專利名稱：耦合電感實(shí)現(xiàn)隔離型雙向直流-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，尤其是耦合電感實(shí)現(xiàn)隔離型雙向直 流-直流變換器。
背景技術(shù)：
近年來，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、太陽能等可再生能源所產(chǎn)生的電能存在短時間內(nèi)的波動問題，需要使用能量存 儲系統(tǒng)使發(fā)電系統(tǒng)能量平穩(wěn)輸出。其中，能量存儲系統(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)輸出過多能量時存儲多余能量于蓄電池等儲能設(shè)備，而在發(fā)電系統(tǒng)輸 出能量不足時輸出功率，滿足負(fù)載的需求。與此同時，出于對人身安全方面考慮，許多應(yīng)用 場合都有電氣隔離的要求，為延長蓄電池等儲能設(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，但是其它問題仍然存在。近年來相繼出現(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解決電容間的電壓不平衡問題。中國專利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 級繞組Nsl與Npl相互耦合構(gòu)成正激變壓器T1 ；由另一變壓器次、初級繞組Ns2與Np2相互耦 合構(gòu)成反激變壓器T2,兩個次級繞組Nsl與Ns2各自串聯(lián)開關(guān)管S1與S2后同時并聯(lián)于輸入 直流電源。兩個初級繞組Npl與Np2串聯(lián)后通過整流/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)?。但是，該技術(shù)仍有以下不足1、兩個變壓器處理的功率等級不同，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)庀叮醇ぷ儔浩餍枰黾虞^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應(yīng)開關(guān)管導(dǎo)通時向高壓側(cè)傳遞能量，而反激變 壓器只在其對應(yīng)開關(guān)管關(guān)斷時向高壓側(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稱性，難以實(shí)現(xiàn)電路的交錯并聯(lián)工作，影 響了系統(tǒng)功率等級的提高。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種結(jié)構(gòu)簡單、低壓側(cè)電流紋波小的耦合電感實(shí)現(xiàn)隔離型雙 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耦合電感實(shí)現(xiàn)隔離型雙向直流_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、倍壓電容、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)管和高壓側(cè)電容，其中第一高壓側(cè) 繞組與第一低壓側(cè)繞組同為一個耦合電感中的兩個繞組，第二高壓側(cè)繞組與第二低壓側(cè)繞 組同為另一個耦合電感中的兩個繞組，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)繞組對應(yīng)的同名端相連，第一高壓側(cè)繞組的另一端與倍壓電容 的一端相連，倍壓電容的另一端與第三功率開關(guān)管的漏極和第四功率開關(guān)管的源極相連， 第四功率開關(guān)管的漏極與高壓側(cè)電容的一端相連，高壓側(cè)電容的另一端和第三功率開關(guān)管 的源極以及第二高壓側(cè)繞組的另一端共接，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，高壓側(cè)電容并聯(lián)高壓側(cè)電源。方案2耦合電感實(shí)現(xiàn)隔離型雙向直流_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)上電源相連的那 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、倍壓電容、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)管和高壓側(cè)電容，其中第一高壓側(cè) 繞組與第一低壓側(cè)繞組同為一個耦合電感中的兩個繞組，第二高壓側(cè)繞組與第二低壓側(cè)繞組同為另一個耦合電感中的兩個繞組，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)繞組對應(yīng)的同名端相連，第一高壓側(cè)繞組的另一端與倍壓電容 的一端相連，倍壓電容的另一端與第三功率開關(guān)管的漏極和第四功率開關(guān)管的源極相連， 第四功率開關(guān)管的漏極與高壓側(cè)電容的一端相連，高壓側(cè)電容的另一端和第三功率開關(guān)管 的源極以及第二高壓側(cè)繞組的另一端共接，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，高壓側(cè)電容并聯(lián)高壓側(cè)電源。本發(fā)明的耦合電感實(shí)現(xiàn)隔離型雙向變換器，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)了漏感能量的無損轉(zhuǎn)移，利用兩個耦合電感的高壓側(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，利用倍壓電容進(jìn)一步提高變換器的電壓升壓/降壓比，電路結(jié)構(gòu)簡 單，所有功率開關(guān)工作于軟開關(guān)狀態(tài)，電路中無能量損耗元件，提高了變換器的效率，換流 過程中，開關(guān)器件無電壓過沖。本發(fā)明通過共用磁路的方式，把兩個耦合電感繞制在一個磁 元件上，減少了體積。


圖1是方案1耦合電感實(shí)現(xiàn)隔離型雙向直流-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耦合電感實(shí)現(xiàn)隔離型雙向直流_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)下工作過程波形圖。
具體實(shí)施例方式參見圖1，本發(fā)明的耦合電感實(shí)現(xiàn)隔離型雙向直流-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Csi，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)在第一功率開關(guān)管S1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Dca的第一輔助 開關(guān)管Scl和第一箝位電容Ccl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；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、倍壓電容Cs、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和高壓側(cè)電容 C。，其中第一高壓側(cè)繞組Llb與第一低壓側(cè)繞組Lla同為一個耦合電感中的兩個繞組，第二高壓側(cè)繞組L2b與第二低壓側(cè)繞組L2a同為另一個耦合電感中的兩個繞組，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 應(yīng)的同名端相連，第一高壓側(cè)繞組Llb的另一端與倍壓電容Cs的一端相連，倍壓電容Cs的另 一端與第三功率開關(guān)管S3的漏極和第四功率開關(guān)管S4的源極相連，第四功率開關(guān)管S4的 漏極與高壓側(cè)電容C。的一端相連，高壓側(cè)電容C。的另一端和第三功率開關(guān)管S3的源極以 及第二高壓側(cè)繞組L2b的另一端共接，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，高壓側(cè)電容C。并聯(lián)高壓側(cè)電源VH。參見圖3，本發(fā)明的耦合電感實(shí)現(xiàn)隔離型雙向直流-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Csi，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Dcl的第一輔助開關(guān)管Sca、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Sca的源極和第一功率開關(guān)管S1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Sca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、倍壓電容Cs、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和高壓側(cè)電容 C。，其中第一高壓側(cè)繞組Llb與第一低壓側(cè)繞組Lla同為一個耦合電感中的兩個繞組，第二高 壓側(cè)繞組L2b與第二低壓側(cè)繞組L2a同為另一個耦合電感中的兩個繞組，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 應(yīng)的同名端相連，第一高壓側(cè)繞組Llb的另一端與倍壓電容Cs的一端相連，倍壓電容Cs的另 一端與第三功率開關(guān)管S3的漏極和第四功率開關(guān)管S4的源極相連，第四功率開關(guān)管S4的 漏極與高壓側(cè)電容C。的一端相連，高壓側(cè)電容C。的另一端和第三功率開關(guān)管S3的源極以 及第二高壓側(cè)繞組L2b的另一端共接，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，高壓側(cè)電容C。并聯(lián)高壓側(cè)電源VH。本發(fā)明雙向直流-直流變換器工作時，將初始的高低壓直流電源接入雙向直 流-直流變換器，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，使用移相加PWM的控制方法，通過DSP程序處理后得出第二功率開關(guān) 管的控制信號超前或滯后于第四功率開關(guān)管的控制信號，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 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)管的控制信號互補(bǔ)，并有共同關(guān)斷的一小段時間作為死區(qū)時 間，第二輔助開關(guān)管和第二功率開關(guān)管的控制信號互補(bǔ)，并有共同關(guān)斷的一小段時間作為 死區(qū)時間。第三功率開關(guān)管和第四功率開關(guān)管的控制信號互補(bǔ)，各為0. 5的固定占空比，并 有共同關(guān)斷的死區(qū)時間。第二功率開關(guān)管的控制信號超前或滯后于與第四功率開關(guān)管的控 制信號，第一功率開關(guān)管的控制信號超前或滯后于第三功率開關(guān)管的控制信號。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程，在升壓模式下其工作過程為第二輔助開關(guān)管S。2關(guān)斷與第二 功率開關(guān)管S2開通之間的換流過程；第一功率開關(guān)管S1關(guān)斷與第一輔助開關(guān)管Sca開通之 間的換流過程；第三功率開關(guān)管S3關(guān)斷與第四功率開關(guān)管S4開通之間的換流過程；第一輔 助開關(guān)管Scl關(guān)斷與第一功率開關(guān)管S1開通之間的換流過程；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 之間的換流過程。圖1 圖4所示變換器的工作過程基本相同，以圖1為例來說明變換器 的工作過程第二輔助開關(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S1導(dǎo)通，第一功率開關(guān)管的反并二極管D1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Scl及其反并二極管Dca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，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，第二功率開關(guān)管& 的反并二極管D2導(dǎo)通，此時給出第二功率開關(guān)管S2的開通信號，就實(shí)現(xiàn)了第二功率開關(guān)管 S2零電壓開通。在此過程中，在變換器的高壓側(cè)，第三功率開關(guān)管S3處于導(dǎo)通狀態(tài)，能量從 第一、第二耦合電感轉(zhuǎn)移到倍壓電容Cs中。第一功率開關(guān)管S1關(guān)斷與第一輔助開關(guān)管Sca開通之間的換流過程換流前，電路處于第一功率開關(guān)管S1導(dǎo)通，第一功率開關(guān)管的反并二極管D1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Sca及其反 并二極管Dca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S1關(guān)斷時，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S1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S1實(shí)現(xiàn)了零電壓關(guān)斷。 當(dāng)?shù)谝还β书_關(guān)管S1的電壓超過第一箝位電容Cca的電壓時，第一輔助開關(guān)管的反并二極 管Dca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Cca中，在第一輔助開關(guān)管 的反并二極管Dcl導(dǎo)通后給出第一輔助開關(guān)管Scl的開通信號，而實(shí)現(xiàn)了第一輔助開關(guān)管Sca 的零電壓開通，第一輔助開關(guān)管的反并二極管Dcl退出工作。在此過程中，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)移到倍壓 電容Cs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Dca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S1其 反并二極管D1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， 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 電壓超過高壓側(cè)電容C。的電壓時，第四功率開關(guān)管S4的反并二極管D4導(dǎo)通，第一、二耦合 電感和倍壓電容Cs的能量轉(zhuǎn)移到高壓側(cè)電容C。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，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Sca關(guān)斷與第一功率開關(guān)管S1開通之間的換流過程由于電路的對稱性，變換器低壓側(cè)的換流過程與第二輔助開關(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開通之間的換流過程由于電路的對稱性，變換器低壓側(cè)的換流過程與第一功率開關(guān)管S1關(guān)斷與第一輔 助開關(guān)管Sca開通之間的換流過程類似。第四功率開關(guān)管S4關(guān)斷與第三功率開關(guān)管S3開通之間的換流過程由于電路的對稱性，變換器高壓側(cè)的換流過程與第三功率開關(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)下工作過程波形圖，圖5中Φ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θ ^至θ η表示一個開關(guān)周期中的時間點(diǎn)，Θ。
θ ！時間內(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開通之間的換流過程，Q1-Q3 時間內(nèi)是第一功率開關(guān)管S1關(guān)斷與第一輔助開關(guān)管Sca開通之間的換流過程，θ3 05時 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開通之間的換流過程，θ5 θ7時間 內(nèi)是第一輔助開關(guān)管Sca關(guān)斷與第一功率開關(guān)管S1開通之間的換流過程，θ7 θ9時間內(nèi) 第二功率開關(guān)管S2關(guān)斷與第二輔助開關(guān)管5。2開通之間的換流過程，θ9 θ η時間內(nèi)是第 四功率開關(guān)管S4關(guān)斷與第三功率開關(guān)管S3開通之間的換流過程。圖6是雙向直流-直流變換器降壓工作模態(tài)下工作過程波形圖。在降壓模式下其 工作過程為以下六個過程第二輔助開關(guān)管s。2關(guān)斷與第二功率開關(guān)管S2開通之間的換流 過程；第一功率開關(guān)管S1關(guān)斷與第一輔助開關(guān)管Sca開通之間的換流過程；第四功率開關(guān)管 S4關(guān)斷與第三功率開關(guān)管S3開通之間的換流過程；第一輔助開關(guān)管Sca關(guān)斷與第一功率開 關(guān)管S1開通之間的換流過程；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S1導(dǎo)通，第一功率開關(guān)管的反并二極管D1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Scl及其反并二極管Dca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o助開關(guān)管S。2關(guān)斷時，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，第二功率開關(guān)管& 的反并二極管D2導(dǎo)通，此時給出第二功率開關(guān)管S2的開通信號，就實(shí)現(xiàn)了第二功率開關(guān)管 S2零電壓開通。在此過程中，在變換器的高壓側(cè)，第四功率開關(guān)管S4處于導(dǎo)通狀態(tài)，能量從 高壓側(cè)電源經(jīng)過倍壓電容Cs與第一、第二耦合電感轉(zhuǎn)移到低壓側(cè)。第一功率開關(guān)管S1關(guān)斷與第一輔助開關(guān)管Sca開通之間的換流過程換流前，電路處于第一功率開關(guān)管S1導(dǎo)通，第一功率開關(guān)管的反并二極管D1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Sca及其反 并二極管Dca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S1關(guān)斷時，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S1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S1實(shí)現(xiàn)了零電壓關(guān)斷。 當(dāng)?shù)谝还β书_關(guān)管S1的電壓超過第一箝位電容Cca的電壓時，第一輔助開關(guān)管的反并二極 管Dca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Cca中，在第一輔助開關(guān)管 的反并二極管Dcl導(dǎo)通后給出第一輔助開關(guān)管Scl的開通信號，而實(shí)現(xiàn)了第一輔助開關(guān)管Sca 的零電壓開通，第一輔助開關(guān)管的反并二極管Dcl退出工作。在此過程中，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)電源經(jīng)過倍壓電容Cs與 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Sca導(dǎo)通， 其反并二極管Dca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S1其 反并二極管D1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， 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，第三功率開關(guān)管S3的反并二極管D3導(dǎo)通，此時給出第三功率開關(guān)管 S3的開通信號，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，倍壓電容Cs的能量開始轉(zhuǎn)移第一、二耦合電感中。第一輔助開關(guān)管Sca關(guān)斷與第一功率開關(guān)管S1開通之間的換流過程由于電路的對稱性，變換器低壓側(cè)的換流過程與第二輔助開關(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開通之間的換流過程由于電路的對稱性，變換器低壓側(cè)的換流過程與第一功率開關(guān)管S1關(guān)斷與第一輔 助開關(guān)管Sca開通之間的換流過程類似。第三功率開關(guān)管S3關(guān)斷與第四功率開關(guān)管S4開通之間的換流過程由于電路的對稱性，變換器高壓側(cè)的換流過程與第四功率開關(guān)管S4關(guān)斷與第三功 率開關(guān)管S3開通之間的換流過程類似。圖6的上部分為各開關(guān)管的驅(qū)動波形占空比及相位關(guān)系示意圖，Φ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θ ^至θ η表示一個開關(guān)周 期中的時間點(diǎn)，θ ^ Q1時間內(nèi)是第二輔助開關(guān)管S。2*斷與第二功率開關(guān)管S2開通之間 的換流過程，Q1-Q3時間內(nèi)是第一功率開關(guān)管S1關(guān)斷與第一輔助開關(guān)管Scl開通之間的 換流過程，θ3 Θ 5時間內(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 流過程，θ 5 Θ 7時間內(nèi)是第一輔助開關(guān)管Scl關(guān)斷與第一功率開關(guān)管S1開通之間的換流 過程，θ7 09時間內(nèi)第二功率開關(guān)管&關(guān)斷與第二輔助開關(guān)管5。2開通之間的換流過程， θ 9 θ H時間內(nèi)是第三功率開關(guān)管S3關(guān)斷與第四功率開關(guān)管S4開通之間的換流過程。
權(quán)利要求
耦合電感實(shí)現(xiàn)隔離型雙向直流 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)、倍壓電容(Cs)、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)和高壓側(cè)電容(Co)，其中第一高壓側(cè)繞組(L1b)與第一低壓側(cè)繞組(L1a)同為一個耦合電感中的兩個繞組，第二高壓側(cè)繞組(L2b)與第二低壓側(cè)繞組(L2a)同為另一個耦合電感中的兩個繞組，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)對應(yīng)的同名端相連，第一高壓側(cè)繞組(L1b)的另一端與倍壓電容(Cs)的一端相連，倍壓電容(Cs)的另一端與第三功率開關(guān)管(S3)的漏極和第四功率開關(guān)管(S4)的源極相連，第四功率開關(guān)管(S4)的漏極與高壓側(cè)電容(Co)的一端相連，高壓側(cè)電容(Co)的另一端和第三功率開關(guān)管(S3)的源極以及第二高壓側(cè)繞組(L2b)的另一端共接，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)，高壓側(cè)電容(Co)并聯(lián)高壓側(cè)電源(VH)。
2.耦合電感實(shí)現(xiàn)隔離型雙向直流-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(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(Csi)，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(Dca)的第一輔助開關(guān)管(Sca)、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(Sca) 的源極和第一功率開關(guān)管(S1)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(Scl)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)、倍壓電容(Cs)、 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)和 高壓側(cè)電容(C。)，其中第一高壓側(cè)繞組(Llb)與第一低壓側(cè)繞組(Lla)同為一個耦合電感中 的兩個繞組，第二高壓側(cè)繞組(L2b)與第二低壓側(cè)繞組(L2a)同為另一個耦合電感中的兩個繞組，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(VJ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)對應(yīng)的同名端相連，第一高壓側(cè)繞組(Llb)的另一端 與倍壓電容(Cs)的一端相連，倍壓電容(Cs)的另一端與第三功率開關(guān)管(S3)的漏極和第 四功率開關(guān)管(S4)的源極相連，第四功率開關(guān)管(S4)的漏極與高壓側(cè)電容(C。)的一端相 連，高壓側(cè)電容(C。)的另一端和第三功率開關(guān)管(S3)的源極以及第二高壓側(cè)繞組(L2b)的 另一端共接，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)，高壓側(cè)電容(C。)并聯(lián)高壓側(cè)電源(Vh)。
全文摘要
本發(fā)明的耦合電感實(shí)現(xiàn)隔離型雙向直流-直流變換器，包括四個帶反向并聯(lián)二極管和并聯(lián)電容的功率開關(guān)管、兩個帶反向并聯(lián)二極管的輔助開關(guān)管、兩個箝位電容、一個開關(guān)電容和兩個兩繞組耦合電感。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)了漏感能量的無損轉(zhuǎn)移，利用兩個耦合電感的高壓側(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)簡單，所有功率開關(guān)工作于軟開關(guān)狀態(tài)，電路中無能量損耗元件，提高了變換器的效率，換流過程中，開關(guān)器件無電壓過沖。
文檔編號H02M3/315GK101976953SQ20101028559
公開日2011年2月16日 申請日期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, 趙一 申請人:浙江大學(xué)