CN106357118B - 一种可消除无功功率的双向dc/dc变换器 - Google Patents

一种可消除无功功率的双向dc/dc变换器 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种可消除无功功率的隔离型双向DC/DC变换器，包括：多个开关管，其中，两个开关管组成第一半桥(H1)，4个开关管组成第二H桥(H2)，4个开关管组成第三H桥(H3)，所述第一半桥(H1)和第二H桥(H2)并联于输入电源，所述第三H桥(H3)并联于输出电源处；电容，所述输入电源和输出电源上均并联有电容；电感器，所述电感器连接于第一半桥(H1)和第二H桥(H2)之间，通过开关管的关断和导通，使来自直流电源的电流断开和连接，把直流电源的输入电压变换为不同的直流输出电压。本发明将电感从高频交流侧移至中间直流侧，使得第二H桥的高频电压、电流始终同相位，从而消除了无功功率，降低器件损耗，提高系统的效率。

Description

一种可消除无功功率的双向DC/DC变换器
技术领域
本发明涉及电能转换技术领域，具体地说，涉及一种可消除无功功率的双向DC/DC变换器。
背景技术
隔离型双向DC/DC变换器(Isolated Bidirectional DC/DC Converter)具有电气隔离、电压变换和能量双向流动等功能。在大功率应用场合，可以大幅度减小系统体积、重量和成本，具有高效、动态性能好等优势，广泛应用于新能源系统、航天、电动汽车等领域。
目前的最常用的隔离型双向DC/DC变换器采用的是双H桥拓扑，电感位于两个桥之间，随着开关管动作，中间交流侧高频变压器两端电压和电感电流存在大量的反向时间，这导致系统中无功功率较大，造成电路损耗和整体效率的降低，不利于电能的转换。其他几种拓扑及其特点分别为：双反激拓扑，结构简单，适合于小功率场合；双推挽拓扑，传输功率比双反激大，但开关管工作条件恶劣，适用于中低压应用场合；双半桥拓扑，适用于高压场合，但是对支撑电容要求较高，传递同样功率要求功率器件的电流容量大。综合来看，几种隔离型双向DC/DC变换器的拓扑都不适用于大功率场合。
发明内容
本发明提供了一种可消除无功功率的隔离型双向DC/DC变换器，以解决目前的隔离型双向DC/DC变换器在每个开关周期内中间交流侧电压和电流存在大量反向时间，造成较大的无功功率，电路损耗大，系统整体效率低的问题。
根据本发明的一个方面，提供了一种可消除无功功率的隔离型双向DC/DC变换器，包括：多个开关管，其中，两个开关管组成第一半桥(H1)，4个开关管组成第二H桥(H2)，4个开关管组成第三H桥(H3)，所述第一半桥(H1)和第二H桥(H2)并联于输入电源，所述第三H桥(H3)并联于输出电源处；电容，所述输入电源和输出电源上均并联有电容；电感器，所述电感器连接于第一半桥(H1)和第二H桥(H2)之间，通过开关管的关断和导通，使来自直流电源的电流断开和连接，把直流电源的输入电压变换为不同的直流输出电压。
优选地，第一半桥(H1)是由开关管(T11)和(T12)串联组成。
优选地，开关管(T21)、(T22)串联后与串联的开关管(T23)、(T24)并联组成第二H桥(H2)，第二H桥(H2)的一端通过电感(L)连接在开关管(T11)和(T12)之间电路上，第二H桥(H2)的另一端连接在输入级的负极。
优选地，开关管(T31)、(T32)串联后与串联的开关管(T33)、(T34)并联组成第三H桥(H3)。
优选地，还设置有变压器，该变压器的初级线圈的一端连接在第二H桥(H2)中的开关管(T21)和(T22)之间的电路上，另一端连接在开关管(T23)和(T24)之间的电路上；变压器的次级线圈的一端连接在第三H桥(H3)的开关管(T31)和(T32)之间的电路上，另一端连接在开关管(T33)和(T34)之间的电路上。
优选地，每个开关管均和一个二极管并联。
优选地，把电感器放在输入侧，仅利用第二H桥(H2)和第三H桥(H3)可实现对输入电源的升压。
优选地，把电感器放在输出侧，仅利用第二H桥(H2)和第三H桥(H3)可实现对输入电源的降压。
附图说明
通过结合下面附图对其实施例进行描述，本发明的上述特征和技术优点将会变得更加清楚和容易理解。
图1是所提出的隔离型双向DC/DC变换器电路拓扑图；
图2是双向DC/DC变换器的功能示意图；
图3是升压应用场合的隔离型双向DC/DC变换器电路拓扑图；
图4是降压应用场合的隔离型双向DC/DC变换器电路拓扑图。
具体实施方式
下面将参考附图来描述本发明所述的一种可消除无功功率的双向DC/DC变换器的实施例。本领域的普通技术人员可以认识到，在不偏离本发明的精神和范围的情况下，可以用各种不同的方式或其组合对所描述的实施例进行修正。因此，附图和描述在本质上是说明性的，而不是用于限制权利要求的保护范围。此外，在本说明书中，附图未按比例画出，并且相同的附图标记表示相同的部分。
本发明提供一种可消除无功功率的双向DC/DC变换器。图1是本实施例的隔离型双向DC/DC变换器电路拓扑图。包括开关管、电感L、电容C1、C2、变压器等元件，各元器件如图1所示连接。下面结合图1描述其具体连接关系。在输入级具有由两个开关管T11和T12组成第一半桥H1，即开关管T11和T12串联后并联在输入级的两端。四个开关管T21、T22、T23、T24组成第二H桥H2，第一半桥H1和第二H桥H2之间还连接有电感L。具体地说，是第二H桥H2的一端通过电感L连接在开关管T11和T12之间电路上，第二H桥H2的另一端连接在输入级的负极。输入级并联有电容C1，输出级并联有电容C2。在输出级具有四个开关管T31、T32、T33、T34组成的第三H桥H3。第三H桥H3的一端连接在输出级的正极，另一端连接在输出级的负极。输入电压为V1，输出电压为V2。在输入级和输出级之间，还设置有变压器。该变压器的初级线圈的一端连接在第二H桥H2中的开关管T21和T22之间的电路上，另一端连接在开关管T23和T24之间的电路上。变压器的次级线圈的一端连接在第三H桥H3的开关管T31和T32之间的电路上，另一端连接在开关管T33和T34之间的电路上。其中，每个开关管还和一个二极管并联形成，例如，开关管T11和二极管D11并联。电容用于平稳整流的输出电压。在输入级和输出级之间的变压器产生交变电流，如果电感L设置在第二H桥H2与第三H桥H3之间的高频隔离变压器处，随着开关管动作，高频变压器所在的交流侧电压和电流存在大量的反向时间，这导致系统中无功功率较大，造成电路损耗和整体效率的降低，不利于电能的转换。因此，本实施例的拓扑结构中，将电感L从原来高频交流侧移至中间直流侧，使得第二H桥H2的高频电压、电流始终同相位，从而消除了无功功率。
本发明的这种拓扑结构，能够通过控制开关管的通断状态来调节DC/DC变换器的输出电压、工作模式、功率流向等。
如图2所示，电流方向如图2所示，I1从右向左流动为正，I2从左向右流动为正。当I1＜0，I2＞0时，功率从左向右传输，功率流为正向，当I1＞0，I2＜0时，功率从右向左传输，功率流为反向。
该隔离型双向DC/DC变换器的拓扑结构的工作原理如下：
(1)当I1＜0，I2＞0时，功率从左侧到右侧流动，其工作模式分为升压模式和降压模式。
1)降压模式：H1桥的开关管T11和开关管T12交替导通，H2桥的开关管T21和开关管T24同时导通，开关管T22和开关管T23同时导通，且在一个周期T内分别导通T/2，H3桥的开关管导通情况与H2相同。具体地说，输入电压为V1，当开关管T11导通时，开关管T12关断。电流I1经开关管T11流过电感L，电感L储能。并且，电流I1经开关管T21、变压器的初级线圈、开关管T24流回电源负极。而变压器的次级线圈产生的电流经开关管T31和开关管T34形成回路，产生输出电压V2。
当开关管T11关断时，开关管T12导通。电感L中的电流依次经过开关管T23、变压器的初级线圈、开关管T22、开关管T12。次级线圈侧，电流依次流过开关管T33、电池2、开关管T32。
输出电压V2和输入电压V1的关系是其中，D1为T11管导通的占空比。
2)升压模式：H1桥的T12管关断，T11管一直导通，H2桥的开关管T21和开关管T24同时导通，开关管T22和开关管T23同时导通，且在一个周期T内分别导通T/2，H3桥的两个桥臂之间有一个移相。T33和T34两个管子比T31和T32滞后一个角度导通，并且T31和T32，T33和T34互补导通，此时电路工作在升压模式。具体地说，例如在半个周期内，输入电压为V1，开关管T11一直导通，开关管T12一直关断。电流I1经开关管T11、电感L流到开关管T21处，开关管T21和开关管T24导通，则电流经开关管T21、变压器的初级线圈、开关管T24流回电源负极。而变压器的次级线圈产生的电流经开关管T31和开关管T34形成回路，产生输出电压V2。
输出电压V2和输入电压V1的关系是其中，D2为H3桥移相时间占半个周期比例。
(2)当I1＞0，I2＜0时，功率从右侧向左侧流动。其工作模式也包括升压模式和降压模式：
1)降压模式：H1桥T11管一直导通，T12管一直关断，H2桥的T21管和T24管同时导通，T22管和T23管同时导通，且在一个周期T内分别导通T/2，H3桥的两个桥臂之间有一个移相，T33和T34两个管子比T31和T32滞后一个角度导通，并且T31和T32，T33和T34互补导通。
输出电压V1和输入电压V2的关系是：其中，D2为H3桥移相时间占半个周期的比例。
2)升压模式：让H1桥的T11管和T12管交替导通，H2桥的T21管和T24管同时导通，T22管和T23管同时导通，且在一个周期T内分别导通T/2，H3桥的开关管导通情况与H2相同，此时电路工作在升压模式。
输出电压V1和输入电压V2的关系是：其中，D1为T11管导通的占空比。
此外，在只做升压或降压的应用场合，可以去掉第一半桥H1，简化成如附图3和附图4所示电路。其功率仍然可以双向流动，靠近电感一侧是低压侧，通过控制各桥的开关管关断、导通以及移相时间，结合电感L，能够实现升压或降压的目的。图3即为升压应用场合的隔离型DC/DC变换器电路拓扑图，图4即为降压应用场合的隔离型DC/DC变换器电路拓扑图。
本发明的隔离型双向DC/DC变换器的拓扑结构通过控制电路中第一半桥的两个开关管交替导通和第三H桥的移相时间，实现变换器的升压和降压工况。通过改变两个直流侧的电流方向，实现功率双向流动。并且，由于本发明的隔离型双向DC/DC变换器中，将电感从原来高频交流侧移至中间直流侧，使得第二H桥的高频电压、电流始终同相位，从而消除了无功功率，这样可以减小开关管的电流，降低器件损耗，提高系统的效率。
以上所述仅为本发明的优选实施例，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种可消除无功功率的隔离型双向DC/DC变换器，包括：
多个开关管，其中，两个开关管组成第一半桥(H1)，4个开关管组成第二H桥(H2)，4个开关管组成第三H桥(H3)，所述第一半桥(H1)和第二H桥(H2)并联于输入电源，所述第三H桥(H3)并联于输出电源处；
电容，所述输入电源和输出电源上均并联有电容；
电感器，所述电感器连接于第一半桥(H1)和第二H桥(H2)之间，
通过开关管的关断和导通，使来自直流电源的电流断开和连接，把直流电源的输入电压变换为不同的直流输出电压，
其中，第一半桥(H1)是由开关管(T11)和(T12)串联组成，
其中，开关管(T21)、(T22)串联后与串联的开关管(T23)、(T24)并联组成第二H桥(H2)，第二H桥(H2)的一端通过电感(L)连接在开关管(T11)和(T12)之间电路上，第二H桥(H2)的另一端连接在输入级的负极，
其中，开关管(T31)、(T32)串联后与串联的开关管(T33)、(T34)并联组成第三H桥(H3)，
其中，还设置有变压器，该变压器的初级线圈的一端连接在第二H桥(H2)中的开关管(T21)和(T22)之间的电路上，另一端连接在开关管(T23)和(T24)之间的电路上；
变压器的次级线圈的一端连接在第三H桥(H3)的开关管(T31)和(T32)之间的电路上，另一端连接在开关管(T33)和(T34)之间的电路上，
其中，当功率流为正向时，降压模式中，输出电压V2和输入电压V1的关系是
D1为第一半桥靠向输入电源正极的开关管导通的占空比；
升压模式中，输出电压V2和输入电压V1的关系是D2为第三H桥移相时间占半个周期的比例，
当功率流反向时，降压模式中，输出电压V1和输入电压V2的关系是：其中，D2为第三H桥移相时间占半个周期的比例；
升压模式中，输出电压V1和输入电压V2的关系是：其中，D1为第一半桥靠向输入电源正极的开关管导通的占空比。
2.根据权利要求1所述的可消除无功功率的隔离型双向DC/DC变换器，其特征是，每个开关管均和一个二极管并联。
3.根据权利要求1所述的可消除无功功率的隔离型双向DC/DC变换器，其特征是，把电感器放在输入侧，仅利用第二H桥(H2)和第三H桥(H3)可实现对输入电源的升压。
4.根据权利要求1所述的可消除无功功率的隔离型双向DC/DC变换器，其特征是，把电感器放在输出侧，仅利用第二H桥(H2)和第三H桥(H3)可实现对输入电源的降压。
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