單級雙向隔離ac-dc變換器的制造方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了三種結(jié)構(gòu)的單級雙向隔離AC-DC變換器，屬于電力電子變換器領(lǐng)域。所述三種變換器的結(jié)構(gòu)均由單相交流源、直流源、Boost電感、移相電感、母線電容、變壓器、原副邊功率開關(guān)管等組成。通過在橋臂中點連接Boost電感，實現(xiàn)了雙向Boost?PFC變換器與橋式雙向變換器的集成，單級功率變換即可實現(xiàn)PFC+隔離DC-DC變換兩種功能，且能量可雙向流動。本發(fā)明具有功率損耗小、變換效率高、開關(guān)損耗小、能實現(xiàn)能量雙向流動等優(yōu)點，尤其適用于V2G和電網(wǎng)-蓄電池儲能系統(tǒng)中。
【專利說明】單級雙向隔離AC-DC變換器
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及電力電子領(lǐng)域，特別涉及一種適用于V2G和電網(wǎng)一蓄電池儲能等系統(tǒng)中的AC-DC變換器。
【背景技術(shù)】
[0002]為了應(yīng)對資源短缺和環(huán)境污染對電力系統(tǒng)發(fā)展提出的嚴(yán)峻挑戰(zhàn)，智能電網(wǎng)技術(shù)得到了各國電力行業(yè)的廣泛關(guān)注。與此同時，電動汽車作為一種綠色交通工具已成為汽車工業(yè)發(fā)展的必然趨勢?？傮w來說，大規(guī)模電動汽車接入電網(wǎng)，一方面從負(fù)荷增長、系統(tǒng)穩(wěn)定性等方面給電力系統(tǒng)帶來了挑戰(zhàn)；另一方面，從電能消費占終端能源消費比重、提高電網(wǎng)設(shè)備利用率等方面給電力系統(tǒng)帶來了新的機(jī)遇。除具有負(fù)荷特性外，電動汽車可以作為分布式儲能裝置為電力系統(tǒng)提供服務(wù)，從而提聞發(fā)電效率，提聞電力傳輸?shù)目勺镄?，提聞可再生能源發(fā)電接入能力，這就是近年來得到廣泛關(guān)注的V2G(vehicle-to-grid)的概念。作為電動汽車與電網(wǎng)能量交互的接口，充放電機(jī)是實現(xiàn)移動儲能功能的基礎(chǔ)，其可靠性、安全性、經(jīng)濟(jì)性，以及效率、重量、體積、諧波等諸多因素都影響良好互動的實現(xiàn)。
[0003]單相隔離AC-DC變換器廣泛應(yīng)用于電動汽車/混合電動汽車充電和不間斷電源(uninterruptible power supply, UPS)等系統(tǒng)中，其中像V2G或者蓄電池儲能等這些應(yīng)用場合需要雙向功率流動，這時就需要雙向的單相隔離AC-DC變換器。
[0004]傳統(tǒng)的解決方法是一級Boost功率因數(shù)校正(power factor correction, PFC)電路級聯(lián)一級高頻隔離DC-DC變換器，比如雙半橋(dual half bridge, DHB)，雙有源橋(dualactive bridge,DAB)或直流諧振變換器。單相交流電源的功率需要被變換兩次才能到輸出端口，功率損耗較大，變換器的體積也較大，不利于變換器的高效率、高功率密度等性能的實現(xiàn)。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]為了克服現(xiàn)有技術(shù)中存在的上述問題，本發(fā)明提出了三種功率損耗小、開關(guān)損耗小、并能實現(xiàn)能量雙向流動的單級雙向隔離AC-DC變換器。
[0006]為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采取以下技術(shù)方案:
[0007]第一種單級雙向隔離AC-DC變換器，包括原邊單相交流電源Uin、副邊直流電源V。、第一工頻功率開關(guān)管Sml、第二工頻功率開關(guān)管Sm2、第一原邊功率開關(guān)管Spl、第二原邊功率開關(guān)管Sp2、第三原邊功率開關(guān)管Sp3、第四原邊功率開關(guān)管Sp4、第一副邊功率開關(guān)管Ssl、第二副邊功率開關(guān)管Ss2、第三副邊功率開關(guān)管Ss3、第四副邊功率開關(guān)管Ss4、第一 Boost電感Lbl、第二 Boost電感Lb2、母線電容Cbus、高頻兩繞組變壓器T、移相電感L和輸出電容C。；
[0008]其中，移相電感L包含高頻兩繞組變壓器T的漏感；第一工頻功率開關(guān)管Sml的源極與第二工頻功率開關(guān)管Sm2的漏極相連，組成一個原邊工頻橋臂；第一原邊功率開關(guān)管Spl的源極與第二原邊功率開關(guān)管Sp2的漏極相連，組成原邊超前高頻橋臂，橋臂中點為b點；第三原邊功率開關(guān)管Sp3的源極與第四原邊功率開關(guān)管Sp4的漏極相連，組成原邊滯后高頻橋臂，橋臂中點為a點；原邊工頻橋臂、原邊超前高頻橋臂、原邊滯后高頻橋臂和母線電容Cbus并聯(lián)連接；第一 Boost電感Lbl的一端連接到原邊滯后高頻橋臂的a點,第二 Boost電感Lb2的一端連接到原邊超前高頻橋臂的b點,第一 Boost電感Lbl的另一端與第二 Boost電感Lb2的另一端一起連接到原邊單相交流電源Uin的一端，原邊單相交流電源Uin的另一端連接到第一工頻開關(guān)管Sml的源極；移相電感k的一端連接到原邊滯后高頻橋臂的a點，另一端與高頻兩繞組變壓器T原邊繞組的同名端相連接；高頻兩繞組變壓器T原邊繞組的非同名端連接到原邊超前高頻橋臂的b點；
[0009]第一副邊功率開關(guān)管Ssl的源極與第二副邊功率開關(guān)管Ss2的漏極相連，組成副邊超前高頻橋臂，橋臂中點為c點；第三副邊功率開關(guān)管Sp3的源極與第四副邊功率開關(guān)管Sp4的漏極相連，組成副邊滯后高頻橋臂，橋臂中點為d點；
[0010]高頻兩繞組變壓器T副邊繞組的同名端連接到副邊滯后高頻橋臂的d點，高頻兩繞組變壓器T副邊繞組的非同名端連接到副邊超前高頻橋臂的C點；副邊超前高頻橋臂、副邊滯后高頻橋臂和輸出電容C。并聯(lián)連接；
[0011]第一副邊功率開關(guān)管Ssl的漏極、第三副邊功率開關(guān)管Ss3的漏極分別與副邊直流電源V。的正極相連；第二副邊功率開關(guān)管Ss2的源極、第四副邊功率開關(guān)管Ss4的源極分別與副邊直流電源V。的負(fù)極相連。
[0012]第二種單級雙向隔離AC-DC變換器，包括原邊單相交流電源Uin、副邊直流電源V。、第一工頻功率開關(guān)管Sml、第二工頻功率開關(guān)管Sm2、第一原邊功率開關(guān)管Spl、第二原邊功率開關(guān)管Sp2、第一副邊功率開關(guān)管Ssl、第二副邊功率開關(guān)管Ss2、第三副邊功率開關(guān)管Ss3、第四副邊功率開關(guān)管Ss4、Boost電感Lb、第一原邊母線電容Cbusl、第二原邊母線電容Cbus2、高頻兩繞組變壓器T、移相電感L和輸出電容C。；
[0013]其中，移相電感L包含高頻兩繞組變壓器T的漏感；第一工頻功率開關(guān)管Sml的源極與第二工頻功率開關(guān)管Sm2的漏極相連，組成一個原邊工頻橋臂；第一原邊功率開關(guān)管Spl的源極與第二原邊功率開關(guān)管Sp2的漏極相連，組成原邊超前高頻橋臂，橋臂中點為b點；第一原邊母線電容Cbusl的一端與第二原邊母線電容Cbus2的一端相連，組成原邊滯后高頻橋臂，橋臂中點為a點；第一原邊母線電容Cbusl的另一端與第一工頻功率開關(guān)管Sml的漏極、第一原邊功率開關(guān)管Spl的漏極連接在一起，第二原邊母線電容Cbus2的另一端與第二工頻功率開關(guān)管Sm2的源極、第二原邊功率開關(guān)管Sp2的源極連接在一起；
[0014]第一原邊母線電容Cbusl的另一端分別與第一工頻功率開關(guān)管Sml的漏極、第一原邊功率開關(guān)管Spl的漏極相連；第二原邊母線電容Cbus2的另一端分別與第二工頻功率開關(guān)管Sm2的源極、第二原邊功率開關(guān)管Sp2的源極相連；
[0015]原邊單相交流電源Uin的一端與第一工頻開關(guān)管Sml的源極相連，另一端與Boost電感Lb的一端相連；Boost電感Lb的另一端連接到原邊超前高頻橋臂的b點；移相電感Lr的一端連接到原邊滯后高頻橋臂的a點，另一端與高頻兩繞組變壓器T原邊繞組的同名端相連；高頻兩繞組變壓器T原邊繞組的非同名端連接到原邊超前高頻橋臂的b點；
[0016]第一副邊功率開關(guān)管Ssl的源極與第二副邊功率開關(guān)管Ss2的漏極相連，組成副邊超前高頻橋臂，橋臂中點為c點；第三副邊功率開關(guān)管Sp3的源極與第四副邊功率開關(guān)管Sp4的漏極相連，組成副邊滯后高頻橋臂，橋臂中點為d點；高頻兩繞組變壓器T副邊繞組的同名端連接到副邊滯后高頻橋臂的d點，高頻兩繞組變壓器T副邊繞組的非同名端連接到副邊超如聞頻橋臂的c點；副邊超如聞頻橋臂、副邊滯后聞頻橋臂和輸出電容C。并聯(lián)連接；
[0017]第一副邊功率開關(guān)管Ssl的漏極、第三副邊功率開關(guān)管Ss3的漏極分別與副邊直流電源V。的正極相連；第二副邊功率開關(guān)管Ss2的源極、第四副邊功率開關(guān)管Ss4的源極分別與副邊直流電源V。的負(fù)極相連。
[0018]第三種單級雙向隔離AC-DC變換器，包括原邊單相交流電源Uin、副邊直流電源V。、第一工頻功率開關(guān)管Sml、第二工頻功率開關(guān)管Sm2、第一原邊功率開關(guān)管Spl、第二原邊功率開關(guān)管Sp2、第三原邊功率開關(guān)管Sp3、第四原邊功率開關(guān)管Sp4、第五原邊功率開關(guān)管Sp5、第六原邊功率開關(guān)管Sp6、第一副邊功率開關(guān)管Ssl、第二副邊功率開關(guān)管Ss2、第三副邊功率開關(guān)管Ss3、第四副邊功率開關(guān)管Ss4、第五副邊功率開關(guān)管Ss5、第六副邊功率開關(guān)管Ss6、第一Boost電感Lba、第二 Boost電感Lbb、第三Boost電感Lb。、母線電容Cbus、高頻三相變壓器T、a相移相電感Lpa、b相移相電感Lpb、c相移相電感Lp。、輸出電容C。；
[0019]其中，a相移相電感Lpa、b相移相電感Lpb、c相移相電感Lpe包含高頻三相變壓器T的漏感；第一工頻功率開關(guān)管Sml的源極與第二工頻功率開關(guān)管Sm2的漏極相連，組成一個原邊工頻橋臂；第一原邊功率開關(guān)管Spl的源極與第二原邊功率開關(guān)管Sp2的漏極相連，組成原邊C相橋臂；第三原邊功率開關(guān)管Sp3的源極與第四原邊功率開關(guān)管Sp4的漏極相連，組成原邊b相橋臂；第五原邊功率開關(guān)管Sp5的源極與第六原邊功率開關(guān)管Sp6的漏極相連，組成原邊a相橋臂；原邊工頻橋臂、原邊a相橋臂、原邊b相橋臂、原邊c相橋臂和母線電容Cbus并聯(lián)連接；
[0020]第一 Boost電感Lba的一端與a相移相電感Lpa的一端連接，再共同連接到原邊a相橋臂的第五原邊功率開關(guān)管Sp5的源極，a相移相電感Lpa的另一端連接到高頻三相變壓器T的a相同名端；第二 Boost電感Lbb的一端與b相移相電感Lpb的一端連接，再共同連接到原邊b相橋臂的第三原邊功率開關(guān)管Sp3的源極，b相移相電感Lpb的另一端連接到高頻三相變壓器T的b相同名端；第三Boost電感Lbe的一端與c相移相電感Lpe的一端連接，再共同連接到原邊c相橋臂的第一原邊功率開關(guān)管Spl的源極，c相移相電感Lp。的另一端連接到高頻三相變壓器T的c相同名端；高頻三相變壓器T的a、b、c三相的非同名端連接在一起；第一 Boost電感Lba、第二 Boost電感Lbb和第三Boost電感Lbe的另一端一起連接到原邊單相交流電源Uin的一端，原邊單相交流電源Uin的另一端分別連接到第一工頻開關(guān)管Sml的源極和第二工頻開關(guān)管Sm2的漏極；
[0021]第一副邊功率開關(guān)管Ssl的源極與第二副邊功率開關(guān)管Ss2的漏極相連，組成副邊w相橋臂；第三副邊功率開關(guān)管Ss3的源極與第四副功率開關(guān)管Ss4的漏極相連，組成副邊V相橋臂；第五副邊功率開關(guān)管Ss5的源極與第六副邊功率開關(guān)管Ss6的漏極相連，組成副邊u相橋臂；第一副邊功率開關(guān)管Ssl的漏極、第三副邊功率開關(guān)管Ss3的漏極、第五副邊功率開關(guān)管Ss5的漏極、輸出電容C。的一端都與副邊直流電源V。的正極相連，第二副邊功率開關(guān)管Ss2的漏極、第四副邊功率開關(guān)管Ss4的漏極、第六副邊功率開關(guān)管Ss6的漏極、輸出電容C。的另一端都與副邊直流電源V。的負(fù)極相連；
[0022]第五副邊功率開關(guān)管Ss5的源極連接到高頻三相變壓器T的u相同名端；第三副邊功率開關(guān)管Ss3的源極連接到高頻三相變壓器T的V相同名端；第一副邊功率開關(guān)管Ssl的源極連接到高頻三相變壓器T的w相同名端；高頻三相變壓器T的u相、V相和w相的非同名端連接在一起。[0023]上述三種單級雙向隔離AC-DC變換器中，所提及的母線電容Cbus、母線電容Cbusl、母線電容Cbus2均可換成直流電源，構(gòu)成三端口變換器。
[0024]與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有如下優(yōu)點:
[0025]I JfBoost PFC與雙向隔離DC-DC變換器通過半橋或全橋或三相半橋集成在一起，構(gòu)成一個單級的帶PFC的雙向隔離AC-DC變換器，單級功率變換，功率損耗??；
[0026]2、能實現(xiàn)功率器件的共享，功率變換級數(shù)少，減小變換器所用器件的數(shù)量，系統(tǒng)裝置體積小，節(jié)省系統(tǒng)成本；
[0027]3、功率開關(guān)管可以實現(xiàn)ZVS軟開關(guān)，開關(guān)損耗小，顯著提高系統(tǒng)的變換效率和功率密度；
[0028]4、能實現(xiàn)能量的雙向流動，既可以用作AC-DC變換器，又可以用作DC-AC逆變器，便于集中控制，可靠性高。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0029]圖1是本發(fā)明第一種單級雙向隔離AC-DC變換器的電路原理圖；
[0030]圖2是本發(fā)明第二種單級雙向隔離AC-DC變換器的電路原理圖；
[0031]圖3是本發(fā)明第三種單級雙向隔離AC-DC變換器的電路原理圖；
[0032]圖4是本發(fā)明第一種單級雙向隔離AC-DC變換器的主要工作波形；
[0033]圖5是本發(fā)明第一種單級雙向隔離AC-DC變換器的各階段等效電路圖；
[0034]圖中符號含義:uinS原邊單相交流電源、Sml為第一工頻功率開關(guān)管、Sm2為第二工頻功率開關(guān)管、Spl為第一原邊功率開關(guān)管、Sp2為第二原邊功率開關(guān)管、Sp3為第三原邊功率開關(guān)管、Sp4為第四原邊功率開關(guān)管、Sp5為第五原邊功率開關(guān)管、Sp6為第六原邊功率開關(guān)管、Ssl為第一副邊功率開關(guān)管、Ss2為第二副邊功率開關(guān)管、Ss3為第三副邊功率開關(guān)管、Ss4為第四副邊功率開關(guān)管、Ss5為第五副邊功率開關(guān)管、Ss6為第六副邊功率開關(guān)管、Lbl為第一Boost電感、Lb2為第二 Boost電感、Lb3為第三Boost電感、Cbus為母線電容、Cbusl為第一原邊母線電容、Cbus2為第二原邊母線電容、L為移相電感、C。為輸出電容、V。為副邊直流電源、Lpa為a相移相電感、Lpb為b相移相電感、Lpc為c相移相電感。
【具體實施方式】
[0035]下面結(jié)合附圖對本發(fā)明作進(jìn)一步說明。
[0036]針對V2G和電網(wǎng)一蓄電池儲能系統(tǒng)，本發(fā)明公開了三種單級雙向隔離AC-DC變換器。所述三種變換器的結(jié)構(gòu)均由單相交流源、直流源、Boost電感、移相電感、母線電容、變壓器、原副邊功率開關(guān)管等組成。通過在橋臂中點連接Boost電感,可以實現(xiàn)雙向Boost PFC變換器與橋式雙向變換器的集成，單級功率變換即可實現(xiàn)PFC+隔離DC-DC變換兩種功能，且能量可雙向流動。不僅共用了原邊的功率開關(guān)管，而且所有功率開關(guān)管都可以實現(xiàn)ZVS軟開關(guān)，變換效率高。
[0037]如附圖1所示，所述的第一種單級雙向隔離AC-DC變換器，包括原邊單相交流電源
Uin、副邊直流電源V。、第一工頻功率開關(guān)管Sml、第二工頻功率開關(guān)管Sm2、第一原邊功率開關(guān)管Spl、第二原邊功率開關(guān)管Sp2、第三原邊功率開關(guān)管Sp3、第四原邊功率開關(guān)管Sp4、第一副邊功率開關(guān)管Ssl、第二副邊功率開關(guān)管Ss2、第三副邊功率開關(guān)管Ss3、第四副邊功率開關(guān)管Ss4、第一 Boost電感Lbl、第二 Boost電感Lb2、母線電容Cbus、高頻兩繞組變壓器T、移相電感Lr和輸出電容C。；
[0038]其中，移相電感L包含高頻兩繞組變壓器T的漏感；第一工頻功率開關(guān)管Sml的源極與第二工頻功率開關(guān)管Sm2的漏極相連，組成一個原邊工頻橋臂；第一原邊功率開關(guān)管Spl的源極與第二原邊功率開關(guān)管Sp2的漏極相連，組成原邊超前高頻橋臂，橋臂中點為b點；第三原邊功率開關(guān)管Sp3的源極與第四原邊功率開關(guān)管Sp4的漏極相連，組成原邊滯后高頻橋臂，橋臂中點為a點；原邊工頻橋臂、原邊超前高頻橋臂、原邊滯后高頻橋臂和母線電容Cbus并聯(lián)連接；第一 Boost電感Lbl的一端連接到原邊滯后高頻橋臂的a點,第二 Boost電感Lb2的一端連接到原邊超前高頻橋臂的b點,第一 Boost電感Lbl的另一端與第二 Boost電感Lb2的另一端一起連接到原邊單相交流電源Uin的一端，原邊單相交流電源Uin的另一端連接到第一工頻開關(guān)管Sml的源極；移相電感k的一端連接到原邊滯后高頻橋臂的a點，另一端與高頻兩繞組變壓器T原邊繞組的同名端相連接；高頻兩繞組變壓器T原邊繞組的非同名端連接到原邊超前高頻橋臂的b點；
[0039]第一副邊功率開關(guān)管Ssl的源極與第二副邊功率開關(guān)管Ss2的漏極相連，組成副邊超前高頻橋臂，橋臂中點為c點；第三副邊功率開關(guān)管Sp3的源極與第四副邊功率開關(guān)管Sp4的漏極相連，組成副邊滯后高頻橋臂，橋臂中點為d點；
[0040]高頻兩繞組變壓器T副邊繞組的同名端連接到副邊滯后高頻橋臂的d點，高頻兩繞組變壓器T副邊繞組的非同名端連接到副邊超前高頻橋臂的c點；副邊超前高頻橋臂、副邊滯后高頻橋臂和輸出電容C。并聯(lián)連接；
[0041]第一副邊功率開關(guān)管Ssl的漏極、第三副邊功率開關(guān)管Ss3的漏極分別與副邊直流電源V。的正極相連；第二副邊功率開關(guān)管Ss2的源極、第四副邊功率開關(guān)管Ss4的源極分別與副邊直流電源V。的負(fù)極相連。
[0042]如附圖2所示，所述的第二種單級雙向隔離AC-DC變換器，包括原邊單相交流電源Uin、副邊直流電源V。、第一工頻功率開關(guān)管Sml、第二工頻功率開關(guān)管Sm2、第一原邊功率開關(guān)管Spl、第二原邊功率開關(guān)管Sp2、第一副邊功率開關(guān)管Ssl、第二副邊功率開關(guān)管Ss2、第三副邊功率開關(guān)管Ss3、第四副邊功率開關(guān)管Ss4、Boost電感Lb、第一原邊母線電容Cbusl、第二原邊母線電容Cbus2、高頻兩繞組變壓器T、移相電感L和輸出電容C。；
[0043]其中，移相電感L包含高頻兩繞組變壓器T的漏感；第一工頻功率開關(guān)管Sml的源極與第二工頻功率開關(guān)管Sm2的漏極相連，組成一個原邊工頻橋臂；第一原邊功率開關(guān)管Spl的源極與第二原邊功率開關(guān)管Sp2的漏極相連，組成原邊超前高頻橋臂，橋臂中點為b點；第一原邊母線電容Cbusl的一端與第二原邊母線電容Cbus2的一端相連，組成原邊滯后高頻橋臂，橋臂中點為a點；第一原邊母線電容Cbusl的另一端與第一工頻功率開關(guān)管Sml的漏極、第一原邊功率開關(guān)管Spl的漏極連接在一起，第二原邊母線電容Cbus2的另一端與第二工頻功率開關(guān)管Sm2的源極、第二原邊功率開關(guān)管Sp2的源極連接在一起；
[0044]第一原邊母線電容Cbusl的另一端分別與第一工頻功率開關(guān)管Sml的漏極、第一原邊功率開關(guān)管Spl的漏極相連；第二原邊母線電容Cbus2的另一端分別與第二工頻功率開關(guān)管Sm2的源極、第二原邊功率開關(guān)管Sp2的源極相連；
[0045]原邊單相交流電源Uin的一端與第一工頻開關(guān)管Sml的源極相連，另一端與Boost電感Lb的一端相連；Boost電感Lb的另一端連接到原邊超前高頻橋臂的b點；移相電感Lr的一端連接到原邊滯后高頻橋臂的a點，另一端與高頻兩繞組變壓器T原邊繞組的同名端相連；高頻兩繞組變壓器T原邊繞組的非同名端連接到原邊超前高頻橋臂的b點；
[0046]第一副邊功率開關(guān)管Ssl的源極與第二副邊功率開關(guān)管Ss2的漏極相連，組成副邊超前高頻橋臂，橋臂中點為c點；第三副邊功率開關(guān)管Sp3的源極與第四副邊功率開關(guān)管Sp4的漏極相連，組成副邊滯后高頻橋臂，橋臂中點為d點；高頻兩繞組變壓器T副邊繞組的同名端連接到副邊滯后高頻橋臂的d點，高頻兩繞組變壓器T副邊繞組的非同名端連接到副邊超如聞頻橋臂的c點；副邊超如聞頻橋臂、副邊滯后聞頻橋臂和輸出電容C。并聯(lián)連接；
[0047]第一副邊功率開關(guān)管Ssl的漏極、第三副邊功率開關(guān)管Ss3的漏極分別與副邊直流電源V。的正極相連；第二副邊功率開關(guān)管Ss2的源極、第四副邊功率開關(guān)管Ss4的源極分別與副邊直流電源V。的負(fù)極相連。
[0048]如附圖3所示，所述的第三種單級雙向隔離AC-DC變換器，包括原邊單相交流電源Uin、副邊直流電源V。、第一工頻功率開關(guān)管Sml、第二工頻功率開關(guān)管Sm2、第一原邊功率開關(guān)管Spl、第二原邊功率開關(guān)管Sp2、第三原邊功率開關(guān)管Sp3、第四原邊功率開關(guān)管Sp4、第五原邊功率開關(guān)管Sp5、第六原邊功率開關(guān)管Sp6、第一副邊功率開關(guān)管Ssl、第二副邊功率開關(guān)管Ss2、第三副邊功率開關(guān)管Ss3、第四副邊功率開關(guān)管Ss4、第五副邊功率開關(guān)管Ss5、第六副邊功率開關(guān)管Ss6、第一 Boost電感Lba、第二 Boost電感Lbb、第三Boost電感Lb。、母線電容Cbus、高頻三相變壓器T、a相移相電感Lpa、b相移相電感Lpb、c相移相電感Lp。、輸出電容C。；
[0049]其中，a相移相電感Lpa、b相移相電感Lpb、c相移相電感Lpe包含高頻三相變壓器T的漏感；第一工頻功率開關(guān)管Sml的源極與第二工頻功率開關(guān)管Sm2的漏極相連，組成一個原邊工頻橋臂；第一原邊功率開關(guān)管Spl的源極與第二原邊功率開關(guān)管Sp2的漏極相連，組成原邊C相橋臂；第三原邊功率開關(guān)管Sp3的源極與第四原邊功率開關(guān)管Sp4的漏極相連，組成原邊b相橋臂；第五原邊功率開關(guān)管Sp5的源極與第六原邊功率開關(guān)管Sp6的漏極相連，組成原邊a相橋臂；原邊工頻橋臂、原邊a相橋臂、原邊b相橋臂、原邊c相橋臂和母線電容Cbus并聯(lián)連接；
[0050]第一 Boost電感Lba的一端與a相移相電感Lpa的一端連接,再共同連接到原邊a相橋臂的第五原邊功率開關(guān)管Sp5的源極，a相移相電感Lpa的另一端連接到高頻三相變壓器T的a相同名端；第二 Boost電感Lbb的一端與b相移相電感Lpb的一端連接，再共同連接到原邊b相橋臂的第三原邊功率開關(guān)管Sp3的源極，b相移相電感Lpb的另一端連接到高頻三相變壓器T的b相同名端；第三Boost電感Lbe的一端與c相移相電感Lpe的一端連接，再共同連接到原邊c相橋臂的第一原邊功率開關(guān)管Spl的源極，c相移相電感Lp。的另一端連接到高頻三相變壓器T的c相同名端；高頻三相變壓器T的a、b、c三相的非同名端連接在一起；第一 Boost電感Lba、第二 Boost電感Lbb和第三Boost電感Lbe的另一端一起連接到原邊單相交流電源Uin的一端，原邊單相交流電源Uin的另一端分別連接到第一工頻開關(guān)管Sml的源極和第二工頻開關(guān)管Sm2的漏極；
[0051]第一副邊功率開關(guān)管Ssl的源極與第二副邊功率開關(guān)管Ss2的漏極相連，組成副邊w相橋臂；第三副邊功率開關(guān)管Ss3的源極與第四副功率開關(guān)管Ss4的漏極相連，組成副邊V相橋臂；第五副邊功率開關(guān)管Ss5的源極與第六副邊功率開關(guān)管Ss6的漏極相連，組成副邊u相橋臂；第一副邊功率開關(guān)管Ssl的漏極、第三副邊功率開關(guān)管Ss3的漏極、第五副邊功率開關(guān)管Ss5的漏極、輸出電容C。的一端都與副邊直流電源V。的正極相連，第二副邊功率開關(guān)管Ss2的漏極、第四副邊功率開關(guān)管Ss4的漏極、第六副邊功率開關(guān)管Ss6的漏極、輸出電容C。的另一端都與副邊直流電源V。的負(fù)極相連；
[0052]第五副邊功率開關(guān)管Ss5的源極連接到高頻三相變壓器T的u相同名端；第三副邊功率開關(guān)管Ss3的源極連接到高頻三相變壓器T的V相同名端；第一副邊功率開關(guān)管Ssl的源極連接到高頻三相變壓器T的w相同名端；高頻三相變壓器T的u相、V相和w相的非同名端連接在一起。
[0053]下面結(jié)合圖4和圖5對本發(fā)明第一種單級雙向隔離AC-DC變換器的具體工作過程進(jìn)行分析。
[0054]圖4(a)為本發(fā)明第一種單級雙向隔離AC-DC變換器在1.5個工頻周期(30ms)內(nèi)的主要工作波形，圖4(b)為圖4(a)的局部開關(guān)周期放大圖。在工頻正半周期，交流電壓源Uin為正，第一工頻開關(guān)管Sml始終關(guān)斷，第二工頻開關(guān)管Sm2始終導(dǎo)通。在工頻負(fù)半周期，交流電壓源Uin為負(fù)，第一工頻開關(guān)管Sml始終導(dǎo)通，第二工頻開關(guān)管Sml始終關(guān)斷。電感電流
和L2為臨界導(dǎo)通模式，二者交錯并聯(lián)，二者電流之和為交流電壓源的輸出電流，控制電感電流的開關(guān)周期平均值追蹤交流電壓源實時電壓即可實現(xiàn)PFC。原副邊兩個全橋，連同變壓器和移相電感，為一個傳統(tǒng)的DAB雙向隔離DC-DC變換器，通過對原副邊移相角和占空比的控制，可以對輸出電壓進(jìn)行控制，同時可以實現(xiàn)所有高頻功率開關(guān)管(Spl?Sp4、Ssl?Ss4)的ZVS軟開關(guān)。工頻開關(guān)管(Sml、Sm2)的切換頻率為50Hz工頻，且在其開關(guān)動作處，電壓電流均近似等于0，其為ZVZCS軟開關(guān)。所以變換器的整體開關(guān)損耗很小，易于變換器的高頻化和高功率密度實現(xiàn)。
[0055]由于工頻周期遠(yuǎn)大于開關(guān)周期，所以在一個開關(guān)周期Ts內(nèi)，可以近似認(rèn)為母線電壓Vbus保持恒定，即兩個橋臂中點電壓Uab的幅值為恒值。在一個開關(guān)周期內(nèi)，變換器共有6中開關(guān)模態(tài)，如圖5所不。
[0056](I)模態(tài) I (t0 ?ti)
[0057]在h之前，開關(guān)管Spl、Sp4和Ss2均已經(jīng)導(dǎo)通。h時刻，開關(guān)管Ss4導(dǎo)通，此時副邊兩橋臂中點電壓Ucd變?yōu)?，而原邊兩橋臂中點電壓Uab為-Vbus，此階段移相電感電流k線性下降，第一電感電流L1線性上升，第二電感電流‘線性下降。
[0058](2)模態(tài) IUt1 ?t2)
[0059]&時刻，開關(guān)管Ssl導(dǎo)通，移相電感電流&為負(fù)，開關(guān)管Ssl可以實現(xiàn)ZVS開通。此階段，副邊兩橋臂中點電壓變?yōu)?nV。，原邊兩橋臂中點電壓Uab仍為-Vbus,此階段移相電感電流L線性上升，第一電感電流Ilm仍然線性上升，第二電感電流L2仍然線性下降。
[0060](3)模態(tài) III(t2 ?t3)
[0061]t2時刻，開關(guān)管Sp2、Sp3導(dǎo)通，由于此時第二電感電流‘ =0，而移相電感電流U〈0，所以開關(guān)管Sp2、Sp3可以實現(xiàn)ZVS開通。此階段，副邊兩橋臂中點電壓Uc;d仍為_nV。，而原邊兩橋臂中點電壓Uab變?yōu)榱?Vbus,此階段移相電感電流&線性上升，第一電感電流開始線性下降，第二電感電流開始線性上升。
[0062]t0?t3為變換器的半個開關(guān)工作周期，由于電路及控制的對稱性，對于剩下的半個周期t3?t6，其工作原理相同，此處不再贅述。
【權(quán)利要求】
1.一種單級雙向隔離AC-DC變換器，其特征在于:所述AC-DC變換器包括原邊單相交流電源Uin、副邊直流電源V。、第一工頻功率開關(guān)管Sml、第二工頻功率開關(guān)管Sm2、第一原邊功率開關(guān)管Spl、第二原邊功率開關(guān)管Sp2、第三原邊功率開關(guān)管Sp3、第四原邊功率開關(guān)管sp4、第一副邊功率開關(guān)管Ssl、第二副邊功率開關(guān)管Ss2、第三副邊功率開關(guān)管Ss3、第四副邊功率開關(guān)管Ss4、第一 Boost電感Lbl、第二 Boost電感Lb2、母線電容Cbus、高頻兩繞組變壓器T、移相電感L和輸出電容C。； 其中，移相電感k包含高頻兩繞組變壓器T的漏感；第一工頻功率開關(guān)管Sml的源極與第二工頻功率開關(guān)管Sm2的漏極相連，組成一個原邊工頻橋臂；第一原邊功率開關(guān)管Spl的源極與第二原邊功率開關(guān)管Sp2的漏極相連，組成原邊超前高頻橋臂，橋臂中點為b點；第三原邊功率開關(guān)管Sp3的源極與第四原邊功率開關(guān)管Sp4的漏極相連，組成原邊滯后高頻橋臂，橋臂中點為a點；原邊工頻橋臂、原邊超前高頻橋臂、原邊滯后高頻橋臂和母線電容Cbus并聯(lián)連接；第一 Boost電感Lbl的一端連接到原邊滯后高頻橋臂的a點,第二 Boost電感Lb2的一端連接到原邊超前高頻橋臂的b點,第一 Boost電感Lbl的另一端與第二 Boost電感Lb2的另一端一起連接到原邊單相交流電源Uin的一端，原邊單相交流電源Uin的另一端連接到第一工頻開關(guān)管Sml的源極；移相電感k的一端連接到原邊滯后高頻橋臂的a點，另一端與高頻兩繞組變壓器T原邊繞組的同名端相連接；高頻兩繞組變壓器T原邊繞組的非同名端連接到原邊超前高頻橋臂的b點； 第一副邊功率開關(guān)管Ssl的源極與第二副邊功率開關(guān)管Ss2的漏極相連，組成副邊超前高頻橋臂，橋臂中點為c點；第三副邊功率開關(guān)管Sp3的源極與第四副邊功率開關(guān)管Sp4的漏極相連，組成副邊滯后高頻橋臂，橋臂中點為d點； 高頻兩繞組變壓器T 副邊繞組的同名端連接到副邊滯后高頻橋臂的d點，高頻兩繞組變壓器T副邊繞組的非同名端連接到副邊超前高頻橋臂的c點；副邊超前高頻橋臂、副邊滯后高頻橋臂和輸出電容C。并聯(lián)連接； 第一副邊功率開關(guān)管Ssl的漏極、第三副邊功率開關(guān)管Ss3的漏極分別與副邊直流電源V0的正極相連；第二副邊功率開關(guān)管Ss2的源極、第四副邊功率開關(guān)管Ss4的源極分別與副邊直流電源V。的負(fù)極相連。
2.一種單級雙向隔離AC-DC變換器，其特征在于:所述AC-DC變換器包括原邊單相交流電源Uin、副邊直流電源V。、第一工頻功率開關(guān)管Sml、第二工頻功率開關(guān)管Sm2、第一原邊功率開關(guān)管Spl、第二原邊功率開關(guān)管Sp2、第一副邊功率開關(guān)管Ssl、第二副邊功率開關(guān)管Ss2、第三副邊功率開關(guān)管Ss3、第四副邊功率開關(guān)管Ss4、Boost電感Lb、第一原邊母線電容Cbusl、第二原邊母線電容Cbus2、高頻兩繞組變壓器T、移相電感L和輸出電容C。； 其中，移相電感k包含高頻兩繞組變壓器T的漏感；第一工頻功率開關(guān)管Sml的源極與第二工頻功率開關(guān)管Sm2的漏極相連，組成一個原邊工頻橋臂；第一原邊功率開關(guān)管Spl的源極與第二原邊功率開關(guān)管Sp2的漏極相連，組成原邊超前高頻橋臂，橋臂中點為b點；第一原邊母線電容Cbusl的一端與第二原邊母線電容Cbus2的一端相連，組成原邊滯后高頻橋臂，橋臂中點為a點；第一原邊母線電容Cbusl的另一端與第一工頻功率開關(guān)管Sml的漏極、第一原邊功率開關(guān)管Spl的漏極連接在一起，第二原邊母線電容Cbus2的另一端與第二工頻功率開關(guān)管Sm2的源極、第二原邊功率開關(guān)管Sp2的源極連接在一起； 第一原邊母線電容Cbusl的另一端分別與第一工頻功率開關(guān)管Sml的漏極、第一原邊功率開關(guān)管Spl的漏極相連；第二原邊母線電容Cbus2的另一端分別與第二工頻功率開關(guān)管Sm2的源極、第二原邊功率開關(guān)管Sp2的源極相連； 原邊單相交流電源Uin的一端與第一工頻開關(guān)管Sml的源極相連，另一端與Boost電感Lb的一端相連；Boost電感Lb的另一端連接到原邊超前高頻橋臂的b點；移相電感L的一端連接到原邊滯后高頻橋臂的a點，另一端與高頻兩繞組變壓器T原邊繞組的同名端相連；高頻兩繞組變壓器T原邊繞組的非同名端連接到原邊超前高頻橋臂的b點； 第一副邊功率開關(guān)管Ssl的源極與第二副邊功率開關(guān)管Ss2的漏極相連，組成副邊超前高頻橋臂，橋臂中點為c點；第三副邊功率開關(guān)管Sp3的源極與第四副邊功率開關(guān)管Sp4的漏極相連，組成副邊滯后高頻橋臂，橋臂中點為d點；高頻兩繞組變壓器T副邊繞組的同名端連接到副邊滯后高頻橋臂的d點，高頻兩繞組變壓器T副邊繞組的非同名端連接到副邊超iu聞頻橋臂的c點；副邊超如聞頻橋臂、副邊滯后聞頻橋臂和輸出電容C。并聯(lián)連接；第一副邊功率開關(guān)管Ssl的漏極、第三副邊功率開關(guān)管Ss3的漏極分別與副邊直流電源V0的正極相連；第二副邊功率開關(guān)管Ss2的源極、第四副邊功率開關(guān)管Ss4的源極分別與副邊直流電源V。的負(fù)極相連。
3.一種單級雙向隔離AC-DC變換器，其特征在于:所述AC-DC變換器包括原邊單相交流電源Uin、副邊直流電源V。、第一工頻功率開關(guān)管Sml、第二工頻功率開關(guān)管Sm2、第一原邊功率開關(guān)管Spl、第二原邊功率開關(guān)管Sp2、第三原邊功率開關(guān)管Sp3、第四原邊功率開關(guān)管sp4、第五原邊功率開關(guān)管Sp5、第六原邊功率開關(guān)管Sp6、第一副邊功率開關(guān)管Ssl、第二副邊功率開關(guān)管Ss2、第三副邊功率開關(guān)管Ss3、第四副邊功率開關(guān)管Ss4、第五副邊功率開關(guān)管Ss5、第六副邊功率開關(guān)管Ss6、第一 Boost電感Lba、第二 Boost電感Lbb、第三Boost電感Lb。、母線電容Cbus、高頻三相變壓器T、a相移相電感Lpa、b相移相電感Lpb、c相移相電感Lp。、輸出電容C。; 其中，a相移相電感Lpa、b相移相電感Lpb、c相移相電感Lp。包含高頻三相變壓器T的漏感；第一工頻功率開關(guān)管Sml的源極與第二工頻功率開關(guān)管Sm2的漏極相連，組成一個原邊工頻橋臂；第一原邊功率開關(guān)管Spl的源極與第二原邊功率開關(guān)管Sp2的漏極相連，組成原邊c相橋臂；第三原邊功率開關(guān)管Sp3的源極與第四原邊功率開關(guān)管Sp4的漏極相連，組成原邊b相橋臂；第五原邊功率開關(guān)管Sp5的源極與第六原邊功率開關(guān)管Sp6的漏極相連，組成原邊a相橋臂；原邊工頻橋臂、原邊a相橋臂、原邊b相橋臂、原邊c相橋臂和母線電容Cbus并聯(lián)連接； 第一 Boost電感Lba的一端與a相移相電感Lpa的一端連接,再共同連接到原邊a相橋臂的第五原邊功率開關(guān)管Sp5的源極，a相移相電感Lpa的另一端連接到高頻三相變壓器T的a相同名端；第二 Boost電感Lbb的一端與b相移相電感Lpb的一端連接，再共同連接到原邊b相橋臂的第三原邊功率開關(guān)管Sp3的源極，b相移相電感Lpb的另一端連接到高頻三相變壓器T的b相同名端；第三Boost電感Lb。的一端與c相移相電感Lp。的一端連接，再共同連接到原邊c相橋臂的第一原邊功率開關(guān)管Spl的源極，c相移相電感Lp。的另一端連接到高頻三相變壓器T的c相同名端；高頻三相變壓器T的a、b、c三相的非同名端連接在一起；第一 Boost電感Lba、第二 Boost電感Lbb和第三Boost電感Lbe的另一端一起連接到原邊單相交流電源Uin的一端，原邊單相交流電源Uin的另一端分別連接到第一工頻開關(guān)管Sffll的源極和第二工頻開關(guān)管Sm2的漏極；第一副邊功率開關(guān)管Ssl的源極與第二副邊功率開關(guān)管Ss2的漏極相連，組成副邊W相橋臂；第三副邊功率開關(guān)管Ss3的源極與第四副功率開關(guān)管Ss4的漏極相連，組成副邊V相橋臂；第五副邊功率開關(guān)管Ss5的源極與第六副邊功率開關(guān)管Ss6的漏極相連，組成副邊u相橋臂；第一副邊功率開關(guān)管Ssl的漏極、第三副邊功率開關(guān)管Ss3的漏極、第五副邊功率開關(guān)管Ss5的漏極、輸出電容C。的一端都與副邊直流電源V。的正極相連，第二副邊功率開關(guān)管Ss2的漏極、第四副邊功率開關(guān)管Ss4的漏極、第六副邊功率開關(guān)管Ss6的漏極、輸出電容C。的另一端都與副邊直流電源V。的負(fù)極相連； 第五副邊功率開關(guān)管Ss5的源極連接到高頻三相變壓器T的u相同名端；第三副邊功率開關(guān)管Ss3的源極連接到高頻三相變壓器T的V相同名端；第一副邊功率開關(guān)管Ssl的源極連接到高頻三相變壓器T的W相同名端；高頻三相變壓器T的u相、V相和W相的非同名端連接在一起。
4.根據(jù)權(quán)利要求1、2、3所述的單級雙向隔離AC-DC變換器，其特征在于:所述的母線電容Cbus兩端并聯(lián)直流電源，構(gòu)成三端口變換器。
【文檔編號】H02M7/797GK104022675SQ201410234302
【公開日】2014年9月3日 申請日期:2014年5月29日 優(yōu)先權(quán)日:2014年5月29日
【發(fā)明者】孫孝峰, 申彥峰, 李昕 申請人:燕山大學(xué)