CN103929064A - 一种隔离双向dc/dc变换器及其控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种隔离双向DC/DC变换器，包含第一输入/输出源、第二输入/输出源、第一调制/整流单元、第二调制/整流单元、第一谐振电容、第二谐振电容以及高频隔离变压器。本发明还公开了一种控制该变换器的控制方法。本发明创造性地在变压器原副两边增加电容，根据变压器的等效模型，将变压器两边的电感和电容可以等效到一边，利用变压器的漏感和电容构成串联谐振，实现变压器原边调制器件的零电压开关和副边整流器件的零电流开关，降低开关器件的损耗，提高效率。

Description

一种隔离双向DC/DC变换器及其控制方法

技术领域

本发明属于电力变换技术领域，特别涉及了一种隔离双向DC/DC变换器及其控制方法。

背景技术

大部分的直流变换器只需要实现单方向的功率变换，即由高压侧向低压侧降压的过程，或者由低压侧向高压侧升压的过程。而随着绿色可再生能源、电动汽车等应用领域不断发展，迫切需要双向直流变换技术来实现能量的双向流动。

由于普通的光伏并网逆变器白天集中并网发电而夜晚没有能量提供，不能起到削峰平谷调节电网的作用。而储能型并网逆变器就能够起到削峰平谷的作用，随着储能型的光伏并网逆变器将会在未来越来越广泛的应用。在储能型的光伏逆变器系统中，有两个直流输入系统，分别为电池输入和光伏面板直流输入，二者通过直流母线电压系统联系起来。电池为低压侧。通常为了满足并网逆变要求，直流母线电压为高压侧。当电池放电时，需要将电池的低压升高到母线电压值。而在需要使用母线电压的能量为电池充电时，则需要将母线的高压降低到电池电压。对于这种需要能量双向流动的场合，如果仍使用单向DC/DC变换器，则需要两个单向DC/DC变换器反方向并联使用，这样的做法虽然可以达到能量双向流动的目的，但总体电路会变得非常复杂。双向DC/DC变换器则可以非常方便地实现能量的双向传输，使用的电子器件数目少，具有效率高、体积小和成本低等优势。

发明内容

为了解决上述背景技术存在的技术问题，本发明旨在提供一种隔离双向DC/DC变换器及其控制方法，实现能量的双向传输时调制器件和整流器件的软开关，提高双变换器的效率。

为了实现上述技术目的，本发明的技术方案为：

一种隔离双向DC/DC变换器，包含第一输入/输出源、第二输入/输出源、第一调制/整流单元、第二调制/整流单元、第一谐振电容、第二谐振电容以及高频隔离变压器；所述第一输入/输出源和第二输入/输出源均包含正信号源和负信号源，第一调制/整流单元和第二调制整流单元均包含第一～第四端，所述高频隔离变压器包含变压器漏感、励磁电感以及变压器，变压器的原边和副边均包含第一端和第二端，变压器原边的第一端经依次串联的变压器漏感和第一谐振电容与第一调制/整流单元的第三端连接，变压器原边的第二端与第一调制/整流单元的第四端连接，变压器副边的第一端经第二谐振电容与第二调制/整流单元的第三端连接，变压器副边的第二端与第二调制/整流单元的第四端连接，谐振电感的一端连接变压器原边的第一端，谐振电感的另一端连接变压器原边的第二端，第一调制/整流单元的第一端连接第一输入/输出源的正信号源，第一调制/整流单元的第二端连接第一输入/输出源的负信号源，第二调制/整流单元的第一端连接第二输入/输出源的正信号源，第二调制/整流单元的第二端连接第二输入/输出源的负信号源。

其中，该变换器还包含第一滤波电容和第二滤波电容，第一滤波电容的一端连接第一输入/输出源的正信号源，它的另一端连接第一输入/输出源的负信号源，第二滤波电容的一端连接第二输入/输出源的正信号源，第二滤波电容的另一端连接第二输入/输出源的负信号源。

其中，第一调制/整流单元包含第一～第四开关管，第一开关管的漏极连接第二开关管的漏极，第三开关管的源极连接第四开关管的源极，第一开关管的源极连接第三开关管的漏极，第二开关管的源极连接第四开关管的漏极，第一开关管的漏极作为第一调制/整流单元的第一端，第四开关管的源极作为第一调制/整流单元的第二端，第一开关管的源极作为第一调制/整流单元的第三端，第四开关管的漏极作为第一调制/整流单元的第四端；第二调制/整流单元包含第五～第八开关管，第五开关管的漏极连接第六开关管的漏极，第七开关管的源极连接第八开关管的源极，第五开关管的源极连接第七开关管的漏极，第六开关管的源极连接第八开关管的漏极，第五开关管的漏极作为第二调制/整流单元的第一端，第八开关管的源极作为第二调制/整流单元的第二端，第五关管的源极作为第二调制/整流单元的第三端，第八开关管的漏极作为第二调制/整流单元的第四端；第一～第八开关管均内置寄生二极管，寄生二极管的阳极连接相应开关管的源极，寄生二极管的阴极连接相应开关管的漏极。其中，第一～第八开关管均为MOSFET。

本发明还提供了用于控制上述一种隔离双向DC/DC变换器的方法，当能量从第一输入/输出源流向第二输入/输出源时，第二调制/整流单元的四个开关管均关闭，第一调制/整流单元的第一开关管和第四开关管同时导通或者关断，第一调制/整流单元的第二开关管和第三开关管同时导通或者关断，且第一开关管与第二开关管是互补导通的；当能量从第二输入/输出源流向第一输入/输出源时，第一调制/整流单元的四个开关管均关闭，第二调制/整流单元的第五开关管和第八开关管同时导通或者关断，第二调制/整流单元的第六开关管和第七开关管同时导通或者关断，且第五开关管与第六开关管是互补导通的；第一～第八开关管的占空比均为50%。

采用上述技术方案带来的有益效果是：

本发明通过改变电路的结构，创造性地在变压器原副两边增加电容，根据变压器的等效模型，将变压器两边的电感和电容可以等效到一边，利用变压器的漏感和电容构成串联谐振，使变换器的调制器件和整流器件在能量的双向传递中都能够实现变压器原边调制器件的零电压开关和副边整流器件的零电流开关，降低了功率器件在整个工作过程中的损耗，实现了提高双向隔离DC/DC变换器的效率的目的。而且本发明的电路结构简单，器件数量少，体积小。

附图说明

图1是本发明的结构示意图；

图2是本发明的能量逆向流动的等效结构示意图；

图3是本发明的电路工作波形图。

附图中的主要符号说明：Cr1：第一谐振电容，Cr2：第二谐振电容，Lr：变压器漏感，Lm：谐振电感，C1为第一滤波电容，C2为第二滤波电容，S1～S8为第一～第八开关管

具体实施方式

以下将结合附图，对本发明的技术方案进行详细说明。

如图1所示本发明的能量正向流动的结构示意图，一种隔离双向DC/DC变换器，包含第一输入/输出源、第二输入/输出源、第一调制/整流单元、第二调制/整流单元、第一谐振电容Cr1、第二谐振电容Cr2以及高频隔离变压器。第一输入/输出源和第二输入/输出源均包含正信号源和负信号源，第一调制/整流单元和第二调制整流单元均包含第一～第四端，所述高频隔离变压器包含变压器漏感Lr、励磁电感Lm以及变压器，变压器的原边和副边均包含第一端和第二端，变压器原边的第一端经依次串联的变压器漏感Lr和第一谐振电容Cr1与第一调制/整流单元的第三端连接，变压器原边的第二端与第一调制/整流单元的第四端连接，变压器副边的第一端经第二谐振电容Cr2与第二调制/整流单元的第三端连接，变压器副边的第二端与第二调制/整流单元的第四端连接，谐振电感Lm的一端连接变压器原边的第一端，谐振电感Lm的另一端连接变压器原边的第二端，第一调制/整流单元的第一端连接第一输入/输出源的正信号源，第一调制/整流单元的第二端连接第一输入/输出源的负信号源，第二调制/整流单元的第一端连接第二输入/输出源的正信号源，第二调制/整流单元的第二端连接第二输入/输出源的负信号源。

其中，该变换器还包含第一滤波电容C1和第二滤波电容C2，第一滤波电容C1的一端连接第一输入/输出源的正信号源，它的另一端连接第一输入/输出源的负信号源，第二滤波电容C2的一端连接第二输入/输出源的正信号源，第二滤波电容C2的另一端连接第二输入/输出源的负信号源。

其中，第一调制/整流单元包含第一～第四开关管S1～S4，第一开关管S1的漏极连接第二开关管S2的漏极，第一开关管S1的源极连接第二开关管S2的栅极，第三开关管S3的源极连接第四开关管S4的源极，第三开关管S3的源极连接第四开关管S4的栅极，第一开关管S1的源极连接第三开关管S3的漏极，第二开关管S2的源极连接第四开关管S4的漏极，第一开关管S1的漏极作为第一调制/整流单元的第一端，第四开关管S4的源极作为第一调制/整流单元的第二端，第一开关管S1的源极作为第一调制/整流单元的第三端，第四开关管S4的漏极作为第一调制/整流单元的第四端，所述第一～第四开关管S1～S4均内置寄生二极管，寄生二极管的阳极连接相应开关管的源极，寄生二极管的阴极连接相应开关管的漏极。上述开关管均为MOSFET。

本发明还包括了用于控制上述一种隔离双向DC/DC变换器的方法，当当能量从第一输入/输出源流向第二输入/输出源时，第二调制/整流单元的四个开关管均关闭，第一调制/整流单元的第一开关管和第四开关管同时导通或者关断，第一调制/整流单元的第二开关管和第三开关管同时导通或者关断，且第一开关管与第二开关管是互补导通的；当能量从第二输入/输出源流向第一输入/输出源时，第一调制/整流单元的四个开关管均关闭，第二调制/整流单元的第五开关管和第八开关管同时导通或者关断，第二调制/整流单元的第六开关管和第七开关管同时导通或者关断，且第五开关管与第六开关管是互补导通的；第一～第八开关管的占空比均为50%。

在本实施例中，将该变换器运用在储能型的光伏逆变器系统中，将直流母线电压作为本发明的第一输入/输出源，将电池作为本发明的第二输入/输出源，变压器的原副边匝数比为n：1，n﹥1。如图1所示本发明的能量正向流动示意图，当能量从左向右流动时，即从直流母线电压流向电池，第一调制/整流单元中的开关管起高频调制作用，第二调制/整流单元中的寄生二极管起整流作用。根据变压器的等效分析，第二谐振电容Cr2等效到原边是n^2*Cr2，和第一谐振电容Cr1串联成谐振电容，谐振电容和漏感Lr构成LC串联谐振，谐振频率是：同理，如图2所示本发明的能量逆向流动示意图，当能量从右向左流动时，即从电池流向直流母线电压，第二调制/整流单元中的开关管起高频调制作用，第一调制/整流单元中的寄生二极管起整流作用，第一谐振电容Cr1等效到副边是Cr1/n^2，和第二谐振电容Cr2串联成谐振电容，变压器漏感Lr等效到副边是Lr/n^2，谐振电容和漏感Lr/n^2构成串联谐振，谐振频率是： $f_s=\frac{1}{2\mathrm{\π}\sqrt{\frac{L_r}{n^2}\×\left(\frac{C_{r2}\×\frac{C_{r1}}{n^2}}{C_{r2}+\frac{C_{r1}}{n^2}}\right)}},$ 整理后，也得到， $f_s=\frac{1}{2\mathrm{\π}\sqrt{\mathrm{Lr}\×\left(\frac{C_{r1}\×n^2\×C_{r2}}{C_{r1}+n^2\×C_{r2}}\right)}}.$ 可知，能量双向传递时的谐振频率一致，即能量双向工作时的工作频率相同。

如图3所示本发明的电路工作波形图，其中，Im为变压器励磁电感的电流，Ir为变压器漏感的谐振电流，Is为变压器副边的电流，PWM1为能量从左向右流动时，第一调制/整流单元的第一开光管和第四开关管的占空比，PWM2为能量从左向右流动时，第一调制/整流单元的第二开光管和第三开关管的占空比，从图3可以看出，整个工作过程都实现调制器件的零电压开通和副边整流器件的零电流关断，从而达到很高的效率。

以上实施例仅为说明本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本发明保护范围之内。

Claims (5)

1.一种隔离双向DC/DC变换器，其特征在于：包含第一输入/输出源、第二输入/输出源、第一调制/整流单元、第二调制/整流单元、第一谐振电容、第二谐振电容以及高频隔离变压器；所述第一输入/输出源和第二输入/输出源均包含正信号源和负信号源，第一调制/整流单元和第二调制整流单元均包含第一～第四端，所述高频隔离变压器包含变压器漏感、励磁电感以及变压器，变压器的原边和副边均包含第一端和第二端，变压器原边的第一端经依次串联的变压器漏感和第一谐振电容与第一调制/整流单元的第三端连接，变压器原边的第二端与第一调制/整流单元的第四端连接，变压器副边的第一端经第二谐振电容与第二调制/整流单元的第三端连接，变压器副边的第二端与第二调制/整流单元的第四端连接，谐振电感的一端连接变压器原边的第一端，谐振电感的另一端连接变压器原边的第二端，第一调制/整流单元的第一端连接第一输入/输出源的正信号源，第一调制/整流单元的第二端连接第一输入/输出源的负信号源，第二调制/整流单元的第一端连接第二输入/输出源的正信号源，第二调制/整流单元的第二端连接第二输入/输出源的负信号源。

2.根据权利要求1所述一种隔离双向DC/DC变换器，其特征在于：该变换器还包含第一滤波电容和第二滤波电容，第一滤波电容的一端连接第一输入/输出源的正信号源，它的另一端连接第一输入/输出源的负信号源，第二滤波电容的一端连接第二输入/输出源的正信号源，第二滤波电容的另一端连接第二输入/输出源的负信号源。

3.根据权利要求1所述一种隔离双向DC/DC变换器，其特征在于：所述第一调制/整流单元包含第一～第四开关管，第一开关管的漏极连接第二开关管的漏极，第三开关管的源极连接第四开关管的源极，第一开关管的源极连接第三开关管的漏极，第二开关管的源极连接第四开关管的漏极，第一开关管的漏极作为第一调制/整流单元的第一端，第四开关管的源极作为第一调制/整流单元的第二端，第一开关管的源极作为第一调制/整流单元的第三端，第四开关管的漏极作为第一调制/整流单元的第四端；所述第二调制/整流单元包含第五～第八开关管，第五开关管的漏极连接第六开关管的漏极，第七开关管的源极连接第八开关管的源极，第五开关管的源极连接第七开关管的漏极，第六开关管的源极连接第八开关管的漏极，第五开关管的漏极作为第二调制/整流单元的第一端，第八开关管的源极作为第二调制/整流单元的第二端，第五关管的源极作为第二调制/整流单元的第三端，第八开关管的漏极作为第二调制/整流单元的第四端；所述第一～第八开关管均内置寄生二极管，寄生二极管的阳极连接相应开关管的源极，寄生二极管的阴极连接相应开关管的漏极。

4.根据权利要求3所述一种隔离双向DC/DC变换器，其特征在于：所述第一～第八开关管均为MOSFET。

5.用于控制权利要求3或4所述一种隔离双向DC/DC变换器的方法，其特征在于：当能量从第一输入/输出源流向第二输入/输出源时，第二调制/整流单元的四个开关管均关闭，第一调制/整流单元的第一开关管和第四开关管同时导通或者关断，第一调制/整流单元的第二开关管和第三开关管同时导通或者关断，且第一开关管与第二开关管是互补导通的；当能量从第二输入/输出源流向第一输入/输出源时，第一调制/整流单元的四个开关管均关闭，第二调制/整流单元的第五开关管和第八开关管同时导通或者关断，第二调制/整流单元的第六开关管和第七开关管同时导通或者关断，且第五开关管与第六开关管是互补导通的；第一～第八开关管的占空比均为50%。