CN107222109B - 一种含有源缓冲器的双向隔离式dc-dc变换器 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种含有源缓冲器的双向隔离式DC‑DC变换器，涉及DC‑DC变换器领域；具体包括输入电路、输出电路，谐振电路和变压器；所述的谐振电路包含电感L2，电容Ca，二极管D6，开关S4和绕组N4，通过对开关S4的控制，谐振电路实际上成为一个有源缓冲器，当能量正向流动时，输入电路中，主开关管S1进行开关动作控制所传输能量的大小；在输出电路中，为了防止整流管S3和续流管S2同时导通造成输出电路中产生贯穿电路，整流管S3和续流管S2轮流进行工作，从而使得能量能够持续传输；能量反向传输时等效电路类似于Boost电路；通过控制谐振电路中辅助开关S4，使主开关管S1，续流管S2和S3整流管总能工作在软开关状态，降低了器件的开关损耗。
Description
技术领域
本发明涉及DC-DC变换器领域，具体是一种含有源缓冲器的双向隔离式DC-DC变换器。
背景技术
随着电动汽车的普及和发展，双向DC-DC变换器可以调节逆变器的输入电压，还可以实现新能源汽车能量的双向流动(如再生回馈制动)等，提升功率利用效果。因此，双向DC-DC变换器在电动汽车中的用途越来越广泛。
硬开关双向DC-DC变换器在电流连续工作模式下会遇到严重问题，因为在有源开关器件关断过程中反向恢复电流产生的电流尖峰对开关器件有极大的危害。随着双向DC-DC朝着大功率、高频化的方向发展，软开关技术变得尤为重要。
软开关技术降低了开关器件的电压电流应力，软化器件的开关过程，减小了开关损耗，提高了变换器的工作效率，且极大的缩小了变换器的体积重量，提高了变换器的功率密度和动态性能。软开关技术还减少了变换器对其他电子设备的电磁干扰。
发明内容
本发明提供了一种用于双向能量流动情景下的软开关技术，具体是含有源缓冲器的双向隔离式DC-DC变换器，通过给原双向DC-DC变换器的变压器加一个额外的绕组，变换器所有开关都可以实现软开关技术，降低了器件的开关损耗。
所述的双向隔离式DC-DC变换器，包括输入电路、输出电路，谐振电路和变压器；
变压器包括绕组N1，N2和N3，以及额外绕组N4；
所述输入电路包括：输入电源U1，主开关管S1，二极管D1和二极管D3。
具体连接如下：
二极管D3与主开关管S1并联连接后，与输入电源U1、变压器绕组N1形成回路1；同时二极管D3与主开关管S1并联连接后，与二极管D1，变压器绕组N1和N2形成回路2，二极管D1，D3的负极分别直接与变压器绕组N2、N1相连。
所述输出电路包括：负载，续流管S2，整流管S3，二极管D2，D4和D5，电容器C1，C2，电感器L1以及电阻R1。
具体连接如下：
电阻R1并联电容C1后，串联二极管D2和变压器绕组N3，形成回路1；二极管D2的正极与变压器绕组N3相连；
二极管D5并联续流管S2，二极管D4并联整流管S3后，同时串联变压器绕组N3，形成回路2；二极管D5的负极直接与变压器绕组N3相连；二极管D4的负极直接与变压器绕组N3相连。
电容器C2并联负载后，串联电感器L1以及二极管D4与整流管S3的并联电路，直接连接变压器绕组N3，形成回路3；二极管D4的负极直接与变压器绕组N3相连。
所述谐振电路包括：辅助开关S4，谐振辅助电感L2，谐振电容Ca以及二极管D6。
具体连接如下：
二极管D6与辅助开关S4并联，依次串联谐振电容Ca，谐振辅助电感L2，直接连接变压器额外绕组N4；且二极管D6的负极与变压器绕组N4直接相连。
所述的含有源缓冲器的双向隔离式DC-DC变换器的工作过程如下：
当能量正向流动时，输入电路中，主开关管S1进行开关动作控制所传输能量的大小；在输出电路中，为了防止整流管S3和续流管S2同时导通造成输出电路中产生贯穿电路，整流管S3和续流管S2轮流进行工作，从而使得能量能够持续传输；根据主开关管S1，续流管S2，整流管S3的导通与否分为以下四个阶段：
第一阶段：主开关管S1和整流管S3导通，续流管S2关闭，此时等效电路等同传统的单端正激式DC-DC变换器，输入电流通过电源U1流入变压器绕组N1，然后流入二极管D3与主开关管S1并联连接的电路，电流流入二极管D3负极；输出电路部分，变压器绕组N3的感应电流按顺时针依次通过电感L1，电容C2和负载的并联电路，二极管D4与整流管S3的并联电路，形成回路；此阶段二极管D1、D2、D3和D5中均无电流通过，电流流入二极管D4正极，电感L1对通过的输出电流起到平滑波动的作用，电容C2对输出电压起到平滑波动的作用，输出电路中电流线性上升，能量从输入电路传输到输出电路，此时谐振电路中无电流通过。
第二阶段，主开关管S1，续流管S2和整流管S3都关闭，在输入电路中没有电流流过。输出电路中二极管D2不导通，该通路无电流通过，此时续流管S2未导通，二极管D5导通，
变压器绕组N3，电感L1，电容C2和负载的并联电路，以及二极管D4与整流管S3的并联电路组成的回路中有电流通过，同时，二极管D5，电感L1，电容C2和负载的并联电路组成的回路中有电流通过。电流流入D4负极和D5正极。此时通过由变压器绕组N3、电感L1、电容C2和负载的并联电路，以及二极管D4与整流管S3的并联电路组成的回路的电流逐渐减少，通过二极管D5、电感L1、电容C2和负载并联电路组成的回路的电流则从零开始逐渐增大。开关S1，S3在关闭过程前，谐振电路中，开关S4导通，感应电流通过绕组N4，电感L2，电容Ca，流入开关S4和二极管D6并联的电路里，这使得主开关管S1和整流管S3在关闭过程中，电流先逐渐下降到零，实现软开关技术。
第三阶段，主开关管S1，整流管S3关闭，续流管S2导通，输入电路中无电流流过；输出电路中，二极管D2和D4不导通，二极管D5与续流管S2的并联电路中的电流由续流管S2中的MOS管续流，电流流入二极管D5的正极和续流管S2，依次经过电感L1，电容C2和负载的并联电路组成的回路，电感L1对通过的输出电流起到平滑波动的作用，电容C2对输出电压起到平滑波动的作用；这一阶段通过二极管D5与续流管S2的并联电路中的电流逐渐减小直到续流管S2被触发关断后结束；续流管S2在重新导通前，谐振电路中，辅助开关S4导通，感应电流通过绕组N4，电感L2，电容Ca，二极管D6负极，谐振电路的电流触发，使得续流管S2在重新导通前，两端电压，电流为零，实现软开关技术。
第四阶段，主开关管S1，续流管S2和整流管S3都关闭，输入电路中无电流通过；输出电路中，二极管D2和D4不导通，二极管D5与续流管S2的并联电路中的电流由二极管D5续流，依次经过电感L1，电容C2和负载的并联电路，电流流入二极管D5正极；回路中电感L1对通过的输出电流起到平滑波动的作用，电容C2对输出电压起到平滑波动的作用；这一阶段持续直到主开关管S1被触发导通结束，电路重新进入第一阶段时的工作状态；此时，谐振电路中，辅助开关S4开启，电流与第三阶段方向相反，二极管D6中无电流流过。
能量反向传输时分为两个阶段，等效电路类似于Boost电路。
第一阶段，续流管S2导通，主开关管S1和整流管S3关断，输入电路中无电流通过。输出电路中，负载的放电电流经过电感L1后，电流线性增加，电能以电感磁能形式储存在电感L1中。此时，输出电路中从负载开始，电感L1，电容C2，开关S2有电流经过，其他元件中无电流经过。在本阶段结束前，谐振电路中，辅助开关S4导通，电流依次通过绕组N4，辅助开关S4，电容Ca和电感L2。在本阶段末时，谐振电路使得流过续流管S2和整流管S3的电流为零，实现软开关技术。
第二阶段，主开关管S1和整流管S3导通，续流管S2关断；输出电路中，二极管D2、D4不导通，电感L1将储存的磁能转化为电能，与蓄电池一同放电，电流从负载和电感C2并联的电路流出，经过电感L1，流入绕组N3和开关S3，实现从输出端向输入端放电；输入电路部分，电流从绕组N1流出，依次经过输入电源U1，流入二极管D3和开关S1的并联电路，然后流入二极管D3正极。本阶段末，谐振电路中，辅助开关S4导通，电流依次通过绕组N4，辅助开关S4，电容Ca和电感L2。在本阶段末时，谐振电路使得流过开关S2、S3的电流为零，实现软开关技术。
通过控制谐振电路中辅助开关S4，使主开关管S1，续流管S2和S3整流管总能工作在软开关状态。
本发明的优点在于：
1)、一种含有源缓冲器的双向隔离式DC-DC变换器，功率可以在输入电路和输出电路两端双向传递，隔离式设计通过绕组将输入端和输出端隔离，提高了安全性。通过在电路拓扑结构中加入整流管作用的开关S3和续流管作用的开关S2，实现了同步整流技术。
2)、一种含有源缓冲器的双向隔离式DC-DC变换器，在输出电路中，通过滤波环节电感L1和电容C2，对输出功率进行滤波，提高了输出功率质量。
3)一种含有源缓冲器的双向隔离式DC-DC变换器，通过在开关管S1，S2，S3开通或关断前，有源缓冲器工作一小段时间，使得开关管电流电压为零，处于软开关状态，降低了开关的开通损耗。
4)一种含有源缓冲器的双向隔离式DC-DC变换器，拓扑结构简洁，应用元件价格低，系统成本低，工作效率高，且通过谐振电路控制实现软开关技术，控制方法简单，在工业应用中具有一定优势。
5)一种含有源缓冲器的双向隔离式DC-DC变换器，结构简单，在应用软开关技术的同时应用了同步整流技术，使得整个设计具有高效率、高控制性、低成本等特点。
附图说明
图1为本发明提供的含有源缓冲器的双向隔离式DC-DC变换器的电路图；
具体实施例
下面结合附图对本发明的具体实施方法进行详细说明。
所述的双向隔离式DC-DC变换器，如图1所示，包括输入电路、输出电路，谐振电路和变压器；变压器包括绕组N1，N2和N3，以及额外绕组N4；
谐振电路包含电感L2，电容Ca，二极管D6，开关S4和绕组N4，通过对开关S4的控制，谐振电路实际上成为一个有源缓冲器，使得输入电路与输出电路中的开关均可以实现软开关。
所述输入电路包括：输入电源U1，主开关管S1，二极管D1和二极管D3。
具体连接如下：
二极管D3与主开关管S1并联连接后，与输入电源U1、变压器绕组N1形成回路1；同时二极管D3与主开关管S1并联连接后，与二极管D1，变压器绕组N2和N1形成回路2，二极管D1的负极直接与变压器绕组N2相连，二极管D3的负极直接与变压器绕组N1相连。
所述输出电路包括：负载，续流管S2，整流管S3，二极管D2，D4和D5，电容器C1，C2，电感器L1以及电阻R1。
具体连接如下：
电阻R1并联电容C1后，串联二极管D2的负极和变压器绕组N3，形成回路1；二极管D2的正极与变压器绕组N3相连；
二极管D5并联续流管S2，二极管D4并联整流管S3后，同时串联变压器绕组N3，形成回路2；二极管D5的负极直接与变压器绕组N3相连；二极管D4的负极直接与变压器绕组N3相连。
电容器C2并联负载后，串联电感器L1以及二极管D4与整流管S3的并联电路，直接连接变压器绕组N3，形成回路3；二极管D4的负极直接与变压器绕组N3相连。
所述谐振电路包括：辅助开关S4，谐振辅助电感L2，谐振电容Ca以及二极管D6。
具体连接如下：
二极管D6与辅助开关S4并联，依次串联谐振电容Ca，谐振辅助电感L2，直接连接变压器额外绕组N4；且二极管D6的负极与变压器绕组N4直接相连。
所述的含有源缓冲器的双向隔离式DC-DC变换器的工作过程如下：
当能量正向流动时，输入电路中，主开关管S1进行开关动作控制所传输能量的大小；在输出电路中，为了防止整流管S3和续流管S2同时导通造成输出电路中产生贯穿电路，整流管S3和续流管S2轮流进行工作，从而使得能量能够持续传输；根据主开关管S1，续流管S2，整流管S3的导通与否分为以下四个阶段：
第一阶段：主开关管S1和整流管S3导通，续流管S2关闭，此时等效电路等同传统的单端正激式DC-DC变换器，输入电流通过电源U1流入变压器绕组N1，然后流入二极管D3与主开关管S1并联连接的电路，电流流入二极管D3负极；输出电路部分，变压器绕组N3的感应电流按顺时针依次通过电感L1，电容C2和负载的并联电路，二极管D4与整流管S3的并联电路，形成回路；此阶段二极管D1、D2、D3和D5中均无电流通过，电流流入二极管D4正极，电感L1对通过的输出电流起到平滑波动的作用，电容C2对输出电压起到平滑波动的作用，输出电路中电流线性上升，能量从输入电路传输到输出电路，此时谐振电路中无电流通过。
第二阶段，主开关管S1，续流管S2和整流管S3都关闭，在输入电路中没有电流流过。输出电路中二极管D2不导通，该通路无电流通过，此时续流管S2未导通，二极管D5导通，
变压器绕组N3，电感L1，电容C2和负载的并联电路，以及二极管D4与整流管S3的并联电路组成的回路中有电流通过；同时，二极管D5，电感L1，电容C2和负载的并联电路组成的回路中有电流通过。电流流入D4负极和D5正极。此时通过由变压器绕组N3、电感L1、电容C2和负载的并联电路，以及二极管D4与整流管S3的并联电路组成的回路的电流逐渐减少，通过二极管D5、电感L1、电容C2和负载并联电路组成的回路的电流则从零开始逐渐增大。开关S1，S3在关闭过程前，谐振电路中，开关S4导通，感应电流通过绕组N4，电感L2，电容Ca，流入开关S4和二极管D6并联的电路里，这使得主开关管S1和整流管S3在关闭过程中，电流先逐渐下降到零，实现软开关技术。
第三阶段，主开关管S1，整流管S3关闭，续流管S2导通，输入电路中无电流流过；输出电路中，二极管D2和D4不导通，二极管D5与续流管S2的并联电路中的电流由续流管S2中的MOS管续流，电流流入二极管D5的正极和续流管S2，依次经过电感L1，电容C2和负载的并联电路组成的回路，通过负载的电流由MOS管续流，直到S2被触发关断。该电路拓扑结构采用了同步整流技术，当输出电路中，负载所需电流较大时，负载电流将通过导通电阻较小的MOS管，从而避免电流通过二极管造成导通损耗过大。
电感L1对通过的输出电流起到平滑波动的作用，电容C2对输出电压起到平滑波动的作用；这一阶段通过二极管D5与续流管S2的并联电路中的电流逐渐减小直到续流管S2被触发关断后结束；续流管S2在重新导通前，谐振电路中，辅助开关S4导通，感应电流通过绕组N4，电感L2，电容Ca，二极管D6正极，谐振电路的电流触发，使得续流管S2在重新导通前，两端电压，电流为零，实现软开关技术。
第四阶段，主开关管S1，续流管S2和整流管S3都关闭，输入电路中无电流通过；输出电路中，二极管D2和D4不导通，二极管D5与续流管S2的并联电路中的电流由二极管D5续流，依次经过电感L1，电容C2和负载的并联电路，电流流入二极管D5正极；回路中电感L1对通过的输出电流起到平滑波动的作用，电容C2对输出电压起到平滑波动的作用；这一阶段持续直到主开关管S1被触发导通结束，电路重新进入第一阶段时的工作状态；此时，谐振电路中，辅助开关S4开启，电流与第三阶段方向相反，二极管D6中无电流流过。
能量反向传输时分为两个阶段，等效电路类似于Boost电路。
第一阶段，续流管S2导通，主开关管S1和整流管S3关断，输入电路中无电流通过。输出电路中，负载的放电电流经过电感L1后，电流线性增加，电能以电感磁能形式储存在电感L1中。此时，输出电路中从负载开始，电感L1，电容C2，开关S2有电流经过，其他元件中无电流经过。在本阶段结束前，谐振电路中，辅助开关S4导通，电流依次通过绕组N4，辅助开关S4，电容Ca和电感L2。在本阶段末时，谐振电路使得流过续流管S2和整流管S3的电流为零，实现软开关技术。
第二阶段，主开关管S1和整流管S3导通，续流管S2关断；输出电路中，二极管D2、D4不导通，电感L1将储存的磁能转化为电能，与蓄电池一同放电，电流从负载和电感C2并联的电路流出，经过电感L1，流入绕组N3和开关S3，实现从输出端向输入端放电；输入电路部分，电流从绕组N1流出，依次经过输入电源U1，流入二极管D3和开关S1的并联电路，然后流入二极管D3正极。本阶段末，谐振电路中，辅助开关S4导通，电流依次通过绕组N4，辅助开关S4，电容Ca和电感L2。在本阶段末时，谐振电路使得流过开关S2、S3的电流为零，实现软开关技术。
通过控制谐振电路中辅助开关S4，使主开关管S1，续流管S2和S3整流管总能工作在软开关状态。
显然，本领域技术人员可以对本发明的软开关DC-DC变换器进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若对本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。
Claims (3)
1.一种含有源缓冲器的双向隔离式DC-DC变换器，其特征在于：包括输入电路、输出电路，谐振电路和变压器；所述的变压器包括绕组N1，N2和N3，以及额外绕组N4；
所述输入电路包括：输入电源U1，主开关管S1，二极管D1和二极管D3；
具体连接如下：
二极管D3与主开关管S1并联连接后，与输入电源U1、变压器绕组N1形成回路a；同时二极管D3与主开关管S1并联连接后，与二极管D1，变压器绕组N1和N2形成回路b，
所述输出电路包括：负载，续流管S2，整流管S3，二极管D2，D4和D5，电容器C1，C2，电感器L1以及电阻R1；
具体连接如下：
电阻R1并联电容C1后，串联二极管D2和变压器绕组N3，形成回路1；二极管D5并联续流管S2，二极管D4并联整流管S3后，同时串联变压器绕组N3，形成回路2；电容器C2并联负载后，串联电感器L1以及二极管D4与整流管S3的并联电路，直接连接变压器绕组N3，形成回路3；
所述谐振电路包括：辅助开关S4，谐振辅助电感L2，谐振电容Ca以及二极管D6；
具体连接如下：
二极管D6与辅助开关S4并联，依次串联谐振电容Ca，谐振辅助电感L2，直接连接变压器额外绕组N4；且二极管D6的负极与变压器绕组N4直接相连；
当能量正向流动时，所述的输入电路中，主开关管S1进行开关动作控制所传输能量的大小；在所述的输出电路中，为了防止整流管S3和续流管S2同时导通造成输出电路中产生贯穿电路，整流管S3和续流管S2轮流进行工作，从而使得能量能够持续传输；
当能量正向流动时，根据主开关管S1，续流管S2，整流管S3的导通与否分为以下四个阶段：
第一阶段：主开关管S1和整流管S3导通，续流管S2关闭，输入电流通过电源U1流入变压器绕组N1，然后流入二极管D3与主开关管S1并联连接的电路，电流流入二极管D3负极；输出电路部分，变压器绕组N3的感应电流按顺时针依次通过电感L1，电容C2和负载的并联电路，二极管D4与整流管S3的并联电路，形成回路；此阶段二极管D1、D2、D3和D5中均无电流通过，电流流入二极管D4正极，输出电路中电流线性上升，能量从输入电路传输到输出电路，此时谐振电路中无电流通过；
第二阶段，主开关管S1，续流管S2和整流管S3都关闭，在输入电路中没有电流流过；输出电路中二极管D2不导通，变压器绕组N3，电阻R1和电容C1的并联电路，以及二极管D2组成的回路中无电流通过，此时续流管S2未导通，二极管D5导通，变压器绕组N3，电感L1，电容C2和负载的并联电路，以及二极管D4与整流管S3的并联电路组成的回路中有电流通过，同时，二极管D5，电感L1，电容C2和负载的并联电路组成的回路中有电流通过；电流流入D4正极和D5正极；此时通过由变压器绕组N3、电感L1、电容C2和负载的并联电路，以及二极管D4与整流管S3的并联电路组成的回路的电流逐渐减少，通过二极管D5、电感L1、电容C2和负载并联电路组成的回路的电流则从零开始逐渐增大；开关S1，S3在关闭过程前，谐振电路中，开关S4导通，感应电流通过绕组N4，电感L2，电容Ca，流入开关S4和二极管D6并联的电路里，使得主开关管S1和整流管S3在关闭过程中，电流先逐渐下降到零，实现软开关；
第三阶段，主开关管S1，整流管S3关闭，续流管S2导通，输入电路中无电流流过；输出电路中，二极管D2和D4不导通，二极管D5与续流管S2的并联电路中的电流由续流管S2中的MOS管续流，电流流入二极管D5的正极和续流管S2，依次经过电感L1，电容C2和负载的并联电路组成的回路；这一阶段通过二极管D5与续流管S2的并联电路中的电流逐渐减小直到续流管S2被触发关断后结束；续流管S2在重新导通前，谐振电路中，辅助开关S4导通，感应电流通过绕组N4，电感L2，电容Ca，二极管D6正极，谐振电路的电流触发，使得续流管S2在重新导通前，两端电压，电流为零，实现软开关；
第四阶段，主开关管S1，续流管S2和整流管S3都关闭，输入电路中无电流通过；输出电路中，二极管D2和D4不导通，二极管D5与续流管S2的并联电路中的电流由二极管D5续流，依次经过电感L1，电容C2和负载的并联电路，电流流入二极管D5正极；这一阶段持续直到主开关管S1被触发导通结束，电路重新进入第一阶段时的工作状态；此时，谐振电路中，辅助开关S4开启，电流与第三阶段方向相反，二极管D6中无电流流过。
2.如权利要求1所述的一种含有源缓冲器的双向隔离式DC-DC变换器，其特征在于：所述的二极管D1，D3的负极直接与变压器绕组N1、N2相连；二极管D2的正极与变压器绕组N3相连；二极管D4的负极直接与变压器绕组N3相连；二极管D5的负极直接与变压器绕组N3相连；二极管D6的负极直接与变压器绕组N4相连。
3.如权利要求1所述的一种含有源缓冲器的双向隔离式DC-DC变换器，其特征在于：能量反向传输时分为两个阶段：
第一阶段，续流管S2导通，主开关管S1和整流管S3关断，输入电路中无电流通过；输出电路中，负载的放电电流经过电感L1后，电流线性增加，电能以电感磁能形式储存在电感L1中；此时，输出电路中从负载开始，电感L1，电容C2，开关S2有电流经过，其他元件中无电流经过；在本阶段结束前，谐振电路中，辅助开关S4导通，电流依次通过绕组N4，辅助开关S4，电容Ca和电感L2；在本阶段末时，谐振电路使得流过续流管S2和整流管S3的电流为零，实现软开关；
第二阶段，主开关管S1和整流管S3导通，续流管S2关断；输出电路中，二极管D2、D4不导通，电感L1将储存的磁能转化为电能，与蓄电池一同放电，电流从负载和电感C2并联的电路流出，经过电感L1，流入绕组N3和开关S3，实现从输出端向输入端放电；输入电路部分，电流从绕组N1流出，依次经过输入电源U1，流入二极管D3和开关S1的并联电路，然后流入二极管D3正极；本阶段末，谐振电路中，辅助开关S4导通，电流依次通过绕组N4，辅助开关S4，电容Ca和电感L2；在本阶段末时，谐振电路使得流过开关S2、S3的电流为零，实现软开关。
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