CN202634280U - 隔离式半桥三电平双向dc/dc变换器 - Google Patents

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Abstract

本实用新型隔离式半桥三电平双向DC/DC变换器，包括输入侧半桥三电平电路和输出侧半桥三电平电路，输入侧半桥三电平电路和输出侧半桥三电平电路之间通过谐振电路和高频变压器连接。其中半桥三电平电路用于整流和逆变，谐振电路用于软开关控制，高频变压器用于隔离和变压。本实用新型隔离式半桥三电平双向DC/DC变换器的优点是：由于采用了多电平技术、谐振技术和移相控制技术，可以灵活地工作在两电平和三电平状态之间，并实现开关管的软开关，有效降低开关损耗，提高工作效率。其开关管的电压应力降低了一半，增大了电路的输入电压范围。同时，减小了变换器的体积，提高变换器的功率密度和动态性能，也降低了成本。

Description

隔离式半桥三电平双向DC/DC变换器
技术领域
本实用新型涉及双向DC/DC变换器，特别涉及一种隔离式半桥三电平双向DC/DC变换器。 
背景技术
双向DC/DC变换器具有使用功率器件少，体积小，功率密度高以及自动调节能量传输方向等优点，它已被广泛的应用在电动汽车与车载电源系统、不停电电源系统（UPS）、航空航天电源系统、燃料电池、新能源和分布式发电系统等应用场合。 
随着科学与生产的迅猛发展和对环境保护和节约能源的要求，对双向DC/DC变换器的需求越来越多。目前，双向DC/DC变换器的拓扑结构可分为隔离式和非隔离式的结构。近年来，半桥结构和全桥结构的双向隔离式DC/DC变换器多为两电平变换器，这种变换器具有可靠性高、结构简单的特点，但是每个开关管承受的电压应力均为输入电压或输出电压。鉴于当前的开关管电压水平，这种结构的输入/输出电压范围相应减小，很难实现在高电压条件下的应用。 
在应用双向DC/DC变换器的场合中，都要求尽可能的减小变换器的体积和重量，而提高开关管的工作频率可以实现小型化的要求，所以双向DC/C变换器的高频化对于提高整个变换器的功率密度具有重要的意义。但是在提高开关频率的同时，又带来了开关管的开关损耗问题。有效降低开关损耗是双向DC/DC变换器能否高频化运行的关键。 
实用新型内容
本实用新型的目的是克服上述缺陷，提供一种隔离式半桥三电平双向DC/DC变换器，可以在不同的输入/输出电压和负载变化的情况下，通过移相调节使系统能够传输最大功率，拓宽开关管的软开关实现范围，减小器件的电压和电流应力及器件的损耗，提高系统的效率。 
为达到上述目的，本实用新型提供的一种隔离式半桥三电平双向DC/DC变换器，包括主回路及其移相控制电路，所述主回路包括： 
输入侧半桥三电平电路和输出侧半桥三电平电路，分别用于整流或逆变，具有相同的结 构； 
第一谐振电路和第二谐振电路，分别用于软开关控制； 
高频变压器，用于隔离和变压； 
其中，所述输入侧半桥三电平电路的输入端与输入网侧相连，所述输入侧半桥三电平电路的输出端与所述第一谐振电路的输入端相连，所述第一谐振电路的输出端与所述高频变压器初级侧相连，所述高频变压器次级侧与所述第二谐振电路的输入端相连，所述第二谐振电路的输出端与所述输出侧半桥三电平电路的输入端相连，所述输出侧半桥三电平电路的输出端与输出网侧相连；所述输入侧半桥三电平电路内具有第一移相角，所述输出侧半桥三电平电路内具有第二移相角，所述输入侧半桥三电平电路与所述输出侧半桥三电平电路之间具有第三移相角，所述移相控制电路输出对三个移相角的控制信号。当能量从所述输入网侧流向所述输出网侧时，所述输入侧半桥三电平电路处于逆变状态，所述输出侧半桥三电平电路处于整流状态；当能量从所述输出侧流向所述输入侧时，所述输入侧半桥三电平电路处于整流状态，所述输出侧半桥三电平电路处于逆变状态。 
本实用新型隔离式半桥三电平双向DC/DC变换器，其中所述半桥三电平电路包括半桥三电平桥臂、分压电路、箝位电路和飞跨电容，其中： 
所述输入侧半桥三电平电路包括半桥三电平桥臂、分压电路、箝位电路和高频变压器初级侧飞跨电容，其中： 
所述半桥三电平桥臂包括依次正向串联的第一开关管、第二开关管、第三开关管、第四开关管，所述第二开关管和第三开关管的串联中点与所述第一谐振电路相连，所述第一开关管、第二开关管、第三开关管、第四开关管各自并联一个体二极管和一个寄生电容； 
所述分压电路包括2个电容量相等的分压电容，2个分压电容串联后并联在输入网侧的正、负端； 
所述箝位电路包括正向串联的2个续流二极管，第一二极管的阴极与第一开关管和第二开关管的串联中点相连，第二二极管的阳极与第三开关管和第四开关管的串联中点相连；2个所述续流二极管的串联中点与2个所述分压电容的串联中点相连；所述高频变压器初级侧飞跨电容与所述箝位电路并联； 
所述输出侧半桥三电平电路包括另一半桥三电平桥臂、另一分压电路、另一箝位电路和高频变压器次级侧飞跨电容，其中： 
所述另一半桥三电平桥臂包括依次正向串联的另一第一开关管、另一第二开关管、另 一第三开关管、另一第四开关管，所述另一第二开关管和另一第三开关管的串联中点与所述第二谐振电路相连，所述另一第一开关管、另一第二开关管、另一第三开关管、另一第四开关管各自并联一个体二极管和一个寄生电容； 
所述另一分压电路包括另外2个电容量相等的分压电容，另外2个分压电容串联后并联在 
输出网侧的正、负端； 
所述另一箝位电路包括正向串联的另外2个续流二极管，另一第一二极管的阴极与另一第一开关管和另一第二开关管的串联中点相连，另一第二二极管的阳极与另一第三开关管和另一第四开关管的串联中点相连；所述另外2个续流二极管的串联中点与所述另外2个分压电容的串联中点相连；所述高频变压器次级侧飞跨电容与所述另一箝位电路并联。 
本实用新型隔离式半桥三电平双向DC/DC变换器，其中所述高频变压器初级侧飞跨电容的电压在稳态工作时为输入电压的一半，所述高频变压器次级侧飞跨电容的电压在稳态工作时为输出电压的一半。 
本实用新型隔离式半桥三电平双向DC/DC变换器，其中所述 
第一谐振电路和第二谐振电路分别为由电感和电容组成的串并联电路，包括相互串联的第一谐振电感和第一谐振电容，其串联结点为输出端。 
本实用新型隔离式半桥三电平双向DC/DC变换器，其中所述第一谐振电路和第二谐振电路分别为由电感和电容组成的串并联电路，包括相互串联的第一谐振电感和第一谐振电容，所述第一谐振电容的另一端为输出端。 
本实用新型隔离式半桥三电平双向DC/DC变换器，其中所述第一谐振电路和第二谐振电路分别为由电感和电容组成的串并联电路，包括相互串联的第一谐振电感、第一谐振电容和第二谐振电感，所述第一谐振电容与所述第二谐振电感的串联结点为输出端。 
本实用新型隔离式半桥三电平双向DC/DC变换器，其中所述第一谐振电路和第二谐振电路分别为由电感和电容组成的串并联电路，包括相互串联的第一谐振电感、第一谐振电容和第二谐振电容，所述第一谐振电容与所述第二谐振电容的串联结点为输出端。 
本实用新型隔离式半桥三电平双向DC/DC变换器，其中所述第一谐振电路和第二谐振电路分别为由电感和电容组成的串并联电路，包括相互串联的第一谐振电感、第一谐振电容、第二谐振电感和第二谐振电容，所述第一谐振电容与所述第二谐振电感的串联结点为输出端。 
本实用新型隔离式半桥三电平双向DC/DC变换器的优点和积极效果在于：由于采用了多电平技术、谐振技术和移相技术，该变换器可以灵活地工作在两电平和三电平状态之间，它可 以实现开关管的软开关，有效降低了开关器件的开关损耗，提高了变换器的工作效率。其开关管的电压应力降低了一半，增大了电路的输入/输出电压范围。同时，减小了变换器的体积，提高变换器的功率密度和动态性能，也降低了成本。 
下面将结合实施例参照附图进行详细说明。 
附图说明
图1是本实用新型隔离式半桥三电平双向DC/DC变换器的结构图； 
图2是本实用新型隔离式半桥三电平双向DC/DC变换器的电路图； 
图3（a）是谐振电路的第一种电路结构图； 
图3（b）是谐振电路的第二种电路结构图； 
图3（c）是谐振电路的第三种电路结构图； 
图3（d）是谐振电路的第四种电路结构图； 
图3（e）是谐振电路的第五种电路结构图； 
图4（a）是在φ＞0时，单移相的工作波形； 
图4（b）是在φ＜0时，单移相的工作波形； 
图4（c）是在φ＞0时，输出侧桥臂之间移相的工作波形； 
图4（d）是在φ＜0时，输出侧桥臂之间移相的工作波形； 
图5（a）是在φ＞0时双移相的工作波形； 
图5（b）是在φ＞0时双移相的工作波形。 
具体实施方式
参照图1，本实用新型隔离式半桥三电平双向DC/DC变换器，包括主回路及其移相控制电路。主回路包括输入侧半桥三电平电路、第一谐振电路Zp、高频变压器Tr、第二谐振电路Zs和输出侧半桥三电平电路。输入侧半桥三电平电路和输出侧半桥三电平电路分别用于整流或逆变，具有相同的结构。第一谐振电路Zp和第二谐振电路Zs分别用于软开关控制。高频变压器Tr，用于隔离和变压。输入侧半桥三电平电路的输入端与输入网侧相连，输入侧半桥三电平电路的输出端与第一谐振电路Zp的输入端相连，第一谐振电路Zp的输出端与高频变压器初级侧相连，高频变压器次级侧与第二谐振电路Zs的输入端相连，第二谐振电路Zs的输出端与 输出侧半桥三电平电路的输入端相连，输出侧半桥三电平电路的输出端与输出网侧相连。 
在本实用新型隔离式半桥三电平双向DC/DC变换器的实施例中，参照图2，上述半桥三电平电路，即输入侧半桥三电平电路和输出侧半桥三电平电路，分别包括半桥三电平桥臂、分压电路、箝位电路和飞跨电容。 
输入侧半桥三电平电路包括半桥三电平桥臂、分压电路、箝位电路和高频变压器初级侧飞跨电容Css1，其中：半桥三电平桥臂包括依次正向串联的第一开关管S1或S1′、第二开关管S2或S2′、第三开关管S3或S3′、第四开关管S4或S4′。第二开关管S2或S2′和第三开关管S3或S3′的串联中点与谐振电路Zp相连。4个开关管，即第一开关管S1、第二开关管S2、第三开关管S3、第四开关管S4各自并联一个体二极管和一个寄生电容。 
分压电路包括2个电容量相等的分压电容C11和C12或C21和C22，2个分压电容C11和C12或C21和C22串联后并联在输入网侧的正、负端。 
箝位电路包括正向串联的2个续流二极管D11和D12或D21和D22，第一二极管D11或D21的阴极与第一开关管S1或S1′和第二开关管S2或S2′的串联中点相连，第二二极管D12或D22的阳极与第三开关管S3或S3′和第四开关管S4或S4′的串联中点相连。 
2个所述续流二极管D11和D12的串联中点与2个所述分压电容C11和C12的串联中点相连。高频变压器初级侧飞跨电容Css1与箝位电路并联。 
输出侧半桥三电平电路包括另一半桥三电平桥臂、另一分压电路、另一箝位电路和高频变压器次级侧飞跨电容Css2，其中： 
另一半桥三电平桥臂包括依次正向串联的另一第一开关管S1′、另一第二开关管S2′、另一第三开关管S3′、另一第四开关管S4′，另一第二开关管S2′和另一第三开关管S3′的串联中点与所述第二谐振电路Zs相连，所述另一第一开关管S1′、另一第二开关管S2′、另一第三开关管S3′、另一第四开关管S4′各自并联一个体二极管和一个寄生电容。 
另一分压电路包括另外2个电容量相等的分压电容C21和C22，另外2个分压电容C21和C22串联后并联在输出网侧的正、负端。 
另一箝位电路包括正向串联的另外2个续流二极管D21和D22，另一第一二极管D21的阴极与另一第一开关管S1′和另一第二开关管S2′的串联中点相连，另一第二二极管D22的阳极与另一第三开关管S3′和另一第四开关管S4′的串联中点相连。另外2个续流二极管D21和D22的串 联中点与所述另外2个分压电容C21和C22的串联中点相连。高频变压器次级侧飞跨电容Css2与所述另一箝位电路并联。 
高频变压器初级侧飞跨电容Css1的电压在稳态工作时为输入电压的一半，次级侧飞跨电容Css2的电压在稳态工作时为输出电压的一半。 
在本实用新型隔离式半桥三电平双向DC/DC变换器的实施例中，参照图3（a），第一谐振电路Zp和第二谐振电路Zs分别为由电感和电容组成的串并联电路，包括相互串联的第一谐振电感L11和第一谐振电容C111，其串联结点为输出端。 
参照图3（b），第一谐振电路Zp和第二谐振电路Zs分别为由电感和电容组成的串并联电路，包括相互串联的第一谐振电感L21和第一谐振电容C211，第一谐振电容C211的另一端为输出端。 
参照图3（c），第一谐振电路Zp和第二谐振电路Zs分别为由电感和电容组成的串并联电路，包括相互串联的第一谐振电感L31、第一谐振电容C31和第二谐振电感L32，第一谐振电容C31与第二谐振电感L32的串联结点为输出端。 
参照图3（d），第一谐振电路Zp和第二谐振电路Zs分别为由电感和电容组成的串并联电路，包括相互串联的第一谐振电感L41、第一谐振电容C41和第二谐振电容C42，第一谐振电容C41与第二谐振电容C42的串联结点为输出端。 
参照图3（e），第一谐振电路Zp和第二谐振电路Zs分别为由电感和电容组成的串并联电路，包括相互串联的第一谐振电感L51、第一谐振电容C51、第二谐振电感L52和第二谐振电容C52，第一谐振电容C51与第二谐振电感L52的串联结点为输出端。 
本实用新型隔离式半桥三电平双向DC/DC变换器，输入侧半桥三电平电路内具有第一移相角φp，输出侧半桥三电平电路内具有第二移相角φs，输入侧半桥三电平电路与输出侧半桥三电平电路之间具有第三移相角φ，移相控制电路输出对三个移相角的控制信号，当能量从输入网侧流向输出网侧时，输入侧半桥三电平电路处于逆变状态，输出侧半桥三电平电路处于整流状态；当能量从输出侧流向输入侧时，输入侧半桥三电平电路处于整流状态，输出侧半桥三电平电路处于逆变状态。 
下面说明本实用新型隔离式半桥三电平双向DC/DC变换器移相控制的工作原理。 
本实用新型隔离式半桥三电平双向DC/DC变换器的工作模式分为两种，一种是能量由输入侧流向输出侧，输入侧半桥三电平电路工作在逆变状态，输出侧半桥三电平电路工作在整流状态，输入侧半桥三电平电路和输出侧半桥三电平电路之间的移相角φ为正；一种是能量由输出侧流向输入侧，输入侧半桥三电平电路工作在整流状态，输出侧半桥三电平电路工作在逆变状态，输入侧半桥三电平电路和输出侧半桥三电平电路之间的移相角φ为负。在两个半桥三电平电路中，位于飞跨电容外的两个开关管始终为超前桥臂，位于飞跨电容内的两个管子始终作为滞后桥臂，通过调节半桥三电平电路内的移相角φp和φs的值，使输入侧电压和输出侧电压分别为两电平或者三电平。在能量双向流动时，通过调节三个移相角的大小控制输出能量的多少。 
参照图4（a），给出了在φ＞0时，输入侧桥臂之间移相时的工作波形。 
参照图4（b），给出了在φ＜0时，输入侧桥臂之间移相时的工作波形。 
参照图4（c），给出了在φ＞0时，输出侧桥臂之间移相时的工作波形。 
参照图4（d），给出了在φ＜0时，输出侧桥臂之间移相时的工作波形。 
参照图5（a），给出了在φ＞0时的工作波形。 
参照图5（b），给出了在φ＜0时的工作波形。 
本实用新型隔离式半桥三电平双向DC/DC变换器的移相控制在不同的输入/输出电压和负载变化的情况下，通过调节三个移相角，使系统能够传输最大功率，拓宽了开关管的软开关实现的范围，减小了的电压和电流应力及器件的损耗，减小了高频变压器的体积和相对的损耗，减少了无功和环流的存在，也提高了系统的效率。 
上面所述的实施例仅仅是对本实用新型的优选实施方式进行描述，并非对本实用新型的构思和范围进行限定，在不脱离本实用新型设计方案前提下，本领域中普通工程技术人员对本实用新型的技术方案做出的各种变型和改进，均应落入本实用新型的保护范围，本实用新型请求保护的技术内容，已经全部记载在权利要求书中。 

Claims (8)

1.一种隔离式半桥三电平双向DC/DC变换器，包括主回路及其移相控制电路，其特征在于：所述主回路包括：
输入侧半桥三电平电路和输出侧半桥三电平电路，分别用于整流或逆变，具有相同的结构；
第一谐振电路（Zp）和第二谐振电路（Zs），分别用于软开关控制；
高频变压器（Tr），用于隔离和变压；
其中，所述输入侧半桥三电平电路的输入端与输入网侧相连，所述输入侧半桥三电平电路的输出端与所述第一谐振电路（Zp）的输入端相连，所述第一谐振电路（Zp）的输出端与所述高频变压器初级侧相连，所述高频变压器次级侧与所述第二谐振电路（Zs）的输入端相连，所述第二谐振电路（Zs）的输出端与所述输出侧半桥三电平电路的输入端相连，所述输出侧半桥三电平电路的输出端与输出网侧相连；所述输入侧半桥三电平电路内具有第一移相角（φp），所述输出侧半桥三电平电路内具有第二移相角（φs），所述输入侧半桥三电平电路与所述输出侧半桥三电平电路之间具有第三移相角（φ），所述移相控制电路输出对三个移相角的控制信号，当能量从所述输入网侧流向所述输出网侧时，所述输入侧半桥三电平电路处于逆变状态，所述输出侧半桥三电平电路处于整流状态；当能量从所述输出侧流向所述输入侧时，所述输入侧半桥三电平电路处于整流状态，所述输出侧半桥三电平电路处于逆变状态。
2.根据权利要求1所述的隔离式半桥三电平双向DC/DC变换器，其特征在于：其中所述输入侧半桥三电平电路包括半桥三电平桥臂、分压电路、箝位电路和高频变压器初级侧飞跨电容（Css1），其中：
所述半桥三电平桥臂包括依次正向串联的第一开关管（S1）、第二开关管（S2）、第三开关管（S3）、第四开关管（S4），所述第二开关管（S2）和第三开关管（S3）的串联中点与所述第一谐振电路（Zp）相连，所述第一开关管（S1）、第二开关管（S2）、第三开关管（S3）、第四开关管（S4）各自并联一个体二极管和一个寄生电容；
所述分压电路包括2个电容量相等的分压电容（C11和C12），2个分压电容（C11和C12） 串联后并联在输入网侧的正、负端；
所述箝位电路包括正向串联的2个续流二极管（D11和D12），第一二极管（D11）的阴极与第一开关管（S1）和第二开关管（S2）的串联中点相连，第二二极管（D12）的阳极与第三开关管（S3）和第四开关管（S4）的串联中点相连；2个所述续流二极管（D11和D12）的串联中点与2个所述分压电容（C11和C12）的串联中点相连；所述高频变压器初级侧飞跨电容（Css1）与所述箝位电路并联；
所述输出侧半桥三电平电路包括另一半桥三电平桥臂、另一分压电路、另一箝位电路和高频变压器次级侧飞跨电容（Css2），其中：
所述另一半桥三电平桥臂包括依次正向串联的另一第一开关管（S1′）、另一第二开关管（S2′）、另一第三开关管（S3′）、另一第四开关管（S4′），所述另一第二开关管（S2′）和另一第三开关管（S3′）的串联中点与所述第二谐振电路（Zs）相连，所述另一第一开关管（S1′）、另一第二开关管（S2′）、另一第三开关管（S3′）、另一第四开关管（S4′）各自并联一个体二极管和一个寄生电容；
所述另一分压电路包括另外2个电容量相等的分压电容（C21和C22），另外2个分压电容（C21和C22）串联后并联在输出网侧的正、负端；
所述另一箝位电路包括正向串联的另外2个续流二极管（D21和D22），另一第一二极管（D21）的阴极与另一第一开关管（S1′）和另一第二开关管（S2′）的串联中点相连，另一第二二极管（D22）的阳极与另一第三开关管（S3′）和另一第四开关管（S4′）的串联中点相连；所述另外2个续流二极管（D21和D22）的串联中点与所述另外2个分压电容（C21和C22）的串联中点相连；所述高频变压器次级侧飞跨电容（Css2）与所述另一箝位电路并联。
3.根据权利要求1或2所述的隔离式半桥三电平双向DC/DC变换器，其特征在于：其中所述高频变压器初级侧飞跨电容（Css1）的电压在稳态工作时为输入电压的一半，所述高频变压器次级侧飞跨电容（Css2）的电压在稳态工作时为输出电压的一半。
4.根据权利要求3所述的隔离式半桥三电平双向DC/DC变换器，其特征在于：其中所述第一谐振电路（Zp）和第二谐振电路（Zs）分别为由电感和电容组成的串并联电路，包括相互串联的第一谐振电感（L11）和第一谐振电容（C111），其串联结点为输出端。
5.根据权利要求3所述的隔离式半桥三电平双向DC/DC变换器，其特征在于：其中所述第一谐振电路（Zp）和第二谐振电路（Zs）分别为由电感和电容组成的串并联电路，包括相 互串联的第一谐振电感（L21）和第一谐振电容（C211），所述第一谐振电容（C211）的另一端为输出端。
6.根据权利要求3所述的隔离式半桥三电平双向DC/DC变换器，其特征在于：其中所述第一谐振电路（Zp）和第二谐振电路（Zs）分别为由电感和电容组成的串并联电路，包括相互串联的第一谐振电感（L31）、第一谐振电容（C31）和第二谐振电感（L32），所述第一谐振电容（C31）与所述第二谐振电感（L32）的串联结点为输出端。
7.根据权利要求3所述的隔离式半桥三电平双向DC/DC变换器，其特征在于：其中所述第一谐振电路（Zp）和第二谐振电路（Zs）分别为由电感和电容组成的串并联电路，包括相互串联的第一谐振电感（L41）、第一谐振电容（C41）和第二谐振电容（C42），所述第一谐振电容（C41）与所述第二谐振电容（C42）的串联结点为输出端。
8.根据权利要求3所述的隔离式半桥三电平双向DC/DC变换器，其特征在于：其中所述第一谐振电路（Zp）和第二谐振电路（Zs）分别为由电感和电容组成的串并联电路，包括相互串联的第一谐振电感（L51）、第一谐振电容（C51）、第二谐振电感（L52）和第二谐振电容（C52），所述第一谐振电容（C51）与所述第二谐振电感（L52）的串联结点为输出端。 
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