間的電壓不平衡問(wèn)題。中國(guó)專利CN1545195中公開了一種涉及正反激雙向DC-DC變換器，由變壓器次、初 級(jí)繞組Nsl與NP1相互耦合構(gòu)成正激變壓器；由另一變壓器次、初級(jí)繞組Ns2與Np2相互耦 合構(gòu)成反激變壓器T2，兩個(gè)次級(jí)繞組Nsl與Ns2各自串聯(lián)開關(guān)管Si與S2后同時(shí)并聯(lián)于輸入 直流電源。兩個(gè)初級(jí)繞組NP1與Np2串聯(lián)后通過(guò)整流/逆變電路和直流電源V2并聯(lián)。利用 有源箝位、RCD箝位、LCD箝位、ZVT復(fù)位等技術(shù)可組成一族雙向變換器拓?fù)洹５?，該技術(shù)仍有以下不足1、兩個(gè)變壓器處理的功率等級(jí)不同，導(dǎo)致變壓器的損耗分配不均，功率開關(guān)管的 電壓和電流應(yīng)力不對(duì)稱，增加了熱管理的難度，影響了變換器的壽命；2、在該方案中，正激變壓器不需要?dú)庀?，反激變壓器需要增加較大氣隙，增加了磁 性元件的設(shè)計(jì)復(fù)雜度，不利于工業(yè)化大規(guī)模生產(chǎn)；3、該方案中，正激變壓器只在其對(duì)應(yīng)開關(guān)管導(dǎo)通時(shí)向高壓側(cè)傳遞能量，而反激變 壓器只在其對(duì)應(yīng)開關(guān)管關(guān)斷時(shí)向高壓側(cè)傳遞能量，導(dǎo)致變壓器的利用率不高，增加了變壓 器的體積，降低了系統(tǒng)功率密度；4、由于正激變壓器和反激變壓器的不對(duì)稱性，難以實(shí)現(xiàn)電路的交錯(cuò)并聯(lián)工作，影 響了系統(tǒng)功率等級(jí)的提高。
發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、低壓側(cè)電流紋波小的隔離型有源箝位交錯(cuò)并 聯(lián)雙向直流-直流變換器。為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明有以下兩種技術(shù)解決方案方案1本發(fā)明的隔離型有源箝位交錯(cuò)并聯(lián)雙向直流-直流變換器，包括低壓側(cè)電路和高 壓側(cè)電路；所述的低壓側(cè)電路包括兩條有源箝位電路和兩條與低壓側(cè)電源并聯(lián)的支路，第 一條并聯(lián)支路由第一低壓側(cè)繞組與帶反并二極管的第一功率開關(guān)管串聯(lián)構(gòu)成，在第一功率 開關(guān)管兩端并聯(lián)第一并聯(lián)電容，第二條并聯(lián)支路由第二低壓側(cè)繞組與帶反并二極管的第二 功率開關(guān)管串聯(lián)構(gòu)成，在第二功率開關(guān)管兩端并聯(lián)第二并聯(lián)電容；第一有源箝位電路并聯(lián) 在第一低壓側(cè)繞組兩端或并聯(lián)在第一功率開關(guān)管的源極和漏極上，其由帶反并二極管的第 一輔助開關(guān)管和第一箝位電容串聯(lián)構(gòu)成；第二有源箝位電路并聯(lián)在第二低壓側(cè)繞組兩端或 并聯(lián)在第二功率開關(guān)管的源極和漏極上，其由帶反并二極管的第二輔助開關(guān)管和第二箝位 電容串聯(lián)構(gòu)成；所述的高壓側(cè)電路包括第一高壓側(cè)繞組、第二高壓側(cè)繞組、帶反并二極管的第三 功率開關(guān)管、帶反并二極管的第四功率開關(guān)管、第一高壓側(cè)電容和第二高壓側(cè)電容。其中第 一高壓側(cè)繞組與第一低壓側(cè)繞組同為一個(gè)耦合電感中的兩個(gè)繞組，第二高壓側(cè)繞組與第二 低壓側(cè)繞組同為另一個(gè)耦合電感中的兩個(gè)繞組，以第一低壓側(cè)繞組和第二低壓側(cè)繞組中均 與低壓側(cè)電源同一極相連的那一端為參照端，第一高壓側(cè)繞組與第一低壓側(cè)繞組對(duì)應(yīng)的同 名端和第二高壓側(cè)繞組與第二低壓側(cè)繞組對(duì)應(yīng)的同名端相連，第一高壓側(cè)繞組的另一端與 第四功率開關(guān)管的源極和第三功率開關(guān)管的漏極相連，第二高壓側(cè)繞組的另一端與第一高 壓側(cè)電容和第二高壓側(cè)電容的一端相連，第一高壓側(cè)電容的另一端與第三功率開關(guān)管的源 極和高壓側(cè)電源的一端相連，第二高壓側(cè)電容的另一端與第四功率開關(guān)管的漏極和高壓側(cè) 電源的另一端相連。在第三功率開關(guān)管兩端并聯(lián)第三并聯(lián)電容，在第四功率開關(guān)管兩端并 聯(lián)第四并聯(lián)電容。方案2本發(fā)明的隔離型有源箝位交錯(cuò)并聯(lián)雙向直流-直流變換器，包括低壓側(cè)電路和高 壓側(cè)電路；所述的低壓側(cè)電路包括有源箝位電路和兩條與低壓側(cè)電源并聯(lián)的支路，第一條 并聯(lián)支路由第一低壓側(cè)繞組與帶反并二極管的第一功率開關(guān)管串聯(lián)構(gòu)成，在第一功率開關(guān) 管兩端并聯(lián)第一并聯(lián)電容，第二條并聯(lián)支路由第二低壓側(cè)繞組與帶反并二極管的第二功率 開關(guān)管串聯(lián)構(gòu)成，在第二功率開關(guān)管兩端并聯(lián)第二并聯(lián)電容；有源箝位電路由帶反并二極 管的第一輔助開關(guān)管、帶反并二極管的第二輔助開關(guān)管和箝位電容構(gòu)成，其中第一輔助開 關(guān)管的源極和第一功率開關(guān)管的漏極相連，第二輔助開關(guān)管的源極和第二功率開關(guān)管的漏 極相連，第一輔助開關(guān)管的漏極和第二輔助開關(guān)管的漏極與箝位電容的一端相連，箝位電 容的另一端與第二功率開關(guān)管的源極相連或與第一低壓側(cè)繞組同低壓側(cè)電源相連的那端 相連。
所述的高壓側(cè)電路包括第一高壓側(cè)繞組、第二高壓側(cè)繞組、帶反并二極管的第三 功率開關(guān)管、帶反并二極管的第四功率開關(guān)管、第一高壓側(cè)電容和第二高壓側(cè)電容。其中第 一高壓側(cè)繞組與第一低壓側(cè)繞組同為一個(gè)耦合電感中的兩個(gè)繞組，第二高壓側(cè)繞組與第二 低壓側(cè)繞組同為另一個(gè)耦合電感中的兩個(gè)繞組，以第一低壓側(cè)繞組和第二低壓側(cè)繞組中均 與低壓側(cè)電源同一極相連的那一端為參照端，第一高壓側(cè)繞組與第一低壓側(cè)繞組對(duì)應(yīng)的同 名端和第二高壓側(cè)繞組與第二低壓側(cè)繞組對(duì)應(yīng)的同名端相連，第一高壓側(cè)繞組的另一端與 第四功率開關(guān)管的源極和第三功率開關(guān)管的漏極相連，第二高壓側(cè)繞組的另一端與第一高 壓側(cè)電容和第二高壓側(cè)電容的一端相連，第一高壓側(cè)電容的另一端與第三功率開關(guān)管的源 極和高壓側(cè)電源的一端相連，第二高壓側(cè)電容的另一端與第四功率開關(guān)管的漏極和高壓側(cè) 電源的另一端相連。在第三功率開關(guān)管兩端并聯(lián)第三并聯(lián)電容，在第四功率開關(guān)管兩端并 聯(lián)第四并聯(lián)電容。本發(fā)明的隔離型有源箝位交錯(cuò)并雙向直流_直流變換器，利用低壓側(cè)并聯(lián)結(jié)構(gòu)減 小低壓側(cè)電流的紋波，利用功率開關(guān)管上的并聯(lián)電容實(shí)現(xiàn)功率開關(guān)管的零電壓關(guān)斷，利用 耦合電感的漏感實(shí)現(xiàn)功率開關(guān)管的零電壓開通，利用輔助開關(guān)管及其反并二極管與箝位電 容組成的有源箝位電路實(shí)現(xiàn)了漏感能量的無(wú)損轉(zhuǎn)移，利用兩個(gè)耦合電感的高壓側(cè)繞組的串 聯(lián)結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)了變換器的高升壓/降壓，電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，所有功率開關(guān)工作于軟開關(guān)狀態(tài)，電 路中無(wú)能量損耗元件，提高了變換器的效率，換流過(guò)程中，開關(guān)器件無(wú)電壓過(guò)沖。本發(fā)明通 過(guò)共用磁路的方式，把兩個(gè)耦合電感繞制在一個(gè)磁元件上，減少了體積。
圖1是方案1隔離型有源箝位交錯(cuò)并聯(lián)雙向直流_直流變換器的電路圖；圖2是方案1低壓側(cè)電路的另一種實(shí)施方式電路圖；圖3是方案2隔離型有源箝位交錯(cuò)并聯(lián)雙向直流_直流變換器的電路圖；圖4是方案2低壓側(cè)電路的另一種實(shí)施方式電路圖；圖5是本發(fā)明雙向直流_直流變換器升壓工作模態(tài)下工作過(guò)程波形圖；圖6是本發(fā)明雙向直流_直流變換器降壓工作模態(tài)下工作過(guò)程波形圖。
具體實(shí)施例方式參見(jiàn)圖1，本發(fā)明的隔離型有源箝位交錯(cuò)并聯(lián)雙向直流-直流變換器，包括低壓側(cè) 電路和高壓側(cè)電路；所述的低壓側(cè)電路包括兩條有源箝位電路和兩條與低壓側(cè)電源\并聯(lián)的支路， 第一條并聯(lián)支路由第一低壓側(cè)繞組Lla與帶反并二極管Di的第一功率開關(guān)管Si串聯(lián)構(gòu)成， 在第一功率開關(guān)管Si兩端并聯(lián)第一并聯(lián)電容CS1，第二條并聯(lián)支路由第二低壓側(cè)繞組L2a與 帶反并二極管D2的第二功率開關(guān)管S2串聯(lián)構(gòu)成，在第二功率開關(guān)管S2兩端并聯(lián)第二并聯(lián) 電容CS2 ；圖1所示實(shí)例中，第一有源箝位電路并聯(lián)并聯(lián)在第一功率開關(guān)管Si的源極和漏極 上，或者也可以如圖2所示，并聯(lián)在第一低壓側(cè)繞組Lla兩端。其由帶反并二極管t的第一 輔助開關(guān)管Scl和第一箝位電容k串聯(lián)構(gòu)成；圖1所示實(shí)例中，第二有源箝位電路并聯(lián)在 第二功率開關(guān)管S2的源極和漏極上，或者也可以如圖2所示，并聯(lián)在第二低壓側(cè)繞組L2a兩 端。其由帶反并二極管D。2的第二輔助開關(guān)管S。2和第二箝位電容C。2串聯(lián)構(gòu)成；
6
所述的高壓側(cè)電路包括第一高壓側(cè)繞組Llb、第二高壓側(cè)繞組L2b、帶反并二極管 D3的第三功率開關(guān)管s3、帶反并二極管D4的第四功率開關(guān)管S4、第一高壓側(cè)電容Q和第二 高壓側(cè)電容c。2。其中第一高壓側(cè)繞組Llb與第一低壓側(cè)繞組Lla同為一個(gè)耦合電感中的兩 個(gè)繞組，第二高壓側(cè)繞組L2b與第二低壓側(cè)繞組L2a同為另一個(gè)耦合電感中的兩個(gè)繞組，以第 一低壓側(cè)繞組Lla和第二低壓側(cè)繞組L2a中均與低壓側(cè)電源\同一極相連的那一端為參照 端，第一高壓側(cè)繞組Llb與第一低壓側(cè)繞組Lla對(duì)應(yīng)的同名端和第二高壓側(cè)繞組L2b與第二低 壓側(cè)繞組L2a對(duì)應(yīng)的同名端相連，第一高壓側(cè)繞組Llb的另一端與第四功率開關(guān)管S4的源極 和第三功率開關(guān)管S3的漏極相連，第二高壓側(cè)繞組L2b的另一端與第一高壓側(cè)電容Q和第 二高壓側(cè)電容C。2的一端相連，第一高壓側(cè)電容Q的另一端與第三功率開關(guān)管S3的源極和 高壓側(cè)電源VH的一端相連，第二高壓側(cè)電容C。2的另一端與第四功率開關(guān)管S4的漏極和高 壓側(cè)電源\的另一端相連。在第三功率開關(guān)管&兩端并聯(lián)第三并聯(lián)電容CS3，在第四功率 開關(guān)管S4兩端并聯(lián)第四并聯(lián)電容CS4。參見(jiàn)圖3，本發(fā)明的隔離型有源箝位交錯(cuò)并聯(lián)雙向直流-直流變換器，包括低壓側(cè) 電路和高壓側(cè)電路；所述的低壓側(cè)電路包括有源箝位電路和兩條與低壓側(cè)電源\并聯(lián)的支路，第一 條并聯(lián)支路由第一低壓側(cè)繞組Lla與帶反并二極管Di的第一功率開關(guān)管Si串聯(lián)構(gòu)成，在第 一功率開關(guān)管Si兩端并聯(lián)第一并聯(lián)電容CS1，第二條并聯(lián)支路由第二低壓側(cè)繞組L2a與帶反 并二極管D2的第二功率開關(guān)管S2串聯(lián)構(gòu)成，在第二功率開關(guān)管S2兩端并聯(lián)第二并聯(lián)電容 CS2 ；有源箝位電路由帶反并二極管D。i的第一輔助開關(guān)管S。i、帶反并二極管D。2的第二輔助 開關(guān)管s。2和箝位電容C。構(gòu)成，其中第一輔助開關(guān)管S。i的源極和第一功率開關(guān)管Si的漏極 相連，第二輔助開關(guān)管S。2的源極和第二功率開關(guān)管s2的漏極相連，第一輔助開關(guān)管s。i的 漏極和第二輔助開關(guān)管s。2的漏極與箝位電容C。的一端相連，圖3所示實(shí)例中，箝位電容C。 的另一端與第二功率開關(guān)管s2的源極相連，或者也可以如圖4所示，箝位電容C。的另一端 與第一低壓側(cè)繞組Lla同低壓側(cè)電源\相連的那端相連。所述的高壓側(cè)電路包括第一高壓側(cè)繞組Llb、第二高壓側(cè)繞組L2b、帶反并二極管 D3的第三功率開關(guān)管s3、帶反并二極管D4的第四功率開關(guān)管S4、第一高壓側(cè)電容Q和第二 高壓側(cè)電容c。2。其中第一高壓側(cè)繞組Llb與第一低壓側(cè)繞組Lla同為一個(gè)耦合電感中的兩 個(gè)繞組，第二高壓側(cè)繞組L2b與第二低壓側(cè)繞組L2a同為另一個(gè)耦合電感中的兩個(gè)繞組，以第 一低壓側(cè)繞組Lla和第二低壓側(cè)繞組L2a中均與低壓側(cè)電源\同一極相連的那一端為參照 端，第一高壓側(cè)繞組Llb與第一低壓側(cè)繞組Lla對(duì)應(yīng)的同名端和第二高壓側(cè)繞組L2b與第二低 壓側(cè)繞組L2a對(duì)應(yīng)的同名端相連，第一高壓側(cè)繞組Llb的另一端與第四功率開關(guān)管S4的源極 和第三功率開關(guān)管S3的漏極相連，第二高壓側(cè)繞組L2b的另一端與第一高壓側(cè)電容Q和第 二高壓側(cè)電容C。2的一端相連，第一高壓側(cè)電容Q的另一端與第三功率開關(guān)管S3的源極和 高壓側(cè)電源VH的一端相連，第二高壓側(cè)電容C。2的另一端與第四功率開關(guān)管S4的漏極和高 壓側(cè)電源\的另一端相連。在第三功率開關(guān)管&兩端并聯(lián)第三并聯(lián)電容CS3，在第四功率 開關(guān)管S4兩端并聯(lián)第四并聯(lián)電容CS4。本發(fā)明雙向直流-直流變換器工作時(shí)，將初始的高低壓直流電源接入變換器，根 據(jù)采樣所得的低壓側(cè)電流、低壓側(cè)電源電壓、低壓側(cè)箝位電容電壓和高壓側(cè)電源電壓等信 號(hào)，使用移相加PWM的控制方法，通過(guò)DSP程序處理后得出第二功率開關(guān)管的控制信號(hào)超前
7或滯后于第四功率開關(guān)管的控制信號(hào)，從而實(shí)現(xiàn)傳輸功率大小和方向的控制。根據(jù)高低壓 電源電壓幅值，計(jì)算出第一功率開關(guān)管、第二功率開關(guān)管、第一輔助開關(guān)管和第二輔助開關(guān) 的占空比，使得高壓側(cè)等效漏感兩邊的電壓匹配。根據(jù)計(jì)算得到的每個(gè)開關(guān)管占空比大小 與相位關(guān)系，控制第一功率開關(guān)管、第二功率開關(guān)管、第一輔助開關(guān)管、第二輔助開關(guān)、第三 功率開關(guān)管和第四功率開關(guān)管的開通和關(guān)斷。其中，第一功率開關(guān)管和第二功率開關(guān)管的導(dǎo)通時(shí)間相等，相位相差180度，第一 輔助開關(guān)管和第一功率開關(guān)管的控制信號(hào)互補(bǔ)，并有共同關(guān)斷的一小段時(shí)間作為死區(qū)時(shí) 間，第二輔助開關(guān)管和第二功率開關(guān)管的控制信號(hào)互補(bǔ)，并有共同關(guān)斷的一小段時(shí)間作為 死區(qū)時(shí)間。第三功率開關(guān)管和第四功率開關(guān)管的控制信號(hào)互補(bǔ)，各為0. 5的固定占空比，并 有共同關(guān)斷的死區(qū)時(shí)間。第二功率開關(guān)管的控制信號(hào)超前或滯后于與第四功率開關(guān)管的控 制信號(hào)，第一功率開關(guān)管的控制信號(hào)超前或滯后于第三功率開關(guān)管的控制信號(hào)。本發(fā)明的隔離型雙向直流-直流變換器存在升壓、降壓兩種工作模態(tài)。每種工作 模態(tài)可以分為六種工作過(guò)程，在升壓模式下其工作過(guò)程為第二輔助開關(guān)管S。2關(guān)斷與第二 功率開關(guān)管S2開通之間的換流過(guò)程；第一功率開關(guān)管Si關(guān)斷與第一輔助開關(guān)管s。i開通之 間的換流過(guò)程；第三功率開關(guān)管s3關(guān)斷與第四功率開關(guān)管s4開通之間的換流過(guò)程；第一輔 助開關(guān)管S。i關(guān)斷與第一功率開關(guān)管Si開通之間的換流過(guò)程；第二功率開關(guān)管s2關(guān)斷與第 二輔助開關(guān)管S。2開通之間的換流過(guò)程；第四功率開關(guān)管s4關(guān)斷與第三功率開關(guān)管s3開通 之間的換流過(guò)程。圖1 圖4所示變換器的工作過(guò)程基本相同，以圖1為例來(lái)說(shuō)明變換器 的工作過(guò)程第二輔助開關(guān)管S。2關(guān)斷與第二功率開關(guān)管S2開通之間的換流過(guò)程換流前，電路處于第二輔助開關(guān)管S。2導(dǎo)通，第二輔助開關(guān)管的反并二極管D。2關(guān) 斷，第一功率開關(guān)管Sl導(dǎo)通，第一功率開關(guān)管的反并二極管Di關(guān)斷，第三功率開關(guān)管S3導(dǎo) 通，第三功率開關(guān)管的反并二極管D3關(guān)斷，第一輔助開關(guān)管、及其反并二極管D。i關(guān)斷，第 二功率開關(guān)管S2其反并二極管D2關(guān)斷，第四功率開關(guān)管S4其反并二極管D4關(guān)斷。當(dāng)?shù)诙?輔助開關(guān)管S。2關(guān)斷時(shí)，在變換器的低壓側(cè)，耦合電感的漏感與開關(guān)管的并聯(lián)電容Cs2開始諧 振，隨著并聯(lián)電容Cs2的電壓的下降，第二輔助開關(guān)管S。2的電壓從零開始上升，即第二輔助 開關(guān)管S。2實(shí)現(xiàn)了零電壓關(guān)斷，當(dāng)并聯(lián)電容Cs2上的電壓線性下降到零時(shí)，第二功率開關(guān)管& 的反并二極管D2導(dǎo)通，此時(shí)給出第二功率開關(guān)管S2的開通信號(hào)，就實(shí)現(xiàn)了第二功率開關(guān)管 S2零電壓開通。在此過(guò)程中，在變換器的高壓側(cè)，第三功率開關(guān)管&處于導(dǎo)通狀態(tài)，能量從 第一、第二耦合電感轉(zhuǎn)移到第一高壓側(cè)電容Q中。第一功率開關(guān)管Si關(guān)斷與第一輔助開關(guān)管、開通之間的換流過(guò)程換流前，電路處于第一功率開關(guān)管Si導(dǎo)通，第一功率開關(guān)管的反并二極管Di關(guān)斷， 第二功率開關(guān)管S2導(dǎo)通，第二功率開關(guān)管的反并二極管D2關(guān)斷，第一輔助開關(guān)管s。i及其反 并二極管D。i關(guān)斷，第二輔助開關(guān)管S。2及其反并二極管D。2關(guān)斷，第三功率開關(guān)管S3導(dǎo)通， 第三功率開關(guān)管的反并二極管D3關(guān)斷，第四功率開關(guān)管S4其反并二極管D4關(guān)斷。當(dāng)?shù)谝?功率開關(guān)管Si關(guān)斷時(shí)，在變換器的低壓側(cè)，由于開關(guān)管并聯(lián)電容Csl的作用，第一功率開關(guān) 管Si的電壓從零開始以一定的斜率線性上升，因此第一功率開關(guān)管Si實(shí)現(xiàn)了零電壓關(guān)斷。 當(dāng)?shù)谝还β书_關(guān)管Si的電壓超過(guò)第一箝位電容Cd的電壓時(shí)，第一輔助開關(guān)管的反并二極 管D。i導(dǎo)通，第一耦合電感的漏感中的能量轉(zhuǎn)移到第一箝位電容(^中，在第一輔助開關(guān)管的反并二極管D。i導(dǎo)通后給出第一輔助開關(guān)管、的開通信號(hào)，而實(shí)現(xiàn)了第一輔助開關(guān)管、 的零電壓開通，第一輔助開關(guān)管的反并二極管D。i退出工作。在此過(guò)程中，在變換器的高壓 側(cè)，第三功率開關(guān)管S3處于仍舊處于導(dǎo)通狀態(tài)，能量繼續(xù)從第一、第二耦合電感轉(zhuǎn)移到第一 高壓側(cè)電容Q中。 第三功率開關(guān)管S3關(guān)斷與第四功率開關(guān)管S4開通之間的換流過(guò)程
換流前，電路處于第二功率開關(guān)管S2導(dǎo)通，第二功率開關(guān)管的反并二極管D2關(guān)斷， 第三功率開關(guān)管S3導(dǎo)通，第三功率開關(guān)管的反并二極管D3關(guān)斷，第一輔助開關(guān)管sel導(dǎo)通， 其反并二極管D。i關(guān)斷，第二輔助開關(guān)管S。2及其反并二極管D。2關(guān)斷，第一功率開關(guān)管Si其 反并二極管Di關(guān)斷，第四功率開關(guān)管S4其反并二極管D4關(guān)斷。第三功率開關(guān)管S3關(guān)斷時(shí)， 在變換器的高壓側(cè)，由于開關(guān)管并聯(lián)電容Cs3的作用，第三功率開關(guān)管S3的電壓從零開始以 一定的斜率線性上升，因此第三功率開關(guān)管S3實(shí)現(xiàn)了零電壓關(guān)斷。當(dāng)?shù)谌β书_關(guān)管S3的 電壓超過(guò)高壓側(cè)電容C。的電壓時(shí)，第四功率開關(guān)管S4的反并二極管D4導(dǎo)通，第一、二耦合 電感的能量轉(zhuǎn)移到高壓側(cè)電容C。2中，在第四功率開關(guān)管s4的反并二極管D4導(dǎo)通后，給出第 四功率開關(guān)管S4的開通信號(hào)，從而實(shí)現(xiàn)了第四功率開關(guān)管s4的零電壓開通，第四功率開關(guān) 管S4的反并二極管D4退出工作。第一輔助開關(guān)管、關(guān)斷與第一功率開關(guān)管Si開通之間的換流過(guò)程由于電路的對(duì)稱性，變換器低壓側(cè)的換流過(guò)程與第二輔助開關(guān)管S。2關(guān)斷與第二 功率開關(guān)管S2開通之間的換流過(guò)程類似。第二功率開關(guān)管S2關(guān)斷與第二輔助開關(guān)管S。2開通之間的換流過(guò)程由于電路的對(duì)稱性，變換器低壓側(cè)的換流過(guò)程與第一功率開關(guān)管Si關(guān)斷與第一輔 助開關(guān)管、開通之間的換流過(guò)程類似。第四功率開關(guān)管S4關(guān)斷與第三功率開關(guān)管S3開通之間的換流過(guò)程由于電路的對(duì)稱性，變換器高壓側(cè)的換流過(guò)程與第三功率開關(guān)管S3關(guān)斷與第四功 率開關(guān)管S4開通之間的換流過(guò)程類似。圖5是雙向直流-直流變換器升壓工作模態(tài)下工作過(guò)程波形圖，圖5中①表示移 相角，D表示占空比，圖的上部分為各開關(guān)管的驅(qū)動(dòng)波形占空比及相位關(guān)系示意圖，圖中的 、為高壓側(cè)耦合電感的電流波形，圖中的％至表示一個(gè)開關(guān)周期中的時(shí)間點(diǎn)，eQ e ！時(shí)間內(nèi)是第二輔助開關(guān)管s。2關(guān)斷與第二功率開關(guān)管s2開通之間的換流過(guò)程，e工 e 3 時(shí)間內(nèi)是第一功率開關(guān)管Si關(guān)斷與第一輔助開關(guān)管、開通之間的換流過(guò)程，e3 95時(shí) 間內(nèi)是第三功率開關(guān)管&關(guān)斷與第四功率開關(guān)管、開通之間的換流過(guò)程，e5 e7時(shí)間 內(nèi)是第一輔助開關(guān)管、關(guān)斷與第一功率開關(guān)管Si開通之間的換流過(guò)程，e7 e9時(shí)間內(nèi) 第二功率開關(guān)管&關(guān)斷與第二輔助開關(guān)管5。2開通之間的換流過(guò)程，e9 時(shí)間內(nèi)是第 四功率開關(guān)管s4關(guān)斷與第三功率開關(guān)管s3開通之間的換流過(guò)程。圖6是雙向直流-直流變換器降壓工作模態(tài)下工作過(guò)程波形圖。在降壓模式下其 工作過(guò)程為以下六個(gè)過(guò)程第二輔助開關(guān)管s。2關(guān)斷與第二功率開關(guān)管s2開通之間的換流 過(guò)程；第一功率開關(guān)管Si關(guān)斷與第一輔助開關(guān)管s。i開通之間的換流過(guò)程；第四功率開關(guān)管 s4關(guān)斷與第三功率開關(guān)管s3開通之間的換流過(guò)程；第一輔助開關(guān)管s。i關(guān)斷與第一功率開 關(guān)管Si開通之間的換流過(guò)程；第二功率開關(guān)管s2關(guān)斷與第二輔助開關(guān)管s。2開通之間的換 流過(guò)程；第三功率開關(guān)管s3關(guān)斷與第四功率開關(guān)管s4開通之間的換流過(guò)程。
第二輔助開關(guān)管S。2關(guān)斷與第二功率開關(guān)管S2開通之間的換流過(guò)程換流前，電路處于第二輔助開關(guān)管S。2導(dǎo)通，第二輔助開關(guān)管的反并二極管D。2關(guān) 斷，第一功率開關(guān)管Si導(dǎo)通，第一功率開關(guān)管的反并二極管Di關(guān)斷，第四功率開關(guān)管S4導(dǎo) 通，第四功率開關(guān)管的反并二極管D4關(guān)斷，第一輔助開關(guān)管、及其反并二極管D。i關(guān)斷，第 二功率開關(guān)管S2其反并二極管D2關(guān)斷，第三功率開關(guān)管S3其反并二極管D3關(guān)斷。當(dāng)?shù)诙?輔助開關(guān)管S。2關(guān)斷時(shí)，在變換器的低壓側(cè)，耦合電感的漏感與開關(guān)管的并聯(lián)電容Cs2開始諧 振，隨著并聯(lián)電容Cs2的電壓的下降，第二輔助開關(guān)管S。2的電壓從零開始上升，即第二輔助 開關(guān)管S。2實(shí)現(xiàn)了零電壓關(guān)斷，當(dāng)并聯(lián)電容Cs2上的電壓線性下降到零時(shí)，第二功率開關(guān)管& 的反并二極管D2導(dǎo)通，此時(shí)給出第二功率開關(guān)管S2的開通信號(hào)，就實(shí)現(xiàn)了第二功率開關(guān)管 S2零電壓開通。在此過(guò)程中，在變換器的高壓側(cè)，第四功率開關(guān)管、處于導(dǎo)通狀態(tài)，能量從 高壓側(cè)電容C。2經(jīng)過(guò)第一、第二耦合電感轉(zhuǎn)移到低壓側(cè)。第一功率開關(guān)管Si關(guān)斷與第一輔助開關(guān)管、開通之間的換流過(guò)程換流前，電路處于第一功率開關(guān)管Si導(dǎo)通，第一功率開關(guān)管的反并二極管0工關(guān)斷， 第二功率開關(guān)管S2導(dǎo)通，第二功率開關(guān)管的反并二極管D2關(guān)斷，第一輔助開關(guān)管s。i及其反 并二極管D。i關(guān)斷，第二輔助開關(guān)管S。2及其反并二極管D。2關(guān)斷，第四功率開關(guān)管S4導(dǎo)通， 第四功率開關(guān)管的反并二極管D4關(guān)斷，第三功率開關(guān)管S3其反并二極管D3關(guān)斷。當(dāng)?shù)谝?功率開關(guān)管Si關(guān)斷時(shí)，在變換器的低壓側(cè)，由于開關(guān)管并聯(lián)電容csl的作用，第一功率開關(guān) 管Si的電壓從零開始以一定的斜率線性上升，因此第一功率開關(guān)管Si實(shí)現(xiàn)了零電壓關(guān)斷。 當(dāng)?shù)谝还β书_關(guān)管Si的電壓超過(guò)第一箝位電容Cd的電壓時(shí)，第一輔助開關(guān)管的反并二極 管仏工導(dǎo)通，第一耦合電感的漏感中的能量轉(zhuǎn)移到第一箝位電容Cd中，在第一輔助開關(guān)管的 反并二極管D。i導(dǎo)通后給出第一輔助開關(guān)管S。i的開通信號(hào)，而實(shí)現(xiàn)了第一輔助開關(guān)管S。i的 零電壓開通，第一輔助開關(guān)管的反并二極管D。i退出工作。在此過(guò)程中，在變換器的高壓側(cè)， 第四功率開關(guān)管S4處于仍舊處于導(dǎo)通狀態(tài)，能量繼續(xù)從高壓側(cè)電容(；2經(jīng)過(guò)第一、第二耦合 電感轉(zhuǎn)移到低壓側(cè)。第四功率開關(guān)管S4關(guān)斷與第三功率開關(guān)管S3開通之間的換流過(guò)程換流前，電路處于第二功率開關(guān)管S2導(dǎo)通，第二功率開關(guān)管的反并二極管仏關(guān)斷， 第四功率開關(guān)管S4導(dǎo)通，第四功率開關(guān)管的反并二極管D4關(guān)斷，第一輔助開關(guān)管s。i導(dǎo)通， 其反并二極管D。i關(guān)斷，第二輔助開關(guān)管S。2及其反并二極管D。2關(guān)斷，第一功率開關(guān)管Si其 反并二極管Di關(guān)斷，第三功率開關(guān)管S3其反并二極管D3關(guān)斷。第四功率開關(guān)管S4關(guān)斷時(shí)， 在變換器的高壓側(cè)，由于開關(guān)管并聯(lián)電容Cs4的作用，第四功率開關(guān)管S4的電壓從零開始以 一定的斜率線性上升，因此第四功率開關(guān)管S4實(shí)現(xiàn)了零電壓關(guān)斷。當(dāng)?shù)谌β书_關(guān)管S3的 電壓線性下降到零時(shí)，第三功率開關(guān)管S3的反并二極管D3導(dǎo)通，此時(shí)給出第三功率開關(guān)管 s3的開通信號(hào)，從而實(shí)現(xiàn)了第三功率開關(guān)管s3的零電壓開通，第三功率開關(guān)管s3的反并二 極管D3退出工作，第一高壓側(cè)電容Q的能量開始轉(zhuǎn)移第一、二耦合電感中。第一輔助開關(guān)管、關(guān)斷與第一功率開關(guān)管Si開通之間的換流過(guò)程由于電路的對(duì)稱性，變換器低壓側(cè)的換流過(guò)程與第二輔助開關(guān)管S。2關(guān)斷與第二 功率開關(guān)管S2開通之間的換流過(guò)程類似。第二功率開關(guān)管S2關(guān)斷與第二輔助開關(guān)管S。2開通之間的換流過(guò)程由于電路的對(duì)稱性，變換器低壓側(cè)的換流過(guò)程與第一功率開關(guān)管Si關(guān)斷與第一輔助開關(guān)管、開通之間的換流過(guò)程類似。第三功率開關(guān)管S3關(guān)斷與第四功率開關(guān)管S4開通之間的換流過(guò)程由于電路的對(duì)稱性，變換器高壓側(cè)的換流過(guò)程與第四功率開關(guān)管S4關(guān)斷與第三功 率開關(guān)管S3開通之間的換流過(guò)程類似。圖6的上部分為各開關(guān)管的驅(qū)動(dòng)波形占空比及相位關(guān)系示意圖，O表示移相角，D 表示占空比，圖中的、為高壓側(cè)耦合電感的電流波形，圖中的e^至011表示一個(gè)開關(guān)周 期中的時(shí)間點(diǎn)，叭 時(shí)間內(nèi)是第二輔助開關(guān)管s。2*斷與第二功率開關(guān)管&開通之間 的換流過(guò)程，9 i e 3時(shí)間內(nèi)是第一功率開關(guān)管Si關(guān)斷與第一輔助開關(guān)管s。i開通之間的 換流過(guò)程，e3 e5時(shí)間內(nèi)是第四功率開關(guān)管s4關(guān)斷與第三功率開關(guān)管&開通之間的換 流過(guò)程，9 5 e 7時(shí)間內(nèi)是第一輔助開關(guān)管、關(guān)斷與第一功率開關(guān)管Si開通之間的換流 過(guò)程，e7 99時(shí)間內(nèi)第二功率開關(guān)管&關(guān)斷與第二輔助開關(guān)管5。2開通之間的換流過(guò)程， 9 9 e ^時(shí)間內(nèi)是第三功率開關(guān)管s3關(guān)斷與第四功率開關(guān)管s4開通之間的換流過(guò)程。
權(quán)利要求
隔離型有源箝位交錯(cuò)并聯(lián)雙向直流 直流變換器，其特征在于，包括低壓側(cè)電路和高壓側(cè)電路；所述的低壓側(cè)電路包括兩條有源箝位電路和兩條與低壓側(cè)電源(VL)并聯(lián)的支路，第一條并聯(lián)支路由第一低壓側(cè)繞組(L1a)與帶反并二極管(D1)的第一功率開關(guān)管(S1)串聯(lián)構(gòu)成，在第一功率開關(guān)管(S1)兩端并聯(lián)第一并聯(lián)電容(CS1)，第二條并聯(lián)支路由第二低壓側(cè)繞組(L2a)與帶反并二極管(D2)的第二功率開關(guān)管(S2)串聯(lián)構(gòu)成，在第二功率開關(guān)管(S2)兩端并聯(lián)第二并聯(lián)電容(CS2)；第一有源箝位電路并聯(lián)在第一低壓側(cè)繞組(L1a)兩端或并聯(lián)在第一功率開關(guān)管(S1)的源極和漏極上，其由帶反并二極管(Dc1)的第一輔助開關(guān)管(Sc1)和第一箝位電容(Cc1)串聯(lián)構(gòu)成；第二有源箝位電路并聯(lián)在第二低壓側(cè)繞組(L2a)兩端或并聯(lián)在第二功率開關(guān)管(S2)的源極和漏極上，其由帶反并二極管(Dc2)的第二輔助開關(guān)管(Sc2)和第二箝位電容(Cc2)串聯(lián)構(gòu)成；所述的高壓側(cè)電路包括第一高壓側(cè)繞組(L1b)、第二高壓側(cè)繞組(L2b)、帶反并二極管(D3)的第三功率開關(guān)管(S3)、帶反并二極管(D4)的第四功率開關(guān)管(S4)、第一高壓側(cè)電容(Co1)和第二高壓側(cè)電容(Co2)。其中第一高壓側(cè)繞組(L1b)與第一低壓側(cè)繞組(L1a)同為一個(gè)耦合電感中的兩個(gè)繞組，第二高壓側(cè)繞組(L2b)與第二低壓側(cè)繞組(L2a)同為另一個(gè)耦合電感中的兩個(gè)繞組，以第一低壓側(cè)繞組(L1a)和第二低壓側(cè)繞組(L2a)中均與低壓側(cè)電源(VL)同一極相連的那一端為參照端，第一高壓側(cè)繞組(L1b)與第一低壓側(cè)繞組(L1a)對(duì)應(yīng)的同名端和第二高壓側(cè)繞組(L2b)與第二低壓側(cè)繞組(L2a)對(duì)應(yīng)的同名端相連，第一高壓側(cè)繞組(L1b)的另一端與第四功率開關(guān)管(S4)的源極和第三功率開關(guān)管(S3)的漏極相連，第二高壓側(cè)繞組(L2b)的另一端與第一高壓側(cè)電容(Co1)和第二高壓側(cè)電容(Co2)的一端相連，第一高壓側(cè)電容(Co1)的另一端與第三功率開關(guān)管(S3)的源極和高壓側(cè)電源(VH)的一端相連，第二高壓側(cè)電容(Co2)的另一端與第四功率開關(guān)管(S4)的漏極和高壓側(cè)電源(VH)的另一端相連。在第三功率開關(guān)管(S3)兩端并聯(lián)第三并聯(lián)電容(CS3)，在第四功率開關(guān)管(S4)兩端并聯(lián)第四并聯(lián)電容(CS4)。
2.隔離型有源箝位交錯(cuò)并聯(lián)雙向直流-直流變換器，其特征在于，包括低壓側(cè)電路和 高壓側(cè)電路；所述的低壓側(cè)電路包括有源箝位電路和兩條與低壓側(cè)電源(yL)并聯(lián)的支路，第一條 并聯(lián)支路由第一低壓側(cè)繞組(Lla)與帶反并二極管(Di)的第一功率開關(guān)管(Si)串聯(lián)構(gòu)成， 在第一功率開關(guān)管(SD兩端并聯(lián)第一并聯(lián)電容(CS1)，第二條并聯(lián)支路由第二低壓側(cè)繞組 (L2a)與帶反并二極管(D2)的第二功率開關(guān)管(S2)串聯(lián)構(gòu)成，在第二功率開關(guān)管(S2)兩端 并聯(lián)第二并聯(lián)電容(CS2)；有源箝位電路由帶反并二極管(DJ的第一輔助開關(guān)管(SJ、帶 反并二極管(D。2)的第二輔助開關(guān)管(S。2)和箝位電容(C。)構(gòu)成，其中第一輔助開關(guān)管(SJ 的源極和第一功率開關(guān)管的漏極相連，第二輔助開關(guān)管(S。2)的源極和第二功率開關(guān) 管(S2)的漏極相連，第一輔助開關(guān)管(SJ的漏極和第二輔助開關(guān)管(S。2)的漏極與箝位電 容(C。)的一端相連，箝位電容(C。)的另一端與第二功率開關(guān)管(s2)的源極相連或與第一 低壓側(cè)繞組(Lla)同低壓側(cè)電源相連的那端相連。所述的高壓側(cè)電路包括第一高壓側(cè)繞組(Llb)、第二高壓側(cè)繞組(L2b)、帶反并二極管 (D3)的第三功率開關(guān)管(S3)、帶反并二極管(D4)的第四功率開關(guān)管(S4)、第一高壓側(cè)電容 (C0l)和第二高壓側(cè)電容(Co2)。其中第一高壓側(cè)繞組(Llb)與第一低壓側(cè)繞組(Lla)同為一個(gè)耦合電感中的兩個(gè)繞組，第二高壓側(cè)繞組(L2b)與第二低壓側(cè)繞組(L2a)同為另一個(gè)耦 合電感中的兩個(gè)繞組，以第一低壓側(cè)繞組(Lla)和第二低壓側(cè)繞組(L2a)中均與低壓側(cè)電源 (VL)同一極相連的那一端為參照端，第一高壓側(cè)繞組(Llb)與第一低壓側(cè)繞組(Lla)對(duì)應(yīng)的 同名端和第二高壓側(cè)繞組(L2b)與第二低壓側(cè)繞組(L2a)對(duì)應(yīng)的同名端相連，第一高壓側(cè)繞 組(Llb)的另一端與第四功率開關(guān)管(S4)的源極和第三功率開關(guān)管(S3)的漏極相連，第二 高壓側(cè)繞組(L2b)的另一端與第一高壓側(cè)電容(CJ和第二高壓側(cè)電容(C。2)的一端相連， 第一高壓側(cè)電容(CJ的另一端與第三功率開關(guān)管(S3)的源極和高壓側(cè)電源(VH)的一端相 連，第二高壓側(cè)電容(C。2)的另一端與第四功率開關(guān)管(S4)的漏極和高壓側(cè)電源(VH)的另 一端相連。在第三功率開關(guān)管(S3)兩端并聯(lián)第三并聯(lián)電容(CS3)，在第四功率開關(guān)管(S4)兩 端并聯(lián)第四并聯(lián)電容(CS4)。
全文摘要
本發(fā)明的隔離型有源箝位交錯(cuò)并聯(lián)雙向直流-直流變換器，包括四個(gè)帶反向并聯(lián)二極管和并聯(lián)電容的功率開關(guān)管、兩個(gè)帶反向并聯(lián)二極管的輔助開關(guān)管、兩個(gè)箝位電容、兩個(gè)高壓側(cè)電容和兩個(gè)兩繞組耦合電感。本發(fā)明利用低壓側(cè)并聯(lián)結(jié)構(gòu)減小低壓側(cè)電流的紋波，利用功率開關(guān)管上的并聯(lián)電容實(shí)現(xiàn)功率開關(guān)管的零電壓關(guān)斷，利用耦合電感的漏感實(shí)現(xiàn)功率開關(guān)管的零電壓開通，利用輔助開關(guān)管及其反并二極管與箝位電容組成的有源箝位電路實(shí)現(xiàn)了漏感能量的無(wú)損轉(zhuǎn)移，利用兩個(gè)耦合電感的高壓側(cè)繞組的串聯(lián)結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)了變換器的高升壓/降壓，電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，所有功率開關(guān)工作于軟開關(guān)狀態(tài)，電路中無(wú)能量損耗元件，提高了變換器的效率，換流過(guò)程中，開關(guān)器件無(wú)電壓過(guò)沖。
文檔編號(hào)H02M3/335GK101951154SQ201010285590
公開日2011年1月19日 申請(qǐng)日期2010年9月17日 優(yōu)先權(quán)日2010年9月17日
發(fā)明者何湘寧, 吳海蒙, 李武華 申請(qǐng)人:浙江大學(xué)