CN113271018B - 一种具有旁路电路的双向隔离型三相直流变换器 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种具有旁路电路的双向隔离型三相直流变换器，其特征在于：原边A相谐振电路、原边B相谐振电路、原边C相谐振电路、付边X相谐振电路、付边Y相谐振电路及付边Z相谐振电路分别与各自的旁路电路并联；旁路电路处于使能状态或禁用状态。通过对比现有双向隔离型三相直流变换器和本发明中提出的双向隔离型三相直流变换器的增益曲线可以发现，本发明提出的变换器，具有更宽的增益范围，更窄的开关关频率范围，有助于提高变换器的效率。

Description

一种具有旁路电路的双向隔离型三相直流变换器
技术领域
本发明涉及一种双向隔离型直流变换器拓扑，属于电力电子装置技术领域。
背景技术
双向隔离型三相直流变换器能实现能量的双向流动，具有高功率密度和高传输效率的优点，在储能、直流输配电、电动汽车充电等领域有广泛的应用前景，现有技术方案典型结构如图1所示。
图1中，Vp为原边直流源或负载；Pcap为原边直流电容，S1、S2、S3、S4、S5、S6为电力电子开关器件，原边直流电容Pcap与电力电子开关器件S1、S2、S3、S4、S5、S6构成原边三相半桥逆变电路；CrA为原边A相谐振电容，LrA为原边A相谐振电感，原边A相谐振电容CrA与原边A相谐振电感LrA构成原边A相谐振电路；CrB为原边B相谐振电容，LrB为原边B相谐振电感，原边B相谐振电容CrB与原边B相谐振电感LrB构成原边B相谐振电路；CrC为原边C相谐振电容，LrC为原边C相谐振电感，原边C相谐振电容CrC与原边C相谐振电感LrC构成原边C相谐振电路；通常情况下，原边A相谐振电容CrA、原边B相谐振电容CrB与原边C相谐振电容CrC的电容值相同，原边A相谐振电感LrA、原边B相谐振电感LrB与原边C相谐振电感LrC电感值相同。
Vs为付边直流源或负载；Scap为付边直流电容，Q1、Q2、Q3、Q4、Q5、Q6为电力电子开关器件，付边直流电容Scap及电力电子开关器件Q1、Q2、Q3、Q4、Q5、Q6构成付边三相半桥逆变电路；CrX为付边X相谐振电容，LrX为付边X相谐振电感，付边X相谐振电容CrX及付边X相谐振电感LrX构成付边X相谐振电路；CrY为付边Y相谐振电容，LrY为付边Y相谐振电感，付边Y相谐振电容CrY及付边Y相谐振电感LrY构成付边Y相谐振电路；CrZ为付边Z相谐振电容，LrZ为付边Z相谐振电感，付边Z相谐振电容CrZ及付边Z相谐振电感LrZ构成付边Z相谐振电路；通常情况下，付边X相谐振电容CrX、付边Y相谐振电容CrY与付边Z相谐振电容CrZ电容值相同，付边X相谐振电感LrX、付边Y相谐振电感LrY与付边Z相谐振电感LrZ电感值相同。
T1为三相隔离变压器，原/付边匝比为N:1；Lm1、Lm2、Lm3为三相对应的励磁电感，通常情况下，Lm1、Lm2、Lm3电感值相同。
图1所示双向隔离型三相直流变换器工作原理如下：
当能量由Vp流向Vs：原边Vp为直流源，付边Vs为负载。A相S1、S2开关脉冲互补，占空比略小于0.5且相等。B相S3、S4开关脉冲互补，占空比略小于0.5且相等，相位滞后于A相1/3开关周期。C相S5、S6开关脉冲互补，占空比略小于0.5且相等，相位滞后于A相2/3开关周期；付边Q1、Q2、Q3、Q4、Q5、Q6开关脉冲均封锁。
当能量由Vs流向Vp：付边Vs为直流源，原边Vp为直流源或负载。X相Q1、Q2开关脉冲互补，占空比略小于0.5且相等。Y相Q3、Q4开关脉冲互补，占空比略小于0.5且相等，相位滞后于X相1/3开关周期。Z相Q5、Q6开关脉冲互补，占空比略小于0.5且相等，相位滞后于X相2/3开关周期；原边S1、S2、S3、S4、S5、S6开关脉冲均封锁。
由上述工作原理可知，现有双向隔离型三相直流变换器原/付边具有对称的结构和控制方法。因此，以下分析仅以能量从原边Vp流向付边Vs为例。
当能量从原边Vp流向付边Vs时，图1所示双向隔离型三相直流变换器的等效结构如图2所示，其结构与行业内熟知的单向隔离型三相直流变换器(见图3)相似，仅多出能量流入侧谐振电路(付边谐振电路)部分。
采用行业内熟知的FHA(First Harmonic Approximatio)分析方法，当能量从原边Vp流向付边Vs，图2所示双向隔离型三相直流变换器对应的增益公式为：
Figure BDA0003135640940000021
图3所示单向隔离型三相直流变换器对应的增益公式为：
Figure BDA0003135640940000022
选取常见高压电池组充电工况，Vp为直流源，电压值为750V，Vs为电池组，电压范围为：600V-900V，变压器变比N＝1；Lm1＝80uH，LrX1＝LrA＝16uH，CrA＝CrX＝15.6uF，恒定充电电流Is＝200A；绘制600V和900V工况下的增益曲线。
图2所示双向隔离型三相直流变换器对应的增益曲线如图4中实线所示，图3所示单向隔离型三相直流变换器的曲线如图4中虚线所示。
工况1：Vp＝750V，Vs＝600V，Is＝200A，增益＝600V/750V＝0.80。
由图4实线一可知，图2变换器原边器件开关工作频率约为13.2kHz。
由图4虚线一可知，图3变换器原边器件开关工作频率约为16.3kHz。
工况2：Vp＝750V，Vs＝900V，Is＝200A，增益＝900V/750V＝1.20。
由图4实线二可知，图2变换器原边器件开关工作频率约为4.6kHz。
由图4虚线二可知，图3变换器原边器件开关工作频率约为7.0kHz。
由图4曲线可知，图3变换器原边工作频率范围为7.0k-16.3kHz范围内，虚线一/虚线二所对应的增益曲线单调，因此，付边输出电压范围可达到600V-900V，意味着图3的增益范围可达到0.8-1.2。
由图4曲线可知，图2变换器原边工作频率范围为4.6k-13.2kHz范围内，实线二对应的增益曲线单调，但实线一对应的增益曲线非单调，因此，付边可输出600V电压，但无法输出900V电压，意味着图2的增益范围无法达到1.2。
由上述分析可知，当能量由Vp流向Vs时，相同参数下，图1所示双向直流变换器增益范围比图3所示单向直流变换器增益范围缩小，限制了变换器的性能。
发明内容
本发明要解决的技术问题是：当能量由Vp流向Vs时，相同参数下，双向直流变换器增益范围比单向直流变换器增益范围缩小，限制了变换器的性能。
为了解决上述技术问题，本发明的技术方案是提供了一种具有旁路电路的双向隔离型三相直流变换器，包括三相隔离变压器T1，原边直流源或负载Vp与原边三相逆变电路相连，原边三相逆变电路经由原边A相谐振电路、原边B相谐振电路及原边C相谐振电路与三相隔离变压器T1的原边相连；付边直流源或负载Vs与付边三相逆变电路相连，付边三相逆变电路经由付边X相谐振电路、付边Y相谐振电路及付边Z相谐振电路与三相隔离变压器T1的付边相连，其特征在于：原边A相谐振电路、原边B相谐振电路、原边C相谐振电路、付边X相谐振电路、付边Y相谐振电路及付边Z相谐振电路分别与各自的旁路电路并联；
旁路电路处于使能状态或禁用状态：
当旁路电路处于使能状态时，旁路电路先为相应的原边A相谐振电路、原边B相谐振电路、原边C相谐振电路、付边X相谐振电路、付边Y相谐振电路或付边Z相谐振电路提供放电回路，使其存储的能量经由该放电回路消耗完后，旁路电路再将相应的原边A相谐振电路、原边B相谐振电路、原边C相谐振电路、付边X相谐振电路、付边Y相谐振电路或付边Z相谐振电路旁路，使其切出主电路；
当旁路电路处于禁用状态时，相应的原边A相谐振电路、原边B相谐振电路、原边C相谐振电路、付边X相谐振电路、付边Y相谐振电路或付边Z相谐振电路投入主电路。
优选地，所述旁路电路包括开关元件SW1、开关元件SW2、电阻R，开关元件SW1与电阻R串联后并联在开关元件SW2两端；
当开关元件SW1及开关元件SW2均处于断开状态时，所述旁路电路处于所述禁用状态；
当开关元件SW2处于断开状态，且开关元件SW1处于闭合状态时，电阻R经由闭合的开关元件SW1为所述原边A相谐振电路、原边B相谐振电路、原边C相谐振电路、付边X相谐振电路、付边Y相谐振电路或付边Z相谐振电路提供所述放电回路；
当开关元件SW1处于断开状态，且开关元件SW2处于闭合状态，由闭合的开关元件SW2将所述原边A相谐振电路、原边B相谐振电路、原边C相谐振电路、付边X相谐振电路、付边Y相谐振电路或付边Z相谐振电路旁路，使其切出主电路。
优选地，当能量由原边直流源或负载Vp流向付边直流源或负载Vs时：与原边A相谐振电路、原边B相谐振电路及原边C相谐振电路并联的所述旁路电路处于所述禁用状态，使原边A相谐振电路、原边B相谐振电路及原边C相谐振电路投入主电路；与付边X相谐振电路、付边Y相谐振电路及付边Z相谐振电路并联的所述旁路电路处于所述使能状态，使付边X相谐振电路、付边Y相谐振电路及付边Z相谐振电路旁路；
当能量由付边直流源Vs流向原边直流源或负载Vp时：与原边A相谐振电路、原边B相谐振电路及原边C相谐振电路并联的所述旁路电路处于所述使能状态，使原边A相谐振电路、原边B相谐振电路及原边C相谐振电路旁路；与付边X相谐振电路、付边Y相谐振电路及付边Z相谐振电路并联的所述旁路电路处于所述禁用状态，使付边X相谐振电路、付边Y相谐振电路及付边Z相谐振电路投入主电路。
通过对比现有双向隔离型三相直流变换器和本发明中提出的双向隔离型三相直流变换器的增益曲线可以发现，本发明提出的变换器，具有更宽的增益范围，更窄的开关关频率范围，有助于提高变换器的效率。
附图说明
图1为典型双向隔离型三相直流变换器结构；
图2为能量从Vp流向Vs时，图1所示典型双向隔离型三相直流变换器等效结构；
图3为能量从Vp流向Vs时，典型单向隔离型三相直流变换器；
图4为背景技术中能量从Vp流向Vs时，典型单/双向隔离型三相直流变换器增益曲线；
图5为本发明提出的双向隔离型三相直流变换器；
图6为具体实施方式中能量从Vp流向Vs时，典型单/双向隔离型三相直流变换器增益曲线。
具体实施方式
下面结合具体实施例，进一步阐述本发明。应理解，这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。此外应理解，在阅读了本发明讲授的内容之后，本领域技术人员可以对本发明作各种改动或修改，这些等价形式同样落于本申请所附权利要求书所限定的范围。
本发明提出的双向隔离型三相直流变换器结构如图5所示，其结构是在图1所示的已知双向隔离型三相直流变换器中原/付边谐振电路上并联旁路电路，旁路电路的典型实现方法如图所示。
旁路电路工作原理：
旁路电路使能：首先闭合开关元件SW1，使电阻R并联于原边A相谐振电路、原边B相谐振电路、原边C相谐振电路、付边X相谐振电路、付边Y相谐振电路或付边Z相谐振电路中的谐振电感和谐振电容两端，给谐振电感和谐振电容提供放电回路。待谐振电感和谐振电容上存储的能量消耗完，闭合开关元件SW2，使谐振电感和谐振电容旁路，从而将相应的原边A相谐振电路、原边B相谐振电路、原边C相谐振电路、付边X相谐振电路、付边Y相谐振电路或付边Z相谐振电路切出主电路。
旁路电路禁用：断开开关元件SW1、SW2，使原边A相谐振电路、原边B相谐振电路、原边C相谐振电路、付边X相谐振电路、付边Y相谐振电路或付边Z相谐振电路中的谐振电感和谐振电容投入主电路。
图5所示双向隔离型三相直流变换器工作原理：
当能量由Vp流向Vs：原边Vp为直流源或负载、付边Vs为直流源或负载。原边电力电子开关器件S1、S2、S3、S4、S5、S6，付边电力电子开关器件Q1、Q2、Q3、Q4、Q5、Q6的开关状态与图1所述变换器相同。使旁路电路BPA、BPB、BPC处于禁用状态，使原边A相谐振电路、原边B相谐振电路及原边C相谐振电路投入主电路。使旁路电路BPX、BPY、BPz处于使能状态，使付边X相谐振电路、付边Y相谐振电路及付边Z相谐振电路旁路。
当能量由Vs流向Vp：付边Vs为直流源、原边Vp为直流源或负载。原边电力电子开关器件S1、S2、S3、S4、S5、S6，付边电力电子开关器件Q1、Q2、Q3、Q4、Q5、Q6的开关状态与图1所述变换器相同。使旁路电路BPA、BPB、BPC处于使能状态，使原边A相谐振电路、原边B相谐振电路及原边C相谐振电路旁路。使旁路电路BPX、BPY、BPz处于禁用状态，使付边X相谐振电路、付边Y相谐振电路及付边Z相谐振电路投入主电路。
图5所示双向隔离型三相直流变换器具有原付边对称的结构，且不同能量流向对应的控制方法也相同。因此，以下仅以能量从原边Vp流向付边Vs作为对象进行分析：
仍然选取前文高压电池充电组充电工况，Vp为直流源，电压值为＝750V，Vs为电池组，电压范围为：600V-900V，变压器变比N＝1；Lm1＝80uH，LrX1＝LrA＝16uH，CrA＝CrX＝15.6uF，恒流充电电流Is＝200A；绘制增益曲线。
工况1：Vp＝750V，Vs＝600V，增益＝600/750＝0.80，小于1。
原边的旁路电路禁用，使原边A相谐振电路、原边B相谐振电路及原边C相谐振电路投入主电路；付边的旁路电路使能，使付边X相谐振电路、付边Y相谐振电路及付边Z相谐振电路旁路。图6变换器增益曲线满足公式1，对应图4中实线一，原边开关频率约为13.2kHz。
工况2：Vp＝750V，Vs＝900V，增益＝900/750＝1.2，大于1。
原边的旁路电路禁用，使原边A相谐振电路、原边B相谐振电路及原边C相谐振电路投入主电路；付边的旁路电路使能，使付边X相谐振电路、付边Y相谐振电路及付边Z相谐振电路旁路。图6变换器增益曲线满足公式2，对应图4中虚线二，对应原边开关频率约为7.0kHz。
由图4及上述分析可知，图5变换器原边工作频率范围为7.0k-13.2kHz范围内，增益范围可达到0.8-1.2；图3变换器原边工作频率范围为7.0k-16.3kHz范围内，增益范围可达到0.8-1.2；图2变换器原边工作频率范围为4.6k-13.2kHz范围内，增益下限可到0.8，但上限无法达到1.2。
由上述分析可知，能量从原边Vp流向付边Vs时，原边旁路电路始终使能，使原边A相谐振电路、原边B相谐振电路及原边C相谐振电路旁路；当增益小于1时，付边旁路电路禁用，使付边X相谐振电路、付边Y相谐振电路及付边Z相谐振电路投入主电路，图5变换器结构与图2变换器相同；对应的增益曲线为公式1。当增益大于1时，付边旁路电路使能，使付边X相谐振电路、付边Y相谐振电路及付边Z相谐振电路旁路，图5变换器结构与图3变换器相同；对应的增益曲线为公式2。因此，图5变换器相对于图1变换器具有更宽的增益范围，相对于图3变换器，开关频率范围更窄，效率跟高。

Claims (3)

1.一种具有旁路电路的双向隔离型三相直流变换器，包括三相隔离变压器T1，原边直流源或负载Vp与原边三相逆变电路相连，原边三相逆变电路经由原边A相谐振电路、原边B相谐振电路及原边C相谐振电路与三相隔离变压器T1的原边相连；付边直流源或负载Vs与付边三相逆变电路相连，付边三相逆变电路经由付边X相谐振电路、付边Y相谐振电路及付边Z相谐振电路与三相隔离变压器T1的付边相连，其特征在于：原边A相谐振电路、原边B相谐振电路、原边C相谐振电路、付边X相谐振电路、付边Y相谐振电路及付边Z相谐振电路分别与各自的旁路电路并联；
旁路电路处于使能状态或禁用状态：
当旁路电路处于使能状态时，旁路电路先为相应的原边A相谐振电路、原边B相谐振电路、原边C相谐振电路、付边X相谐振电路、付边Y相谐振电路或付边Z相谐振电路提供放电回路，使其存储的能量经由该放电回路消耗完后，旁路电路再将相应的原边A相谐振电路、原边B相谐振电路、原边C相谐振电路、付边X相谐振电路、付边Y相谐振电路或付边Z相谐振电路旁路，使其切出主电路；
当旁路电路处于禁用状态时，相应的原边A相谐振电路、原边B相谐振电路、原边C相谐振电路、付边X相谐振电路、付边Y相谐振电路或付边Z相谐振电路投入主电路。
2.如权利要求1所述的一种具有旁路电路的双向隔离型三相直流变换器，其特征在于，所述旁路电路包括开关元件SW1、开关元件SW2、电阻R，开关元件SW1与电阻R串联后并联在开关元件SW2两端；
当开关元件SW1及开关元件SW2均处于断开状态时，所述旁路电路处于所述禁用状态；
当开关元件SW2处于断开状态，且开关元件SW1处于闭合状态时，电阻R经由闭合的开关元件SW1为所述原边A相谐振电路、原边B相谐振电路、原边C相谐振电路、付边X相谐振电路、付边Y相谐振电路或付边Z相谐振电路提供所述放电回路；
当开关元件SW1处于断开状态，且开关元件SW2处于闭合状态，由闭合的开关元件SW2将所述原边A相谐振电路、原边B相谐振电路、原边C相谐振电路、付边X相谐振电路、付边Y相谐振电路或付边Z相谐振电路旁路，使其切出主电路。
3.如权利要求1所述的一种具有旁路电路的双向隔离型三相直流变换器，其特征在于，当能量由原边直流源或负载Vp流向付边直流源或负载Vs时：与原边A相谐振电路、原边B相谐振电路及原边C相谐振电路并联的所述旁路电路处于所述禁用状态，使原边A相谐振电路、原边B相谐振电路及原边C相谐振电路投入主电路；与付边X相谐振电路、付边Y相谐振电路及付边Z相谐振电路并联的所述旁路电路处于所述使能状态，使付边X相谐振电路、付边Y相谐振电路及付边Z相谐振电路旁路；
当能量由付边直流源Vs流向原边直流源或负载Vp时：与原边A相谐振电路、原边B相谐振电路及原边C相谐振电路并联的所述旁路电路处于所述使能状态，使原边A相谐振电路、原边B相谐振电路及原边C相谐振电路旁路；与付边X相谐振电路、付边Y相谐振电路及付边Z相谐振电路并联的所述旁路电路处于所述禁用状态，使付边X相谐振电路、付边Y相谐振电路及付边Z相谐振电路投入主电路。
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