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一種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

文檔序號:7321405閱讀:111來源:國知局
專利名稱:一種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
本實(shí)用新型涉及一種雙向直流-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,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(shí)間內(nèi)的波動(dòng)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(shí)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(shí)輸出功率,滿足負(fù)載的需求。與此同時(shí),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(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t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(gè)次級繞組t與Ns2各自串聯(lián)開關(guān)管S1與&后同時(shí)并聯(lián)于輸入 直流電源。兩個(gè)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(gè)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?,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)功率等級的提高。發(fā)明內(nèi)容本實(shí)用新型的目的是提供一種結(jié)構(gòu)簡單、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,本實(shí)用新型有以下兩種技術(shù)解決方案方案1本實(shí)用新型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 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本實(shí)用新型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。[0019]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 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。本實(shí)用新型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。本實(shí) 用新型通過共用磁路的方式,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是本實(shí)用新型雙向直流-直流變換器升壓工作模態(tài)下工作過程波形圖;圖6是本實(shí)用新型雙向直流-直流變換器降壓工作模態(tài)下工作過程波形圖。
具體實(shí)施方式
參見圖1,本實(shí)用新型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A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Dcl的第一 輔助開關(guān)管Scl和第一箝位電容Cca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&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)繞組兩 端。其由帶反并二極管D。2的第二輔助開關(guān)管、和第二箝位電容C。2串聯(lián)構(gòu)成;[0029]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&、帶反并二極管D4的第四功率開關(guān)管、、第一高壓側(cè)電容Ctjl和第二 高壓側(cè)電容C。2。其中第一高壓側(cè)繞組Ln3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La與第二低壓側(cè)繞組I^a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Ln3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La與第二低 壓側(cè)繞組1^對應(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、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L2b的另一端與第一高壓側(cè)電容Ctjl和第 二高壓側(cè)電容C。2的一端相連,第一高壓側(cè)電容Ctjl的另一端與第三功率開關(guān)管&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\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&兩端并聯(lián)第三并聯(lián)電容Cs3,在第四功率 開關(guān)管、兩端并聯(lián)第四并聯(lián)電容CS4。參見圖3,本實(shí)用新型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A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 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、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、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Sca的 漏極和第二輔助開關(guān)管、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&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&、帶反并二極管D4的第四功率開關(guān)管、、第一高壓側(cè)電容Ctjl和第二 高壓側(cè)電容C。2。其中第一高壓側(cè)繞組Ln3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La與第二低壓側(cè)繞組I^a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Ln3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La與第二低 壓側(cè)繞組1^對應(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、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L2b的另一端與第一高壓側(cè)電容Ctjl和第 二高壓側(cè)電容C。2的一端相連,第一高壓側(cè)電容Ctjl的另一端與第三功率開關(guān)管&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\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&兩端并聯(lián)第三并聯(lián)電容Cs3,在第四功率 開關(guān)管、兩端并聯(lián)第四并聯(lián)電容CS4。本實(shí)用新型雙向直流-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,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
7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(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。本實(shí)用新型的隔離型雙向直流-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、關(guān)斷與 第二功率開關(guān)管&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&關(guān)斷與第四功率開關(guān)管、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&關(guān)斷 與第二輔助開關(guān)管、開通之間的換流過程;第四功率開關(guān)管、關(guān)斷與第三功率開關(guān)管& 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&開通之間的換流過程換流前,電路處于第二輔助開關(guān)管、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&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&其反并二極管&關(guān)斷,第四功率開關(guān)管、其反并二極管D4關(guān)斷。當(dāng)?shù)诙?輔助開關(guān)管、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、的電壓從零開始上升,即第二輔助 開關(guān)管、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A導(dǎo)通,此時(shí)給出第二功率開關(guān)管&的開通信號,就實(shí)現(xiàn)了第二功率開關(guān)管 &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&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Ctjl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&導(dǎo)通,第二功率開關(guān)管的反并二極管A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、及其反并二極管D。2關(guān)斷,第三功率開關(guān)管&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、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(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(shí),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Del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Del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&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Ctjl中。 第三功率開關(guān)管&關(guān)斷與第四功率開關(guān)管、開通之間的換流過程 換流前,電路處于第二功率開關(guān)管&導(dǎo)通,第二功率開關(guān)管的反并二極管&關(guān)斷, 第三功率開關(guān)管&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、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、其反并二極管D4關(guān)斷。第三功率開關(guān)管&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&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&實(shí)現(xiàn)了零電壓關(guān)斷。當(dāng)?shù)谌β书_關(guān)管&的 電壓超過高壓側(cè)電容C。的電壓時(shí),第四功率開關(guān)管、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、的反并二極管D4導(dǎo)通后,給出第 四功率開關(guān)管、的開通信號,從而實(shí)現(xiàn)了第四功率開關(guān)管、的零電壓開通,第四功率開關(guān) 管、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、關(guān)斷與第二 功率開關(guān)管&開通之間的換流過程類似。第二功率開關(guān)管&關(guān)斷與第二輔助開關(guān)管、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、關(guān)斷與第三功率開關(guān)管&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&關(guān)斷與第四功 率開關(guān)管、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(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θ ^至θ η表示一個(gè)開關(guān)周期中的時(shí)間點(diǎn),Θ。
θ !時(shí)間內(nèi)是第二輔助開關(guān)管、關(guān)斷與第二功率開關(guān)管&開通之間的換流過程,Q1-Q3 時(shí)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(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、開通之間的換流過程,θ5 θ7時(shí)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(shí)間內(nèi) 第二功率開關(guān)管&關(guān)斷與第二輔助開關(guān)管、開通之間的換流過程,θ9 θ η時(shí)間內(nèi)是第 四功率開關(guān)管、關(guān)斷與第三功率開關(guān)管&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(gè)過程第二輔助開關(guān)管、關(guān)斷與第二功率開關(guān)管&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&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&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、開通之間的換流過程。[0050]第二輔助開關(guān)管S。2關(guān)斷與第二功率開關(guān)管&開通之間的換流過程換流前,電路處于第二輔助開關(guān)管、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、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&其反并二極管&關(guān)斷,第三功率開關(guān)管&其反并二極管D3關(guān)斷。當(dāng)?shù)诙?輔助開關(guān)管、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、的電壓從零開始上升,即第二輔助 開關(guān)管、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A導(dǎo)通,此時(shí)給出第二功率開關(guān)管&的開通信號,就實(shí)現(xiàn)了第二功率開關(guān)管 &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、處于導(dǎo)通狀態(tài),能量從 高壓側(cè)電容C。2經(jīng)過第一、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&導(dǎo)通,第二功率開關(guān)管的反并二極管A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、及其反并二極管D。2關(guān)斷,第四功率開關(guān)管、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&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(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(shí),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Ccl中,在第一輔助開關(guān)管的 反并二極管Dca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Scl的 零電壓開通,第一輔助開關(guān)管的反并二極管Del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、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)過第一、第二耦合 電感轉(zhuǎn)移到低壓側(cè)。第四功率開關(guān)管、關(guān)斷與第三功率開關(guān)管&開通之間的換流過程換流前,電路處于第二功率開關(guān)管&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、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、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&其反并二極管D3關(guān)斷。第四功率開關(guān)管、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、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、實(shí)現(xiàn)了零電壓關(guān)斷。當(dāng)?shù)谌β书_關(guān)管&的 電壓線性下降到零時(shí),第三功率開關(guān)管&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,從而實(shí)現(xiàn)了第三功率開關(guān)管&的零電壓開通,第三功率開關(guān)管&的反并二 極管D3退出工作,第一高壓側(cè)電容Ctjl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、關(guān)斷與第二 功率開關(guān)管&開通之間的換流過程類似。第二功率開關(guān)管&關(guān)斷與第二輔助開關(guān)管、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&關(guān)斷與第四功率開關(guān)管、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、關(guān)斷與第三功 率開關(guān)管&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(dòng)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(gè)開關(guān)周 期中的時(shí)間點(diǎn),θ ^ Q1時(shí)間內(nèi)是第二輔助開關(guān)管、關(guān)斷與第二功率開關(guān)管&開通之間 的換流過程,Q1-Q3時(shí)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(shí)間內(nèi)是第四功率開關(guān)管、關(guān)斷與第三功率開關(guān)管&開通之間的換 流過程,θ 5 Θ 7時(shí)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 Θ9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、開通之間的換流過程, θ 9 Θ n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、開通之間的換流過程。
權(quán)利要求1.一種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);第一有源箝位電路并聯(lián)在第一低壓側(cè)繞組(Lla)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(Dcl)的第一輔助開關(guān)管(Sca)和 第一箝位電容(CJ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(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)、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 (C01)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 (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(Ctjl)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)。
2.一種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OcJ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0 )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)、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 (C01)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 (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(Ctjl)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)。
專利摘要本實(shí)用新型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。本實(shí)用新型利用低壓側(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(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H02M3/28GK201821266SQ20102053385
公開日2011年5月4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 申請人:浙江大學(xué)
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