CN103887981A - 一种全桥dc-dc变换器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种全桥DC-DC变换器，包括两个相互串联的原边模块以及两个相互并联的副边模块；原边模块用于将经分压后的直流电转化成交流电，并通过耦合的方式将交流电传输至对应的副边模块，副边模块用于将接收到的交流电转化成直流电；两个副边模块将各自转换得到的直流电共同施加于负载上。本发明可以选用低压、高性能的开关器件，减小了损耗，有利于提升变换器的效率、减小变换器的体积；可实现直流侧母线电容的自动均压，降低了控制环的复杂度；能够在高输入电压场合下实现高效高性能的DC-DC变换。

Description

一种全桥DC-DC变换器

技术领域

本发明属于电力电子技术领域，具体涉及一种全桥DC-DC（直流-直流）变换器。

背景技术

随着化石能源的消耗与枯竭，可再生能源的发开与利用受到了社会各界的广泛关注。为解决光伏、风能、燃料电池等新能源的利用问题，直流分布式电源与直流微网等概念被提出，使得新能源的利用不再受电网频率、相位等因素的制约。直流分布式电源***或直流微网***中涉及高压直流母线，为提高电能转换能力并减小转换损耗，高效的耐高压的DC-DC变换器必不可少。

现有的高压DC-DC变换器一般采用由高压器件组成的传统桥式结构或由低压器件组成的三电平结构。传统桥式电路采用的高压器件包括IGBT或高压MOSFET等。IGBT由于有较大的拖尾电流，限制了开关频率的提高，减小了功率密度；而高压MOSFET有较高的导通电阻，通态损耗大，降低了电路整体效率。三电平电路可将功率器件所承受的电压降低为母线电压的二分之一，因此可以利用低压器件，提高开关频率，从而提高功率密度和效率。

输入串联输出并联型变换器也是一种非常适合高压场合应用的变换器，且其应用将推动模块化变换器的发展，使得未来低功率、低电压、标准化的电路模块能够以不同的连接方式产生各种不同功率等级的变换器，极大地提高了灵活性，简化了设计流程。然而，输入电压的均衡对于输入串联输出并联型变换器至关重要，输入电压的不均衡可能导致电路的崩溃。各种优化控制的方法被提出用于解决输入电压不均衡的问题，但增加了变换器***的复杂性与成本。

发明内容

针对现有技术的缺陷，本发明提供一种输入串联输出并联型全桥DC-DC变换器，能够自动实现直流母线电容的电压均衡，且开关器件应力低，控制简单。

一种全桥DC-DC变换器，包括两个相互串联的原边模块以及两个相互并联的副边模块；

所述的原边模块用于将经分压后的直流电转化成交流电，并通过耦合的方式将所述的交流电传输至对应的副边模块，所述的副边模块用于将接收到的交流电转化成直流电；

两个副边模块将各自转换得到的直流电共同施加于负载上。

所述的原边模块包括一单相全桥逆变电路、一母线电容、一原边电感和一原边绕组；单相全桥逆变电路直流侧两端与母线电容并联；单相全桥逆变电路交流侧的正极端与原边电感的一端相连，负极端与原边绕组的异名端相连；原边电感的另一端与原边绕组的同名端相连；所述的原边绕组与对应副边模块耦合。

所述的单相全桥逆变电路每个桥臂由若干功率开关管串联构建。

所述的功率开关管采用带有反并二极管的MOSFET。

所述的副边模块包括一副边绕组、一整流电路和一滤波电路；所述的副边绕组中心抽头且与对应原边模块耦合，整流电路交流侧两端分别与副边绕组的两端相连，整流电路的直流输出端与滤波电路的输入端相连，滤波电路输出侧两端与负载并联，副边绕组的抽头端与滤波电路输出侧的低压端相连。

所述的滤波电路由一滤波电感和一滤波电容组成；滤波电感的一端与整流电路的直流输出端相连，另一端与滤波电容的一端和负载的一端相连；滤波电容的另一端与副边绕组的抽头端和负载的另一端相连。

所述的整流电路采用全波整流电路、全桥整流电路或倍流整流电路。

优选的，两个原边模块中单相全桥逆变电路交流侧的正极端通过飞跨电容连接，通过单相全桥逆变电路中功率开关管配合恰当的开关信号，可以实现直流侧母线电容的自动均压。

优选的，所述的功率开关管的源漏两极并联有电容，能够限制功率开关管关断期间的电压上升率，减小了功率开关管的关断损耗；同时利用漏感在功率开关管开通期间抽取并联电容上的能量，可实现所有功率开关管的零电压开通，有效的降低了开关管的开通损耗。

本发明的全桥DC-DC变换器中，两个原边模块中的两个母线电容串联后并联于直流电源两端。在理想情况下，每个母线电容的电压为直流电源电压的二分之一。单相全桥逆变电路中的功率开关管的关断电压应力为单个母线电容电压，即为直流电源电压的二分之一。因此本发明变换器可以选用低压、高性能的开关器件，减小了损耗，有利于提升变换器的效率、减小变换器的体积。与传统输入串联输出并联变换器相比，本发明可实现直流侧母线电容的自动均压，降低了控制环的复杂度。故本发明能够在高输入电压场合下实现高效高性能的DC-DC变换。

附图说明

图1为传统桥式DC-DC变换器的电路结构示意图。

图2为本发明DC-DC变换器的电路结构示意图。

图3为本发明DC-DC变换器的工作波形图。

具体实施方式

为了更为具体地描述本发明，下面结合附图及具体实施方式对本发明的技术方案及其相关原理进行详细说明。

如图1所示为传统桥式DC-DC变换器的电路结构示意图，图2为本发明DC-DC变换器的电路结构示意图。

如图2所示，一种全桥DC-DC变换器，包括两个相互串联的原边模块以及两个相互并联的副边模块。

两个互相串联的原边模块包括一个直流电源V_in、两个母线电容C₁～C₂、一个飞跨电容C_f、四个组成第一单相全桥逆变电路的功率开关管S₁₁、S₁₂、S₁₃和S₁₄、四个组成第二单相全桥逆变电路的功率开关管S₂₁、S₂₂、S₂₃和S₂₄、两个原边电感L_lk1～L_lk2，两组原边绕组T₁～T₂；其中：

直流电源V_in正极与母线电容C₁的一端和两个功率开关管S₁₁～S₁₂的漏极相连，V_in负极与母线电容C₂的第一端和两个功率开关S₂₃～S₂₄的源极相连；

功率开关管S₁₁的源极与飞跨电容C_f的一端、功率开关管S₁₃的漏极及原边电感L_lk1的一端相连；

功率开关管S₁₂的源极与功率开关管S₁₄的漏极和原边绕组T₁的异名端相连；

母线电容的C₁的另一端与母线电容C₂的一端、两个功率开关管S₁₃～S₁₄的源极以及两个功率开关管S₂₁～S₂₂的漏极相连；

功率开关管S₂₃的漏极与飞跨电容的C_f的另一端、功率开关管S₂₁的源极及原边电感L_lk2的一端相连；

功率开关管S₂₄的漏极与功率开关管S₂₂的源极和原边绕组T₂的一端相连；

原边电感L_lk1的另一端与原边绕组T₁的同名端相连；原边电感L_lk2的另一端与原边绕组T₂的同名端相连；

八个功率开关管S₁₁～S₁₄、S₂₁～S₂₄的栅极接收外部设备提供的开关信号；其中：

功率开关管S₁₁与功率开关管S₂₁接收相同的开关信号；

功率开关管S₁₁与功率开关管S₁₃接收的开关信号互补；

功率开关管S₂₁与功率开关管S₂₃接收的开关信号互补；

功率开关管S₁₂与功率开关管S₁₄接收的开关信号互补；

功率开关管S₂₂与功率开关管S₂₄接收的开关信号互补。

第一单相全桥逆变电路中的两个功率开关管S₁₁、S₁₃与两个功率开关管S₁₂、S₁₄采用移相控制方式，第二单相全桥逆变电路中的两个功率开关管S₂₁、S₂₃与两个功率开关管S₂₂、S₂₄采用移相控制方式，第一、第二单相全桥逆变电路移相角相互独立。

本实施方式中，功率开关管采用带有反并二极管的MOSFET，且四个MOSFET S₁₁～S₁₄的漏源两极上分别并联有四个电容C_s11～C_s14；四个MOSFETS₂₁～S₂₄的漏源两极上分别并联有四个电容C_s21～C_s24。

原边模块将经分压后的直流电转化成交流电，并通过耦合的方式将交流电传输至对应的副边模块。

本实施例中，整流电路采用全波整流电路。其中：两个相互并联的副边模块包括两组副边绕组T₁～T₂、组成第一全波整流电路的两个二极管D_o11和D_o12、组成第二全波整流电路的两个二极管D_o21和D_o22、组成第一滤波电路的电感L_f1、电容C_o1以及组成第二滤波电路的滤波电感L_f2和滤波电容C_o2；其中，

二极管D_o11的阳极与副边绕组T₁的一端相连，阴极与二极管D_o12的阴极和滤波电感L_f1的一端相连；

二极管D_o12的阳极与副边绕组T₁的另一端相连；

二极管D_o21的阳极与副边绕组T₂的一端相连，阴极与二极管D_o22的阴极和滤波电感L_f2的一端相连；

二极管D_o22的阳极与副边绕组T₂的另一端相连；

滤波电感L_f1的另一端与电容滤波C_o1的一端、滤波电感L_f2的另一端、滤波电容C_o2的一端相连；

滤波电容C_o1的另一端与副边绕组T₁的中间抽头端、滤波电容C_o2的另一端、副边绕组T₂的中间抽头端相连。

副边模块将接收到的交流电通过全波整流电路转化成脉动的直流电，该脉动的直流电通过滤波电路滤波后，输出至负载。

其中，副边模块中的整流电路还可以采用全桥整流电路或倍流整流电路。

本实施方式的DC-DC变换器的功率为2kW，直流电源V_in两端的输入电压为600V，负载R_o两端的输出电压为48V。

图3为本实施方式的DC-DC变换器的驱动波形与工作波形。其中波形V_gs11～V_gs24分别是功率开关管S₁₁～S₂₄的开关信号。V_gs11与V_gs21相同；V_gs11与V_gs13互补；V_gs21与V_gs23互补；V_gs12与V_gs14互补；V_gs22与V_gs24互补。各个互补驱动信号之间存在一段共同为低电平的死区时间。信号V_gs11、V_gs13与V_gs12、V_gs14为移相控制，存在移相角

（phase angle

）；信号V_gs21、V_gs23与V_gs22、V_gs24为移相控制，存在移相角

（phase angle

）；两移相角相互独立。波形V_a1b1、V_a2b2分别为第一单相全桥逆变电路和第二单相全桥逆变电路的变压器原边输入电压；波形i_p1、i_p2分别为第一单相全桥逆变电路和第二单相全桥逆变电路的变压器原边输入电流。I_pm1、I_pm2分别为第一单相全桥逆变电路和第二单相全桥逆变电路的变压器原边输入电流峰值。

如图2和图3所示，本实施方式的DC-DC变换器的具体工作过程如下：

一个开关周期内，共有15个工作阶段，由于对称性，仅对前8个工作阶段进行详细介绍。其中：工作阶段1为功率开关管S₁₁、S₁₄和S₂₁、S₂₄导通时的稳定状态；工作阶段2、3为功率开关管S₁₁和S₂₁关断时的换流过程；工作阶段4～6为功率开关管S₁₄关断时的换流过程；工作阶段5～7为功率开关管S₂₄关断时的换流过程，工作阶段8二极管D_o11和D_o21关断，结束变压器副边短路状态，S₁₂、S₁₃和S₂₂、S₂₃开始稳定导通。

工作阶段1（t₀～t₁）：功率开关管S₁₁、S₁₄和S₂₁、S₂₄处于稳定导通状态，能量从原边传向副边，二极管D_o11和二极管D_o21导通，二极管D_o12和二极管D_o22关断，飞跨电容C_f与母线电容C₁并联，使得飞跨电容C_f与母线电容C₁上的电压相等。原边电流i_p1、i_p2线性上升。

工作阶段2（t₁～t₂）：功率开关管S₁₁、S₂₁开始关断，由于原边电感L_lk1、L_lk2的存在，i_p1、i_p2保持基本恒定，并联电容C_s11、C_s21线性充电，并联电容C_s13、C_s23线性放电，开关管S₁₁和S₂₁可实现零电压关断。

工作阶段3（t₂～t₃）：并联电容C_s13、C_s23放电完全，电压降为零，功率开关管S₁₃和S₂₃的体二极管导通，为S₁₃和S₂₃创造零电压开通条件。飞跨电容C_f与母线电容C₂并联，使得C_f与C₂上的电压相等。

工作阶段4（t₃～t₄）：功率开关管S₁₄开始关断，并联电容C_s14充电，C_s12放电，使得二极管D_o12导通，副边电流同时流过D_o11和D_o12。

工作阶段5（t₄～t₅）：功率开关管S₂₄开始关断，并联电容C_s24充电，C_s22放电，与工作阶段4相似，二极管D_o22导通，副边电流同时流过D_o21和D_o22。

工作阶段6（t₅～t₆）：C _s12放电至电压为零，S₁₂的体二极管导通，S₁₂可以实现零电压开通，二分之一的电源电压施加于原边电感L_lk1上，且与其本身电压方向相反，使得原边电流i_p1线性下降。

工作阶段7（t₆～t₇）：i_p1正向下降至零并反向上升，流过功率开关管S₁₂和S₁₃，C_s22放电至电压为零，S₂₂体二极管导通，S₂₂可以实现零电压开通，原边电流i_p2线性下降。

工作阶段8（t₇～t₈）：i_p2正向下降至零并反向上升，流过功率开关管S₂₂和S₂₃，流过副边二极管D_o11的电流下降为零，D_o11关断。t₈时刻流过副边二极管D_o21电流下降为零，D_o21关断。此后进入S₁₂、S₁₃和S₂₂、S₂₃稳定导通阶段。

在工作阶段t₀～t₈中，第一单相全桥逆变电路的交流侧电压v_a1b1及第二单相全桥逆变电路的交流侧电压v_a2b2的变换如图3所示。

本实施方式的DC-DC变换器可以实现直流侧母线电容电压自动均衡，可提高***应用于高电压DC-DC场合时的可靠性。其电压自动均衡能力的具体实现方式如下：

当S₁₁和S₂₁导通时，飞跨电容C_f与母线电容C₁并联；当S₁₃和S₂₃导通时，飞跨电容C_f与母线电容C₂并联。在该并联过程中，飞跨电容对高电压的母线电容放电，对低电压的母线电容充电，最终可使两个母线电容的电压达到均衡。

Claims (9)

1.一种全桥DC-DC变换器，其特征在于：包括两个相互串联的原边模块以及两个相互并联的副边模块；

所述的原边模块用于将经分压后的直流电转化成交流电，并通过耦合的方式将所述的交流电传输至对应的副边模块，所述的副边模块用于将接收到的交流电转化成直流电；

两个副边模块将各自转换得到的直流电共同施加于负载上。

2.根据权利要求1所述的全桥DC-DC变换器，其特征在于：所述的原边模块包括一单相全桥逆变电路、一母线电容、一原边电感和一原边绕组；单相全桥逆变电路直流侧两端与母线电容并联；单相全桥逆变电路交流侧的正极端与原边电感的一端相连，负极端与原边绕组的异名端相连；原边电感的另一端与原边绕组的同名端相连；所述的原边绕组与对应副边模块耦合。

3.根据权利要求2所述的全桥DC-DC变换器，其特征在于：两个原边模块中单相全桥逆变电路交流侧的正极端通过飞跨电容连接。

4.根据权利要求2所述的全桥DC-DC变换器，其特征在于：所述的单相全桥逆变电路每个桥臂由若干功率开关管串联构建。

5.根据权利要求4所述的全桥DC-DC变换器，其特征在于：所述的功率开关管采用带有反并二极管的MOSFET。

6.根据权利要求4或5所述的全桥DC-DC变换器，其特征在于：所述的功率开关管的源漏两极并联有电容。

7.根据权利要求1所述的全桥DC-DC变换器，其特征在于：所述的副边模块包括一副边绕组、一整流电路和一滤波电路；所述的副边绕组中心抽头且与对应原边模块耦合，整流电路交流侧两端分别与副边绕组的两端相连，整流电路的直流输出端与滤波电路的输入端相连，滤波电路输出侧两端与负载并联，副边绕组的抽头端与滤波电路输出侧的低压端相连。

8.根据权利要求7所述的全桥DC-DC变换器，其特征在于：所述的滤波电路由一滤波电感和一滤波电容组成；滤波电感的一端与整流电路的直流输出端相连，另一端与滤波电容的一端和负载的一端相连；滤波电容的另一端与副边绕组的抽头端和负载的另一端相连。

9.根据权利要求7所述的全桥DC-DC变换器，其特征在于：所述的整流电路采用全波整流电路、全桥整流电路或倍流整流电路。

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