CN112688572B - 一种双向dc-dc变换器 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种双向DC‑DC变换器，其包括三相桥式开关电路、谐振腔、三个变压器以及三相桥式整流电路，其中，所述谐振腔包括三个谐振电路，每一谐振电路包括一电容和两电感，一所述电感的一端连接电容和另一电感的一端，三个谐振电路中每一谐振电路的任一电感的另一端分别对应连接所述三相桥式开关电路的三个桥臂的中点，该每一谐振电路中另一电感的另一端分别对应连接三个变压器初级绕组的同名端，三个变压器次级绕组的同名端分别对应连接三相桥式整流电路的三个桥臂的中点，三个所述变压器次级绕组的异名端互相连接形成Y型连接，其初级绕组的异名端互相连接形成Y型连接，且连接三个谐振电路中电容的另一端。
Description
技术领域
本发明涉及电源转换技术领域，更具体地涉及一种双向DC-DC变换器。
背景技术
双向DC-DC变换器是能够根据需要调节能量双向传输的直流/直流的变换器，其主要运用于储能***、车载电源***、回馈充放电***、混合能源电动汽车等场合。
而现有技术中的双向变换器，一般采用DAB或LLC拓扑，DAB拓扑虽然能够实现宽范围双向，但是实现软开关困难，效率低；LLC虽然可以实现正反向的电路软开关，但是整流时的增益曲线和逆变时的增益曲线不一致，其反向电压增益被限制到1，输出电压范围较窄，要实现宽范围双向就必须增加一级电路以提升反向工作时的电压增益。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种可实现宽电压范围且全范围实现软开关的高效率的双向DC-DC变换器。
为解决上述技术问题，根据本发明的一方面，提供一种双向DC-DC变换器，其包括三相桥式开关电路、谐振腔、三个变压器以及三相桥式整流电路，所述三相桥式开关电路的输入侧和三相桥式整流电路的输出侧分别作为变换器的第一连接侧和第二连接侧，其中，
所述谐振腔包括三个谐振电路，每一谐振电路包括一电容和两电感，一所述电感的一端连接电容和另一电感的一端，三个谐振电路中每一谐振电路的任一电感的另一端分别对应连接所述三相桥式开关电路的三个桥臂的中点，该每一谐振电路中另一电感的另一端分别对应连接三个变压器初级绕组的同名端，三个变压器次级绕组的同名端分别对应连接三相桥式整流电路的三个桥臂的中点，三个所述变压器次级绕组的异名端互相连接形成Y型连接，其初级绕组的异名端互相连接形成Y型连接，且连接三个谐振电路中电容的另一端。
其进一步技术方案为：每一所述谐振电路还包括有一第二电容，所述第二电容连接于三相桥式开关电路桥臂的中点和电感之间。
其进一步技术方案为：每一所述谐振电路还包括有一第二电容，所述第二电容连接于变压器和电感之间。
其进一步技术方案为：所述三相桥式开关电路包括六个开关管，每两个开关管串联构成一个桥臂，三个桥臂并联后其两端作为变换器的第一连接侧。
其进一步技术方案为：所述三相桥式整流电路包括六个开关管，每两个开关管串联构成一个桥臂，三个桥臂并联后其两端作为变换器的第二连接侧。
其进一步技术方案为：所述开关管选用MOSFET或IGBT。
其进一步技术方案为：所述双向DC-DC变换器还包括第一滤波电容和第二滤波电容，所述第一滤波电容两端连接至三相桥式开关电路的输入侧，所述第二滤波电容两端连接至三相桥式整流电路的输出侧。
为解决上述技术问题，根据本发明的另一方面，还提供一种双向DC-DC变换器，其包括依次连接的三相桥式开关电路、谐振腔、三个变压器以及三相桥式整流电路，所述三相桥式开关电路的输入侧和三相桥式整流电路的输出侧分别作为变换器的第一连接侧和第二连接侧，其中，
所述谐振腔包括三个谐振电路，每一谐振电路包括一电容和两电感，一所述电感的一端连接电容和另一电感的一端，三个谐振电路中每一谐振电路的任一电感的另一端分别对应连接所述三相桥式开关电路的三个桥臂的中点，该每一谐振电路中另一电感的另一端分别对应连接三个变压器初级绕组的同名端，三个变压器次级绕组的同名端分别对应连接三相桥式整流电路的三个桥臂的中点，三个所述变压器初级绕组和次级绕组的异名端分别互相连接形成Y型连接，且三个谐振电路中电容的另一端互相连接形成Y型连接。
为解决上述技术问题，根据本发明的另一方面，还提供一种双向DC-DC变换器，其包括依次连接的三相桥式开关电路、谐振腔、三个变压器以及三相桥式整流电路，所述三相桥式开关电路的输入侧和三相桥式整流电路的输出侧分别作为变换器的第一连接侧和第二连接侧，其中，
所述谐振腔包括三个谐振电路，每一谐振电路包括一电容和两电感，一所述电感的一端连接电容和另一电感的一端，三个谐振电路中每一谐振电路的任一电感的另一端分别对应连接所述三相桥式开关电路的三个桥臂的中点，该每一谐振电路中另一电感的另一端分别对应连接三个变压器初级绕组的同名端，三个变压器次级绕组的同名端分别对应连接三相桥式整流电路的三个桥臂的中点，三个所述变压器初级绕组和次级绕组的异名端分别互相连接形成Y型连接，且三个谐振电路中电容的另一端均连接至三相桥式开关电路的三个桥臂的最下端。
与现有技术相比，本发明双向DC-DC变换器可方便高效的实现双向变换，谐振腔中的谐振电路为LCL电路，在能量正反向流动时的等效电路相同，则整流时的增益曲线和逆变时的增益曲线几乎一致，正反向工作时变换器的输出电压范围均得到提升，可实现宽电压范围输出，且在正反向工作时可实现良好的软开关的性能，控制简单、可靠性高。
附图说明
图1是本发明双向DC-DC变换器第一实施例的电路示意图。
图2是本发明双向DC-DC变换器第二实施例的电路示意图。
图3是本发明双向DC-DC变换器第三实施例的电路示意图。
具体实施方式
为使本领域的普通技术人员更加清楚地理解本发明的目的、技术方案和优点，以下结合附图和实施例对本发明做进一步的阐述。
参照图1，图1为本发明双向DC-DC变换器10第一实施例的电路示意图。在附图所示的实施例中，所述双向DC-DC变换器10包括三相桥式开关电路100、谐振腔200、三个变压器以及三相桥式整流电路300，所述三相桥式开关电路100的输入侧和三相桥式整流电路300的输出侧分别作为变换器10的第一连接侧和第二连接侧，以连接电源或负载。其中，所述谐振腔200包括三个谐振电路，每一谐振电路包括一电容和两电感，一所述电感的一端连接电容和另一电感的一端，三个谐振电路中每一谐振电路的任一电感的另一端分别对应连接所述三相桥式开关电路100的三个桥臂的中点，该每一谐振电路中另一电感的另一端分别对应连接三个变压器初级绕组的同名端，三个变压器次级绕组的同名端分别对应连接三相桥式整流电路300的三个桥臂的中点，三个所述变压器次级绕组的异名端互相连接形成Y型连接，其初级绕组的异名端互相连接形成Y型连接，且连接三个谐振电路中电容的另一端。
具体地，本实施例中，所述谐振腔200包括第一谐振电路、第二谐振电路和第三谐振电路，三个变压器包括第一变压器T1、第二变压器T2以及第三变压器T3，所述第一谐振电路包括第一电感L1、第二电感L2和第一电容C1，所述第二谐振电路包括第三电感L3、第四电感L4和第三电容C3，所述第三谐振电路包括第五电感L5、第六电感L6和第四电容C4，所述第一电感L1、第三电感L3以及第五电感L5分别对应连接所述三相桥式开关电路100的三个桥臂的中点，所述第二电感L2、第四电感L4以及第六电感L6分别对应连接第一变压器T1、第二变压器T2以及第三变压器T3初级绕组的同名端。
本实施例中，当能量正向流动时，双向DC-DC变换器10的第一连接侧作为直流输入端，可外接电源，其第二连接侧作为直流输出端，可外接负载；而当能量反向流动时，则双向DC-DC变换器10的第二连接侧作为直流输入端，其第一连接侧作为直流输出端。本发明双向DC-DC变换器10结构简单，在能量正反向流动时的等效电路相同，则整流时的增益曲线和逆变时的增益曲线几乎一致，正反向工作时变换器10的输出电压范围均得到提升，可实现宽电压范围输出，且控制简单、可靠性高；且三个变压器的初级绕组和次级绕阻均采用Y型连接，流入Y型连接中点的总电流和流出Y型连接中点的总电流相等，即三个谐振电路的电流之和为“0”，因此任意时刻始终有一个谐振电路的电流为另外两个谐振电路的电流之和，则在整个开关周期内即便每个谐振电路的谐振参数有一定的容差，但它们的电流有效值偏差也很小，从而保证三个谐振电路之间的电流均衡，避免某个谐振电路电流过大而导致该电路的器件损坏或过热。
在某些实施例中，所述三相桥式开关电路100包括第一开关管Q1、第二开关管Q2、第三开关管Q3、第四开关管Q4、第五开关管Q5以及第六开关管Q6共六个开关管，每两个开关管串联构成一个桥臂，三个桥臂并联后其两端作为变换器10的第一连接侧，其中，所述第一开关管Q1和第二开关管Q2串联构成的桥臂的中点与第一谐振电路连接，所述第三开关管Q3和第四开关管Q4串联构成的桥臂的中点与第二谐振电路连接，第五开关管Q5和第六开关管Q6串联构成的桥臂的中点与第三谐振电路连接。本实施例中，采用PFM方式控制开关管的工作，即采用恒定占空比，以恒定开关管的导通和关断时间，然后以调制方波频率方式来实现调节，从而可实现低频工作状态下双向DC-DC变换器10的零电流开通。
在附图所示的实施例中，所述三相桥式整流电路300包括第七开关管Q7、第八开关管Q8、第九开关管Q9、第十开关管Q10、第十一开关管Q11以及第十二开关管Q12六个开关管，每两个开关管串联构成一个桥臂，三个桥臂并联后其两端作为变换器10的第二连接侧，其中，所述第七开关管Q7和第八开关管Q8串联构成的桥臂的中点与第一变压器T1的次级绕组连接，所述第九开关管Q9和第十开关管Q10串联构成的桥臂的中点与第二变压器T2的次级绕组连接，第十一开关管Q11和第十二开关管Q12串联构成的桥臂的中点与第三变压器T3的次级绕组连接。基于该设计，在能量正向流动时，所述三相桥式整流电路300可将变压器周期性输出的电压波形进行整流，产生负载所需的工作电压。优选地，所述开关管可选用MOS、IGBT或其他可控功率开关管，以实现更好的电路性能。
进一步地，所述双向DC-DC变换器10还包括第一滤波电容C8和第二滤波电容C9，所述第一滤波电容C8两端连接至三相桥式开关电路100的输入侧，所述第二滤波电容C9两端连接至三相桥式整流电路300的输出侧。
可理解地，本实施例中，在能量正向传输时，通过控制第一开关管Q1、第二开关管Q2、第三开关管Q3、第四开关管Q4、第五开关管Q5和第六开关管Q6的开关频率来实现双向DC-DC变换器10的宽范围电压输出，且每个桥臂上的两个开关管互补导通，可实现电路软开关；能量反向传输时，谐振电路是对称的电路拓扑结构，则能量正反向流动时的等效电路相同，因此，通过控制第七开关管Q7、第八开关管Q8、第九开关管Q9、第十开关管Q10、第十一开关管Q11和第十二开关管Q12的开关频率可实现与正向传输时同样的宽范围电压输出，且每个桥臂上的两个开关管互补导通，可实现电路软开关。并且，在开关管开关频率等于谐振频率时，连接于变压器初级绕组异名端的谐振电路中的电容可避免出现阻抗为零的情况。
本发明双向DC-DC变换器10采用三相交错技术，Q1和Q2、Q3和Q4、Q5和Q6的导通相位差均为180度，Q1，Q3，Q5的导通时序上互差120度；因此Q2，Q4，Q6的导通时序也互差120度，三相输入输出电流相差120度，三相电路的输入输出电流波动互补，使得输入输出电流纹波较小，从而实现较好电路性能。在任意时刻，Q1，Q3，Q5中至少一个至多两个会导通，同样Q2，Q4，Q6中也是至少一个至多两个会导通，且导通的开关管个数始终等于三个。以三个谐振电路的其中一个为例，当Q1、Q4和Q6导通时，谐振直流电压通过第一开关管Q1传送至第一变压器T1，同时第一谐振电路的电流值增大，进行储能，第七开关管Q7导通，和第二滤波电容C9实现对第一变压器T1的输出电压进行整流、滤波，以输出稳定的电压，控制输出电流；当Q2、Q3和Q5导通时，谐振直流反向电压通过第二开关管Q2传送至第一变压器T1，同时第一谐振电路反向电流值增大，对第一变压器T1进行供电，第八开关管Q8导通，实现对第一变压器T1的输出电压进行整流、滤波，以输出稳定的电压，控制输出电流。同理，其余两个谐振电路工作原理与此路一致。
参照图2，图2为本发明双向DC-DC变换器10第二实施例的电路示意图，本实施例与第一实施例的不同在于，所述谐振腔200中第一电容C1、第三电容C3和第四电容C4的具体连接不同。在本实施例中，所述第一电容C1的一端连接于所述第一电感L1和第二电感L2，所述第三电容C3的一端连接于第三电感L3和第四电感L4，所述第四电容C4的一端连接于第五电感L5和第六电感L6，该第一电容C1、第三电容C3和第四电容C4的另一端均连接至三相桥式开关电路100的三个桥臂的最下端，其也可使得双向DC-DC变换器10实现双向变换。而在某些其他实施中，谐振腔200中三个电容中未与电感连接的一端的具体连接结构可与第二实施例不同，其三个电容的该端可互相连接形成Y型连接。
参照图3，图3为本发明双向DC-DC变换器10第三实施例的电路示意图，本实施例与第一实施例的不同在于第一谐振电路、第二谐振电路和第三谐振电路的具体结构不同，本实施例中的第一谐振电路、第二谐振电路和第三谐振电路与第一实施例相比增加了一个电容，具体为：所述第一谐振电路、第二谐振电路和第三谐振电路还分别包括有一第二电容C5、第二电容C6和第二电容C7，所述第二电容C5连接于三相桥式开关电路100桥臂的中点和第一电感L1之间，所述第二电容C6连接于三相桥式开关电路100桥臂的中点和第三电感L3之间，所述第二电容C7连接于三相桥式开关电路100桥臂的中点和第五电感L5之间。基于上述设计，所述第一谐振电路、第二谐振电路和第三谐振电路均为CLCL谐振电路，为对称的电路拓扑形式，进一步保证本发明双向DC-DC变换器10整流时的增益曲线和逆变时的增益曲线一致。
可理解地，在某些其他实施例中，三个所述谐振电路中的第二电容还分别可对应连接于第一变压器T1和第二电感L2、第二变压器T2和第四电感L4以及第三变压器T3和第六电感L6之间。
综上所述，本发明双向DC-DC变换器可方便高效的实现双向变换，谐振腔中的谐振电路为LCL电路，在能量正反向流动时的等效电路相同，则整流时的增益曲线和逆变时的增益曲线几乎一致，正反向工作时变换器的输出电压范围均得到提升，可实现宽电压范围输出，且在正反向工作时可实现良好的软开关的性能，控制简单、可靠性高。
以上所述仅为本发明的优选实施例，而非对本发明做任何形式上的限制。本领域的技术人员可在上述实施例的基础上施以各种等同的更改和改进，凡在权利要求范围内所做的等同变化或修饰，均应落入本发明的保护范围之内。
Claims (9)
1.一种双向DC-DC变换器，其特征在于：所述双向DC-DC变换器包括三相桥式开关电路、谐振腔、三个变压器以及三相桥式整流电路，所述三相桥式开关电路的输入侧和三相桥式整流电路的输出侧分别作为变换器的第一连接侧和第二连接侧，其中，
所述谐振腔包括三个谐振电路，每一谐振电路包括一电容和两电感，一所述电感的一端连接电容和另一电感的一端，三个谐振电路中每一谐振电路的任一电感的另一端分别对应连接所述三相桥式开关电路的三个桥臂的中点，该每一谐振电路中另一电感的另一端分别对应连接三个变压器初级绕组的同名端，三个变压器次级绕组的同名端分别对应连接三相桥式整流电路的三个桥臂的中点，三个所述变压器次级绕组的异名端互相连接形成Y型连接，其初级绕组的异名端互相连接形成Y型连接，且连接三个谐振电路中电容的另一端。
2.如权利要求1所述的双向DC-DC变换器，其特征在于：每一所述谐振电路还包括有一第二电容，所述第二电容连接于三相桥式开关电路桥臂的中点和电感之间。
3.如权利要求1所述的双向DC-DC变换器，其特征在于：每一所述谐振电路还包括有一第二电容，所述第二电容连接于变压器和电感之间。
4.如权利要求1所述的双向DC-DC变换器，其特征在于：所述三相桥式开关电路包括六个开关管，每两个开关管串联构成一个桥臂，三个桥臂并联后其两端作为变换器的第一连接侧。
5.如权利要求1所述的双向DC-DC变换器，其特征在于：所述三相桥式整流电路包括六个开关管，每两个开关管串联构成一个桥臂，三个桥臂并联后其两端作为变换器的第二连接侧。
6.如权利要求4或5所述的双向DC-DC变换器，其特征在于：所述开关管选用MOSFET或IGBT。
7.如权利要求1所述的双向DC-DC变换器，其特征在于：所述双向DC-DC变换器还包括第一滤波电容和第二滤波电容，所述第一滤波电容两端连接至三相桥式开关电路的输入侧，所述第二滤波电容两端连接至三相桥式整流电路的输出侧。
8.一种双向DC-DC变换器，其特征在于：所述双向DC-DC变换器包括依次连接的三相桥式开关电路、谐振腔、三个变压器以及三相桥式整流电路，所述三相桥式开关电路的输入侧和三相桥式整流电路的输出侧分别作为变换器的第一连接侧和第二连接侧，其中，
所述谐振腔包括三个谐振电路，每一谐振电路包括一电容和两电感，一所述电感的一端连接电容和另一电感的一端，三个谐振电路中每一谐振电路的任一电感的另一端分别对应连接所述三相桥式开关电路的三个桥臂的中点，该每一谐振电路中另一电感的另一端分别对应连接三个变压器初级绕组的同名端，三个变压器次级绕组的同名端分别对应连接三相桥式整流电路的三个桥臂的中点，三个所述变压器初级绕组和次级绕组的异名端分别互相连接形成Y型连接，且三个谐振电路中电容的另一端互相连接形成Y型连接。
9.一种双向DC-DC变换器，其特征在于：所述双向DC-DC变换器包括依次连接的三相桥式开关电路、谐振腔、三个变压器以及三相桥式整流电路，所述三相桥式开关电路的输入侧和三相桥式整流电路的输出侧分别作为变换器的第一连接侧和第二连接侧，其中，
所述谐振腔包括三个谐振电路，每一谐振电路包括一电容和两电感，一所述电感的一端连接电容和另一电感的一端，三个谐振电路中每一谐振电路的任一电感的另一端分别对应连接所述三相桥式开关电路的三个桥臂的中点，该每一谐振电路中另一电感的另一端分别对应连接三个变压器初级绕组的同名端，三个变压器次级绕组的同名端分别对应连接三相桥式整流电路的三个桥臂的中点，三个所述变压器初级绕组和次级绕组的异名端分别互相连接形成Y型连接，且三个谐振电路中电容的另一端均连接至三相桥式开关电路的三个桥臂的最下端。
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