CN104022675A - 单级双向隔离ac-dc变换器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了三种结构的单级双向隔离AC-DC变换器，属于电力电子变换器领域。所述三种变换器的结构均由单相交流源、直流源、Boost电感、移相电感、母线电容、变压器、原副边功率开关管等组成。通过在桥臂中点连接Boost电感，实现了双向Boost PFC变换器与桥式双向变换器的集成，单级功率变换即可实现PFC+隔离DC-DC变换两种功能，且能量可双向流动。本发明具有功率损耗小、变换效率高、开关损耗小、能实现能量双向流动等优点，尤其适用于V2G和电网-蓄电池储能系统中。

Description

单级双向隔离AC-DC变换器

技术领域

本发明涉及电力电子领域，特别涉及一种适用于V2G和电网—蓄电池储能等系统中的AC-DC变换器。

背景技术

为了应对资源短缺和环境污染对电力系统发展提出的严峻挑战，智能电网技术得到了各国电力行业的广泛关注。与此同时，电动汽车作为一种绿色交通工具已成为汽车工业发展的必然趋势。总体来说，大规模电动汽车接入电网，一方面从负荷增长、系统稳定性等方面给电力系统带来了挑战；另一方面，从电能消费占终端能源消费比重、提高电网设备利用率等方面给电力系统带来了新的机遇。除具有负荷特性外，电动汽车可以作为分布式储能装置为电力系统提供服务，从而提高发电效率，提高电力传输的可靠性，提高可再生能源发电接入能力，这就是近年来得到广泛关注的V2G(vehicle-to-grid)的概念。作为电动汽车与电网能量交互的接口，充放电机是实现移动储能功能的基础，其可靠性、安全性、经济性，以及效率、重量、体积、谐波等诸多因素都影响良好互动的实现。

单相隔离AC-DC变换器广泛应用于电动汽车/混合电动汽车充电和不间断电源(uninterruptible power supply，UPS)等系统中，其中像V2G或者蓄电池储能等这些应用场合需要双向功率流动，这时就需要双向的单相隔离AC-DC变换器。

传统的解决方法是一级Boost功率因数校正(power factor correction，PFC)电路级联一级高频隔离DC-DC变换器，比如双半桥(dual half bridge，DHB)，双有源桥(dual active bridge，DAB)或直流谐振变换器。单相交流电源的功率需要被变换两次才能到输出端口，功率损耗较大，变换器的体积也较大，不利于变换器的高效率、高功率密度等性能的实现。

发明内容

为了克服现有技术中存在的上述问题，本发明提出了三种功率损耗小、开关损耗小、并能实现能量双向流动的单级双向隔离AC-DC变换器。

为实现上述目的，本发明采取以下技术方案：

第一种单级双向隔离AC-DC变换器，包括原边单相交流电源u_in、副边直流电源V_o、第一工频功率开关管S_m1、第二工频功率开关管S_m2、第一原边功率开关管S_p1、第二原边功率开关管S_p2、第三原边功率开关管S_p3、第四原边功率开关管S_p4、第一副边功率开关管S_s1、第二副边功率开关管S_s2、第三副边功率开关管S_s3、第四副边功率开关管S_s4、第一Boost电感L_b1、第二Boost电感L_b2、母线电容C_bus、高频两绕组变压器T、移相电感L_r和输出电容C_o；

其中，移相电感L_r包含高频两绕组变压器T的漏感；第一工频功率开关管S_m1的源极与第二工频功率开关管S_m2的漏极相连，组成一个原边工频桥臂；第一原边功率开关管S_p1的源极与第二原边功率开关管S_p2的漏极相连，组成原边超前高频桥臂，桥臂中点为b点；第三原边功率开关管S_p3的源极与第四原边功率开关管S_p4的漏极相连，组成原边滞后高频桥臂，桥臂中点为a点；原边工频桥臂、原边超前高频桥臂、原边滞后高频桥臂和母线电容C_bus并联连接；第一Boost电感L_b1的一端连接到原边滞后高频桥臂的a点，第二Boost电感L_b2的一端连接到原边超前高频桥臂的b点，第一Boost电感L_b1的另一端与第二Boost电感L_b2的另一端一起连接到原边单相交流电源u_in的一端，原边单相交流电源u_in的另一端连接到第一工频开关管S_m1的源极；移相电感L_r的一端连接到原边滞后高频桥臂的a点，另一端与高频两绕组变压器T原边绕组的同名端相连接；高频两绕组变压器T原边绕组的非同名端连接到原边超前高频桥臂的b点；

第一副边功率开关管S_s1的源极与第二副边功率开关管S_s2的漏极相连，组成副边超前高频桥臂，桥臂中点为c点；第三副边功率开关管S_p3的源极与第四副边功率开关管S_p4的漏极相连，组成副边滞后高频桥臂，桥臂中点为d点；

高频两绕组变压器T副边绕组的同名端连接到副边滞后高频桥臂的d点，高频两绕组变压器T副边绕组的非同名端连接到副边超前高频桥臂的c点；副边超前高频桥臂、副边滞后高频桥臂和输出电容C_o并联连接；

第一副边功率开关管S_s1的漏极、第三副边功率开关管S_s3的漏极分别与副边直流电源V_o的正极相连；第二副边功率开关管S_s2的源极、第四副边功率开关管S_s4的源极分别与副边直流电源V_o的负极相连。

第二种单级双向隔离AC-DC变换器，包括原边单相交流电源u_in、副边直流电源V_o、第一工频功率开关管S_m1、第二工频功率开关管S_m2、第一原边功率开关管S_p1、第二原边功率开关管S_p2、第一副边功率开关管S_s1、第二副边功率开关管S_s2、第三副边功率开关管S_s3、第四副边功率开关管S_s4、Boost电感L_b、第一原边母线电容C_bus1、第二原边母线电容C_bus2、高频两绕组变压器T、移相电感L_r和输出电容C_o；

其中，移相电感L_r包含高频两绕组变压器T的漏感；第一工频功率开关管S_m1的源极与第二工频功率开关管S_m2的漏极相连，组成一个原边工频桥臂；第一原边功率开关管S_p1的源极与第二原边功率开关管S_p2的漏极相连，组成原边超前高频桥臂，桥臂中点为b点；第一原边母线电容C_bus1的一端与第二原边母线电容C_bus2的一端相连，组成原边滞后高频桥臂，桥臂中点为a点；第一原边母线电容C_bus1的另一端与第一工频功率开关管S_m1的漏极、第一原边功率开关管S_p1的漏极连接在一起，第二原边母线电容C_bus2的另一端与第二工频功率开关管S_m2的源极、第二原边功率开关管S_p2的源极连接在一起；

第一原边母线电容C_bus1的另一端分别与第一工频功率开关管S_m1的漏极、第一原边功率开关管S_p1的漏极相连；第二原边母线电容C_bus2的另一端分别与第二工频功率开关管S_m2的源极、第二原边功率开关管S_p2的源极相连；

原边单相交流电源u_in的一端与第一工频开关管S_m1的源极相连，另一端与Boost电感L_b的一端相连；Boost电感L_b的另一端连接到原边超前高频桥臂的b点；移相电感L_r的一端连接到原边滞后高频桥臂的a点，另一端与高频两绕组变压器T原边绕组的同名端相连；高频两绕组变压器T原边绕组的非同名端连接到原边超前高频桥臂的b点；

第一副边功率开关管S_s1的源极与第二副边功率开关管S_s2的漏极相连，组成副边超前高频桥臂，桥臂中点为c点；第三副边功率开关管S_p3的源极与第四副边功率开关管S_p4的漏极相连，组成副边滞后高频桥臂，桥臂中点为d点；高频两绕组变压器T副边绕组的同名端连接到副边滞后高频桥臂的d点，高频两绕组变压器T副边绕组的非同名端连接到副边超前高频桥臂的c点；副边超前高频桥臂、副边滞后高频桥臂和输出电容C_o并联连接；

第一副边功率开关管S_s1的漏极、第三副边功率开关管S_s3的漏极分别与副边直流电源V_o的正极相连；第二副边功率开关管S_s2的源极、第四副边功率开关管S_s4的源极分别与副边直流电源V_o的负极相连。

第三种单级双向隔离AC-DC变换器，包括原边单相交流电源u_in、副边直流电源V_o、第一工频功率开关管S_m1、第二工频功率开关管S_m2、第一原边功率开关管S_p1、第二原边功率开关管S_p2、第三原边功率开关管S_p3、第四原边功率开关管S_p4、第五原边功率开关管S_p5、第六原边功率开关管S_p6、第一副边功率开关管S_s1、第二副边功率开关管S_s2、第三副边功率开关管S_s3、第四副边功率开关管S_s4、第五副边功率开关管S_s5、第六副边功率开关管S_s6、第一Boost电感L_ba、第二Boost电感L_bb、第三Boost电感L_bc、母线电容C_bus、高频三相变压器T、a相移相电感L_pa、b相移相电感L_pb、c相移相电感L_pc、输出电容C_o；

其中，a相移相电感L_pa、b相移相电感L_pb、c相移相电感L_pc包含高频三相变压器T的漏感；第一工频功率开关管S_m1的源极与第二工频功率开关管S_m2的漏极相连，组成一个原边工频桥臂；第一原边功率开关管S_p1的源极与第二原边功率开关管S_p2的漏极相连，组成原边c相桥臂；第三原边功率开关管S_p3的源极与第四原边功率开关管S_p4的漏极相连，组成原边b相桥臂；第五原边功率开关管S_p5的源极与第六原边功率开关管S_p6的漏极相连，组成原边a相桥臂；原边工频桥臂、原边a相桥臂、原边b相桥臂、原边c相桥臂和母线电容C_bus并联连接；

第一Boost电感L_ba的一端与a相移相电感L_pa的一端连接，再共同连接到原边a相桥臂的第五原边功率开关管S_p5的源极，a相移相电感L_pa的另一端连接到高频三相变压器T的a相同名端；第二Boost电感L_bb的一端与b相移相电感L_pb的一端连接，再共同连接到原边b相桥臂的第三原边功率开关管S_p3的源极，b相移相电感L_pb的另一端连接到高频三相变压器T的b相同名端；第三Boost电感L_bc的一端与c相移相电感L_pc的一端连接，再共同连接到原边c相桥臂的第一原边功率开关管S_p1的源极，c相移相电感L_pc的另一端连接到高频三相变压器T的c相同名端；高频三相变压器T的a、b、c三相的非同名端连接在一起；第一Boost电感L_ba、第二Boost电感L_bb和第三Boost电感L_bc的另一端一起连接到原边单相交流电源u_in的一端，原边单相交流电源u_in的另一端分别连接到第一工频开关管S_m1的源极和第二工频开关管S_m2的漏极；

第一副边功率开关管S_s1的源极与第二副边功率开关管S_s2的漏极相连，组成副边w相桥臂；第三副边功率开关管S_s3的源极与第四副功率开关管S_s4的漏极相连，组成副边v相桥臂；第五副边功率开关管S_s5的源极与第六副边功率开关管S_s6的漏极相连，组成副边u相桥臂；第一副边功率开关管S_s1的漏极、第三副边功率开关管S_s3的漏极、第五副边功率开关管S_s5的漏极、输出电容C_o的一端都与副边直流电源V_o的正极相连，第二副边功率开关管S_s2的漏极、第四副边功率开关管S_s4的漏极、第六副边功率开关管S_s6的漏极、输出电容C_o的另一端都与副边直流电源V_o的负极相连；

第五副边功率开关管S_s5的源极连接到高频三相变压器T的u相同名端；第三副边功率开关管S_s3的源极连接到高频三相变压器T的v相同名端；第一副边功率开关管S_s1的源极连接到高频三相变压器T的w相同名端；高频三相变压器T的u相、v相和w相的非同名端连接在一起。

上述三种单级双向隔离AC-DC变换器中，所提及的母线电容C_bus、母线电容C_bus1、母线电容C_bus2均可换成直流电源，构成三端口变换器。

与现有技术相比，本发明具有如下优点：

1、将Boost PFC与双向隔离DC-DC变换器通过半桥或全桥或三相半桥集成在一起，构成一个单级的带PFC的双向隔离AC-DC变换器，单级功率变换，功率损耗小；

2、能实现功率器件的共享，功率变换级数少，减小变换器所用器件的数量，系统装置体积小，节省系统成本；

3、功率开关管可以实现ZVS软开关，开关损耗小，显著提高系统的变换效率和功率密度；

4、能实现能量的双向流动，既可以用作AC-DC变换器，又可以用作DC-AC逆变器，便于集中控制，可靠性高。

附图说明

图1是本发明第一种单级双向隔离AC-DC变换器的电路原理图；

图2是本发明第二种单级双向隔离AC-DC变换器的电路原理图；

图3是本发明第三种单级双向隔离AC-DC变换器的电路原理图；

图4是本发明第一种单级双向隔离AC-DC变换器的主要工作波形；

图5是本发明第一种单级双向隔离AC-DC变换器的各阶段等效电路图；

图中符号含义：u_in为原边单相交流电源、S_m1为第一工频功率开关管、S_m2为第二工频功率开关管、S_p1为第一原边功率开关管、S_p2为第二原边功率开关管、S_p3为第三原边功率开关管、S_p4为第四原边功率开关管、S_p5为第五原边功率开关管、S_p6为第六原边功率开关管、S_s1为第一副边功率开关管、S_s2为第二副边功率开关管、S_s3为第三副边功率开关管、S_s4为第四副边功率开关管、S_s5为第五副边功率开关管、S_s6为第六副边功率开关管、L_b1为第一Boost电感、L_b2为第二Boost电感、L_b3为第三Boost电感、C_bus为母线电容、C_bus1为第一原边母线电容、C_bus2为第二原边母线电容、L_r为移相电感、C_o为输出电容、V_o为副边直流电源、L_pa为a相移相电感、L_pb为b相移相电感、L_pc为c相移相电感。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步说明。

针对V2G和电网—蓄电池储能系统，本发明公开了三种单级双向隔离AC-DC变换器。所述三种变换器的结构均由单相交流源、直流源、Boost电感、移相电感、母线电容、变压器、原副边功率开关管等组成。通过在桥臂中点连接Boost电感，可以实现双向Boost PFC变换器与桥式双向变换器的集成，单级功率变换即可实现PFC+隔离DC-DC变换两种功能，且能量可双向流动。不仅共用了原边的功率开关管，而且所有功率开关管都可以实现ZVS软开关，变换效率高。

如附图1所示，所述的第一种单级双向隔离AC-DC变换器，包括原边单相交流电源u_in、副边直流电源V_o、第一工频功率开关管S_m1、第二工频功率开关管S_m2、第一原边功率开关管S_p1、第二原边功率开关管S_p2、第三原边功率开关管S_p3、第四原边功率开关管S_p4、第一副边功率开关管S_s1、第二副边功率开关管S_s2、第三副边功率开关管S_s3、第四副边功率开关管S_s4、第一Boost电感L_b1、第二Boost电感L_b2、母线电容C_bus、高频两绕组变压器T、移相电感L_r和输出电容C_o；

其中，移相电感L_r包含高频两绕组变压器T的漏感；第一工频功率开关管S_m1的源极与第二工频功率开关管S_m2的漏极相连，组成一个原边工频桥臂；第一原边功率开关管S_p1的源极与第二原边功率开关管S_p2的漏极相连，组成原边超前高频桥臂，桥臂中点为b点；第三原边功率开关管S_p3的源极与第四原边功率开关管S_p4的漏极相连，组成原边滞后高频桥臂，桥臂中点为a点；原边工频桥臂、原边超前高频桥臂、原边滞后高频桥臂和母线电容C_bus并联连接；第一Boost电感L_b1的一端连接到原边滞后高频桥臂的a点，第二Boost电感L_b2的一端连接到原边超前高频桥臂的b点，第一Boost电感L_b1的另一端与第二Boost电感L_b2的另一端一起连接到原边单相交流电源u_in的一端，原边单相交流电源u_in的另一端连接到第一工频开关管S_m1的源极；移相电感L_r的一端连接到原边滞后高频桥臂的a点，另一端与高频两绕组变压器T原边绕组的同名端相连接；高频两绕组变压器T原边绕组的非同名端连接到原边超前高频桥臂的b点；

第一副边功率开关管S_s1的源极与第二副边功率开关管S_s2的漏极相连，组成副边超前高频桥臂，桥臂中点为c点；第三副边功率开关管S_p3的源极与第四副边功率开关管S_p4的漏极相连，组成副边滞后高频桥臂，桥臂中点为d点；

高频两绕组变压器T副边绕组的同名端连接到副边滞后高频桥臂的d点，高频两绕组变压器T副边绕组的非同名端连接到副边超前高频桥臂的c点；副边超前高频桥臂、副边滞后高频桥臂和输出电容C_o并联连接；

第一副边功率开关管S_s1的漏极、第三副边功率开关管S_s3的漏极分别与副边直流电源V_o的正极相连；第二副边功率开关管S_s2的源极、第四副边功率开关管S_s4的源极分别与副边直流电源V_o的负极相连。

如附图2所示，所述的第二种单级双向隔离AC-DC变换器，包括原边单相交流电源u_in、副边直流电源V_o、第一工频功率开关管S_m1、第二工频功率开关管S_m2、第一原边功率开关管S_p1、第二原边功率开关管S_p2、第一副边功率开关管S_s1、第二副边功率开关管S_s2、第三副边功率开关管S_s3、第四副边功率开关管S_s4、Boost电感L_b、第一原边母线电容C_bus1、第二原边母线电容C_bus2、高频两绕组变压器T、移相电感L_r和输出电容C_o；

其中，移相电感L_r包含高频两绕组变压器T的漏感；第一工频功率开关管S_m1的源极与第二工频功率开关管S_m2的漏极相连，组成一个原边工频桥臂；第一原边功率开关管S_p1的源极与第二原边功率开关管S_p2的漏极相连，组成原边超前高频桥臂，桥臂中点为b点；第一原边母线电容C_bus1的一端与第二原边母线电容C_bus2的一端相连，组成原边滞后高频桥臂，桥臂中点为a点；第一原边母线电容C_bus1的另一端与第一工频功率开关管S_m1的漏极、第一原边功率开关管S_p1的漏极连接在一起，第二原边母线电容C_bus2的另一端与第二工频功率开关管S_m2的源极、第二原边功率开关管S_p2的源极连接在一起；

第一原边母线电容C_bus1的另一端分别与第一工频功率开关管S_m1的漏极、第一原边功率开关管S_p1的漏极相连；第二原边母线电容C_bus2的另一端分别与第二工频功率开关管S_m2的源极、第二原边功率开关管S_p2的源极相连；

原边单相交流电源u_in的一端与第一工频开关管S_m1的源极相连，另一端与Boost电感L_b的一端相连；Boost电感L_b的另一端连接到原边超前高频桥臂的b点；移相电感L_r的一端连接到原边滞后高频桥臂的a点，另一端与高频两绕组变压器T原边绕组的同名端相连；高频两绕组变压器T原边绕组的非同名端连接到原边超前高频桥臂的b点；

第一副边功率开关管S_s1的源极与第二副边功率开关管S_s2的漏极相连，组成副边超前高频桥臂，桥臂中点为c点；第三副边功率开关管S_p3的源极与第四副边功率开关管S_p4的漏极相连，组成副边滞后高频桥臂，桥臂中点为d点；高频两绕组变压器T副边绕组的同名端连接到副边滞后高频桥臂的d点，高频两绕组变压器T副边绕组的非同名端连接到副边超前高频桥臂的c点；副边超前高频桥臂、副边滞后高频桥臂和输出电容C_o并联连接；

第一副边功率开关管S_s1的漏极、第三副边功率开关管S_s3的漏极分别与副边直流电源V_o的正极相连；第二副边功率开关管S_s2的源极、第四副边功率开关管S_s4的源极分别与副边直流电源V_o的负极相连。

如附图3所示，所述的第三种单级双向隔离AC-DC变换器，包括原边单相交流电源u_in、副边直流电源V_o、第一工频功率开关管S_m1、第二工频功率开关管S_m2、第一原边功率开关管S_p1、第二原边功率开关管S_p2、第三原边功率开关管S_p3、第四原边功率开关管S_p4、第五原边功率开关管S_p5、第六原边功率开关管S_p6、第一副边功率开关管S_s1、第二副边功率开关管S_s2、第三副边功率开关管S_s3、第四副边功率开关管S_s4、第五副边功率开关管S_s5、第六副边功率开关管S_s6、第一Boost电感L_ba、第二Boost电感L_bb、第三Boost电感L_bc、母线电容C_bus、高频三相变压器T、a相移相电感L_pa、b相移相电感L_pb、c相移相电感L_pc、输出电容C_o；

其中，a相移相电感L_pa、b相移相电感L_pb、c相移相电感L_pc包含高频三相变压器T的漏感；第一工频功率开关管S_m1的源极与第二工频功率开关管S_m2的漏极相连，组成一个原边工频桥臂；第一原边功率开关管S_p1的源极与第二原边功率开关管S_p2的漏极相连，组成原边c相桥臂；第三原边功率开关管S_p3的源极与第四原边功率开关管S_p4的漏极相连，组成原边b相桥臂；第五原边功率开关管S_p5的源极与第六原边功率开关管S_p6的漏极相连，组成原边a相桥臂；原边工频桥臂、原边a相桥臂、原边b相桥臂、原边c相桥臂和母线电容C_bus并联连接；

第一Boost电感L_ba的一端与a相移相电感L_pa的一端连接，再共同连接到原边a相桥臂的第五原边功率开关管S_p5的源极，a相移相电感L_pa的另一端连接到高频三相变压器T的a相同名端；第二Boost电感L_bb的一端与b相移相电感L_pb的一端连接，再共同连接到原边b相桥臂的第三原边功率开关管S_p3的源极，b相移相电感L_pb的另一端连接到高频三相变压器T的b相同名端；第三Boost电感L_bc的一端与c相移相电感L_pc的一端连接，再共同连接到原边c相桥臂的第一原边功率开关管S_p1的源极，c相移相电感L_pc的另一端连接到高频三相变压器T的c相同名端；高频三相变压器T的a、b、c三相的非同名端连接在一起；第一Boost电感L_ba、第二Boost电感L_bb和第三Boost电感L_bc的另一端一起连接到原边单相交流电源u_in的一端，原边单相交流电源u_in的另一端分别连接到第一工频开关管S_m1的源极和第二工频开关管S_m2的漏极；

第一副边功率开关管S_s1的源极与第二副边功率开关管S_s2的漏极相连，组成副边w相桥臂；第三副边功率开关管S_s3的源极与第四副功率开关管S_s4的漏极相连，组成副边v相桥臂；第五副边功率开关管S_s5的源极与第六副边功率开关管S_s6的漏极相连，组成副边u相桥臂；第一副边功率开关管S_s1的漏极、第三副边功率开关管S_s3的漏极、第五副边功率开关管S_s5的漏极、输出电容C_o的一端都与副边直流电源V_o的正极相连，第二副边功率开关管S_s2的漏极、第四副边功率开关管S_s4的漏极、第六副边功率开关管S_s6的漏极、输出电容C_o的另一端都与副边直流电源V_o的负极相连；

第五副边功率开关管S_s5的源极连接到高频三相变压器T的u相同名端；第三副边功率开关管S_s3的源极连接到高频三相变压器T的v相同名端；第一副边功率开关管S_s1的源极连接到高频三相变压器T的w相同名端；高频三相变压器T的u相、v相和w相的非同名端连接在一起。

下面结合图4和图5对本发明第一种单级双向隔离AC-DC变换器的具体工作过程进行分析。

图4(a)为本发明第一种单级双向隔离AC-DC变换器在1.5个工频周期(30ms)内的主要工作波形，图4(b)为图4(a)的局部开关周期放大图。在工频正半周期，交流电压源u_in为正，第一工频开关管S_m1始终关断，第二工频开关管S_m2始终导通。在工频负半周期，交流电压源u_in为负，第一工频开关管S_m1始终导通，第二工频开关管S_m1始终关断。电感电流i_Lb1和i_Lb2为临界导通模式，二者交错并联，二者电流之和为交流电压源的输出电流，控制电感电流的开关周期平均值追踪交流电压源实时电压即可实现PFC。原副边两个全桥，连同变压器和移相电感，为一个传统的DAB双向隔离DC-DC变换器，通过对原副边移相角和占空比的控制，可以对输出电压进行控制，同时可以实现所有高频功率开关管(S_p1～S_p4、S_s1～S_s4)的ZVS软开关。工频开关管(S_m1、S_m2)的切换频率为50Hz工频，且在其开关动作处，电压电流均近似等于0，其为ZVZCS软开关。所以变换器的整体开关损耗很小，易于变换器的高频化和高功率密度实现。

由于工频周期远大于开关周期，所以在一个开关周期T_s内，可以近似认为母线电压V_bus保持恒定，即两个桥臂中点电压u_ab的幅值为恒值。在一个开关周期内，变换器共有6中开关模态，如图5所示。

(1)模态I(t₀～t₁)

在t₀之前，开关管S_p1、S_p4和S_s2均已经导通。t₀时刻，开关管S_s4导通，此时副边两桥臂中点电压u_cd变为0，而原边两桥臂中点电压u_ab为-V_bus，此阶段移相电感电流i_Lr线性下降，第一电感电流i_Lb1线性上升，第二电感电流i_Lb2线性下降。

(2)模态II(t₁～t₂)

t₁时刻，开关管S_s1导通，移相电感电流i_Lr为负，开关管S_s1可以实现ZVS开通。此阶段，副边两桥臂中点电压u_cd变为-nV_o，原边两桥臂中点电压u_ab仍为-V_bus，此阶段移相电感电流i_Lr线性上升，第一电感电流i_Lb1仍然线性上升，第二电感电流i_Lb2仍然线性下降。

(3)模态III(t₂～t₃)

t₂时刻，开关管S_p2、S_p3导通，由于此时第二电感电流i_Lb2＝0，而移相电感电流i_Lr<0，所以开关管S_p2、S_p3可以实现ZVS开通。此阶段，副边两桥臂中点电压u_cd仍为-nV_o，而原边两桥臂中点电压u_ab变为了V_bus，此阶段移相电感电流i_Lr线性上升，第一电感电流i_Lb1开始线性下降，第二电感电流i_Lb2开始线性上升。

t₀～t₃为变换器的半个开关工作周期，由于电路及控制的对称性，对于剩下的半个周期t₃～t₆，其工作原理相同，此处不再赘述。

Claims (4)

1.一种单级双向隔离AC-DC变换器，其特征在于：所述AC-DC变换器包括原边单相交流电源u_in、副边直流电源V_o、第一工频功率开关管S_m1、第二工频功率开关管S_m2、第一原边功率开关管S_p1、第二原边功率开关管S_p2、第三原边功率开关管S_p3、第四原边功率开关管S_p4、第一副边功率开关管S_s1、第二副边功率开关管S_s2、第三副边功率开关管S_s3、第四副边功率开关管S_s4、第一Boost电感L_b1、第二Boost电感L_b2、母线电容C_bus、高频两绕组变压器T、移相电感L_r和输出电容C_o；

其中，移相电感L_r包含高频两绕组变压器T的漏感；第一工频功率开关管S_m1的源极与第二工频功率开关管S_m2的漏极相连，组成一个原边工频桥臂；第一原边功率开关管S_p1的源极与第二原边功率开关管S_p2的漏极相连，组成原边超前高频桥臂，桥臂中点为b点；第三原边功率开关管S_p3的源极与第四原边功率开关管S_p4的漏极相连，组成原边滞后高频桥臂，桥臂中点为a点；原边工频桥臂、原边超前高频桥臂、原边滞后高频桥臂和母线电容C_bus并联连接；第一Boost电感L_b1的一端连接到原边滞后高频桥臂的a点，第二Boost电感L_b2的一端连接到原边超前高频桥臂的b点，第一Boost电感L_b1的另一端与第二Boost电感L_b2的另一端一起连接到原边单相交流电源u_in的一端，原边单相交流电源u_in的另一端连接到第一工频开关管S_m1的源极；移相电感L_r的一端连接到原边滞后高频桥臂的a点，另一端与高频两绕组变压器T原边绕组的同名端相连接；高频两绕组变压器T原边绕组的非同名端连接到原边超前高频桥臂的b点；

第一副边功率开关管S_s1的源极与第二副边功率开关管S_s2的漏极相连，组成副边超前高频桥臂，桥臂中点为c点；第三副边功率开关管S_p3的源极与第四副边功率开关管S_p4的漏极相连，组成副边滞后高频桥臂，桥臂中点为d点；

高频两绕组变压器T副边绕组的同名端连接到副边滞后高频桥臂的d点，高频两绕组变压器T副边绕组的非同名端连接到副边超前高频桥臂的c点；副边超前高频桥臂、副边滞后高频桥臂和输出电容C_o并联连接；

第一副边功率开关管S_s1的漏极、第三副边功率开关管S_s3的漏极分别与副边直流电源V_o的正极相连；第二副边功率开关管S_s2的源极、第四副边功率开关管S_s4的源极分别与副边直流电源V_o的负极相连。

2.一种单级双向隔离AC-DC变换器，其特征在于：所述AC-DC变换器包括原边单相交流电源u_in、副边直流电源V_o、第一工频功率开关管S_m1、第二工频功率开关管S_m2、第一原边功率开关管S_p1、第二原边功率开关管S_p2、第一副边功率开关管S_s1、第二副边功率开关管S_s2、第三副边功率开关管S_s3、第四副边功率开关管S_s4、Boost电感L_b、第一原边母线电容C_bus1、第二原边母线电容C_bus2、高频两绕组变压器T、移相电感L_r和输出电容C_o；

其中，移相电感L_r包含高频两绕组变压器T的漏感；第一工频功率开关管S_m1的源极与第二工频功率开关管S_m2的漏极相连，组成一个原边工频桥臂；第一原边功率开关管S_p1的源极与第二原边功率开关管S_p2的漏极相连，组成原边超前高频桥臂，桥臂中点为b点；第一原边母线电容C_bus1的一端与第二原边母线电容C_bus2的一端相连，组成原边滞后高频桥臂，桥臂中点为a点；第一原边母线电容C_bus1的另一端与第一工频功率开关管S_m1的漏极、第一原边功率开关管S_p1的漏极连接在一起，第二原边母线电容C_bus2的另一端与第二工频功率开关管S_m2的源极、第二原边功率开关管S_p2的源极连接在一起；

第一原边母线电容C_bus1的另一端分别与第一工频功率开关管S_m1的漏极、第一原边功率开关管S_p1的漏极相连；第二原边母线电容C_bus2的另一端分别与第二工频功率开关管S_m2的源极、第二原边功率开关管S_p2的源极相连；

原边单相交流电源u_in的一端与第一工频开关管S_m1的源极相连，另一端与Boost电感L_b的一端相连；Boost电感L_b的另一端连接到原边超前高频桥臂的b点；移相电感L_r的一端连接到原边滞后高频桥臂的a点，另一端与高频两绕组变压器T原边绕组的同名端相连；高频两绕组变压器T原边绕组的非同名端连接到原边超前高频桥臂的b点；

第一副边功率开关管S_s1的源极与第二副边功率开关管S_s2的漏极相连，组成副边超前高频桥臂，桥臂中点为c点；第三副边功率开关管S_p3的源极与第四副边功率开关管S_p4的漏极相连，组成副边滞后高频桥臂，桥臂中点为d点；高频两绕组变压器T副边绕组的同名端连接到副边滞后高频桥臂的d点，高频两绕组变压器T副边绕组的非同名端连接到副边超前高频桥臂的c点；副边超前高频桥臂、副边滞后高频桥臂和输出电容C_o并联连接；

第一副边功率开关管S_s1的漏极、第三副边功率开关管S_s3的漏极分别与副边直流电源V_o的正极相连；第二副边功率开关管S_s2的源极、第四副边功率开关管S_s4的源极分别与副边直流电源V_o的负极相连。

3.一种单级双向隔离AC-DC变换器，其特征在于：所述AC-DC变换器包括原边单相交流电源u_in、副边直流电源V_o、第一工频功率开关管S_m1、第二工频功率开关管S_m2、第一原边功率开关管S_p1、第二原边功率开关管S_p2、第三原边功率开关管S_p3、第四原边功率开关管S_p4、第五原边功率开关管S_p5、第六原边功率开关管S_p6、第一副边功率开关管S_s1、第二副边功率开关管S_s2、第三副边功率开关管S_s3、第四副边功率开关管S_s4、第五副边功率开关管S_s5、第六副边功率开关管S_s6、第一Boost电感L_ba、第二Boost电感L_bb、第三Boost电感L_bc、母线电容C_bus、高频三相变压器T、a相移相电感L_pa、b相移相电感L_pb、c相移相电感L_pc、输出电容C_o；

其中，a相移相电感L_pa、b相移相电感L_pb、c相移相电感L_pc包含高频三相变压器T的漏感；第一工频功率开关管S_m1的源极与第二工频功率开关管S_m2的漏极相连，组成一个原边工频桥臂；第一原边功率开关管S_p1的源极与第二原边功率开关管S_p2的漏极相连，组成原边c相桥臂；第三原边功率开关管S_p3的源极与第四原边功率开关管S_p4的漏极相连，组成原边b相桥臂；第五原边功率开关管S_p5的源极与第六原边功率开关管S_p6的漏极相连，组成原边a相桥臂；原边工频桥臂、原边a相桥臂、原边b相桥臂、原边c相桥臂和母线电容C_bus并联连接；

第一Boost电感L_ba的一端与a相移相电感L_pa的一端连接，再共同连接到原边a相桥臂的第五原边功率开关管S_p5的源极，a相移相电感L_pa的另一端连接到高频三相变压器T的a相同名端；第二Boost电感L_bb的一端与b相移相电感L_pb的一端连接，再共同连接到原边b相桥臂的第三原边功率开关管S_p3的源极，b相移相电感L_pb的另一端连接到高频三相变压器T的b相同名端；第三Boost电感L_bc的一端与c相移相电感L_pc的一端连接，再共同连接到原边c相桥臂的第一原边功率开关管S_p1的源极，c相移相电感L_pc的另一端连接到高频三相变压器T的c相同名端；高频三相变压器T的a、b、c三相的非同名端连接在一起；第一Boost电感L_ba、第二Boost电感L_bb和第三Boost电感L_bc的另一端一起连接到原边单相交流电源u_in的一端，原边单相交流电源u_in的另一端分别连接到第一工频开关管S_m1的源极和第二工频开关管S_m2的漏极；

第一副边功率开关管S_s1的源极与第二副边功率开关管S_s2的漏极相连，组成副边w相桥臂；第三副边功率开关管S_s3的源极与第四副功率开关管S_s4的漏极相连，组成副边v相桥臂；第五副边功率开关管S_s5的源极与第六副边功率开关管S_s6的漏极相连，组成副边u相桥臂；第一副边功率开关管S_s1的漏极、第三副边功率开关管S_s3的漏极、第五副边功率开关管S_s5的漏极、输出电容C_o的一端都与副边直流电源V_o的正极相连，第二副边功率开关管S_s2的漏极、第四副边功率开关管S_s4的漏极、第六副边功率开关管S_s6的漏极、输出电容C_o的另一端都与副边直流电源V_o的负极相连；

第五副边功率开关管S_s5的源极连接到高频三相变压器T的u相同名端；第三副边功率开关管S_s3的源极连接到高频三相变压器T的v相同名端；第一副边功率开关管S_s1的源极连接到高频三相变压器T的w相同名端；高频三相变压器T的u相、v相和w相的非同名端连接在一起。

4.根据权利要求1、2、3所述的单级双向隔离AC-DC变换器，其特征在于：所述的母线电容C_bus两端并联直流电源，构成三端口变换器。