CN107612329A - 一种隔离型Boost双半桥DC‑DC变换器 - Google Patents

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王议锋
韩富强
王成山
杨良
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Abstract

本发明公开了一种隔离型Boost双半桥DC‑DC变换器，该变换器应用于包含储能系统的直流微电网、新能源发电及电动汽车等领域，包括一个Boost升压电路、两个电压型半桥、两个谐振腔及一个全桥整流电路。其特点是全负载范围内实现原边各开关管的零电压开通(ZVS turn‑on)及副边整流二极管的零电流开通(ZCS turn‑on)和零电流关断(ZCS turn‑off)，极大地减小了导通损耗。此外，Boost升压电路不需要额外的有源开关管器件，构造简单，进一步提高了变换器效率。该变换器具有功率密度大、效率高等特点，且模块化设计，易于并联运行，适合高功率应用场合。

Description

一种隔离型Boost双半桥DC-DC变换器
技术领域
本发明涉及直流微电网技术领域，具体为一种隔离型Boost双半桥DC-DC变换器。
背景技术
随着分布式电源如太阳电池、燃料电池、风力机、燃气轮机和沼气发电等的发展，微网应运而生，它是一种有效利用分布式电源的配电形式。相比交流微网，直流微网由于更加方便于分布式电源的接入，且不存在分布式电源间的同步和无功功率流动等问题，更加高效节能，逐渐引起了更多国内外学者的关注。其中，直流功率变换器(DC-DC)在直流微网系统中起着至关重要的作用，其作为接口电路不仅实现了微网与大电网之间的能量流动，分布式电源和储能单元的并网接入，也实现了不同类型和不同电压等级负载的接入。
应用最广泛的就是谐振软开关直流变换器，直至今日，关于其拓扑衍生、控制方法、参数优化、应用场景的研究还在继续进行中。谐振软开关直流变换器的最大优点在于其谐振腔单元的谐振作用令谐振电流工作在全正弦波或近似全正弦波形态下，电路中的所有功率开关器件均能够实现软开关，大幅抑制了高速开关带来的损耗，实现高效率、高功率密度、低电磁干扰变换等效果。
但新能源形式的直流输入电压一般较低，需要在其输出侧额外增加一级升压装置，以满足不同电压等级负载的要求。两级DC-DC变换不仅增大了系统体积，不满足系统高功率密度要求，还会影响整体转换效率，不利于直流微电网的高效率高功率密度发展目标。
发明内容
本发明的目的是为了克服现有技术中的不足，提供一种隔离型Boost双半桥DC-DC变换器，该变换器可应用于包含储能系统的直流微电网、新能源发电及电动汽车等领域，通过集成Boost升压功能，有效拓宽了变换器输入电压变化范围，可在全负载范围内实现原边各开关管的零电压开通(ZVS turn-on)及副边整流二极管的零电流开通(ZCS turn-on)和零电流关断(ZCS turn-off)，极大地减小了导通损耗。此外，Boost升压电路不需要额外的有源开关管器件，构造简单。该变换器具有功率密度大、效率高等特点，且模块化设计，易于并联运行，适合高功率应用场合。
本发明的目的是通过以下技术方案实现的：
一种隔离型Boost双半桥DC-DC变换器，包括一个Boost升压电路、两个电压型半桥、两个谐振腔及一个全桥整流电路，Boost升压电路由输入电感、带中心抽头的第一变压器和第一整流二极管、第二整流二极管构成，其中第一变压器由谐振变换器原本存在的开关管所激励，不需要额外的有源开关器件，该升压电路结构简单，故不需要增加额外的控制电路；第一变压器原边跨接在两个半桥桥臂中点a、b之间，在二次侧感应出的电压经第一整流二极管、第二整流二极管后，再与变换器输入电压Vin串联达到Boost升压电路提升电压的作用，这种连接方式通过整合Boost电路实现了两级向一级DC/DC变换环节的整合，且该Boost升压电路不需要额外的控制电路，控制简单，变换器效率和功率密度进一步提高，两个电压型半桥分别构成并联连接的模块A和模块B，且两模块各桥臂输出分别连接由电感Lx、电容Cx及变压器Tx(x＝a,b)构成的谐振腔；第二变压器、第三变压器的二次侧绕组并联连接于全桥整流电路的输入端，经第三整流二极管至第六整流二极管整流后供电给负载；该变换器采用定频移相控制，两个半桥间存在移相角该移相角可在[0,180°]间变化，的具体数值取决于变换器所需要Boost提升的电压值。
与现有技术相比，本发明的技术方案所带来的有益效果是：
(1)全负载范围内实现原边各开关管的零电压开通及副边整流二极管的零电流开通和零电流关断，极大地减小了导通损耗。
(2)该变换器集成Boost升压功能，将两级变换环节减少为一级，提高了转换效率。
(3)Boost升压电路由变换器原本存在的开关管所激励，不需要额外的有源开关器件，结构简单，不需要增加额外的控制电路。
(4)采用定频移相控制，移相角可在[0,180°]间变化，其具体数值取决于变换器所需要Boost提升的电压值。
(5)单级DC/DC变换采用了集中控制，具有电压增益高、功率密度大、效率高等特点。
(6)模块化设计，易于并联运行，适合高功率应用场合。
附图说明
图1是本发明变换器的结构示意图。
图2是变换器相应的工作模态图。
图3(a)至图3(c)是本发明变换器的仿真波形图，其中，3(a)为额定功率下的仿真波形，3(b)为50％额定功率下的仿真波形，3(c)为25％额定功率下的仿真波形。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步详细描述：
图1中，本发明所涉及的隔离型Boost双半桥DC-DC变换器包括一个Boost升压电路、两个电压型半桥、两个谐振腔及一个全桥整流电路。其中，Boost升压电路由输入电感Lin、带中心抽头变压器Tboost和整流二极管D1、D2构成。Boost变压器Tboost原边跨接在两个半桥桥臂中点a、b之间，在二次侧感应出的电压经整流二极管D1、D2整流后，再与变换器输入电压Vin串联达到Boost提升电压的作用。两个电压型半桥分别构成并联连接的模块A和模块B，且两模块各桥臂输出分别连接由电感Lx、电容Cx及变压器Tx(x＝a,b)构成的谐振腔。变压器Ta、Tb的二次侧绕组并联连接于全桥整流电路的输入端，经整流二极管D3-D6整流后供电给负载R。该变换器采用定频移相控制，两个半桥间存在移相角该移相角可在[0,180°]间变化，的具体数值取决于变换器所需要Boost提升的电压值。
图2为本发明所涉及变换器的工作模态图。其中，GA、GB分别表示两个半桥模块A和B开关管的驱动信号，VaA、VbB分别为模块A、B桥臂输出电压，Vab为Boost变压器Tboost原边侧电压，iLa、iLb分别为模块A、B两个谐振腔电流，iD1、iD3分别为整流二极管D3、D5的电流，isa1、isb1分别为开关管Sa1、Sb1的电流。根据图2所示，该变换器一个开关周期内共有10个工作模态。
模态1[t0-t1]，t0时刻，开关管Sb2关断，Sb1尚未导通，电路进入死区。此时，流经模块B谐振腔的电流iLb继续负向流动，Sb2的寄生电容开始充电，而Sb1的寄生电容开始放电，其两端电压快速下降至0，iLb将从Sb1的体二极管流过。变压器Ta、Tb的副边绕组并联连接，整流二极管D3、D6保持导通，而D4、D5反向截止。
模态2[t1-t2]，t1时刻，开关管Sb1开通，由于其两端电压始终为0，故Sb1实现零电压开通(ZVS turn-on)。此时，模块B桥臂中点b与模块A桥臂中点a等电势，故ab中点电压Vab等于0。Boost整流二极管D1继续导通，输入电压Vin泵升到Vbus。谐振腔电流iLa、iLb保持原有变化趋势不变，副边侧整流二极管D3、D6继续导通。
模态3[t2-t3]，t2时刻，开关管Sa1关断，Sa2尚未导通，电路进入死区。此时，开关管Sa1的寄生电容开始充电，Sa2的寄生电容开始放电，其两端电压快速下降至0，谐振腔电流iLa将从Sa2的体二极管流过。a点电势变为0，Vab变成负值，iab改变方向，变成负值。因此，Boost整流二极管D2开始导通。而整流侧电流iD1保持原有变化趋势不变，二极管D3、D6导通，D4、D5截止。
模态4[t3-t4]，t3时刻，开关管Sa2开通，由于其两端电压始终为0，故Sa2实现零电压开通(ZVS turn-on)。此阶段内，a点电势恒为0，Vab为负值。电路其他参数保持原变化趋势不变。
模态5[t4-t5]，t4时刻，整流侧电流iD1下降至0，二极管D3、D6反向截止，实现零电流关断(ZCS turn-off)。相应的，二极管D4、D5开始导通，由于流经D4、D5的电流iD3为0，故二极管D4、D5实现零电流开通(ZCS turn-on)。此阶段内，Vab恒为负值，Boost整流二极管D2保持导通，输入电压Vin泵升到Vbus。
至此，模态1-模态5为一个开关周期的正半周期，而模态6-模态10为一个开关周期的负半周期，其各模态运行特性可由正半周期的相应各模态对比分析可得，此处不再赘述。
图3(a)至图3(c)为本发明隔离型Boost双半桥DC-DC变换器的仿真波形图，其中，图3(a)为额定功率下的仿真波形，图3(b)为50％额定功率下的仿真波形，图3(c)为25％额定功率下的仿真波形。以上各图均分别示出了模块A和模块B各桥臂上部开关管Sa1、Sb1的电流波形及相应的开关管两端电压Va1、Vb1波形以及整流二极管D3、D5的电流波形和其相应的电压VD1、VD3波形。由图可以看出，各开关管电流波形均有一段先流经与各开关管反并联连接的二极管，然后再流经本开关管，即验证了各开关管的ZVS导通。此外可以看出，在二极管导通时刻和反向截止时刻二极管电流均为零，实现了整流二极管的零电流开通和零电流关断特性，极大地减小了导通损耗，进一步提高了变换器的效率。
本发明并不限于上文描述的实施方式。以上对具体实施方式的描述旨在描述和说明本发明的技术方案，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，并不是限制性的。在不脱离本发明宗旨和权利要求所保护的范围情况下，本领域的普通技术人员在本发明的启示下还可做出很多形式的具体变换，这些均属于本发明的保护范围之内。

Claims (1)

1.一种隔离型Boost双半桥DC-DC变换器，其特征在于，在全负载范围内实现原边各开关管的零电压开通及副边整流二极管的零电流开通和零电流关断，包括一个Boost升压电路、两个电压型半桥、两个谐振腔及一个全桥整流电路，所述Boost升压电路由输入电感(Lin)、带中心抽头的第一变压器(Tboost)和第一整流二极管(D1)、第二整流二极管(D2)构成，所述第一变压器(Tboost)的原边跨接在两个半桥桥臂中点a、b之间，在二次侧感应出的电压经整流电路的第一整流二极管(D1)和第二整流二极管(D2)整流后，再与变换器输入电压Vin串联以实现Boost升压电路提升电压的作用；两个电压型半桥分别构成并联连接的模块A和模块B，且两模块各桥臂输出分别连接由电感Lx、电容Cx及变压器Tx(x＝a,b)构成的谐振腔,第二变压器(Ta)、第三变压器(Tb)的二次侧绕组并联连接于全桥整流电路的输入端，经第三整流二极管(D3)、第四整流二极管(D4)、第五整流二极管(D5)和第六整流二极管(D6)整流后供电给负载(R)，所述变换器采用定频移相控制，两个半桥间存在可在[0,180°]间变化的移相角
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