CN114172381A - 一种电容储能型隔离式dc-dc变换器及其控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种电容储能型隔离式DC‑DC变换器及其控制方法，所述电容储能型隔离式DC‑DC变换器包括一次侧回路、二次侧回路、电容和控制器。本发明的电容储能型隔离式DC‑DC变换器通过直流电容将输入侧能量进行存储，然后经过半导体开关释放能量到负载侧。能量的存储和释放具有分时性，通过电容缓冲，输入功率和输出功率进行分时能量交换，利用半导体器件关断后的隔离特征，实现和输入级和输出级的电气隔离，并可实现输出电压或电流的幅值调节。无需使用隔离变压器即可实现输入侧和输出侧的电气隔离及升降压变换，具有设计及控制简单的优点。

Description

一种电容储能型隔离式DC-DC变换器及其控制方法

技术领域

本发明涉及本发明属于电力电子与电力传动领域，特别是涉及一种电容储能型隔离式DC-DC变换器及其控制方法。

背景技术

隔离式DC-DC变换器广泛用于电力工业领域，因具有灵活性高、模块性好、绝缘性能强的优点，在航空航天、冶金工业、轨道交通、航海船舶、军事工业等领域，隔离型DC-DC变换器有着广泛的应用。

然而，隔离变换器DC-DC变换器因磁材料特性的约束，功率等级一般不高，大功率，大电流工况下，隔离变压器的设计已经成为行业难点，限制了隔离型DC-DC变换器在大功率场景下的应用。当开关频率降低时，作为无源器件的隔离变压器体积明显增加，降低了功率密度。既具备隔离性能，又能够降低磁材料的使用强度，是提高隔离变换器功率密度的主要路径。

发明内容

针对上述问题，本发明提供了一种电容储能型隔离式DC-DC变换器及其控制方法，无需使用隔离变压器即可实现输入侧和输出侧的电气隔离及升降压变换，具有设计及控制简单的优点。

本发明的技术方案是：

本发明的一方面提供了一种电容储能型隔离式DC-DC变换器，包括一次侧回路、二次侧回路、电容和控制器，其中，所述一次侧回路包括串联连接并形成第一串联支路的第一功率半导体开关件、第二功率半导体开关件和第三功率半导体开关件，串联连接有第一电感的一次侧直流电压源与所述第二功率半导体开关件并联连接；所述二次侧回路包括串联连接并形成第二串联支路的第四功率半导体开关件、第五功率半导体开关件和第六功率半导体开关件，串联连接有第二电感的二次侧直流电压源与所述第五功率半导体开关件并联连接；所述电容分别与所述第一串联支路和第二串联支路并联连接；所述控制器包括第一控制模块、第二控制模块、第三控制模块和第四控制模块，所述第一控制模块用于对第一功率半导体开关件和第三功率半导体开关件进行统一控制；所述第二控制模块用于对第二功率半导体开关件进行控制；所述第三控制模块用于对第四功率半导体开关件和第六功率半导体开关件进行统一控制，所述第四控制模块用于对第五功率半导体开关件进行控制。

上述技术方案的工作原理如下：

工作时，根据本发明的技术方案调整好线路，将待变换的一次侧直流电压源与第一电感串联，且一次侧直流电压源和第一电感串联的整体与第二功率半导体开关件并联接入电路，变换后的二次侧直流电压源与第二电感串联，且二次侧直流电压源和第二电感串联的整体与第五功率半导体并联接入电路。第一控制模块控制第一功率半导体开关件和第三功率半导体开关件导通，第四控制模块控制第五功率半导体开关件导通，第二控制模块控制第二功率半导体开关件关断，第三控制模块控制第四功率半导体开关件和第六功率半导体开关件关断，一次侧直流电压源对电容进行充电，二次侧直流电压源进行续流。工作状态2：第一控制模块控制第一功率半导体开关件和第三功率半导体开关件关断，第三控制模块控制第四功率半导体开关件和第六功率半导体开关件关断，第二控制模块控制第二功率半导体开关件导通，第四控制模块控制第五功率半导体开关件导通，一次侧直流电压源进行续流，二次侧直流电压源也进行续流。工作状态3：第三控制模块控制第四功率半导体开关件和第六功率半导体开关件导通，第二控制模块控制第二功率半导体开关件导通，第一控制模块控制第一功率半导体开关件和第三功率半导体开关件关断，第四控制模块控制第五功率半导体开关件关断，一次侧直流电压源进行续流，电容对二次侧直流电压源进行放电。本发明的电容储能型隔离式DC-DC变换器通过电容将输入侧能量进行存储，然后经过功率半导体开关件释放能量到负载侧，能量的存储和释放具有分时性，通过电容缓冲，输入功率和输出功率进行分时能量交换，利用功率半导体器件关断后的隔离特征，实现和输入级和输出级的电气隔离，并可实现输出电压或电流的幅值调节。

在进一步的技术方案中，所述一次侧直流电压源的正负极一侧连接有第一电感，另一侧连接有第三电感，所述二次侧直流电压源的正负极一侧连接有第二电感，另一侧连接有第四电感。

当一次侧接入第一电感和第三电感，二次侧接入第二电感和第四电感后，系统的共模噪声抑制能力增强。

在进一步的技术方案中，所述第一功率半导体开关件、第二功率半导体开关件、第三功率半导体开关件、第四功率半导体开关件、第五功率半导体开关件和第六功率半导体开关件均为第一类型开关，所述第一类型开关包括全控型功率半导体器件、半控型功率半导体器件或组合，其中，所述组合包括全控型功率半导体器件的串联、并联、反并联或反串联组合，以及半控型功率半导体器件的串联、并联、反并联或反串联组合。

在进一步的技术方案中，所述第一功率半导体开关件、第二功率半导体开关件、第三功率半导体开关件、第四功率半导体开关件、第五功率半导体开关件和第六功率半导体开关件均为所述第一类型开关和第二类型开关的串联、并联、反并联或反串联组合，其中，所述第二类型开关包括功率二极管、功率二极管的串联组合或功率二极管的并联组合。

在进一步的技术方案中，所述第一功率半导体开关件、第二功率半导体开关件、第三功率半导体开关件、第四功率半导体开关件、第五功率半导体开关件和第六功率半导体开关件均为第二类型开关，所述第二类型开关包括功率二极管、功率二极管的串联组合或功率二极管的并联组合。

本发明的另一方面提供了一种一种采用如上所述的电容储能型隔离式DC-DC变换器的控制方法，包括以下步骤：

工作状态1：第一控制模块控制第一功率半导体开关件和第三功率半导体开关件导通，第四控制模块控制第五功率半导体开关件导通，第二控制模块控制第二功率半导体开关件关断，第三控制模块控制第四功率半导体开关件和第六功率半导体开关件关断，一次侧直流电压源对电容进行充电，二次侧直流电压源进行续流；

工作状态2：第一控制模块控制第一功率半导体开关件和第三功率半导体开关件关断，第三控制模块控制第四功率半导体开关件和第六功率半导体开关件关断，第二控制模块控制第二功率半导体开关件导通，第四控制模块控制第五功率半导体开关件导通，一次侧直流电压源进行续流，二次侧直流电压源也进行续流；

工作状态3：第三控制模块控制第四功率半导体开关件和第六功率半导体开关件导通，第二控制模块控制第二功率半导体开关件导通，第一控制模块控制第一功率半导体开关件和第三功率半导体开关件关断，第四控制模块控制第五功率半导体开关件关断，一次侧直流电压源进行续流，电容对二次侧直流电压源进行放电。

本发明的有益效果是：

1、本发明的电容储能型隔离式DC-DC变换器通过电容将输入侧能量进行存储，然后经过功率半导体开关件释放能量到负载侧，能量的存储和释放具有分时性，通过电容缓冲，输入功率和输出功率进行分时能量交换，利用功率半导体器件关断后的隔离特征，实现和输入级和输出级的电气隔离，并可实现输出电压或电流的幅值调节；

2、当一次侧接入第一电感和第三电感，二次侧接入第二电感和第四电感后，系统的共模噪声抑制能力增强。

附图说明

图1是本发明实施例1所述电容储能型隔离式DC-DC变换器的电路原理示意图；

图2是本发明实施例1所述电容储能型隔离式DC-DC变换器的开关时序与工作状态示例示意图；

图3是本发明实施例2所述不同类型功率半导体开关件构成的电路原理图；

图4a是本发明实施例3中IGBT的串联示意图；

图4b是本发明实施例3中逆导型IGBT的串联示意图；

图4c是本发明实施例3中IGBT与二极管串联后形成的整体的串联示意图；

图4d是本发明实施例3中二极管的串联示意图；

图4e是本发明实施例3中逆导型IGBT的反串联示意图；

图5a是本发明实施例4中IGBT并联组合示意图；

图5b是本发明实施例4中二极管并联组合示意图；

图5c是本发明实施例4中逆导型IGBT并联组合示意图；

图5d是本发明实施例4中IGBT与二极管串联后并联组合示意图；

图5e是本发明实施例4中反并联IGBT组合示意图；

图5f是本发明实施例4中IGBT与二极管串联后反并联组合示意图；

图6是本发明实施例5采用全控型功率半导体开关件的所述电容储能型隔离式DC-DC变换器的电路原理示意图；

图7是本发明实施例6采用功率二极管结合全控型功率半导体开关件的所述电容储能型隔离式DC-DC变换器的电路原理示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的实施例作进一步说明。

实施例1：

如图1、图2所示，本发明的一方面提供了一种电容C储能型隔离式DC-DC变换器，包括一次侧回路、二次侧回路、电容C和控制器，其中，所述一次侧回路包括串联连接并形成第一串联支路的第一功率半导体开关件T_1U、第一功率半导体开关件T_1M和第一功率半导体开关件T_1L，串联连接有第一电感L₁的一次侧直流电压源与所述第一功率半导体开关件T_1M并联连接；所述二次侧回路包括串联连接并形成第二串联支路的第四功率半导体开关件T_2U、第五功率半导体开关件T_2M和第六功率半导体开关件T_2L，串联连接有第二电感L₂的二次侧直流电压源与所述第五功率半导体开关件T_2M并联连接；所述电容C分别与所述第一串联支路和第二串联支路并联连接；所述控制器包括第一控制模块、第二控制模块、第三控制模块和第四控制模块，所述第一控制模块用于对第一功率半导体开关件T_1U和第一功率半导体开关件T_1L进行统一控制；所述第二控制模块用于对第一功率半导体开关件T_1M进行控制；所述第三控制模块用于对第四功率半导体开关件T_2U和第六功率半导体开关件T_2L进行统一控制，所述第四控制模块用于对第五功率半导体开关件T_2M进行控制。例如，如图2所示，第一控制模块通过第一控制信号G₁对所述第一功率半导体开关件T_1U和第一功率半导体开关件T_1L进行统一控制，相应的导通时间为t₁,第二控制模块通过第二控制信号G_1M对所述第一功率半导体开关件T_1M进行控制,相应的导通时间为t₂,第三控制模块通过第三控制信号G₂对所述第四功率半导体开关件T_2U和第六功率半导体开关件T_2L进行统一控制，相应的导通时间为t₃,第四控制模块通过第四控制信号G_2M对所述第五功率半导体开关件T_2M进行控制,相应的导通时间为t₄这里，第一串联支路的各开关件不能同时导通，第二串联支路的各开关件也不能同时导通。这里，第一功率半导体开关件T_1U、第一功率半导体开关件T_1L、第四功率半导体开关件T_2U和第六功率半导体开关件T_2L不能同时导通。

上述技术方案的工作原理如下：

工作时，根据本发明的技术方案调整好线路，将待变换的一次侧直流电压源V₁与第一电感L₁串联，且一次侧直流电压源V₁和第一电感L₁串联的整体与第一功率半导体开关件T_1M并联接入电路，变换后的二次侧直流电压源V₂与第二电感L₂串联，且二次侧直流电压源V₂和第二电感L₂串联的整体与第五功率半导体开关件T_2M并联接入电路。第一控制模块控制第一功率半导体开关件T_1U和第一功率半导体开关件T_1L导通，第四控制模块控制第五功率半导体开关件T_2M导通，第二控制模块控制第一功率半导体开关件T_1M关断，第三控制模块控制第四功率半导体开关件T_2U和第六功率半导体开关件T_2L关断，一次侧直流电压源对电容C进行充电，二次侧直流电压源进行续流。工作状态2：第一控制模块控制第一功率半导体开关件T_1U和第一功率半导体开关件T_1L关断，第三控制模块控制第四功率半导体开关件T_2U和第六功率半导体开关件T_2L关断，第二控制模块控制第一功率半导体开关件T_1M导通，第四控制模块控制第五功率半导体开关件T_2M导通，一次侧直流电压源进行续流，二次侧直流电压源也进行续流。工作状态3：第三控制模块控制第四功率半导体开关件T_2U和第六功率半导体开关件T_2L导通，第二控制模块控制第一功率半导体开关件T_1M导通，第一控制模块控制第一功率半导体开关件T_1U和第一功率半导体开关件T_1L关断，第四控制模块控制第五功率半导体开关件T_2M关断，一次侧直流电压源进行续流，电容C对二次侧直流电压源进行放电。本发明的电容C储能型隔离式DC-DC变换器通过电容C将输入侧能量进行存储，然后经过功率半导体开关件释放能量到负载侧，能量的存储和释放具有分时性，通过电容C缓冲，输入功率和输出功率进行分时能量交换，利用功率半导体器件关断后的隔离特征，实现和输入级和输出级的电气隔离，并可实现输出电压或电流的幅值调节。

在另外的实施例中，所述一次侧直流电压源V₁的正负极一侧连接有第一电感L₁，另一侧连接有第三电感L₃，所述二次侧直流电压源V₂的正负极一侧连接有第二电感L₂，另一侧连接有第四电感L₄。当一次侧接入L₁，L₃后，二次侧接入L₂，L₄后，系统的共模噪声抑制能力增强。

在另外的实施例中，所述第一功率半导体开关件、第二功率半导体开关件、第三功率半导体开关件、第四功率半导体开关件、第五功率半导体开关件和第六功率半导体开关件均为第一类型开关，所述第一类型开关包括全控型功率半导体器件、半控型功率半导体器件或组合，其中，所述组合包括全控型功率半导体器件的串联、并联、反并联或反串联组合，以及半控型功率半导体器件的串联、并联、反并联或反串联组合。例如，可控功率半导体器件符号可表示绝缘栅双极晶体管（IGBT）,功率场效应管（Power mosfet）,碳化硅（SiC）功率半导体器件，氮化镓（GAN）功率半导体器件，亦可指代晶闸管（SCR），门级可关断晶闸管等。

在另外的实施例中，所述第一功率半导体开关件、第二功率半导体开关件、第三功率半导体开关件、第四功率半导体开关件、第五功率半导体开关件和第六功率半导体开关件均为所述第一类型开关和第二类型开关的串联、并联、反并联或反串联组合，其中，所述第二类型开关包括功率二极管、功率二极管的串联组合或功率二极管的并联组合。

在另外的实施例中，所述第一功率半导体开关件、第二功率半导体开关件、第三功率半导体开关件、第四功率半导体开关件、第五功率半导体开关件和第六功率半导体开关件均为第二类型开关，所述第二类型开关包括功率二极管、功率二极管的串联组合或功率二极管的并联组合。

实施例2：

本实施例与实施例1的其他特征相同，区别仅在于，功率半导体开关件的样式可以为IGBT,逆导型IGBT，IGBT与二极管串联，二极管。例如，如图3所示，功率半导体开关件就涵盖了IGBT、逆导型IGBT和二极管。

实施例3：

本实施例与实施例1的其他特征相同，区别仅在于，功率半导体开关件的串联组合包括IGBT的串联（如图4a），逆导型IGBT的串联（如图4b），IGBT与二极管串联后形成的整体的串联（如图4c），二极管的串联（如图4d），逆导型IGBT反串联（如图4e）。

实施例4：

本实施例与实施例1的其他特征相同，区别仅在于，功率半导体开关件的样式包括IGBT并联组合（如图5a），二极管并联组合（如图5b），逆导型IGBT并联组合（如图5c），IGBT与二极管串联后并联组合（如图5d），反并联IGBT组合（如图5e），IGBT与二极管串联后反并联组合（如图5f）。

实施例5：

如图6所示，本实施例与实施例1的其他特征相同，区别仅在于，所述第一功率半导体开关件T_1U、第二功率半导体开关件T_1M、第三功率半导体开关件T_1L、第四功率半导体开关件T_2U、第五功率半导体开关件T_2M和第六功率半导体开关件T_2L均为逆导型IGBT。

实施例6：

如图7所示，本实施例与实施例1的其他特征相同，区别仅在于，所述第一功率半导体开关件T_1U、第三功率半导体开关件T_1L和第五功率半导体开关件T_2M为功率二极管，所述第二功率半导体开关件T_1M为逆导型IGBT,第四功率半导体开关件T_2U和第六功率半导体开关件T_2L为IGBT。

如图1-2所示，本发明的另一方面提供了一种一种采用如上所述的电容储能型隔离式DC-DC变换器的控制方法，包括以下步骤：

工作状态1：第一控制模块控制第一功率半导体开关件T_1U和第三功率半导体开关件T_1L导通，第四控制模块控制第五功率半导体开关件T_2M导通，第二控制模块控制第二功率半导体开关件T_1M关断，第三控制模块控制第四功率半导体开关件T_2U和第六功率半导体开关件T_2L关断，一次侧直流电压源对电容C进行充电，二次侧直流电压源进行续流；

工作状态2：第一控制模块控制第一功率半导体开关件T_1U和第三功率半导体开关件T_1L关断，第三控制模块控制第四功率半导体开关件T_2U和第六功率半导体开关件T_2L关断，第二控制模块控制第二功率半导体开关件T_1M导通，第四控制模块控制第五功率半导体开关件T_2M导通，一次侧直流电压源进行续流，二次侧直流电压源也进行续流；

工作状态3：第三控制模块控制第四功率半导体开关件T_2U和第六功率半导体开关件T_2L导通，第二控制模块控制第二功率半导体开关件T_1M导通，第一控制模块控制第一功率半导体开关件T_1U和第三功率半导体开关件T_1L关断，第四控制模块控制第五功率半导体开关件T_2M关断，一次侧直流电压源进行续流，电容对二次侧直流电压源进行放电。

以上所述实施例仅表达了本发明的具体实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。

Claims (6)

1.一种电容储能型隔离式DC-DC变换器，其特征在于，包括一次侧回路、二次侧回路、电容和控制器，其中，

所述一次侧回路包括串联连接并形成第一串联支路的第一功率半导体开关件、第二功率半导体开关件和第三功率半导体开关件，串联连接有第一电感的一次侧直流电压源与所述第二功率半导体开关件并联连接；

所述二次侧回路包括串联连接并形成第二串联支路的第四功率半导体开关件、第五功率半导体开关件和第六功率半导体开关件，串联连接有第二电感的二次侧直流电压源与所述第五功率半导体开关件并联连接；

所述电容分别与所述第一串联支路和第二串联支路并联连接；

所述控制器包括第一控制模块、第二控制模块、第三控制模块和第四控制模块，所述第一控制模块用于对第一功率半导体开关件和第三功率半导体开关件进行统一控制；所述第二控制模块用于对第二功率半导体开关件进行控制；所述第三控制模块用于对第四功率半导体开关件和第六功率半导体开关件进行统一控制，所述第四控制模块用于对第五功率半导体开关件进行控制。

2.根据权利要求1所述的电容储能型隔离式DC-DC变换器，其特征在于，所述一次侧直流电压源的正负极一侧连接有第一电感，另一侧连接有第三电感，所述二次侧直流电压源的正负极一侧连接有第二电感，另一侧连接有第四电感。

3.根据权利要求1所述的电容储能型隔离式DC-DC变换器，其特征在于，所述第一功率半导体开关件、第二功率半导体开关件、第三功率半导体开关件、第四功率半导体开关件、第五功率半导体开关件和第六功率半导体开关件均为第一类型开关，所述第一类型开关包括全控型功率半导体器件、半控型功率半导体器件或组合，其中，所述组合包括全控型功率半导体器件的串联、并联、反并联或反串联组合，以及半控型功率半导体器件的串联、并联、反并联或反串联组合。

4.根据权利要求3所述的电容储能型隔离式DC-DC变换器，其特征在于，所述第一功率半导体开关件、第二功率半导体开关件、第三功率半导体开关件、第四功率半导体开关件、第五功率半导体开关件和第六功率半导体开关件均为所述第一类型开关和第二类型开关的串联、并联、反并联或反串联组合，其中，所述第二类型开关包括功率二极管、功率二极管的串联组合或功率二极管的并联组合。

5.根据权利要求1所述的电容储能型隔离式DC-DC变换器，其特征在于，所述第一功率半导体开关件、第二功率半导体开关件、第三功率半导体开关件、第四功率半导体开关件、第五功率半导体开关件和第六功率半导体开关件均为第二类型开关，所述第二类型开关包括功率二极管、功率二极管的串联组合或功率二极管的并联组合。

6.一种采用权利要求1-5任意一项所述的电容储能型隔离式DC-DC变换器的控制方法，其特征在于，包括以下步骤：

工作状态1：第一控制模块控制第一功率半导体开关件和第三功率半导体开关件导通，第四控制模块控制第五功率半导体开关件导通，第二控制模块控制第二功率半导体开关件关断，第三控制模块控制第四功率半导体开关件和第六功率半导体开关件关断，一次侧直流电压源对电容进行充电，二次侧直流电压源进行续流；

工作状态2：第一控制模块控制第一功率半导体开关件和第三功率半导体开关件关断，第三控制模块控制第四功率半导体开关件和第六功率半导体开关件关断，第二控制模块控制第二功率半导体开关件导通，第四控制模块控制第五功率半导体开关件导通，一次侧直流电压源进行续流，二次侧直流电压源也进行续流；

工作状态3：第三控制模块控制第四功率半导体开关件和第六功率半导体开关件导通，第二控制模块控制第二功率半导体开关件导通，第一控制模块控制第一功率半导体开关件和第三功率半导体开关件关断，第四控制模块控制第五功率半导体开关件关断，一次侧直流电压源进行续流，电容对二次侧直流电压源进行放电。

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