CN104022675B - 单级双向隔离ac-dc变换器 - Google Patents
单级双向隔离ac-dc变换器 Download PDFInfo
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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
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uin、副边直流电源Vo、第一工频功率开关管Sm1、第二工频功率开关管Sm2、第一原边功率开关管Sp1、第二原边功率开关管Sp2、第三原边功率开关管Sp3、第四原边功率开关管Sp4、第一副边功率开关管Ss1、第二副边功率开关管Ss2、第三副边功率开关管Ss3、第四副边功率开关管Ss4、第一Boost电感Lb1、第二Boost电感Lb2、母线电容Cbus、高频两绕组变压器T、移相电感Lr和输出电容Co;
其中,移相电感Lr包含高频两绕组变压器T的漏感;第一工频功率开关管Sm1的源极与第二工频功率开关管Sm2的漏极相连,组成一个原边工频桥臂;第一原边功率开关管Sp1的源极与第二原边功率开关管Sp2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Sp3的源极与第四原边功率开关管Sp4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Cbus并联连接;第一Boost电感Lb1的一端连接到原边滞后高频桥臂的a点,第二Boost电感Lb2的一端连接到原边超前高频桥臂的b点,第一Boost电感Lb1的另一端与第二Boost电感Lb2的另一端一起连接到原边单相交流电源uin的一端,原边单相交流电源uin的另一端连接到第一工频开关管Sm1的源极;移相电感Lr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Ss1的源极与第二副边功率开关管Ss2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Sp3的源极与第四副边功率开关管Sp4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Co并联连接;
第一副边功率开关管Ss1的漏极、第三副边功率开关管Ss3的漏极分别与副边直流电源Vo的正极相连;第二副边功率开关管Ss2的源极、第四副边功率开关管Ss4的源极分别与副边直流电源Vo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uin、副边直流电源Vo、第一工频功率开关管Sm1、第二工频功率开关管Sm2、第一原边功率开关管Sp1、第二原边功率开关管Sp2、第一副边功率开关管Ss1、第二副边功率开关管Ss2、第三副边功率开关管Ss3、第四副边功率开关管Ss4、Boost电感Lb、第一原边母线电容Cbus1、第二原边母线电容Cbus2、高频两绕组变压器T、移相电感Lr和输出电容Co;
其中,移相电感Lr包含高频两绕组变压器T的漏感;第一工频功率开关管Sm1的源极与第二工频功率开关管Sm2的漏极相连,组成一个原边工频桥臂;第一原边功率开关管Sp1的源极与第二原边功率开关管Sp2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Cbus1的一端与第二原边母线电容Cbus2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Cbus1的另一端与第一工频功率开关管Sm1的漏极、第一原边功率开关管Sp1的漏极连接在一起,第二原边母线电容Cbus2的另一端与第二工频功率开关管Sm2的源极、第二原边功率开关管Sp2的源极连接在一起;
第一原边母线电容Cbus1的另一端分别与第一工频功率开关管Sm1的漏极、第一原边功率开关管Sp1的漏极相连;第二原边母线电容Cbus2的另一端分别与第二工频功率开关管Sm2的源极、第二原边功率开关管Sp2的源极相连;
原边单相交流电源uin的一端与第一工频开关管Sm1的源极相连,另一端与Boost电感Lb的一端相连;Boost电感Lb的另一端连接到原边超前高频桥臂的b点;移相电感Lr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Ss1的源极与第二副边功率开关管Ss2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Sp3的源极与第四副边功率开关管Sp4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Co并联连接;
第一副边功率开关管Ss1的漏极、第三副边功率开关管Ss3的漏极分别与副边直流电源Vo的正极相连;第二副边功率开关管Ss2的源极、第四副边功率开关管Ss4的源极分别与副边直流电源Vo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uin、副边直流电源Vo、第一工频功率开关管Sm1、第二工频功率开关管Sm2、第一原边功率开关管Sp1、第二原边功率开关管Sp2、第三原边功率开关管Sp3、第四原边功率开关管Sp4、第五原边功率开关管Sp5、第六原边功率开关管Sp6、第一副边功率开关管Ss1、第二副边功率开关管Ss2、第三副边功率开关管Ss3、第四副边功率开关管Ss4、第五副边功率开关管Ss5、第六副边功率开关管Ss6、第一Boost电感Lba、第二Boost电感Lbb、第三Boost电感Lbc、母线电容Cbus、高频三相变压器T、a相移相电感Lpa、b相移相电感Lpb、c相移相电感Lpc、输出电容Co;
其中,a相移相电感Lpa、b相移相电感Lpb、c相移相电感Lpc包含高频三相变压器T的漏感;第一工频功率开关管Sm1的源极与第二工频功率开关管Sm2的漏极相连,组成一个原边工频桥臂;第一原边功率开关管Sp1的源极与第二原边功率开关管Sp2的漏极相连,组成原边c相桥臂;第三原边功率开关管Sp3的源极与第四原边功率开关管Sp4的漏极相连,组成原边b相桥臂;第五原边功率开关管Sp5的源极与第六原边功率开关管Sp6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Cbus并联连接;
第一Boost电感Lba的一端与a相移相电感Lpa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Sp5的源极,a相移相电感Lpa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Lbb的一端与b相移相电感Lpb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Sp3的源极,b相移相电感Lpb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Lbc的一端与c相移相电感Lpc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Sp1的源极,c相移相电感Lpc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Lba、第二Boost电感Lbb和第三Boost电感Lbc的另一端一起连接到原边单相交流电源uin的一端,原边单相交流电源uin的另一端分别连接到第一工频开关管Sm1的源极和第二工频开关管Sm2的漏极;
第一副边功率开关管Ss1的源极与第二副边功率开关管Ss2的漏极相连,组成副边w相桥臂;第三副边功率开关管Ss3的源极与第四副功率开关管Ss4的漏极相连,组成副边v相桥臂;第五副边功率开关管Ss5的源极与第六副边功率开关管Ss6的漏极相连,组成副边u相桥臂;第一副边功率开关管Ss1的漏极、第三副边功率开关管Ss3的漏极、第五副边功率开关管Ss5的漏极、输出电容Co的一端都与副边直流电源Vo的正极相连,第二副边功率开关管Ss2的漏极、第四副边功率开关管Ss4的漏极、第六副边功率开关管Ss6的漏极、输出电容Co的另一端都与副边直流电源Vo的负极相连;
第五副边功率开关管Ss5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Ss3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Ss1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Cbus、母线电容Cbus1、母线电容Cbus2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:uin为原边单相交流电源、Sm1为第一工频功率开关管、Sm2为第二工频功率开关管、Sp1为第一原边功率开关管、Sp2为第二原边功率开关管、Sp3为第三原边功率开关管、Sp4为第四原边功率开关管、Sp5为第五原边功率开关管、Sp6为第六原边功率开关管、Ss1为第一副边功率开关管、Ss2为第二副边功率开关管、Ss3为第三副边功率开关管、Ss4为第四副边功率开关管、Ss5为第五副边功率开关管、Ss6为第六副边功率开关管、Lb1为第一Boost电感、Lb2为第二Boost电感、Lb3为第三Boost电感、Cbus为母线电容、Cbus1为第一原边母线电容、Cbus2为第二原边母线电容、Lr为移相电感、Co为输出电容、Vo为副边直流电源、Lpa为a相移相电感、Lpb为b相移相电感、Lpc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uin、副边直流电源Vo、第一工频功率开关管Sm1、第二工频功率开关管Sm2、第一原边功率开关管Sp1、第二原边功率开关管Sp2、第三原边功率开关管Sp3、第四原边功率开关管Sp4、第一副边功率开关管Ss1、第二副边功率开关管Ss2、第三副边功率开关管Ss3、第四副边功率开关管Ss4、第一Boost电感Lb1、第二Boost电感Lb2、母线电容Cbus、高频两绕组变压器T、移相电感Lr和输出电容Co;
其中,移相电感Lr包含高频两绕组变压器T的漏感;第一工频功率开关管Sm1的源极与第二工频功率开关管Sm2的漏极相连,组成一个原边工频桥臂;第一原边功率开关管Sp1的源极与第二原边功率开关管Sp2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Sp3的源极与第四原边功率开关管Sp4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Cbus并联连接;第一Boost电感Lb1的一端连接到原边滞后高频桥臂的a点,第二Boost电感Lb2的一端连接到原边超前高频桥臂的b点,第一Boost电感Lb1的另一端与第二Boost电感Lb2的另一端一起连接到原边单相交流电源uin的一端,原边单相交流电源uin的另一端连接到第一工频开关管Sm1的源极;移相电感Lr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Ss1的源极与第二副边功率开关管Ss2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Sp3的源极与第四副边功率开关管Sp4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Co并联连接;
第一副边功率开关管Ss1的漏极、第三副边功率开关管Ss3的漏极分别与副边直流电源Vo的正极相连;第二副边功率开关管Ss2的源极、第四副边功率开关管Ss4的源极分别与副边直流电源Vo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uin、副边直流电源Vo、第一工频功率开关管Sm1、第二工频功率开关管Sm2、第一原边功率开关管Sp1、第二原边功率开关管Sp2、第一副边功率开关管Ss1、第二副边功率开关管Ss2、第三副边功率开关管Ss3、第四副边功率开关管Ss4、Boost电感Lb、第一原边母线电容Cbus1、第二原边母线电容Cbus2、高频两绕组变压器T、移相电感Lr和输出电容Co;
其中,移相电感Lr包含高频两绕组变压器T的漏感;第一工频功率开关管Sm1的源极与第二工频功率开关管Sm2的漏极相连,组成一个原边工频桥臂;第一原边功率开关管Sp1的源极与第二原边功率开关管Sp2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Cbus1的一端与第二原边母线电容Cbus2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Cbus1的另一端与第一工频功率开关管Sm1的漏极、第一原边功率开关管Sp1的漏极连接在一起,第二原边母线电容Cbus2的另一端与第二工频功率开关管Sm2的源极、第二原边功率开关管Sp2的源极连接在一起;
第一原边母线电容Cbus1的另一端分别与第一工频功率开关管Sm1的漏极、第一原边功率开关管Sp1的漏极相连;第二原边母线电容Cbus2的另一端分别与第二工频功率开关管Sm2的源极、第二原边功率开关管Sp2的源极相连;
原边单相交流电源uin的一端与第一工频开关管Sm1的源极相连,另一端与Boost电感Lb的一端相连;Boost电感Lb的另一端连接到原边超前高频桥臂的b点;移相电感Lr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Ss1的源极与第二副边功率开关管Ss2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Sp3的源极与第四副边功率开关管Sp4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Co并联连接;
第一副边功率开关管Ss1的漏极、第三副边功率开关管Ss3的漏极分别与副边直流电源Vo的正极相连;第二副边功率开关管Ss2的源极、第四副边功率开关管Ss4的源极分别与副边直流电源Vo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uin、副边直流电源Vo、第一工频功率开关管Sm1、第二工频功率开关管Sm2、第一原边功率开关管Sp1、第二原边功率开关管Sp2、第三原边功率开关管Sp3、第四原边功率开关管Sp4、第五原边功率开关管Sp5、第六原边功率开关管Sp6、第一副边功率开关管Ss1、第二副边功率开关管Ss2、第三副边功率开关管Ss3、第四副边功率开关管Ss4、第五副边功率开关管Ss5、第六副边功率开关管Ss6、第一Boost电感Lba、第二Boost电感Lbb、第三Boost电感Lbc、母线电容Cbus、高频三相变压器T、a相移相电感Lpa、b相移相电感Lpb、c相移相电感Lpc、输出电容Co;
其中,a相移相电感Lpa、b相移相电感Lpb、c相移相电感Lpc包含高频三相变压器T的漏感;第一工频功率开关管Sm1的源极与第二工频功率开关管Sm2的漏极相连,组成一个原边工频桥臂;第一原边功率开关管Sp1的源极与第二原边功率开关管Sp2的漏极相连,组成原边c相桥臂;第三原边功率开关管Sp3的源极与第四原边功率开关管Sp4的漏极相连,组成原边b相桥臂;第五原边功率开关管Sp5的源极与第六原边功率开关管Sp6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Cbus并联连接;
第一Boost电感Lba的一端与a相移相电感Lpa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Sp5的源极,a相移相电感Lpa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Lbb的一端与b相移相电感Lpb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Sp3的源极,b相移相电感Lpb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Lbc的一端与c相移相电感Lpc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Sp1的源极,c相移相电感Lpc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Lba、第二Boost电感Lbb和第三Boost电感Lbc的另一端一起连接到原边单相交流电源uin的一端,原边单相交流电源uin的另一端分别连接到第一工频开关管Sm1的源极和第二工频开关管Sm2的漏极;
第一副边功率开关管Ss1的源极与第二副边功率开关管Ss2的漏极相连,组成副边w相桥臂;第三副边功率开关管Ss3的源极与第四副功率开关管Ss4的漏极相连,组成副边v相桥臂;第五副边功率开关管Ss5的源极与第六副边功率开关管Ss6的漏极相连,组成副边u相桥臂;第一副边功率开关管Ss1的漏极、第三副边功率开关管Ss3的漏极、第五副边功率开关管Ss5的漏极、输出电容Co的一端都与副边直流电源Vo的正极相连,第二副边功率开关管Ss2的漏极、第四副边功率开关管Ss4的漏极、第六副边功率开关管Ss6的漏极、输出电容Co的另一端都与副边直流电源Vo的负极相连;
第五副边功率开关管Ss5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Ss3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Ss1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uin为正,第一工频开关管Sm1始终关断,第二工频开关管Sm2始终导通。在工频负半周期,交流电压源uin为负,第一工频开关管Sm1始终导通,第二工频开关管Sm1始终关断。电感电流iLb1和iLb2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(Sp1~Sp4、Ss1~Ss4)的ZVS软开关。工频开关管(Sm1、Sm2)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Ts内,可以近似认为母线电压Vbus保持恒定,即两个桥臂中点电压uab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Sp1、Sp4和Ss2均已经导通。t0时刻,开关管Ss4导通,此时副边两桥臂中点电压ucd变为0,而原边两桥臂中点电压uab为-Vbus,此阶段移相电感电流iLr线性下降,第一电感电流iLb1线性上升,第二电感电流iLb2线性下降。
(2)模态II(t1~t2)
t1时刻,开关管Ss1导通,移相电感电流iLr为负,开关管Ss1可以实现ZVS开通。此阶段,副边两桥臂中点电压ucd变为-nVo,原边两桥臂中点电压uab仍为-Vbus,此阶段移相电感电流iLr线性上升,第一电感电流iLb1仍然线性上升,第二电感电流iLb2仍然线性下降。
(3)模态III(t2~t3)
t2时刻,开关管Sp2、Sp3导通,由于此时第二电感电流iLb2=0,而移相电感电流iLr<0,所以开关管Sp2、Sp3可以实现ZVS开通。此阶段,副边两桥臂中点电压ucd仍为-nVo,而原边两桥臂中点电压uab变为了Vbus,此阶段移相电感电流iLr线性上升,第一电感电流iLb1开始线性下降,第二电感电流iLb2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uin、副边直流电源Vo、第一工频功率开关管Sm1、第二工频功率开关管Sm2、第一原边功率开关管Sp1、第二原边功率开关管Sp2、第三原边功率开关管Sp3、第四原边功率开关管Sp4、第一副边功率开关管Ss1、第二副边功率开关管Ss2、第三副边功率开关管Ss3、第四副边功率开关管Ss4、第一Boost电感Lb1、第二Boost电感Lb2、母线电容Cbus、高频两绕组变压器T、移相电感Lr和输出电容Co;
其中,移相电感Lr包含高频两绕组变压器T的漏感;第一工频功率开关管Sm1的源极与第二工频功率开关管Sm2的漏极相连,组成一个原边工频桥臂;第一原边功率开关管Sp1的源极与第二原边功率开关管Sp2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Sp3的源极与第四原边功率开关管Sp4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Cbus并联连接;第一Boost电感Lb1的一端连接到原边滞后高频桥臂的a点,第二Boost电感Lb2的一端连接到原边超前高频桥臂的b点,第一Boost电感Lb1的另一端与第二Boost电感Lb2的另一端一起连接到原边单相交流电源uin的一端,原边单相交流电源uin的另一端连接到第一工频开关管Sm1的源极;移相电感Lr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Ss1的源极与第二副边功率开关管Ss2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Ss3的源极与第四副边功率开关管Ss4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Co并联连接;
第一副边功率开关管Ss1的漏极、第三副边功率开关管Ss3的漏极分别与副边直流电源Vo的正极相连;第二副边功率开关管Ss2的源极、第四副边功率开关管Ss4的源极分别与副边直流电源Vo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uin、副边直流电源Vo、第一工频功率开关管Sm1、第二工频功率开关管Sm2、第一原边功率开关管Sp1、第二原边功率开关管Sp2、第一副边功率开关管Ss1、第二副边功率开关管Ss2、第三副边功率开关管Ss3、第四副边功率开关管Ss4、Boost电感Lb、第一原边母线电容Cbus1、第二原边母线电容Cbus2、高频两绕组变压器T、移相电感Lr和输出电容Co;
其中,移相电感Lr包含高频两绕组变压器T的漏感;第一工频功率开关管Sm1的源极与第二工频功率开关管Sm2的漏极相连,组成一个原边工频桥臂;第一原边功率开关管Sp1的源极与第二原边功率开关管Sp2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Cbus1的一端与第二原边母线电容Cbus2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Cbus1的另一端与第一工频功率开关管Sm1的漏极、第一原边功率开关管Sp1的漏极连接在一起,第二原边母线电容Cbus2的另一端与第二工频功率开关管Sm2的源极、第二原边功率开关管Sp2的源极连接在一起;
原边单相交流电源uin的一端与第一工频开关管Sm1的源极相连,另一端与Boost电感Lb的一端相连;Boost电感Lb的另一端连接到原边超前高频桥臂的b点;移相电感Lr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Ss1的源极与第二副边功率开关管Ss2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Ss3的源极与第四副边功率开关管Ss4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Co并联连接;
第一副边功率开关管Ss1的漏极、第三副边功率开关管Ss3的漏极分别与副边直流电源Vo的正极相连;第二副边功率开关管Ss2的源极、第四副边功率开关管Ss4的源极分别与副边直流电源Vo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uin、副边直流电源Vo、第一工频功率开关管Sm1、第二工频功率开关管Sm2、第一原边功率开关管Sp1、第二原边功率开关管Sp2、第三原边功率开关管Sp3、第四原边功率开关管Sp4、第五原边功率开关管Sp5、第六原边功率开关管Sp6、第一副边功率开关管Ss1、第二副边功率开关管Ss2、第三副边功率开关管Ss3、第四副边功率开关管Ss4、第五副边功率开关管Ss5、第六副边功率开关管Ss6、第一Boost电感Lba、第二Boost电感Lbb、第三Boost电感Lbc、母线电容Cbus、高频三相变压器T、a相移相电感Lpa、b相移相电感Lpb、c相移相电感Lpc、输出电容Co;
其中,a相移相电感Lpa、b相移相电感Lpb、c相移相电感Lpc包含高频三相变压器T的漏感;第一工频功率开关管Sm1的源极与第二工频功率开关管Sm2的漏极相连,组成一个原边工频桥臂;第一原边功率开关管Sp1的源极与第二原边功率开关管Sp2的漏极相连,组成原边c相桥臂;第三原边功率开关管Sp3的源极与第四原边功率开关管Sp4的漏极相连,组成原边b相桥臂;第五原边功率开关管Sp5的源极与第六原边功率开关管Sp6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Cbus并联连接;
第一Boost电感Lba的一端与a相移相电感Lpa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Sp5的源极,a相移相电感Lpa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Lbb的一端与b相移相电感Lpb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Sp3的源极,b相移相电感Lpb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Lbc的一端与c相移相电感Lpc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Sp1的源极,c相移相电感Lpc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Lba、第二Boost电感Lbb和第三Boost电感Lbc的另一端一起连接到原边单相交流电源uin的一端,原边单相交流电源uin的另一端分别连接到第一工频开关管Sm1的源极和第二工频开关管Sm2的漏极;
第一副边功率开关管Ss1的源极与第二副边功率开关管Ss2的漏极相连,组成副边w相桥臂;第三副边功率开关管Ss3的源极与第四副功率开关管Ss4的漏极相连,组成副边v相桥臂;第五副边功率开关管Ss5的源极与第六副边功率开关管Ss6的漏极相连,组成副边u相桥臂;第一副边功率开关管Ss1的漏极、第三副边功率开关管Ss3的漏极、第五副边功率开关管Ss5的漏极、输出电容Co的一端都与副边直流电源Vo的正极相连,第二副边功率开关管Ss2的漏极、第四副边功率开关管Ss4的漏极、第六副边功率开关管Ss6的漏极、输出电容Co的另一端都与副边直流电源Vo的负极相连;
第五副边功率开关管Ss5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Ss3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Ss1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或2或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Cbus两端并联直流电源,构成三端口变换器。
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