CN110429824A - 一种双向级联输入级联输出dc-dc变换拓扑结构 - Google Patents

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Abstract

一种双向级联输入级联输出DC‑DC变换拓扑结构，原边侧电路包括直流电源、电容和原边单相全桥，原边单相全桥包括至少一个单相全桥模块，每一个单相全桥模块包括并联的第一桥臂和第二桥臂；电容和原边单相全桥分别并联于直流电源两侧，原边单相全桥中桥臂中点分别与高频变压器的输入端连接；副边侧电路包括直流电源、电容和副边单向全桥，副边单向全桥包括多个单相全桥模块；电容和副边单向全桥分别并联于直流电源两侧，副边单向全桥中桥臂中点分别与高频变压器的输出端连接。于原边大电流、副边高电压场合，开关管承受电压应力低，充放电效率高，抬压速度快，结构简单；于原边高电压、副边大电流场合，开关管电流应力较小，输出电流稳定。

Description

一种双向级联输入级联输出DC-DC变换拓扑结构
技术领域
本发明涉及电压变换器技术领域，尤其涉及一种双向级联输入级联输出DC-DC变换拓扑结构。
背景技术
近年来电动汽车因节能环保等显著优势受到国家政策大力支持，发展良好，越来越多的高校、设计院和汽车企业开始深入研究。车载电源是新能源汽车的核心之一，越来越多的微电网成为电动汽车充换电站的供电系统。因此，需要一种能够有效利用新能源发电、有效改善供电质量的控制储能系统充放电的功率变换器。并且随着我国电镀、电解和雷达系统等行业的飞速发展，在电解、电镀和电泳等主要应用中，需要使用多种大功率甚至超大功率的直流电源或脉冲电源，比如电镀过程一般需要电镀电源输出电压在500V以内，输出电流在几百甚至几千安培。促使电镀电源向大功率、高频化和高密度的方向发展。
直流-直流(DC-DC)变换器能够将固定的直流电压变换成可变的直流电压并进行输出，是实现能量转换、传递电压电流及功率控制的关键执行部件。传统的DC-DC变换器采用硬开关的工作方式，开关管的损耗是影响其工作效率的主要因素；开关管的损耗主要来源两方面，一是开关管在开通和关断的过程中，由于电压和电流的同时存在而产生的开断损耗；二是在开关管开通时，因为其本身导通电阻的存在而产生的导通损耗。
目前的DC-DC变换器主要以单相全桥拓扑的形式存在，拓扑结构电流升高速度慢，充电效率较低，当二次侧需要输出较大电流时，开关管所承受的电流应力较大。
因此，亟需一种双向级联输入级联输出DC-DC变换拓扑结构。
发明内容
(一)要解决的技术问题
为了解决现有技术的上述问题，本发明提供了一种双向级联输入级联输出DC-DC变换拓扑结构，于原边侧大电流、副边侧高电压的场合中，开关管所承受的电压应力低，充放电效率高，抬压速度快，结构简单，更加适合车载用电等方向；于原边侧高电压、副边侧大电流的场合中，开关管电流应力较小，输出电流稳定，更适合电解、电镀的要求。
(二)技术方案
为了达到上述目的，本发明采用的主要技术方案包括：
一种双向级联输入级联输出DC-DC变换拓扑结构，包括原边侧电路、高频变压器和副边侧电路。
原边侧电路包括原边直流电源、原边电容和原边单相全桥，原边单相全桥包括至少一个单相全桥模块；每一个单相全桥模块包括并联的第一桥臂和第二桥臂，第一桥臂由第一开关管和第二开关管串联组成，第二桥臂由第三开关管和第四开关管串联组成；原边电容和原边单相全桥分别并联于原边直流电源两侧，原边单相全桥中第一桥臂中点和第二桥臂中点分别与高频变压器的输入端连接。
副边侧电路包括副边直流电源、副边电容和副边单向全桥，副边单向全桥包括多个单相全桥模块；副边电容和副边单向全桥分别并联于副边直流电源两侧，副边单向全桥中第一桥臂中点和第二桥臂中点分别与高频变压器的输出端连接；第一桥臂中点位于第一开关管和第二开关管之间，第二桥臂中点位于第三开关管和第四开关管之间。
优选地，若DC-DC变换拓扑结构中，副边单向全桥包括多个串联的单相全桥模块，则DC-DC变换拓扑结构所在的设备中原边侧电路中经过的电流大于第一预设值，副边侧电路中各电器元件的电压大于第二预设值；若DC-DC变换拓扑结构中，副边单向全桥包括多个并联的单相全桥模块，则DC-DC变换拓扑结构所在的设备中原边侧电路中各电器元件的电压大于第二预设值，副边侧电路中经过的电流大于第一预设值。
优选地，原边单相全桥包括一个单相全桥模块；副边单向全桥包括两个串联的单相全桥模块或两个并联的单相全桥模块。
优选地，第一开关管、第二开关管、第三开关管和第四开关管本身集成有二极管。
优选地，第一开关管、第二开关管、第三开关管和第四开关管为全控型开关器件。
优选地，第一开关管、第二开关管、第三开关管和第四开关管为绝缘栅双极型晶体管。
优选地，原边单相全桥中第一桥臂中点通过功率电感与高频变压器的输入端连接。
优选地，高频变压器为隔离变压器。
(三)有益效果
本发明的有益效果是：
1、在原边侧大电流、副边侧高电压的场合中应用本发明的变换拓扑结构(副边单向全桥包括多个串联的单相全桥模块)，相较于传统的DC-DC变换拓扑结构电流提升速度较快且更加稳定，充电效率高。并且当负载侧输出电流较大时，能够减少单个开关管的电流应力；当负载侧输出电压较高时，由于高压侧采用多个开关管串联分压，能够使得每个开关管所承受的电压应力较小；从而增加使用寿命。
2、在原边侧高电压、副边侧大电流的场合中应用本发明的变换拓扑结构(副边单向全桥包括多个并联的单相全桥模块)，能够在副边侧负载输出较大电流，能够广泛应用于电解，电镀等场合。
3、本发明提供的DC-DC变换拓扑结构抬压速度更快，且电压波形稳定，传输效率高。
4、本发明提供的DC-DC变换拓扑结构适用于PWM+单重移相或双重移相等调制方式，降低开关通态损耗，减少无功功率环流，提高功率密度，一定程度上提高变换器的工作效率，同时减少系统中开关器件的电流应力，并且调制速度快，控制方法简单。
5、采用IGBT作为开关管，内阻小、驱动功率需求低、能耗极小。
6、用于原边副边都是电源或者高压直流输电时，采用隔离变压器能够使得电能正反两个方向快速切换，同时在高低压侧之间存在电气隔离，具有较强的安全性。
7、本发明提供的DC-DC变换拓扑结构具有较强的稳定性，当副边侧的单相全桥模块中有个别开关管损坏时，负载侧仍能有稳定的电压及电流波形输出。
附图说明
本发明借助于以下附图进行描述：
图1为本发明实施例1中DC-DC变换拓扑结构的示意图；
图2为本发明实施例2中DC-DC变换拓扑结构的示意图；
图3为本发明对比例1中传统DC-DC变换拓扑结构的示意图；
图4为本发明实施例1中DC-DC变换拓扑结构电压升高到稳态所用时间示意图；
图5为本发明对比例1中传统DC-DC变换拓扑结构电压升高到稳态所用时间示意图；
图6为本发明实施例中DC-DC变换拓扑结构加入PWM+调制信号后原边侧的输入波形。
具体实施方式
为了更好的解释本发明，以便于理解，下面结合附图，通过具体实施方式，对本发明作详细描述。
需要说明的是，本申请所称“第一预设值”和“第二预设值”是依据具体的应用领域来进行设定的。比如在电动汽车领域，第二预设值为200V，在高压直流输电领域，第二预设值为500KV。
实施例1
一种双向级联输入级联输出DC-DC变换拓扑结构，应用于原边侧大电流、副边侧高电压的场合中，如图1所示。该DC-DC变换拓扑结构包括原边侧、高频变压器T和副边侧；高频变压器T原边有一个绕组，副边有两个绕组，且高频变压器T副边侧绕组的同名端与原边侧一致。
原边侧包括低压直流电源E1、母线电容C1和原边单相全桥；原边单相全桥包括一个单相全桥模块，单相全桥模块包括并联的第一桥臂和第二桥臂，第一桥臂由开关管S1和开关管S2串联组成，第二桥臂由开关管S3和开关管S4串联组成，并联的第一桥臂和第二桥臂具体为开关管S1、S3的集电极相交于G点，开关管S2、S4的发射极相交于H点。
母线电容C1并联于低压直流电源E1的两侧；原边单相全桥(单相全桥模块)并联于低压直流电源E1的两侧，其中，原边单相全桥中的G点与电源正极连接，H点与电源负极连接；原边单相全桥中第一桥臂中点通过功率电感L1与高频变压器原边上侧端子连接，原边单相全桥中第二桥臂中点与高频变压器原边下侧端子连接。第一桥臂中点位于开关管S1和开关管S2之间，第二桥臂中点位于开关管S3和开关管S4之间。
当然，原边单相全桥中第一桥臂中点通过功率电感与高频变压器原边上侧端子连接，仅仅是优选；可以想见，通过适当增加高频变压器的漏感大小，原边单相全桥中第一桥臂中点直接与高频变压器原边上侧端子连接，也可以实现类似的效果。
副边侧包括高压直流电源E2、母线电容C2和副边单相全桥；副边单相全桥包括两个串联的单相全桥模块，即第一个单相全桥模块的H点与第二个单相全桥模块的G点连接。
母线电容C2并联于高压直流电源E2的两侧；副边单相全桥(两个串联的单相全桥模块)并联于高压直流电源E2的两侧，其中，第一个单相全桥模块的G点与高压直流电源E2的正极连接，第二个单相全桥模块的H点与高压直流电源E2的负极连接。副边单相全桥中第一桥臂中点和第二桥臂中点分别与高频变压器的输出端连接。
优选地，开关管S1、开关管S2、开关管S3和开关管S4本身集成有二极管。
优选地，开关管S1、开关管S2、开关管S3和开关管S4为全控型开关器件。进一步优选地，开关管S1、开关管S2、开关管S3和开关管S4为绝缘栅双极型晶体管IGBT；内阻小、驱动功率需求低、能耗极小。
优选地，高频变压器为隔离变压器。能够使得电能正反两个方向快速切换，同时在高低压侧之间存在电气隔离，具有较强的安全性。
当然，若高频变压器T副边侧绕组的同名端与原边侧不一致，第一个单相全桥模块的G点与高压直流电源E2的负极连接，第二个单相全桥模块的H点与高压直流电源E2的正极连接，也能实现同样的效果。
可以想见，原边单相全桥包括多个串联的单相全桥模块或多个并联的单相全桥模块，也可以实现类似的效果。可以想见，副边单向全桥包括3个以上串联的单相全桥模块，也可以实现类似的效果。
对实施例1中的DC-DC变换拓扑结构的抬压速度进行测试，获得的结果如图4所示。可以看出，实施例1中DC-DC变换拓扑结构抬压速度更快，且电压波形稳定，传输效率高。
在原边侧大电流、副边侧高电压的场合中应用本发明的变换拓扑结构，相较于传统的DC-DC变换拓扑结构电流提升速度较快且更加稳定，充电效率高。并且当负载侧输出电流较大时，能够减少单个开关管的电流应力；当负载侧输出电压较高时，由于高压侧采用多个开关管串联分压，能够使得每个开关管所承受的电压应力较小；从而增加使用寿命。
实施例2
一种双向级联输入级联输出DC-DC变换拓扑结构，应用于原边侧高电压、副边侧大电流的场合中，如图2所示。该DC-DC变换拓扑结构与实施例1的区别在于，原边侧包括高压直流电源E3，副边侧包括低压电源E4。副边单相全桥包括两个并联的单相全桥模块，副边单相全桥(两个并联的单相全桥模块)并联于低压直流电源E4的两侧；即第一个单相全桥模块的G点与第二个单相全桥模块的G点连接，并且与低压电源E4的正极连接；第一个单相全桥模块的H点与第二个单相全桥模块的H点连接，并且与低压直流电源E4的负极连接。
可以想见，原边单相全桥包括多个串联的单相全桥模块或多个并联的单相全桥模块，也可以实现类似的效果。可以想见，副边单向全桥包括3个以上并联的单相全桥模块，也可以实现类似的效果。
在原边侧高电压、副边侧大电流的场合中应用本发明的变换拓扑结构，能够在副边侧负载输出较大电流，能够广泛应用于电解，电镀等场合。
对比例1
一种传统的双向全桥DC-DC变换拓扑结构，应用于原边侧大电流、副边侧高电压的场合中，如图3所示。该传统双向全桥DC-DC变换拓扑结构与实施例1的区别在于，副边单相全桥包括1个单相全桥模块，副边单相全桥(一个单相全桥模块)并联于高压直流电源E2的两侧。
对对比例1中的传统DC-DC变换拓扑结构的抬压速度进行测试，获得的结果如图5所示。结合实施例1和对比例1可以明显看出，本发明变换拓扑结构电压升高到稳态所需要的时间较少，即抬压速度更快。
综上所述，本发明提供的DC-DC变换拓扑结构开关管所承受的电压应力低，充放电效率高，抬压速度快，结构简单，更加适合车载用电等方向；并且在该拓扑结构输出大电流时，开关管电流应力较小，输出电流稳定，进而更适合电解、电镀的要求。并且本发明提供的DC-DC变换拓扑结构适用于PWM+单重移相或双重移相等调制方式，降低开关通态损耗，减少无功功率环流，提高功率密度，一定程度上提高变换器的工作效率，同时减少系统中开关器件的电流应力，并且调制速度快，控制方法简单；如图6所示，为加入调制信号后原边侧的输入波形。
需要理解的是，以上对本发明的具体实施例进行的描述只是为了说明本发明的技术路线和特点，其目的在于让本领域内的技术人员能够了解本发明的内容并据以实施，但本发明并不限于上述特定实施方式。凡是在本发明权利要求的范围内做出的各种变化或修饰，都应涵盖在本发明的保护范围内。

Claims (8)

1.一种双向级联输入级联输出DC-DC变换拓扑结构，其特征在于，包括原边侧电路、高频变压器和副边侧电路；
所述原边侧电路包括原边直流电源、原边电容和原边单相全桥；
所述原边单相全桥包括至少一个单相全桥模块；
每一个单相全桥模块包括并联的第一桥臂和第二桥臂，所述第一桥臂由第一开关管和第二开关管串联组成，所述第二桥臂由第三开关管和第四开关管串联组成；
所述原边电容和原边单相全桥分别并联于所述原边直流电源两侧，原边单相全桥中第一桥臂中点和第二桥臂中点分别与高频变压器的输入端连接；
所述副边侧电路包括副边直流电源、副边电容和副边单向全桥，所述副边单向全桥包括多个单相全桥模块；所述副边电容和副边单向全桥分别并联于所述副边直流电源两侧，副边单向全桥中第一桥臂中点和第二桥臂中点分别与高频变压器的输出端连接；
所述第一桥臂中点位于第一开关管和第二开关管之间，所述第二桥臂中点位于第三开关管和第四开关管之间。
2.根据权利要求1所述的DC-DC变换拓扑结构，其特征在于，
若DC-DC变换拓扑结构中，副边单向全桥包括多个串联的单相全桥模块，则DC-DC变换拓扑结构所在的设备中原边侧电路中经过的电流大于第一预设值，副边侧电路中各电器元件的电压大于第二预设值；
若DC-DC变换拓扑结构中，副边单向全桥包括多个并联的单相全桥模块，则DC-DC变换拓扑结构所在的设备中原边侧电路中各电器元件的电压大于第二预设值，副边侧电路中经过的电流大于第一预设值。
3.根据权利要求1所述的DC-DC变换拓扑结构，其特征在于，所述原边单相全桥包括一个单相全桥模块；
所述副边单向全桥包括两个串联的单相全桥模块或两个并联的单相全桥模块。
4.根据权利要求1所述的DC-DC变换拓扑结构，其特征在于，所述第一开关管、第二开关管、第三开关管和第四开关管本身集成有二极管。
5.根据权利要求1或4所述的DC-DC变换拓扑结构，其特征在于，所述第一开关管、第二开关管、第三开关管和第四开关管为全控型开关器件。
6.根据权利要求5所述的DC-DC变换拓扑结构，其特征在于，所述第一开关管、第二开关管、第三开关管和第四开关管为绝缘栅双极型晶体管。
7.根据权利要求1所述的DC-DC变换拓扑结构，其特征在于，所述原边单相全桥中第一桥臂中点通过功率电感与高频变压器的输入端连接。
8.根据权利要求1所述的DC-DC变换拓扑结构，其特征在于，所述高频变压器为隔离变压器。
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