CN116208000B - 一种双向隔离变换器的拓扑结构及双向隔离变换器 - Google Patents
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Abstract
本申请提供的一种双向隔离变换器的拓扑结构，包括高压侧端口和低压侧端口；还包括高压侧模块、低压侧模块和变压器；所述低压侧模块包括储能单元、第一电容、第二电容、第一开关管、第二开关管、第三开关管和第四开关管；储能单元的第一端为低压侧端口的正极端，第一开关管的第二端为低压侧端口的负极端；所述低压侧绕组的第一端与第三开关管的第二端连接，所述低压侧绕组的第二端与第二电容的第二端连接，实现较高的电压增益比和较宽的输入电压，通过变压器进行电气隔离，可满足输入输出大电压、电流变比下的电气安全要求。
Description
技术领域
本发明属于变换器技术领域，具体涉及一种双向隔离变换器的拓扑结构及双向隔离变换器。
背景技术
传统的Buck/Boost双向变换器，其结构简单，可靠性强。由Buck/Boost衍生出了各种双向变换器，如开关电感双向变换器，该变换器在实现大变比的同时避免了极限的占空比，并且有效地降低了开关器件的电压应力；但该类变换器采用非隔离型设计，在较大的输入输出大电压、电流变比场合下，无法满足电气安全要求。因此，变换器无法在输入输出大电压、电流变比场合下满足电气安全要求是待解决的技术问题。
发明内容
本发明针对现有问题，提供一种双向隔离变换器的拓扑结构及双向隔离变换器，实现较高的增益比和较宽的输入电压，满足输入输出大电压、电流变比下的电气安全要求。
第一方面，本申请实施例提供了一种双向隔离变换器的拓扑结构，所述变换器的拓扑结构包括高压侧端口和低压侧端口；还包括高压侧模块、低压侧模块和变压器；
所述低压侧模块包括储能单元、第一电容、第二电容、第一开关管、第二开关管、第三开关管和第四开关管。
所述储能单元的第二端与第一电容的第一端、第一开关管的第一端连接，第一电容的第二端与第二开关管的第二端、第二电容的第二端连接，第二电容的第一端与第四开关管的第二端连接，第四开关管的第一端与第三开关管的第二端连接，第一开关管的第二端、第二开关管的第一端和第三开关管的第一端连接；储能单元的第一端为低压侧端口的正极端，第一开关管的第二端为低压侧端口的负极端。
所述变压器包括低压侧绕组和高压侧绕组；所述低压侧绕组的第一端与第三开关管的第二端连接，所述低压侧绕组的第二端与第二电容的第二端连接。
所述高压侧模块与高压侧绕组连接，高压侧模块通过变压器与低压侧模块进行能量传递。
优选的，所述高压侧模块包括第五开关管、第六开关管、第三电容和第四电容；
第六开关管的第一端与第五开关管的第二端、高压侧绕组的第一端连接，第五开关管的第二端与第三电容的第一端连接，第三电容的第二端与高压侧绕组的第二端、第四电容的第一端连接，第四电容的第二端与第六开关管的第二端连接；所述第三电容的第一端为高压侧端口的正极端，所述第四电容的第二端为高压侧端口的负极端。
优选的，所述储能单元包括第一电感，第一电感的第一端为储能单元的第一端，第一电感的第二端为储能单元的第二端。
优选的，所述高压侧绕组的第一端和所述低压侧绕组的第一端互为同名端。
优选的，所述变压器还包括第一漏感、第一寄生电感和第二漏感；
所述第一寄生电感与所述低压侧绕组并联，所述第一漏感的第一端与第二电容的第二端连接，所述第一漏感的第二端与低压侧绕组的第二端连接；所述第二漏感的第一端与第五开关管的第二端连接，所述第二漏感的第二端与高压侧绕组的第一端连接。
优选的，所述拓扑结构工作于升压模式或降压模式。
优选的，所述拓扑结构工作于升压模式时，低压侧端口与第一电源连接，高压侧端口与第一负载连接；升压模式包括五种模态如下：
升压模式第一模态：第一开关管、第二开关管、第三开关管、第四开关管、第五开关管和第六开关管关断，第一电感给第一电容充电；第一漏感给第二电容充电；第一寄生电感和第三电容给第一负载和第四电容提供能量；第三开关管的寄生二极管导通，将第三开关管的寄生电容的能量释放到地，第三开关管零电压导通，升压模式第一模态结束；
升压模式第二模态：第一开关管和第三开关管导通，第一电源给第一电感提供能量；第一电容向第一寄生电感和第一漏感提供能量；第一寄生电感将能量从低压侧绕组传递到高压侧绕组；第一寄生电感与第四电容向第一负载和第三电容提供能量；第一开关管和第三开关管关断，升压模式第二模态结束；
升压模式第三模态：第一开关管、第二开关管、第三开关管、第四开关管、第五开关管和第六开关管关断，第一电感给第一电容充电；第二电容给第一寄生电感提供能量；第一寄生电感与第四电容向第一负载和第三电容提供能量；第四开关管的寄生二极管导通，将第四开关管的寄生电容的能量释放到第二漏感中，实现第四开关管的零电压导通，升压模式第三模态结束；
升压模式第四模态：第二开关管和第四开关管导通；第一电感给第一电容充电；第二漏感给第二电容充电；第一寄生电感和第三电容给第一负载和第四电容提供能量；当第一漏感的电流下降至零时，升压模式第四模态结束；
升压模式第五模态：第二开关管和第四开关管导通；第一电感给第一电容充电；第二电容给第一寄生电感和第二漏感提供能量；第一寄生电感和第三电容给第一负载和第四电容提供能量；第二开关管和第四开关管关断，升压模式第五模态结束。
优选的，所述拓扑结构工作于降压模式时，高压侧端口与第二电源连接，低压侧端口与第二负载连接；降压模式包括五种模态如下：
降压模式第一模态：第一开关管、第二开关管、第三开关管、第四开关管、第五开关管和第六开关管关断，第二电源和第四电容给第三电容和第一寄生电感充电；第五开关管的寄生二极管导通，第五开关管的寄生电容的能量释放到第二漏感中，实现第五开关管的零电压导通；第一漏感给第二电容充电；降压模式第一模态结束；
降压模式第二模态：第一开关管、第三开关管和第五开关管完全导通；第二电源和第三电容给第四电容和第一寄生电感充电；第二电容给第一漏感充电；第一寄生电感给第一电容充电；第一电感给第二负载提供能量；
降压模式第三模态：第一开关管、第二开关管、第三开关管、第四开关管、第五开关管和第六开关管关断，第二电源和第三电容给第一寄生电感和第四电容充电；第二电容给第一寄生电感充电；第一电感给第二负载提供能量；第六开关管的寄生二极管导通，第六开关管的寄生电容的能量释放到第二漏感中，实现第六开关管的零电压导通；当第二开关管、第四开关管和第六开关管完全导通时，降压模式第三模态结束；
降压模式第四模态：第二开关管、第四开关管和第六开关管完全导通；第二电源和第四电容给第三电容和第一寄生电感充电；第二电容给第一寄生电感充电；第一电容向第一电感提供能量；当第一漏感的电流降至零时，降压模式第四模态结束；
降压模式第五模态：第二开关管、第四开关管和第六开关管完全导通；第二电源和第四电容给第三电容和第一寄生电感充电；第一漏感给第二电容充电；第一电容给第一电感提供能量；降压模式第五模态结束。
优选的，所述第一开关管为场效应管，第一开关管的第一端为场效应管的漏极，第一开关管的第二端为场效应管的源极，第一开关管的第三端为场效应管的栅极；
所述第二开关管为场效应管，第二开关管的第一端为场效应管的漏极，第二开关管的第二端为场效应管的源极，第二开关管的第三端为场效应管的栅极；
所述第三开关管为场效应管，第三开关管的第一端为场效应管的漏极，第三开关管的第二端为场效应管的源极，第三开关管的第三端为场效应管的栅极；
所述第四开关管为场效应管，第四开关管的第一端为场效应管的漏极，第四开关管的第二端为场效应管的源极，第四开关管的第三端为场效应管的栅极；
所述第五开关管为场效应管，第五开关管的第一端为场效应管的漏极，第五开关管的第二端为场效应管的源极，第五开关管的第三端为场效应管的栅极；
所述第六开关管为场效应管，第六开关管的第一端为场效应管的漏极，第六开关管的第二端为场效应管的源极，第六开关管的第三端为场效应管的栅极。
第二方面，本申请实施例提供了一种双向隔离变换器，所述变换器包括第一方面提供的拓扑结构。
本实施例提供的拓扑结构在电压变换过程中，实现较高的电压增益比和较宽的输入电压，通过变压器进行电气隔离，可满足输入输出大电压、电流变比下的电气安全要求。第三开关管、第四开关管、第五开关管和第六开关管实现零电压开通，可减小在高频工作环境下开关管在开关和关断过程中的损耗。
附图说明
下面结合附图和具体实施例对本发明作出进一步详细说明。
图1为本发明提供的一种双向隔离变换器的拓扑结构示意图。
图2为本发明提供的一种双向隔离变换器在升压模式第一模态时的工作电路图。
图3为本发明提供的一种双向隔离变换器在升压模式第二模态时的工作电路图。
图4为本发明提供的一种双向隔离变换器在升压模式第三模态时的工作电路图。
图5为本发明提供的一种双向隔离变换器在升压模式第四模态时的工作电路图。
图6为本发明提供的一种双向隔离变换器在升压模式第五模态时的工作电路图。
图7为本发明提供的一种双向隔离变换器在降压模式第一模态时的工作电路图。
图8为本发明提供的一种双向隔离变换器在降压模式第二模态时的工作电路图。
图9为本发明提供的一种双向隔离变换器在降压模式第三模态时的工作电路图。
图10为本发明提供的一种双向隔离变换器在降压模式第四模态时的工作电路图。
图11为本发明提供的一种双向隔离变换器在降压模式第五模态时的工作电路图。
图12为本发明提供的一种双向隔离变换器在升压模式下的主要工作波形图。
图13为本发明提供的一种双向隔离变换器在降压模式下的主要工作波形图。
附图标记：L1、第一电感；C1、第一电容；C2、第二电容；C3、第三电容；C4、第四电容；S1、第一开关管；S2、第二开关管；S3、第三开关管；S4、第四开关管；S5、第五开关管；S6、第六开关管；N1、低压侧绕组；N2、高压侧绕组；LM1、第一寄生电感；LlK1、第一漏感；LlK2、第二漏感。
具体实施方式
下面将结合附图对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
在本发明的描述中，需要说明的是，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
实施例1
参照图1，本实施例提供一种双向隔离变换器的拓扑结构，其包括高压侧端口和低压侧端口；还包括高压侧模块、低压侧模块和变压器。
所述低压侧模块包括储能单元、第一电容C1、第二电容C2、第一开关管S1、第二开关管S2、第三开关管S3和第四开关管S4。
所述储能单元包括第一电感L1，第一电感L1的第一端为储能单元的第一端，第一电感L1的第二端为储能单元的第二端；所述储能单元的第二端与第一电容C1的第一端、第一开关管S1的第一端连接，第一电容C1的第二端与第二开关管S2的第二端、第二电容C2的第二端连接，第二电容C2的第一端与第四开关管S4的第二端连接，第四开关管S4的第一端与第三开关管S3的第二端连接，第一开关管S1的第二端、第二开关管S2的第一端和第三开关管S3的第一端连接；储能单元的第一端为低压侧端口的正极端，第一开关管S1的第二端为低压侧端口的负极端。
所述变压器为高频变压器；所述变压器包括低压侧绕组N1、高压侧绕组N2、第一漏感LlK1、第一寄生电感LM1和第二漏感LlK2；所述高压侧绕组N2的第一端和所述低压侧绕组N1的第一端互为同名端。
所述低压侧绕组N1的第一端与第三开关管S3的第二端连接，所述低压侧绕组N1的第二端与第一漏感LlK1的第二端连接；所述第一漏感LlK1的第一端与第二电容C2的第二端连接，所述第一寄生电感LM1与所述低压侧绕组N1并联；所述第二漏感LlK2的第二端与高压侧绕组N2的第一端连接，所述第二漏感LlK2和高压侧绕组N2串联后与高压侧模块连接。所述高压侧绕组的第一端和所述低压侧绕组的第一端互为同名端。
所述高压侧模块包括第五开关管S5、第六开关管S6、第三电容C3和第四电容C4。
第六开关管S6的第一端与第五开关管S5的第二端、第二漏感LlK2的第一端连接，第五开关管S5的第二端与第三电容C3的第一端连接，第三电容C3的第二端与高压侧绕组N2的第二端、第四电容C4的第一端连接，第四电容C4的第二端与第六开关管S6的第二端连接；所述第三电容C3的第一端为高压侧端口的正极端，所述第四电容C4的第二端为高压侧端口的负极端。高压侧模块与低压侧模块之间通过变压器进行能量传递。
所述第一开关管S1为场效应管，第一开关管S1的第一端为场效应管的漏极，第一开关管S1的第二端为场效应管的源极，第一开关管S1的第三端为场效应管的栅极。
所述第二开关管S2为场效应管，第二开关管S2的第一端为场效应管的漏极，第二开关管S2的第二端为场效应管的源极，第二开关管S2的第三端为场效应管的栅极。
所述第三开关管S3为场效应管，第三开关管S3的第一端为场效应管的漏极，第三开关管S3的第二端为场效应管的源极，第三开关管S3的第三端为场效应管的栅极。
所述第四开关管S4为场效应管，第四开关管S4的第一端为场效应管的漏极，第四开关管S4的第二端为场效应管的源极，第四开关管S4的第三端为场效应管的栅极。
所述第五开关管S5为场效应管，第五开关管S5的第一端为场效应管的漏极，第五开关管S5的第二端为场效应管的源极，第五开关管S5的第三端为场效应管的栅极。
所述第六开关管S6为场效应管，第六开关管S6的第一端为场效应管的漏极，第六开关管S6的第二端为场效应管的源极，第六开关管S6的第三端为场效应管的栅极。
此实施例提供的拓扑结构可工作于升压模式或降压模式。
此实施例中拓扑结构工作于升压模式，其低压侧端口与第一电源连接，高压侧端口与第一负载连接；所述第一电源为直流电源。
如图2所示，当拓扑结构处于升压模式的第一模态时，第一开关管S1、第二开关管S2、第三开关管S3、第四开关管S4、第五开关管S5和第六开关管S6关断，第一电感L1给第一电容C1充电；第一漏感LlK1给第二电容C2充电；第一寄生电感LM1和第三电容C3给第一负载和第四电容C4提供能量；第一电感L1的电流和第一寄生电感LM1的电流下降；第三开关管S3的寄生二极管导通，将第三开关管S3的寄生电容的能量释放到地，第三开关管S3零电压导通，升压模式第一模态结束。
如图3所示，当拓扑结构处于升压模式的第二模态时，第一开关管S1和第三开关管S3导通，第一电源给第一电感L1提供能量；第一电容C1向第一寄生电感LM1和第一漏感LlK1提供能量；第一寄生电感LM1的电流和第一漏感LlK1的电流上升；第一寄生电感LM1将能量从低压侧绕组N1传递到高压侧绕组N2；第一寄生电感LM1与第四电容C4向第一负载和第三电容C3提供能量；第一开关管S1和第三开关管S3关断，升压模式第二模态结束。
如图4所示，当拓扑结构处于升压模式的第三模态时，第一开关管S1、第二开关管S2、第三开关管S3、第四开关管S4、第五开关管S5和第六开关管S6关断，第一电感L1给第一电容C1充电；第二电容C2给第一寄生电感LM1提供能量；第一寄生电感LM1与第四电容C4向第一负载和第三电容C3提供能量；第一电感L1的电流下降；第四开关管S4的寄生二极管导通，将第四开关管S4的寄生电容的能量释放到第二漏感LlK2中，实现第四开关管S4的零电压导通，升压模式第三模态结束。
如图5所示，当拓扑结构处于升压模式的第四模态时，第二开关管S2和第四开关管S4导通；第一电感L1给第一电容C1充电；第二漏感LlK2给第二电容C2充电；第一寄生电感LM1和第三电容C3给第一负载和第四电容C4提供能量；第一电感L1的电流、第一漏感LlK1的电流和第一寄生电感LM1的电流下降；当第一漏感LlK1的电流下降至零时，升压模式第四模态结束。
如图6所示，当拓扑结构处于升压模式的第五模态时，第二开关管S2和第四开关管S4导通；第一电感L1给第一电容C1充电；第二电容C2给第一寄生电感LM1和第二漏感LlK2提供能量；第一寄生电感LM1将能量从低压侧绕组N1传递到高压侧绕组N2；第一寄生电感LM1和第三电容C3给第一负载和第四电容C4提供能量；第一电感L1的电流下降；第二开关管S2和第四开关管S4关断，升压模式第五模态结束。
图12为本实施例提供的拓扑结构在升压模式的一个开关周期内的主要工作波形图，图中V gs1 为第一开关管S1的栅源电压，V gs2 为第二开关管S2的栅源电压，V gs3 为第三开关管S3的栅源电压，V gs4 为第四开关管S4的栅源电压，V gs5 为第五开关管S5的栅源电压，V gs6 为第六开关管S6的栅源电压，i L 为第一电感L1的电流，i Lm 为第一寄生电感LM1的电流，i LlK1 为第一漏感LlK1的电流，V ds1 为第一开关管S1的漏源电压，i ds1 为第一开关管S1的漏源电流，V ds2 为第二开关管S2的漏源电压，i ds2 为第二开关管S2的漏源电流，V ds3 为第三开关管S3的漏源电压，i ds3 为第三开关管S3的漏源电流，V ds4 为第四开关管S4的漏源电压，i ds4 为第四开关管S4的漏源电流，V ds5 为第五开关管S5的漏源电压，i ds5 为第五开关管S5的漏源电流，V ds6 为第六开关管S6的漏源电压，i ds6 为第六开关管S6的漏源电流。在处于升压模式时，第五开关管S5的栅源电压和第六开关管S6的栅源电压一直为低电平。
当拓扑结构处于升压模式的稳态时，设开关管工作的工作周期为T s ，第一开关管S1、第三开关管S3的占空比为D 1 ，第二开关管S2、第四开关管S4的占空比为（1-D 1 ），通过对第一电容C1、第二电容C2、第三电容C3、第四电容C4应用伏秒平衡可以在稳态下获得以下关系：
；
式中，为第一电容C1的电压，/>为第二电容C2的电压，/>为第三电容C3的电压，/>为第四电容C4的电压，/>为低压侧端口的电压，即本实施例中第一电源的电压，为高压侧绕组N2与低压侧绕组N1的匝数比。
由此可得：
；
式中，为高压侧端口的电压，即本实施例中第一负载的电压，/>为低压侧端口的电压，即本实施例中第一电源的电压，/>为第三电容C3的电压，/>为第四电容C4的电压，/>为高压侧绕组N2与低压侧绕组N1的匝数比。
则根据上式可得输入输出电压的增益比G up ：
；
式中，为高压侧端口的电压，/>为低压侧端口的电压，/>为高压侧绕组N2与低压侧绕组N1的匝数比。
由此可得，本实施例提供的拓扑结构在电压变换过程中，实现较高的电压增益比和较宽的输入电压，通过变压器进行电气隔离，可满足输入输出大电压、电流变比下的电气安全要求。第三开关管S3、第四开关管S4、第五开关管S5和第六开关管S6实现零电压开通，可减小高频工作环境下开关管在开关和关断过程中的损耗。
实施例2
参照图1，本实施例提供一种双向隔离变换器的拓扑结构，其包括高压侧端口和低压侧端口；还包括高压侧模块、低压侧模块和变压器。
所述低压侧模块包括储能单元、第一电容C1、第二电容C2、第一开关管S1、第二开关管S2、第三开关管S3和第四开关管S4。
所述储能单元为第一电感L1；所述储能单元的第二端与第一电容C1的第一端、第一开关管S1的第一端连接，第一电容C1的第二端与第二开关管S2的第二端、第二电容C2的第二端连接，第二电容C2的第一端与第四开关管S4的第二端连接，第四开关管S4的第一端与第三开关管S3的第二端连接，第一开关管S1的第二端、第二开关管S2的第一端和第三开关管S3的第一端连接；储能单元的第一端为低压侧端口的正极端，第一开关管S1的第二端为低压侧端口的负极端。
所述变压器为高频变压器；所述变压器包括低压侧绕组N1、高压侧绕组N2、第一漏感LlK1、第一寄生电感LM1和第二漏感LlK2；所述高压侧绕组N2的第一端和所述低压侧绕组N1的第一端互为同名端。
所述低压侧绕组N1的第一端与第三开关管S3的第二端连接，所述低压侧绕组N1的第二端与第一漏感LlK1的第二端连接；所述第一漏感LlK1的第一端与第二电容C2的第二端连接，所述第一寄生电感LM1与所述低压侧绕组N1并联；所述第二漏感LlK2的第二端与高压侧绕组N2的第一端连接，所述第二漏感LlK2的第一端、高压侧绕组N2的第二端与高压侧模块连接。
所述高压侧模块包括第五开关管S5、第六开关管S6、第三电容C3和第四电容C4。
第六开关管S6的第一端与第五开关管S5的第二端、第二漏感LlK2的第一端连接，第五开关管S5的第二端与第三电容C3的第一端连接，第三电容C3的第二端与高压侧绕组N2的第二端、第四电容C4的第一端连接，第四电容C4的第二端与第六开关管S6的第二端连接；所述第三电容C3的第一端为高压侧端口的正极端，所述第四电容C4的第二端为高压侧端口的负极端。
高压侧模块与低压侧模块之间通过变压器进行能量传递。所述第一开关管S1为场效应管，第一开关管S1的第一端为场效应管的漏极，第一开关管S1的第二端为场效应管的源极，第一开关管S1的第三端为场效应管的栅极。
所述第二开关管S2为场效应管，第二开关管S2的第一端为场效应管的漏极，第二开关管S2的第二端为场效应管的源极，第二开关管S2的第三端为场效应管的栅极。
所述第三开关管S3为场效应管，第三开关管S3的第一端为场效应管的漏极，第三开关管S3的第二端为场效应管的源极，第三开关管S3的第三端为场效应管的栅极。
所述第四开关管S4为场效应管，第四开关管S4的第一端为场效应管的漏极，第四开关管S4的第二端为场效应管的源极，第四开关管S4的第三端为场效应管的栅极。
所述第五开关管S5为场效应管，第五开关管S5的第一端为场效应管的漏极，第五开关管S5的第二端为场效应管的源极，第五开关管S5的第三端为场效应管的栅极。
所述第六开关管S6为场效应管，第六开关管S6的第一端为场效应管的漏极，第六开关管S6的第二端为场效应管的源极，第六开关管S6的第三端为场效应管的栅极。
此实施例提供的拓扑结构可工作于升压模式或降压模式。
此实施例中，拓扑结构工作于降压模式时，其高压侧端口与第二电源连接，低压侧端口与第二负载连接；第二电源为直流电源。
如图7所示，当拓扑结构处于降压模式的第一模态时，第一开关管S1、第二开关管S2、第三开关管S3、第四开关管S4、第五开关管S5和第六开关管S6关断，第二电源和第四电容C4给第三电容C3和第一寄生电感LM1充电；第五开关管S5的寄生二极管导通，第五开关管S5的寄生电容的能量释放到第二漏感LlK2中，实现第五开关管S5的零电压导通；第一漏感LlK1给第二电容C2充电；降压模式第一模态结束。
如图8所示，当拓扑结构处于降压模式的第二模态时，第一开关管S1、第三开关管S3和第五开关管S5完全导通；第二电源和第三电容C3给第四电容C4和第一寄生电感LM1充电；第二电容C2给第一漏感LlK1充电；第一寄生电感LM1给第一电容C1充电；第一电感L1给第二负载提供能量。
如图9所示，当拓扑结构处于降压模式的第三模态时，第一开关管S1、第二开关管S2、第三开关管S3、第四开关管S4、第五开关管S5和第六开关管S6关断，第二电源和第三电容C3给第一寄生电感LM1和第四电容C4充电；第二电容C2给第一寄生电感LM1充电；第一电感L1给第二负载提供能量；第六开关管S6的寄生二极管导通，第六开关管S6的寄生电容的能量释放到第二漏感LlK2中，实现第六开关管S6的零电压导通；当第二开关管S2、第四开关管S4和第六开关管S6完全导通时，降压模式第三模态结束。
如图10所示，当拓扑结构处于降压模式的第四模态时，第二开关管S2、第四开关管S4和第六开关管S6完全导通；第二电源和第四电容C4给第三电容C3和第一寄生电感LM1充电；第二电容C2给第一寄生电感LM1充电；第一电容C1向第一电感L1提供能量；当第一漏感LlK1的电流降至零时，降压模式第四模态结束。
如图11所示，当拓扑结构处于降压模式的第五模态时，第二开关管S2、第四开关管S4和第六开关管S6完全导通；第二电源和第四电容C4给第三电容C3和第一寄生电感LM1充电；第一漏感LlK1给第二电容C2充电；第一电容C1给第一电感L1提供能量；降压模式第五模态结束。
图13为本实施例提供的拓扑结构在降压模式的一个开关周期内的主要工作波形图，图中V gs1 为第一开关管S1的栅源电压，V gs2 为第二开关管S2的栅源电压，V gs3 为第三开关管S3的栅源电压，V gs4 为第四开关管S4的栅源电压，V gs5 为第五开关管S5的栅源电压，V gs6 为第六开关管S6的栅源电压，i L 为第一电感L1的电流，i Lm 为第一寄生电感LM1的电流，i LlK1 为第一漏感LlK1的电流，V ds1 为第一开关管S1的漏源电压，i ds1 为第一开关管S1的漏源电流，V ds2 为第二开关管S2的漏源电压，i ds2 为第二开关管S2的漏源电流，V ds3 为第三开关管S3的漏源电压，i ds3 为第三开关管S3的漏源电流，V ds4 为第四开关管S4的漏源电压，i ds4 为第四开关管S4的漏源电流，V ds5 为第五开关管S5的漏源电压，i ds5 为第五开关管S5的漏源电流，V ds6 为第六开关管S6的漏源电压，i ds6 为第六开关管S6的漏源电流。
当拓扑结构处于降压模式稳态时，设开关管工作的工作周期为T s ，第一开关管S1、第三开关管S3的占空比为D 6 ，第二开关管S2、第四开关管S4的占空比为（1-D 6 ），通过对第一电容C1、第二电容C2、第三电容C3、第四电容C4应用伏秒平衡可以在稳态下获得以下关系：
；
式中，为第一电容C1的电压，/>为第二电容C2的电压，/>为第三电容C3的电压，/>为第四电容C4的电压，/>为高压侧绕组N2与低压侧绕组N1的匝数比，/>为高压侧端口的电压，即本实施例中第二电源的电压。
由此可得：
；
式中，为高压侧端口的电压，即本实施例中第二电源的电压，/>为低压侧端口的电压，即本实施例中第二负载的电压，/>为第一电容C1的电压，/>为高压侧绕组N2与低压侧绕组N1的匝数比。
则根据上式可得输入输出电压的增益比G down ：
；
式中，为高压侧端口的电压，/>为低压侧端口的电压，/>为高压侧绕组N2与低压侧绕组N1的匝数比。
由此可得，本实施例提供的拓扑结构在电压变换过程中，实现较高的电压增益比和较宽的输入电压，通过变压器进行电气隔离，可满足输入输出大电压、电流变比下的电气安全要求。第三开关管S3、第四开关管S4、第五开关管S5和第六开关管S6实现零电压开通，可减小高频工作环境下开关管在开关和关断过程中的损耗。
实施例3
本申请实施例还提供了一种双向隔离变换器，其包括实施例1或实施例2中的拓扑结构。
需要说明的是，附图中的流程图和框图显示了根据本申请的多个实施例的系统、方法和计算机程序产品的可能实现的体系架构、功能和操作。在这点上，流程图或框图中的每个方框可以代表一个模块、程序段或代码的一部分，所述模块、程序段或代码的一部分包含一个或多个用于实现规定的逻辑功能的可执行指令。也应当注意，在有些作为替换的实现中，方框中所标注的功能也可以以不同于附图中所标注的顺序发生。例如，两个连续的方框实际上可以基本并行地执行，它们有时也可以按相反的顺序执行，这依所涉及的功能而定。也要注意的是，框图和/或流程图中的每个方框、以及框图和/或流程图中的方框的组合，可以用执行规定的功能或动作的专用的基于硬件的系统来实现，或者可以用专用硬件与计算机指令的组合来实现。
所属领域的技术人员可以清楚地了解到，为描述的方便和简洁，上述描述的系统、装置和单元的具体工作过程，可以参考前述方法实施例中的对应过程，在此不再赘述。
在本申请所提供的几个实施例中，应该理解到，所揭露的装置和方法，可以通过其它的方式实现。以上所描述的装置实施例仅仅是示意性的，例如，所述单元的划分，仅仅为一种逻辑功能划分，实际实现时可以有另外的划分方式，又例如，多个单元或组件可以结合或者可以集成到另一个系统，或一些特征可以忽略，或不执行。另一点，所显示或讨论的相互之间的耦合或直接耦合或通信连接可以是通过一些通信接口，装置或单元的间接耦合或通信连接，可以是电性，机械或其它的形式。
所述作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个网络单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部单元来实现本实施例方案的目的。
另外，在本申请各个实施例中的各功能单元可以集成在一个处理单元中，也可以是各个单元单独物理存在，也可以两个或两个以上单元集成在一个单元中。
所述功能如果以软件功能单元的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，可以存储在一个计算机可读取存储介质中。基于这样的理解，本申请的技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分或者该技术方案的部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品存储在一个存储介质中，包括若干指令用以使得一台计算机设备（可以是个人计算机，服务器，或者网络设备等）执行本申请各个实施例所述方法的全部或部分步骤。而前述的存储介质包括：U盘、移动硬盘、只读存储器（ROM，Read-Only Memory）、随机存取存储器（RAM，Random Access Memory）、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。
最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本申请的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本申请进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本申请各实施例技术方案的范围，其均应涵盖在本申请的权利要求和说明书的范围当中。
Claims (9)
1.一种双向隔离变换器的拓扑结构，包括高压侧端口和低压侧端口；其特征在于，还包括高压侧模块、低压侧模块和变压器；
所述低压侧模块包括储能单元、第一电容、第二电容、第一开关管、第二开关管、第三开关管和第四开关管；
所述储能单元的第二端与第一电容的第一端、第一开关管的第一端连接，第一电容的第二端与第二开关管的第二端、第二电容的第二端连接，第二电容的第一端与第四开关管的第二端连接，第四开关管的第一端与第三开关管的第二端连接，第一开关管的第二端、第二开关管的第一端和第三开关管的第一端连接；储能单元的第一端为低压侧端口的正极端，第一开关管的第二端为低压侧端口的负极端；
所述变压器包括低压侧绕组和高压侧绕组；所述低压侧绕组的第一端与第三开关管的第二端连接，所述低压侧绕组的第二端与第二电容的第二端连接；
所述高压侧模块与高压侧绕组连接，高压侧模块通过变压器与低压侧模块进行能量传递；
所述高压侧模块包括第五开关管、第六开关管、第三电容和第四电容；
第六开关管的第一端与第五开关管的第二端、高压侧绕组的第一端连接，第五开关管的第二端与第三电容的第一端连接，第三电容的第二端与高压侧绕组的第二端、第四电容的第一端连接，第四电容的第二端与第六开关管的第二端连接；所述第三电容的第一端为高压侧端口的正极端，所述第四电容的第二端为高压侧端口的负极端。
2.根据权利要求1所述的一种双向隔离变换器的拓扑结构，其特征在于，所述储能单元包括第一电感，第一电感的第一端为储能单元的第一端，第一电感的第二端为储能单元的第二端。
3.根据权利要求2所述的一种双向隔离变换器的拓扑结构，其特征在于，所述高压侧绕组的第一端和所述低压侧绕组的第一端互为同名端。
4.根据权利要求3所述的一种双向隔离变换器的拓扑结构，其特征在于，所述变压器还包括第一漏感、第一寄生电感和第二漏感；
所述第一寄生电感与所述低压侧绕组并联，所述第一漏感的第一端与第二电容的第二端连接，所述第一漏感的第二端与低压侧绕组的第二端连接；所述第二漏感的第一端与第五开关管的第二端连接，所述第二漏感的第二端与高压侧绕组的第一端连接。
5.根据权利要求4所述的一种双向隔离变换器的拓扑结构，其特征在于，所述拓扑结构工作于升压模式或降压模式。
6.根据权利要求5所述的一种双向隔离变换器的拓扑结构，其特征在于，所述拓扑结构工作于升压模式时，低压侧端口与第一电源连接，高压侧端口与第一负载连接；升压模式包括五种模态如下：
升压模式第一模态：第一开关管、第二开关管、第三开关管、第四开关管、第五开关管和第六开关管关断，第一电感给第一电容充电；第一漏感给第二电容充电；第一寄生电感和第三电容给第一负载和第四电容提供能量；第三开关管的寄生二极管导通，将第三开关管的寄生电容的能量释放到地，第三开关管零电压导通，升压模式第一模态结束；
升压模式第二模态：第一开关管和第三开关管导通，第一电源给第一电感提供能量；第一电容向第一寄生电感和第一漏感提供能量；第一寄生电感将能量从低压侧绕组传递到高压侧绕组；第一寄生电感与第四电容向第一负载和第三电容提供能量；第一开关管和第三开关管关断，升压模式第二模态结束；
升压模式第三模态：第一开关管、第二开关管、第三开关管、第四开关管、第五开关管和第六开关管关断，第一电感给第一电容充电；第二电容给第一寄生电感提供能量；第一寄生电感与第四电容向第一负载和第三电容提供能量；第四开关管的寄生二极管导通，将第四开关管的寄生电容的能量释放到第二漏感中，实现第四开关管的零电压导通，升压模式第三模态结束；
升压模式第四模态：第二开关管和第四开关管导通；第一电感给第一电容充电；第二漏感给第二电容充电；第一寄生电感和第三电容给第一负载和第四电容提供能量；当第一漏感的电流下降至零时，升压模式第四模态结束；
升压模式第五模态：第二开关管和第四开关管导通；第一电感给第一电容充电；第二电容给第一寄生电感和第二漏感提供能量；第一寄生电感和第三电容给第一负载和第四电容提供能量；第二开关管和第四开关管关断，升压模式第五模态结束。
7.根据权利要求5所述的一种双向隔离变换器的拓扑结构，其特征在于，所述拓扑结构工作于降压模式时，高压侧端口与第二电源连接，低压侧端口与第二负载连接；降压模式包括五种模态如下：
降压模式第一模态：第一开关管、第二开关管、第三开关管、第四开关管、第五开关管和第六开关管关断，第二电源和第四电容给第三电容和第一寄生电感充电；第五开关管的寄生二极管导通，第五开关管的寄生电容的能量释放到第二漏感中，实现第五开关管的零电压导通；第一漏感给第二电容充电；降压模式第一模态结束；
降压模式第二模态：第一开关管、第三开关管和第五开关管完全导通；第二电源和第三电容给第四电容和第一寄生电感充电；第二电容给第一漏感充电；第一寄生电感给第一电容充电；第一电感给第二负载提供能量；
降压模式第三模态：第一开关管、第二开关管、第三开关管、第四开关管、第五开关管和第六开关管关断，第二电源和第三电容给第一寄生电感和第四电容充电；第二电容给第一寄生电感充电；第一电感给第二负载提供能量；第六开关管的寄生二极管导通，第六开关管的寄生电容的能量释放到第二漏感中，实现第六开关管的零电压导通；当第二开关管、第四开关管和第六开关管完全导通时，降压模式第三模态结束；
降压模式第四模态：第二开关管、第四开关管和第六开关管完全导通；第二电源和第四电容给第三电容和第一寄生电感充电；第二电容给第一寄生电感充电；第一电容向第一电感提供能量；当第一漏感的电流降至零时，降压模式第四模态结束；
降压模式第五模态：第二开关管、第四开关管和第六开关管完全导通；第二电源和第四电容给第三电容和第一寄生电感充电；第一漏感给第二电容充电；第一电容给第一电感提供能量；降压模式第五模态结束。
8.根据权利要求1-7任一项所述的一种双向隔离变换器的拓扑结构，其特征在于，
所述第一开关管为场效应管，第一开关管的第一端为场效应管的漏极，第一开关管的第二端为场效应管的源极，第一开关管的第三端为场效应管的栅极；
所述第二开关管为场效应管，第二开关管的第一端为场效应管的漏极，第二开关管的第二端为场效应管的源极，第二开关管的第三端为场效应管的栅极；
所述第三开关管为场效应管，第三开关管的第一端为场效应管的漏极，第三开关管的第二端为场效应管的源极，第三开关管的第三端为场效应管的栅极；
所述第四开关管为场效应管，第四开关管的第一端为场效应管的漏极，第四开关管的第二端为场效应管的源极，第四开关管的第三端为场效应管的栅极；
所述第五开关管为场效应管，第五开关管的第一端为场效应管的漏极，第五开关管的第二端为场效应管的源极，第五开关管的第三端为场效应管的栅极；
所述第六开关管为场效应管，第六开关管的第一端为场效应管的漏极，第六开关管的第二端为场效应管的源极，第六开关管的第三端为场效应管的栅极。
9.一种双向隔离变换器，其特征在于，包括如权利要求1-7任一项所述的拓扑结构。
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