CN114421770B - 一种半桥双向dc/dc变换器的软开关电路及其装置 - Google Patents

一种半桥双向dc/dc变换器的软开关电路及其装置

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Abstract

本发明提供了一种半桥双向DC/DC变换器的软开关电路及其装置，包括第一电压源、第一桥臂、第二桥臂、滤波电路、第二电压源、三绕组变压器；第一桥臂并在第一电压源的两侧，第二桥臂并在第一桥臂两侧，第一桥臂的中心部通过三绕组变压器的第一绕组回路与第二桥臂的中心部电气连接，三绕组变压器的第三绕组回路并在第一电压源的两侧，第二桥臂通过滤波电路与第二电压源电气连接，三绕组变压器的第二绕组回路并在第二电压源的两侧；第一桥臂和第二桥臂的控制端用于与控制器的输出端电气连接。旨在解决现有软开关技术方案中，电流纹波大、或无功环流大，导致导通损耗大，影响效率的问题。

Description

一种半桥双向DC/DC变换器的软开关电路及其装置
技术领域
本发明涉及软开关技术领域，具体涉及一种半桥双向DC/DC变换器的软开关电路及其装置。
背景技术
开关电源的高频化可以减小设备的体积和重量，但使得开关损耗更大了。当前多采用软开关技术降低开关损耗，而现有半桥型双向DC/DC的软开关技术多采用反向电流控制、无源零电压(ZVS)以及有源零电压(ZVS) 方案。这些方案虽结构简单，但存在电流纹波大、或无功环流大，导致导通损耗大，影响效率的问题。
反向电流控制方案，如图1所示，无需增加任何辅助元件，仅通过改变控制策略，使电感电流双向流动，利用负电感电流对开关管的缓冲电容进行充放电，从而实现开关管的ZVS开通；但电感的电流纹波非常大，器件电流应力大，导通损耗大。
无源零电压(ZVS)方案，如图2所示，辅助软开关网络由Co1、Co2、 lr构成，谐振网络产生电流ilr，注入桥臂中点，为k1、k2的零电压开通创造条件。当注入电流ilr必须足够大，才能保证软开关的实现；由此使得开关的电流应力变大；同时，谐振能量在负载与谐振网络之间来回交换，产生无功环流。增大了导通损耗，不利于效率的提升。
有源零电压(ZVS)方案，如图3所示，辅助软开关网络由ss3、D、 l1构成，ss1开通前，先让ss3开通，产生谐振网络产生电流il1，注入桥臂中点，为ss1、ss2的零电压开通创造条件。但谐振能量在输入电源与辅助网络之间交换，形成无功环流。
有鉴于此，提出本申请。
发明内容
本发明的目的在于提供一种半桥双向DC/DC变换器的软开关电路及其装置，能够有效解决现有软开关技术方案中，存在电流纹波大、或无功环流大，导致导通损耗大，影响效率的问题。
本发明公开了一种半桥双向DC/DC变换器的软开关电路,包括第一电压源、第一桥臂、第二桥臂、滤波电路、第二电压源、三绕组变压器；
其中，所述第一桥臂并在所述第一电压源的两侧，所述第二桥臂并在所述第一桥臂两侧，所述第一桥臂的中心部通过所述第一绕组回路与所述第二桥臂的中心部电气连接，所述第三绕组回路并在所述第一电压源的两侧，所述第二桥臂通过所述滤波电路与所述第二电压源电气连接，所述第二绕组回路并在所述第二电压源的两侧；
其中，所述第一桥臂和所述第二桥臂的控制端用于与控制器的输出端电气连接。
优选地，所述第一桥臂包括第一辅助桥臂开关以及第二辅助桥臂开关，所述第一辅助桥臂开关的集电极与所述第一电压源的正极电气连接，所述第一辅助桥臂开关的发射极与所述第一绕组回路的第一端电气连接，所述第二辅助桥臂开关的集电极与所述第一绕组回路的第一端电气连接，所述第二辅助桥臂开关的发射极与所述第一电压源的负极电气连接。
优选地，所述第二桥臂包括第一主桥臂开关以及第二主桥臂开关，所述第一主桥臂开关的集电极与所述第一电压源的正极电气连接，所述第一主桥臂开关的发射极与所述第一绕组回路的第二端电气连接，所述第二主桥臂开关的集电极与所述第一绕组回路的第二端电气连接，所述第二主桥臂开关的的发射极与所述第一电压源的负极电气连接。
优选地，所述滤波电路包括谐振电容以及滤波电感，所述谐振电容的一端与所述第二电压源的负极电气连接，所述谐振电容的另一端与所述滤波电感的一端电气连接，所述滤波电感的另一端与所述第二电压源的正极电气连接。
优选地，所述第一绕组回路包括谐振电感以及第一绕组，所述谐振电感的一端与所述第一辅助桥臂开关的发射极电气连接，所述谐振电感的另一端与所述第一绕组的同名端电气连接，所述第一绕组的异名端与所述第一主桥臂开关的发射极电气连接。
优选地，所述第二绕组回路包括第二绕组以及第一二极管，所述第二绕组的异名端与所述第二电压源的负极电气连接，第二绕组的同名端与所述第一二极管的正极电气连接，所述第一二极管的负极与所述第二电压源的正极电气连接。
优选地，所述第三绕组回路包括第三绕组以及第二二极管，所述第三绕组的同名端与所述第一电压源的负极电气连接，所述第三绕组的异名端与所述第二二极管的正极电气连接，所述第二二极管的负极与所述第一电压源的正极电气连接。
优选地，所述第一辅助桥臂开关、所述第二辅助桥臂开关、第一主桥臂开关以及第二主桥臂开关为NMOS管。
本发明还提供了一种半桥双向DC/DC变换器的软开关装置，包括控制器以及如上任意一项所述的半桥双向DC/DC变换器的软开关电路，所述控制器的输出端与所述第一桥臂和所述第二桥臂的控制端电气连接。
综上所述，本实施例提供的一种半桥双向DC/DC变换器的软开关电路及其装置，第一电压源以及第二电压源互为输出，当功率由第一电压源流向第二电压源时，第一电压源为输入，第二电压源为输出，电路进入buck 模式，第二桥臂的工作占空比为系统的占空比，第一桥臂在第二桥臂开通之前先开通一段时间，谐振能量主要通过三绕组变压器的第二绕组回路释放到负载侧第二电压源，谐振能量经一次功率传递直接到负载；当功率由第二电压源流向第一电压源时，第二电压源为输入，第一电压源为输出，电路进入boost模式，其工作原理与上述buck模式相同，从而解决现有软开关技术方案中，存在电流纹波大、或无功环流大，导致导通损耗大，影响效率的问题。
附图说明
图1是现有技术中反向电流控制方案的电路与波形示意图。
图2是现有技术中无源零电压(ZVS)方案的电路示意图。
图3是现有技术中有源零电压(ZVS)方案的电路示意图。
图4是本发明实施例提供的半桥双向DC/DC变换器的软开关电路及其装置的电路示意图。
图5是本发明实施例提供的半桥双向DC/DC变换器的软开关电路及其装置buck模式的等效电路示意图。
图6是本发明实施例提供的半桥双向DC/DC变换器的软开关电路及其装置buck模式的原理波形示意图。
图7是本发明实施例提供的半桥双向DC/DC变换器的软开关电路及其装置buck模式各阶段的等效电路示意图。
图8是本发明实施例提供的半桥双向DC/DC变换器的软开关电路及其装置boost模式的等效电路示意图。
具体实施方式
为使本发明实施方式的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施方式中的附图，对本发明实施方式中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施方式是本发明一部分实施方式，而不是全部的实施方式。基于本发明中的实施方式，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施方式，都属于本发明保护的范围。因此，以下对在附图中提供的本发明的实施方式的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施方式。基于本发明中的实施方式，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施方式，都属于本发明保护的范围。
以下结合附图对本发明的具体实施例做详细说明。
请参阅图4，本发明的第一实施例提供了一种半桥双向DC/DC变换器的软开关电路,包括第一电压源U1、第一桥臂1、第二桥臂2、滤波电路3、第二电压源U2、三绕组变压器T；
其中，所述第一桥臂1并在所述第一电压源U1的两侧，所述第二桥臂 2并在所述第一桥臂1两侧，所述第一桥臂1的中心部通过所述三绕组变压器T的第一绕组回路与所述第二桥臂2的中心部电气连接，所述三绕组变压器T的第三绕组回路并在所述第一电压源U1的两侧，所述第二桥臂2 通过所述滤波电路3与所述第二电压源U2电气连接，所述三绕组变压器T 的第二绕组回路并在所述第二电压源U2的两侧；
其中，所述第一桥臂1和所述第二桥臂2的控制端用于与控制器的输出端电气连接。
具体地，在本实施例中，所述第一电压源U1与所述第二电压源U2互为输出，且所述第一电压源U1的电压值大于所述第二电压源U2的电压值, 当功率由所述第一电压源U1流向所述第二电压源U2时，所述第一电压源 U1为输入，所述第二电压源U2为输出，所述半桥双向DC/DC变换器的软开关电路进入buck模式，当功率由所述第二电压源流U2流向所述第一电压源U1时，所述U2第二电压源为输入，所述U1第一电压源为输出，所述半桥双向DC/DC变换器的软开关电路进入boost模式。
请参阅图5，在本实施例中，以低压侧是电池为例，buck模式表示充电，boost模式表示放电；所述第一桥臂1包括第一辅助桥臂开关Sa1以及第二辅助桥臂开关Sa2，所述第一辅助桥臂开关Sa1的集电极与所述第一电压源U1的正极电气连接，所述第一辅助桥臂开关Sa1的发射极与所述三绕组变压器T的第一绕组回路的第一端电气连接，所述第二辅助桥臂开关Sa2 的集电极与所述三绕组变压器T的第一绕组回路的第一端电气连接，所述第二辅助桥臂开关Sa2的发射极与所述第一电压源U1的负极电气连接；所述第二桥臂2包括第一主桥臂开关S1以及第二主桥臂开关S2，所述第一主桥臂开关S1的集电极与所述第一电压源U1的正极电气连接，所述第一主桥臂开关S1的发射极与所述三绕组变压器T的第一绕组回路的第二端电气连接，所述第二主桥臂开关S2的集电极与所述三绕组变压器T的第一绕组回路的第二端电气连接，所述第二主桥臂开关S2的的发射极与所述第一电压源的负极电气连接。所述第一辅助桥臂开关Sa1、所述第二辅助桥臂开关 Sa2、第一主桥臂开关S1以及第二主桥臂开关S2可以为NMOS管。
需要说明的是，在其他实施例中，还可以采用其他类型的桥臂开关，这里不做具体限定，但这些方案均在本发明的保护范围内。
在buck模式下，所述第一主桥臂开关S1为主控开关，所述第一主桥臂开关S1的工作占空比定义为系统的占空比，所述第二主桥臂开关S2的寄生二极管作为续流二极管Ds2，所述第一辅助桥臂开关Sa1为控制开关，所述第二辅助桥臂开关Sa2的寄生二极管作为续流二极管Dsa2，为了实现所述第一主桥臂开关S1与所述第二主桥臂开关S2的软开关工作，所述第一辅助桥臂开关Sa1在所述第一主桥臂开关S1开通之前先开通一段时间，在buck模式下，所述三绕组变压器T的第三绕组回路几乎没电流，谐振能量主要通过所述三绕组变压器T的第二绕组回路释放到负载侧第二电压源 U2，谐振能量经一次功率传递直接到负载。
具体地，在本实施例中，所述滤波电路3包括谐振电容Cr以及滤波电感Lf，所述谐振电容Cr的一端与所述第二电压源U2的负极电气连接，所述谐振电容Cr的另一端与所述滤波电感Lf的一端电气连接，所述滤波电感Lf的另一端与所述第二电压源U2的正极电气连接。所述三绕组变压器T的第一绕组回路包括谐振电感Lr以及第一绕组N1，所述谐振电感Lr的一端与所述第一辅助桥臂开关Sa1的发射极电气连接，所述谐振电感Lr的另一端与所述第一绕组N1的同名端电气连接，所述第一绕组N1的异名端与所述第一主桥臂开关S1的发射极电气连接。所述三绕组变压器T的第二绕组回路包括第二绕组N2以及第一二极管Da1，所述第二绕组N2的异名端与所述第二电压源U2的负极电气连接，第二绕组N2的同名端与所述第一二极管Da1的正极电气连接，所述第一二极管Da1的负极与所述第二电压源U2的正极电气连接。所述三绕组变压器T的第三绕组回路包括第三绕组N3以及第二二极管Da2，所述第三绕组N3的同名端与所述第一电压源 U1的负极电气连接，所述第三绕组N3的异名端与所述第二二极管Da2的正极电气连接，所述第二二极管Da2的负极与所述第一电压源U1的正极电气连接。
请参阅图6至图7，在本实施例中，为便于软开关工作原理分析，假设所述滤波电感足够大，忽略其纹波分量，所述滤波电感的电流可近似为恒定值；t0时刻前，等效电路如图7(a)所示，所述滤波电感的电流通过所述第二主桥臂开关的续流二极管续流，此时电路的工作状态同硬开关buck。
阶段1[t0，t1]，等效电路如图7(b)所示，在t0时刻，所述第一辅助桥臂开关Sa1提前所述第一主桥臂开关S1开通，所述谐振电感Lr的电流从0开始线性上升，但由于所述谐振电感Lr的电流小于所述滤波电感Lf 的电流，因此所述第二主桥臂开关S2的续流二极管续Ds2流仍然导通；所述谐振电感Lr在储能的同时，通过所述三绕组变压器T，所述第二辅助桥臂开关Sa2形成正激工作方式，输入电源直接向负载即所述第二电压源U2 供电。
阶段2[t1,t2]，等效电路如图7(c)所示，在t1时刻，所述谐振电感 Lr的电流等于所述滤波电感Lf的电流，所述第二主桥臂开关S2的续流二极管Ds2的电流为零，所述第二主桥臂开关S2的续流二极管Ds2软关断，所述谐振电感Lr和所述谐振电容Cr开始谐振过程，此时，谐振频率大于开关频率，所述谐振电容Cr的电压逐渐上升，对应的所述第一主桥臂开关S1的电压逐渐下降。
阶段3[t2,t3]，等效电路如图7(d)所示，在t2时刻，所述第一主桥臂开关S1的电压下降为零，所述第一主桥臂开关S1的寄生二极管导通，为所述第一主桥臂开关S1实现零电压开通创造条件；所述谐振电感Lr的电流开始线性下降，直到所述谐振电感Lr的电流等于所述滤波电感Lf的电流，此时，只要在此阶段给所述第一主桥臂开关S1一个开通信号，所述第一主桥臂开关S1即可实现零电压开通。
阶段4[t3,t4]，等效电路如图7(e)所示，在t3时刻后，所述谐振电感Lr的电流小于所述滤波电感Lf的电流，此时，所述第一主桥臂开关S1 流过电流，所述谐振电感Lr的电流继续下降，直到所述谐振电感Lr的电流降低为零，此后断开所述第一辅助桥臂开关Sa1，就可以实现所述第一辅助桥臂开关Sa1和所述第一二极管Da2的零电流关断；若考虑所述第一二极管Da2实际的反向恢复特性，则会出现短暂的振荡过程。
阶段5[t4,t5]，等效电路如图7(f)所示，在t4时刻后，所述谐振电感Lr的电流为零，电流进入正常的所述第一主桥臂开关S1导通过程，此时，所述第一主桥臂开关S1的电流等于所述滤波电感Lf的电流。
阶段6[t5,t6]，等效电路如图7(g)所示，在t5时刻，所述第一主桥臂开关S1关断，由于所述谐振电容Cr的谐振作用，所述第一主桥臂开关S1的电压线性上升，对应的所述第二主桥臂开关S2的续流二极管Ds2的电压线性下降。所述第一主桥臂开关S1实现零电压关断；直到t6时刻，所述谐振电容Cr的电压下降到零，所述第二主桥臂开关S2的续流二极管Ds2 导通，为所述滤波电感Lf提供续流通路，回到t0之前的续流状态，并等待下一个开关周期的到来。
请参阅图8，在本实施例中，在boost模式下，所述第二主桥臂开关S2 为主控开关，所述第二主桥臂开关S2的工作占空比定义为系统的占空比，所述第一主桥臂开关S1的寄生二极管作为续流二极管，所述第二辅助桥臂开关Sa2为控制开关，所述第一辅助桥臂开关Sa1的寄生二极管Dsa2作为续流二极管，为了实现所述第一主桥臂开关S1与所述第二主桥臂开关S2 的软开关工作，所述第二辅助桥臂开关Sa2在所述第二主桥臂开关S2开通之前先开通一段时间，在boost模式下，所述三绕组变压器T的第二绕组回路几乎没电流，谐振能量主要通过所述三绕组变压器T的第三绕组回路释放到负载侧第一电压源U1，谐振能量经一次功率传递直接到负载；其中， boost模式的软开关原理与前述buck模式的软开关原理相同。
通过上述buck模式和boost模式等效电路各阶段工作状态的分析可知，所述半桥双向DC/DC变换器的软开关电路可以直接将谐振能量通过所述三绕组变压器T传送至负载，而不是在辅助网络与电源侧之间交换，形成无功环流，同时实现原功率电路和辅助谐振网络中所有开关器件的软开关工作；其中，所述半桥双向DC/DC变换器的软开关电路中的各开关管与二极管以及所述第二桥臂2的电压、电流应力并没有因谐振电路的加入而增加，且具有更高的电能转换效率。
本发明的第二实施例提供了一种半桥双向DC/DC变换器的软开关装置，包括控制器以及如上任意一项所述的半桥双向DC/DC变换器的软开关电路，所述控制器的输出端与所述第一桥臂1和所述第二桥臂2的控制端电气连接。
以上仅是本发明的优选实施方式，本发明的保护范围并不仅局限于上述实施例，凡属于本发明思路下的技术方案均属于本发明的保护范围。

Claims (9)

1.一种半桥双向DC/DC变换器的软开关电路,其特征在于，包括第一电压源、第一桥臂、第二桥臂、滤波电路、第二电压源、三绕组变压器；
其中，所述第一桥臂并在所述第一电压源的两侧，所述第二桥臂并在所述第一桥臂两侧，所述第一桥臂的中心部通过第一绕组回路与所述第二桥臂的中心部电气连接，第三绕组回路并在所述第一电压源的两侧，所述第二桥臂通过所述滤波电路与所述第二电压源电气连接，第二绕组回路并在所述第二电压源的两侧；
其中，所述第一桥臂和所述第二桥臂的控制端用于与控制器的输出端电气连接。
2.根据权利要求1所述的一种半桥双向DC/DC变换器的软开关电路，其特征在于，所述第一桥臂包括第一辅助桥臂开关以及第二辅助桥臂开关，所述第一辅助桥臂开关的集电极与所述第一电压源的正极电气连接，所述第一辅助桥臂开关的发射极与所述第一绕组回路的第一端电气连接，所述第二辅助桥臂开关的集电极与所述第一绕组回路的第一端电气连接，所述第二辅助桥臂开关的发射极与所述第一电压源的负极电气连接。
3.根据权利要求2所述的一种半桥双向DC/DC变换器的软开关电路，其特征在于，所述第二桥臂包括第一主桥臂开关以及第二主桥臂开关，所述第一主桥臂开关的集电极与所述第一电压源的正极电气连接，所述第一主桥臂开关的发射极与所述第一绕组回路的第二端电气连接，所述第二主桥臂开关的集电极与所述第一绕组回路的第二端电气连接，所述第二主桥臂开关的的发射极与所述第一电压源的负极电气连接。
4.根据权利要求1所述的一种半桥双向DC/DC变换器的软开关电路，其特征在于，所述滤波电路包括谐振电容以及滤波电感，所述谐振电容的一端与所述第二电压源的负极电气连接，所述谐振电容的另一端与所述滤波电感的一端电气连接，所述滤波电感的另一端与所述第二电压源的正极电气连接。
5.根据权利要求3所述的一种半桥双向DC/DC变换器的软开关电路，其特征在于，所述第一绕组回路包括谐振电感以及第一绕组，所述谐振电感的一端与所述第一辅助桥臂开关的发射极电气连接，所述谐振电感的另一端与所述第一绕组的同名端电气连接，所述第一绕组的异名端与所述第一主桥臂开关的发射极电气连接。
6.根据权利要求1所述的一种半桥双向DC/DC变换器的软开关电路，其特征在于，所述第二绕组回路包括第二绕组以及第一二极管，所述第二绕组的异名端与所述第二电压源的负极电气连接，第二绕组的同名端与所述第一二极管的正极电气连接，所述第一二极管的负极与所述第二电压源的正极电气连接。
7.根据权利要求1所述的一种半桥双向DC/DC变换器的软开关电路，其特征在于，所述第三绕组回路包括第三绕组以及第二二极管，所述第三绕组的同名端与所述第一电压源的负极电气连接，所述第三绕组的异名端与所述第二二极管的正极电气连接，所述第二二极管的负极与所述第一电压源的正极电气连接。
8.根据权利要求3所述的一种半桥双向DC/DC变换器的软开关电路，其特征在于，所述第一辅助桥臂开关、所述第二辅助桥臂开关、第一主桥臂开关以及第二主桥臂开关为NMOS管。
9.一种半桥双向DC/DC变换器的软开关装置，其特征在于，包括控制器以及如权利要求1至8任意一项所述的半桥双向DC/DC变换器的软开关电路，所述控制器的输出端与所述第一桥臂和所述第二桥臂的控制端电气连接。
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