CN113285608A - 一种ups用双向dc-dc变换器拓扑结构 - Google Patents

一种ups用双向dc-dc变换器拓扑结构 Download PDF

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Abstract

一种UPS用双向DC‑DC变换器拓扑结构，涉及电网设备运行维护技术领域。本发明是为了解决传统UPS用双向变换器中大电感中没有专门的能量释放通道，剩余能量则通过开关管的结电容释放，开关管容易被击穿，且随着系统的长时间运行，电感剩余能量增多直至电感饱和，最终导致系统异常的问题。本发明所述的一种UPS用双向DC‑DC变换器拓扑结构，加入了电感副边线圈及两个续流二极管，保证了两推挽管均关断时，电感剩余能量可以通过电感副边线圈和两个续流二极管释放到母线侧。

Description

一种UPS用双向DC-DC变换器拓扑结构
技术领域
本发明属于电网设备运行维护技术领域，尤其涉及不间断电源系统。
背景技术
一般在线式UPS(Uninterruptible Power System，不间断电源)为实现市电模式下的电池充电功能，需要一套独立的充电电路，这造成了系统的体积增大及成本增加。双向DC-DC变换器可以实现两个直流源间能量的双向传递，功能上等同于两个单向DC-DC变换器，有利于提高系统功率密度，降低成本。传统双向变换器，由于大电感的存在，其推挽管在UPS的电池模式下仅能维持占空比过半的工作状态。考虑到UPS的全负载范围运行，空、轻载条件下，推挽管工作占空比存在小于50％的可能。那么当这种情况发生时，一个工作周期内两推挽管均关断时，由于大电感中没有专门的能量释放通道，剩余能量则通过开关管的结电容释放，因此开关管承受较大的电压尖峰，存在被击穿的可能。同时，随着系统的长时间运行，电感剩余能量增多直至电感饱和，最终导致系统异常。
发明内容
本发明是为了解决传统UPS用双向变换器中大电感中没有专门的能量释放通道，剩余能量则通过开关管的结电容释放，开关管容易被击穿，且随着系统的长时间运行，电感剩余能量增多直至电感饱和，最终导致系统异常的问题，现提供一种UPS用双向DC-DC变换器拓扑结构。
一种UPS用双向DC-DC变换器拓扑结构，在电流型推挽全桥拓扑电路中增加电感副边线圈和两个续流二极管，使得当电流型推挽全桥拓扑电路的两个推挽管均关断时，电感剩余能量能够通过电感副边线圈和两个续流二极管释放到母线侧。
进一步的，上述电流型推挽全桥拓扑电路包括：有极电容C1～C3、电感L、推挽管S1、推挽管S2、开关管Q3～Q6、体二极管D1、体二极管D2、整流管D3～D6、继电器和隔离变压器；
UPS的正极分别连接有极电容C3的正极和电感L的一端，电感L的另一端连接隔离变压器原边线圈的中间抽头，UPS的负极分别连接有极电容C3的负极、推挽管S1的源极、推挽管S2的源极、体二极管D1的正极和体二极管D2的正极，推挽管S1的漏极和体二极管D1的负极同时连接隔离变压器原边线圈的同名端，推挽管S2的漏极和体二极管D2的负极同时连接隔离变压器原边线圈的异名端，隔离变压器副边线圈的中间抽头通过继电器连接电源地，隔离变压器副边线圈的同名端分别连接开关管Q3的源极、开关管Q5的漏极、整流管D3的正极和整流管D5的负极，隔离变压器副边线圈的异名端分别连接开关管Q4的源极、开关管Q6的漏极、整流管D4的正极和整流管D6的负极，开关管Q3的漏极、开关管Q4的漏极、整流管D3的负极、整流管D4的负极和有极电容C1的正极相连并作为电压输出端的正极，开关管Q5的源极、开关管Q6的源极、整流管D5的正极、整流管D6的正极和有极电容C2的负极相连并作为电压输出端的负极，有极电容C1的负极和有极电容C2的正极同时连接电源地。
进一步的，上述在电流型推挽全桥拓扑电路中增加的电感副边线圈Ls与电感L共同组成变压器，两个续流二极管分别为二极管D7和二极管D8，电感副边线圈Ls的同名端连接二极管D8的负极，电感副边线圈Ls的异名端连接二极管D7的正极，二极管D7的负极连接电压输出端的正极，二极管D8的正极连接电压输出端的负极。
进一步的，上述隔离变压器包括变压器线圈N1～N4，变压器线圈N1的异名端和变压器线圈N2的同名端相连并作为隔离变压器原边线圈的中间抽头，变压器线圈N1的同名端作为隔离变压器原边线圈的同名端，变压器线圈N2的异名端作为隔离变压器原边线圈的异名端；变压器线圈N3的异名端和变压器线圈N4的同名端相连并作为隔离变压器副边线圈的中间抽头，变压器线圈N3的同名端作为隔离变压器副边线圈的同名端，变压器线圈N4的异名端作为隔离变压器副边线圈的异名端。
进一步的，电池模式下，UPS利用双向DC-DC变换器进行升压，推挽管S1和推挽管S2工作占空比小于50％时，一个开关周期内的4个工作模态分别如下：
工作模态1：推挽管S1和推挽管S2均关断，隔离变压器原副边无能量传递，电感L的能量通过电感副边线圈Ls和两个续流二极管释放到高压母线，电感L无电流，电感副边线圈Ls电流线性降低；
工作模态2：推挽管S1处于开通状态，推挽管S2处于关断状态，电感L储能且电流线性增加，能量经隔离变压器传递到全桥侧，并经整流管D4和整流管D5进行整流；
工作模态3：推挽管S1和推挽管S2均关断，重复工作模态1；
工作模态4：推挽管S1处于关断状态，推挽管S2处于开通状态，电感L储能且电流线性增加，能量经隔离变压器传递到全桥侧，并经整流管D3和整流管D6进行整流。
进一步的，UPS利用双向DC-DC变换器进行升压，推挽管S1和推挽管S2工作占空比大于50％时，一个开关周期内的4个工作模态分别如下：
工作模态1：推挽管S1和推挽管S2均开通，电感L储能且电流线性增加；
工作模态2：推挽管S1开通，推挽管S2关断，电感L和电池通过隔离变压器进行能量传递，电感L电流线性减少，整流管D4和整流管D5导通，完成整流；
工作模态3：推挽管S1和推挽管S2均开通，重复工作模态1。
工作模态4：推挽管S1关断，推挽管S2开通，电感L和电池通过隔离变压器进行能量传递，电感L电流线性减少，整流管D3和整流管D6导通，完成整流。
进一步的，UPS利用双向DC-DC变换器对蓄电池充电，一个开关周期内的4个工作模态分别如下：
工作模态1：开关管Q3～Q6均关断，电感L通过体二极管D1、体二极管D2、变压器线圈N1和变压器线圈N2续流并为蓄电池充电，电感L电流线性减少；
工作模态2：开关管Q4和开关管Q5开通，开关管Q3和开关管Q6关断，电感L储能且电流线性增加，体二极管D1导通完成整流，体二极管D2截止，电池处于充电状态；
工作模态3：开关管Q3～Q6均关断，重复工作模态1；
工作模态4；开关管Q4和开关管Q5关断，开关管Q3和开关管Q6开通，电感L储能且电流线性增加，体二极管D2导通完成整流，体二极管D1截止，电池处于充电状态。
本发明所述的一种UPS用双向DC-DC变换器拓扑结构，加入了电感副边线圈及两个续流二极管，这些元器件的加入，保证了两推挽管均关断时，电感剩余能量可以通过电感副边线圈和两个续流二极管释放到母线侧。因此，改进后的拓扑能够使推挽管工作在任意占空比状态，实现UPS在电池模式下的任意负载运行。
拓扑改进前后，分别对双向DC-DC空载运行时的推挽管电压应力进行saber仿真，仿真结果如图3所示。由图可知，拓扑未改进前，由于空载占空比小于50％，电感剩余能量没有合适的释放路径，这导致了推挽管较大的电压尖峰。拓扑改进后，空载条件下的推挽管电压尖峰明显减小，证实了改进后拓扑的可行性。
附图说明
图1为传统电流型推挽全桥双向DC-DC变换器拓扑结构图；
图2为本改进后的电流型推挽全桥双向DC-DC变换器拓扑结构图；
图3为空载条件下，拓扑改进前后的推挽管电压应力波形图，其中(a)表示拓扑改进前，(b)表示拓扑改进后；
图4为推挽管占空比小于50％时的工作电路图；
图5为图4情况下，推挽管S1和推挽管S2的工作频率波形图；
图6为推挽管占空比大于50％时的工作电路
图7为图6情况下，推挽管S1和推挽管S2的工作频率波形图；
图8为市电模式下双向DC-DC工作电路图；
图9为图7情况下，推挽管S1和推挽管S2的工作频率波形图；
图10为两种工作模式切换时的母线电压波形图；
图11为不同负载切换时的母线电压波形图。
具体实施方式
具体实施方式一：参照图1和图2具体说明本实施方式，本实施方式所述的一种UPS用双向DC-DC变换器拓扑结构，在电流型推挽全桥拓扑电路中增加电感副边线圈和两个续流二极管，使得当电流型推挽全桥拓扑电路的两个推挽管均关断时，电感剩余能量能够通过电感副边线圈和两个续流二极管释放到母线侧。具体的电路如下：
一种UPS用双向DC-DC变换器拓扑结构包括：有极电容C1～C3、电感L、推挽管S1、推挽管S2、开关管Q3～Q6、体二极管D1、体二极管D2、整流管D3～D6、继电器、隔离变压器、电感副边线圈Ls和两个续流二极管。所述电感L和电感副边线圈Ls共同构成一个变压器，其中电感L为原边线圈。两个续流二极管分别为二极管D7和二极管D8。
UPS的正极分别连接有极电容C3的正极和电感L的一端，电感L的另一端连接隔离变压器原边线圈的中间抽头。
UPS的负极分别连接有极电容C3的负极、推挽管S1的源极、推挽管S2的源极、体二极管D1的正极和体二极管D2的正极，推挽管S1的漏极和体二极管D1的负极同时连接隔离变压器原边线圈的同名端，推挽管S2的漏极和体二极管D2的负极同时连接隔离变压器原边线圈的异名端。
隔离变压器副边线圈的中间抽头通过继电器连接电源地，隔离变压器副边线圈的同名端分别连接开关管Q3的源极、开关管Q5的漏极、整流管D3的正极和整流管D5的负极，隔离变压器副边线圈的异名端分别连接开关管Q4的源极、开关管Q6的漏极、整流管D4的正极和整流管D6的负极。
开关管Q3的漏极、开关管Q4的漏极、整流管D3的负极、整流管D4的负极和有极电容C1的正极相连并作为电压输出端的正极。开关管Q5的源极、开关管Q6的源极、整流管D5的正极、整流管D6的正极和有极电容C2的负极相连并作为电压输出端的负极。
有极电容C1的负极和有极电容C2的正极同时连接电源地。
电感副边线圈Ls的同名端连接二极管D8的负极，电感副边线圈Ls的异名端连接二极管D7的正极，二极管D7的负极连接电压输出端的正极，二极管D8的正极连接电压输出端的负极。
上述隔离变压器包括变压器线圈N1～N4。变压器线圈N1的异名端和变压器线圈N2的同名端相连并作为隔离变压器原边线圈的中间抽头，变压器线圈N1的同名端作为隔离变压器原边线圈的同名端，变压器线圈N2的异名端作为隔离变压器原边线圈的异名端。变压器线圈N3的异名端和变压器线圈N4的同名端相连并作为隔离变压器副边线圈的中间抽头，变压器线圈N3的同名端作为隔离变压器副边线圈的同名端，变压器线圈N4的异名端作为隔离变压器副边线圈的异名端。
本实施方式所述的一种UPS用双向DC-DC变换器拓扑结构，双向DC-DC变换器工作在UPS的电池和市电模式下，分别对两种模式下双向DC-DC变换器的工作原理进行分析，并设电池模式下推挽管S1和推挽管S2稳态占空比为D，市电模式下开关管Q3～Q6稳态占空比为D′，隔离变压器变比n＝(N3+N4)/N1。
1、电池模式下双向DC-DC变换器的工作分析
电池模式下，UPS利用双向DC-DC变换器进行升压。空载或轻载时，推挽管S1和推挽管S2工作占空比可能小于50％，其他负载时推挽管S1和推挽管S2工作占空比大于50％，下面分别对这两种稳态工作状态进行分析。
(1)推挽管S1和推挽管S2工作占空比小于50％
如图5所示可知，推挽管S1超前推挽管S2半个开关周期，电感L电流工作频率为开关频率的2倍，一个开关周期内有4个工作模态，分别如下：
工作模态1(t0～t1)：推挽管S1和推挽管S2均关断，隔离变压器原副边无能量传递，电感L能量通过电感副边线圈Ls和两个续流二极管释放到高压母线，电感L无电流，电感副边线圈Ls电流线性减少。
工作模态2(t1～t2)：推挽管S1处于开通状态，推挽管S2处于关断状态，此时电感L储能，电感L电流线性增加，能量经隔离变压器传递到全桥侧，并经整流管D4和整流管D5进行整流。
工作模态3(t2～t3)：推挽管S1和推挽管S2均关断，重复工作模态1。
工作模态4(t3～t4)：推挽管S1处于关断状态，推挽管S2处于开通状态，此时电感L储能，电感L电流线性增加，能量经隔离变压器传递到全桥侧，并经整流管D3和整流管D6进行整流。
至此一个开关周期结束，之后便重复上述开关周期过程。
(2)推挽管S1和推挽管S2工作占空比大于50％
推挽管工作占空比大于50％时的电路原理如图6所示。该工作状态下的理论工作波形如图7所示，电感副边线圈Ls不工作，一个开关周期内有4个工作模态，分别如下：
工作模态1(t0～t1)：推挽管S1和推挽管S2均开通，电感L储能且电流线性增加。理想情况下，隔离变压器原边两线圈N1和N2流过大小相等、方向相反的电流，两线圈N1和N2合成磁动势为0，等同于原边短路，隔离变压器原副边无能量传递，全桥整流管均截止，母线电容维持输出。
工作模态2(t1～t2)：推挽管S1开通、推挽管S2关断，此时电感L和电池通过隔离变压器进行能量传递，电感L电流线性减少，整流管D4和整流管D5导通，完成整流过程。
工作模态3(t2～t3)：推挽管S1和推挽管S2均开通，重复工作模态1。
工作模态4(t3～t4)：推挽管S1关断、推挽管S2开通，此时电感L和电池通过隔离变压器进行能量传递，电感L电流线性减少，整流管D3和整流管D6导通，完成整流过程。
至此一个开关周期结束，之后便重复上述开关周期过程。
在t2～t4时间内，由电感伏秒平衡和电路关系得：
V1(t3-t2)+(V1-VN2)(t4-t3)＝0，
t4-t3＝(1-D)T，
2(t3-t4)＝DT-(1-D)T，
Figure BDA0003083157500000071
由上述公式推导可得电池模式下输入与输出之间的关系为：
Figure BDA0003083157500000072
上述公式中，V1为电池电压，VN2为变压器线圈N2端电压，T为周期，V2为输出端电压。
2、市电模式下双向DC-DC变换器的工作分析
市电模式下，UPS利用双向DC-DC变换器完成蓄电池充电。由于母线电压远高于电池额定电压，因此该工作模式下双向DC-DC变换器实现降压功能。该工作模式下的电路原理如图8所示。该工作状态下的理论工作波形如图9所示。由工作波形可知，开关管Q4和开关管Q5的驱动电压波形一致，开关管Q3和开关管Q6的驱动电压波形一致，且开关管Q4和开关管Q5超前开关管Q3和开关管Q6半个开关周期。市电工作模式下，电感副边线圈Ls不工作，仅原边线圈(电感L)工作，且电感L工作频率为开关频率的2倍，一个开关周期内有4个工作模态，分别如下：
工作模态1(t0～t1)：开关管Q3～Q6均关断，隔离变压器原副边无能量传递，电感L通过体二极管D1、体二极管D2、变压器线圈N1和变压器线圈N2续流并为电池充电，电感L电流线性减少，由于变压器线圈N1和变压器线圈N2中的电流大小相等、方向相反，则电感副边线圈Ls等同于短路。
工作模态2(t1～t2)：开关管Q4和开关管Q5开通，开关管Q3和开关管Q6关断，此时隔离变压器原副边进行能量的传递，电感L储能且电流线性增加，体二极管D1导通完成整流，体二极管D2截止，电池处于充电状态。
工作模态3(t2～t3)：开关管Q3～Q6均关断，重复工作模态1。
工作模态4(t3～t4)：开关管Q4和开关管Q5关断，开关管Q3和开关管Q6开通，此时隔离变压器原副边进行能量的传递，电感L储能且电流线性增加，体二极管D2导通完成整流，体二极管D1截止，电池处于充电状态。
至此一个开关周期结束，之后便重复上述开关周期过程。
t2～t4时间内，由电感L的伏秒平衡和电路关系得：
V1(t3-t2)+(V1-VN2)(t4-t3)＝0，
t4-t3＝D′T，
2(t3-t2)＝(1-D′)T-D′T，
Figure BDA0003083157500000081
由上述公式推导可得市电模式下输入与输出之间的关系为
Figure BDA0003083157500000082
若使得D+D′＝1，并根据式(1)和式(2)，可以看出两种工作模式下输入与输出之间的关系是一致的，理论上证明了该拓扑结构可以实现双向DC-DC变换器的功能。
3、两种工作模式切换实验
为了验证双向DC-DC变换器的整体性能，进行了市电和电池两种工作模式间的切换实验，实验波形如图10所示，图中给出了两种工作模式切换时的母线电压波形。由实验波形可以看出，在电池切市电模式和市电切电池模式过程中，母线电压均能够快速地过渡到平衡状态，满足了双向DC-DC变换器稳定性、快速性的要求。
4、负载切换实验
母线电压的稳态和动态性能对逆变输出有着重要的影响，母线过压、欠压或恢复速度慢均可能引起输出电压波形失真、谐波含量大、系统带载能力差等现象，影响系统的整体性能。为避免类似情况的发生，必须对母线采取保护措施，将母线电压波动限制在一定范围内。一般限定母线电压的波动范围为±10％左右。不同负载间进行切换时，母线电压波形如图11所示。理论上空载到满载之间切换时母线波动最为剧烈，由实验波形可知，该条件下母线电压大致跌落80V，基本满足母线电压的波动范围。
传统电流型推挽全桥拓扑不能实现UPS低占空比状态下的空、轻载稳定运行，因为此时开关管承受较大的电压尖峰，存在被击穿的可能。新拓扑加入了电感副边线圈及两个续流二极管，从而使推挽管工作在任意占空比状态，可以实现UPS在电池模式下的任意负载运行，并满足UPS中双向DC-DC变换器的要求。

Claims (7)

1.一种UPS用双向DC-DC变换器拓扑结构，其特征在于，在电流型推挽全桥拓扑电路中增加电感副边线圈和两个续流二极管，使得当电流型推挽全桥拓扑电路的两个推挽管均关断时，电感剩余能量能够通过电感副边线圈和两个续流二极管释放到母线侧。
2.根据权利要求1所述的一种UPS用双向DC-DC变换器拓扑结构，其特征在于，电流型推挽全桥拓扑电路包括：有极电容C1～C3、电感L、推挽管S1、推挽管S2、开关管Q3～Q6、体二极管D1、体二极管D2、整流管D3～D6、继电器和隔离变压器；
UPS的正极分别连接有极电容C3的正极和电感L的一端，电感L的另一端连接隔离变压器原边线圈的中间抽头，
UPS的负极分别连接有极电容C3的负极、推挽管S1的源极、推挽管S2的源极、体二极管D1的正极和体二极管D2的正极，推挽管S1的漏极和体二极管D1的负极同时连接隔离变压器原边线圈的同名端，推挽管S2的漏极和体二极管D2的负极同时连接隔离变压器原边线圈的异名端，
隔离变压器副边线圈的中间抽头通过继电器连接电源地，隔离变压器副边线圈的同名端分别连接开关管Q3的源极、开关管Q5的漏极、整流管D3的正极和整流管D5的负极，隔离变压器副边线圈的异名端分别连接开关管Q4的源极、开关管Q6的漏极、整流管D4的正极和整流管D6的负极，
开关管Q3的漏极、开关管Q4的漏极、整流管D3的负极、整流管D4的负极和有极电容C1的正极相连并作为电压输出端的正极，
开关管Q5的源极、开关管Q6的源极、整流管D5的正极、整流管D6的正极和有极电容C2的负极相连并作为电压输出端的负极，
有极电容C1的负极和有极电容C2的正极同时连接电源地。
3.根据权利要求2所述的一种UPS用双向DC-DC变换器拓扑结构，其特征在于，在电流型推挽全桥拓扑电路中增加的电感副边线圈Ls与电感L共同组成变压器，
两个续流二极管分别为二极管D7和二极管D8，电感副边线圈Ls的同名端连接二极管D8的负极，电感副边线圈Ls的异名端连接二极管D7的正极，二极管D7的负极连接电压输出端的正极，二极管D8的正极连接电压输出端的负极。
4.根据权利要求2或3所述的一种UPS用双向DC-DC变换器拓扑结构，其特征在于，隔离变压器包括变压器线圈N1～N4，
变压器线圈N1的异名端和变压器线圈N2的同名端相连并作为隔离变压器原边线圈的中间抽头，变压器线圈N1的同名端作为隔离变压器原边线圈的同名端，变压器线圈N2的异名端作为隔离变压器原边线圈的异名端；
变压器线圈N3的异名端和变压器线圈N4的同名端相连并作为隔离变压器副边线圈的中间抽头，变压器线圈N3的同名端作为隔离变压器副边线圈的同名端，变压器线圈N4的异名端作为隔离变压器副边线圈的异名端。
5.根据权利要求4所述的一种UPS用双向DC-DC变换器拓扑结构，其特征在于，电池模式下，UPS利用双向DC-DC变换器进行升压，推挽管S1和推挽管S2工作占空比小于50％时，一个开关周期内的4个工作模态分别如下：
工作模态1：推挽管S1和推挽管S2均关断，隔离变压器原副边无能量传递，电感L的能量通过电感副边线圈Ls和两个续流二极管释放到高压母线，电感L无电流，电感副边线圈Ls电流线性降低；
工作模态2：推挽管S1处于开通状态，推挽管S2处于关断状态，电感L储能且电流线性增加，能量经隔离变压器传递到全桥侧，并经整流管D4和整流管D5进行整流；
工作模态3：推挽管S1和推挽管S2均关断，重复工作模态1；
工作模态4：推挽管S1处于关断状态，推挽管S2处于开通状态，电感L储能且电流线性增加，能量经隔离变压器传递到全桥侧，并经整流管D3和整流管D6进行整流。
6.根据权利要求4所述的一种UPS用双向DC-DC变换器拓扑结构，其特征在于，电池模式下，UPS利用双向DC-DC变换器进行升压，推挽管S1和推挽管S2工作占空比大于50％时，一个开关周期内的4个工作模态分别如下：
工作模态1：推挽管S1和推挽管S2均开通，电感L储能且电流线性增加；
工作模态2：推挽管S1开通，推挽管S2关断，电感L和电池通过隔离变压器进行能量传递，电感L电流线性减少，整流管D4和整流管D5导通，完成整流；
工作模态3：推挽管S1和推挽管S2均开通，重复工作模态1；
工作模态4：推挽管S1关断，推挽管S2开通，电感L和电池通过隔离变压器进行能量传递，电感L电流线性减少，整流管D3和整流管D6导通，完成整流。
7.根据权利要求4所述的一种UPS用双向DC-DC变换器拓扑结构，其特征在于，市电模式下，UPS利用双向DC-DC变换器对蓄电池充电，一个开关周期内的4个工作模态分别如下：
工作模态1：开关管Q3～Q6均关断，电感L通过体二极管D1、体二极管D2、变压器线圈N1和变压器线圈N2续流并为蓄电池充电，电感L电流线性减少；
工作模态2：开关管Q4和开关管Q5开通，开关管Q3和开关管Q6关断，电感L储能且电流线性增加，体二极管D1导通完成整流，体二极管D2截止，电池处于充电状态；
工作模态3：开关管Q3～Q6均关断，重复工作模态1；
工作模态4；开关管Q4和开关管Q5关断，开关管Q3和开关管Q6开通，电感L储能且电流线性增加，体二极管D2导通完成整流，体二极管D1截止，电池处于充电状态。
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