基于总线式均衡网络的隔离型变换器和工作方法与流程

本发明涉及电子电路自动化控制领域，尤其涉及一种基于总线式均衡网络的隔离型变换器和工作方法。

背景技术：

新型电力电子器件和新型控制技术不断涌现，使电力电子变换器不断朝着高功率密度、高可靠性、模块化、高效率、低污染方向发展，对电力电子变换器的性能要求也随之不断提高。我们熟知的dc-dc变换器主要工作于单向模式，即能量只能由输入端流向输出端，对于需要能量双向流动的场合，通常采用两个单向dc-dc变换器反向并联的结构，这种方案可以实现能量的双向传输，但系统体积较大，结构复杂，不利于变换器的模块化和小型化。为了解决上述问题，能够实现能量双向传输的“双向dc-dc变换器”应运而生。

随着科学技术的迅速发展，人们对双向dc-dc变换器的需求也随之快速增加，在太阳能电源系统、电动汽车、直流不停电电源系统、燃料电池供电系统、多端口混合供电系统、直流功率放大器、电梯等场合，双向dc-dc变换器都有广泛的应用。

与单向dc-dc变换器类似，双向dc-dc变换器也可以分为非隔离型变换器和变压器隔离型变换器两大类。全桥双向dc-dc变换器，通过移相控制可使其开关器件实现零电压开关，开关器件的电压、电流应力小；变压器双向励磁，利用率较高，在中、大功率场合有广泛的应用。用变压器作为隔离，高、低压侧分别有既可整流又可逆变的变流装置。用igbt或moseft管作为开关器件构成桥式或半桥式整流逆变电路。正常情况下的能量流向是，从高压侧向低压侧方向，低压侧的蓄电池处于充电状态，另外低压侧负载需要消耗一定的能量。当能量从低压侧向高压侧流动时，具有短时和大电流的特点。通常只在系统启动或故障状态下出现。

技术实现要素：

本发明旨在至少解决现有技术中存在的技术问题，特别创新地提出了一种基于总线式均衡网络的隔离型变换器和工作方法。

为了实现本发明的上述目的，本发明提供了一种基于总线式均衡网络的隔离型变换器，其关键在于，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，第一电阻，第二电阻，第一电感，第一电容，变压器。

第一mos管漏极接输入电源正极，所述第一mos管源极接第二mos管漏极，所述第一mos管源极又接变压器原边正极，所述第二mos管源级接输入电源负极，第一电阻一端接输入电源正极，所述一电阻另一端接输入电源负极，第三mos管漏极接第一mos管漏极，所述第三mos管源极接第四mos管漏极，所述第三mos管源极又接变压器原边负极，所述第四mos管源极接输入电源负极，第一电感一端接变压器副边正极，所述第一电感另一端接第五mos管源极，所述第五mos管漏极接第七mos管漏极，所述第五mos管漏极又接输出电源正极，所述第七mos管源极接变压器副边负极，所述第七mos管源极又接第八mos管漏极，所述第八mos管源极接第六mos管源极，所述第八mos管源极又接输出电源负极，所述第六mos管漏极接变压器副边正极，第一电容一端接第二电阻一端，所述第一电容另一端接第二电阻另一端，所述第二电阻一端接输出电源正极，所述第二电阻另一端接输出电源负极。

本发明还公开一种基于总线式均衡网络的隔离型变换器的工作方法，其特征在于，设置mos管工作时序，当能量从低压向高压方向传送时，mos管导通、关断的一个时间周期分为t1、t2、t3、t4、t5五个时间点，所述工作方法包括：

阶段1，在t1至t2阶段，第一mos管，第四mos管，第七mos管导通，由于第五mos管内部二极管ds1和第七mos管的导通，使得变压器右侧的c，d两点短路，变压器右侧和ilk相关的等效电路如图3所示，电流ilk的值如(1)式所示，

电感lk的储能时间可以通过s3的导通时间来控制，式(1)中的ut2为变压器右侧电压幅值。

阶段2，在t2至t3阶段，在t2时刻第七mos管关断，经过短暂的延时后，对第八mos管加触发脉冲但第八mos管并不立即导通。此时电感电流ilk经第五mos管、第八mos管内部二极管对第一电容进行充电，电流表达式如(2)式所示，等效电路如图4所示。

上式中u2为高压侧的直流输出电压值。阶段i和阶段2构成了一个电压提升工作方式，改变第七mos管门极脉冲的占空比，可调节变压器右侧，即高压侧的输出电压，根据电压提升电路的特性ut2和u2之间有(3)式所示的关系。

上式中d为占空比，即第七mos管在第一mos管、第四mos管导通阶段所占的比例，ton＝t2-t1，t为ilk的半周期。

阶段3，在t3至t4阶段，在t3点第一mos管、第四mos管，此时ilk迅速回落，ilk变化如(4)式所示，(4)式中td为死区时间，等效电路如图5所示。

阶段4，在t4至t5阶段，在t5点第二mos管、第三mos管、第八mos管导通，此时反向重复阶段1的过程。

所述的一种基于总线式均衡网络的隔离型变换器工作方法，优选的，还包开关器件的软切换：

为实现开关器件的软切换，减小开关过程中的电压和电流值，尽量使开关切换在接近零电压时进行，因此在逆变器开关换流时，设置了死区td.在图1所示电路中，当能量从低压向高压传送时，在m1从导通向截止换流，m2由截止向导通换流时.中间设置死区td。考虑到电容cs1＝cs2；因此，换流期间可以认为ucm1+ucm2＝ucm3+ucm4维持不变，等于u1。由于mi关断，cm1充电，电压ucm1从0开始上升，而ucm2放电，电压从u1下降，升、降值相同，维持和不变。因此，cm1的充电电流为it1/2，cm1充电到电压u1时，cm2放电到0v。如果继续对cm1充电，cm2将被反向充电dm2会导通。此时为m2的零电压开通提供了条件。对cm1的充电是在it1的作用下进行的，根据电容充电过程中电流、电压和时问之间的关系可得(5)式。

因此，只要开关换流间隔死区时间td大于cm1从0v充电到u1所需的时间th，即满足(7)式就可实现开关元件的零电压开通。一般情况下，取换流时it1的平均值。

td＞th(7)

所还的一种基于总线式均衡网络的隔离型变换器工作方法，优选的，包括电感lk的选取：

选适当的lk，使电能从低压侧向高压侧传送时，保持电流以连续。实际上。在s3导通期间(ton)，c2提供负载电流，而在s3截止期间，电感中的感应电势使s1内部的二极管导通，一方面提供负载电流.另一方面，补充在ton期问c2中电荷的减少。根据功率平衡关系(8)式，输入、输出关系(3)式和(9)式，可得保持电流连续的最小电感lkmin。

ut2ilk＝u2i0(8)

综上所述，由于采用了上述技术方案，本发明的有益效果是：

所述变换器，用变压器作为隔离，高、低压侧分别有既可整流又可逆变的变流装置。用igbt或moseft管作为开关器件构成桥式或半桥式整流逆变电路。正常情况下的能量流向是，从高压侧向低压侧方向，低压侧的蓄电池处于充电状态，另外低压侧负载需要消耗一定的能量。当能量从低压侧向高压侧流动时，具有短时和大电流的特点。通常只在系统启动或故障状态下出现。实现能量的双向流动，具有稳定的输出电压。在不增加电路元件的条件下实现电路的零电压开关，因此电源的电磁辐射较小。此外，电路还具有体积小、效率高、结构简单、成本低廉、电气隔离等优点。电源的输出功率可达几到十几千瓦，除可以用于中、小型的电动午辆驱动外，还可作为中、小型变电站的不间断电源及其它需要双向直流电源供电的设备中。

本发明的附加方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。

附图说明

本发明的上述和/或附加的方面和优点从结合下面附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：

图1是本发明一种基于总线式均衡网络的隔离型变换器电路图；

图2是本发明一种基于总线式均衡网络的隔离型变换器波形图；

图3是本发明一种基于总线式均衡网络的隔离型变换器工作第一阶段；

图4是本发明一种基于总线式均衡网络的隔离型变换器工作第二阶段；

图5是本发明一种基于总线式均衡网络的隔离型变换器工作第三阶段；

图6是本发明一种基于总线式均衡网络的隔离型变换器开关器件的门极控制信号；

图7是本发明一种基于总线式均衡网络的隔离型变换器应用在总线式结构中的电路示意图；

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

在本发明的描述中，除非另有规定和限定，需要说明的是，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是机械连接或电连接，也可以是两个元件内部的连通，可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语的具体含义。

如图1所示，本发明提供了一种基于总线式均衡网络的隔离型变换器，其关键在于，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，第一电阻，第二电阻，第一电感，第一电容，变压器。

第一mos管漏极接输入电源正极，所述第一mos管源极接第二mos管漏极，所述第一mos管源极又接变压器原边正极，所述第二mos管源级接输入电源负极，第一电阻一端接输入电源正极，所述一电阻另一端接输入电源负极，第三mos管漏极接第一mos管漏极，所述第三mos管源极接第四mos管漏极，所述第三mos管源极又接变压器原边负极，所述第四mos管源极接输入电源负极，第一电感一端接变压器副边正极，所述第一电感另一端接第五mos管源极，所述第五mos管漏极接第七mos管漏极，所述第五mos管漏极又接输出电源正极，所述第七mos管源极接变压器副边负极，所述第七mos管源极又接第八mos管漏极，所述第八mos管源极接第六mos管源极，所述第八mos管源极又接输出电源负极，所述第六mos管漏极接变压器副边正极，第一电容一端接第二电阻一端，所述第一电容另一端接第二电阻另一端，所述第二电阻一端接输出电源正极，所述第二电阻另一端接输出电源负极。

图1中提出的电路中。用变压器作为隔离，高、低压侧分别有既可整流又可逆变的变流装置。用igbt或moseft管作为开关器件构成桥式或半桥式整流逆变电路。若在整流逆变或逆变整流框中，用全桥电路代换之，则得到双向dcdc变换器主电路，为充分发挥电路的功能，在高频变压器的右侧接入一个电感lk，用作电压提升。考虑到在保持功率平衡的条件下，需低压侧提供较大的电流，低压侧的电压波动对高压侧电压的稳定影响较大，因此在高压侧接入储能电感，这样控制输出电压的效果更好。正常情况下的能量流向是，从高压侧向低压侧方向，低压侧的蓄电池处于充电状态，另外低压侧负载需要消耗一定的能量。

提出的变换器在一个开关周期内对电路的分析可按以四个阶段进行，工作模态描述如下。

(1)模态1[t1＜t≤t2]：在t1至t2阶段，第一mos管，第四mos管，第七mos管导通，由于s1内部二极管ds1和s3的导通，使得变压器右侧的c，d两点短路，电感lk的储能时间可以通过s3的导通时间来控制。

(2)模态2[t2＜t≤t3]：在t2时刻s3关断，经过短暂的延时后，对s4加触发脉冲但s4并不立即导通。此时电感电流ilk经s1、s4内部二极管对电容c2进行充电，阶段i和阶段2构成了一个电压提升工作方式，改变s3门极脉冲的占空比，可调节变压器右侧，即高压侧的输出电压。

(3)模态3[t3＜t≤t4]：在t3点m1、m4关断，此时ilk迅速回落。

(4)模态4[t4＜t≤t5]：在t5点m2、m3、s4导通，此时反向重复阶段1的过程。

所述的一种基于总线式均衡网络的隔离型变换器工作方法，优选的，还包开关器件的软切换：

为实现开关器件的软切换，减小开关过程中的电压和电流值，尽量使开关切换在接近零电压时进行，因此在逆变器开关换流时，设置了死区td.在1所示电路中，当能量从低压向高压传送时，在m1从导通向截止换流，m2由截止向导通换流时.中间设置死区td。考虑到电容cs1＝cs2；因此，换流期间可以认为ucm1+ucm2＝ucm3+ucm4维持不变，等于u1。由于m1关断，cm1充电，电压ucm1从0开始上升，而ucm2放电，电压从u1下降，升、降值相同，维持和不变。因此，cm1的充电电流为it1/2，cm1充电到电压u1时，cm2放电到0v。如果继续对cm1充电，cm2将被反向充电dm2会导通。此时为m2的零电压开通提供了条件。对cm1的充电是在it1的作用下进行的，根据电容充电过程中电流、电压和时间之间的关系可得(5)式。

因此，只要开关换流间隔死区时间td大于cm1从0v充电到u1所需的时间，即满足(7)式就可实现开关元件的零电压开通。一般情况下，取换流时it1的平均值。

td＞th(7)

所述的一种基于总线式均衡网络的隔离型变换器工作方法，优选的，包括电感lk的选取：

选适当的lk，使电能从低压侧向高压侧传送时，保持电流以连续。实际上。在s3导通期间(ton)，c2提供负载电流，而在s3截止期间，电感中的感应电势使s1内部的二极管导通，一方面提供负载电流.另一方面，补充在ton期问c2中电荷的减少。根据功率平衡关系(8)式，输入、输出关系(3)式和(9)式，可得保持电流连续的最小电感lkmin。

ut2ilk＝u2i0(8)

图2是本发明一种基于总线式均衡网络的隔离型变换器波形图；

图3是本发明一种基于总线式均衡网络的隔离型变换器工作第一阶段；

图4是本发明一种基于总线式均衡网络的隔离型变换器工作第二阶段；

图5是本发明一种基于总线式均衡网络的隔离型变换器工作第三阶段；

图6是本发明一种基于总线式均衡网络的隔离型变换器开关器件的门极控制信号；

图7是本发明一种基于总线式均衡网络的隔离型变换器应用在总线式结构中的电路示意图；

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。

尽管已经示出和描述了本发明的实施例，本领域的普通技术人员可以理解：在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由权利要求及其等同物限定。