CN107666254A - 隔离型双向dc/ac电源 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及隔离型双向DC/AC电源，包括双向DC/AC变换器、隔离型双向DC/DC变换器,其双向DC/AC变换器的交流侧接三相交流电源，双向DC/AC变换器的直流侧设有双母线，即BUS+到N的正直流母线、N到BUS‑的负直流母线；双向DC/AC变换器稳定和平衡正直流母线和负直流母线；隔离型双向DC/DC变换器包括第一、第二双向DC/DC变换单元，第一双向DC/DC变换单元高压模块与双向DC/AC变换器直流侧的正直流母线相连，第二双向DC/DC变换单元高压模块与双向DC/AC变换器直流侧的负直流母线相连，第一双向DC/DC变换单元的低压模块与第二双向DC/DC变换单元的低压模块在低压侧并联。

Description

隔离型双向DC/AC电源
技术领域
本发明涉及一种电源，具体涉及一种隔离型双向DC/AC电源。
背景技术
目前电源相关行业中，双向隔离DC/AC电源的应用非常多。比如电池 化成电源行业经常用到一种直流10～350Vdc转换为三相交流380Vac的双 向隔离DCAC电源，其常见的拓扑结构如图1所示。这种拓扑结构的双向 DC/AC变换器直流侧产生一个直流电源，电压范围大致为700～850V，双向 隔离DC/DC变换器连接在双向DC/AC变换器直流侧进行电能双向变换。此 种拓扑结构的缺点是双向DC/DC变换器的高压侧需要使用1200V的IGBT或 MOS管，1200V的IGBT或MOS管相比600V或650V的IGBT或MOS管，开关 损耗更高，从而导致双向DC/DC变换器的开关频率较低，系统的成本比较 高，体积较大，转换效率较低。
发明内容
为了克服上述缺陷，本发明提供一种低压侧交错并联、高压侧串联的 隔离型双向DC/DC变换器和带正、负直流母线的双向DC/AC变换器构成的 隔离型双向DC/AC电源。其中，双向DC/AC变换器完成电能从交流侧到直 流侧(正直流母线、负直流母线)的双向变换，稳定和均衡正直流母线、 负直流母线的电压，同时完成交流侧的功率因数校正功能；隔离型双向 DC/DC变换器则完成电能从双向DC/AC变换器直流侧到双向DC/AC电源的 低压侧的双向转换，并通过隔离变压器完成电气的隔离功能。
本发明的技术解决方案是所述隔离型双向DC/AC电源，包括双向DC/AC 变换器(100)、隔离型双向DC/DC变换器(200)，其特殊之处在于，所述双 向DC/AC变换器(100)的直流侧连接所述隔离型双向DC/DC变换器(200)高 压侧,所述双向DC/AC变换器(100)的直流侧设有双母线，即BUS+到N的正 直流母线、N到BUS-的负直流母线，所述双向DC/AC变换器(100)稳定和平 衡所述正直流母线和负直流母线。
优选地，所述隔离型双向DC/DC变换器(200)包括第一双向DC/DC变换 单元(30)和第二双向DC/DC变换单元(40),所述第一双向DC/DC变换单元 (30)与所述第二双向DC/DC变换单元(40)具有相同的拓扑结构，其拓扑结 构包括依次连接的低压模块(31)、隔离变压器(32)和高压模块(33)。
优选地，所述第一双向DC/DC变换单元(30)高压模块的正极端与所述 双向DC/AC变换器(100)直流侧的正直流母线的BUS+端相连，所述第一双向 DC/DC变换单元(30)高压模块的负极端与所述双向DC/AC变换器(100)直流 侧的正直流母线的N端相连，所述第二双向DC/DC变换单元(40)高压模块 的正极端与所述双向DC/AC变换器(100)直流侧的负直流母线的N端相连， 所述第二双向DC/DC变换单元(40)高压模块的负极端与所述双向DC/AC变换器(100)直流侧的负直流母线的BUS-端相连，所述第一双向DC/DC变换单 元(30)的低压模块(31)与所述第二双向DC/DC变换单元(40)的低压模块(31) 在所述双向DC/AC电源的低压侧并联。
优选地，所述第一双向DC/DC变换单元(30)和第二双向DC/DC变换单 元(40)的高压模块内所选用开关管的耐压值低于所述正直流母线电压值及 负直流母线电压值之总和。
优选地，所述开关管由MOS管实现，或者由非对称型IGBT管反并联一 个二极管实现；所述开关管设有控制端、正极端、负极端。
优选地，所述隔离型双向DC/DC变换器具有一个闭环控制器(500)，对 所述第一双向DC/DC变换单元(30)和第二双向DC/DC变换单元(40)进行控 制；
优选地，所述闭环控制器(500)中具有一个电压外环(501)；所述电压 外环(501)具有目标值V_low_ref和所述隔离型双向DC/AC电源低压侧电压 的反馈量V_low，二者的误差量经过所述电压外环PI调节器后形成电压外 环(501)的输出；所述闭环控制器(500)具有两个独立的电流内环(502)；所 述两个电流内环(502)的目标值为所述电压外环(501)的输出，所述两个电 流内环(502)的反馈量为第一双向DC/DC变换单元(30)和第二双向DC/DC变 换单元(40)低压侧的实际电流值；两个电流内环各自的误差量经过电流内 环PI调节器后形成闭环调节。
优选地，所述第一双向DC/DC变换单元(30)和所述第二双向DC/DC变 换单元(40)的PWM载波各自独立且相位相差180度，以实现低压侧交错并 联功能，从而大幅降低所述双向DC/DC变换器低压侧的电流纹波。
与现有技术相比，本发明的有益效果:
所述双向DC/DC变换器的高压侧开关管可使用低耐压的IGBT或MOS管， 从而所述双向隔离DC/DC电源的开关频率可以比现有技术方案的开关管频 率高，比如可以做到60kHz及以上；所述双向DC/DC变换器由于不需做高 压侧正、负直流母线的控制，其双向DC/DC变换器的控制变得十分容易； 由于双向DC/AC电源的低压直流侧采用交错并联，因此具有较小的纹波电 压和纹波电流；整机开关频率高，体积较小，效率较高。
附图说明
图1是现有隔离型双向DC/AC电源的技术方案拓扑图。
图2是本发明的一较佳实施方式的一种隔离型双向DC/AC电源的拓扑 结构图。
图3是图2中双向DC/DC单元的一较佳实施方式下的拓扑结构图。
图4a、图4b、图4c、图4d、图4e为图3中低压模块的五种实施方式 下的电路拓扑图。
图5a、图5b为图3中隔离变压器的两种实施方式下的电路拓扑图。
图6a、图6b为图3中高压模块的两种实施方式下的电路拓扑图。
图7a为图2中双向DC/AC变换器的第一种实施方式的电路拓扑图。
图7b为图2中双向DC/AC变换器的第二种实施方式的电路拓扑图。
图7c为图2中双向DC/AC变换器的第三种实施方式的电路拓扑图。
图8是图2中双向DC/DC变换器的一种实施方式下的闭环控制器框图。
图9是图3中双向DC/DC变换单元的一种实施方式下较具体的电路原 理图。
图10是本发明隔离型双向DC/AC电源的电路原理图。
图11是双向DC/DC变换器的闭环控制器用程序实现的流程图。
具体实施方式
本发明下面将结合附图作进一步详述：
请参阅图2所示，在其中一种实施方式中，所述隔离型双向DC/AC电 源，包括双向DC/AC变换器(100)和隔离型双向DC/DC变换器(200)；所述 双向DC/AC变换器(100)的交流侧接三相交流电网，所述双向DC/AC变换器 的直流侧接隔离型双向DC/DC变换器(200)；所述双向DC/AC变换器(100)的 直流侧设有双母线，即BUS+到N的正直流母线、N到BUS-的负直流母线， 所述双向DC/AC变换器稳定和平衡所述正直流母线和负直流母线。
请参阅图2所示，在其中一种实施方式中，所述隔离型双向DC/DC变 换器(200)包括第一双向DC/DC变换单元(30)和第二双向DC/DC变换单元 (40),所述第一双向DC/DC变换单元(30)与所述第二双向DC/DC变换单元 (40)具有相同的拓扑结。
请参阅图2所示，在其中一种实施方式中，所述第一双向DC/DC变换 单元(30)高压模块(33)的正极端与所述双向DC/AC变换器(100)直流侧的正 直流母线的BUS+端相连，所述第一双向DC/DC变换单元(30)高压模块(33) 的负极端与所述双向DC/AC变换器(100)直流侧的正直流母线的N端相连， 所述第二双向DC/DC变换单元(40)高压模块的正极端与所述双向DC/AC变 换器(100)直流侧的负直流母线的N端相连，所述第二双向DC/DC变换单元(40)高压模块的负极端与所述双向DC/AC变换器(100)直流侧的负直流母线 的BUS-端相连，所述第一双向DC/DC变换单元(30)的低压模块(31)与所述 第二双向DC/DC变换单元(40)的低压模块(31)在所述双向DC/AC电源的低 压侧并联。
本实施例中，所述第一双向DC/DC变换单元(30)和第二双向DC/DC变 换单元(40)的高压模块内所选用开关管的耐压值低于所述正直流母线电压 值及负直流母线电压值之总和。
本实施例中，所述开关管可以由MOS管实现；在另一种实施方式中， 也可以由非对称型IGBT管反并联一个二极管实现；所述开关管设有控制端、 正极端、负极端。
请参阅图3所示，双向DC/DC变换单元的拓扑结构包括依次连接的低 压模块(31)、隔离变压器(32)和高压模块(33)。
本实施例中，所述双向DC/DC变换单元低压模块(31)包括：开关管Q1、 开关管Q2、开关管Q3和开关管Q4、滤波电感L1和滤波电容C1；所述滤波电 感L1的一端与滤波电容C1的正端相连,形成低压侧正极；所述开关管Q2的负 极端、开关管Q4的负极端和滤波电容C1的负端相连，形成低压侧负极；所 述开关管Q1的正极端、开关管Q3的正极端和所述滤波电感的另一端相连； 所述开关管Q1的负极端和开关管Q2的正极端相连，形成低压模块第一桥臂 中点；所述开关管Q3负极端和开关管Q4正极端相连，形成低压模块第二桥 臂中点；所述低压模块第一桥臂中点与低压模块第二桥臂中点与所述隔离 变压器(32)低压侧线圈相连。
本实施例中，所述隔离变压器(32)包括低压侧第一线圈、磁芯和高压 侧第一线圈；所述低压侧第一线圈的一端与所述低压模块(31)第一桥臂中 点相连，所述低压侧第一线圈的另一端与所述低压模块(31)第二桥臂中点 相连。
本实施例中，所述第一双向DC/DC变换单元(30)高压模块(33)包括滤 波电容C11、开关管Q15、开关管Q16、开关管Q17、开关管Q18和隔直电容C10； 所述滤波电容C11的正极和所述开关管Q15的正极端以及所述开关管Q17的正 极端相连，形成高压模块的高压侧正极端，所述滤波电容C11的负极和所述 开关管Q16的负极端及开关管Q18的负极端连接，形成高压模块的高压侧负极 端；所述开关管Q15的负极端、开关管Q16的正极端和隔直电容C10的一端相连，隔直电容C10的另外一端形成高压模块的第一桥臂中点；所述开关管Q17的负极端和开关管Q18的正极端相连，形成高压模块(33)的第二桥臂中点； 所述高压模块(33)的第一桥臂中点与所述隔离变压器的高压侧线圈的一端 相连，所述高压模块(33)的第二桥臂中点与所述隔离变压器的高压侧线圈 的另一端相连。
请参阅图4a所示，所述双向DC/DC变换单元低压模块(31)电路拓扑为 电流型全桥电路，具体包括：开关管Q1、开关管Q2、开关管Q3和开关管Q4、 滤波电感L1和滤波电容C1；所述滤波电感L1的一端与滤波电容C1的正端相 连,形成低压侧正极；所述开关管Q2的负极端、开关管Q4的负极端和滤波电 容C1的负端相连，形成低压侧负极；所述开关管Q1的正极端、开关管Q3的 正极端和所述滤波电感的另一端相连；所述开关管Q1的负极端和开关管Q2的正极端相连，形成低压模块第一桥臂中点；所述开关管Q3负极端和开关 管Q4正极端相连，形成低压模块第二桥臂中点；所述低压模块第一桥臂中 点与低压模块第二桥臂中点与所述隔离变压器(32)低压侧线圈相连。
请参阅图4b所示，在第二种实施方式中，所述双向DC/DC变换单元低 压模块(31)电路拓扑为电流型对称半桥电路。
请参阅图4c所示，在第三种实施方式中，所述双向DC/DC变换单元低 压模块(31)电路拓扑为电流型推挽电路。
请参阅图4d所示，在第一种实施方式中，所述双向DC/DC变换单元低 压模块(31)电路拓扑为电压型全桥电路。
请参阅图4e所示，在第二种实施方式中，所述双向DC/DC变换单元低 压模块(31)电路拓扑为电压型半桥电路。
请参阅图5a所示，在第一种实施方式中，所述隔离变压器(32)为普通 变压器，具体包括低压侧第一线圈、磁芯和高压侧第一线圈；所述低压侧 第一线圈的一端与所述低压模块(31)第一桥臂中点相连，所述低压侧第一 线圈的另一端与所述低压模块(31)第二桥臂中点相连。
请参阅图5b所示，在第二种实施方式中，所述隔离变压器(32)为低压 线圈带中心抽头的变压器。
请参阅图6a所示，在第一种实施方式中，所述双向DC/DC变换单元(30) 高压模块(33)为电压型全桥拓扑，具体包括：滤波电容C11、开关管Q15、开 关管Q16、开关管Q17、开关管Q18和隔直电容C10；所述滤波电容C11的正极和 所述开关管Q15的正极端以及所述开关管Q17的正极端相连，形成高压模块的 高压侧正极端，所述滤波电容C11的负极和所述开关管Q16的负极端及开关管 Q18的负极端连接，形成高压模块的高压侧负极端；所述开关管Q15的负极端、 开关管Q16的正极端和隔直电容C10的一端相连，隔直电容C10的另外一端形 成高压模块的第一桥臂中点；所述开关管Q17的负极端和开关管Q18的正极端 相连，形成高压模块(33)的第二桥臂中点；所述高压模块(33)的第一桥臂 中点与所述隔离变压器的高压侧线圈的一端相连，所述高压模块(33)的第 二桥臂中点与所述隔离变压器的高压侧线圈的另一端相连；
请参阅图6b所示，在第二种实施方式中，所述双向DC/DC变换单元(30) 高压模块(33)为电压型对称半桥拓扑。
请参阅图7a所示，在第一种实施方式中，所述DC/AC双向变换器为三 相二极管中点钳位三电平逆变器拓扑结构，具体包含：滤波电容C15、滤波 电容C16、开关管Qa1、开关管Qa2、开关管Qa3、开关管Qa4、开关管Qb1、开关 管Qb2、开关管Qb3、开关管Qb4、开关管Qc1、开关管Qc2、开关管Qc3、开关管Qc4、二极管Da1、二极管Da2、二极管Db1、二极管Db2、二极管Dc1、二极管Dc2、 滤波电感La1、滤波电感Lb1、滤波电感Lc1、交流滤波电容Ca1、交流滤波电 容Cb1和交流滤波电容Cc1；所述开关管Qa1的正极端、开关管Qb1的正极端和 开关管Qc1的正极端与滤波电容C15正极端相连，形成BUS+端；所述开关管 Qa1的负极端、开关管Qa2的正极端和二极管Da1阴极连接；所述开关管Qb1的 负极端、开关管Qb2的正极端和二极管Db1阴极连接；所述开关管Qc1的负极 端、开关管Qc2的正极端和二极管Dc1阴极连接；所述二极管Da1阳极、二极 管Da2阴极、二极管Db1阳极、二极管Db2阴极、二极管Dc1阳极、二极管Dc2阴极、滤波电容C15负极、滤波电容C16正极相连，形成三电平逆变器的内部 直流中点；所述交流滤波电容Ca1、交流滤波电容Cb1和交流滤波电容Cc1做 星形连接，并形成交流电容中点；所述内部中点与所述交流电容中点连接， 形成三电平逆变器的内部中线——N端；所述N端可与外部电网的中性线相 连，也可不连；所述开关管Qa2的负极端、开关管Qa3的正极端与滤波电感 La1的一端相连；所述开关管Qb2的负极端、开关管Qb3的正极端与滤波电感 Lb1的一端相连；所述开关管Qc2的负极端、开关管Qc3的正极端与滤波电感 Lc1的一端相连；所述开关管Qa3的负极端、开关管Qa4的正极端和二极管Da2阳极连接；所述开关管Qb3的负极端、开关管Qb4的正极端和二极管Db2阳极 连接；所述开关管Qc3的负极端、开关管Qc4的正极端和二极管Dc2阳极连接； 所述开关管Qa4的负极端、开关管Qb4的负极端和开关管Qc4的负极端与所述 滤波电容C16的负极相连，形成BUS-端；所述滤波电感La1的另一端、交流 滤波电容Ca1的另一端以及交流输出控制开关(A相)的一端相连；所述滤波 电感Lb1的另一端、交流滤波电容Cb1的另一端以及交流输出控制开关(B相)的一端相连；所述滤波电感Lc1的另一端、交流滤波电容Cc1的另一端以及交 流输出控制开关(C相)的一端相连；所述交流输出控制开关与外部交流电网 相连。
请参阅图7b所示，在第二种实施方式中，所述DC/AC双向变换器为T 型三相三电平逆变器拓扑结构。
请参阅图7c所示，在第三种实施方式中，所述DC/AC双向变换器为三 相两电平逆变器拓扑结构。
请参阅图8所示，在第一种实施方式中，所述隔离型双向DC/DC变换 器具有一个闭环控制器500，对所述第一双向DC/DC变换单元和第二双向 DC/DC变换单元进行控制；所述闭环控制器中具有一个电压外环501，用以 控制所述双向DC/DC变换器低压侧电压输出；所述电压外环具有一个所述 双向DC/DC变换器低压侧的电压目标值V_low_ref和其对应的反馈量 V_low，二者的误差量经过所述电压外环PI调节器后形成闭环调节；所述 闭环控制器具有两个独立的电流内环502，用以控制和均衡所述第一双向 DC/DC变换单元和第二双向DC/DC变换单元的低压侧电流；所述两个电流内 环的目标值为所述电压外环的输出，所述两个电流内环的反馈量为第一和 第二双向DC/DC变换单元低压侧的实际电流，两个电流内环各自的误差量 经过电流内环PI调节器后形成闭环调节。
请参阅图8所示，在第一种实施方式中，所述隔离型双向DC/DC变换 器的闭环控制器中所述第一双向DC/DC变换单元和所述第二双向DC/DC变 换单元PWM的载波是独立的，且相位相差180度，以实现低压侧交错并联 功能，从而大幅降低所述双向DC/DC变换器低压侧的电流纹波。
请参阅图9所示，所述双向DC/DC变换单元为图4a、图5a和图6a组 合而成的电路拓扑结构。根据电力电子领域的公知技术，可以由图4a～图 4e择其一拓扑、由图5a～图5b择其一拓扑、由图6a～图6b择其一拓扑， 组合而成另一种双向DC/DC变换单元的实施方式。
在本实施例中，本发明的详细电路拓扑结构由图9中所示的双向DC/DC 变换单元拓扑和图7a所示的三相二极管中点钳位三电平逆变器拓扑构成, 请参阅图10所示。
在本实施例中，所述隔离型双向DC/DC变换器的闭环控制器采用DSP 数字化程序实现，所述闭环控制器具体由一段中断程序实现，其流程图请 参阅图11所示，包括以下步骤：
⑴中断开始；
⑵中断现场保护；
⑶变换器AD采样；
⑷AD数据处理；
⑸电压外环计算；
⑹限幅处理；
⑺电流内环1计算；
⑻DC/DC变换单元1PWM发波；
⑼电流内环2计算；
⑽DC/DC变换单元2PWM发波；
⑾中断现场恢复；
⑿中断结束。
以上所述仅为本发明的较佳实施例，凡依本发明权利要求范围所做的 均等变化与修饰，皆应属本发明权利要求的涵盖范围。

Claims (8)

1.一种隔离型双向DC/AC电源，包括双向DC/AC变换器(100)、隔离型双向DC/DC变换器(200)，其特征在于，所述双向DC/AC变换器(100)的直流侧连接所述隔离型双向DC/DC变换器(200)高压侧,所述双向DC/AC变换器(100)的直流侧设有双母线，即BUS+到N的正直流母线、N到BUS-的负直流母线，所述双向DC/AC变换器(100)稳定和平衡所述正直流母线和负直流母线。
2.根据权利要求1所述的隔离型双向DC/AC电源，其特征在于，所述隔离型双向DC/DC变换器(200)包括第一双向DC/DC变换单元(30)和第二双向DC/DC变换单元(40),所述第一双向DC/DC变换单元(30)与所述第二双向DC/DC变换单元(40)具有相同的拓扑结构，其拓扑结构包括依次连接的低压模块(31)、隔离变压器(32)和高压模块(33)。
3.根据权利要求1或2所述的隔离型双向DC/AC电源，其特征在于，所述第一双向DC/DC变换单元(30)高压模块的正极端与所述双向DC/AC变换器(100)直流侧的正直流母线的BUS+端相连，所述第一双向DC/DC变换单元(30)高压模块的负极端与所述双向DC/AC变换器(100)直流侧的正直流母线的N端相连，所述第二双向DC/DC变换单元(40)高压模块的正极端与所述双向DC/AC变换器(100)直流侧的负直流母线的N端相连，所述第二双向DC/DC变换单元(40)高压模块的负极端与所述双向DC/AC变换器(100)直流侧的负直流母线的BUS-端相连，所述第一双向DC/DC变换单元(30)的低压模块(31)与所述第二双向DC/DC变换单元(40)的低压模块(31)在所述双向DC/AC电源的低压侧并联。
4.根据权利要求1所述的隔离型双向DC/AC电源，其特征在于，所述第一双向DC/DC变换单元(30)和第二双向DC/DC变换单元(40)的高压模块内所选用开关管的耐压值低于所述正直流母线电压值及负直流母线电压值之总和。
5.根据权利要求4所述的隔离型双向DC/AC电源，其特征在于，所述开关管由MOS管实现，或者由非对称型IGBT管反并联一个二极管实现；所述开关管设有控制端、正极端、负极端。
6.根据权利要求1所述的隔离型双向DC/AC电源，其特征在于，所述隔离型双向DC/DC变换器具有一个闭环控制器(500)，对所述第一双向DC/DC变换单元(30)和第二双向DC/DC变换单元(40)进行控制；
7.根据权利要求6所述的隔离型双向DC/AC电源，其特征在于，所述闭环控制器(500)中具有一个电压外环(501)；所述电压外环(501)具有目标值V_low_ref和所述隔离型双向DC/AC电源低压侧电压的反馈量V_low，二者的误差量经过所述电压外环PI调节器后形成电压外环(501)的输出；所述闭环控制器(500)具有两个独立的电流内环(502)；所述两个电流内环(502)的目标值为所述电压外环(501)的输出，所述两个电流内环(502)的反馈量为第一双向DC/DC变换单元(30)和第二双向DC/DC变换单元(40)低压侧的实际电流值；两个电流内环各自的误差量经过电流内环PI调节器后形成闭环调节。
8.根据权利要求6所述的隔离型双向DC/AC电源，其特征在于，所述第一双向DC/DC变换单元(30)和所述第二双向DC/DC变换单元(40)的PWM载波各自独立且相位相差180度，以实现低压侧交错并联功能，从而大幅降低所述双向DC/DC变换器低压侧的电流纹波。
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