CN216564946U - 一种应用于宽电压范围的双端有源混合桥变换器拓扑结构 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种应用于宽电压范围的双端有源混合桥变换器拓扑结构，其特征在于，包括以下部分：双端有源混合桥变换器、三电平电路、半桥电路、主控制板电路、隔直电容、传输电感、隔离变压器：所述双端有源混合桥变换器左侧是三电平电路以及主控制板电路，所述双端有源混合桥变换器右侧是半桥电路，所述三电平电路和半桥电路通过隔直电容、传输电感以及起隔离变压作用的高频隔离变压器连接。本实用新型所提供的双端有源混合桥变换器拓扑结构在改进的驱动方式下，既能在宽输入电压范围工作，又解决了三电平电路存在的切换点问题，具有宽输入电压范围、低电压应力、高效率等优点。

Description

一种应用于宽电压范围的双端有源混合桥变换器拓扑结构

技术领域

本实用新型涉及DC-DC变换器技术领域，尤其涉及一种应用于宽电压范围的双端有源混合桥变换器拓扑结构。

背景技术

随着能源的不断减少，人们对能源的需求却日益增加，对能源的保护和充分利用越来越得到人们的重视，其中电能是我们生活中运用最广泛的一种能量。在实际生活中，电能流动的各个系统之间有不同的最佳电压工作点，在该点附近时各系统能够更好的工作，电路会有更高的效率，也能让整个系统有更好的性能，同时能工作更长的时间。然而，往往这些电能流动的各个系统有不同的最佳电压工作点，为了更好的利用电能，在各个系统间加上合适的电压变换器是很有必要的。

相比于单向DC-DC变换器，双向DC-DC变换器适用于有能量双向流动的场合。双向DC-DC变换器最开始提出就是在存在能量双向流动的场合，为了将充电器、放电器结合在一起，从而简化电路结构，减轻变换器重量，降低成本并提高电路的可靠性。双向变换器实际上是一个“一机两用”的电路，充电、放电时共用一套主电路，通过控制开关的驱动信号来控制能量的双向传输。

由于双向DC-DC变换器能量双向传递的特性，其与储能单元搭配起来构成的系统被广泛应用于许多热门领域，比如：多能源混合发电系统，分布式发电，电动汽车等，其主要工作原理为：当能量充足时，双向DC-DC变换器将多余的能量传输到储能系统中存储起来；当能量不足时，双向DC-DC变换器将不足的能量用储能系统中能量补足，从而实现能量的充分利用，保证类似可再生能源这样具有间歇性、随机性的发电源也可以提供稳定的电能。

双向DC-DC变换器按照是否含有隔离型变压器可以分成非隔离型双向DC-DC变换器和隔离性双向DC-DC变换器。由于非隔离型双向DC-DC变换器没有隔离变压器，输入输出之间不隔离，而且由于没有变压器变比，输入输出电压比不能过大，因此隔离型变压器在实际应用中更加广泛。

最典型的一种隔离型双向DC-DC变换器是双端有源桥式DC-DC变换器，其电路左右两端都是全桥结构。由于这种变换器控制简单，结构对称，所以被广泛应用在各个场合。但是，双端有源全桥变换器并不适用于宽输入电压范围的场合。

因而现有隔离型双向DC-DC变换器拓扑结构还有待改进和提高。

实用新型内容

本实用新型的目的在于：为了解决上述问题，而提出的一种应用于宽电压范围的双端有源混合桥变换器拓扑结构。

为了实现上述目的，本实用新型采用了如下技术方案：

一种应用于宽电压范围的双端有源混合桥变换器拓扑结构，其特征在于，包括以下部分：

双端有源混合桥变换器、三电平电路、半桥电路、主控制板电路、隔直电容、传输电感、隔离变压器：

所述双端有源混合桥变换器左侧是三电平电路以及主控制板电路，所述双端有源混合桥变换器右侧是半桥电路，所述三电平电路和半桥电路通过隔直电容、传输电感以及起隔离变压作用的高频隔离变压器连接。

优选地，所述双端有源混合桥变换器左侧的三电平电路由直流电压源V₁通过所述三电平电路左侧桥臂的两个电容C₁₁、C₁₂与三电平电路右侧桥臂的四个开关管S₁～S₄相连，所述三电平电路右侧上桥臂中开关管S₁、S₂的中点A与所述三电平电路右侧下桥臂中开关管S₃、S₄的中点B之间的电压差为V_AB，所述三电平电路能够产生四种开关组合1～4，所述四种开关组合能产生V₁,V₁/2,0三个电压电平，所述开关组合1为开关管S₁、S₄导通，所述开关管S₂、S₃关断，产生的电压电平V_AB为V₁，所述开关组合2为开关管S₁、S₃导通，所述开关管S₂、S₄关断，产生的电压电平V_AB为V₁/2，所述开关组合3为开关管S₂、S₄导通，所述开关管S₁、S₃关断，产生的电压电平V_AB为V₁/2，所述开关组合4为开关管S₂、S₃导通，所述开关管S₁、S₄关断，产生的电压电平V_AB为V₁。

优选地，所述半桥电路由输出端电压V₂通过半桥电路右侧桥臂的两个电容C₂₁、C₂₂两个开关管与所述半桥电路左侧桥臂的两个开关管Q₁、Q₂相连，所述半桥电路左侧桥臂中开关管Q₁、Q₂的中点C与所述半桥电路右侧桥臂中电容C₂₁、C₂₂的中点D之间的电压差为V_CD。

优选地，所述三电平电路与半桥电路通过隔直电容C、交流电感L和高频隔离变压器连接组成，所述交流电感L包含了变压器漏感，所述高频隔离变压器原副边匝数比为n:1，所述电感L用于变换器能量的存储和双向传输，所述变压器用于隔离和降低变压器两侧电压的电压差，所述三电平电路中AB两点间的电压经过隔离电容后的电压为v_ab，所述半桥电路中CD两点间的电压折算到原边侧的电压为v_cd。

优选地，所述双端有源混合桥变换器采用一种新型控制方式，所述控制方式为单PWM加移相控制，即在移相控制的基础上增加了所述双端有源混合桥变换器左侧电路产生方波的占空比D₁。

综上所述，由于采用了上述技术方案，本实用新型的有益效果是：

本申请中，通过以上技术方案，与现有技术相比，本实用新型所提供的双端有源混合桥变换器拓扑结构在改进的驱动方式下，既能在宽输入电压范围工作，又解决了三电平电路存在的切换点问题。

附图说明

图1是双端有源混合桥变换器的主电路拓扑结构示意图；

图2是两周期组合驱动方式开关组合示意图；

图3是采用两周期组合驱动方式波形图；

图4是采用单PWM加移相控制时传输功率标幺值P₀ ^*随移相角D_φ的变化曲线图；

图5是采用单PWM加移相控制时所有开关管实现零电压开通ZVS的功率范围图。

具体实施方式

下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，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它实施例，都属于本实用新型保护的范围。

请参阅图1-3，本实用新型提供一种技术方案：

一种应用于宽电压范围的双端有源混合桥变换器拓扑结构，包括以下部分：

双端有源混合桥变换器、三电平电路、半桥电路、主控制板电路、隔直电容、传输电感、隔离变压器：

双端有源混合桥变换器左侧是三电平电路以及主控制板电路，双端有源混合桥变换器右侧是半桥电路，三电平电路和半桥电路通过隔直电容、传输电感以及起隔离变压作用的高频隔离变压器连接，主电路芯片采用的DSP2812。

具体的，如图1所示，双端有源混合桥变换器左侧的三电平电路由直流电压源V₁通过三电平电路左侧桥臂的两个电容C₁₁、C₁₂与三电平电路右侧桥臂的四个开关管S₁～S₄相连，三电平电路右侧上桥臂中开关管S₁、S₂的中点A与三电平电路右侧下桥臂中开关管S₃、S₄的中点B之间的电压差为V_AB，三电平电路能够产生四种开关组合1～4，四种开关组合能产生V₁,V₁/2,0三个电压电平，开关组合1为开关管S₁、S₄导通，开关管S₂、S₃关断，产生的电压电平V_AB为V₁，开关组合2为开关管S₁、S₃导通，开关管S₂、S₄关断，产生的电压电平V_AB为V₁/2，开关组合3为开关管S₂、S₄导通，开关管S₁、S₃关断，产生的电压电平V_AB为V₁/2，开关组合4为开关管S₂、S₃导通，开关管S₁、S₄关断，产生的电压电平V_AB为V₁。

具体的，如图1所示，半桥电路由输出端电压V₂通过半桥电路右侧桥臂的两个电容C₂₁、C₂₂两个开关管与半桥电路左侧桥臂的两个开关管Q₁、Q₂相连，半桥电路左侧桥臂中开关管Q₁、Q₂的中点C与半桥电路右侧桥臂中电容C₂₁、C₂₂的中点D之间的电压差为V_CD。

具体的，如图1所示，三电平电路与半桥电路通过隔直电容C、交流电感L和高频隔离变压器连接组成，交流电感L包含了变压器漏感，高频隔离变压器原副边匝数比为n:1，电感L用于变换器能量的存储和双向传输，变压器用于隔离和降低变压器两侧电压的电压差，三电平电路中AB两点间的电压经过隔离电容后的电压为v_ab，半桥电路中CD两点间的电压折算到原边侧的电压为v_cd。

具体的，如图1所示，双端有源混合桥变换器采用一种新型控制方式，控制方式为单PWM加移相控制，即在移相控制的基础上增加了双端有源混合桥变换器左侧电路产生方波的占空比D₁。

在图1主电路拓扑结构中，双端有源混合桥变换器右侧为半桥电路，右侧半桥电路不存在中点电位不平衡的情况，双端有源混合桥变换器右侧开关管S₁～S₄导通状况对双端有源混合桥变换器左侧桥臂的两个隔直电容C₁₁、C₁₂充放电状态的影响可以用电感电流的方向表示，在此为简化分析，不考虑右侧电路的实际工作状况，只分析电感电流方向确定、驱动信号确定时左侧电容C₁₁、C₁₂的充放电状态。对于开关组合1、4这两种情况，没有中点电位不平衡的问题。对于开关组合2、3这两种情况，存在中点电位不平衡的问题。

考虑到中点电位平衡、开关管开关损耗、开关管导通损耗、开关管切换的问题，对四种开关组合情况的单周期驱动方式进行组合，如图2所示为两周期组合驱动方式开关组合示意图，在图2驱动方式开关组合示意图中，v_ab是三电平电路中AB两点间的电压经过隔离电容后的电压，A₁～A₈是八个不同的工作模态区间，工作模态区间采用的开关组合方式为开关组合方式2和3，开关组合方式对应的时间为两个开关周期。

图3是根据图2绘制的两周期组合驱动方式的波形，D₁是开关组合方式1的占空比，T_s是开关周期，两周期组合驱动方式满足中点电位平衡和导通损耗平衡，且不会产生电压尖峰。

图4是采用单PWM加移相控制时传输功率标幺值P₀ ^*随移相角D_φ的变化曲线图，双端有源混合桥变换器的控制方式为单PWM加移相控制，即在移相控制的基础上增加了双端有源混合桥变换器左侧电路产生方波的占空比D₁，三电平电路中AB两点间的电压经过隔离电容后的电压v_ab和半桥电路中CD两点间的电压折算到原边侧的电压v_cd之间的移相角对应的占空比为D_φ(电压周期为T_s)，高频变压器的原副边电压比为m，在正向功率传输的情况下，D₁，D_φ的不同组合可以得到三种不同的电压模式和电流波形，把这三种情况称为PatternA、Pattern B和Pattern C，这三种情况下，D₁，D_φ的关系为：

定义功率基准P_base＝V_ab ²/8Lf_s，可以得到采用单PWM加移相控制时传输功率标幺值P₀ ^*的表达式为：

功率传输时的分界处采用单PWM加移相控制时传输功率标幺值P₀ ^*的表达式为：

根据传输功率标幺值P_o ^*和移相角D_φ、电压比m、左侧PWM波占空比D₁的关系，绘制单PWM加移相控制时传输功率标幺值P₀ ^*随移相角D_φ的变化曲线图如图4所示，根据功率分界线划分为A、B、C三块区域，分别表示三种工作模式工作的范围，移相角D_φ的正负决定功率传输的方向。

当D₁、m确定时，在D_φ∈[-0.5，0.5]时，传输功率随移相角的增大而增大；当D_φ∈[-1，0.5]和D_φ∈[0.5，1]时，传输功率随着移相角的增大而减小；当D_φ＝-0.5或者D_φ＝-0.5时，传输功率最大。当D_φ、D₁确定时，传输功率的大小随m成比例变化；当D_φ＝0.5，D₁＝1时，传输功率的标幺值取最大值m。当D_φ、m确定时，传输功率随着D₁的增大而增大，当D₁＝1时取到最大值。

结合图4中由传输功率标幺值P_o ^*和移相角D_φ、电压比m、左侧PWM波占空比D₁的关系可知，保证D_φ∈[-0.5，0.5]既可满足传输功率要求又可保证系统产生的无功功率尽可能小，即实际实验和应用中应将移相角控制在-0.5到0.5之间工作，故只用分析Pattern A，Pattern B时的软开关情况，由软开关条件和功率表达式，可得：

依据表达式VI绘制如图5所示的采用单PWM加移相控制时所有开关管实现零电压开通ZVS的功率范围图，图5中阴影部分即为软开关范围，可以看出只要对D₁、D_φ进行合理控制使得变换器工作的曲线在阴影区域内，就可以实现全负载范围内所有开关管的软开关。

本实用新型提供的一种应用于宽电压范围的双端有源混合桥变换器拓扑结构在采用单PWM加移相控制时，只要对移相角D_φ和电感左侧电压v_ab的占空比D₁进行合理控制，就能实现任意电压比下全负载范围的软开关，在一定程度上为现在市面大多数双端变换器不适用于宽输入电压范围的场合这一问题提供了一种新的解决思路。

实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本实用新型。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本实用新型的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本实用新型将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (5)

1.一种应用于宽电压范围的双端有源混合桥变换器拓扑结构，其特征在于，包括以下部分：

双端有源混合桥变换器、三电平电路、半桥电路、主控制板电路、隔直电容、传输电感、隔离变压器：

所述双端有源混合桥变换器左侧是三电平电路以及主控制板电路，所述双端有源混合桥变换器右侧是半桥电路，所述三电平电路和半桥电路通过隔直电容、传输电感以及起隔离变压作用的高频隔离变压器连接。

2.根据权利要求1所述的一种应用于宽电压范围的双端有源混合桥变换器拓扑结构，其特征在于，所述双端有源混合桥变换器左侧的三电平电路由直流电压源V₁通过所述三电平电路左侧桥臂的两个电容C₁₁、C₁₂与三电平电路右侧桥臂的四个开关管S₁～S₄相连，所述三电平电路右侧上桥臂中开关管S₁、S₂的中点A与所述三电平电路右侧下桥臂中开关管S₃、S₄的中点B之间的电压差为V_AB，所述三电平电路能够产生四种开关组合1～4，所述四种开关组合能产生V₁,V₁/2,0三个电压电平，所述开关组合1为开关管S₁、S₄导通，所述开关管S₂、S₃关断，产生的电压电平V_AB为V₁，所述开关组合2为开关管S₁、S₃导通，所述开关管S₂、S₄关断，产生的电压电平V_AB为V₁/2，所述开关组合3为开关管S₂、S₄导通，所述开关管S₁、S₃关断，产生的电压电平V_AB为V₁/2，所述开关组合4为开关管S₂、S₃导通，所述开关管S₁、S₄关断，产生的电压电平V_AB为V₁。

3.根据权利要求1所述的一种应用于宽电压范围的双端有源混合桥变换器拓扑结构，其特征在于，所述半桥电路由输出端电压V₂通过半桥电路右侧桥臂的两个电容C₂₁、C₂₂两个开关管与所述半桥电路左侧桥臂的两个开关管Q₁、Q₂相连，所述半桥电路左侧桥臂中开关管Q₁、Q₂的中点C与所述半桥电路右侧桥臂中电容C₂₁、C₂₂的中点D之间的电压差为V_CD。

4.根据权利要求1所述的一种应用于宽电压范围的双端有源混合桥变换器拓扑结构，其特征在于，所述三电平电路与半桥电路通过隔直电容C、交流电感L和高频隔离变压器连接组成，所述交流电感L包含了变压器漏感，所述高频隔离变压器原副边匝数比为n:1，所述电感L用于变换器能量的存储和双向传输，所述变压器用于隔离和降低变压器两侧电压的电压差，所述三电平电路中AB两点间的电压经过隔离电容后的电压为v_ab，所述半桥电路中CD两点间的电压折算到原边侧的电压为v_cd。

5.根据权利要求1所述的一种应用于宽电压范围的双端有源混合桥变换器拓扑结构，其特征在于，所述双端有源混合桥变换器采用一种新型控制方式，所述控制方式为单PWM加移相控制，即在移相控制的基础上增加了所述双端有源混合桥变换器左侧电路产生方波的占空比D₁。

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