CN105896997B - 一种基于三绕组变压器的双向有源全桥变换器 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于三绕组变压器的双向有源全桥变换器，传统的双向有源全桥变换器拓扑在变压器原边(变压器副边)电压范围较大的场合存在明显的不足，本发明通过控制相应开关管的开通关断使电路工作在多种工作模式中，适应不同的场合，同时降低电路损耗，改善电路效率，提高变压器原边(变压器副边)电压范围。本发明在不改变开关频率调整范围的情况下，有效的增大变压器原边(变压器副边)电压范围，降低了整体电路的损耗，使得该电路在电压变比较大的场合下能够有较高的转换效率。
Description
技术领域
本发明涉及一种新型的电力电子接口变换技术领域，特别涉及一种基于三绕组变压器的双向有源全桥变换器，属于电力电子与电工技术领域。
背景技术
在传统的双向有源全桥变换电路中，如图2所示，不对称半桥变换电路和全桥变换电路转换效率低和变压器原边(变压器副边)电压范围狭窄。传统的双向有源全桥变换电路是通过改变开关管的开关频率实现改变变压器副边电压，由于随着变压器副边电压的升高，开关器件的工作频率也变大，随之带来在器件上的开关损耗增大，使系统效率底下。而且在双向变换器两端压差很大的场合，变压器原边侧开关管需要承受较大的电压，需要选择耐压等级高的开关管，而耐高压的开关管损耗也增大；变压器副边侧开关管承受的电流较大，导致开关管发热严重，造成大量的损耗。因此传统的双向有源全桥变换器拓扑在变压器原边(变压器副边)电压范围较大的场合存在明显的不足。
发明内容
本发明的目的是克服双向有源全桥变换器转换效率低、变压器原边(变压器副边)电压范围狭窄的问题，提供了一种三绕组变压器的隔离型双向有源全桥变换器拓扑，通过控制相应开关管的开通关断使电路工作在多种工作模式中，适应不同的场合，同时降低电路损耗，改善电路效率，提高变压器原边(变压器副边)电压范围。
为解决上述技术问题，本发明提供的解决方案为：
一种新型基于三绕组变压器的双向有源全桥变换器，包括第一开关管S1、第二开关管S2、第三开关管S3、第四开关管S4、第五开关管Q1、第六开关管Q2、第七开关管Q3、第八开关管Q4、第九开关管K1、第十开关管K2、第十一开关管Q5、第十二开关管Q6、三绕组变压器T1、非极性电容C1、极性电容C2、第一电感Lr和电源V1；
所述的第一开关管S1的漏极、第三开关管S3的漏极、电源V1的正极连接，第二开关管S2的源极与第四开关管S4的源极、电源V1的负极连接，第一开关管S1的源极、第二开关管S2的漏极、第一电感Lr的一端相连，第一电感Lr的另一端、非极性电容C1的一端相连，非极性电容C1的另一端、三绕组变压器T1原边的一端相连，三绕组变压器T1原边的另一端、第三开关管S3的源极、第四开关管S4的漏极相连；三绕组变压器T1副边侧的第一抽头、第五开关管Q1的源极、第六开关管Q2的漏极相连，第五开关管Q1的漏极、第九开关管K1的漏极相连，第九开关管K1的源极、第十开关管K2的源极相连，第十开关管K2的漏极、第七开关管Q3的漏极、第十一开关管Q5的漏极、极性电容C2的正极相连，作为变压器副边侧电源的正极，三绕组变压器T1副边侧的第二抽头、第七开关管Q3的源极、第八开关管Q4的漏极相连，三绕组变压器T1副边侧的第三抽头、第十一开关管Q5的源极、第十二开关管Q6的漏极相连，第六开关管Q2的源极、第八开关管Q4的源极、第十二开关管Q6的源极、极性电容C2的负极相连，作为变压器副边侧电源的负极；
在不改变开关频率调整范围的情况下，有效的增大变压器原边(变压器副边)电压范围，降低了整体电路的损耗，使得该电路在电压变比较大的场合下能够有较高的转换效率。
附图说明
图1为本发明电路原理图；
图2为传统隔离型双向有源全桥谐振变换电路原理图。
具体实施方式
以下结合说明书附图对本发明作进一步说明。
图1为本发明的原理图，与现有双向有源全桥谐振变换电路相比通过对相应开关管的控制使本电路可以工作在多种模式中，解决原有双向有源全桥谐振变换电路变压器原边(变压器副边)电压范围狭窄问题。
本专利中所涉及开关管泛指一切全控性器件，但在本专利对电路的解释中以MOS管为例进行描述。
一种新型基于三绕组变压器的双向有源全桥变换器，包括第一开关管S1、第二开关管S2、第三开关管S3、第四开关管S4、第五开关管Q1、第六开关管Q2、第七开关管Q3、第八开关管Q4、第九开关管K1、第十开关管K2、第十一开关管Q5、第十二开关管Q6、三绕组变压器T1、非极性电容C1、极性电容C2、第一电感Lr和电源V1；
所述的第一开关管S1的漏极、第三开关管S3的漏极、电源V1的正极连接，第二开关管S2的源极与第四开关管S4的源极、电源V1的负极连接，第一开关管S1的源极、第二开关管S2的漏极、第一电感Lr的一端相连，第一电感Lr的另一端、非极性电容C1的一端相连，非极性电容C1的另一端、三绕组变压器T1原边的一端相连，三绕组变压器T1原边的另一端、第三开关管S3的源极、第四开关管S4的漏极相连；三绕组变压器T1副边侧的第一抽头、第五开关管Q1的源极、第六开关管Q2的漏极相连，第五开关管Q1的漏极、第九开关管K1的漏极相连，第九开关管K1的源极、第十开关管K2的源极相连，第十开关管K2的漏极、第七开关管Q3的漏极、第十一开关管Q5的漏极、极性电容C2的正极相连，作为变压器副边侧电源的正极，三绕组变压器T1副边侧的第二抽头、第七开关管Q3的源极、第八开关管Q4的漏极相连，三绕组变压器T1副边侧的第三抽头、第十一开关管Q5的源极、第十二开关管Q6的漏极相连，第六开关管Q2的源极、第八开关管Q4的源极、第十二开关管Q6的源极、极性电容C2的负极相连，作为变压器副边侧电源的负极；
三绕组变压器副边两个绕组匝数相同，通过改变相应开关管的开通关断使本电路可以工作在多种工作模式，适应多种工作场合，不改变开关频率调整范围的情况下可以改变变压器原边(变压器副边)电压范围。本电路可以有以下几种工作模式：
当第九开关管K1、第十开关管K2闭合时，本电路有三种工作模式：
工作模式一：
当变压器原边(变压器副边)电压较小(大)时，可以将第七开关管Q3、第八开关管Q4断开，使变压器原边和副边的匝数比变大，使第七开关管Q3、第八开关管Q4不处在工作状态；此时控制第五开关管Q1、第六开关管Q2、第十一开关管Q5、第十二开关管Q6作为全桥整流工作；同时通过改变第一开关管S1、第二开关管S2、第三开关管S3、第四开关管S4的开关频率改变变压器副边侧电压；
在该模式下可以实现能量双向流动。当能量从变压器原边侧流向变压器副边侧时，控制第一开关管S1、第二开关管S2、第三开关管S3、第四开关管S4进行全桥逆变，与此同时，控制第五开关管Q1、第六开关管Q2、第十一开关管Q5、第十二开关管Q6进行全桥整流；当能量从变压器副边侧流向变压器原边侧时，控制第五开关管Q1、第六开关管Q2、第十一开关管Q5、第十二开关管Q6进行全桥逆变，与此同时，控制第一开关管S1、第二开关管S2、第三开关管S3、第四开关管S4进行全桥整流；
工作模式二：
当变压器原边(变压器副边)电压较大(小)，可以将第十一开关管Q5、第十二开关管Q6断开，使第十一开关管Q5、第十二开关管Q6不处在工作状态；此时控制第五开关管Q1、第六开关管Q2、第七开关管Q3、第八开关管Q4作为全桥整流工作；同时通过改变第一开关管S1、第二开关管S2、第三开关管S3、第四开关管S4的开关频率改变变压器副边侧电压；
在该模式下可以实现能量双向流动。当能量从变压器原边流向变压器副边时，控制第一开关管S1、第二开关管S2、第三开关管S3、第四开关管S4进行全桥逆变，与此同时，控制第五开关管Q1、第六开关管Q2、第七开关管Q3、第八开关管Q4进行全桥整流；当能量从变压器副边侧流向变压器原边侧时，控制第五开关管Q1、第六开关管Q2、第七开关管Q3、第八开关管Q4进行全桥逆变，与此同时，控制第一开关管S1、第二开关管S2、第三开关管S3、第四开关管S4进行全桥整流；
工作模式三：
当第六开关管Q2、第七开关管Q3、第十二开关管Q6关断时，控制第一开关管S1、第二开关管S2、第三开关管S3、第四开关管S4使变压器原边侧进行全桥逆变，控制第五开关管Q1、第八开关管Q4、第十一开关管Q5使变压器副边侧电路工作在半波整流模式：当能量从变压器原边侧流向变压器副边侧时，通过控制第一开关管S1、第二开关管S2、第三开关管S3、第四开关管S4进行全桥逆变；在变压器副边侧电路中第八开关管Q4一直处于导通状态，副边侧第二抽头作为两个绕组的公共端，两个绕组及相关开关管分别工作在半波整流的工作模式，当变压器副边侧电路电压为正向时，控制第五开关管Q1开通进行半波整流，电流经副边侧第一抽头流出，经过第五开关管Q1、第九开关管K1、第十开关管K2、负载、第八开关管Q4，流入副边侧第二抽头；当变压器副边侧电路电压为负向时，控制第十一开关管Q5开通进行半波整流，电流经副边侧第三抽头流出，经过第十一开关管Q5、负载、第八开关管Q4，流入副边侧第二抽头，整个过程为两个半波整流的结合，可以得到全波整流相同的效果，但是在每个半波整流周期内减少了一个开关管的开通关断。
当第九开关管K1、第十开关管K2断开时，本电路有一种工作模式：
当变压器原边(变压器副边)电压较小，可以将第九开关管K1、第十开关管K2断开，使变压器原边和副边的匝数比较小。第五开关管Q1、第六开关管Q2从电路中切除，此时本电路和现有双向有源全桥谐振变换电路相同；
在该模式下还可以实现能量双向流动，当能量从变压器原边侧流向变压器副边侧时，控制第一开关管S1、第二开关管S2、第三开关管S3、第四开关管S4进行全桥逆变，与此同时，控制第七开关管Q3、第八开关管Q4、第十一开关管Q5、第十二开关管Q6进行全桥整流；当能量从变压器副边侧流向变压器原边侧时，控制第七开关管Q3、第八开关管Q4、第十一开关管Q5、第十二开关管Q6进行全桥逆变，与此同时，控制第一开关管S1、第二开关管S2、第三开关管S3、第四开关管S4进行全桥整流；
应当注意，在说明本发明的某些特征或者方案时所使用的特殊术语不应当用于表示在这里重新定义该术语以限制与该术语相关的本发明的某些特定特点、特征或者方案。总之，不应当将在随附的权利要求书中使用的术语解释为将本发明限定在说明书中公开的特定实施例，除非上述详细说明部分明确地限定了这些术语。因此，本发明的实际范围不仅包括所公开的实施例，还包括在权利要求书之下实施或者执行本发明的所有等效方案。
Claims (1)
1.一种基于三绕组变压器的双向有源全桥变换器，包括第一开关管S1、第二开关管S2、第三开关管S3、第四开关管S4、第五开关管Q1、第六开关管Q2、第七开关管Q3、第八开关管Q4、第九开关管K1、第十开关管K2、第十一开关管Q5、第十二开关管Q6、三绕组变压器T1、非极性电容C1、极性电容C2、第一电感Lr和电源V1；
所述的第一开关管S1的漏极、第三开关管S3的漏极、电源V1的正极连接，第二开关管S2的源极与第四开关管S4的源极、电源V1的负极连接，第一开关管S1的源极、第二开关管S2的漏极、第一电感Lr的一端相连，第一电感Lr的另一端、非极性电容C1的一端相连，非极性电容C1的另一端、三绕组变压器T1原边的一端相连，三绕组变压器T1原边的另一端、第三开关管S3的源极、第四开关管S4的漏极相连；三绕组变压器T1副边侧的第一抽头、第五开关管Q1的源极、第六开关管Q2的漏极相连，第五开关管Q1的漏极、第九开关管K1的漏极相连，第九开关管K1的源极、第十开关管K2的源极相连，第十开关管K2的漏极、第七开关管Q3的漏极、第十一开关管Q5的漏极、极性电容C2的正极相连，作为变压器副边侧电源的正极，三绕组变压器T1副边侧的第二抽头、第七开关管Q3的源极、第八开关管Q4的漏极相连，三绕组变压器T1副边侧的第三抽头、第十一开关管Q5的源极、第十二开关管Q6的漏极相连，第六开关管Q2的源极、第八开关管Q4的源极、第十二开关管Q6的源极、极性电容C2的负极相连，作为变压器副边侧电源的负极；三绕组变压器副边两个绕组匝数相同，通过改变相应开关管的开通关断使基于三绕组变压器的双向有源全桥变换器工作在多种工作模式，适应多种工作场合，不改变开关频率调整范围的情况下能改变变压器原边或变压器副边电压范围；基于三绕组变压器的双向有源全桥变换器有以下几种工作模式：
当第九开关管K1、第十开关管K2闭合时，基于三绕组变压器的双向有源全桥变换器有三种工作模式：
工作模式一：
当变压器原边电压较小时，将第七开关管Q3、第八开关管Q4断开，使变压器原边和副边的匝数比变大，使第七开关管Q3、第八开关管Q4不处在工作状态；此时控制第五开关管Q1、第六开关管Q2、第十一开关管Q5、第十二开关管Q6作为全桥整流工作；同时通过改变第一开关管S1、第二开关管S2、第三开关管S3、第四开关管S4的开关频率改变变压器副边侧电压；在该模式下实现能量双向流动；当能量从变压器原边侧流向变压器副边侧时，控制第一开关管S1、第二开关管S2、第三开关管S3、第四开关管S4进行全桥逆变，与此同时，控制第五开关管Q1、第六开关管Q2、第十一开关管Q5、第十二开关管Q6进行全桥整流；当能量从变压器副边侧流向变压器原边侧时，控制第五开关管Q1、第六开关管Q2、第十一开关管Q5、第十二开关管Q6进行全桥逆变，与此同时，控制第一开关管S1、第二开关管S2、第三开关管S3、第四开关管S4进行全桥整流；
工作模式二：
当变压器原边电压较大，将第十一开关管Q5、第十二开关管Q6断开，使第十一开关管Q5、第十二开关管Q6不处在工作状态；此时控制第五开关管Q1、第六开关管Q2、第七开关管Q3、第八开关管Q4作为全桥整流工作；同时通过改变第一开关管S1、第二开关管S2、第三开关管S3、第四开关管S4的开关频率改变变压器副边侧电压；在该模式下实现能量双向流动；当能量从变压器原边流向变压器副边时，控制第一开关管S1、第二开关管S2、第三开关管S3、第四开关管S4进行全桥逆变，与此同时，控制第五开关管Q1、第六开关管Q2、第七开关管Q3、第八开关管Q4进行全桥整流；当能量从变压器副边侧流向变压器原边侧时，控制第五开关管Q1、第六开关管Q2、第七开关管Q3、第八开关管Q4进行全桥逆变，与此同时，控制第一开关管S1、第二开关管S2、第三开关管S3、第四开关管S4进行全桥整流；
工作模式三：
当第六开关管Q2、第七开关管Q3、第十二开关管Q6关断时，控制第一开关管S1、第二开关管S2、第三开关管S3、第四开关管S4使变压器原边侧进行全桥逆变，控制第五开关管Q1、第八开关管Q4、第十一开关管Q5使变压器副边侧电路工作在半波整流模式：当能量从变压器原边侧流向变压器副边侧时，通过控制第一开关管S1、第二开关管S2、第三开关管S3、第四开关管S4进行全桥逆变；在变压器副边侧电路中第八开关管Q4一直处于导通状态，副边侧第二抽头作为两个绕组的公共端，两个绕组及相关开关管分别工作在半波整流的工作模式，当变压器副边侧电路电压为正向时，控制第五开关管Q1开通进行半波整流，电流经副边侧第一抽头流出，经过第五开关管Q1、第九开关管K1、第十开关管K2、负载、第八开关管Q4，流入副边侧第二抽头；当变压器副边侧电路电压为负向时，控制第十一开关管Q5开通进行半波整流，电流经副边侧第三抽头流出，经过第十一开关管Q5、负载、第八开关管Q4，流入副边侧第二抽头，整个过程为两个半波整流的结合，得到全波整流相同的效果，但是在每个半波整流周期内减少了一个开关管的开通关断；当第九开关管K1、第十开关管K2断开时，基于三绕组变压器的双向有源全桥变换器有一种工作模式：当变压器原边电压较小，将第九开关管K1、第十开关管K2断开，使变压器原边和副边的匝数比较小；第五开关管Q1、第六开关管Q2从电路中切除；在该模式下实现能量双向流动，当能量从变压器原边侧流向变压器副边侧时，控制第一开关管S1、第二开关管S2、第三开关管S3、第四开关管S4进行全桥逆变，与此同时，控制第七开关管Q3、第八开关管Q4、第十一开关管Q5、第十二开关管Q6进行全桥整流；当能量从变压器副边侧流向变压器原边侧时，控制第七开关管Q3、第八开关管Q4、第十一开关管Q5、第十二开关管Q6进行全桥逆变，与此同时，控制第一开关管S1、第二开关管S2、第三开关管S3、第四开关管S4进行全桥整流。
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