CN114465479A - 一种三端口双向dc/dc变换器软开关电路及其装置 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种三端口双向DC/DC变换器软开关电路及其装置，包括第一桥臂、第二桥臂、滤波电路、绕组变压器以及第三端口电路；第一桥臂用于与高压直流母线并连，第二桥臂并在第一桥臂两侧，第一桥臂的中心部通过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，第二桥臂用于通过滤波电路与蓄电池电气连接，第三端口电路通过绕组变压器的第二绕组与绕组变压器的第一绕组回路电气连接；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，第三端口电路配置为通过绕组变压器的第二绕组获取谐振能量，并将谐振能量提供给直流负载。旨在实现非隔离型多端口变换器在双向变换过程中的软开关工作，从而提高系统效率和功率密度。

Description

一种三端口双向DC/DC变换器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，具体涉及一种三端口双向DC/DC变换器软开关电路及其装置。
背景技术
目前多端口变换器的研究主要以双有源桥电路为基础，而现有技术中的多端口变换器多采用隔离型多端口双向转换器方案以及面向直流微电网的三端口双向DC/DC变换器方案；其中，隔离型多端口双向转换器通过双有源桥构造三端口DC/DC变换器虽然可以充分利用全桥电路的软开关原理实现整体的软开关工作，但是其结构复杂，存在变压器和整流损耗，并不适用于非隔离应用的场合；面向直流微电网的三端口双向DC/DC变换器属于非隔离型多端口DC/DC变换器，使用过程中没有考虑系统中开关器件的软开关问题，开关损耗限制了整体的转换效率和功率密度。
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三端口双向DC/DC变换器软开关电路及其装置，旨在实现非隔离型多端口变换器在双向变换过程中的软开关工作，从而提高系统效率和功率密度。
本发明公开了一种三端口双向DC/DC变换器软开关电路，包括第一桥臂、第二桥臂、滤波电路、绕组变压器以及第三端口电路；
其中，所述第一桥臂用于与高压直流母线并连，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绕组变压器的第一绕组回路与所述第二桥臂的中心部电气连接，所述第二桥臂用于通过所述滤波电路与蓄电池电气连接，所述第三端口电路通过所述绕组变压器的第二绕组与所述绕组变压器的第一绕组回路电气连接；
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，所述第三端口电路配置为通过绕组变压器的第二绕组获取谐振能量，并将所述谐振能量提供给直流负载。
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漏极用于与高压直流母线的正极电气连接，所述第一辅助桥臂开关的源极与所述绕组变压器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的漏极与所述绕组变压器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的源极用于与高压直流母线的负极电气连接。
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漏极用于与高压直流母线的正极电气连接，所述第一主桥臂开关的源极与所述绕组变压器的第一绕组回路的第二端电气连接，所述第二主桥臂开关的漏极与所述绕组变压器的第一绕组回路的第二端电气连接，所述第二主桥臂开关的源极用于与高压直流母线的负极电气连接。
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用于与蓄电池的负极电气连接，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用于与蓄电池的正极电气连接。
优选地，所述第三端口电路包括二极管不控整流桥以及滤波电容，所述二极管不控整流桥的负极与所述绕组变压器的第二绕组的同名端电气连接，所述二极管不控整流桥的正极与所述绕组变压器的第二绕组的异名端电气连接，所述滤波电容的正极与所述二极管不控整流桥的负极电气连接，所述滤波电容的负极与所述二极管不控整流桥的正极电气连接，所述滤波电容用于与直流负载并联。
优选地，所述第一绕组回路包括谐振电感以及第一绕组变压器，所述谐振电感的一端与所述第一辅助桥臂开关的源极电气连接，所述谐振电感的另一端与所述第一绕组变压器的同名端电气连接，所述第一绕组变压器的异名端与所述第一主桥臂开关的源极电气连接。
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三端口双向DC/DC变换器软开关装置，包括控制器、高压直流母线、蓄电池、直流负载以及如上任意一项所述的三端口双向DC/DC变换器软开关电路，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，所述高压直流母线与所述第一桥臂并联，所述第二桥臂通过所述滤波电路与蓄电池电气连接，所述直流负载与所述滤波电容并联。
综上所述，本实施例提供的一种三端口双向DC/DC变换器软开关电路及其装置，当蓄电池需要充电时，功率由高压直流母线流向蓄电池，电路进入buck模式，谐振能量经所述绕组变压器和所述第三端口电路后，输出直流电压，为直流负载提供能量，谐振能量经一次功率传递直接到负载；当蓄电池需要放电时，功率由蓄电流向高压直流母线，电路进入boost模式，其工作原理与上述buck模式相同，从而实现非隔离型多端口变换器在双向变换过程中的软开关工作，从而提高系统效率和功率密度。
附图说明
图1是现有技术中隔离型多端口双向转换器的电路示意图。
图2是现有技术中面向直流微电网的三端口双向DC/DC变换器的电路示意图。
图3是本发明实施例提供的三端口双向DC/DC变换器软开关电路及其装置的电路示意图。
图4是本发明实施例提供的三端口双向DC/DC变换器软开关电路及其装置buck模式的等效电路示意图。
图5是本发明实施例提供的三端口双向DC/DC变换器软开关电路及其装置buck模式的原理波形示意图。
图6是本发明实施例提供的三端口双向DC/DC变换器软开关电路及其装置buck模式各阶段的等效电路示意图。
图7是本发明实施例提供的三端口双向DC/DC变换器软开关电路及其装置boost模式的电路示意图。
图8是本发明实施例提供的三端口双向DC/DC变换器软开关电路及其装置的功率流向与解耦控制示意图。
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3，本发明的第一实施例提供了一种三端口双向DC/DC变换器软开关电路，包括第一桥臂、第二桥臂、滤波电路、绕组变压器T以及第三端口电路Ua；
其中，所述第一桥臂用于与高压直流母线Ubus并连，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绕组变压器T的第一绕组回路与所述第二桥臂的中心部电气连接，所述第二桥臂用于通过所述滤波电路与蓄电池Ubat电气连接，所述第三端口电路通过所述绕组变压器T的第二绕组N2与所述绕组变压器T的第一绕组回路电气连接；
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，所述第三端口电路配置为通过绕组变压器T的第二绕组N2获取谐振能量，并将所述谐振能量提供给直流负载。
需要说明的是，发明人发现现有技术中的隔离型多端口双向转换器，如图1所示，通过双有源桥构造三端口DC/DC变换器，可以充分利用全桥电路的软开原理实现整体的软开关工作，结构复杂，存在变压器和整流损耗，不适用于非隔离应用的场合；现有技术中的面向直流微电网的三端口双向DC/DC变换器，如图2所示，半桥开关SS1、SS2同时作为直流母线DC Grid、储能电池Vbat、光伏板Vpv之间的能量交换接口。光伏电池Vpv单向功率输出，直流母线与储能电池之间可以进行功率的双向流动，该方案中，SS1、SS2工作在硬开关状态。
具体的，在本实施例中，所述高压直流母线Ubus与所述蓄电池Ubat分别为两个电压源，互为输出，且所述高压直流母线Ubus的电压值大于所述蓄电池Ubat的电压值，当所述蓄电池Ubat需要充电时，功率由所述高压直流母线Ubus流向所述蓄电池Ubat，所述三端口双向DC/DC变换器软开关电路进入buck模式；当所述蓄电池Ubat需要放电时，功率由所述蓄电池Ubat流向所述高压直流母线Ubus，所述三端口双向DC/DC变换器软开关电路进入boost模式。
请参阅图4，在本实施例中，所述第一桥臂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的漏极用于与高压直流母线Ubus的正极电气连接，所述第一辅助桥臂开关Sa1的源极与所述绕组变压器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的漏极与所述绕组变压器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的源极用于与高压直流母线Ubus的负极电气连接。所述第二桥臂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的漏极用于与高压直流母线Ubus的正极电气连接，所述第一主桥臂开关S1的源极与所述绕组变压器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的漏极与所述绕组变压器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的源极用于与高压直流母线Ubus的负极电气连接。
其中，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，其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保持阻断状态，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，谐振能量经所述绕组变压器和所述二极管不控整流桥BD1、滤波电容Ca后，输出直流电压，为直流负载提供能量，谐振能量经一次功率传递直接到负载。
具体的，在本实施例中，所述滤波电路包括谐振电容Cr以及滤波电感Ca，所述谐振电容Cr的一端用于与蓄电池Ubat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的另一端用于与蓄电池Ubat的正极电气连接。所述第三端口电路包括二极管不控整流桥BD1以及滤波电容Ca，所述二极管不控整流桥BD1的负极与所述绕组变压器T的第二绕组N2的同名端电气连接，所述二极管不控整流桥BD1的正极与所述绕组变压器T的第二绕组N2的异名端电气连接，所述滤波电容Ca的正极与所述二极管不控整流桥BD1的负极电气连接，所述滤波电容Ca的负极与所述二极管不控整流桥BD1的正极电气连接，所述滤波电容Ca用于与直流负载并联。其中，所述第一绕组回路包括谐振电感Lr以及第一绕组变压器N1，所述谐振电感Lr的一端与所述第一辅助桥臂开关Sa1的源极电气连接，所述谐振电感Lr的另一端与所述第一绕组变压器N1的同名端电气连接，所述第一绕组变压器N1的异名端与所述第一主桥臂开关S1的源极电气连接。
请参阅图5至图6，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Lf和所述滤波电容Ca足够大，忽略其纹波分量，所述滤波电感Lf的电流可近似为恒定值，且端口电压恒定；t0时刻前，等效电路如图6(a)所示，所述滤波电感Lf的电流通过所述第二主桥臂开关S2的续流二极管Ds2续流，工作状态同硬开关buck。
阶段1[t0，t1]，等效电路如图6(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Ds2续流仍然导通；所述谐振电感Lr在储能的同时，通过所述绕组变压器T和所述二极管不控整流桥BD1，输入电源直接向负载供电。
阶段2[t1,t2]：等效电路如图6(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6(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6(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流过正向电流，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和所述二极管不控整流桥BD1的零电流关断；若考虑所述二极管不控整流桥BD1二极管实际的反向恢复特性，会出现短暂的振荡过程。
阶段5[t4,t5]：等效电路如图6(f)所示，在t4时刻后，辅助网络电流为零，所诉绕组变压器T的电流也为零，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6(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7，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Ds1，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保持阻断状态，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，谐振能量经所述绕组变压器T和所述二极管不控整流桥BD1、滤波电容Ca后，输出直流电压，为直流负载提供能量，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，所述三端口双向DC/DC变换器软开关电路可以直接将谐振能量通过绕组变压器T传送至第三端口，为直流负载供电，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，所述三端口双向DC/DC变换器软开关电路中的各开关管与二极管以及所述第二桥臂的电压、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。
请参阅图8，通过前述工作原理分析可知，所述高压直流母线Ubus与所述蓄电池Ubat之间的功率控制由所述第一主桥臂开关S1和所述第二主桥臂开关S2的占空比实现，主桥臂每产生一次开关动作，就会向所述第三端口电路输出一定的能量，且单次输出的能量大小与所述高压直流母线Ubus和所述蓄电池Ubat之间的功率传输大小等因素有关。因此，为了解耦第三端口的控制，可以采用调节主桥臂开关工作频率的方式，控制第三端口的输出功率，从而，实现三端口之间的功率解耦控制。
本发明的第二实施例提供了一种三端口双向DC/DC变换器软开关装置，包括控制器、高压直流母线Ubus、蓄电池Ubat、直流负载Rdc以及如上任意一项所述的三端口双向DC/DC变换器软开关电路，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，所述高压直流母线Ubus与所述第一桥臂并联，所述第二桥臂通过所述滤波电路与蓄电池Ubat电气连接，所述直流负载Rdc与所述滤波电容并联。
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 (8)

1.一种三端口双向DC/DC变换器软开关电路,其特征在于，包括第一桥臂、第二桥臂、滤波电路、绕组变压器以及第三端口电路；
其中，所述第一桥臂用于与高压直流母线并连，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绕组变压器的第一绕组回路与所述第二桥臂的中心部电气连接，所述第二桥臂用于通过所述滤波电路与蓄电池电气连接，所述第三端口电路通过所述绕组变压器的第二绕组与所述绕组变压器的第一绕组回路电气连接；
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，所述第三端口电路配置为通过绕组变压器的第二绕组获取谐振能量，并将所述谐振能量提供给直流负载。
2.根据权利要求1所述的一种三端口双向DC/DC变换器软开关电路，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漏极用于与高压直流母线的正极电气连接，所述第一辅助桥臂开关的源极与所述绕组变压器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的漏极与所述绕组变压器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的源极用于与高压直流母线的负极电气连接。
3.根据权利要求2所述的一种三端口双向DC/DC变换器软开关电路，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漏极用于与高压直流母线的正极电气连接，所述第一主桥臂开关的源极与所述绕组变压器的第一绕组回路的第二端电气连接，所述第二主桥臂开关的漏极与所述绕组变压器的第一绕组回路的第二端电气连接，所述第二主桥臂开关的源极用于与高压直流母线的负极电气连接。
4.根据权利要求1所述的一种三端口双向DC/DC变换器软开关电路，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用于与蓄电池的负极电气连接，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用于与蓄电池的正极电气连接。
5.根据权利要求1所述的一种三端口双向DC/DC变换器软开关电路，其特征在于，所述第三端口电路包括二极管不控整流桥以及滤波电容，所述二极管不控整流桥的负极与所述绕组变压器的第二绕组的同名端电气连接，所述二极管不控整流桥的正极与所述绕组变压器的第二绕组的异名端电气连接，所述滤波电容的正极与所述二极管不控整流桥的负极电气连接，所述滤波电容的负极与所述二极管不控整流桥的正极电气连接，所述滤波电容用于与直流负载并联。
6.根据权利要求3所述的一种三端口双向DC/DC变换器软开关电路，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变压器，所述谐振电感的一端与所述第一辅助桥臂开关的源极电气连接，所述谐振电感的另一端与所述第一绕组变压器的同名端电气连接，所述第一绕组变压器的异名端与所述第一主桥臂开关的源极电气连接。
7.根据权利要求3所述的一种三端口双向DC/DC变换器软开关电路，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。
8.一种三端口双向DC/DC变换器软开关装置，其特征在于，包括控制器、高压直流母线、蓄电池、直流负载以及如权利要求1至7任意一项所述的三端口双向DC/DC变换器软开关电路，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，所述高压直流母线与所述第一桥臂并联，所述第二桥臂通过所述滤波电路与蓄电池电气连接，所述直流负载与所述滤波电容并联。
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