CN114094839A

CN114094839A - 一种电感储能型隔离式dc-dc变换器及其控制方法

Info

Publication number: CN114094839A
Application number: CN202210024661.2A
Authority: CN
Inventors: 马俊鹏; 王顺亮; 张芮; 刘天琪
Original assignee: Sichuan University
Current assignee: Sichuan University
Priority date: 2022-01-11
Filing date: 2022-01-11
Publication date: 2022-02-25
Anticipated expiration: 2042-01-11
Also published as: CN114094839B

Abstract

本发明公开了一种电感储能型隔离式DC‑DC变换器及其控制方法，涉及电力电子与电力传动领域，所述电感储能型隔离式DC‑DC变换器包括一次侧回路、二次侧回路和控制器，且一次侧回路和二次侧回路之间连接有电感。本发明的电感储能型隔离式DC‑DC变换器利用半导体功率器件自身关断时的电气隔离特性，实现变换器输入输出间的隔离，通过电感存储电能，输入侧对电感进行充电，输出侧吸收电感能量，通过输入侧和输出侧功率半导体开关的分时开通，实现了能量的分时转移，结合半导体器件的开关特性，进而实现输入侧和输出侧的电气绝缘可实现输出电压和输入电压的电气绝缘，并能实现升降压变换，且无需使用隔离变压器。

Description

一种电感储能型隔离式DC-DC变换器及其控制方法

技术领域

本发明涉及电力电子与电力传动领域，特别是涉及一种电感储能型隔离式DC-DC变换器及其控制方法。

背景技术

隔离式DC-DC变换器应用广泛，在手机充电器、车载充电器、电动汽车充电桩、电力电子变压器、模块化多电平变换器、数据中心、微电网、多变换器模块串并联组合***、能量路由器等领域均有广泛应用。

通常，隔离式DC-DC变换器包括正激式DC-DC变换器、反激式DC-DC变换器、推挽式DC-DC变换器、半桥隔离式DC-DC变换器、全桥隔离式DC-DC变换器、LLC型隔离式DC-DC变换器等。随着技术的革新和研究的深入，多种隔离式DC-DC变换器应运而生，但所有隔离式变换器均具有隔离变压器。隔离变压器是隔离式电力电子变换器的核心器件。然而，作为无源元件的隔离式变压器，在电力电子变换器开关频率较低时，体积较大，且隔离变压器参数设计复杂，杂散参数众多，原理掌握相对困难，且大功率高频变压器磁材料加工设计困难，制约了隔离变压器的大容量发展步伐。

发明内容

针对上述问题，本发明提供了一种电感储能型隔离式DC-DC变换器及其控制方法，无需使用隔离变压器即可实现输入侧和输出侧的电气隔离及升降压变换，具有设计及控制简单的优点。

本发明的技术方案是：

工作时，根据本发明的技术方案调整好线路，将待变换的一次侧直流电压源与第一电容并联接入电路，变换后的二次侧直流电压源与第二电容并联接入电路。工作状态1：控制器的第一控制模块控制第一功率半导体开关件和第三功率半导体开关件同时导通，一次侧直流电压加到电感上，并使电感电流幅值增大。工作状态2：第一控制模块控制第一功率半导体开关件和第三功率半导体开关件同时关断，第三控制模块控制第四功率半导体开关件和第六功率半导体开关件同时关断，第二控制模块控制第二功率半导体开关件导通，第四控制模块控制第五功率半导体开关件导通，电感电流流经第二功率半导体开关件和第五功率半导体开关件进行续流。工作状态3：第一控制模块控制第一功率半导体开关件和第三功率半导体开关件同时关断，第二控制模块控制第二功率半导体开关件导通，第三控制模块控制第四功率半导体开关件和第六功率半导体开关件同时导通，第四控制模块控制第五功率半导体开关件关断，电感电流经第四功率半导体开关件和第六功率半导体开关件并流入二次侧回路，电感电流幅值下降。本发明的电感储能型隔离式DC-DC变换器利用半导体功率器件自身关断时的电气隔离特性，实现变换器输入输出间的隔离，通过电感存储电能，输入侧对电感进行充电，输出侧吸收电感能量，通过输入侧和输出侧功率半导体开关的分时开通，实现了能量的分时转移，结合半导体器件的开关特性，进而实现输入侧和输出侧的电气绝缘可实现输出电压和输入电压的电气绝缘，并能实现升降压变换，且无需使用隔离变压器。

在进一步的技术方案中，所述第一节点和第三节点之间、以及所述第二节点和第四节点之间均连接有电感。

通过在第一节点和第三节点之间、以及第二节点和第四节点之间均连接有电感，使得***的共模噪声抑制能力增强。

在进一步的技术方案中，所述第一功率半导体开关件、第二功率半导体开关件、第三功率半导体开关件、第四功率半导体开关件、第五功率半导体开关件和第六功率半导体开关件均为第一类型开关，所述第一类型开关包括全控型功率半导体器件、半控型功率半导体器件或组合，其中，所述组合包括全控型功率半导体器件的串联、并联、反并联或反串联组合，以及半控型功率半导体器件的串联、并联、反并联或反串联组合。

在进一步的技术方案中，所述第一功率半导体开关件、第二功率半导体开关件、第三功率半导体开关件、第四功率半导体开关件、第五功率半导体开关件和第六功率半导体开关件均为所述第一类型开关和第二类型开关的串联、并联、反并联或反串联组合，其中，所述第二类型开关包括功率二极管、功率二极管的串联组合或功率二极管的并联组合。

在进一步的技术方案中，所述第一功率半导体开关件、第二功率半导体开关件、第三功率半导体开关件、第四功率半导体开关件、第五功率半导体开关件和第六功率半导体开关件均为第二类型开关，所述第二类型开关包括功率二极管、功率二极管的串联组合或功率二极管的并联组合。

本发明的另一方面提供了一种采用如上所述的一种电感储能型隔离式DC-DC变换器的控制方法，包括以下步骤：

第一控制模块控制第一功率半导体开关件和第三功率半导体开关件同时导通，一次侧直流电压加到电感上，并使电感电流幅值增大；

第一控制模块控制第一功率半导体开关件和第三功率半导体开关件同时关断，第三控制模块控制第四功率半导体开关件和第六功率半导体开关件同时关断，第二控制模块控制第二功率半导体开关件导通，第四控制模块控制第五功率半导体开关件导通，电感电流流经第二功率半导体开关件和第五功率半导体开关件进行续流；

第一控制模块控制第一功率半导体开关件和第三功率半导体开关件同时关断，第二控制模块控制第二功率半导体开关件导通，第三控制模块控制第四功率半导体开关件和第六功率半导体开关件同时导通，第四控制模块控制第五功率半导体开关件关断，电感电流经第四功率半导体开关件和第六功率半导体开关件并流入二次侧回路，电感电流幅值下降。

本发明的有益效果是：

1、本发明的电感储能型隔离式DC-DC变换器利用半导体功率器件自身关断时的电气隔离特性，实现变换器输入输出间的隔离，通过电感存储电能，输入侧对电感进行充电，输出侧吸收电感能量，通过输入侧和输出侧功率半导体开关的分时开通，实现了能量的分时转移，结合半导体器件的开关特性，进而实现输入侧和输出侧的电气绝缘可实现输出电压和输入电压的电气绝缘，并能实现升降压变换，且无需使用隔离变压器；

2、通过在第一节点和第三节点之间、以及第二节点和第四节点之间均连接有电感，使得***的共模噪声抑制能力增强。

附图说明

图1是本发明实施例1所述电感储能型隔离式DC-DC变换器的电路原理示意图；

图2是本发明实施例1所述电感储能型隔离式DC-DC变换器的开关时序与状态示意图；

图3是本发明实施例2所述功率半导体开关件的样式示意图；

图4是本发明实施例3所述功率半导体开关件的串联组合示意图；

图5是本发明实施例4所述功率半导体开关件的并联组合示意图；

图6是本发明实施例5采用全控型功率半导体开关件的所述电感储能型隔离式DC-DC变换器的电路原理示意图；

图7是本发明实施例6采用功率二极管结合全控型功率半导体开关件的所述电感储能型隔离式DC-DC变换器的电路原理示意图。

附图标记说明：

T_1U-第一功率半导体开关件；T_1M-第二功率半导体开关件；T_1L-第三功率半导体开关件；T_2U-第四功率半导体开关件；T_2M-第五功率半导体开关件；T_2L-第六功率半导体开关件；C₁-第一电容;C₂-第二电容；H₁-第一节点；H₂-第二节点；H₃-第三节点；H₄-第四节点；V₁-一次侧直流电压源；V₂-二次侧直流电压源；L₁-第一电感；L₂-第二电感；G₁-第一控制信号;G_1M-第二控制信号；G₂-第三控制信号;G_2M-第四控制信号。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的实施例作进一步说明。

实施例1：

如图1所示，本发明的一方面提供了一种电感储能型隔离式DC-DC变换器，包括一次侧回路、二次侧回路和控制器。

所述一次侧回路包括第一功率半导体开关件T_1U、第二功率半导体开关件T_1M、第三功率半导体开关件T_1L和第一电容，所述第一功率半导体开关件T_1U、第二功率半导体开关件T_1M、第三功率半导体开关件T_1L顺次串联连接并形成第一串联支路，所述第一电容C₁与所述第一串联支路及一次侧直流电压源V₁并联。所述第一功率半导体开关件T_1U与第二功率半导体开关件T_1M之间设有第一节点H₁，所述第二功率半导体开关件T_1M与第三功率半导体开关件T_1L之间设有第二节点H₂。

所述二次侧回路包括第四功率半导体开关件T_2U、第五功率半导体开关件T_2M、第六功率半导体开关件T_2L和第二电容，所述第四功率半导体开关件T_2U、第五功率半导体开关件T_2M、第六功率半导体开关件T_2L顺次串联连接并形成第二串联支路，所述第二电容C₂与所述第二串联支路及二次侧直流电压源V₂并联。所述第四功率半导体开关件T_2U与第五功率半导体开关件T_2M之间设有第三节点H₃，所述第五功率半导体开关件T_2M与第六功率半导体开关件T_2L之间设有第四节点H₄。所述第一节点H₁和第三节点H₃连接，所述第二节点H₂和第四节点H₄连接，且所述第一节点H₁和第三节点H₃之间、以及所述第二节点H₂和第四节点H₄之间至少有一处连接有电感。例如，可分别连接有第一电感L₁和第二电感L₂。

所述控制器包括第一控制模块、第二控制模块、第三控制模块和第四控制模块，所述第一控制模块用于对所述第一功率半导体开关件T_1U和第三功率半导体开关件T_1L进行统一控制。所述第二控制模块用于对所述第二功率半导体开关件T_1M进行控制。所述第三控制模块用于对所述第四功率半导体开关件T_2U和第六功率半导体开关件T_2L进行统一控制。所述第四控制模块用于对所述第五功率半导体开关件T_2M进行控制。例如，如图2所示，第一控制模块通过第一控制信号G₁对所述第一功率半导体开关件T_1U和第三功率半导体开关件T_1L进行统一控制，相应的导通时间为t₁,第二控制模块通过第二控制信号G_1M对所述第二功率半导体开关件T_1M进行控制,相应的导通时间为t₂,第三控制模块通过第三控制信号G₂对所述第四功率半导体开关件T_2U和第六功率半导体开关件T_2L进行统一控制，相应的导通时间为t₃,第四控制模块通过第四控制信号G_2M对所述第五功率半导体开关件T_2M进行控制,相应的导通时间为t₄。这里，第一串联支路的各开关件不能同时导通，第二串联支路的各开关件也不能同时导通。这里，第一功率半导体开关件T_1U、第三功率半导体开关件T_1L、第四功率半导体开关件T_2U和第六功率半导体开关件T_2L不能同时导通。

上述技术方案的工作原理如下：

工作时，如图1-图2所示，根据本发明的技术方案调整好线路，将待变换的一次侧直流电压源V₁与第一电容C₁并联接入电路，变换后的二次侧直流电压源V₂与第二电容C₂并联接入电路。工作状态1：控制器的第一控制模块控制第一功率半导体开关件T_1U和第三功率半导体开关件T_1L同时导通，一次侧直流电压加到电感上，并使电感电流幅值增大。工作状态2：第一控制模块控制第一功率半导体开关件T_1U和第三功率半导体开关件T_1L同时关断，第三控制模块控制第四功率半导体开关件T_2U和第六功率半导体开关件T_2L同时关断，第二控制模块控制第二功率半导体开关件T_1M导通，第四控制模块控制第五功率半导体开关件T_2M导通，电感电流流经第二功率半导体开关件T_1M和第五功率半导体开关件T_2M进行续流。工作状态3：第一控制模块控制第一功率半导体开关件T1U和第三功率半导体开关件T1L同时关断，第二控制模块控制第二功率半导体开关件T1M导通，第三控制模块控制第四功率半导体开关件T2U和第六功率半导体开关件T2L同时导通，第四控制模块控制第五功率半导体开关件T2M关断，电感电流经第四功率半导体开关件T2U和第六功率半导体开关件T2L并流入二次侧回路，电感电流幅值下降。本发明的电感储能型隔离式DC-DC变换器利用半导体功率器件自身关断时的电气隔离特性，实现变换器输入输出间的隔离，通过电感存储电能，输入侧对电感进行充电，输出侧吸收电感能量，通过输入侧和输出侧功率半导体开关的分时开通，实现了能量的分时转移，结合半导体器件的开关特性，进而实现输入侧和输出侧的电气绝缘可实现输出电压和输入电压的电气绝缘，并能实现升降压变换，且无需使用隔离变压器。

在另外的实施例中，如图1所示，所述第一节点H₁和第三节点H₃之间、以及所述第二节点H₂和第四节点H₄之间均连接有电感（包括第一电感L₁和第二电感L₂）。通过在第一节点H₁和第三节点H₃之间、以及第二节点H₂和第四节点H₄之间均连接有电感，使得***的共模噪声抑制能力增强。

在另外的实施例中，第一功率半导体开关件、第二功率半导体开关件、第三功率半导体开关件、第四功率半导体开关件、第五功率半导体开关件和第六功率半导体开关件均为第一类型开关，第一类型开关包括全控型功率半导体器件、半控型功率半导体器件或组合，其中，所述组合包括全控型功率半导体器件的串联、并联、反并联或反串联组合，以及半控型功率半导体器件的串联、并联、反并联或反串联组合。例如，可控功率半导体器件符号可表示绝缘栅双极晶体管（IGBT）,功率场效应管（Power mosfet）,碳化硅（SiC）功率半导体器件，氮化镓（GAN）功率半导体器件，亦可指代晶闸管（SCR），门级可关断晶闸管等。

在另外的实施例中，第一功率半导体开关件、第二功率半导体开关件、第三功率半导体开关件、第四功率半导体开关件、第五功率半导体开关件和第六功率半导体开关件均为所述第一类型开关和第二类型开关的串联、并联、反并联或反串联组合，其中，所述第二类型开关包括功率二极管、功率二极管的串联组合或功率二极管的并联组合。

在另外的实施例中，所述第一功率半导体开关件、第二功率半导体开关件、第三功率半导体开关件、第四功率半导体开关件、第五功率半导体开关件和第六功率半导体开关件均为第二类型开关，所述第二类型开关包括功率二极管、功率二极管的串联组合或功率二极管的并联组合。

实施例2：

如图3所示，本实施例与实施例1的其他特征相同，区别仅在于，功率半导体开关件的样式从左至右依次为IGBT,逆导型IGBT，IGBT与二极管串联，二极管。

实施例3：

如图4所示，本实施例与实施例1的其他特征相同，区别仅在于，功率半导体开关件的串联组合从左至右依次为IGBT的串联，逆导型IGBT的串联，IGBT与二极管串联后形成的整体的串联，二极管的串联，逆导型IGBT反串联。

实施例4：

如图5所示，本实施例与实施例1的其他特征相同，区别仅在于，功率半导体开关件的样式从左至右依次为IGBT并联组合，二极管并联组合，逆导型IGBT并联组合，IGBT与二极管串联后并联组合，反并联IGBT组合，IGBT与二极管串联后反并联组合。

实施例5：

如图6所示，本实施例与实施例1的其他特征相同，区别仅在于，所述第一功率半导体开关件T_1U、第二功率半导体开关件T_1M、第三功率半导体开关件T_1L、第四功率半导体开关件T_2U、第五功率半导体开关件T_2M和第六功率半导体开关件T_2L均为逆导型IGBT。

实施例6：

如图7所示，本实施例与实施例1的其他特征相同，区别仅在于，所述第一功率半导体开关件T_1U、第三功率半导体开关件T_1L和第五功率半导体开关件T_2M为全控型功率半导体器件，所述第二功率半导体开关件T_1M、第四功率半导体开关件T_2U和第六功率半导体开关件T_2L为功率二极管。

实施例7：

如图1-图2所示，本发明的另一方面提供了一种采用如上所述的一种电感储能型隔离式DC-DC变换器的控制方法，包括以下步骤：

工作状态1：第一控制模块控制第一功率半导体开关件T_1U和第三功率半导体开关件T_1L同时导通，其他开关件关断，一次侧直流电压加到电感上，并使电感电流幅值增大。

工作状态2：第一控制模块控制第一功率半导体开关件T_1U和第三功率半导体开关件T_1L同时关断，第三控制模块控制第四功率半导体开关件T_2U和第六功率半导体开关件T_2L同时关断，第二控制模块控制第二功率半导体开关件T_1M导通，第四控制模块控制第五功率半导体开关件T_2M导通，电感电流流经第二功率半导体开关件T_1M和第五功率半导体开关件T_2M进行续流。

工作状态3：第一控制模块控制第一功率半导体开关件T_1U和第三功率半导体开关件T_1L同时关断，第二控制模块控制第二功率半导体开关件T_1M导通，第三控制模块控制第四功率半导体开关件T_2U和第六功率半导体开关件T_2L同时导通，第四控制模块控制第五功率半导体开关件T_2M关断，电感电流经第四功率半导体开关件T_2U和第六功率半导体开关件T_2L并流入二次侧回路，电感电流幅值下降。

以上所述实施例仅表达了本发明的具体实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。

Claims

1.一种电感储能型隔离式DC-DC变换器，其特征在于，包括一次侧回路、二次侧回路和控制器，其中，所述一次侧回路包括第一功率半导体开关件、第二功率半导体开关件、第三功率半导体开关件和第一电容，所述第一功率半导体开关件、第二功率半导体开关件、第三功率半导体开关件顺次串联连接并形成第一串联支路，所述第一电容与所述第一串联支路及一次侧直流电压源并联；所述第一功率半导体开关件与第二功率半导体开关件之间设有第一节点，所述第二功率半导体开关件与第三功率半导体开关件之间设有第二节点；所述二次侧回路包括第四功率半导体开关件、第五功率半导体开关件、第六功率半导体开关件和第二电容，所述第四功率半导体开关件、第五功率半导体开关件、第六功率半导体开关件顺次串联连接并形成第二串联支路，所述第二电容与所述第二串联支路及二次侧直流电压源并联；所述第四功率半导体开关件与第五功率半导体开关件之间设有第三节点，所述第五功率半导体开关件与第六功率半导体开关件之间设有第四节点；所述第一节点和第三节点之间、以及所述第二节点和第四节点之间至少有一处连接有电感；所述控制器包括第一控制模块、第二控制模块、第三控制模块和第四控制模块，所述第一控制模块用于对所述第一功率半导体开关件和第三功率半导体开关件进行统一控制；所述第二控制模块用于对所述第二功率半导体开关件进行控制；所述第三控制模块用于对所述第四功率半导体开关件和第六功率半导体开关件进行统一控制；所述第四控制模块用于对所述第五功率半导体开关件进行控制。

2.根据权利要求1所述的一种电感储能型隔离式DC-DC变换器，其特征在于，所述第一节点和第三节点之间、以及所述第二节点和第四节点之间均连接有电感。

3.根据权利要求1所述的一种电感储能型隔离式DC-DC变换器，其特征在于，所述第一功率半导体开关件、第二功率半导体开关件、第三功率半导体开关件、第四功率半导体开关件、第五功率半导体开关件和第六功率半导体开关件均为第一类型开关，所述第一类型开关包括全控型功率半导体器件、半控型功率半导体器件或组合，其中，所述组合包括全控型功率半导体器件的串联、并联、反并联或反串联组合，以及半控型功率半导体器件的串联、并联、反并联或反串联组合。

4.根据权利要求2所述的一种电感储能型隔离式DC-DC变换器，其特征在于，所述第一功率半导体开关件、第二功率半导体开关件、第三功率半导体开关件、第四功率半导体开关件、第五功率半导体开关件和第六功率半导体开关件均为所述第一类型开关和第二类型开关的串联、并联、反并联或反串联组合，其中，所述第二类型开关包括功率二极管、功率二极管的串联组合或功率二极管的并联组合。

5.根据权利要求1所述的一种电感储能型隔离式DC-DC变换器，其特征在于，所述第一功率半导体开关件、第二功率半导体开关件、第三功率半导体开关件、第四功率半导体开关件、第五功率半导体开关件和第六功率半导体开关件均为第二类型开关，所述第二类型开关包括功率二极管、功率二极管的串联组合或功率二极管的并联组合。

6.一种采用权利要求1-5任意一项所述的一种电感储能型隔离式DC-DC变换器的控制方法，其特征在于，包括以下步骤：

工作状态1：第一控制模块控制第一功率半导体开关件和第三功率半导体开关件同时导通，一次侧直流电压加到电感上，并使电感电流幅值增大；

工作状态2：第一控制模块控制第一功率半导体开关件和第三功率半导体开关件同时关断，第三控制模块控制第四功率半导体开关件和第六功率半导体开关件同时关断，第二控制模块控制第二功率半导体开关件导通，第四控制模块控制第五功率半导体开关件导通，电感电流流经第二功率半导体开关件和第五功率半导体开关件进行续流；

工作状态3：第一控制模块控制第一功率半导体开关件和第三功率半导体开关件同时关断，第二控制模块控制第二功率半导体开关件导通，第三控制模块控制第四功率半导体开关件和第六功率半导体开关件同时导通，第四控制模块控制第五功率半导体开关件关断，电感电流经第四功率半导体开关件和第六功率半导体开关件并流入二次侧回路，电感电流幅值下降。