CN104901550B - 一种基于可变电感网络的双全桥dc/dc变换器 - Google Patents

Abstract

本发明提出了一种基于可变电感网络的双全桥DC‑DC变换器，包括了一个由单相全桥电路和可变电感网络过组成的原边模块、高频变压器T以及由另一个全桥网络组成的副边模块。原边可变电感网络可根据传输功率的大小调节可变电感网络中的辅助电感值，使变换器在较宽的输出功率范围内均处于软开关工作状态。通过控制高频变压器T原副边全桥功率开关管的关断与导通，来实现传输能量的双向流动。本发明中可变电感网络的运用没有改变双全桥DC‑DC变换器基本的工作模态，能够保持原变换器控制简单的优点。

Description

一种基于可变电感网络的双全桥DC/DC变换器

技术领域

本发明涉及一种直流-直流变换器，具体说是一种基于可变电感网络的双全桥DC-DC变换器。

背景技术

双全桥DC-DC变换器可以实现能量的双向传输，其通过高频变压器T一方面可以实现能量的输入输出的电气隔离，另一方面所有开关管在满足一定的条件下可以实现软开关工作状态，因此具有能力传输效率高、功率密度高、安全性好等优点。在较多的工业场合中得到了应用，如电动汽车充放电机、航空航天领域。但双全桥DC/DC变换器传输功率受限于变压器等效漏感的大小，在传输功率较大时需要电路中变压器的等效漏感值较小，但较小的漏感值在变换器轻载运行时会使得变换器中的功率开关管难以实现软开关工作状态，进而导致变换器传输效率低，发热严重，运行不稳定等问题。现有解决方案大多集中在增加辅助谐振电路增加功率开关的软开关的运行区间，该类方案存在无源器件体积大、成本高且控制策略复杂等问题。

发明内容

针对现有技术存在的上述不足，本发明提供一种基于可变电感网络的双全桥DC-DC变换器，一方面解决了现有双全桥DC-DC变换器软开关区间不大的问题；另一方面无需改变原变换器控制策略，不仅能够增加变换器软开关工作区间，同时变换器控制方式也简单易于实现。

本发明采取的技术方案为：

一种基于可变电感网络的双全桥DC-DC变换器，包含一个由单相全桥电路和可变电感网络组成的原边模块、高频变压器T以及包含另一个全桥电路的副边模块。其原边模块包括四个功率开关S₁、S₂、S₃、S₄，四个二极管D₁、D₂、D₃、D₄，四个电容C₁、C₂、C₃、C₄，一个输入滤波电容C_i，一个可变电感网络,一个高频变压器T等效漏感L_k。所述可变电感网络由n个辅助开关S_a1、S_a2…S_an和n个辅助电感L_a1、L_a2…L_an构成。原边模块具体电路连接形式如下：

输入电源的正极和输入电容C_i的上端与功率开关S₁、S₃的漏极、二极管D₁、D₃的阴极及电容C₁、C₃的上端相连；输入电源的负极、输入电容C_i的下端、功率开关S₂、S₄的源极、二极管D₂、D₄的阳极及电容C₂、C₄的下端相连；功率开关S₁的源极、二极管D₁的阳极、电容C₁的下端、功率开关S₂的漏极、二极管D₂的阴极、电容C₂的上端相连，其结点与可变电感网络中辅助开关S_an的漏极、辅助电感L_an的左端相连；可变电感网络中辅助电感L_an的右端与辅助电感L_an-1的左端及辅助开关S_an-1的漏极相连，辅助电感L_an-1的右端与辅助电感L_an-2的左端及辅助开关S_an-2的漏极相连，以此类推，直到辅助电感L_a1的右端与高频变压器T等效漏感L_k的左端相连，该结点同时与辅助开关S_a1、S_a2…S_an的源极相连；

功率开关S₃的源极、二极管D₃的阳极、电容C₃的下端、功率开关S₄的漏极、二极管D₄的阴极、电容C₄的上端相连，其结点与高频变压器T输入侧下端相连；

高频变压器T等效漏感L_k的右端与高频变压器T输入侧上端相连；

一种基于可变电感网络的全桥DC-DC变换器，其副边模块包括四个功率开关S₅、S₆、S₇、S₈，四个二极管D₅、D₆、D₇、D₈，四个电容C₅、C₆、C₇、C₈，和一个输出滤波电容C_o，副边模块具体的连接方式如下：

高频变压器T输出侧上端与功率开关管S₅源极、功率开关管S₆的漏极、二极管D₅的阳极、二极管D₆的阴极、电容C₅的下端和电容C₆的上端相连；高频变压器T输出侧的下端与功率开关管S₇的源极、功率开关管S₈的漏极、二极管D₇的阳极、二极管D₈的阴极、电容C₇的下端、电容C₈的上端相连；功率开关管S₅、S₇的漏极、二极管D₅、D₇的阴极、电容C₅、C₇的上端与电容C_o的上端和输出直流电源V_o的正极相连；功率开关管S₆、S₈的源极、二极管D₆、D₈的阳极、电容C₆、C₈的下端与电容C_o和下端相连，其节点接输出直流电源V_o的负极。

所述可变电感网络的加入，不改变变换器的工作模态。

相比现有技术，本发明一种基于可变电感网络的双全桥DC-DC变换器，具有如下有益效果：

1）、本发明的一种基于可变电感网络的双全桥DC-DC变换器，在双全桥DC-DC变换器全桥电路中加入了可变电感网络，其可以根据变换器传输功率的大小，调节接入辅助电感的大小，保证变换器始终工作于软开关状态，提高变换器的工作效率。

2）、本发明不改变原变换器控制方式及其实现形式，具有控制策略简单易实现等优点。

附图说明

图1为现有技术中双全桥DC-DC变换器电路结构示意图。

图2为本发明一种基于可变电感网络的双全桥DC-DC变换器电路结构示意图。

图3为本发明列举的一种基于三个辅助电感网络的双全桥DC-DC变换器电路图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细说明。

如图2所示，一种基于可变电感网络的双全桥DC-DC变换器，其原边模块包括四个功率开关S₁、S₂、S₃、S₄，四个二极管D₁、D₂、D₃、D₄，四个电容C₁、C₂、C₃、C₄，一个输入滤波电容C_i，一个可变电感网络,一个高频变压器T等效漏感L_k。所述可变电感网络由n个辅助开关S_a1、S_a2…S_an和n个辅助电感L_a1、L_a2…L_an构成。原边模块具体电路连接形式如下：

输入电源的正极和输入电容C_i的上端与功率开关S₁、S₃的漏极、二极管D₁、D₃的阴极及电容C₁、C₃的上端相连；输入电源的负极、输入电容C_i的下端、功率开关S₂、S₄的源极、二极管D₂、D₄的阳极及电容C₂、C₄的下端相连；功率开关S₁的源极、二极管D₁的阳极、电容C₁的下端、功率开关S₂的漏极、二极管D₂的阴极、电容C₂的上端相连，其结点与可变电感网络中辅助开关S_an的漏极、辅助电感L_an的左端相连；可变电感网络中辅助电感L_an的右端与辅助电感L_an-1的左端及辅助开关S_an-1的漏极相连，辅助电感L_an-1的右端与辅助电感L_an-2的左端及辅助开关S_an-2的漏极相连，以此类推，直到辅助电感L_a1的右端与高频变压器T等效漏感L_k的左端相连，该结点同时与辅助开关S_a1、S_a2…S_an的源极相连；功率开关S₃的源极、二极管D₃的阳极、电容C₃的下端、功率开关S₄的漏极、二极管D₄的阴极、电容C₄的上端相连，其结点与高频变压器T输入侧下端相连；

高频变压器T等效漏感L_k的右端与高频变压器T输入侧上端相连；

一种基于可变电感网络的全桥DC-DC变换器，其副边模块包括四个功率开关S₅、S₆、S₇、S₈，四个二极管D₅、D₆、D₇、D₈，四个电容C₅、C₆、C₇、C₈，和一个输出滤波电容C_o，副边模块具体的连接方式如下：

高频变压器T输出侧上端与功率开关管S₅源极、功率开关管S₆的漏极、二极管D₅的阳极、二极管D₆的阴极、电容C₅的下端和电容C₆的上端相连；高频变压器T输出侧的下端与功率开关管S₇的源极、功率开关管S₈的漏极、二极管D₇的阳极、二极管D₈的阴极、电容C₇的下端、电容C₈的上端相连；功率开关管S₅、S₇的漏极、二极管D₅、D₇的阴极、电容C₅、C₇的上端与电容C_o的上端和输出直流电源V_o的正极相连；功率开关管S₆、S₈的源极、二极管D₆、D₈的阳极、电容C₆、C₈的下端与电容C_o和下端相连，其节点接输出直流电源V_o的负极。

功率开关S₁、S₂、S₃、S₄、S₅、S₆、S₇、S₈是全控型器件，可以根据工作场合的需要选择不同类型的开关管，此处仅以MOS管为例说明。二极管D₁、D₂、D₃、D₄、D₅、D₆、D₇、D₈可以是功率开关S₁、S₂、S₃、S₄、S₅、S₆、S₇、S₈的寄生二极管，也可以根据工作场合的需要选择适合的二极管按照所述连接方式并联与开关管漏源极两端；电容C₁、C₂、C₃、C₄、C₅、C₆、C₇、C₈可以是功率开关S₁、S₂、S₃、S₄、S₅、S₆、S₇、S₈的寄生电容，也可以根据工作场合的需要选择适合的电容按照所述连接方式并联与开关管漏源极两端。

本发明所提一种基于可变电感网络的双全桥DC-DC变换器，按照输出功率P_o与额定输出功率P_N之间的大小关系分为三种工作模式，为方便叙述，下面仅以一种基于三个辅助电感网络的双全桥DC-DC变换器为例说明，如图3所示，该变换器的具体工作模式分析如下：

当P_o>0.75P_N，辅助开关S_a2导通，原边模块的电感仅仅由变压器原边绕组的漏感提供，因为变换器传输功率较大，原边模块开关切换时，流过漏感L_k上的电流较大，使得漏感上具有足够的能量来实现功率开关管的零电压导通。

当0.3P_N<P_o<0.75P_N，原边模块开关切换时，流过漏感L_k上的电流由于输出功率的降低而降低，仅依靠漏感上的能量已经不能够实现功率开关管的零电压导通，此时可变电感网络中辅助开关S_a2关断，S_a1导通；辅助电感L_a2投入工作，借助于辅助电感L_a2与漏感L_k上存储的能量，使得变换器具有更多的能量来实现功率开关管的零电压导通，保证输入功率在30%-75%的额定输出功率范围内，变换器所有功率开关管均工作于软开关状态。

当P_o<0.3P_N，由于输出功率的进一步降低，辅助电感L_a2与漏感L_k上存储的能量之和也不能够实现功率开关管的零电压导通，此时辅助开关S_a1，S_a2关断，辅助电感L_a1、L_a2和变压器漏感L_f共同工作。借助于辅助电感L_a1、辅助电感L_a2与漏感L_k上存储的能量，使得变换器具有更多的能量来实现功率开关管的零电压导通，保证输入功率在5%-30%的额定输出功率范围以内，变换器所有功率开关管均工作于软开关状态。

可变电感网络只是根据变换器传输功率的大小，相应地调节变换器原边模块单相全桥电路中辅助电感的大小。保证变换器在需要输出较大的功率时，其原边模块的电感较小，可以实现较大的功率输出；而变换器在输出功率较小时，通过辅助电感的接入，增加原边模块的电感，以此增大变换器全桥电路中功率开关管的软开关运行区间，提高变换器的工作效率，使得双全桥中的功率开关管不仅能够工作于软开关运行区间，而且双全桥DC-DC变换器传输功率的范围也较大。

可变电感网络没有改变原变换器的控制策略,因此其不仅能够增加变换器软开关工作区间，同时也保留了原变换器控制方式简单、易于实现的优点。

上述所列举的辅助开关功率切换点0.75P_N和0.3P_N只是为了方便叙述而选取的一个具体实例。本发明所提出的一种基于可变电感网络的双全桥DC-DC变换器，在实际操作中辅助开关的功率切换点会根据应用场合和工作状态的不同发生相应的改变。这里无法对所有的实施方式予以穷举。

综上所述，本发明一方面解决了现有双全桥DC-DC变换器软开关区间不大的问题，另一方面无需改变原变换器控制策略，保留了变换器控制方式简单易于实现的优点。

本发明的上述实施范例仅仅是为说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其他不同形式的变化和变动。这里无法对所有的实施方式予以穷举。凡是属于本发明的技术方案所引申出的显而易见的变化或变动仍处于本发明的保护范围之列。

Claims (1)

1.一种基于可变电感网络的双全桥DC/DC变换器，包含一个由单相全桥电路和可变电感网络组成的原边模块、高频变压器T、以及包含另一个单相全桥电路的副边模块，其特征在于：通过控制原副边双全桥DC/DC变换器的功率开关管的导通与关断，实现能量的双向传输；所述的原边模块用于将输入的直流电压转化为交流电，并通过高频变压器将所述的交流电传输至对应的副边模块，所述的副边模块用于将接收到的交流电转化成直流电，然后再将转换得到的直流电给输出电源充电：

所述原边模块包括四个功率开关S₁、S₂、S₃、S₄，四个二极管D₁、D₂、D₃、D₄，四个电容C₁、C₂、C₃、C₄，一个可调电感网络，一个高频变压器等效漏感L_k；所述可调电感网络由n个辅助开关S_a1、S_a2…S_an和n个辅助电感L_a1、L_a2…L_an构成；原边模块具体电路连接形式如下：

输入直流母线电压的正极、功率开关S₁、S₃的漏极、二极管D₁、D₃的阴极及电容C₁、C₃的上端相连；输入直流母线电压的负极、功率开关S₂、S₄的源极、二极管D₂、D₄的阳极及电容C₂、C4的下端相连；功率开关S₁的源极、二极管D₁的阳极、电容C₁的下端、功率开关S₂的漏极、二极管D₂的阴极、电容C₂的上端相连，其结点与可调电感网络中辅助开关S_an的漏极、辅助电感L_an的左端相连；可调电感网络中辅助电感L_an的右端与辅助电感L_an-1的左端及辅助开关S_an-1的漏极相连，辅助电感L_an-1的右端与辅助电感L_an-2的左端及辅助开关S_an-2的漏极相连，以此类推，直到辅助电感L_a1的右端与高频变压器T的等效漏感L_k的左端相连，该结点同时与辅助开关S_a1、S_a2…S_an的源极相连；

功率开关S₃的源极、二极管D₃的阳极、电容C₃的下端、功率开关S₄的漏极、二极管D₄的阴极、电容C₄的上端相连，其结点与高频变压器T输入侧下端相连；

高频变压器等效漏感L_k的右端与高频变压器T输入侧上端相连；

所述副边模块包括四个功率开关S₅、S₆、S₇、S₈，四个整流二极管D₅、D₆、D₇、D₈，一个输出滤波电容C_o，一个直流电源V_o构成；副边模块具体电路连接形式如下：

高频变压器T输出侧上端与功率开关管S₅的源极、功率开关管S₆的漏极、二极管D₅的阳极、二极管D₆的阴极、电容C₅的下端和电容C₆的上端相连；高频变压器T输出侧的下端与功率开关管S₇的源极、功率开关管S₈的漏极、二极管D₇的阳极、二极管D₈的样机、电容C₇的下端、电容C₈的上端相连；功率开关管S₅、S₇的漏极、二极管D₅、D₇的阴极、电容C₅、C₇的上端与电容Co的上端和输出直流电源V_o的正极相连；功率开关管S6、S₈的源极、二极管D₆、D₈的阳极、电容C₆、C₈的下端与电容C_o的下端相连，其节点接输出直流电源V_o的负极;

二极管D1、D2、D3、D4、D5、D6、D7、D8是功率开关管S1、S2、S3、S4、S5、S6、S7、S8的寄生二极管，或者选择适合的二极管反并联于开关管漏源极两端，电容C1、C2、C3、C4、C5、C6、C7、C8是功率开关管S1、S2、S3、S4、S5、S6、S7、S8的寄生电容，或者选择适合的电容按并联于开关管漏源极两端；

该变换器按照输出功率P_o与额定输出功率P_N之间的大小关系，分为三种工作模式：

当P_o>0.75P_N，辅助开关S_a2导通，原边模块的电感仅仅由变压器原边绕组的漏感提供，因为变换器传输功率较大，原边模块开关切换时，流过漏感L_k上的电流较大，使得漏感上具有足够的能量来实现功率开关管的零电压导通；

当0.3P_N<P_o<0.75P_N，原边模块开关切换时，流过漏感L_k上的电流由于输出功率的降低而降低，仅依靠漏感上的能量已经不能够实现功率开关管的零电压导通，此时可变电感网络中辅助开关S_a2关断，S_a1导通；辅助电感L_a2投入工作，借助于辅助电感L_a2与漏感L_k上存储的能量，使得变换器具有更多的能量来实现功率开关管的零电压导通，保证输入功率在30%-75%的额定输出功率范围内，变换器所有功率开关管均工作于软开关状态；

当P_o<0.3P_N，由于输出功率的进一步降低，辅助电感L_a2与漏感L_k上存储的能量之和也不能够实现功率开关管的零电压导通，此时辅助开关S_a1，S_a2关断，辅助电感L_a1、L_a2和变压器漏感L_f共同工作；

借助于辅助电感L_a1、辅助电感L_a2与漏感L_k上存储的能量，使得变换器具有更多的能量来实现功率开关管的零电压导通，保证输入功率在5%-30%的额定输出功率范围以内，变换器所有功率开关管均工作于软开关状态。