本發(fā)明涉及電子電路自動(dòng)化控制領(lǐng)域，尤其涉及一種基于總線式均衡網(wǎng)絡(luò)的隔離型變換器和工作方法。

背景技術(shù)：

新型電力電子器件和新型控制技術(shù)不斷涌現(xiàn)，使電力電子變換器不斷朝著高功率密度、高可靠性、模塊化、高效率、低污染方向發(fā)展，對(duì)電力電子變換器的性能要求也隨之不斷提高。我們熟知的dc-dc變換器主要工作于單向模式，即能量只能由輸入端流向輸出端，對(duì)于需要能量雙向流動(dòng)的場(chǎng)合，通常采用兩個(gè)單向dc-dc變換器反向并聯(lián)的結(jié)構(gòu)，這種方案可以實(shí)現(xiàn)能量的雙向傳輸，但系統(tǒng)體積較大，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，不利于變換器的模塊化和小型化。為了解決上述問(wèn)題，能夠?qū)崿F(xiàn)能量雙向傳輸?shù)摹半p向dc-dc變換器”應(yīng)運(yùn)而生。

隨著科學(xué)技術(shù)的迅速發(fā)展，人們對(duì)雙向dc-dc變換器的需求也隨之快速增加，在太陽(yáng)能電源系統(tǒng)、電動(dòng)汽車(chē)、直流不停電電源系統(tǒng)、燃料電池供電系統(tǒng)、多端口混合供電系統(tǒng)、直流功率放大器、電梯等場(chǎng)合，雙向dc-dc變換器都有廣泛的應(yīng)用。

與單向dc-dc變換器類(lèi)似，雙向dc-dc變換器也可以分為非隔離型變換器和變壓器隔離型變換器兩大類(lèi)。全橋雙向dc-dc變換器，通過(guò)移相控制可使其開(kāi)關(guān)器件實(shí)現(xiàn)零電壓開(kāi)關(guān)，開(kāi)關(guān)器件的電壓、電流應(yīng)力?。蛔儔浩麟p向勵(lì)磁，利用率較高，在中、大功率場(chǎng)合有廣泛的應(yīng)用。用變壓器作為隔離，高、低壓側(cè)分別有既可整流又可逆變的變流裝置。用igbt或moseft管作為開(kāi)關(guān)器件構(gòu)成橋式或半橋式整流逆變電路。正常情況下的能量流向是，從高壓側(cè)向低壓側(cè)方向，低壓側(cè)的蓄電池處于充電狀態(tài)，另外低壓側(cè)負(fù)載需要消耗一定的能量。當(dāng)能量從低壓側(cè)向高壓側(cè)流動(dòng)時(shí)，具有短時(shí)和大電流的特點(diǎn)。通常只在系統(tǒng)啟動(dòng)或故障狀態(tài)下出現(xiàn)。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明旨在至少解決現(xiàn)有技術(shù)中存在的技術(shù)問(wèn)題，特別創(chuàng)新地提出了一種基于總線式均衡網(wǎng)絡(luò)的隔離型變換器和工作方法。

為了實(shí)現(xiàn)本發(fā)明的上述目的，本發(fā)明提供了一種基于總線式均衡網(wǎng)絡(luò)的隔離型變換器，其關(guān)鍵在于，包括：第一mos管，第二mos管，第三mos管，第四mos管，第五mos管，第六mos管，第七mos管，第八mos管，第一電阻，第二電阻，第一電感，第一電容，變壓器。

第一mos管漏極接輸入電源正極，所述第一mos管源極接第二mos管漏極，所述第一mos管源極又接變壓器原邊正極，所述第二mos管源級(jí)接輸入電源負(fù)極，第一電阻一端接輸入電源正極，所述一電阻另一端接輸入電源負(fù)極，第三mos管漏極接第一mos管漏極，所述第三mos管源極接第四mos管漏極，所述第三mos管源極又接變壓器原邊負(fù)極，所述第四mos管源極接輸入電源負(fù)極，第一電感一端接變壓器副邊正極，所述第一電感另一端接第五mos管源極，所述第五mos管漏極接第七mos管漏極，所述第五mos管漏極又接輸出電源正極，所述第七mos管源極接變壓器副邊負(fù)極，所述第七mos管源極又接第八mos管漏極，所述第八mos管源極接第六mos管源極，所述第八mos管源極又接輸出電源負(fù)極，所述第六mos管漏極接變壓器副邊正極，第一電容一端接第二電阻一端，所述第一電容另一端接第二電阻另一端，所述第二電阻一端接輸出電源正極，所述第二電阻另一端接輸出電源負(fù)極。

本發(fā)明還公開(kāi)一種基于總線式均衡網(wǎng)絡(luò)的隔離型變換器的工作方法，其特征在于，設(shè)置mos管工作時(shí)序，當(dāng)能量從低壓向高壓方向傳送時(shí)，mos管導(dǎo)通、關(guān)斷的一個(gè)時(shí)間周期分為t1、t2、t3、t4、t5五個(gè)時(shí)間點(diǎn)，所述工作方法包括：

階段1，在t1至t2階段，第一mos管，第四mos管，第七mos管導(dǎo)通，由于第五mos管內(nèi)部二極管ds1和第七mos管的導(dǎo)通，使得變壓器右側(cè)的c，d兩點(diǎn)短路，變壓器右側(cè)和ilk相關(guān)的等效電路如圖3所示，電流ilk的值如(1)式所示，

電感l(wèi)k的儲(chǔ)能時(shí)間可以通過(guò)s3的導(dǎo)通時(shí)間來(lái)控制，式(1)中的ut2為變壓器右側(cè)電壓幅值。

階段2，在t2至t3階段，在t2時(shí)刻第七mos管關(guān)斷，經(jīng)過(guò)短暫的延時(shí)后，對(duì)第八mos管加觸發(fā)脈沖但第八mos管并不立即導(dǎo)通。此時(shí)電感電流ilk經(jīng)第五mos管、第八mos管內(nèi)部二極管對(duì)第一電容進(jìn)行充電，電流表達(dá)式如(2)式所示，等效電路如圖4所示。

上式中u2為高壓側(cè)的直流輸出電壓值。階段i和階段2構(gòu)成了一個(gè)電壓提升工作方式，改變第七mos管門(mén)極脈沖的占空比，可調(diào)節(jié)變壓器右側(cè)，即高壓側(cè)的輸出電壓，根據(jù)電壓提升電路的特性u(píng)t2和u2之間有(3)式所示的關(guān)系。

上式中d為占空比，即第七mos管在第一mos管、第四mos管導(dǎo)通階段所占的比例，ton＝t2-t1，t為ilk的半周期。

階段3，在t3至t4階段，在t3點(diǎn)第一mos管、第四mos管，此時(shí)ilk迅速回落，ilk變化如(4)式所示，(4)式中td為死區(qū)時(shí)間，等效電路如圖5所示。

階段4，在t4至t5階段，在t5點(diǎn)第二mos管、第三mos管、第八mos管導(dǎo)通，此時(shí)反向重復(fù)階段1的過(guò)程。

所述的一種基于總線式均衡網(wǎng)絡(luò)的隔離型變換器工作方法，優(yōu)選的，還包開(kāi)關(guān)器件的軟切換：

為實(shí)現(xiàn)開(kāi)關(guān)器件的軟切換，減小開(kāi)關(guān)過(guò)程中的電壓和電流值，盡量使開(kāi)關(guān)切換在接近零電壓時(shí)進(jìn)行，因此在逆變器開(kāi)關(guān)換流時(shí)，設(shè)置了死區(qū)td.在圖1所示電路中，當(dāng)能量從低壓向高壓傳送時(shí)，在m1從導(dǎo)通向截止換流，m2由截止向?qū)〒Q流時(shí).中間設(shè)置死區(qū)td?？紤]到電容cs1＝cs2；因此，換流期間可以認(rèn)為ucm1+ucm2＝ucm3+ucm4維持不變，等于u1。由于mi關(guān)斷，cm1充電，電壓ucm1從0開(kāi)始上升，而ucm2放電，電壓從u1下降，升、降值相同，維持和不變。因此，cm1的充電電流為it1/2，cm1充電到電壓u1時(shí)，cm2放電到0v。如果繼續(xù)對(duì)cm1充電，cm2將被反向充電dm2會(huì)導(dǎo)通。此時(shí)為m2的零電壓開(kāi)通提供了條件。對(duì)cm1的充電是在it1的作用下進(jìn)行的，根據(jù)電容充電過(guò)程中電流、電壓和時(shí)問(wèn)之間的關(guān)系可得(5)式。

因此，只要開(kāi)關(guān)換流間隔死區(qū)時(shí)間td大于cm1從0v充電到u1所需的時(shí)間th，即滿足(7)式就可實(shí)現(xiàn)開(kāi)關(guān)元件的零電壓開(kāi)通。一般情況下，取換流時(shí)it1的平均值。

td＞th(7)

所還的一種基于總線式均衡網(wǎng)絡(luò)的隔離型變換器工作方法，優(yōu)選的，包括電感l(wèi)k的選?。?/p>

選適當(dāng)?shù)膌k，使電能從低壓側(cè)向高壓側(cè)傳送時(shí)，保持電流以連續(xù)。實(shí)際上。在s3導(dǎo)通期間(ton)，c2提供負(fù)載電流，而在s3截止期間，電感中的感應(yīng)電勢(shì)使s1內(nèi)部的二極管導(dǎo)通，一方面提供負(fù)載電流.另一方面，補(bǔ)充在ton期問(wèn)c2中電荷的減少。根據(jù)功率平衡關(guān)系(8)式，輸入、輸出關(guān)系(3)式和(9)式，可得保持電流連續(xù)的最小電感l(wèi)kmin。

ut2ilk＝u2i0(8)

綜上所述，由于采用了上述技術(shù)方案，本發(fā)明的有益效果是：

所述變換器，用變壓器作為隔離，高、低壓側(cè)分別有既可整流又可逆變的變流裝置。用igbt或moseft管作為開(kāi)關(guān)器件構(gòu)成橋式或半橋式整流逆變電路。正常情況下的能量流向是，從高壓側(cè)向低壓側(cè)方向，低壓側(cè)的蓄電池處于充電狀態(tài)，另外低壓側(cè)負(fù)載需要消耗一定的能量。當(dāng)能量從低壓側(cè)向高壓側(cè)流動(dòng)時(shí)，具有短時(shí)和大電流的特點(diǎn)。通常只在系統(tǒng)啟動(dòng)或故障狀態(tài)下出現(xiàn)。實(shí)現(xiàn)能量的雙向流動(dòng)，具有穩(wěn)定的輸出電壓。在不增加電路元件的條件下實(shí)現(xiàn)電路的零電壓開(kāi)關(guān)，因此電源的電磁輻射較小。此外，電路還具有體積小、效率高、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本低廉、電氣隔離等優(yōu)點(diǎn)。電源的輸出功率可達(dá)幾到十幾千瓦，除可以用于中、小型的電動(dòng)午輛驅(qū)動(dòng)外，還可作為中、小型變電站的不間斷電源及其它需要雙向直流電源供電的設(shè)備中。

本發(fā)明的附加方面和優(yōu)點(diǎn)將在下面的描述中部分給出，部分將從下面的描述中變得明顯，或通過(guò)本發(fā)明的實(shí)踐了解到。

附圖說(shuō)明

本發(fā)明的上述和/或附加的方面和優(yōu)點(diǎn)從結(jié)合下面附圖對(duì)實(shí)施例的描述中將變得明顯和容易理解，其中：

圖1是本發(fā)明一種基于總線式均衡網(wǎng)絡(luò)的隔離型變換器電路圖；

圖2是本發(fā)明一種基于總線式均衡網(wǎng)絡(luò)的隔離型變換器波形圖；

圖3是本發(fā)明一種基于總線式均衡網(wǎng)絡(luò)的隔離型變換器工作第一階段；

圖4是本發(fā)明一種基于總線式均衡網(wǎng)絡(luò)的隔離型變換器工作第二階段；

圖5是本發(fā)明一種基于總線式均衡網(wǎng)絡(luò)的隔離型變換器工作第三階段；

圖6是本發(fā)明一種基于總線式均衡網(wǎng)絡(luò)的隔離型變換器開(kāi)關(guān)器件的門(mén)極控制信號(hào)；

圖7是本發(fā)明一種基于總線式均衡網(wǎng)絡(luò)的隔離型變換器應(yīng)用在總線式結(jié)構(gòu)中的電路示意圖；

具體實(shí)施方式

下面詳細(xì)描述本發(fā)明的實(shí)施例，所述實(shí)施例的示例在附圖中示出，其中自始至終相同或類(lèi)似的標(biāo)號(hào)表示相同或類(lèi)似的元件或具有相同或類(lèi)似功能的元件。下面通過(guò)參考附圖描述的實(shí)施例是示例性的，僅用于解釋本發(fā)明，而不能理解為對(duì)本發(fā)明的限制。

在本發(fā)明的描述中，需要理解的是，術(shù)語(yǔ)“縱向”、“橫向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“豎直”、“水平”、“頂”、“底”“內(nèi)”、“外”等指示的方位或位置關(guān)系為基于附圖所示的方位或位置關(guān)系，僅是為了便于描述本發(fā)明和簡(jiǎn)化描述，而不是指示或暗示所指的裝置或元件必須具有特定的方位、以特定的方位構(gòu)造和操作，因此不能理解為對(duì)本發(fā)明的限制。

在本發(fā)明的描述中，除非另有規(guī)定和限定，需要說(shuō)明的是，術(shù)語(yǔ)“安裝”、“相連”、“連接”應(yīng)做廣義理解，例如，可以是機(jī)械連接或電連接，也可以是兩個(gè)元件內(nèi)部的連通，可以是直接相連，也可以通過(guò)中間媒介間接相連，對(duì)于本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員而言，可以根據(jù)具體情況理解上述術(shù)語(yǔ)的具體含義。

如圖1所示，本發(fā)明提供了一種基于總線式均衡網(wǎng)絡(luò)的隔離型變換器，其關(guān)鍵在于，包括：第一mos管，第二mos管，第三mos管，第四mos管，第五mos管，第六mos管，第七mos管，第八mos管，第一電阻，第二電阻，第一電感，第一電容，變壓器。

第一mos管漏極接輸入電源正極，所述第一mos管源極接第二mos管漏極，所述第一mos管源極又接變壓器原邊正極，所述第二mos管源級(jí)接輸入電源負(fù)極，第一電阻一端接輸入電源正極，所述一電阻另一端接輸入電源負(fù)極，第三mos管漏極接第一mos管漏極，所述第三mos管源極接第四mos管漏極，所述第三mos管源極又接變壓器原邊負(fù)極，所述第四mos管源極接輸入電源負(fù)極，第一電感一端接變壓器副邊正極，所述第一電感另一端接第五mos管源極，所述第五mos管漏極接第七mos管漏極，所述第五mos管漏極又接輸出電源正極，所述第七mos管源極接變壓器副邊負(fù)極，所述第七mos管源極又接第八mos管漏極，所述第八mos管源極接第六mos管源極，所述第八mos管源極又接輸出電源負(fù)極，所述第六mos管漏極接變壓器副邊正極，第一電容一端接第二電阻一端，所述第一電容另一端接第二電阻另一端，所述第二電阻一端接輸出電源正極，所述第二電阻另一端接輸出電源負(fù)極。

圖1中提出的電路中。用變壓器作為隔離，高、低壓側(cè)分別有既可整流又可逆變的變流裝置。用igbt或moseft管作為開(kāi)關(guān)器件構(gòu)成橋式或半橋式整流逆變電路。若在整流逆變或逆變整流框中，用全橋電路代換之，則得到雙向dcdc變換器主電路，為充分發(fā)揮電路的功能，在高頻變壓器的右側(cè)接入一個(gè)電感l(wèi)k，用作電壓提升。考慮到在保持功率平衡的條件下，需低壓側(cè)提供較大的電流，低壓側(cè)的電壓波動(dòng)對(duì)高壓側(cè)電壓的穩(wěn)定影響較大，因此在高壓側(cè)接入儲(chǔ)能電感，這樣控制輸出電壓的效果更好。正常情況下的能量流向是，從高壓側(cè)向低壓側(cè)方向，低壓側(cè)的蓄電池處于充電狀態(tài)，另外低壓側(cè)負(fù)載需要消耗一定的能量。

提出的變換器在一個(gè)開(kāi)關(guān)周期內(nèi)對(duì)電路的分析可按以四個(gè)階段進(jìn)行，工作模態(tài)描述如下。

(1)模態(tài)1[t1＜t≤t2]：在t1至t2階段，第一mos管，第四mos管，第七mos管導(dǎo)通，由于s1內(nèi)部二極管ds1和s3的導(dǎo)通，使得變壓器右側(cè)的c，d兩點(diǎn)短路，電感l(wèi)k的儲(chǔ)能時(shí)間可以通過(guò)s3的導(dǎo)通時(shí)間來(lái)控制。

(2)模態(tài)2[t2＜t≤t3]：在t2時(shí)刻s3關(guān)斷，經(jīng)過(guò)短暫的延時(shí)后，對(duì)s4加觸發(fā)脈沖但s4并不立即導(dǎo)通。此時(shí)電感電流ilk經(jīng)s1、s4內(nèi)部二極管對(duì)電容c2進(jìn)行充電，階段i和階段2構(gòu)成了一個(gè)電壓提升工作方式，改變s3門(mén)極脈沖的占空比，可調(diào)節(jié)變壓器右側(cè)，即高壓側(cè)的輸出電壓。

(3)模態(tài)3[t3＜t≤t4]：在t3點(diǎn)m1、m4關(guān)斷，此時(shí)ilk迅速回落。

(4)模態(tài)4[t4＜t≤t5]：在t5點(diǎn)m2、m3、s4導(dǎo)通，此時(shí)反向重復(fù)階段1的過(guò)程。

所述的一種基于總線式均衡網(wǎng)絡(luò)的隔離型變換器工作方法，優(yōu)選的，還包開(kāi)關(guān)器件的軟切換：

為實(shí)現(xiàn)開(kāi)關(guān)器件的軟切換，減小開(kāi)關(guān)過(guò)程中的電壓和電流值，盡量使開(kāi)關(guān)切換在接近零電壓時(shí)進(jìn)行，因此在逆變器開(kāi)關(guān)換流時(shí)，設(shè)置了死區(qū)td.在1所示電路中，當(dāng)能量從低壓向高壓傳送時(shí)，在m1從導(dǎo)通向截止換流，m2由截止向?qū)〒Q流時(shí).中間設(shè)置死區(qū)td?？紤]到電容cs1＝cs2；因此，換流期間可以認(rèn)為ucm1+ucm2＝ucm3+ucm4維持不變，等于u1。由于m1關(guān)斷，cm1充電，電壓ucm1從0開(kāi)始上升，而ucm2放電，電壓從u1下降，升、降值相同，維持和不變。因此，cm1的充電電流為it1/2，cm1充電到電壓u1時(shí)，cm2放電到0v。如果繼續(xù)對(duì)cm1充電，cm2將被反向充電dm2會(huì)導(dǎo)通。此時(shí)為m2的零電壓開(kāi)通提供了條件。對(duì)cm1的充電是在it1的作用下進(jìn)行的，根據(jù)電容充電過(guò)程中電流、電壓和時(shí)間之間的關(guān)系可得(5)式。

因此，只要開(kāi)關(guān)換流間隔死區(qū)時(shí)間td大于cm1從0v充電到u1所需的時(shí)間，即滿足(7)式就可實(shí)現(xiàn)開(kāi)關(guān)元件的零電壓開(kāi)通。一般情況下，取換流時(shí)it1的平均值。

td＞th(7)

所述的一種基于總線式均衡網(wǎng)絡(luò)的隔離型變換器工作方法，優(yōu)選的，包括電感l(wèi)k的選?。?/p>

選適當(dāng)?shù)膌k，使電能從低壓側(cè)向高壓側(cè)傳送時(shí)，保持電流以連續(xù)。實(shí)際上。在s3導(dǎo)通期間(ton)，c2提供負(fù)載電流，而在s3截止期間，電感中的感應(yīng)電勢(shì)使s1內(nèi)部的二極管導(dǎo)通，一方面提供負(fù)載電流.另一方面，補(bǔ)充在ton期問(wèn)c2中電荷的減少。根據(jù)功率平衡關(guān)系(8)式，輸入、輸出關(guān)系(3)式和(9)式，可得保持電流連續(xù)的最小電感l(wèi)kmin。

ut2ilk＝u2i0(8)

圖2是本發(fā)明一種基于總線式均衡網(wǎng)絡(luò)的隔離型變換器波形圖；

圖3是本發(fā)明一種基于總線式均衡網(wǎng)絡(luò)的隔離型變換器工作第一階段；

圖4是本發(fā)明一種基于總線式均衡網(wǎng)絡(luò)的隔離型變換器工作第二階段；

圖5是本發(fā)明一種基于總線式均衡網(wǎng)絡(luò)的隔離型變換器工作第三階段；

圖6是本發(fā)明一種基于總線式均衡網(wǎng)絡(luò)的隔離型變換器開(kāi)關(guān)器件的門(mén)極控制信號(hào)；

圖7是本發(fā)明一種基于總線式均衡網(wǎng)絡(luò)的隔離型變換器應(yīng)用在總線式結(jié)構(gòu)中的電路示意圖；

在本說(shuō)明書(shū)的描述中，參考術(shù)語(yǔ)“一個(gè)實(shí)施例”、“一些實(shí)施例”、“示例”、“具體示例”、或“一些示例”等的描述意指結(jié)合該實(shí)施例或示例描述的具體特征、結(jié)構(gòu)、材料或者特點(diǎn)包含于本發(fā)明的至少一個(gè)實(shí)施例或示例中。在本說(shuō)明書(shū)中，對(duì)上述術(shù)語(yǔ)的示意性表述不一定指的是相同的實(shí)施例或示例。而且，描述的具體特征、結(jié)構(gòu)、材料或者特點(diǎn)可以在任何的一個(gè)或多個(gè)實(shí)施例或示例中以合適的方式結(jié)合。

盡管已經(jīng)示出和描述了本發(fā)明的實(shí)施例，本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員可以理解：在不脫離本發(fā)明的原理和宗旨的情況下可以對(duì)這些實(shí)施例進(jìn)行多種變化、修改、替換和變型，本發(fā)明的范圍由權(quán)利要求及其等同物限定。