專利名稱：隔離型有源箝位交錯并聯(lián)雙向直流-直流變換器的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種雙向直流-直流變換器，尤其是隔離型有源箝位交錯并聯(lián)雙向直 流-直流變換器。
背景技術：
近年來，隨著石油、煤等傳統(tǒng)能源大量的消耗，能源的短缺和環(huán)境的污染已經成為 世界的焦點，可再生能源的發(fā)展和應用受到世界各國的廣泛關注。在可再生能源發(fā)電系統(tǒng) 中，如風能、太陽能等可再生能源所產生的電能存在短時間內的波動問題，需要使用能量存 儲系統(tǒng)使發(fā)電系統(tǒng)能量平穩(wěn)輸出。其中，能量存儲系統(tǒng)的核心就是雙向的直流_直流變換 器，可以在發(fā)電系統(tǒng)輸出過多能量時存儲多余能量于蓄電池等儲能設備，而在發(fā)電系統(tǒng)輸 出能量不足時輸出功率，滿足負載的需求。與此同時，出于對人身安全方面考慮，許多應用 場合都有電氣隔離的要求，為延長蓄電池等儲能設備使用壽命，需要減少低壓電池側紋波。 所以低輸入紋波、高升壓/降壓、高效率的隔離型雙向變換器在可再生能源發(fā)電領域里有 著重要的作用。常規(guī)的Buck-Boost型雙向直流-直流變換器結構簡單，應用廣泛，但該變換器的 功率開關工作于硬開關狀態(tài)，開關損耗較大，功率開關管的電壓應力較大，低壓側電流紋波 大。常規(guī)的Buck-Boost型交錯并聯(lián)直流_直流雙向變換器只在一定程度上減小了低壓側電 流的紋波，但是其它問題仍然存在。近年來相繼出現(xiàn)了一些高升壓/降壓隔離型直流-直流 雙向變換器，有建立于全橋拓撲的基礎上，且增加有源箝位電路實現(xiàn)功率開關管的軟開關， 所用開關管數(shù)量較多，且結構復雜；另外有提出了一種基于半橋結構的雙向變換器，但需要 增加額外的控制電路來解決電容間的電壓不平衡問題。中國專利CN1545195中公開了一種涉及正反激雙向DC-DC變換器，由變壓器次、初 級繞組Nsl與NP1相互耦合構成正激變壓器；由另一變壓器次、初級繞組Ns2與Np2相互耦 合構成反激變壓器T2，兩個次級繞組Nsl與Ns2各自串聯(lián)開關管Si與S2后同時并聯(lián)于輸入 直流電源。兩個初級繞組NP1與Np2串聯(lián)后通過整流/逆變電路和直流電源V2并聯(lián)。利用 有源箝位、RCD箝位、LCD箝位、ZVT復位等技術可組成一族雙向變換器拓撲。但是，該技術仍有以下不足1、兩個變壓器處理的功率等級不同，導致變壓器的損耗分配不均，功率開關管的 電壓和電流應力不對稱，增加了熱管理的難度，影響了變換器的壽命；2、在該方案中，正激變壓器不需要氣隙，反激變壓器需要增加較大氣隙，增加了磁 性元件的設計復雜度，不利于工業(yè)化大規(guī)模生產；3、該方案中，正激變壓器只在其對應開關管導通時向高壓側傳遞能量，而反激變 壓器只在其對應開關管關斷時向高壓側傳遞能量，導致變壓器的利用率不高，增加了變壓 器的體積，降低了系統(tǒng)功率密度；4、由于正激變壓器和反激變壓器的不對稱性，難以實現(xiàn)電路的交錯并聯(lián)工作，影 響了系統(tǒng)功率等級的提高。
發(fā)明內容
本發(fā)明的目的是提供一種結構簡單、低壓側電流紋波小的隔離型有源箝位交錯并 聯(lián)雙向直流-直流變換器。為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明有以下兩種技術解決方案方案1本發(fā)明的隔離型有源箝位交錯并聯(lián)雙向直流-直流變換器，包括低壓側電路和高 壓側電路；所述的低壓側電路包括兩條有源箝位電路和兩條與低壓側電源并聯(lián)的支路，第 一條并聯(lián)支路由第一低壓側繞組與帶反并二極管的第一功率開關管串聯(lián)構成，在第一功率 開關管兩端并聯(lián)第一并聯(lián)電容，第二條并聯(lián)支路由第二低壓側繞組與帶反并二極管的第二 功率開關管串聯(lián)構成，在第二功率開關管兩端并聯(lián)第二并聯(lián)電容；第一有源箝位電路并聯(lián) 在第一低壓側繞組兩端或并聯(lián)在第一功率開關管的源極和漏極上，其由帶反并二極管的第 一輔助開關管和第一箝位電容串聯(lián)構成；第二有源箝位電路并聯(lián)在第二低壓側繞組兩端或 并聯(lián)在第二功率開關管的源極和漏極上，其由帶反并二極管的第二輔助開關管和第二箝位 電容串聯(lián)構成；所述的高壓側電路包括第一高壓側繞組、第二高壓側繞組、帶反并二極管的第三 功率開關管、帶反并二極管的第四功率開關管、第一高壓側電容和第二高壓側電容。其中第 一高壓側繞組與第一低壓側繞組同為一個耦合電感中的兩個繞組，第二高壓側繞組與第二 低壓側繞組同為另一個耦合電感中的兩個繞組，以第一低壓側繞組和第二低壓側繞組中均 與低壓側電源同一極相連的那一端為參照端，第一高壓側繞組與第一低壓側繞組對應的同 名端和第二高壓側繞組與第二低壓側繞組對應的同名端相連，第一高壓側繞組的另一端與 第四功率開關管的源極和第三功率開關管的漏極相連，第二高壓側繞組的另一端與第一高 壓側電容和第二高壓側電容的一端相連，第一高壓側電容的另一端與第三功率開關管的源 極和高壓側電源的一端相連，第二高壓側電容的另一端與第四功率開關管的漏極和高壓側 電源的另一端相連。在第三功率開關管兩端并聯(lián)第三并聯(lián)電容，在第四功率開關管兩端并 聯(lián)第四并聯(lián)電容。方案2本發(fā)明的隔離型有源箝位交錯并聯(lián)雙向直流-直流變換器，包括低壓側電路和高 壓側電路；所述的低壓側電路包括有源箝位電路和兩條與低壓側電源并聯(lián)的支路，第一條 并聯(lián)支路由第一低壓側繞組與帶反并二極管的第一功率開關管串聯(lián)構成，在第一功率開關 管兩端并聯(lián)第一并聯(lián)電容，第二條并聯(lián)支路由第二低壓側繞組與帶反并二極管的第二功率 開關管串聯(lián)構成，在第二功率開關管兩端并聯(lián)第二并聯(lián)電容；有源箝位電路由帶反并二極 管的第一輔助開關管、帶反并二極管的第二輔助開關管和箝位電容構成，其中第一輔助開 關管的源極和第一功率開關管的漏極相連，第二輔助開關管的源極和第二功率開關管的漏 極相連，第一輔助開關管的漏極和第二輔助開關管的漏極與箝位電容的一端相連，箝位電 容的另一端與第二功率開關管的源極相連或與第一低壓側繞組同低壓側電源相連的那端 相連。
所述的高壓側電路包括第一高壓側繞組、第二高壓側繞組、帶反并二極管的第三 功率開關管、帶反并二極管的第四功率開關管、第一高壓側電容和第二高壓側電容。其中第 一高壓側繞組與第一低壓側繞組同為一個耦合電感中的兩個繞組，第二高壓側繞組與第二 低壓側繞組同為另一個耦合電感中的兩個繞組，以第一低壓側繞組和第二低壓側繞組中均 與低壓側電源同一極相連的那一端為參照端，第一高壓側繞組與第一低壓側繞組對應的同 名端和第二高壓側繞組與第二低壓側繞組對應的同名端相連，第一高壓側繞組的另一端與 第四功率開關管的源極和第三功率開關管的漏極相連，第二高壓側繞組的另一端與第一高 壓側電容和第二高壓側電容的一端相連，第一高壓側電容的另一端與第三功率開關管的源 極和高壓側電源的一端相連，第二高壓側電容的另一端與第四功率開關管的漏極和高壓側 電源的另一端相連。在第三功率開關管兩端并聯(lián)第三并聯(lián)電容，在第四功率開關管兩端并 聯(lián)第四并聯(lián)電容。本發(fā)明的隔離型有源箝位交錯并雙向直流_直流變換器，利用低壓側并聯(lián)結構減 小低壓側電流的紋波，利用功率開關管上的并聯(lián)電容實現(xiàn)功率開關管的零電壓關斷，利用 耦合電感的漏感實現(xiàn)功率開關管的零電壓開通，利用輔助開關管及其反并二極管與箝位電 容組成的有源箝位電路實現(xiàn)了漏感能量的無損轉移，利用兩個耦合電感的高壓側繞組的串 聯(lián)結構實現(xiàn)了變換器的高升壓/降壓，電路結構簡單，所有功率開關工作于軟開關狀態(tài)，電 路中無能量損耗元件，提高了變換器的效率，換流過程中，開關器件無電壓過沖。本發(fā)明通 過共用磁路的方式，把兩個耦合電感繞制在一個磁元件上，減少了體積。
圖1是方案1隔離型有源箝位交錯并聯(lián)雙向直流_直流變換器的電路圖；圖2是方案1低壓側電路的另一種實施方式電路圖；圖3是方案2隔離型有源箝位交錯并聯(lián)雙向直流_直流變換器的電路圖；圖4是方案2低壓側電路的另一種實施方式電路圖；圖5是本發(fā)明雙向直流_直流變換器升壓工作模態(tài)下工作過程波形圖；圖6是本發(fā)明雙向直流_直流變換器降壓工作模態(tài)下工作過程波形圖。
具體實施例方式參見圖1，本發(fā)明的隔離型有源箝位交錯并聯(lián)雙向直流-直流變換器，包括低壓側 電路和高壓側電路；所述的低壓側電路包括兩條有源箝位電路和兩條與低壓側電源\并聯(lián)的支路， 第一條并聯(lián)支路由第一低壓側繞組Lla與帶反并二極管Di的第一功率開關管Si串聯(lián)構成， 在第一功率開關管Si兩端并聯(lián)第一并聯(lián)電容CS1，第二條并聯(lián)支路由第二低壓側繞組L2a與 帶反并二極管D2的第二功率開關管S2串聯(lián)構成，在第二功率開關管S2兩端并聯(lián)第二并聯(lián) 電容CS2 ；圖1所示實例中，第一有源箝位電路并聯(lián)并聯(lián)在第一功率開關管Si的源極和漏極 上，或者也可以如圖2所示，并聯(lián)在第一低壓側繞組Lla兩端。其由帶反并二極管t的第一 輔助開關管Scl和第一箝位電容k串聯(lián)構成；圖1所示實例中，第二有源箝位電路并聯(lián)在 第二功率開關管S2的源極和漏極上，或者也可以如圖2所示，并聯(lián)在第二低壓側繞組L2a兩 端。其由帶反并二極管D。2的第二輔助開關管S。2和第二箝位電容C。2串聯(lián)構成；
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所述的高壓側電路包括第一高壓側繞組Llb、第二高壓側繞組L2b、帶反并二極管 D3的第三功率開關管s3、帶反并二極管D4的第四功率開關管S4、第一高壓側電容Q和第二 高壓側電容c。2。其中第一高壓側繞組Llb與第一低壓側繞組Lla同為一個耦合電感中的兩 個繞組，第二高壓側繞組L2b與第二低壓側繞組L2a同為另一個耦合電感中的兩個繞組，以第 一低壓側繞組Lla和第二低壓側繞組L2a中均與低壓側電源\同一極相連的那一端為參照 端，第一高壓側繞組Llb與第一低壓側繞組Lla對應的同名端和第二高壓側繞組L2b與第二低 壓側繞組L2a對應的同名端相連，第一高壓側繞組Llb的另一端與第四功率開關管S4的源極 和第三功率開關管S3的漏極相連，第二高壓側繞組L2b的另一端與第一高壓側電容Q和第 二高壓側電容C。2的一端相連，第一高壓側電容Q的另一端與第三功率開關管S3的源極和 高壓側電源VH的一端相連，第二高壓側電容C。2的另一端與第四功率開關管S4的漏極和高 壓側電源\的另一端相連。在第三功率開關管&兩端并聯(lián)第三并聯(lián)電容CS3，在第四功率 開關管S4兩端并聯(lián)第四并聯(lián)電容CS4。參見圖3，本發(fā)明的隔離型有源箝位交錯并聯(lián)雙向直流-直流變換器，包括低壓側 電路和高壓側電路；所述的低壓側電路包括有源箝位電路和兩條與低壓側電源\并聯(lián)的支路，第一 條并聯(lián)支路由第一低壓側繞組Lla與帶反并二極管Di的第一功率開關管Si串聯(lián)構成，在第 一功率開關管Si兩端并聯(lián)第一并聯(lián)電容CS1，第二條并聯(lián)支路由第二低壓側繞組L2a與帶反 并二極管D2的第二功率開關管S2串聯(lián)構成，在第二功率開關管S2兩端并聯(lián)第二并聯(lián)電容 CS2 ；有源箝位電路由帶反并二極管D。i的第一輔助開關管S。i、帶反并二極管D。2的第二輔助 開關管s。2和箝位電容C。構成，其中第一輔助開關管S。i的源極和第一功率開關管Si的漏極 相連，第二輔助開關管S。2的源極和第二功率開關管s2的漏極相連，第一輔助開關管s。i的 漏極和第二輔助開關管s。2的漏極與箝位電容C。的一端相連，圖3所示實例中，箝位電容C。 的另一端與第二功率開關管s2的源極相連，或者也可以如圖4所示，箝位電容C。的另一端 與第一低壓側繞組Lla同低壓側電源\相連的那端相連。所述的高壓側電路包括第一高壓側繞組Llb、第二高壓側繞組L2b、帶反并二極管 D3的第三功率開關管s3、帶反并二極管D4的第四功率開關管S4、第一高壓側電容Q和第二 高壓側電容c。2。其中第一高壓側繞組Llb與第一低壓側繞組Lla同為一個耦合電感中的兩 個繞組，第二高壓側繞組L2b與第二低壓側繞組L2a同為另一個耦合電感中的兩個繞組，以第 一低壓側繞組Lla和第二低壓側繞組L2a中均與低壓側電源\同一極相連的那一端為參照 端，第一高壓側繞組Llb與第一低壓側繞組Lla對應的同名端和第二高壓側繞組L2b與第二低 壓側繞組L2a對應的同名端相連，第一高壓側繞組Llb的另一端與第四功率開關管S4的源極 和第三功率開關管S3的漏極相連，第二高壓側繞組L2b的另一端與第一高壓側電容Q和第 二高壓側電容C。2的一端相連，第一高壓側電容Q的另一端與第三功率開關管S3的源極和 高壓側電源VH的一端相連，第二高壓側電容C。2的另一端與第四功率開關管S4的漏極和高 壓側電源\的另一端相連。在第三功率開關管&兩端并聯(lián)第三并聯(lián)電容CS3，在第四功率 開關管S4兩端并聯(lián)第四并聯(lián)電容CS4。本發(fā)明雙向直流-直流變換器工作時，將初始的高低壓直流電源接入變換器，根 據(jù)采樣所得的低壓側電流、低壓側電源電壓、低壓側箝位電容電壓和高壓側電源電壓等信 號，使用移相加PWM的控制方法，通過DSP程序處理后得出第二功率開關管的控制信號超前
7或滯后于第四功率開關管的控制信號，從而實現(xiàn)傳輸功率大小和方向的控制。根據(jù)高低壓 電源電壓幅值，計算出第一功率開關管、第二功率開關管、第一輔助開關管和第二輔助開關 的占空比，使得高壓側等效漏感兩邊的電壓匹配。根據(jù)計算得到的每個開關管占空比大小 與相位關系，控制第一功率開關管、第二功率開關管、第一輔助開關管、第二輔助開關、第三 功率開關管和第四功率開關管的開通和關斷。其中，第一功率開關管和第二功率開關管的導通時間相等，相位相差180度，第一 輔助開關管和第一功率開關管的控制信號互補，并有共同關斷的一小段時間作為死區(qū)時 間，第二輔助開關管和第二功率開關管的控制信號互補，并有共同關斷的一小段時間作為 死區(qū)時間。第三功率開關管和第四功率開關管的控制信號互補，各為0. 5的固定占空比，并 有共同關斷的死區(qū)時間。第二功率開關管的控制信號超前或滯后于與第四功率開關管的控 制信號，第一功率開關管的控制信號超前或滯后于第三功率開關管的控制信號。本發(fā)明的隔離型雙向直流-直流變換器存在升壓、降壓兩種工作模態(tài)。每種工作 模態(tài)可以分為六種工作過程，在升壓模式下其工作過程為第二輔助開關管S。2關斷與第二 功率開關管S2開通之間的換流過程；第一功率開關管Si關斷與第一輔助開關管s。i開通之 間的換流過程；第三功率開關管s3關斷與第四功率開關管s4開通之間的換流過程；第一輔 助開關管S。i關斷與第一功率開關管Si開通之間的換流過程；第二功率開關管s2關斷與第 二輔助開關管S。2開通之間的換流過程；第四功率開關管s4關斷與第三功率開關管s3開通 之間的換流過程。圖1 圖4所示變換器的工作過程基本相同，以圖1為例來說明變換器 的工作過程第二輔助開關管S。2關斷與第二功率開關管S2開通之間的換流過程換流前，電路處于第二輔助開關管S。2導通，第二輔助開關管的反并二極管D。2關 斷，第一功率開關管Sl導通，第一功率開關管的反并二極管Di關斷，第三功率開關管S3導 通，第三功率開關管的反并二極管D3關斷，第一輔助開關管、及其反并二極管D。i關斷，第 二功率開關管S2其反并二極管D2關斷，第四功率開關管S4其反并二極管D4關斷。當?shù)诙?輔助開關管S。2關斷時，在變換器的低壓側，耦合電感的漏感與開關管的并聯(lián)電容Cs2開始諧 振，隨著并聯(lián)電容Cs2的電壓的下降，第二輔助開關管S。2的電壓從零開始上升，即第二輔助 開關管S。2實現(xiàn)了零電壓關斷，當并聯(lián)電容Cs2上的電壓線性下降到零時，第二功率開關管& 的反并二極管D2導通，此時給出第二功率開關管S2的開通信號，就實現(xiàn)了第二功率開關管 S2零電壓開通。在此過程中，在變換器的高壓側，第三功率開關管&處于導通狀態(tài)，能量從 第一、第二耦合電感轉移到第一高壓側電容Q中。第一功率開關管Si關斷與第一輔助開關管、開通之間的換流過程換流前，電路處于第一功率開關管Si導通，第一功率開關管的反并二極管Di關斷， 第二功率開關管S2導通，第二功率開關管的反并二極管D2關斷，第一輔助開關管s。i及其反 并二極管D。i關斷，第二輔助開關管S。2及其反并二極管D。2關斷，第三功率開關管S3導通， 第三功率開關管的反并二極管D3關斷，第四功率開關管S4其反并二極管D4關斷。當?shù)谝?功率開關管Si關斷時，在變換器的低壓側，由于開關管并聯(lián)電容Csl的作用，第一功率開關 管Si的電壓從零開始以一定的斜率線性上升，因此第一功率開關管Si實現(xiàn)了零電壓關斷。 當?shù)谝还β书_關管Si的電壓超過第一箝位電容Cd的電壓時，第一輔助開關管的反并二極 管D。i導通，第一耦合電感的漏感中的能量轉移到第一箝位電容(^中，在第一輔助開關管的反并二極管D。i導通后給出第一輔助開關管、的開通信號，而實現(xiàn)了第一輔助開關管、 的零電壓開通，第一輔助開關管的反并二極管D。i退出工作。在此過程中，在變換器的高壓 側，第三功率開關管S3處于仍舊處于導通狀態(tài)，能量繼續(xù)從第一、第二耦合電感轉移到第一 高壓側電容Q中。 第三功率開關管S3關斷與第四功率開關管S4開通之間的換流過程
換流前，電路處于第二功率開關管S2導通，第二功率開關管的反并二極管D2關斷， 第三功率開關管S3導通，第三功率開關管的反并二極管D3關斷，第一輔助開關管sel導通， 其反并二極管D。i關斷，第二輔助開關管S。2及其反并二極管D。2關斷，第一功率開關管Si其 反并二極管Di關斷，第四功率開關管S4其反并二極管D4關斷。第三功率開關管S3關斷時， 在變換器的高壓側，由于開關管并聯(lián)電容Cs3的作用，第三功率開關管S3的電壓從零開始以 一定的斜率線性上升，因此第三功率開關管S3實現(xiàn)了零電壓關斷。當?shù)谌β书_關管S3的 電壓超過高壓側電容C。的電壓時，第四功率開關管S4的反并二極管D4導通，第一、二耦合 電感的能量轉移到高壓側電容C。2中，在第四功率開關管s4的反并二極管D4導通后，給出第 四功率開關管S4的開通信號，從而實現(xiàn)了第四功率開關管s4的零電壓開通，第四功率開關 管S4的反并二極管D4退出工作。第一輔助開關管、關斷與第一功率開關管Si開通之間的換流過程由于電路的對稱性，變換器低壓側的換流過程與第二輔助開關管S。2關斷與第二 功率開關管S2開通之間的換流過程類似。第二功率開關管S2關斷與第二輔助開關管S。2開通之間的換流過程由于電路的對稱性，變換器低壓側的換流過程與第一功率開關管Si關斷與第一輔 助開關管、開通之間的換流過程類似。第四功率開關管S4關斷與第三功率開關管S3開通之間的換流過程由于電路的對稱性，變換器高壓側的換流過程與第三功率開關管S3關斷與第四功 率開關管S4開通之間的換流過程類似。圖5是雙向直流-直流變換器升壓工作模態(tài)下工作過程波形圖，圖5中①表示移 相角，D表示占空比，圖的上部分為各開關管的驅動波形占空比及相位關系示意圖，圖中的 、為高壓側耦合電感的電流波形，圖中的％至表示一個開關周期中的時間點，eQ e ！時間內是第二輔助開關管s。2關斷與第二功率開關管s2開通之間的換流過程，e工 e 3 時間內是第一功率開關管Si關斷與第一輔助開關管、開通之間的換流過程，e3 95時 間內是第三功率開關管&關斷與第四功率開關管、開通之間的換流過程，e5 e7時間 內是第一輔助開關管、關斷與第一功率開關管Si開通之間的換流過程，e7 e9時間內 第二功率開關管&關斷與第二輔助開關管5。2開通之間的換流過程，e9 時間內是第 四功率開關管s4關斷與第三功率開關管s3開通之間的換流過程。圖6是雙向直流-直流變換器降壓工作模態(tài)下工作過程波形圖。在降壓模式下其 工作過程為以下六個過程第二輔助開關管s。2關斷與第二功率開關管s2開通之間的換流 過程；第一功率開關管Si關斷與第一輔助開關管s。i開通之間的換流過程；第四功率開關管 s4關斷與第三功率開關管s3開通之間的換流過程；第一輔助開關管s。i關斷與第一功率開 關管Si開通之間的換流過程；第二功率開關管s2關斷與第二輔助開關管s。2開通之間的換 流過程；第三功率開關管s3關斷與第四功率開關管s4開通之間的換流過程。
第二輔助開關管S。2關斷與第二功率開關管S2開通之間的換流過程換流前，電路處于第二輔助開關管S。2導通，第二輔助開關管的反并二極管D。2關 斷，第一功率開關管Si導通，第一功率開關管的反并二極管Di關斷，第四功率開關管S4導 通，第四功率開關管的反并二極管D4關斷，第一輔助開關管、及其反并二極管D。i關斷，第 二功率開關管S2其反并二極管D2關斷，第三功率開關管S3其反并二極管D3關斷。當?shù)诙?輔助開關管S。2關斷時，在變換器的低壓側，耦合電感的漏感與開關管的并聯(lián)電容Cs2開始諧 振，隨著并聯(lián)電容Cs2的電壓的下降，第二輔助開關管S。2的電壓從零開始上升，即第二輔助 開關管S。2實現(xiàn)了零電壓關斷，當并聯(lián)電容Cs2上的電壓線性下降到零時，第二功率開關管& 的反并二極管D2導通，此時給出第二功率開關管S2的開通信號，就實現(xiàn)了第二功率開關管 S2零電壓開通。在此過程中，在變換器的高壓側，第四功率開關管、處于導通狀態(tài)，能量從 高壓側電容C。2經過第一、第二耦合電感轉移到低壓側。第一功率開關管Si關斷與第一輔助開關管、開通之間的換流過程換流前，電路處于第一功率開關管Si導通，第一功率開關管的反并二極管0工關斷， 第二功率開關管S2導通，第二功率開關管的反并二極管D2關斷，第一輔助開關管s。i及其反 并二極管D。i關斷，第二輔助開關管S。2及其反并二極管D。2關斷，第四功率開關管S4導通， 第四功率開關管的反并二極管D4關斷，第三功率開關管S3其反并二極管D3關斷。當?shù)谝?功率開關管Si關斷時，在變換器的低壓側，由于開關管并聯(lián)電容csl的作用，第一功率開關 管Si的電壓從零開始以一定的斜率線性上升，因此第一功率開關管Si實現(xiàn)了零電壓關斷。 當?shù)谝还β书_關管Si的電壓超過第一箝位電容Cd的電壓時，第一輔助開關管的反并二極 管仏工導通，第一耦合電感的漏感中的能量轉移到第一箝位電容Cd中，在第一輔助開關管的 反并二極管D。i導通后給出第一輔助開關管S。i的開通信號，而實現(xiàn)了第一輔助開關管S。i的 零電壓開通，第一輔助開關管的反并二極管D。i退出工作。在此過程中，在變換器的高壓側， 第四功率開關管S4處于仍舊處于導通狀態(tài)，能量繼續(xù)從高壓側電容(；2經過第一、第二耦合 電感轉移到低壓側。第四功率開關管S4關斷與第三功率開關管S3開通之間的換流過程換流前，電路處于第二功率開關管S2導通，第二功率開關管的反并二極管仏關斷， 第四功率開關管S4導通，第四功率開關管的反并二極管D4關斷，第一輔助開關管s。i導通， 其反并二極管D。i關斷，第二輔助開關管S。2及其反并二極管D。2關斷，第一功率開關管Si其 反并二極管Di關斷，第三功率開關管S3其反并二極管D3關斷。第四功率開關管S4關斷時， 在變換器的高壓側，由于開關管并聯(lián)電容Cs4的作用，第四功率開關管S4的電壓從零開始以 一定的斜率線性上升，因此第四功率開關管S4實現(xiàn)了零電壓關斷。當?shù)谌β书_關管S3的 電壓線性下降到零時，第三功率開關管S3的反并二極管D3導通，此時給出第三功率開關管 s3的開通信號，從而實現(xiàn)了第三功率開關管s3的零電壓開通，第三功率開關管s3的反并二 極管D3退出工作，第一高壓側電容Q的能量開始轉移第一、二耦合電感中。第一輔助開關管、關斷與第一功率開關管Si開通之間的換流過程由于電路的對稱性，變換器低壓側的換流過程與第二輔助開關管S。2關斷與第二 功率開關管S2開通之間的換流過程類似。第二功率開關管S2關斷與第二輔助開關管S。2開通之間的換流過程由于電路的對稱性，變換器低壓側的換流過程與第一功率開關管Si關斷與第一輔助開關管、開通之間的換流過程類似。第三功率開關管S3關斷與第四功率開關管S4開通之間的換流過程由于電路的對稱性，變換器高壓側的換流過程與第四功率開關管S4關斷與第三功 率開關管S3開通之間的換流過程類似。圖6的上部分為各開關管的驅動波形占空比及相位關系示意圖，O表示移相角，D 表示占空比，圖中的、為高壓側耦合電感的電流波形，圖中的e^至011表示一個開關周 期中的時間點，叭 時間內是第二輔助開關管s。2*斷與第二功率開關管&開通之間 的換流過程，9 i e 3時間內是第一功率開關管Si關斷與第一輔助開關管s。i開通之間的 換流過程，e3 e5時間內是第四功率開關管s4關斷與第三功率開關管&開通之間的換 流過程，9 5 e 7時間內是第一輔助開關管、關斷與第一功率開關管Si開通之間的換流 過程，e7 99時間內第二功率開關管&關斷與第二輔助開關管5。2開通之間的換流過程， 9 9 e ^時間內是第三功率開關管s3關斷與第四功率開關管s4開通之間的換流過程。
權利要求
隔離型有源箝位交錯并聯(lián)雙向直流 直流變換器，其特征在于，包括低壓側電路和高壓側電路；所述的低壓側電路包括兩條有源箝位電路和兩條與低壓側電源(VL)并聯(lián)的支路，第一條并聯(lián)支路由第一低壓側繞組(L1a)與帶反并二極管(D1)的第一功率開關管(S1)串聯(lián)構成，在第一功率開關管(S1)兩端并聯(lián)第一并聯(lián)電容(CS1)，第二條并聯(lián)支路由第二低壓側繞組(L2a)與帶反并二極管(D2)的第二功率開關管(S2)串聯(lián)構成，在第二功率開關管(S2)兩端并聯(lián)第二并聯(lián)電容(CS2)；第一有源箝位電路并聯(lián)在第一低壓側繞組(L1a)兩端或并聯(lián)在第一功率開關管(S1)的源極和漏極上，其由帶反并二極管(Dc1)的第一輔助開關管(Sc1)和第一箝位電容(Cc1)串聯(lián)構成；第二有源箝位電路并聯(lián)在第二低壓側繞組(L2a)兩端或并聯(lián)在第二功率開關管(S2)的源極和漏極上，其由帶反并二極管(Dc2)的第二輔助開關管(Sc2)和第二箝位電容(Cc2)串聯(lián)構成；所述的高壓側電路包括第一高壓側繞組(L1b)、第二高壓側繞組(L2b)、帶反并二極管(D3)的第三功率開關管(S3)、帶反并二極管(D4)的第四功率開關管(S4)、第一高壓側電容(Co1)和第二高壓側電容(Co2)。其中第一高壓側繞組(L1b)與第一低壓側繞組(L1a)同為一個耦合電感中的兩個繞組，第二高壓側繞組(L2b)與第二低壓側繞組(L2a)同為另一個耦合電感中的兩個繞組，以第一低壓側繞組(L1a)和第二低壓側繞組(L2a)中均與低壓側電源(VL)同一極相連的那一端為參照端，第一高壓側繞組(L1b)與第一低壓側繞組(L1a)對應的同名端和第二高壓側繞組(L2b)與第二低壓側繞組(L2a)對應的同名端相連，第一高壓側繞組(L1b)的另一端與第四功率開關管(S4)的源極和第三功率開關管(S3)的漏極相連，第二高壓側繞組(L2b)的另一端與第一高壓側電容(Co1)和第二高壓側電容(Co2)的一端相連，第一高壓側電容(Co1)的另一端與第三功率開關管(S3)的源極和高壓側電源(VH)的一端相連，第二高壓側電容(Co2)的另一端與第四功率開關管(S4)的漏極和高壓側電源(VH)的另一端相連。在第三功率開關管(S3)兩端并聯(lián)第三并聯(lián)電容(CS3)，在第四功率開關管(S4)兩端并聯(lián)第四并聯(lián)電容(CS4)。
2.隔離型有源箝位交錯并聯(lián)雙向直流-直流變換器，其特征在于，包括低壓側電路和 高壓側電路；所述的低壓側電路包括有源箝位電路和兩條與低壓側電源(yL)并聯(lián)的支路，第一條 并聯(lián)支路由第一低壓側繞組(Lla)與帶反并二極管(Di)的第一功率開關管(Si)串聯(lián)構成， 在第一功率開關管(SD兩端并聯(lián)第一并聯(lián)電容(CS1)，第二條并聯(lián)支路由第二低壓側繞組 (L2a)與帶反并二極管(D2)的第二功率開關管(S2)串聯(lián)構成，在第二功率開關管(S2)兩端 并聯(lián)第二并聯(lián)電容(CS2)；有源箝位電路由帶反并二極管(DJ的第一輔助開關管(SJ、帶 反并二極管(D。2)的第二輔助開關管(S。2)和箝位電容(C。)構成，其中第一輔助開關管(SJ 的源極和第一功率開關管的漏極相連，第二輔助開關管(S。2)的源極和第二功率開關 管(S2)的漏極相連，第一輔助開關管(SJ的漏極和第二輔助開關管(S。2)的漏極與箝位電 容(C。)的一端相連，箝位電容(C。)的另一端與第二功率開關管(s2)的源極相連或與第一 低壓側繞組(Lla)同低壓側電源相連的那端相連。所述的高壓側電路包括第一高壓側繞組(Llb)、第二高壓側繞組(L2b)、帶反并二極管 (D3)的第三功率開關管(S3)、帶反并二極管(D4)的第四功率開關管(S4)、第一高壓側電容 (C0l)和第二高壓側電容(Co2)。其中第一高壓側繞組(Llb)與第一低壓側繞組(Lla)同為一個耦合電感中的兩個繞組，第二高壓側繞組(L2b)與第二低壓側繞組(L2a)同為另一個耦 合電感中的兩個繞組，以第一低壓側繞組(Lla)和第二低壓側繞組(L2a)中均與低壓側電源 (VL)同一極相連的那一端為參照端，第一高壓側繞組(Llb)與第一低壓側繞組(Lla)對應的 同名端和第二高壓側繞組(L2b)與第二低壓側繞組(L2a)對應的同名端相連，第一高壓側繞 組(Llb)的另一端與第四功率開關管(S4)的源極和第三功率開關管(S3)的漏極相連，第二 高壓側繞組(L2b)的另一端與第一高壓側電容(CJ和第二高壓側電容(C。2)的一端相連， 第一高壓側電容(CJ的另一端與第三功率開關管(S3)的源極和高壓側電源(VH)的一端相 連，第二高壓側電容(C。2)的另一端與第四功率開關管(S4)的漏極和高壓側電源(VH)的另 一端相連。在第三功率開關管(S3)兩端并聯(lián)第三并聯(lián)電容(CS3)，在第四功率開關管(S4)兩 端并聯(lián)第四并聯(lián)電容(CS4)。
全文摘要
本發(fā)明的隔離型有源箝位交錯并聯(lián)雙向直流-直流變換器，包括四個帶反向并聯(lián)二極管和并聯(lián)電容的功率開關管、兩個帶反向并聯(lián)二極管的輔助開關管、兩個箝位電容、兩個高壓側電容和兩個兩繞組耦合電感。本發(fā)明利用低壓側并聯(lián)結構減小低壓側電流的紋波，利用功率開關管上的并聯(lián)電容實現(xiàn)功率開關管的零電壓關斷，利用耦合電感的漏感實現(xiàn)功率開關管的零電壓開通，利用輔助開關管及其反并二極管與箝位電容組成的有源箝位電路實現(xiàn)了漏感能量的無損轉移，利用兩個耦合電感的高壓側繞組的串聯(lián)結構實現(xiàn)了變換器的高升壓/降壓，電路結構簡單，所有功率開關工作于軟開關狀態(tài)，電路中無能量損耗元件，提高了變換器的效率，換流過程中，開關器件無電壓過沖。
文檔編號H02M3/335GK101951154SQ201010285590
公開日2011年1月19日 申請日期2010年9月17日 優(yōu)先權日2010年9月17日
發(fā)明者何湘寧, 吳海蒙, 李武華 申請人:浙江大學