CN103929065A - 基于三绕组变压器的双向隔离dc/dc变换器 - Google Patents

Abstract

一种基于三绕组变压器的双向隔离DC/DC变换器，由一个有源全桥单元、两个并联的对称半桥单元和一个三绕组高频变压器串联移相电感网络单元组成。有源全桥和半桥单元实现整流或逆变，高频变压器实现隔离和变压，移相电感网络实现能量的传输同时改善变换器的软开关特性。前级全桥与后级两个并联的对称半桥之间进行移相，可以控制能量的双向流动；通过前级全桥桥臂之间的移相和后级两个桥臂之间的移相，可以显著改善变换器软开关特性，使得所有功率开关管在宽输入电压范围下都能实现全程软开关。后级双对称半桥并联连接可以降低后级的电流RMS值。本发明具有导通损耗小、转换效率高、能量双向流动、电气隔离及宽输入电压范围全程软开关等特点。

Description

基于三绕组变压器的双向隔离DC/DC变换器

技术领域

本发明涉及一种电力电子变换器领域，尤其涉及一种双向隔离DC/DC变换器。

背景技术

随着新能源发电、微电网及电动/混合动力汽车的快速发展，双向DC/DC变换器应用得越来越广泛。双向DC/DC变换器可作为两个不同电压等级电气系统之间的联系桥梁，同时还可以实现两者之间双向流动的能量管理。

在现代功率变换技术中，电力电子变换器的高效率、高功率密度特性越来越重要。为了提高变换器的体积，简单直接的方法就是通过提高变换器的工作频率来减小无源器件的体积。然而，随着工作频率的提高，变换器的开关损耗也会变得更大，系统的效率将会受到很大的影响，同时系统的EMI特性也会变得很差。因此，为了同时实现系统的高效率和高功率密度，保证变换器软开关运行变得非常重要。特别对于接入新能源和储能系统的双向DC/DC变换器，其输入电压波动范围比较宽，同时其工作的负载范围比较宽，有些场合负载范围甚至是从空载到满载。因此，为了保证系统的效率与功率密度，能实现宽输入电压范围下全程ZVS软开关的双向DC/DC变换器变得越来越重要。

在现有的双向DC/DC变换器中，最具有代表性的是双有源桥双向DC/DC变换器（Dual Active Bridge，DAB），它具有许多优点，包括可控的双向能量流动、易实现ZVS、较低的元件电压电流应力和高功率密度等。双有源桥双向DC/DC变换器在混合动力汽车和电动汽车、直流电源和分布式发电系统、不间断电源、能量存储系统和直流源系统之间的双向能量管理等许多场合都得到了广泛的应用。然而，在宽电压输入范围下，传统的双有源桥DC/DC变换器软开关范围会显著缩小，特别是变换器工作在轻载或者空载的时候，系统很难实现ZVS软开关。事实上，变换器在实际运行中，为了实现ZVS软开关，必须有一个最小的ZVS电感电流，当考虑这个最小ZVS电流时，传统的DAB变换器在宽输入电压范围或者轻载时的软开关范围会更小。为了扩大宽输入电压范围下的ZVS软开关范围，一些学者降低变压器的励磁电感值或者并联一个换流电感，通过增加无功电流来改善变换器轻载的ZVS软开关条件。但是，这个无功电流是不可控的，特别是当变换器工作在较重载时，这个无功电流是多余的，降低了变换器整机效率。通过增加谐振网络也可拓宽ZVS软开关范围，可是变频控制对控制及磁性元器件的设计提出了更高的要求。

发明内容

为了克服现有技术中存在的上述问题，本发明的目的在于提供一种在宽电压输入范围下能实现全程ZVS软开关、导通损耗小、效率高的基于三绕组变压器的双向隔离DC/DC变换器拓扑。

为了达到上述目的，本发明是通过以下技术方案实现的：

本发明所述变换器包括一个有源全桥单元、两个并联的对称半桥单元和一个三绕组高频变压器串联移相电感网络单元；

所述有源全桥单元，包括第一功率开关管S₁、第二功率开关管S₂、第三功率开关管S₃、第四功率开关管S₄和第一电容C₁；其中，第一功率开关管S₁和第三功率开关管S₃的漏极分别与前级电压源V_p的正极连接；第二功率开关管S₂和第四功率开关管S₄的源极分别与前级电压源V_p的负极连接；第一功率开关管S₁的源极与第二功率开关管S₂的漏极相连，第三功率开关管S₃的源极与第四功率开关管S₄的漏极相连；第一电容C₁的一端与前级电压源V_p的正极连接，第一电容C₁的另一端与前级电压源V_p的负极连接；

所述两个并联的对称半桥单元，包括第五功率开关管S₅、第六功率开关管S₆、第七功率开关管S₇、第八功率开关管S₈、第二电容C₂和第三电容C₃；其中，第五功率开关管S₅和第七功率开关管S₇的漏极分别与后级电压源V_s的正极连接；第六功率开关管S₆和第八功率开关管S₈的源极分别与后级电压源V_s的负极连接；第五功率开关管S₅的源极与第六功率开关管S₆的漏极相连，第七功率开关管S₇的源极与第八功率开关管S₈的漏极相连；第二电容C₂的一端与后级电压源V_s的正极连接，第三电容C₃的一端与后级电压源V_s的负极连接，第二电容C₂的另一端和第三电容C₃的另一端连接在一起，形成串联的连接形式；

所述三绕组高频变压器串联移相电感网络单元，包括一个三绕组高频变压器T、第一移相电感L₁、第二移相电感L₂和第三移相电感L₃；所述的三绕组高频变压器T包含第一绕组N₁、第二绕组N₂和第三绕组N₃；其中，第一绕组N₁的同名端与第一电感L₁一端连接，第一电感L₁的另一端连接到第三功率开关管S₃和第四功率开关管S₄组成的桥臂中点；第一绕组N₁的异名端连接到第一功率开关管S₁和第二功率开关管S₂组成的桥臂中点；第二绕组N₂和第三绕组N₃各自的异名端连接在一起，接到第二电容C₂和第三电容C₃的连接点；第二绕组N₂的同名端与第二电感L₂的一端连接，第二电感L₂的另一端连接到第五功率开关管S₅和第六功率开关管S₆组成的桥臂中点；第三绕组N₂的同名端与第三电感L₃的一端连接，第三电感L₃的另一端连接到第七功率开关管S₇和第八功率开关管S₈组成的桥臂中点。

本发明通过前后级桥臂之间的移相，可以实现能量的双向流动，后级可以接入再生制动负载。通过前级全桥的两个桥臂之间的移相，可以在前级变压器绕组上施加一个带占空比调节的矩形波，从而通过调节这个占空比，使得在宽的输入电压范围条件下，使得系统满足理论的软开关条件。通过后级两个对称半桥之间的移相，可以给开关时刻的电流动态补偿一个最小的ZVS实现电流，这样所有的功率开关管均可以实现全程实际的完全软开关。由于输出采用的是两个对称半桥并联的形式，其可以减小后级电流的有效值，从而减小开关管的导通损耗。

与已有技术相比，本发明具有以下有益效果：

1、能够在宽电压输入范围下实现全程ZVS完全实际软开关，能实现能量回馈，具有导通损耗小、电路效率高、电气隔离等特点；

2、通过全桥的两个桥臂之间的移相以及并联的两个对称半桥桥臂之间的移相，提供一个动态可控的无功电流，以保证所有功率开关管都能实现ZVS软开关，减小变换器开关损耗，提高系统效率和功率密度；

3、三绕组高频变压器串联移相电感网络单元是能量传递的媒介，控制加在网络单元上的交流电压之间的移相或者交流电压的幅值，实现能量的双向流动及全程ZVS软开关。

附图说明

图1为本发明基于三绕组变压器的双向隔离DC/DC变换器的电气原理图。

图2为本发明基于三绕组变压器的双向隔离DC/DC变换器的T型等效模型和Δ型等效模型。

图3为本发明基于三绕组变压器的双向隔离DC/DC变换器的九种工作模式图。

图4为本发明基于三绕组变压器的双向隔离DC/DC变换器在内内模式下理想的稳态电压电流波形图。

图5为本发明基于三绕组变压器的双向隔离DC/DC变换器内内模式下各阶段等效电路图。

图中符号含义：V_p为前级直流电压源、V_s为后级直流电压源、nV_s是后级直流源电压折算到原边的值；S₁、S₂、S₃、S₄、S₅、S₆、S₇、S₈分别是第一、第二、第三、第四、第五、第六、第七和第八功率开关管；L₁、L₂和L₃分别是第一、第二和第三电感；C₁、C₂和C₃分别是第一、第二和第三电容；前级交流电压u₁是前级全桥两桥臂中点的电压，后级交流电压u₂是后级S₅和S₆半桥的中点对第二、第三电容（C₂和C₃）中点之间的电压；后级交流电压u₃是后级S₇和S₈半桥的中点对第二、第三电容（C₂和C₃）中点之间的电压；i₁、i₂和i₃分别是第一、第二和第三电感（L₁、L₂和L₃）上的电流；T为高频三绕组变压器；N₁、N₂和N₃分别是变压器T的第一、第二和第三绕组；φ_ps为电压u₁与电压u₂、u₃之间的移相角；φ_ss为电压u₂与电压u₃之间的移相角；δ为电压u₁波形中电压为0的电角度，也是前级全桥桥臂S₁、S₂与桥臂S₃、S₄之间的移相角；i₁₂、i₂₃和i₁₃分别为变压器和串联电感网络的Δ型等效电路中电感L₁₂、L₂₃和L₁₃的电流。

具体实施方式

下面结合附图与具体实施方式对本发明作进一步详细描述：

如图1所示的本发明电气原理图，本发明所述变换器包括一个有源全桥单元、两个并联的对称半桥单元和一个三绕组高频变压器串联移相电感网络单元。

所述有源全桥单元，包括第一功率开关管S₁、第二功率开关管S₂、第三功率开关管S₃、第四功率开关管S₄和第一电容C₁；其中，第一功率开关管S₁和第三功率开关管S₃的漏极分别与前级电压源V_p的正极连接；第二功率开关管S₂和第四功率开关管S₄的源极分别与前级电压源V_p的负极连接；第一功率开关管S₁的源极与第二功率开关管S₂的漏极相连，第三功率开关管S₃的源极与第四功率开关管S₄的漏极相连；第一电容C₁的一端与前级电压源V_p的正极连接，第一电容C₁的另一端与前级电压源V_p的负极连接；

所述两个并联的对称半桥单元，包括第五功率开关管S₅、第六功率开关管S₆、第七功率开关管S₇、第八功率开关管S₈、第二电容C₂和第三电容C₃；其中，第五功率开关管S₅和第七功率开关管S₇的漏极分别与后级电压源V_s的正极连接；第六功率开关管S₆和第八功率开关管S₈的源极分别与后级电压源V_s的负极连接；第五功率开关管S₅的源极与第六功率开关管S₆的漏极相连，第七功率开关管S₇的源极与第八功率开关管S₈的漏极相连；第二电容C₂的一端与后级电压源V_s的正极连接，第三电容C₃的一端与后级电压源V_s的负极连接，第二电容C₂的另一端和第三电容C₃的另一端连接在一起，形成串联的连接形式；

所述三绕组高频变压器串联移相电感网络单元，包括一个三绕组高频变压器T、第一移相电感L₁、第二移相电感L₂和第三移相电感L₃；所述的三绕组高频变压器T包含第一绕组N₁、第二绕组N₂和第三绕组N₃；其中，第一绕组N₁的同名端与第一电感L₁一端连接，第一电感L₁的另一端连接到第三功率开关管S₃和第四功率开关管S₄组成的桥臂中点；第一绕组N₁的异名端连接到第一功率开关管S₁和第二功率开关管S₂组成的桥臂中点；第二绕组N₂和第三绕组N₃各自的异名端连接在一起，接到第二电容C₂和第三电容C₃的连接点；第二绕组N₂的同名端与第二电感L₂的一端连接，第二电感L₂的另一端连接到第五功率开关管S₅和第六功率开关管S₆组成的桥臂中点；第三绕组N₂的同名端与第三电感L₃的一端连接，第三电感L₃的另一端连接到第七功率开关管S₇和第八功率开关管S₈组成的桥臂中点。

如图2所示，高频变压器的励磁电感远大于第一移相电感L₁、第二移相电感L₂、第三移相电感L₃，因此可以忽略励磁电感，则高频变压器和第一移相电感L₁、第二移相电感L₂、第三移相电感L₃组成的网络可以等效成图2a所示的T型等效图和图2b所示的Δ型等效图。前级电压源V_p和前级全桥（S₁、S₂、S₃、S₄）等效成矩形波交流电压源u₁，后级电压源V_s和后级半桥（S₅、S₆）等效成方波电压源u₂，后级电压源V_s和后级半桥（S₇、S₈）等效成方波电压源u₃。根据图2b的Δ型等效图，流过第一移相电感L₁、第二移相电感L₂、第三移相电感L₃的电流i₁、i₂和i₃可以利用流过等效电感的电流i₁₂、i₂₃和i₁₃叠加得到，即i₁=i₁₂+i₁₃，i₂=-i₁₂+i₂₃，i₃=-i₂₃-i₁₃。

如图3所示，根据三个交流电压u₁、u₂、u₃之间的相位关系，本发明所述的双向隔离DC-DC变换器共有9种工作模式，图3a～图3i分别为左外左外模式、左外内模式、左外右外模式、内内模式、内右外模式、右外右外模式、内左外模式、右外内模式、右外左外模式。

图4为所发明所述变换器在内内模式下理想的稳态电压电流波形图，其中t₀～t₄为半个开关周期。

下面结合图5对本发明所述变换器在内内模式下的稳态工作情况作具体的说明：

（1）阶段I(t₀～t₁)

t₀时刻之前，开关管S₁、S₆、S₈已经导通；t₀时刻开关管S₃导通，由于开关管S₁和S₃同时导通，前级交流电压u₁被箝位在0；后级交流电压u₂和u₃为-nV_s/2；在这三种电压的激励下，电流i₁线性上升，电流i₂和i₃线性下降，等效电路如图5a所示。

（2）阶段II(t₁～t₂)

t₁时刻开关管S₄关断、S₅导通，后级交流电压u₂变为nV_s/2，前级交流电压u₁仍被箝位在0，后级交流电压u₃仍为-nV_s/2；在这三种电压的激励下，电流i₁处于续流状态，电流保持恒定，电流i₂线性上升，电流i₃线性下降，等效电路如图5b所示。

（3）阶段III(t₂～t₃)

t₂时刻之前，开关管S₆关断、S₇导通，后级交流电压u₃的电压变为nV_s/2，而前级交流电压u₁仍被箝位在0，后级交流电压u₂仍为nV_s/2；在这三种电压的激励下，电流i₁线性下降，电流i₂和i₃则线性上升，等效电路如图5c所示。

（4）阶段IV(t₃～t₄)

t₃时刻，开关管S₁关断，开关管S₂开通，前级交流电压u₁变为V_p，后级交流电压u₂和u₃仍为nV_s/2；在这三种电压的激励下，电流i₁线性上升，电流i₂和i₃线性下降，等效电路如图5d所示。

由于稳态的电压和电流波形均是奇对称的，所以剩下半个周期的工作原理与上述阶段I～IV相似，在此不再赘述。

本发明基于三绕组变压器的双向隔离DC/DC变换器可以动态地对ZVS软开关实现进行调节。在变换器空载或者轻载时，φ_ss=0不能使得所有的功率开关管都实现ZVS软开关，这时需要动态地施加一个最小的φ_ss，使得开关时刻有一个最小的ZVS电流，从而功率开关管都能实现ZVS软开关，且变换器的无功电流可以尽可能的小。当变换器工作在重载时，φ_ss=0本身就可以保证所有的功率开关管都实现ZVS软开关，这时不需要对后级两个并联的对称半桥单元之间进行移相，所以这时令φ_ss=0，即让后级对称半桥单元工作在并联输出的状态。根据负载和输入电压变化情况，灵活控制后级桥臂之间的移相角φ_ss，不仅可以保证变换器在宽输入电压范围和全负载范围内实现所有功率开关管的ZVS软开关，而且还最大程度地减小了变换器的无功电流及电流的有效值，实现了变换器的宽范围高效率运行。

Claims (1)

1.一种基于三绕组变压器的双向隔离DC/DC变换器，其特征在于：所述变换器包括一个有源全桥单元、两个并联的对称半桥单元和一个三绕组高频变压器串联移相电感网络单元；

所述有源全桥单元，包括第一功率开关管S₁、第二功率开关管S₂、第三功率开关管S₃、第四功率开关管S₄和第一电容C₁；其中，第一功率开关管S₁和第三功率开关管S₃的漏极分别与前级电压源V_p的正极连接；第二功率开关管S₂和第四功率开关管S₄的源极分别与前级电压源V_p的负极连接；第一功率开关管S₁的源极与第二功率开关管S₂的漏极相连，第三功率开关管S₃的源极与第四功率开关管S₄的漏极相连；第一电容C₁的一端与前级电压源V_p的正极连接，第一电容C₁的另一端与前级电压源V_p的负极连接；

所述两个并联的对称半桥单元，包括第五功率开关管S₅、第六功率开关管S₆、第七功率开关管S₇、第八功率开关管S₈、第二电容C₂和第三电容C₃；其中，第五功率开关管S₅和第七功率开关管S₇的漏极分别与后级电压源V_s的正极连接；第六功率开关管S₆和第八功率开关管S₈的源极分别与后级电压源V_s的负极连接；第五功率开关管S₅的源极与第六功率开关管S₆的漏极相连，第七功率开关管S₇的源极与第八功率开关管S₈的漏极相连；第二电容C₂的一端与后级电压源V_s的正极连接，第三电容C₃的一端与后级电压源V_s的负极连接，第二电容C₂的另一端和第三电容C₃的另一端连接在一起，形成串联的连接形式；

所述三绕组高频变压器串联移相电感网络单元，包括一个三绕组高频变压器T、第一移相电感L₁、第二移相电感L₂和第三移相电感L₃；所述的三绕组高频变压器T包含第一绕组N₁、第二绕组N₂和第三绕组N₃；其中，第一绕组N₁的同名端与第一电感L₁一端连接，第一电感L₁的另一端连接到第三功率开关管S₃和第四功率开关管S₄组成的桥臂中点；第一绕组N₁的异名端连接到第一功率开关管S₁和第二功率开关管S₂组成的桥臂中点；第二绕组N₂和第三绕组N₃各自的异名端连接在一起，接到第二电容C₂和第三电容C₃的连接点；第二绕组N₂的同名端与第二电感L₂的一端连接，第二电感L₂的另一端连接到第五功率开关管S₅和第六功率开关管S₆组成的桥臂中点；第三绕组N₂的同名端与第三电感L₃的一端连接，第三电感L₃的另一端连接到第七功率开关管S₇和第八功率开关管S₈组成的桥臂中点。