一種雙向隔離直流-直流變換器的制造方法
【專利摘要】一種雙向隔離直流-直流變換器，包括原邊逆變/整流電路、高頻變壓器、副邊整流/逆變電路，原邊逆變/整流電路與副邊整流/逆變電路結(jié)構(gòu)相同且以高頻變壓器為中心對(duì)稱設(shè)置，采用對(duì)稱的全橋LLC結(jié)構(gòu)，拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)更為簡(jiǎn)單，而且沒(méi)有諧振電容箝位電路，故輸出能力要強(qiáng)很多，而且實(shí)現(xiàn)了快速有效的短路保護(hù)；同時(shí)本實(shí)用新型所提出的拓?fù)錈o(wú)論哪一側(cè)作為輸入都可以很好地實(shí)現(xiàn)軟開(kāi)關(guān)，電壓到數(shù)百伏以上時(shí)，仍然能保持高效率、高可靠性、較低的電磁干擾EMI，工作穩(wěn)定可靠、性能指標(biāo)好、效率高、體積小，而且電路中的所有器件均可用多個(gè)同類器件并聯(lián)、串聯(lián)或串并聯(lián)組合實(shí)現(xiàn)，電路連接簡(jiǎn)單方便。
【專利說(shuō)明】 一種雙向隔離直流-直流變換器
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本實(shí)用新型屬于電力電子應(yīng)用【技術(shù)領(lǐng)域】，涉及到一種雙向隔離直流-直流變換器。
【背景技術(shù)】
[0002]直流變換器是將直流電轉(zhuǎn)化為另一種形式的直流電的裝置。直流變換器應(yīng)用非常廣泛，手機(jī)充電器、計(jì)算機(jī)電源、家用電器、電力系統(tǒng)、新能源發(fā)電、電動(dòng)汽車等等領(lǐng)域都有直流變換器的存在。通常直流-直流變換器都是單向工作的，主要原因是因?yàn)楣β书_(kāi)關(guān)(晶閘管SCR，絕緣柵雙極型晶體管IGBT、金屬氧化物半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)晶體管MOS等)均為單向工作器件，并且主功率回路上一般都有單向工作的二極管，所以能量只能單向流動(dòng)。然而，隨著時(shí)代的進(jìn)步和科技的發(fā)展，在電池活化、儲(chǔ)能電站、電動(dòng)汽車、太陽(yáng)能發(fā)電系統(tǒng)、航空電源等領(lǐng)域雙向直流-直流變換器獲得了越來(lái)越廣泛的應(yīng)用，隨著新能源發(fā)電、新能源汽車等領(lǐng)域的進(jìn)一步發(fā)展和能源危機(jī)的進(jìn)一步加劇，雙向直流-直流變換器的研宄正在進(jìn)入新的階段。
[0003]最簡(jiǎn)單的雙向直流-直流變換器就是將兩個(gè)單向直流-直流變換器反相并聯(lián)起來(lái)，但是這種方案所需的成本太高，所以大家更傾向于采用單機(jī)雙向直流-直流變換器。
[0004]很多應(yīng)用場(chǎng)合要求直流-直流變換器的輸入輸出電氣隔離，引用百度百科的一段話所謂電氣隔離，就是將電源與用電回路作電氣上的隔離，即將用電的分支電路與整個(gè)電氣系統(tǒng)隔離，使之成為一個(gè)在電氣上被隔離的、獨(dú)立的不接地安全系統(tǒng)，以防止在裸露導(dǎo)體故障帶電情況下發(fā)生間接觸電危險(xiǎn)。要實(shí)行電氣隔離，必須滿足以下條件:(I)每一分支電路使用一臺(tái)隔離變壓器，這種變壓器的耐壓試驗(yàn)電壓，比普通變壓器高，應(yīng)符合II級(jí)電工產(chǎn)品(雙重絕緣或加強(qiáng)絕緣)的要求，也可使用與隔離變壓器的絕緣性能相等的繞制；(2)所謂電氣隔離，就是使兩個(gè)電路之間沒(méi)有電氣上的直接聯(lián)系，即兩個(gè)電路之間是相互絕緣的，同時(shí)還要保證兩個(gè)電路維持能量傳輸?shù)年P(guān)系?！?br>
[0005]非隔離的直流變換器已經(jīng)非常成熟，一個(gè)方向升壓一個(gè)方向降壓的BUCK/BOOST一體的非隔離直流-直流變換器構(gòu)造簡(jiǎn)單，性能穩(wěn)定，已經(jīng)被廣泛地應(yīng)用到工業(yè)電源之中。
[0006]隔離的直流變換器業(yè)內(nèi)尚無(wú)成熟的典型設(shè)計(jì)。理論上講，只要將任何一種單方向的直流-直流變換器拓?fù)渲械膯蜗蚱骷Q成可控的雙向器件即得到對(duì)應(yīng)的雙向拓?fù)?，盡管大多需要付出性能、成本等方面的代價(jià)，但這樣簡(jiǎn)單置換的方法一般無(wú)法用于軟開(kāi)關(guān)變換器。
[0007]在數(shù)百伏電壓以上的場(chǎng)合，傳統(tǒng)的硬開(kāi)關(guān)變換器在效率/可靠性/電磁兼容多個(gè)方面都不能勝任，必須要采用軟開(kāi)關(guān)變換器。單向的軟開(kāi)關(guān)變換器主要以輔助開(kāi)關(guān)、有源箝位、無(wú)損吸收、諧振/準(zhǔn)諧振等多種方式實(shí)現(xiàn)，這些方式各有利弊和其所適用的應(yīng)用場(chǎng)合，不再一一贅述。近年來(lái)流行的調(diào)頻控制的諧振式LLC拓?fù)淇梢哉f(shuō)是在電壓等級(jí)數(shù)百伏、功率幾百瓦到十幾千瓦條件下最適合的拓?fù)?。通合電子專利?hào)為01135317.1的發(fā)明專利“諧振電壓控制型功率變換器”正是此拓?fù)涞某晒?yīng)用之一。
[0008]簡(jiǎn)單的器件置換是無(wú)法實(shí)現(xiàn)雙向軟開(kāi)關(guān)變換器的。據(jù)我們所了解，雙向都能實(shí)現(xiàn)軟開(kāi)關(guān)的技術(shù)，只有華北電力大學(xué)于2011年申報(bào)的申請(qǐng)?zhí)枮?01110140067.1名稱為一種對(duì)稱半橋LLC諧振式雙向直流-直流變換器的發(fā)明專利，其電路原理圖如圖1所示。據(jù)我們的仿真和實(shí)驗(yàn)分析，在兩邊的直流源都為固定電壓時(shí)，通過(guò)設(shè)計(jì)合適的網(wǎng)絡(luò)參數(shù)，可實(shí)現(xiàn)雙向變換時(shí)的全程軟開(kāi)關(guān)。但是由于此拓?fù)渲械亩O管直接并聯(lián)在諧振電容(C11、C12、C21、C22)，使諧振電壓被箝位至電源電壓，這在短路保護(hù)等極限條件下會(huì)帶來(lái)好處，但是弊端也很明顯，即同等硬件條件下輸出能力嚴(yán)重不足。由于兩個(gè)方向傳輸時(shí)都是如此，因此實(shí)際上無(wú)論哪一個(gè)方向，其電壓增益都是降低的。舉個(gè)簡(jiǎn)單的例子，若Vdcl = 200V，變壓器匝比為1:1，由于是半橋電路的關(guān)系，實(shí)際上輸出電壓最尚只能到100V左右，即Vdc2最尚只能等于100V，可是反相傳輸?shù)臅r(shí)候，由于Vdc2 = 100V，變壓器匝比同樣為1:1，再加上半橋的因素，Vdcl就只能等于50V 了。當(dāng)然，以上只是定性的分析，實(shí)際上由于LLC諧振網(wǎng)絡(luò)的作用，兩側(cè)的電壓不至于不能平衡，但是輸出能力的嚴(yán)重下降則是必然現(xiàn)象，同樣規(guī)格的磁性元件、諧振電容和開(kāi)關(guān)管，在普通單向LLC的情況下輸出能力如果有1KW的話，則在這種諧振電壓被雙向箝位的條件下，實(shí)際功率連三分之一都達(dá)不到，如果兩側(cè)的直流電壓不是固定值而是一個(gè)變化范圍的話，則恐怕連五分之一都有困難了。因此在寬范圍、大功率的應(yīng)用中，此方案所實(shí)現(xiàn)的雙向變換器雖然在電路原理、軟開(kāi)關(guān)等方面取得了優(yōu)勢(shì)，但是成本和體積上恐怕還未必能比得上兩臺(tái)背靠背的單向變換器。
[0009]另一個(gè)就是廣東易事特電源股份有限公司于2014年I月21日申報(bào)的申請(qǐng)?zhí)枮?01410027890.5名稱為一種雙向直流變換電路及開(kāi)關(guān)電源的發(fā)明專利。雖然這是一個(gè)雙向變換的整機(jī)專利，但是其中也包含雙向直流變換器的部分，其電路原理圖如圖2所示。此拓?fù)湟贿吺侨珮騆LC，另一邊是普通全橋，功率輸出能力是毫無(wú)問(wèn)題的，但是其全橋側(cè)(Q3?Q6)這一邊無(wú)法實(shí)現(xiàn)軟開(kāi)關(guān)，故此拓?fù)涞倪@一側(cè)作為輸入時(shí)電壓不能太高，一旦到數(shù)百伏以上，效率、可靠性和EMI方面的性能都會(huì)急劇下降。
【發(fā)明內(nèi)容】
[0010]本實(shí)用新型為了克服現(xiàn)有技術(shù)的缺陷，設(shè)計(jì)了一種工作穩(wěn)定可靠、性能指標(biāo)好、效率高、體積小的雙向隔離直流-直流變換器。
[0011]本實(shí)用新型所采取的具體技術(shù)方案是:一種雙向隔離直流-直流變換器，包括原邊逆變/整流電路、高頻變壓器、副邊整流/逆變電路，關(guān)鍵是:所述的原邊逆變/整流電路與副邊整流/逆變電路結(jié)構(gòu)相同且以高頻變壓器為中心對(duì)稱設(shè)置，其中，
[0012]原邊逆變/整流電路包括第一電子開(kāi)關(guān)、第二電子開(kāi)關(guān)、第五電子開(kāi)關(guān)、第六電子開(kāi)關(guān)、第一濾波電容，第一濾波電容與第一直流電源并聯(lián)，第一直流電源的負(fù)極與保護(hù)地連接，第一電子開(kāi)關(guān)和第五電子開(kāi)關(guān)串聯(lián)后并聯(lián)在第一直流電源的正負(fù)極之間，第二電子開(kāi)關(guān)和第六電子開(kāi)關(guān)串聯(lián)后也并聯(lián)在第一直流電源的正負(fù)極之間，第一電子開(kāi)關(guān)和第五電子開(kāi)關(guān)的中點(diǎn)依次串聯(lián)第一諧振電感和第一諧振電容后與高頻變壓器原邊激磁電感的一端連接，第二電子開(kāi)關(guān)和第六電子開(kāi)關(guān)的中點(diǎn)與高頻變壓器原邊激磁電感的另一端連接，第一二極管并聯(lián)在第一電子開(kāi)關(guān)兩端，第一電容并聯(lián)在第一二極管兩端，第二二極管并聯(lián)在第二電子開(kāi)關(guān)兩端，第二電容并聯(lián)在第二二極管兩端，第五二極管并聯(lián)在第五電子開(kāi)關(guān)兩端，第五電容并聯(lián)在第五二極管兩端，第六二極管并聯(lián)在第六電子開(kāi)關(guān)兩端，第六電容并聯(lián)在第六二極管兩端，第一二極管和第二二極管的負(fù)極都與第一直流電源的正極連接，第五二極管和第六二極管的正極都與第一直流電源的負(fù)極連接；
[0013]副邊整流/逆變電路包括第四電子開(kāi)關(guān)、第三電子開(kāi)關(guān)、第八電子開(kāi)關(guān)、第七電子開(kāi)關(guān)、第二濾波電容，第二濾波電容與第二直流電源并聯(lián)，第二直流電源的負(fù)極與信號(hào)地連接，第四電子開(kāi)關(guān)和第八電子開(kāi)關(guān)串聯(lián)后并聯(lián)在第二直流電源的正負(fù)極之間，第三電子開(kāi)關(guān)和第七電子開(kāi)關(guān)串聯(lián)后也并聯(lián)在第二直流電源的正負(fù)極之間，第四電子開(kāi)關(guān)和第八電子開(kāi)關(guān)的中點(diǎn)依次串聯(lián)第二諧振電感和第二諧振電容后與高頻變壓器副邊激磁電感的一端連接，第三電子開(kāi)關(guān)和第七電子開(kāi)關(guān)的中點(diǎn)與高頻變壓器副邊激磁電感的另一端連接，第四二極管并聯(lián)在第四電子開(kāi)關(guān)兩端，第四電容并聯(lián)在第四二極管兩端，第三二極管并聯(lián)在第三電子開(kāi)關(guān)兩端，第三電容并聯(lián)在第三二極管兩端，第八二極管并聯(lián)在第八電子開(kāi)關(guān)兩端，第八電容并聯(lián)在第八二極管兩端，第七二極管并聯(lián)在第七電子開(kāi)關(guān)兩端，第七電容并聯(lián)在第七二極管兩端，第三二極管和第四二極管的負(fù)極都與第二直流電源的正極連接，第七二極管和第八二極管的正極都與第二直流電源的負(fù)極連接。
[0014]所述的第一電子開(kāi)關(guān)、第二電子開(kāi)關(guān)、第三電子開(kāi)關(guān)、第四電子開(kāi)關(guān)、第五電子開(kāi)關(guān)、第六電子開(kāi)關(guān)、第七電子開(kāi)關(guān)、第八電子開(kāi)關(guān)都是絕緣柵雙極型晶體管IGBT、金屬氧化物半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)晶體管MOS、或碳化硅金屬氧化物半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)晶體管SiC-MOS中的一種。
[0015]所述的第一二極管、第二二極管、第三二極管、第四二極管、第五二極管和第六二極管、第七二極管、第八二極管都是硅Si半導(dǎo)體二極管、或碳化硅SiC半導(dǎo)體二極管。
[0016]所述的第一二極管、第二二極管、第三二極管、第四二極管、第五二極管和第六二極管、第七二極管、第八二極管都是絕緣柵雙極型晶體管IGBT或金屬氧化物半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)晶體管MOS的寄生或集成的體二極管。
[0017]所述的第一電容、第二電容、第三電容、第四電容、第五電容、第六電容、第七電容、第八電容都是獨(dú)立的電容器、或者是相應(yīng)電子開(kāi)關(guān)的寄生電容。
[0018]本實(shí)用新型的有益效果是:采用對(duì)稱的全橋LLC結(jié)構(gòu)，與華北電力大學(xué)的專利相比，本實(shí)用新型所提出的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)更為簡(jiǎn)單，而且是全橋結(jié)構(gòu)，沒(méi)有諧振電容箝位電路，故輸出能力要強(qiáng)很多，而且實(shí)現(xiàn)了快速有效的短路保護(hù)，解決了一般大功率LLC拓?fù)涠家媾R的短路保護(hù)不易的難題；同時(shí)本實(shí)用新型所提出的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)兩側(cè)完全對(duì)稱，工作方式完全一樣，無(wú)論哪一側(cè)作為輸入都可以很好地實(shí)現(xiàn)所有功率器件的軟開(kāi)關(guān)，電壓到400-660V時(shí)，仍然能保持高效率、高可靠性、較低的電磁干擾EMI，解決了廣東易事特電源股份有限公司的專利的難題，工作穩(wěn)定可靠、性能指標(biāo)好、效率高、體積小，而且電路中的所有器件均可用多個(gè)同類器件并聯(lián)、串聯(lián)或串并聯(lián)組合實(shí)現(xiàn)，電路連接簡(jiǎn)單方便。
【專利附圖】
【附圖說(shuō)明】
[0019]圖1為華北電力大學(xué)的電路原理圖。
[0020]圖2為廣東易事特電源股份有限公司的電路原理圖。
[0021]圖3為本實(shí)用新型的電路原理圖。
[0022]圖4為本實(shí)用新型在進(jìn)行正向功率傳輸時(shí)的等效原理圖。
[0023]圖5為本實(shí)用新型在進(jìn)行逆向功率傳輸時(shí)的等效原理圖。
[0024]圖6為本實(shí)用新型在進(jìn)行正向功率傳輸時(shí)的驅(qū)動(dòng)信號(hào)⑶I和⑶2的波形。
[0025]圖7為本實(shí)用新型在進(jìn)行正向功率傳輸時(shí)處于第一工作狀態(tài)時(shí)驅(qū)動(dòng)信號(hào)⑶I和GD2的波形、以及流過(guò)變換器原邊和副邊的電流波形。
[0026]圖8為本實(shí)用新型在進(jìn)行正向功率傳輸時(shí)處于第二工作狀態(tài)時(shí)驅(qū)動(dòng)信號(hào)⑶I和GD2的波形、以及流過(guò)變換器原邊和副邊的電流波形。
[0027]圖9為本實(shí)用新型在進(jìn)行正向功率傳輸時(shí)處于第三工作狀態(tài)時(shí)驅(qū)動(dòng)信號(hào)⑶I和GD2的波形、以及流過(guò)變換器原邊和副邊的電流波形。
[0028]圖3、圖4、圖5中，Vdcl代表第一直流電源，Vdc2代表第二直流電源，PGND代表保護(hù)地，SGND代表信號(hào)地，Tl代表高頻變壓器，Lml代表原邊激磁電感，Lm2代表副邊激磁電感，Lrl代表第一諧振電感，Crl代表第一諧振電容，Lr2代表第二諧振電感，Cr2代表第二諧振電容，SI代表第一電子開(kāi)關(guān)，S2代表第二電子開(kāi)關(guān)，S3代表第三電子開(kāi)關(guān)，S4代表第四電子開(kāi)關(guān)，S5代表第五電子開(kāi)關(guān)，S6代表第六電子開(kāi)關(guān)，S7代表第七電子開(kāi)關(guān)，S8代表第八電子開(kāi)關(guān)，Dl代表第一二極管，D2代表第二二極管，D3代表第三二極管，D4代表第四二極管，D5代表第五二極管，D6代表第六二極管，D7代表第七二極管，D8代表第八二極管，Cl代表第一電容，C2代表第二電容，C3代表第三電容，C4代表第四電容，C5代表第五電容，C6代表第六電容，C7代表第七電容，C8代表第八電容，CDl代表第一濾波電容，CD2代表第二濾波電容。
【具體實(shí)施方式】
[0029]下面結(jié)合附圖對(duì)本實(shí)用新型做詳細(xì)說(shuō)明:
[0030]如圖3所示，一種雙向隔離直流-直流變換器，包括原邊逆變/整流電路、高頻變壓器Tl、副邊整流/逆變電路，原邊逆變/整流電路與副邊整流/逆變電路結(jié)構(gòu)相同且以高頻變壓器Tl為中心對(duì)稱設(shè)置，其中，
[0031]原邊逆變/整流電路包括第一電子開(kāi)關(guān)S1、第二電子開(kāi)關(guān)S2、第五電子開(kāi)關(guān)S5、第六電子開(kāi)關(guān)S6、第一濾波電容⑶1，第一濾波電容⑶I與第一直流電源Vdcl并聯(lián)，第一直流電源Vdcl的負(fù)極與保護(hù)地PGND連接，第一電子開(kāi)關(guān)SI和第五電子開(kāi)關(guān)S5串聯(lián)后并聯(lián)在第一直流電源Vdcl的正負(fù)極之間，第二電子開(kāi)關(guān)S2和第六電子開(kāi)關(guān)S6串聯(lián)后也并聯(lián)在第一直流電源Vdcl的正負(fù)極之間，第一電子開(kāi)關(guān)SI和第五電子開(kāi)關(guān)S5的中點(diǎn)依次串聯(lián)第一諧振電感Lrl和第一諧振電容Crl后與高頻變壓器Tl原邊激磁電感Lml的一端連接，第二電子開(kāi)關(guān)S2和第六電子開(kāi)關(guān)S6的中點(diǎn)與高頻變壓器Tl原邊激磁電感Lml的另一端連接，第一二極管Dl并聯(lián)在第一電子開(kāi)關(guān)SI兩端，第一電容Cl并聯(lián)在第一二極管Dl兩端，第二二極管D2并聯(lián)在第二電子開(kāi)關(guān)S2兩端，第二電容C2并聯(lián)在第二二極管D2兩端，第五二極管D5并聯(lián)在第五電子開(kāi)關(guān)S5兩端，第五電容C5并聯(lián)在第五二極管D5兩端，第六二極管D6并聯(lián)在第六電子開(kāi)關(guān)S6兩端，第六電容C6并聯(lián)在第六二極管D6兩端，第一二極管Dl和第二二極管D2的負(fù)極都與第一直流電源Vdcl的正極連接，第五二極管D5和第六二極管D6的正極都與第一直流電源Vdcl的負(fù)極連接；
[0032]副邊整流/逆變電路包括第四電子開(kāi)關(guān)S4、第三電子開(kāi)關(guān)S3、第八電子開(kāi)關(guān)S8、第七電子開(kāi)關(guān)S7、第二濾波電容⑶2，第二濾波電容⑶2與第二直流電源Vdc2并聯(lián)，第二直流電源Vdc2的負(fù)極與信號(hào)地SGND連接，第四電子開(kāi)關(guān)S4和第八電子開(kāi)關(guān)S8串聯(lián)后并聯(lián)在第二直流電源Vdc2的正負(fù)極之間，第三電子開(kāi)關(guān)S3和第七電子開(kāi)關(guān)S7串聯(lián)后也并聯(lián)在第二直流電源Vdc2的正負(fù)極之間，第四電子開(kāi)關(guān)S4和第八電子開(kāi)關(guān)S8的中點(diǎn)依次串聯(lián)第二諧振電感Lr2和第二諧振電容Cr2后與高頻變壓器Tl副邊激磁電感Lm2的一端連接，第三電子開(kāi)關(guān)S3和第七電子開(kāi)關(guān)S7的中點(diǎn)與高頻變壓器Tl副邊激磁電感Lm2的另一端連接，第四二極管D4并聯(lián)在第四電子開(kāi)關(guān)S4兩端，第四電容C4并聯(lián)在第四二極管D4兩端，第三二極管D3并聯(lián)在第三電子開(kāi)關(guān)S3兩端，第三電容C3并聯(lián)在第三二極管D3兩端，第八二極管D8并聯(lián)在第八電子開(kāi)關(guān)S8兩端，第八電容CS并聯(lián)在第八二極管D8兩端，第七二極管D7并聯(lián)在第七電子開(kāi)關(guān)S7兩端，第七電容C7并聯(lián)在第七二極管D7兩端，第三二極管D3和第四二極管D4的負(fù)極都與第二直流電源Vdc2的正極連接，第七二極管D7和第八二極管D8的正極都與第二直流電源Vdc2的負(fù)極連接。
[0033]所述的第一電子開(kāi)關(guān)S1、第二電子開(kāi)關(guān)S2、第三電子開(kāi)關(guān)S3、第四電子開(kāi)關(guān)S4、第五電子開(kāi)關(guān)S5、第六電子開(kāi)關(guān)S6、第七電子開(kāi)關(guān)S7、第八電子開(kāi)關(guān)S8都是絕緣柵雙極型晶體管IGBT、金屬氧化物半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)晶體管MOS、或碳化硅金屬氧化物半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)晶體管SiC-MOS中的一種。
[0034]所述的第一二極管D1、第二二極管D2、第三二極管D3、第四二極管D4、第五二極管D5和第六二極管D6、第七二極管D7、第八二極管D8都是硅Si半導(dǎo)體二極管、或碳化硅SiC
半導(dǎo)體二極管。
[0035]所述的第一二極管D1、第二二極管D2、第三二極管D3、第四二極管D4、第五二極管D5和第六二極管D6、第七二極管D7、第八二極管D8都是絕緣柵雙極型晶體管IGBT或金屬氧化物半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)晶體管MOS的寄生或集成的體二極管。
[0036]所述的第一電容Cl、第二電容C2、第三電容C3、第四電容C4、第五電容C5、第六電容C6、第七電容C7、第八電容C8都是獨(dú)立的電容器、或者是相應(yīng)電子開(kāi)關(guān)的寄生電容。
[0037]一、本實(shí)用新型在進(jìn)行正向功率傳輸即能量從第一直流電源Vdcl向第二直流電源Vdc2傳輸時(shí)，工作原理為:
[0038]此時(shí)第一電子開(kāi)關(guān)S1、第二電子開(kāi)關(guān)S2、第五電子開(kāi)關(guān)S5、第六電子開(kāi)關(guān)S6高頻工作，第三電子開(kāi)關(guān)S3、第四電子開(kāi)關(guān)S4、第七電子開(kāi)關(guān)S7、第八電子開(kāi)關(guān)S8保持?jǐn)嚅_(kāi)，等效電路原理圖如圖4所示。
[0039]第一電子開(kāi)關(guān)SI和第六電子開(kāi)關(guān)S6同時(shí)開(kāi)通和關(guān)斷，姑且稱其驅(qū)動(dòng)信號(hào)為⑶1，第二電子開(kāi)關(guān)S2和第五電子開(kāi)關(guān)S5同時(shí)開(kāi)通和關(guān)斷，姑且稱其驅(qū)動(dòng)信號(hào)為⑶2，⑶I和⑶2是占空比趨近50%的互補(bǔ)方波，相互之間留有一定的死區(qū)時(shí)間，如圖6所示。若第一直流電源Vdcl和第二直流電源Vdc2都是電壓源(如其它變換器或電池)，則控制部分根據(jù)預(yù)設(shè)的電流基準(zhǔn)和實(shí)際電流采樣，調(diào)整GDl和GD2的頻率，由此改變諧振網(wǎng)絡(luò)第一諧振電感Lrl和第一諧振電容Crl的阻抗，以此調(diào)整從第一直流電源Vdcl流向第二直流電源Vdc2的能量大小。
[0040]下面詳述其工作過(guò)程:
[0041](一 )第一工作狀態(tài):第一電子開(kāi)關(guān)SI和第六電子開(kāi)關(guān)S6導(dǎo)通，第二電子開(kāi)關(guān)S2和第五電子開(kāi)關(guān)S5截止，次級(jí)整流管導(dǎo)通，驅(qū)動(dòng)信號(hào)GDl和GD2的波形、以及流過(guò)變換器原邊和副邊的電流波形如圖7所示，驅(qū)動(dòng)信號(hào)為高電平時(shí)對(duì)應(yīng)的電子開(kāi)關(guān)導(dǎo)通，驅(qū)動(dòng)信號(hào)為低電平時(shí)，對(duì)應(yīng)的電子開(kāi)關(guān)關(guān)斷；Irp表示流過(guò)第一諧振電感Lrl、第一諧振電容Crl、高頻變壓器Tl原邊的電流，Irs則表示流過(guò)高頻變壓器Tl副邊、第二諧振電感Lr2、第二諧振電容Cr2、整流二極管的。
[0042]從第一電子開(kāi)關(guān)SI和第六電子開(kāi)關(guān)S6導(dǎo)通，也即GDl為高電平的時(shí)刻開(kāi)始分析(即圖7中的縱向虛線處)，此時(shí)加在第一諧振電感Lrl、第一諧振電容Crl、原邊激磁電感Lml構(gòu)成的諧振網(wǎng)絡(luò)上的電壓上正下負(fù)，流過(guò)諧振網(wǎng)絡(luò)的電流Irp正向增大，高頻變壓器Tl副邊的電流Irs也正向增大，為輸出電容充電，同時(shí)也為負(fù)載供電。
[0043]( 二)第二工作狀態(tài):第一電子開(kāi)關(guān)SI和第六電子開(kāi)關(guān)S6導(dǎo)通，第二電子開(kāi)關(guān)S2和第五電子開(kāi)關(guān)S5截止，次級(jí)整流管截止。由于第一諧振電感Lrl、第一諧振電容Crl、第二諧振電感Lr2、第二諧振電容Cr2所確定的諧振頻率比電子開(kāi)關(guān)的頻率高，所以在半個(gè)高頻周期結(jié)束之前電流就會(huì)開(kāi)始減小，當(dāng)輸出電容電壓微微升高，而高頻變壓器Tl原邊電壓開(kāi)始下降時(shí)，副邊整流二極管的電流Irs減小到零，隨即零電流截止，驅(qū)動(dòng)信號(hào)GDl和GD2的波形、以及流過(guò)變換器原邊和副邊的電流波形如圖8所示。此時(shí)高頻變壓器Tl副邊開(kāi)路，原邊激磁電感Lml作為一個(gè)電感加入到原邊回路中來(lái)，由于原邊激磁電感Lml遠(yuǎn)大于第一諧振電感Lrl ( 一般是3?6倍)，因此原邊諧振網(wǎng)絡(luò)的諧振頻率遠(yuǎn)低于僅有第一諧振電感Lrl時(shí)的諧振頻率，因此電流的變化率大大降低，近似直線，原邊電流Irp始終維持在零以上，直至本電子開(kāi)關(guān)周期結(jié)束，第一電子開(kāi)關(guān)SI和第六電子開(kāi)關(guān)S6截止。
[0044](三)第三工作狀態(tài):第一電子開(kāi)關(guān)SI和第六電子開(kāi)關(guān)S6截止，第二電子開(kāi)關(guān)S2和第五電子開(kāi)關(guān)S5截止，驅(qū)動(dòng)信號(hào)GDl和GD2的波形、以及流過(guò)變換器原邊和副邊的電流波形如圖9所示。
[0045]由于第一電子開(kāi)關(guān)SI和第六電子開(kāi)關(guān)S6兩端并聯(lián)了第一電容Cl和第六電容C6，因此其被關(guān)斷的瞬間，兩端的電壓仍然能夠維持在一個(gè)較低的值，即實(shí)現(xiàn)了零電壓關(guān)斷，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)電子開(kāi)關(guān)的保護(hù)。
[0046]關(guān)斷之后，第一諧振電感Lrl續(xù)流，電流繼續(xù)正向流動(dòng)，由第一諧振電感Lrl、第一諧振電容Crl、第一電容Cl、第二電容C2、第五電容C5、第六電容C6組成新的諧振回路(輸入電容容量極大，電子開(kāi)關(guān)頻率下可近似認(rèn)為是短路，第一電容Cl、第二電容C2、第五電容C5、第六電容C6在高頻信號(hào)通路上是并聯(lián)關(guān)系)，由于相對(duì)于第一諧振電容Crl來(lái)說(shuō)，第一電容Cl、第二電容C2、第五電容C5、第六電容C6容量很小，故新的諧振網(wǎng)絡(luò)的頻率極高，第一諧振電感Lrl中的電流Irp會(huì)迅速減小，同時(shí)第一電容Cl、第六電容C6兩端電壓升高，第二電容C2、第五電容C5兩端電壓下降。通過(guò)合理地選擇第一電容Cl、第六電容C6、第二電容C2、第五電容C5、第一諧振電感Lr 1、第一諧振電容Cr I的值，保證在第一諧振電感Lr I上的電流Irp下降到零之前，第一電容Cl、第六電容C6兩端電壓升高至電源電壓，第二電容C2、第五電容C5兩端電壓下降至零。隨后第二電容C2、第五電容C5兩端電壓進(jìn)一步下降到負(fù)值，直至第二二極管D2、第五二極管D5導(dǎo)通，使第二電容C2、第五電容C5兩端的電壓被箝位至一個(gè)二極管壓降(可近似認(rèn)為是零)。二極管導(dǎo)通之后，相當(dāng)于第一電容Cl、第二電容C2、第五電容C5、第六電容C6全都被二極管短路，諧振頻率仍然由第一諧振電感Lrl、第一諧振電容Crl決定，下降到一個(gè)相對(duì)于死區(qū)時(shí)間來(lái)說(shuō)較低的水平。因此流過(guò)第一諧振電感Lrl中的電流Irp的變化會(huì)再次變的緩慢，一直維持在一個(gè)較低的正值，直至死區(qū)結(jié)束，下一刻第二電子開(kāi)關(guān)S2和第五電子開(kāi)關(guān)S5導(dǎo)通。注意，由于二極管箝位的原因，第二電容C2、第五電容C5兩端的電壓也就是第二電子開(kāi)關(guān)S2和第五電子開(kāi)關(guān)S5兩端的電壓始終保持在接近零的水平，即第二電子開(kāi)關(guān)S2和第五電子開(kāi)關(guān)S5實(shí)現(xiàn)了零電壓開(kāi)啟。
[0047](四)第四工作狀態(tài):第二電子開(kāi)關(guān)S2和第五電子開(kāi)關(guān)S5導(dǎo)通，第一電子開(kāi)關(guān)SI和第六電子開(kāi)關(guān)S6截止，次級(jí)整流管導(dǎo)通，與第一工作狀態(tài)類似，不過(guò)電流反相而已。
[0048](五)第五工作狀態(tài):第二電子開(kāi)關(guān)S2和第五電子開(kāi)關(guān)S5導(dǎo)通，第一電子開(kāi)關(guān)SI和第六電子開(kāi)關(guān)S6截止，次級(jí)整流管截止，與第二工作狀態(tài)類似。
[0049](六)第六工作狀態(tài):再次進(jìn)入死區(qū)，所有電子開(kāi)關(guān)都關(guān)閉，一個(gè)完整的高頻周期結(jié)束，如此周而復(fù)始，循環(huán)工作。
[0050]綜上可知，整個(gè)工作過(guò)程中，所有的電子開(kāi)關(guān)都可以實(shí)現(xiàn)零電壓開(kāi)啟和關(guān)斷，而整流二極管則可以實(shí)現(xiàn)零電流關(guān)斷。
[0051]二、本實(shí)用新型在進(jìn)行逆向功率傳輸即能量從第二直流電源Vdc2向第一直流電源Vdcl傳輸時(shí)，工作原理與能量從第一直流電源Vdcl向第二直流電源Vdc2傳輸時(shí)完全相同，不同點(diǎn)是此時(shí)第一電子開(kāi)關(guān)S1、第二電子開(kāi)關(guān)S2、第五電子開(kāi)關(guān)S5、第六電子開(kāi)關(guān)S6保持?jǐn)嚅_(kāi)，第三電子開(kāi)關(guān)S3、第四電子開(kāi)關(guān)S4、第七電子開(kāi)關(guān)S7、第八電子開(kāi)關(guān)S8尚頻工作，等效電路原理圖如圖5所示。
【權(quán)利要求】
1.一種雙向隔離直流-直流變換器，包括原邊逆變/整流電路、高頻變壓器(Tl)、副邊整流/逆變電路，其特征在于:所述的原邊逆變/整流電路與副邊整流/逆變電路結(jié)構(gòu)相同且以高頻變壓器(Tl)為中心對(duì)稱設(shè)置，其中， 原邊逆變/整流電路包括第一電子開(kāi)關(guān)(SI)、第二電子開(kāi)關(guān)(S2)、第五電子開(kāi)關(guān)(S5)、第六電子開(kāi)關(guān)(S6)、第一濾波電容(CDl)，第一濾波電容(CDl)與第一直流電源(Vdcl)并聯(lián)，第一直流電源(Vdcl)的負(fù)極與保護(hù)地(PGND)連接，第一電子開(kāi)關(guān)(SI)和第五電子開(kāi)關(guān)(S5)串聯(lián)后并聯(lián)在第一直流電源(Vdcl)的正負(fù)極之間，第二電子開(kāi)關(guān)(S2)和第六電子開(kāi)關(guān)(S6)串聯(lián)后也并聯(lián)在第一直流電源(Vdcl)的正負(fù)極之間，第一電子開(kāi)關(guān)(SI)和第五電子開(kāi)關(guān)(S5)的中點(diǎn)依次串聯(lián)第一諧振電感(Lrl)和第一諧振電容(Crl)后與高頻變壓器(Tl)原邊激磁電感(Lml)的一端連接，第二電子開(kāi)關(guān)(S2)和第六電子開(kāi)關(guān)(S6)的中點(diǎn)與高頻變壓器(Tl)原邊激磁電感(Lml)的另一端連接，第一二極管(Dl)并聯(lián)在第一電子開(kāi)關(guān)(SI)兩端，第一電容(Cl)并聯(lián)在第一二極管(Dl)兩端，第二二極管(D2)并聯(lián)在第二電子開(kāi)關(guān)(S2)兩端，第二電容(C2)并聯(lián)在第二二極管(D2)兩端，第五二極管(D5)并聯(lián)在第五電子開(kāi)關(guān)(S5)兩端，第五電容(C5)并聯(lián)在第五二極管(D5)兩端，第六二極管(D6)并聯(lián)在第六電子開(kāi)關(guān)(S6)兩端，第六電容(C6)并聯(lián)在第六二極管(D6)兩端，第一二極管(Dl)和第二二極管(D2)的負(fù)極都與第一直流電源(Vdcl)的正極連接，第五二極管(D5)和第六二極管(D6)的正極都與第一直流電源(Vdcl)的負(fù)極連接； 副邊整流/逆變電路包括第四電子開(kāi)關(guān)(S4)、第三電子開(kāi)關(guān)(S3)、第八電子開(kāi)關(guān)(S8)、第七電子開(kāi)關(guān)(S7)、第二濾波電容(CD2)，第二濾波電容(CD2)與第二直流電源(Vdc2)并聯(lián)，第二直流電源(Vdc2)的負(fù)極與信號(hào)地(SGND)連接，第四電子開(kāi)關(guān)(S4)和第八電子開(kāi)關(guān)(S8)串聯(lián)后并聯(lián)在第二直流電源(Vdc2)的正負(fù)極之間，第三電子開(kāi)關(guān)(S3)和第七電子開(kāi)關(guān)(S7)串聯(lián)后也并聯(lián)在第二直流電源(Vdc2)的正負(fù)極之間，第四電子開(kāi)關(guān)(S4)和第八電子開(kāi)關(guān)(S8)的中點(diǎn)依次串聯(lián)第二諧振電感(Lr2)和第二諧振電容(Cr2)后與高頻變壓器(Tl)副邊激磁電感(Lm2)的一端連接，第三電子開(kāi)關(guān)(S3)和第七電子開(kāi)關(guān)(S7)的中點(diǎn)與高頻變壓器(Tl)副邊激磁電感(Lm2)的另一端連接，第四二極管(D4)并聯(lián)在第四電子開(kāi)關(guān)(S4)兩端，第四電容(C4)并聯(lián)在第四二極管(D4)兩端，第三二極管(D3)并聯(lián)在第三電子開(kāi)關(guān)(S3)兩端，第三電容(C3)并聯(lián)在第三二極管(D3)兩端，第八二極管(D8)并聯(lián)在第八電子開(kāi)關(guān)(S8)兩端，第八電容(CS)并聯(lián)在第八二極管(D8)兩端，第七二極管(D7)并聯(lián)在第七電子開(kāi)關(guān)(S7)兩端，第七電容(C7)并聯(lián)在第七二極管(D7)兩端，第三二極管(D3)和第四二極管(D4)的負(fù)極都與第二直流電源(Vdc2)的正極連接，第七二極管(D7)和第八二極管(D8)的正極都與第二直流電源(Vdc2)的負(fù)極連接。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種雙向隔離直流-直流變換器，其特征在于:所述的第一電子開(kāi)關(guān)(SI)、第二電子開(kāi)關(guān)(S2)、第三電子開(kāi)關(guān)(S3)、第四電子開(kāi)關(guān)(S4)、第五電子開(kāi)關(guān)(S5)、第六電子開(kāi)關(guān)(S6)、第七電子開(kāi)關(guān)(S7)、第八電子開(kāi)關(guān)(S8)都是絕緣柵雙極型晶體管IGBT、金屬氧化物半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)晶體管MOS、或碳化硅金屬氧化物半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)晶體管SiC-MOS中的一種。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種雙向隔離直流-直流變換器，其特征在于:所述的第一二極管(Dl)、第二二極管(D2)、第三二極管(D3)、第四二極管(D4)、第五二極管(D5)和第六二極管(D6)、第七二極管(D7)、第八二極管(D8)都是硅Si半導(dǎo)體二極管、或碳化硅SiC半導(dǎo)體二極管。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種雙向隔離直流-直流變換器，其特征在于:所述的第一二極管(Dl)、第二二極管(D2)、第三二極管(D3)、第四二極管(D4)、第五二極管(D5)和第六二極管(D6)、第七二極管(D7)、第八二極管(D8)都是絕緣柵雙極型晶體管IGBT或金屬氧化物半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)晶體管MOS的寄生或集成的體二極管。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種雙向隔離直流-直流變換器，其特征在于:所述的第一電容(Cl)、第二電容(C2)、第三電容(C3)、第四電容(C4)、第五電容(C5)、第六電容(C6)、第七電容(C7)、第八電容(C8)都是獨(dú)立的電容器、或者是相應(yīng)電子開(kāi)關(guān)的寄生電容。
【文檔編號(hào)】H02M3/315GK204244077SQ201420838217
【公開(kāi)日】2015年4月1日 申請(qǐng)日期:2014年12月25日 優(yōu)先權(quán)日:2014年12月25日
【發(fā)明者】田超, 張逾良 申請(qǐng)人:石家莊通合電子科技股份有限公司