TWI517545B - 雙向直流變換器 - Google Patents

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Description

雙向直流變換器
本發明涉及變換器領域，尤其涉及一種雙向直流變換器。
隔離型雙向直流變換器在帶有電池儲能的電子設備等中有著重要的應用，扮演著電池與直流母線之間的能量交換的橋樑的角色。低壓端電流型高壓端電壓型的隔離雙向直流變換器在應用中仍然存在一些技術問題。
例如，在將電池作為備用電源等應用中，由於電池電壓一般比直流母線電壓低，因而雙向直流變換器起著對電池充放電的作用。隔離型雙向直流變換器相對於非隔離型的雙向直流變換器，一方面有電氣隔離作用，另外一方面能夠更好地完成較高的變壓比。K.Wang,C.Y.Lin等人公開了一種低壓端電流型高壓端電壓型有源箝位的雙向直流變換器(參見“Bidirectional DC to DC converters for fuel systems,”Power Electronics in Transportation,1998,pp.47-51)，通過有源箝位開關元件配合橋臂開關元件進行動作，從而實現電壓的箝位以及部分開關元件的軟開關動作。
然而，這種實現軟開關動作的開關元件對有源箝位開關元件的依賴性很強，並且有源箝位開關元件本身是硬關斷，從而額外增加 了橋臂開關元件的電流。作為改進，Tsai-Fu Wu，Yung-Chu Chen等人提出了一種隔離型雙向直流變換器(參見“Isolated bidirectional full-bridge DC-DC converter with a flyback snubber”Power Electronics，IEEE Transactions on，vol.25，pp.1915-1922，2010)，該變換器通過採用反激式箝位電路配合變壓器中存在的漏感來實現軟開關，雖然這種箝位電路從功率電路中獨立出來且箝位電壓可以設定，但是橋臂開關元件的軟開關的實現仍需要變壓器漏感來實現，這在一定程度上將影響變壓器的傳輸效率。
鑒於上述問題，本申請提供一種雙向直流變換器，能夠實現在實現其中的開關元件的軟開關的同時提高變壓器的效率。
根據本發明的一個實施例，本申請所提供的雙向直流變換器包括：一次側逆變/整流模組，其位於一次側方向的兩端耦接至第一直流端，用來接受來自該第一直流端的直流電或向該第一直流端輸出直流電；隔離變壓器，包括原邊繞組及副邊繞組，該原邊繞組的兩端分別耦接至該一次側逆變/整流模組的位於二次側方向的兩端；二次側整流/逆變模組，包括至少一開關元件，該二次側整流/逆變模組位於一次側方向的兩端分別耦接至該副邊繞組的兩端，該二次側整流/逆變模組位於二次側方向的兩端耦接至第二直流端，該二次側整流/逆變模組將來自該隔離變壓器的能量進行整流並將整流後的電流輸出給該第二直流端或接受來自該第二直流端的直流電；其中，該一次側逆變/整流模組包括由串聯連接的第一開關元件和第二開關元件組成的第一橋臂及箝位電 路，該箝位電路包括諧振電感及由串聯連接的第一半導體元件和第二半導體元件組成的箝位橋臂，其中該諧振電感的兩端分別連接至該第一開關元件和該第二開關元件的共節點及該第一半導體元件和該第二半導體元件的共節點。
本申請提出的雙向能量傳輸電路拓撲結構，通過採用外加諧振電感以及箝位二極體的結構，使得橋臂上的開關元件的軟開關實現不再依賴變壓器漏感，變壓器漏感因此可以設計到最小，有利於變壓器效率的提高。進一步地，通過使用本申請的箝位二極體而能夠有效箝住橋臂電壓，限制了電壓尖峰。
1‧‧‧一次側直流端
2‧‧‧一次側逆變/整流模組
3‧‧‧隔離變壓器
4‧‧‧二次側整流/逆變模組
5‧‧‧濾波電感
6‧‧‧二次側直流端
7‧‧‧控制電路
B、C、D、E‧‧‧中點、節點
C1、C2、C3、C4、C5、C6、C7、C8‧‧‧並聯電容
CA‧‧‧高壓端電容
CB‧‧‧直流電容
Cb‧‧‧電容
D1、D2、D3、D4、D5、D6、D7、D8‧‧‧反並二極體
Dr1、Dr2‧‧‧半導體器件、箝位二極體
iLf、ip、iLr、iDr1、iDr2‧‧‧電流
Lf‧‧‧濾波電感
Lr‧‧‧諧振電感
Np：Ns‧‧‧原副邊匝比
S1、S2、S3、S4、S5、S6、S7、S8‧‧‧開關元件
T‧‧‧變壓器
t0-t18‧‧‧時段
VA、VB、Vg1-Vg8、VAB‧‧‧電壓
VDE‧‧‧輸出電壓
圖1為根據本申請的雙向直流變換器的結構框圖。
圖2為根據本申請第一實施例的雙向直流變換器的電路結構圖。
圖3為根據本申請第一實施例的雙向直流變換器還包括控制電路的電路結構圖。
圖4為圖3所示的控制電路中的控制模組的功能圖。
圖5為示出了在對本申請第一實施例的雙向直流變換器的單側施加高頻的開關信號時能量由高壓端向低壓端傳輸時的電路波形圖。
圖6至圖15為示出了在對本申請第一實施例的雙向直流變換器的單側施加高頻的開關信號時能量由高壓端向低壓端傳輸時的工作原理的電路圖。
圖16為示出了在對本申請第一實施例的雙向直流變換器的單側施 加高頻的開關信號時能量由低壓端向高壓端傳輸時的電路波形圖。
圖17至圖20為示出了在對本申請第一實施例的雙向直流變換器的單側施加高頻的開關信號時能量由低壓端向高壓端傳輸的工作原理的電路圖。
圖21為示出了在對本申請第一實施例的雙向直流變換器的兩側都施加高頻的開關信號時能量由高壓端向低壓端傳輸的電路波形圖。
圖22至圖31為示出了在對本申請第一實施例的雙向直流變換器的兩側都施加高頻的開關信號時能量由高壓端向低壓端傳輸的工作原理的電路圖。
圖32為示出了在對本申請第一實施例的雙向直流變換器的兩側都施加高頻的開關信號時能量由低壓端向高壓端傳輸的電路波形圖。
圖33至圖39為示出了在本申請的雙向直流變換器中在兩側都施加高頻的開關信號時能量由低壓端向高壓端傳輸的工作原理的電路圖。
圖40為示出了根據本申請的第二實施例的雙向直流變換器的電路結構圖。
圖41為根據本申請的第二實施例的雙向直流變換器從高壓端向低壓端傳輸能量的電路波形圖。
圖42為根據本申請的第二實施例的雙向直流變換器從低壓端向高 壓端傳輸能量的電路波形圖。
圖43為示出了根據本申請的第三實施例的雙向直流變換器的電路結構圖。
圖44為示出了根據本申請的第四實施例的雙向直流變換器的電路結構圖。
下面將詳細描述本申請的具體實施例。應當注意，這裡描述的實施例只用於舉例說明，並不用於限制本申請。
現將參考圖式(其中示出了本申請的示例實施例)在下文中更全面地描述本申請。然而，可以由多種不同形式來實施本申請，並且本申請不應被解釋為限於本文所提出的實施例。更確切地說，提供這些實施例，從而本披露內容將為深入的和完整的，並且將向本領域普通技術人員全面地傳達本申請的範圍。類似的圖式標記通篇指代類似的元件。
本文所使用的術語僅是為了描述特定實施例，而非傾向于作為本申請的限制。如在本文所使用的，除非文中清楚地另有表示，單數形式“一個”、“一”以及“該”也傾向於包含複數形式。還應理解到，當在本文使用術語“包括”和/或“包括有”、“包含”和/或“包含有”、或“具備”和/或“具有”時，這些術語指定了所陳述的特徵、區域、整數、步驟、操作、元件和/或組件的存在，而並未排除一個或多個其它特徵、區域、整數、步驟、操作、元件、組件和/或其組合的存在或附加。
除了另有界定之外，本文所使用的所有術語(包含技術和科技術 語)具有如同本申請所屬的本領域普通技術人員通常理解的相同意義。還應理解到，除了本文所明確限定的之外，術語(如在通用字典中所限定的術語)應被解釋為具有與在相關技術和本披露內容中的意思相一致的意思，而不被解釋為理想化的或過於形式化的意義。
本申請提出的雙向直流變換器拓撲結構框圖如圖1所示，從左到右依次為一次側直流端1、一次側逆變/整流模組2、隔離變壓器3、二次側整流/逆變模組4、以及二次側直流端6。
一次側逆變/整流模組2位於一次側方向的兩端耦接至位於一次側直流端1的第一直流電壓源，用來接受來自一次側直流端1的直流電或向該一次側直流端1輸出直流電。
隔離變壓器3，包括原邊繞組及副邊繞組，該原邊繞組的兩端分別耦接至該一次側逆變/整流模組1位於二次側方向的兩端。
二次側整流/逆變模組4，包括至少一開關元件，該二次側整流/逆變模組4位於一次側方向的兩端分別耦接至隔離變壓器3的副邊繞組的兩端，該二次側整流/逆變模組4位於二次側方向的兩端耦接至二次側直流端6，該二次側整流/逆變模組將來自該隔離變壓器3的能量進行整流並將整流後的電流輸出給該二次側直流端6的第二直流電壓源或接受來自該二次側直流端6的第二直流電壓源的直流電。如圖1所示，在本申請的一次側逆變/整流模組2中，採用包含獨立的諧振電感的箝位電路的結構，來實現一次側逆變/整流模組中開關元件的軟開關和電壓箝位，這種實現方式不需要依賴變壓器的漏感，從而可使得變壓器漏感可以設計到最小， 有利於變壓器效率的提高。進一步地，箝位電路能夠有效鉗住橋臂的電壓，從而限制了開關元件中的電壓尖峰，由此實現開關元件的保護。
具體而言，一次側逆變/整流模組2包含由兩個串聯的開關元件所組成的第一橋臂以及一個箝位電路。其中該箝位電路包含諧振電感和由兩個串聯的箝位開關元件所組成的箝位橋臂，該諧振電感的一端連接至箝位橋臂的中點，另一端連接至第一橋臂的中點。
二次側整流/逆變模組4包括全橋雙向整流橋，該整流橋包括兩個橋臂，每個橋臂由串聯的開關元件組成。本領域普通技術人員應理解到，根據具體應用二次側整流/逆變模組也可包括其他類型的雙向整流橋結構，例如推挽結構或全波結構的雙向整流橋等。
本申請的雙向直流變換器可根據需要而工作在下述兩種狀態之一：第一種狀態是從一次側向二次側傳輸能量，第二種狀態是從二次側向一次側傳輸能量。
當雙向直流變換器工作於第一狀態下，一次側逆變/整流模組2接收來自一次側直流端1的能量，並對其進行逆變(即，DC-AC)，隔離變壓器3將逆變後的能量從一次側傳輸至二次側，然後二次側整流/逆變模組4對從隔離變壓器3所接收的能量進行整流濾波(AC-DC)，從而在二次側直流端6產生直流輸出。
當雙向直流變換器工作於第二狀態下，來自二次側直流端6的能量傳輸給二次側整流/逆變模組4，二次側整流/逆變模組4對所接收到的能量進行逆變(即，DC-AC)，然後隔離變壓器3將逆變後的能量從二次側傳至一次側並通過一次側逆變/整流模組2進行整 流以在一次側直流端1產生直流輸出。
驅動信號可以單獨施加在雙向直流變換器的一次側或二次側，以實現能量的雙向傳輸。例如，當能量從一次側向二次側傳輸時，則控制電路可僅向一次側的開關元件輸出驅動信號，而當能量從二次側向一次側輸出時，則控制電路可僅向二次側的開關元件輸出驅動信號。
在雙向直流變換器在兩種狀態之間切換時，為了實現對變換器能量傳輸方向的快速切換，一次側和二次側的開關元件也可同時加有驅動信號。
因此，本申請的雙向直流變換器還包括控制電路，該控制電路用以產生驅動信號給一次側逆變/整流模組及二次側整流/逆變模組中的開關元件。優選地，該控制電路可根據變換器中的直流信號而實時地輸出驅動信號給一次側逆變/整流模組及該二次側整流/逆變模組，以使該變換器輸出適當的直流電。
[實施例1]
下面將參考圖2至圖39描述本申請的第一實施例。
圖2示出了根據本申請的第一實施例的雙向直流變換器的電路圖。
在本申請第一實施例中，雙向直流變換器包括一次側直流端1、一次側逆變/整流模組2、隔離變壓器3、二次側整流/逆變模組4、以及二次側直流端6。
如圖2所示，一次側逆變/整流模組2包括第一橋臂以及箝位電路 。第一橋臂由串聯連接的開關元件S1和S2組成，並通過與其並聯的高壓端電容CA接收一次側直流端的電壓VA。箝位電路包括諧振電感Lr以及由串聯連接的半導體器件Dr1和Dr2組成的箝位橋臂。諧振電感Lr的一端連接至第一橋臂的中點A(即，開關元件S1和S2的共節點A)，其另一端連接至箝位橋臂的中點C(即，半導體器件Dr1和Dr2的共節點C)。
在本實施例中，串聯連接的半導體器件Dr1和Dr2都被實施為二極體，然而應理解到，本申請不限於此，半導體器件Dr1和Dr2也可以是其它的開關元件，如MOSFET、IGBT等。
此外，一次側逆變/整流模組還包括由串聯連接的開關元件S3和S4組成的第二橋臂，該第二橋臂與第一橋臂以及箝位橋臂並聯連接至一次側直流端，以實現一次側的逆變/整流功能。
隔離變壓器為包含一次側繞組(即，原邊繞組)及二次側繞組(即，副邊繞組)的變壓器T，其原副邊匝比為Np：Ns，該比值可根據變換器的升壓比或降壓比而定。變壓器T的一次側繞組兩端分別連接至第二橋臂的中點B(即，開關元件S3和S4的共節點B)及箝位橋臂的中點C。變壓器T的二次側繞組連接至二次側整流/逆變模組。
在本實施例中，二次側整流/逆變模組4包括全橋雙向整流橋，該整流橋由並聯連接的兩個橋臂組成，其中每個橋臂分別由串聯連接的開關元件S5、S6以及S7、S8組成，變壓器T的二次側繞組分別連接至兩個橋臂的中點D和E。本領域普通技術人員應理解到，根據具體應用二次側整流/逆變模組也可包括其他類型的雙向整流 橋結構，例如推挽結構或全波結構的雙向整流橋等。
考慮到實際變壓器的漏感問題(儘管本申請的這種電路拓撲結構可以儘量減小變壓器漏感，但是仍然存在相對較小的漏感)，二次側整流/逆變模組還可包括一電壓箝位電路，該電壓箝位電路與二次側整流/逆變模組並聯連接以吸收二次側整流/逆變模組中開關元件的電壓尖峰。二次側的電壓箝位電路可以各種方式實施，例如，可採用具有簡單結構的RCD箝位電路。
進一步地，本申請的雙向直流變換器還可包括位於二次側的濾波電感Lf，該濾波電感Lf串聯於二次側整流/逆變模組並耦接至二次側的直流電容CB，以對經過二次側整流/逆變模組整流之後的電流進行濾波。
另外，考慮到磁偏，可以在高壓端邊的變壓器繞組串接隔直電容，例如，在變壓器T與節點B或者C連接處串接一隔直電容。為了便於描述，稍後將要描述的具體工作狀態分析將不考慮磁偏以及變壓器漏感問題。
另外，圖2中所示的開關元件還並聯有反向二極體和電容，其中並聯電容為諧振電容，以與諧振電感Lr一起用來實現軟開關作用，該並聯電容通常為開關結電容，也可以為外加電容和結電容之和；反並二極體是為電流反向流通提供通路的續流二極體，一般開關有集成的反並二極體，也可為外加的二極體)
在本申請中，一次側直流端相對於二次側直流端可以是高壓端也可以是低壓端，即本申請的雙向直流變換器既可以是升壓變換器也可是降壓變換器。例如，在電池應用情形中，一般電池電壓相 對較低，並且電池對電流紋波有一定的要求，因此在該情形中，如果電池為二次側直流端，則一次側直流端為高壓端，而二次側直流端為低壓端。
為了控制雙向直流變換器的能量傳輸，如圖3所示，本申請還包括控制電路7，用以產生驅動信號給一次側逆變/整流模組1和二次側整流/逆變模組4中的開關元件。
優選地，控制電路7可根據變換器中的直流信號而實時地輸出驅動信號給一次側逆變/整流模組和該二次側整流/逆變模組，從而可根據需要進行能量的傳輸和變換。例如，控制電路7通過控制變換器中的某些信號(例如，如圖3所示的濾波電感5的電流方向)實現對能量傳輸方向的控制，尤其是在穩定工作狀態下的能量流向的控制。這裡，該穩定工作狀態是指變換器在一定的輸入下維持一定的輸出的狀態，例如為在100個開關週期以上都維持一定輸出的狀態。因此，為實現上述能量傳輸方向的控制，在本實施例中，控制電路7可包含採樣模組、控制模組以及驅動模組。
在本實施例中，採樣模組採集變換器電路中的直流信號(電流信號或電壓信號)，並將所採集的信號傳送至控制模組，然後控制模組進行處理而產生相應的控制信號，然後將其輸出至驅動模組，驅動模組根據控制模組所產生的控制信號而輸出相應的驅動信號給位於一次側和二次側的各開關元件。例如，當能量是從一次側傳輸至二次側時，驅動模組可根據控制模組所產生的控制信號而輸出高頻的驅動信號給一次側的開關元件，而輸出一直為低電平的驅動信號給二次側的開關元件，而當能量從二次側傳輸至一次側時，驅動模組可可根據控制模組所產生的控制信號而輸出高 頻的驅動信號給二次側的開關元件，而輸出一直為低電平的驅動信號給一次側的開關元件。當然，如果變換器在兩種能量傳輸狀態之間不斷進行切換時，為了使這種切換更加快速，驅動電路可同時將高頻的驅動信號輸出給該一次側逆變/整流模組及該二次側整流/逆變模組中的開關元件。
該控制電路7根據期望的控制目標進行控制。例如，當需要對二次側傳送能量時，也即能量從一次側流向二次側時，可對反映二次側輸出端的信號(例如，輸出的電壓信號或電流信號)進行採樣來進行控制，通常而言，可根據二次側輸出端所接負載的能量傳送模式進行控制。
例如，二次側輸出端所連接的負載是電池，並且其處於恆流充電狀態，則該電池的電流為採樣目標，該電池電流被採樣模組採樣後送入控制模組。如圖4所示，在控制模組中，採樣的電流信號與一預設的參考信號(例如，期望的充電電流)進行比較，其經過比例積分控制(補償器)的輸出作為電流內環的參考，該參考與濾波電感Lf的電流iLf比較，再次經過比例積分控制後的輸出用來產生控制信號如PWM控制信號，PWM控制信號經過驅動模組後產生不同的驅動信號，然後將其輸出至各個開關元件。而當二次側輸出端所連接的電池採用恆壓充電狀態下，則以二次側的母線電壓為控制目標，則二次側的母線電壓將被採樣模組進行採樣後送入控制模組與一預設的參考信號(例如，期望電池電壓)進行比較，其經過比例積分控制(補償器)的輸出作為電流內環的參考，該參考與濾波電感Lf電流iLf比較，再經過比例積分控制後的輸出用來產生控制信號，例如PWM控制信號。這裡需要強調的是在 電池處於恆壓充電狀態下，預設的電池電壓參考應該不小於當前電池電壓，這樣才能保證電池處於充電狀態。
類似地，當需要從二次側向一次側傳送能量時，也即能量從二次側流向一次側，仍以二次側直流端所接為電池為例來說明對能量傳輸方向的控制。當位於二次側的電池工作於恆流狀態，設定電池電流的方向，例如設定濾波電感Lf電流的方向，也就從而控制了能量傳輸的方向。當電池工作於恆壓狀態時，設定期望電池電壓值也就決定了電池的電流方向，例如在期望電池電壓值大於當前電池電壓時，位於二次側的電池為充電狀態，這表明能量從一次側流向二次側，而在期望電池電壓值小於當前電池電壓時，位於二次側的電池為放電狀態，這表明能量從二次側流向一次側。
下面參考圖5至圖39詳細描述圖3所示電路的工作狀態，由於在控制方面一次側和二次側可以只單側施加高頻的驅動信號(也即，開關信號)也可以同時施加高頻的驅動信號(即，開關信號)，因此以下將對這兩種控制情況分別進行描述。
單側施加高頻的開關信號的示例
假設一次側為高壓端且二次側為低壓端，現在描述僅單側施加高頻的開關信號的控制情況下電路的工作狀態。當能量從高壓端向低壓端傳輸時，僅向位於一次側的開關元件S1至S4施加高頻的開關信號，而二次側的開關元件S5至S8由於被施加的是低電平的開關信號而一直處於關斷狀態；而當能量從低壓端向高壓端傳輸時，僅向二次側的開關元件S5至S8施加高頻的開關信號，一次側的開關元件S1至S4由於被施加的是低電平的開關 信號而一直處於關斷狀態。下面將對單側施加高頻的開關信號時在不同能量傳輸方向的不同開關狀態進行具體分析。
高壓端→低壓端：
圖5至圖15示出了變換器能量在單側施加高頻的開關信號時由高壓端向低壓端傳輸時的工作原理。
在圖5的豎軸中，Vg1-Vg4表示施加到一次側開關元件S1至S4的驅動信號的電壓，Vg5-Vg8表示施加到二次側開關元件S5至S8的驅動信號的電壓，ip表示變壓器位於一次側的兩端中流過(在本實施例中，即為高壓端)的電流，iLr表示流過諧振電感Lr的電流，VAB表示節點A與節點B之間的電壓，也即第一橋臂向變壓器位於一次側的兩端所輸出的電壓，VDE表示變壓器位於二次側兩端的輸出電壓，iDr1表示流過箝位電路中的半導體元件Dr1的電流，以及iDr2表示流過箝位電路中的半導體元件Dr2的電流。在圖5的橫軸中，t0-t18表示一個開關週期的不同時段。
從圖5中可以看到，第一橋臂的開關元件S1和S2開通的時間早於第二橋臂的開關元件S4和S3，因此由開關元件S1和S2組成的第一橋臂為超前橋臂，而由開關元件S4和S3所組成的第二橋臂為滯後橋臂。
此外，從圖5中可進一步看到，由於只向位於一次測的高壓端施加高頻的驅動信號，因而開關元件S1至S4的Vg1-Vg4為高頻驅動信號，而開關元件S5至S8的Vg5-Vg8為零。注意到，為了便於說明，將開關元件S5至S8的Vg5-Vg8示 出為零，然而開關元件S5至S8的Vg5-Vg8的電壓並不一定必須為零，而是可以為低於開關元件S5至S8的導通電壓的低電平電壓。
由圖5可知，單側向高壓端施加高頻的開關信號時的開關週期有18種開關狀態，分別為[t0之前]、[t0，t1]、[t1，t2]、[t2，t3]、[t3，t4]、[t4，t5]、[t5，t6]、[t6，t7]、[t7，t8]、[t8，t9]、[t9，t10]、[t10，t11]、[t11，t12]、[t12，t13]、[t13，t14]、[t14，t15]、[t15，t16]、[t16，t17]、[t17，t18]，其中[t0之前]和[t17，t18]描述了同一狀態。下面僅描述[t0之前]-[t8，t9]的開關狀態的工作原理，本領域普通技術人員可以從所描述的開關狀態中理解到開關週期中的其它開關狀態的工作原理。
開關狀態1[t0之前](參見圖6)
如圖6所示，t0之前，開關元件S1和S3導通，諧振電感Lr的電流iLr流過開關元件S1的反並二極體D1和開關元件S3，低壓端的濾波電感Lf的電流Lf通過反並二極體D5~D8續流。
開關狀態2[t0~t1](參見圖7)
如圖7所示，t0時刻，開關元件S3關斷，諧振電感Lr給C3充電，開關元件S4的並聯電容C4放電。
開關狀態3[t1~t2](參見圖8)
如圖8所示，t1時刻，C4的兩端電壓放到零，在放電結束時開關元件S4的反並二極體D4導通，高壓端母線電壓全部加在諧振電感Lr的兩端，諧振電感Lr的電流線性下降，在此過程中開關元件S4可 以零電壓開通。
開關狀態4[t2~t3](參見圖9)
如圖9所示，t2時刻，諧振電感Lr的電流下降到零，並且反向線性增加，電流由反並二極體D4轉到開關元件S4。
開關狀態5[t3~t4](參見圖10)
如圖10所示，t3時刻，諧振電感Lr的電流增加到等於濾波電感Lf電流等效到高壓端的電流，此時低壓端的開關元件S6和S7的反並二極體D6與D7關斷，低壓端的開關元件S6和S7的並聯電容C6和C7充電。
開關狀態6[t4~t5](參見圖11)
如圖11所示，t4時刻，C6和C7充電完畢，變壓器高壓端電流ip等於低壓端折算過來的電流，此時諧振電感Lr的電流iLr大於ip，箝位二極體Dr1導通，流過的電流為iLr與ip之差。諧振電感Lr的電流iLr保持不變，變壓器高壓端電流ip增加。
開關狀態7[t5~t6](參見圖12)
如圖12所示，t5時刻，變壓器高壓端電流ip增加到等於諧振電感Lr電流，箝位二極體Dr1關斷，變壓器高壓端電流ip繼續增加。
開關狀態8[t6~t7](參見圖13)
如圖13所示，t6時刻，開關元件S1關斷，開關元件S1的並聯電容C1充電，開關元件S2的並聯電容C2放電，低壓端的電容C6和C7放電。
開關狀態9[t7~t8](參見圖14)
如圖14所示，t7時刻，C1和C2分別充放電結束，開關元件S2的反並二極體D2導通，低壓端的電容C6和C7繼續放電。
開關狀態10[t8~t9](參見圖15)
如圖15所示，t8時刻，電容C6和C7放電完畢，反並二極體D6和D7導通，此後諧振電感Lr的電流保持不變，並且在此階段開關元件S2零電壓開通。
低壓端→高壓端：
圖16至圖20示出了變換器能量在單側施加高頻的開關信號時由低壓端向高壓端傳輸的工作原理。由圖16可知，單側向低壓端施加高頻的開關信號時的開關週期有12種開關狀態，分別為[t0之前〕、[t0，t1]、[t1，t2]、[t2，t3]、[t3，t4]、[t4，t5]、[t5，t6]、[t6，t7]、[t7，t8]、[t8，t9]、[t9，t10]、[t10，t11]、[t11，t12]。這裡僅描述[t0之前]-[t2~t3]的開關狀態的工作原理，本領域普通技術人員可以從所描述的開關狀態中理解到開關週期中其它開關狀態的工作原理。
開關狀態1[t0之前](參見圖17)
如圖17所示，t0之前，低壓端的開關元件S5~S8同時導通，濾波電感Lf電流增加。高壓端變壓器和諧振電感Lr電流均為零。
開關狀態2[t0~t1](參見圖18)
如圖18所示，t0時刻，開關元件S6和S7關斷，其並聯電容C6和C7充電，由於變壓器二次側電壓折算到一次側的電壓小於一次側的 母線電壓，因此高壓端沒有電流流過。
開關狀態3[t1~t2](參見圖19)
如圖19所示，t1時刻，電容C6和C7充電完畢，變壓器二次側電壓折算到一次側的電壓等於一次側的母線電壓，箝位二極體Dr1導通。
開關狀態4[t2~t3](參見圖20)
如圖20所示，t2時刻，開關元件S6和S7導通，箝位二極體Dr1關斷。
(2)兩側施加開關信號的示例
下面介紹兩側同時施加高頻的開關信號的情況，即同時給開關元件S1~S8施加高頻的開關信號。下面將對不同能量傳輸方向時的不同開關狀態進行具體分析。
高壓端→低壓端：
圖21至圖31描述了變換器能量在兩側都施加高頻的開關信號時由高壓端向低壓端傳輸的工作原理，並且由圖21可知，兩側都施加高頻的開關信號時由高壓端向低壓端傳輸的開關週期有18種開關狀態，分別為[t0之前]、[t0，t1]、[t1，t2]、[t2，t3]、[t3，t4]、[t4，t5]、[t5，t6]、[t6，t7]、[t7，t8]、[t8，t9]、[t9，t10]、[t10，t11]、[t11，t12]、[t12，t13]、[t13，t14]、[t14，t15]、[t15，t16]、[t16，t17]、[t17，t18]。這裡僅描述[t0之前]-[t8，t9]的開關狀態的工作原理，本領域普通技術人員可以從所描述的開關狀態中理解到開關週期中的其它開關狀態的工 作原理。
開關狀態1[t0之前](參見圖22)
如圖22所示，t0之前，高壓端的開關元件S1和S3導通，諧振電感Lr的電流流過S1的反並二極體D1和開關元件S3，低壓端濾波電感Lf電流通過開關元件S5-S8的反並二極體D5~D8續流，開關元件S6和S7在此期間零電壓關斷。
開關狀態2[t0~t1](參見圖23)
如圖23所示，t0時刻，開關元件S3關斷，諧振電感Lr給開關元件S3的並聯電容C3充電，開關元件S4的並聯電容C4放電。
開關狀態3[t1~t2](參見圖24)
如圖24所示，t1時刻，C4兩端電壓放到零，放電結束，開關元件S4的反並二極體D4導通，高壓端母線電壓全部加在諧振電感Lr兩端，諧振電感Lr電流線性下降，在此過程中開關元件S4可以零電壓開通。
開關狀態4[t2~t3](參見圖25)
如圖25所示，t2時刻，諧振電感Lr電流下降到零，並且反向線性增加，電流由反並二極體D4轉到開關元件S4。
開關狀態5[t3~t4](參見圖26)
如圖26所示，t3時刻，諧振電感Lr電流增加到等於濾波電感Lf電流折算到高壓端的電流，此時開關元件S6和S7的反並二極體D6與D7關斷，開關元件S6和S7的並聯電容C6和C7充電。
開關狀態6[t4~t5](參見圖27)
如圖27所示，t4時刻，C6和C7充電完畢，變壓器高壓端電流ip等於低壓端折算過來的電流，此時諧振電感Lr電流大於ip，箝位二極體Dr1導通，流過的電流為iLr與ip之差，變壓器原邊繞組電壓被箝位在一次側母線電壓，從而使得二次側開關元件的關斷電壓得到箝位，避免了諧振電感Lr電流折算到二次側與濾波電感Lf電流不相等而引起的關斷電壓尖峰。諧振電感Lr電流保持不變，變壓器高壓端電流ip增加。
開關狀態7[t5~t6](參見圖28)
如圖28所示，t5時刻，變壓器高壓端電流ip增加到等於諧振電感Lr電流，箝位二極體Dr1關斷，變壓器高壓端電流ip繼續增加。
開關狀態8[t6~t7](參見圖29)
如圖29所示，t6時刻，高壓端的開關元件S1關斷，開關元件S1的並聯電容C1充電，開關元件S2的並聯電容C2放電，低壓端的電容C6和C7放電。
開關狀態9[t7~t8](參見圖30)
如圖30所示，t7時刻，C1和C2分別充放電結束，開關元件S2的反並二極體D2導通，低壓端的電容C6和C7繼續放電。
開關狀態10[t8~t9](參見圖31)
如圖31所示，t8時刻，開關元件S6和S7開通，管子兩端電壓下降到零，反並二極體D6和D7導通，此後諧振電感Lr電流保持不變，並且在此階段開關元件S2零電壓開通。
低壓端→高壓端：
圖32至圖39示出了變換器能量在兩側都施加高頻的開關信號時由低壓端向高壓端傳輸的工作原理，由圖32可知，兩側都施加高頻的開關信號時由低壓端向高壓端傳輸的開關週期共有12種開關狀態，分別為[t0之前]、[t0，t1]、[t1，t2]、[t2，t3]、[t3，t4]、[t4，t5]、[t5，t6]、[t6，t7]、[t7，t8]、[t8，t9]、[t9，t10]、[t10，t11]、[t11，t12]。這裡僅描述[t0之前]-[t5~t6]的開關狀態的工作原理，本領域普通技術人員可以從所描述的開關狀態中理解到開關週期中的其它開關狀態的工作原理。
開關狀態1[t0之前](參見圖33)
如圖33所示，t0之前，高壓端開關元件S1和S3導通，諧振電感Lr電流流過開關元件S1的反並二極體D1和開關元件S3，低壓端開關元件S5~S8同時導通，濾波電感Lf電流增加。
開關狀態2[t0~t1](參見圖34)
如圖34所示，t0時刻，開關元件S6和S7關斷，箝位二極體Dr1導通，流過的電流為ip和iLr之差，因此時箝位二極體Dr1和開關元件S3同時導通，因此變壓器原邊繞組被短路，從而使得二次側開關元件的關斷電壓被箝位到零，開關元件S6和S7為零電壓關斷。
開關狀態3[t1~t2](參見圖35)
如圖35所示，t1時刻，開關元件S3關斷，開關元件S3的並聯電容C3充電，開關元件S4的並聯電容C4放電，低壓端電容C6和C7充電。
開關狀態4[t2~t3](參見圖36)
如圖36所示，t2時刻，電容充放電結束，開關元件S4的反並二極體D4導通，在此階段開關元件S4零電壓導通，由於電流流過反並二極體，開關元件S1也零電壓關斷。
開關狀態5[t3~t4](參見圖37)
如圖37所示，t3時刻，開關元件S6和S7開通，變壓器繞組電壓為零，箝位二極體Dr1關斷，高壓端母線電壓全部加在諧振電感Lr兩端，諧振電感Lr電流線性下降。
開關狀態6[t4~t5](參見圖38)
如圖38所示，t4時刻，諧振電感Lr電流下降為零，開關元件S1的並聯電容C1充電，開關元件S2的並聯電容C2放電，開關元件S4的反並二極體D4關斷。
開關狀態7[t5~t6](參見圖39)
如圖39所示，t5時刻，C1和C2充放電結束，諧振電感Lr電流此後保持不變。
由上述對單側施加高頻的驅動信號和雙側施加高頻的驅動信號時雙向直流變換器的工作狀態的分析可知，本申請的電路結構設計能夠實現雙向直流變換器中開關元件尤其是一次側開關元件的軟開關，即零電壓或零電流導通和關斷，從而實現對開關元件的保護，並可使變壓器的漏感設計得很小，而有利於變壓器傳輸效率的提高，進而提高整個雙向直流變換器的能量傳輸效率。
[實施例2]
在第一實施例中，描述了隔離變壓器位於一次側的兩端接滯後臂(即，一次側逆變/整流模組中由開關元件S1和S2組成的第一橋臂)的電路結構的工作狀態。在本申請的第二實施例中，隔離變壓器也可接超前臂，電路結構如圖40所示。本實施例中的雙向直流變換器中的電路連接關係與圖2所示的第一實施例基本一致，不同之處在於第一橋臂是由串聯連接的開關元件S3和S4組成，第二橋臂是由串聯連接的開關元件S1和S2組成，且第二橋臂作為超前橋臂耦接至隔離變壓器T位於一次側的兩端。由於第一橋臂和第二橋臂在電路結構上可以相互等效，因而本實施例的雙向直流變換器的工作原理與圖2所示的基本相同，因此本實施例的具體工作狀態的等效電路圖這裡不再分別給出，而僅提供了高壓端向低壓端傳輸能量和低壓端向高壓端傳輸能量的電路波形圖41和圖42。以下將以文字描述該結構電路拓撲的工作狀態。
高壓端→低壓端：
開關狀態1[t0之前]
t0之前，開關元件S1和S3導通，諧振電感Lr電流流過二極體D1和開關元件S3，諧振電感Lr電流和變壓器電流之差流過箝位二極體Dr1。
開關狀態2[t0~t1]
t0時刻，開關元件S3關斷，諧振電感Lr給電容C3充電，C4放電。
開關狀態3[t1~t2]
t1時刻，C3和C4充放電結束，諧振電感Lr電流轉移至D4，高壓端 直流電壓加在諧振電感Lr兩端，諧振電感Lr電流線性下降。在此過程中，開關元件S4零電壓開通。
開關狀態4[t2~t3]
t2時刻，諧振電感Lr電流下降為零，進而反向線性增加。
開關狀態5[t3~t4]
t3時刻，諧振電感Lr電流增加到與濾波電感Lf電流折算到高壓端的電流相等，C6和C7被充電。
開關狀態6[t4~t5]
t4時刻，C6和C7充電完畢，電流ip等於濾波電感Lf電流折算到高壓端后的電流，諧振電感Lr電流與變壓器電流之差流過箝位二極體Dr2。
開關狀態7[t5~t6]
t5時刻，電流ip增加到等於諧振電感Lr電流，箝位二極體Dr2關斷。
開關狀態8[t6~t7]
t6時刻，開關元件S1關斷，電容C1充電，C2放電，電流ip減小，箝位二極體Dr2導通，同時電容C6和C7放電。
開關狀態9[t7~t8]
t7時刻，電容C1充電以及電容C2、C6和C7放電完畢。
低壓端→高壓端：
開關狀態1[t0之前]
t0之前，開關元件S1和S3導通，諧振電感Lr電流流過D1和開關元件S3。
開關狀態2[t0~t1]
t0時刻，開關元件S6和S7關斷，電容C6和C7被充電，諧振電感Lr電流增加。
開關狀態3[t1~t2]
t1時刻，電容C6和C7被充電到等於折算到高壓端的直流端電壓，箝位二極體Dr2導通，變壓器電流等於濾波電感Lf電流折算到高壓端的電流。開關元件S3關斷，電容C3充電，C4放電。箝位二極體Dr2流過變壓器和諧振電感Lf電流之差。
開關狀態4[t2~t3]
t2時刻，電容C3充電，C4放電結束，諧振電感Lr的電流流至D4，開關元件S4此後可以零電壓開通。
開關狀態5[t3~t4]
t3時刻，變壓器電流ip降至與諧振電感Lr電流相等，箝位二極體Dr2關斷。在此期間，開關元件S1實現零電壓關斷。
開關狀態6[t4~t5]
t4時刻，開關元件S6和S7開通，變壓器高壓端電壓加在諧振電感Lr兩端，諧振電感Lr的電流線性減小。
開關狀態7[t5~t6]
t5時刻，諧振電感Lr電流降至零，電容C1充電，C2放電。
開關狀態8[t6~t7]
t6時刻，電容C1充電，C2放電結束。
[實施例3]
圖43示出了根據本申請的第三實施例的雙向直流變換器的電路結構圖。如圖43所示，除了一次側逆變/整流模組之外本實施例的雙向直流變換器的電路結構與圖2所示的雙向直流變換器基本一致。在本實施例中，一次側逆變/整流模組除了包括圖2中所示的第一橋臂以及箝位電路之外，還包括由串聯連接的電容C3以及C4組成的電容橋臂。該電容橋臂、第一橋臂以及箝位橋臂並聯連接至一次側的直流端1，變壓器一次側的繞組的一端連接至箝位橋臂的中點C，而且另一端連接至電容橋臂的中點B。
由於本實施例的基本電路結構與第一實施例的基本相同，因此這裡不做更多描述。同樣，在本實施例中，由於採用了單獨設置的諧振電感並配合箝位電路使用，從而實現對開關元件的保護，並可使變壓器的漏感設計得很小，而有利於變壓器傳輸效率的提高，進而提高整個雙向直流變換器的能量傳輸效率。
[實施例4]
圖44示出了根據本申請的第四實施例的雙向直流變換器的電路結構圖。如圖44所示，除了一次側逆變/整流模組之外本實施例的雙向直流變換器的電路結構與圖2所示的雙向直流變換器基本一致。在本實施例中，一次側逆變/整流模組除了包括圖2中所示的 第一橋臂以及箝位電路之外，還包括由一電容Cb組成的電容支路，變壓器一次側繞組一端連接至箝位橋臂的中點C，另外一端連接至電容Cb的一端B點。
同樣地，由於本實施例的基本電路結構與第一實施例的基本相同，因此這裡不做更多描述。同樣，在本實施例中，由於採用了單獨設置的諧振電感並配合箝位電路使用，從而實現對開關元件的保護，並可使變壓器的漏感設計得很小，而有利於變壓器傳輸效率的提高，進而提高整個雙向直流變換器的能量傳輸效率。
選擇並描述這些實施例是為了說明本發明的原理和其實踐性應用，從而激發本領域普通技術人員利用本發明和各種實施例，並利用適於期望的特殊使用的各種變型。對本發明所屬的本領域普通技術人員而言，替代實施例將變得顯而易見，而並未背離其精神和範圍。因此，通過所附申請專利範圍而不是上述說明書和其中所描述的示例實施例來限定本發明的範圍。
對於本領域技術人員來說，顯然可在不背離本申請的精神和範圍的前提下對本申請作各種變化和修改。因此，本申請意圖涵蓋對本申請做出的各種修改和變化，只要它們落在申請專利範圍及其等同方案的保護範圍內即可。
1‧‧‧一次側直流端
2‧‧‧一次側逆變/整流模組
3‧‧‧隔離變壓器
4‧‧‧二次側整流/逆變模組
6‧‧‧二次側直流端
CA‧‧‧高壓端電容
CB‧‧‧直流電容
Lr‧‧‧諧振電感
Np：Ns‧‧‧原副邊匝比
VA、VB‧‧‧電壓

Claims (16)

  1. 一種雙向直流變換器，其特徵在於，包括：一次側逆變/整流模組，其位於一次側方向的兩端耦接至第一直流端，用來接受來自該第一直流端的直流電或向該第一直流端輸出直流電；隔離變壓器，包括原邊繞組及副邊繞組，該原邊繞組的兩端分別耦接至該一次側逆變/整流模組的位於二次側方向的兩端；以及二次側整流/逆變模組，包括至少一開關元件，該二次側整流/逆變模組位於一次側方向的兩端分別耦接至該副邊繞組的兩端，該二次側整流/逆變模組位於二次側方向的兩端耦接至第二直流端，該二次側整流/逆變模組將來自該隔離變壓器的能量進行整流並將整流後的電流輸出給該第二直流端或接受來自該第二直流端的直流電；其中，該一次側逆變/整流模組包括由串聯連接的第一開關元件和第二開關元件組成的第一橋臂及箝位電路，該箝位電路包括諧振電感及由串聯連接的第一半導體元件和第二半導體元件組成的箝位橋臂，其中該諧振電感的兩端分別連接至該第一開關元件和該第二開關元件的共節點及該第一半導體元件和該第二半導體元件的共節點。
  2. 根據申請專利範圍第1項所述之雙向直流變換器，其特徵在於，該諧振電感為一獨立的電感。
  3. 根據申請專利範圍第1項所述之雙向直流變換器，其特徵在於， 該一次側逆變/整流模組還包括由串聯連接的第三元件和第四元件組成的第二橋臂，該第二橋臂與該第一橋臂並聯連接，該隔離變壓器的原邊繞組的兩端分別連接至該第三元件和該第四元件的共節點及該第一半導體元件和該第二半導體元件的共節點。
  4. 根據申請專利範圍第3項所述之雙向直流變換器，其特徵在於，該第三元件和該第四元件為導通和關斷受控制的半導體開關元件，其中該第一橋臂為超前臂或滯後臂。
  5. 根據申請專利範圍第3項所述之雙向直流變換器，其特徵在於，該第三元件和該第四元件為電容元件。
  6. 根據申請專利範圍第1項所述之雙向直流變換器，其特徵在於，該一次側逆變/整流模組還包括第三電容，該第三電容的一端連接至該第二開關元件與該第二半導體元件的共節點，該隔離變壓器的原邊繞組的兩端分別連接至該第三電容的另一端及該第一開關元件與該第二開關元件的共節點。
  7. 根據申請專利範圍第1項所述之雙向直流變換器，其特徵在於，該第一及第二半導體元件為二極體或導通和關斷受控制的半導體器件。
  8. 根據申請專利範圍第1項所述之雙向直流變換器，其特徵在於，該二次側整流/逆變模組包括一推挽電路或一全橋雙向整流橋電路。
  9. 根據申請專利範圍第1項或第8項所述之雙向直流變換器，其特徵在於，還包括電壓箝位電路，該電壓箝位電路與該二次側整流/逆變模組並聯連接，用以吸收該二次側整流/逆變模組中開關元件的電壓尖峰。
  10. 根據申請專利範圍第9項所述之雙向直流變換器，其特徵在於， 該電壓箝位電路為RCD箝位電路。
  11. 根據申請專利範圍第1項所述之雙向直流變換器，其特徵在於，還包括控制電路，用以產生並輸出驅動信號給該一次側逆變/整流模組及該二次側整流/逆變模組中的開關元件，以控制其導通及關斷。
  12. 根據申請專利範圍第11項所述之雙向直流變換器，其特徵在於，該一次側逆變/整流模組接收一高頻的驅動信號以及該二次側整流/逆變模組接收一直為低電平的驅動信號，以使能量從一次側傳輸到二次側。
  13. 根據申請專利範圍第11項所述之雙向直流變換器，其特徵在於，該一次側逆變/整流模組接收一直為低電平的驅動信號以及該二次側整流/逆變模組接收一高頻的驅動信號，以使能量從二次側傳輸到一次側。
  14. 根據申請專利範圍第11項所述之雙向直流變換器，其特徵在於，該一次側逆變/整流模組及該二次側整流/逆變模組接收一高頻的驅動信號。
  15. 根據申請專利範圍第11項至第14項任一項所述之雙向直流變換器，其特徵在於，該控制電路包括：採樣模組，實時對該一次側及該二次側的直流信號進行採樣，並輸出一採樣信號；控制模組，接收來自該採樣模組的採樣信號，將所接收的採樣信號與一預定參考信號進行比較以產生一控制信號；以及驅動模組，接收來自該控制模組的控制信號以產生驅動信號，並該驅動信號輸出給該一次側逆變/整流和該二次側整流/逆變模組中的開關元件。
  16. 根據申請專利範圍第1項所述之雙向直流變換器，其特徵在於，還包括一隔直電容，該隔直電容與該原邊繞組串聯連接。
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