CN114142735A - 一种高增益低纹波软开关双向dc-dc变换器 - Google Patents

一种高增益低纹波软开关双向dc-dc变换器 Download PDF

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CN114142735A CN202111385346.4A CN202111385346A CN114142735A CN 114142735 A CN114142735 A CN 114142735A CN 202111385346 A CN202111385346 A CN 202111385346A CN 114142735 A CN114142735 A CN 114142735A
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张林渠
刘健豪
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何良宗
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Abstract

本发明提供了一种高增益低纹波软开关双向DC‑DC变换器，所述双向DC‑DC变换器的工作方式分为正向能量传输模式和反向能量传输模式；具体为：正向能量传输时，双向DC‑DC变换器由交错并联BOOST电路，钳位电路，变压器和正向开关电容电路组成，交错并联BOOST电路和钳位电路连接在变压器的一次侧，变压器的二次侧连接开关电容电路；反向能量传输时，双向DC‑DC变换器由反向开关电容电路和变压器、钳位电路、交错并联BUCK电路组成，反向开关电容电路连接在变压器的一次侧，变压器的二次侧连接钳位电路、交错并联BUCK电路。本发明提出的双向DC‑DC变换器，具有增益高，纹波低的，成本低，效率高并且可以实现能量双向传输的优点，可用于光伏发电***的场合，也适用输出电压低的电动汽车场合。

Description

一种高增益低纹波软开关双向DC-DC变换器
技术领域
本发明涉及开关电源双向DC-DC变换领域，特别是指一种高增益低纹波软开关双向DC-DC变换器。
背景技术
随着能源的日益紧张，当前，可再生能源的利用已经成为各个领域的重点研究方向，作为世界上最丰富的资源，光伏发电已经被列为能源发展的热门发展方向，光伏发电***在能源利用方面有着不可替代的作用，光伏发电***含有光伏组件、蓄电池、双向DC-DC变换器、负载等结构。其中的蓄电池作为光伏发电***中的储能单元，保障直流母线电压的稳定，既可以吸收***中的能量，又可以向直流母线传递能量。
目前，一些电压馈电型变换器和电流馈电型变换器是较为普遍的两类变换器，但是这些变换器存在较大的输入电流纹波，降低了***效率，另外高匝数比的变压器增加了元器件的电压应力，并且变压器设计困难，进一步降低了***效率。
发明内容
本发明的主要目的在于克服现有技术中的上述缺陷，提出一种高增益低纹波软开关双向DC-DC变换器，具有增益高，纹波低的，成本低，效率高并且可以实现能量双向传输的优点，可用于光伏发电***的场合，也适用于输出电压低的电动汽车场合。
本发明采用如下技术方案：
一种高增益低纹波软开关双向DC-DC变换器，所述双向DC-DC变换器的工作方式分为正向能量传输模式和反向能量传输模式；具体为：
正向能量传输时，双向DC-DC变换器由交错并联BOOST电路，钳位电路，变压器和正向开关电容电路组成，交错并联BOOST电路和钳位电路连接在变压器的一次侧，变压器的二次侧连接开关电容电路；
反向能量传输时，双向DC-DC变换器由反向开关电容电路和变压器、钳位电路、交错并联BUCK电路组成，反向开关电容电路连接在变压器的一次侧，变压器的二次侧连接钳位电路、交错并联BUCK电路。
具体地，所述交错并联BOOST电路，包括第一电感L1、第二电感L2、第一开关管S1，第二开关管S2，第三开关管S3，第四开关管S4，具体为：
第二电感L2的一端连接第一开关管S1的源极和第二开关管S2的漏极，第一电感L1的一端连接第三开关管S3的源极和第四开关管S4的漏极，第一开关管S1的漏极和第三开关管S3的漏极相连，第二开关管S2的源极和第四开关管S4的源极相连；第一电感L1的另一端第二电感L2的另一端相连。
具体地，所述钳位电路为钳位电容Cc。
具体地，所述正向开关电容电路，包括第一谐振电容C1a、第二谐振电容C1b和第一输出电容C2a、第二输出电容C2b，具体为：
所述第一谐振电容C1a和第二谐振电容C1b串联组成谐振电容模块，第一输出电容C2a和第二C2b串联组成输出电容模块；所述谐振电容模块和输出电容模块并联。
具体地，所述反向开关电容电路，包括第一输出电容C2a、第二输出电容C2b、第三三极管Q3和第四三极管Q4，具体为：
第一输出电容C2a的一端连接第三三极管Q3的漏极，第三三极管Q3的源极连接第四三极管Q4的漏极，第四三极管Q4的源极连接第二输出电容C2b的一端，第二输出电容C2b的另一端连接第三三极管Q3的漏极；所述第三三极管Q3和第四三极管Q4均为开关管。
具体地，正向能量传输时交错并联BOOST电路，在进行反向能量传输时，为交错并联BUCK电路。
具体地，能量正向传输时，第一开关管S1和第三开关管S3实现零电压开通/关断。
具体地，正向能量传输时，二次侧通过变压器的漏感和谐振电容的谐振，实现二次侧开关管的零电流关断。
具体地，正向能量传输时，二次侧实现开关管的零电流关断的方法是：谐振持续时间长度小于开关管驱动信号低电平时间。
由上述对本发明的描述可知，与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：
(1)本发明提供的一种高增益低纹波软开关双向DC-DC变换器，工作方式分为正向能量传输模式和反向能量传输模式；正向能量传输时，双向DC-DC变换器由交错并联BOOST电路，钳位电路，变压器和正向开关电容电路组成，交错并联BOOST电路和钳位电路连接在变压器的一次侧，变压器的二次侧连接开关电容电路；本发明提供的高增益低纹波软开关双向DC-DC变换器能量可以双向流动，并且两种模式，均可实现软开关；此外，交错并联BOOST升压电路中的两个BOOST电路交错开启，大大减少输入电流纹波；而且开关电容对称的结构设计使得在充电电容和放电电容的纹波相互抵消，从而实现输出电压纹波减少；并且利用钳位电路能够有效抑制开关管的电压尖峰。
(2)本发明提供的一种高增益低纹波软开关双向DC-DC变换器，当正向能量传输时，变压器漏感和谐振电容发生谐振，为二次侧的开关管实现零电流关断提供条件；且变压器的漏感作为谐振电感参与副边谐振回路的谐振，因此电路不再需要吸收变压器漏感而采用的缓冲电路，减少了电路的复杂性。
(3)电路中原边的第一开关管和第三开关管实现零电压开关，电路中副边的开关管实现了零电流关断，从而降低了电路的开关损耗，进一步的提升了***效率。
附图说明
图1为本发明实施例提供的高增益低纹波软开关双向DC-DC变换器的主拓扑图；
图2为本发明实施例提供变换器的控制时序图；
图3为本发明实施例提供的变压器副边的谐振等效图。
图4为本发明实施例提供的反向能量传输，Q1-Q4的工作情况。
图5为本发明实施例提供的正向能量传输时的模态图，其中图5(a)-图5(j)分别对应第一到第十种的模态图。
具体实施方式
以下结合附图对本发明所述的高增益低纹波软开关双向DC-DC变换器作进一步的说明。
参考图1可知，电路由交错并联BOOST电路、有源钳位电路、和开关电容回路组成，其中互补的交错并联回路使输入电流纹波降到最低，有源钳位电路吸收开关的电压尖峰，对称的开关电容回路使输出电压纹波降为最低。
一种高增益低纹波软开关双向DC-DC变换器，所述双向DC-DC变换器的工作方式分为正向能量传输模式和反向能量传输模式；具体为：
正向能量传输时，双向DC-DC变换器由交错并联BOOST电路，钳位电路，变压器和正向开关电容电路组成，交错并联BOOST电路和钳位电路连接在变压器的一次侧，变压器的二次侧连接开关电容电路；
反向能量传输时，双向DC-DC变换器由反向开关电容电路和变压器、钳位电路、交错并联BUCK电路组成，反向开关电容电路连接在变压器的一次侧，变压器的二次侧连接钳位电路、交错并联BUCK电路。
本发明提供的高增益低纹波软开关双向DC-DC变换器能量可以双向流动，并且两种模式，均可实现软开关；此外，交错并联BOOST升压电路中的两个BOOST电路交错开启，大大减少输入电流纹波；而且开关电容对称的结构设计使得在充电电容和放电电容的纹波相互抵消，从而实现输出电压纹波减少；并且利用钳位电路能够有效抑制开关管的电压尖峰。
具体地，所述交错并联BOOST电路，包括第一电感L1、第二电感L2、第一开关管S1，第二开关管S2，第三开关管S3，第四开关管S4，具体为：
第二电感L2的一端连接第一开关管S1的源极和第二开关管S2的漏极，第一电感L1的一端连接第三开关管S3的源极和第四开关管S4的漏极，第一开关管S1的漏极和第三开关管S3的漏极相连，第二开关管S2的源极和第四开关管S4的源极相连；第一电感L1的另一端第二电感L2的另一端相连。
具体地，所述钳位电路为钳位电容Cc。
其中的第一电感L1跟变压器的原边同名端相连，第二电感L2跟变压器的原边异名端相连，而钳位电容并联于变压器两输入端和直流电源负极之间。
具体地，所述正向开关电容电路，包括第一谐振电容C1a、第二谐振电容C1b和第一输出电容C2a、第二输出电容C2b，具体为：
所述第一谐振电容C1a和第二谐振电容C1b串联组成谐振电容模块，第一输出电容C2a和第二C2b串联组成输出电容模块；所述谐振电容模块和输出电容模块并联。
其中，C1a＝C1b＝C1，C2a＝C2b＝C2。
具体地，所述反向开关电容电路，包括第一输出电容C2a、第二输出电容C2b、第三三极管Q3和第四三极管Q4，具体为：
第一输出电容C2a的一端连接第三三极管Q3的漏极，第三三极管Q3的源极连接第四三极管Q4的漏极，第四三极管Q4的源极连接第二输出电容C2b的一端，第二输出电容C2b的另一端连接第三三极管Q3的漏极；所述第三三极管Q3和第四三极管Q4均为开关管。
能量反向传输时，一次侧的开关电容电路只用到了一半的开关管即可实现能量的反向流动。
具体地，正向能量传输时交错并联BOOST电路，在进行反向能量传输时，为交错并联BUCK电路。
具体地，能量正向传输时，第一开关管S1和第三开关管S3实现零电压开通/关断。
具体地，正向能量传输时，二次侧通过变压器的漏感和谐振电容的谐振，实现二次侧开关管的零电流关断。
具体地，正向能量传输时，二次侧实现开关管的零电流关断的方法是：谐振持续时间长度小于开关管驱动信号低电平时间。
当正向能量传输时，变压器漏感和谐振电容发生谐振，为二次侧的开关管实现零电流关断提供条件；且变压器的漏感作为谐振电感参与副边谐振回路的谐振，因此电路不再需要吸收变压器漏感而采用的缓冲电路，减少了电路的复杂性。
电路中原边的第一开关管和第三开关管实现零电压开关，电路中副边的开关管实现了零电流关断，从而降低了电路的开关损耗，进一步的提升了***效率。
本发明所述的高增益低纹波软开关双向DC-DC变换器，采用脉宽可调控制策略实现输出电压的调节。
在一个开关周期内，根据电感L1的伏秒平衡：Vin·D+(Vin-VCc)·(1-D)＝0可以得到：
Figure BDA0003366945930000051
其中D为开关管S2和S4的占空比。
图2是变换器的时序波形，显示了开关管以及***控制波形。
又根据图3，漏感Llk在一个稳定的工作周期内满足：
Figure BDA0003366945930000052
得到
Figure BDA0003366945930000053
所以变换器增益为：
Figure BDA0003366945930000061
其中T0为谐振时间；
图4(a)-图4(b)给出反向能量传输模式时，Q1-Q4的工作情况。
图5(a)-图5(j)是变换器的正向能量传输时的工作模态图，一共包含十个模态。
高增益低纹波软开关双向DC-DC变换器反向能量传输模式与正向能量传输模式类似，模态分析不再赘述；
反向能量传输时，由于根据理论分析波形和伏秒平衡原理可以得出变换器的增益：
Figure BDA0003366945930000062
又因为Vs＝Vp＝VCC，所以
Figure BDA0003366945930000063
值得注意的是：此时由于时反向能量传输，所以现在的输入和输出时是正向能量传输时的输出和输入。
模态1[t0-t1]：在t0时刻S4导通。电感L1的电流iL1流过开关S4,电感L2的电流iL2流过开关S2。此时由于开关S2和S4都处于导通状态，变压器一次侧的电压Vp为零。变压器两侧电流都为零。因此，在这个过程中电感电流iL1，iL2线性增大，满足：
Figure BDA0003366945930000064
Figure BDA0003366945930000065
Vin是一个电压源。
变压器二次侧有C2a、C2b、R、环流回路，输出电容的电压vC2a和vC2b分别为：
Figure BDA0003366945930000066
Figure BDA0003366945930000067
Io是电路输出电流值。
模态2[t1-t2]:在t1时刻，S2关闭，电容Cs1放电，Cs2充电，iL2开始线性的给Cs1放电并且给Cs2充电，当电容Cs2充电至VCc并且Cs1放电至0V时，iL2流过开关S1的反并联二极管，二次侧开关管Q1、Q4的电流流过它们的反并联二极管，因此S1、Q1、Q4两端的电压为零，为他们的ZVS导通提供条件。
在这个状态下，输入电压被转移到输出端，因为电压通过变压器一次绕组的电压是Vp＝-VCc，二次绕组电压是：
Vs＝-N·VCc
N为变压器的匝数比，N＝N2/N1，这时候在二次侧构成漏感Llk、C1a、Q1的反并联二极管，和Llk、C1b、C2b、Q4的反并联二极管两个谐振回路。Vs对C1a充电，Vs和C1b对C2b充电。状态方程为：
Figure BDA0003366945930000071
Figure BDA0003366945930000072
可以解得：
vC1a(t)＝N·VCc-[N·VCc-vC1a(t1)]cosω0(t-t1)
vC1b(t)＝N·VCc+[N·VCc-vC1a(t1)]cosω0(t-t1)
Figure BDA0003366945930000073
Im为变压器二次侧电流的峰值，满足：
Im＝Ioω0Ts
谐振角频率ω0和谐振阻抗Z0满足以下关系式：
Figure BDA0003366945930000074
在这个过程中，输出电容C2a的电压线性减小，输出电容C2b的电压增大，满足：
Figure BDA0003366945930000075
模态3[t2-t3]：在t2时刻，S1、Q1、Q4在ZVS状态下导通，电感L1的电流iL1继续线性增大，电感L2的电流iL2如下式线性减小：
Figure BDA0003366945930000081
两个谐振回路继续谐振。
模态4[t3-t4]：在t3时刻，流过Q1、Q4的电流变为0，并且ip下降到0。另外，如图所示，电感L1的电流iL1按式中线性增大，电感L2的电流iL2按式中线性减小。此外S1的反并联二极管再次导通，两个谐振回路在时刻t3停止，开关管Q1、Q4在ZCS关断。
模态5[t4-t5]：在t4时刻，S1的反并联二极管处于导通状态，因此，S1在ZVS条件下关断。
模态6[t5-t6]：在t5时刻，S2开通，电感L1的电流iL1流过开关S4,电感L2的电流iL2流过开关S2。与模态1类似，变压器一次侧的电压Vp为零。变压器两侧电流都为零。因此，在这个过程中电感电流iL1，iL2线性增大，满足：
Figure BDA0003366945930000082
Figure BDA0003366945930000083
变压器二次侧仍然有C2a、C2b、R、环流回路，输出电容的电压vC2a和vC2b分别为：
Figure BDA0003366945930000084
Figure BDA0003366945930000085
模态7[t6-t7]：在t6时刻，S4关断，另外，iL1开始线性的给Cs3充电并且给Cs4放电。当iL1完全给Cs4充电到VCc并且给Cs3放电到0，流过S3的反并联二极管，，二次侧开关管Q2、Q3的电流流过它们的反并联二极管，因此S3、Q2、Q3两端的电压为零，为他们的ZVS导通提供条件。
类似模态2，在这个模态下，输入电能被转移到输出端，变压器一次侧的输入电压是Vp＝VCc，二次侧电压是：
Vs＝N·VCc
这里有两个谐振回路，其中一个由C1a，C2a，Llk和Q3的反并联二极管组成，Vs和C1a对C2a充电，另外一个回路由C1b，Llk和Q2的反并联二极管组成组成，Vs对C1b充电。状态方程为：
Figure BDA0003366945930000091
Figure BDA0003366945930000092
可以解得：
vC1a(t)＝N·VCc+[N·VCc-vC1b(t1)]cosω0(t-t1)
vC1b(t)＝N·VCc-[N·VCc-vC1b(t1)]cosω0(t-t1)
Figure BDA0003366945930000093
模态8[t7-t8]：在t7时刻，S3、Q2、Q3在其二极管导通时开通，因此，S3、Q2、Q3在ZVS状态下导通，iL2按照式2不断增加，iL1如下式线性减少：
Figure BDA0003366945930000094
模态9[t8-t9]：与模态4类似，开关管Q2、Q3在ZCS状态下关断。与此同时，开关管S3的反并联二极管开始导通，输出电流Io如下：
Figure BDA0003366945930000095
模态10[t9-t10]：在t9时刻，开关管S3在ZVS状态下关断；
上述仅为本发明的具体实施方式，但本发明的设计构思并不局限于此，凡利用此构思对本发明进行非实质性的改动，均应属于侵犯本发明保护范围的行为。

Claims (9)

1.一种高增益低纹波软开关双向DC-DC变换器，其特征在于，所述双向DC-DC变换器的工作方式分为正向能量传输模式和反向能量传输模式；具体为：
正向能量传输时，双向DC-DC变换器由交错并联BOOST电路，钳位电路，变压器和正向开关电容电路组成，交错并联BOOST电路和钳位电路连接在变压器的一次侧，变压器的二次侧连接开关电容电路；
反向能量传输时，双向DC-DC变换器由反向开关电容电路和变压器、钳位电路、交错并联BUCK电路组成，反向开关电容电路连接在变压器的一次侧，变压器的二次侧连接钳位电路、交错并联BUCK电路。
2.根据权利要求1所述的一种高增益低纹波软开关双向DC-DC变换器，其特征在于，所述交错并联BOOST电路，包括第一电感L1、第二电感L2、第一开关管S1，第二开关管S2，第三开关管S3，第四开关管S4，具体为：
第二电感L2的一端连接第一开关管S1的源极和第二开关管S2的漏极，第一电感L1的一端连接第三开关管S3的源极和第四开关管S4的漏极，第一开关管S1的漏极和第三开关管S3的漏极相连，第二开关管S2的源极和第四开关管S4的源极相连；第一电感L1的另一端第二电感L2的另一端相连。
3.根据权利要求1所述的一种高增益低纹波软开关双向DC-DC变换器，其特征在于，所述钳位电路为钳位电容Cc。
4.根据权利要求1所述的一种高增益低纹波软开关双向DC-DC变换器，其特征在于，所述正向开关电容电路，包括第一谐振电容C1a、第二谐振电容C1b和第一输出电容C2a、第二输出电容C2b，具体为：
所述第一谐振电容C1a和第二谐振电容C1b串联组成谐振电容模块，第一输出电容C2a和第二C2b串联组成输出电容模块；所述谐振电容模块和输出电容模块并联。
5.根据权利要求1所述的一种高增益低纹波软开关双向DC-DC变换器，其特征在于，所述反向开关电容电路，包括第一输出电容C2a、第二输出电容C2b、第三三极管Q3和第四三极管Q4，具体为：
第一输出电容C2a的一端连接第三三极管Q3的漏极，第三三极管Q3的源极连接第四三极管Q4的漏极，第四三极管Q4的源极连接第二输出电容C2b的一端，第二输出电容C2b的另一端连接第三三极管Q3的漏极；所述第三三极管Q3和第四三极管Q4均为开关管。
6.根据权利要求1所述的一种高增益低纹波软开关双向DC-DC变换器，其特征在于，正向能量传输时交错并联BOOST电路，在进行反向能量传输时，为交错并联BUCK电路。
7.根据权利要求3所述的高增益低纹波软开关双向DC-DC变换器，其特征在于，能量正向传输时，第一开关管S1和第三开关管S3实现零电压开通/关断。
8.根据权利要求5所述的高增益低纹波软开关双向DC-DC变换器，其特征在于，正向能量传输时，二次侧通过变压器的漏感和谐振电容的谐振，实现二次侧开关管的零电流关断。
9.根据权利要求8所述的高增益低纹波软开关双向DC-DC变换器，其特征在于，正向能量传输时，二次侧实现开关管的零电流关断的方法是：谐振持续时间长度小于开关管驱动信号低电平时间。
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