CN113162431A - 一种高效双向变换器 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种高效双向变换器，包括逆变电路、谐振电路、变压器以及整流电路，所述谐振电路包括第一电容、第二电容、第一自耦电感及第二自耦电感，所述第一自耦电感初级绕组的异名端与第二自耦电感初级绕组的同名端及第二电容的一端连接，第二电容的另一端连接第一自耦电感次级绕组的同名端及第二自耦电感次级绕组的异名端，该第一自耦电感初级绕组的同名端连接第一电容，该第一电容的另一端及第一自耦电感次级绕组的异名端连接逆变电路，且第二自耦电感初级绕组的异名端和次级绕组的同名端连接变压器的初级绕组，变压器的次级绕组连接整流电路的输入侧，整流电路的输出侧及逆变电路的输入侧分别作为该高效双向变换器的第二外接端和第一外接端。
Description
技术领域
本发明涉及电源转换技术领域，更具体地涉及一种高效双向变换器。
背景技术
双向隔离DC-DC变换器是能够根据需要调节能量双向传输的直流/直流的变换器，其主要运用于储能系统、车载电源系统、回馈充放电系统、混合能源电动汽车等场合。
在传统的LLC谐振高效双向变换器中，无论正反向工作均能够实现原边侧开关管的ZVS导通以及整流侧二极管的ZCS导通，但其在能量反向流动时，其电路特性不再是LLC谐振特性而退化为LC谐振特性，LC谐振最大的电压增益变为1，大大降低了反向工作时的电压增益，使输出电压范围极大变窄，并加剧了开关管实现软开关的难度，降低了转换效率，因此不太适合工作在宽范围能量双向流动的状态，限制了其应用场景。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种正反向工作时均能提升输出电压范围且能全范围实现软开关的高效双向变换器。
为解决上述技术问题，本发明提供一种高效双向变换器，包括逆变电路、谐振电路、变压器以及整流电路，其中，所述谐振电路包括第一电容、第二电容、第一自耦电感以及第二自耦电感，所述第一自耦电感初级绕组的异名端与第二自耦电感初级绕组的同名端以及第二电容的一端连接，所述第二电容的另一端连接第一自耦电感次级绕组的同名端以及第二自耦电感次级绕组的异名端，该第一自耦电感初级绕组的同名端连接第一电容，该第一电容的另一端及第一自耦电感次级绕组的异名端连接逆变电路，且第二自耦电感初级绕组的异名端和次级绕组的同名端连接变压器的初级绕组，所述变压器的次级绕组连接整流电路的输入侧，所述整流电路的输出侧以及逆变电路的输入侧分别作为该高效双向变换器的第二外接端和第一外接端。
其进一步技术方案为：所述逆变电路为半桥式逆变电路，包括两个开关管，两个所述开关管串联构成一个桥臂。
其进一步技术方案为：所述第一电容连接至桥臂的中点，所述第一自耦电感次级绕组的异名端连接至桥臂的最下端。
其进一步技术方案为：所述第一电容连接至桥臂的最上端，所述第一自耦电感次级绕组的异名端连接至桥臂的中点。
其进一步技术方案为：所述逆变电路包括四个开关管，每两个开关管串联构成一个桥臂，两个桥臂并联后其两端作为高效双向变换器的第一外接端，所述第一电容和第一自耦电感次级绕组分别连接至两个桥臂的中点。
其进一步技术方案为：所述整流电路包括四个开关管，每两个开关管串联构成一个桥臂，两个桥臂并联后其两端作为高效双向变换器的第二外接端，所述变压器次级绕组的同名端和异名端分别连接至两个桥臂的中点。
其进一步技术方案为：所述高效双向变换器还包括第一滤波电容和第二滤波电容，所述第一滤波电容两端连接至逆变电路的输入侧，所述第二滤波电容两端连接至整流电路的输出侧。
为解决上述技术问题，本发明还提供一种高效双向变换器，其包括逆变电路、谐振电路、变压器以及整流电路，其中，所述谐振电路包括第一电容、第二电容、第一自耦电感以及第二自耦电感，所述第一自耦电感初级绕组的异名端与第二自耦电感初级绕组的同名端以及第二电容的一端连接，所述第二电容的另一端连接第一自耦电感次级绕组的同名端以及第二自耦电感次级绕组的异名端，该第一自耦电感初级绕组的同名端及次级绕组的异名端连接逆变电路，所述第二自耦电感初级绕组的异名端连接第一电容，该第一电容的另一端和第二自耦电感次级绕组的同名端连接变压器的初级绕组，所述变压器的次级绕组连接整流电路的输入侧，所述整流电路的输出侧以及逆变电路的输入侧分别作为该高效双向变换器的第二外接端和第一外接端。
为解决上述技术问题，本发明还提供一种高效双向变换器，其包括逆变电路、谐振电路、变压器以及整流电路，其中，所述谐振电路包括第一电容、第二电容、第一自耦电感以及第二自耦电感，所述第一自耦电感初级绕组的异名端与第二自耦电感初级绕组的同名端以及第二电容的一端连接，所述第二电容的另一端连接第一自耦电感次级绕组的同名端以及第二自耦电感次级绕组的异名端，该第一自耦电感次级绕组的异名端连接第一电容，该第一电容的另一端及第一自耦电感初级绕组的同名端连接逆变电路，且第二自耦电感初级绕组的异名端和次级绕组的同名端连接变压器的初级绕组，所述变压器的次级绕组连接整流电路的输入侧，所述整流电路的输出侧以及逆变电路的输入侧分别作为该高效双向变换器的第二外接端和第一外接端。
为解决上述技术问题，本发明还提供一种高效双向变换器，其包括逆变电路、谐振电路、变压器以及整流电路，其中，所述谐振电路包括第一电容、第二电容、第一自耦电感以及第二自耦电感，所述第一自耦电感初级绕组的异名端与第二自耦电感初级绕组的同名端以及第二电容的一端连接，所述第二电容的另一端连接第一自耦电感次级绕组的同名端以及第二自耦电感次级绕组的异名端，该第一自耦电感初级绕组的同名端及次级绕组的异名端连接逆变电路，所述第二自耦电感次级绕组的同名端连接第一电容，该第一电容的另一端和第二自耦电感初级绕组的异名端连接变压器的初级绕组，所述变压器的次级绕组连接整流电路的输入侧，所述整流电路的输出侧以及逆变电路的输入侧分别作为该高效双向变换器的第二外接端和第一外接端。
与现有技术相比，本发明高效双向变换器中的谐振电路为对称的电路拓扑形式，其在能量正反向流动时的等效电路相同，解决了传统LLC谐振电路不能反向同等性能工作的问题，即本发明高效双向变换器在能量反向流动时可升压，可有效提升变换器的输出电压范围，实现宽电压范围输出，同时在能量反向流动时保留了良好的软开关的性能，且采用自耦电感，减小了电路的峰值电流，有效提高磁芯利用率，同时减少线圈匝数，使电感体积变小，损耗更小，进而提高双向变换器的效率。
附图说明
图1是本发明高效双向变换器第一实施例的电路示意图。
图2是本发明高效双向变换器第二实施例的电路示意图。
图3是本发明高效双向变换器第三实施例的电路示意图。
具体实施方式
为使本领域的普通技术人员更加清楚地理解本发明的目的、技术方案和优点，以下结合附图和实施例对本发明做进一步的阐述。
参照图1，图1为本发明高效双向变换器10第一实施例的电路示意图。在附图所示的实施例中，所述高效双向变换器10包括逆变电路11、谐振电路12、变压器T1以及整流电路14，其中，所述逆变电路11为半桥结构，具体地，本实施例中，所述逆变电路11包括第一开关管Q1和第二开关管Q2共两个开关管，第一开关管Q1和第二开关管Q2串联构成一个桥臂，所述谐振电路12包括第一电容C1、第二电容C2、第一自耦电感L1以及第二自耦电感L2，所述第一自耦电感L1初级绕组的异名端与第二自耦电感L2初级绕组的同名端和第二电容C2的一端连接，所述第二电容C2的另一端连接第一自耦电感L1次级绕组的同名端以及第二自耦电感L2次级绕组的异名端，该第一自耦电感L1初级绕组的同名端连接第一电容C1，该第一电容C1的另一端以及第一自耦电感L1次级绕组的异名端作为谐振电路12的第一连接端，该谐振电路12的第一连接端连接至逆变电路11的桥臂，所述第二自耦电感L2初级绕组的异名端和次级绕组的同名端作为该谐振电路12的第二连接端，连接变压器器T1的初级绕组，所述变压器T1的次级绕组连接整流电路14的输入侧，所述整流电路14的输出侧以及逆变电路11的桥臂两端分别作为该高效双向变换器10的第一外接端和第二外接端，以连接负载和电源。优选地，所述第一自耦电感L1和第二自耦电感L2的电感量相同。可理解地，在某些其他实施例中，所述谐振电路12中的第一电容C1还可连接于第二自耦电感L2初级绕组和变压器T1之间，则此时第一电容C1和第二自耦电感L2次级绕组的同名端作为与变压器T1连接的第二连接端，而所述第一自耦电感L1初级绕组的同名端和次级绕组的异名端作为与逆变电路11连接的第一连接端，其电路工作过程和工作原理实质与本实施例相同。
本实施例中，当能量正向流动时，高效双向变换器10的第一外接端作为直流输入端，可外接电源，其第二外接端作为直流输出端，可外接负载；而当能量反向流动时，则高效双向变换器10的第二外接端作为直流输入端，其第一外接端作为直流输出端。本发明高效双向变换器10中的谐振电路12为CLCL谐振电路，为对称的电路拓扑形式，其在能量正反向流动时的等效电路相同，解决了传统LLC谐振电路不能反向同等性能工作的问题，即在能量反向流动时可升压，可有效提升变换器的输出电压范围，实现宽电压范围输出，同时在能量反向流动时保留了良好的软开关的性能，且采用自耦电感，与普通电感相比，减小了电路的峰值电流，有效提高磁芯利用率，同时减少线圈匝数，使电感体积变小，损耗更小，进而提高双向变换器的效率。
具体地，本实施例中，所述第一电容C1连接至第一开关管Q1和第二开关管Q2串联构成的桥臂的最上端，所述第一自耦电感L1次级绕组的异名端连接至该桥臂的中点。本实施例采用PFM方式控制开关管的工作，即采用恒定占空比，以恒定开关管的导通和关断时间，然后以调制方波频率方式来实现调节，从而可实现低频工作状态下高效双向变换器10的零电流开通。
在附图所示的实施例中，所述整流电路14包括第五开关管Q5、第六开关管Q6、第七开关管Q7及第八开关管Q8共四个开关管，每两个开关管串联构成一个桥臂，两个桥臂并联后其两端作为高效双向变换器10的第二外接端，其中，所述第五开关管Q5和第六开关管Q6串联构成的桥臂的中点以及第七开关管Q7和第八开关管Q8串联构成的桥臂的中点分别与所述变压器T1次级绕组的同名端和异名端连接。基于该设计，在能量正向流动时，所述整流电路14可将所述变压器T1周期性输出的电压波形进行整流，产生负载所需的工作电压。优选地，所述开关管选用MOS、IGBT或其他可控功率开关管，以实现更好的电路性能，本实施例中，在开关管上还并联有二极管，若开关管选用MOS管，则在其漏极和源极之间并联一二极管，而若开关管选用IGBT管，则在其发射极和集电极之间并联一二极管。
进一步地，所述高效双向变换器10还包括第一滤波电容C3和第二滤波电容C4，所述第一滤波电容C3两端连接至逆变电路11的桥臂两端，所述第二滤波电容C4两端连接至整流电路14的输出侧。
可理解地，本实施例中，在能量正向传输时，通过控制第一开关管Q1和第二开关管Q2的开关频率来实现高效双向变换器10的宽范围电压输出，且桥臂上的两个开关管互补导通，可实现电路软开关；能量反向传输时，谐振电路12是对称的电路拓扑结构，则能量正反向流动时的等效电路相同，因此，通过控制第五开关管Q5、第六开关管Q6、第七开关管Q7和第八开关管Q8的开关频率同样可实现宽范围电压输出，且每个桥臂上的两个开关管互补导通，可实现电路软开关。
参照图2，图2为本发明高效双向变换器10第二实施例的具体电路示意图，本实施例与第一实施例的不同在于谐振电路12的具体结构以及逆变电路11与谐振电路12的具体连接关系不同，其余电路结构相同或相似。本实施例中，所述谐振电路12包括第一电容C1、第二电容C2、第一自耦电感L1以及第二自耦电感L2，所述第一自耦电感L1初级绕组的异名端与第二自耦电感L2初级绕组的同名端以及第二电容C2的一端连接，所述第二电容C2的另一端连接第一自耦电感L1次级绕组的同名端以及第二自耦电感L2次级绕组的异名端，该第一自耦电感L1次级绕组的异名端连接第一电容C1，该第一电容C1的另一端及第一自耦电感L1初级绕组的同名端作为谐振电路12的第一连接端，连接逆变电路11的桥臂，第二自耦电感L2初级绕组的异名端和次级绕组的同名端作为该谐振电路12的第二连接端，连接变压器T1的初级绕组，所述变压器T1的次级绕组连接整流电路14的输入侧，所述整流电路14的输出侧以及逆变电路11的输入侧分别作为该高效双向变换器10的第二外接端和第一外接端。
由图可知，本实施例中的逆变电路11也为半桥结构，即同样包括第一开关管Q1和第二开关管Q2共两个开关管，第一开关管Q1和第二开关管Q2串联构成一个桥臂，但其与谐振电路12的部件间的具体连接与第一实施例不同，具体地，本实施例中，所述第一电容C1连接至第一开关管Q1和第二开关管Q2串联构成的桥臂的最下端，所述第一自耦电感L1初级绕组的同名端连接至该桥臂的中点。可理解地，在某些其他实施例中，所述谐振电路12中第一电容C1的位置还可与本实施例不同，该第一电容C1可连接于第二自耦电感L2次级绕组和变压器T1之间，则此时，第一电容C1和第二自耦电感L2初级绕组的异名端作为与变压器T1连接的第二连接端，而所述第一自耦电感L1初级绕组的同名端和次级绕组的异名端作为与逆变电路11连接的第一连接端，其电路工作过程和工作原理实质与本实施例相同。
参照图3，图3为本发明高效双向变换器10第三实施例的具体电路示意图，本实施例与第一实施例的不同在于逆变电路11的具体结构不同，其余电路结构相同或相似。本实施例中，所述逆变电路11包括第一开关管Q1、第二开关管Q2、第三开关管Q3及第四开关管Q4共四个开关管，每两个开关管串联构成一个桥臂，两个桥臂并联后其两端作为高效双向变换器10的第一外接端，其中，所述第一开关管Q1和第二开关管Q2串联构成的桥臂的中点与第一电容C1连接，所述第三开关管Q3和第四开关管Q4串联构成的桥臂的中点与第一自耦电感L1次级绕组的异名端连接。可理解地，在某些其他实施例中，所述谐振电路12中第一电容C1的位置也可与本实施例不同，具体位置可参照上述第一实施例和第二实施例中的相关描述，在此不再赘述。
综上所述，本发明高效双向变换器中的谐振电路为对称的电路拓扑形式，其在能量正反向流动时的等效电路相同，解决了传统LLC谐振电路不能反向同等性能工作的问题，即本发明高效双向变换器在能量反向流动时可升压，可有效提升变换器的输出电压范围，实现宽电压范围输出，同时在能量反向流动时保留了良好的软开关的性能，且采用自耦电感，与普通电感相比，减小了电路的峰值电流，有效提高磁芯利用率，同时减少线圈匝数，使电感体积变小，损耗更小，进而提高双向变换器的效率。
以上所述仅为本发明的优选实施例，而非对本发明做任何形式上的限制。本领域的技术人员可在上述实施例的基础上施以各种等同的更改和改进，凡在权利要求范围内所做的等同变化或修饰，均应落入本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种高效双向变换器，其特征在于：所述高效双向变换器包括逆变电路、谐振电路、变压器以及整流电路，其中，所述谐振电路包括第一电容、第二电容、第一自耦电感以及第二自耦电感，所述第一自耦电感初级绕组的异名端与第二自耦电感初级绕组的同名端以及第二电容的一端连接，所述第二电容的另一端连接第一自耦电感次级绕组的同名端以及第二自耦电感次级绕组的异名端，该第一自耦电感初级绕组的同名端连接第一电容，该第一电容的另一端及第一自耦电感次级绕组的异名端连接逆变电路，且第二自耦电感初级绕组的异名端和次级绕组的同名端连接变压器的初级绕组，所述变压器的次级绕组连接整流电路的输入侧，所述整流电路的输出侧以及逆变电路的输入侧分别作为该高效双向变换器的第二外接端和第一外接端。
2.如权利要求1所述的高效双向变换器，其特征在于：所述逆变电路为半桥式逆变电路，包括两个开关管，两个所述开关管串联构成一个桥臂。
3.如权利要求2所述的高效双向变换器，其特征在于：所述第一电容连接至桥臂的中点，所述第一自耦电感次级绕组的异名端连接至桥臂的最下端。
4.如权利要求2所述的高效双向变换器，其特征在于：所述第一电容连接至桥臂的最上端，所述第一自耦电感次级绕组的异名端连接至桥臂的中点。
5.如权利要求1所述的高效双向变换器，其特征在于：所述逆变电路包括四个开关管，每两个开关管串联构成一个桥臂，两个桥臂并联后其两端作为高效双向变换器的第一外接端，所述第一电容和第一自耦电感次级绕组分别连接至两个桥臂的中点。
6.如权利要求1所述的高效双向变换器，其特征在于：所述整流电路包括四个开关管，每两个开关管串联构成一个桥臂，两个桥臂并联后其两端作为高效双向变换器的第二外接端，所述变压器次级绕组的同名端和异名端分别连接至两个桥臂的中点。
7.如权利要求1所述的高效双向变换器，其特征在于：所述高效双向变换器还包括第一滤波电容和第二滤波电容，所述第一滤波电容两端连接至逆变电路的输入侧，所述第二滤波电容两端连接至整流电路的输出侧。
8.一种高效双向变换器，其特征在于：所述高效双向变换器包括逆变电路、谐振电路、变压器以及整流电路，其中，所述谐振电路包括第一电容、第二电容、第一自耦电感以及第二自耦电感，所述第一自耦电感初级绕组的异名端与第二自耦电感初级绕组的同名端以及第二电容的一端连接，所述第二电容的另一端连接第一自耦电感次级绕组的同名端以及第二自耦电感次级绕组的异名端，该第一自耦电感初级绕组的同名端及次级绕组的异名端连接逆变电路，所述第二自耦电感初级绕组的异名端连接第一电容，该第一电容的另一端和第二自耦电感次级绕组的同名端连接变压器的初级绕组，所述变压器的次级绕组连接整流电路的输入侧，所述整流电路的输出侧以及逆变电路的输入侧分别作为该高效双向变换器的第二外接端和第一外接端。
9.一种高效双向变换器，其特征在于：所述高效双向变换器包括逆变电路、谐振电路、变压器以及整流电路，其中，所述谐振电路包括第一电容、第二电容、第一自耦电感以及第二自耦电感，所述第一自耦电感初级绕组的异名端与第二自耦电感初级绕组的同名端以及第二电容的一端连接，所述第二电容的另一端连接第一自耦电感次级绕组的同名端以及第二自耦电感次级绕组的异名端，该第一自耦电感次级绕组的异名端连接第一电容，该第一电容的另一端及第一自耦电感初级绕组的同名端连接逆变电路，且第二自耦电感初级绕组的异名端和次级绕组的同名端连接变压器的初级绕组，所述变压器的次级绕组连接整流电路的输入侧，所述整流电路的输出侧以及逆变电路的输入侧分别作为该高效双向变换器的第二外接端和第一外接端。
10.一种高效双向变换器，其特征在于：所述高效双向变换器包括逆变电路、谐振电路、变压器以及整流电路，其中，所述谐振电路包括第一电容、第二电容、第一自耦电感以及第二自耦电感，所述第一自耦电感初级绕组的异名端与第二自耦电感初级绕组的同名端以及第二电容的一端连接，所述第二电容的另一端连接第一自耦电感次级绕组的同名端以及第二自耦电感次级绕组的异名端，该第一自耦电感初级绕组的同名端及次级绕组的异名端连接逆变电路，所述第二自耦电感次级绕组的同名端连接第一电容，该第一电容的另一端和第二自耦电感初级绕组的异名端连接变压器的初级绕组，所述变压器的次级绕组连接整流电路的输入侧，所述整流电路的输出侧以及逆变电路的输入侧分别作为该高效双向变换器的第二外接端和第一外接端。
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