准Z源双向全桥DC-DC变换器的制作方法

本实用新型涉及DC-DC变换器技术领域，尤其涉及一种准Z源双向全桥 DC-DC变换器。

背景技术：

二十一世纪以来，经济飞速发展，能源消耗逐渐增大，化石能源日趋枯竭，对新能源的开发利用成为当今关注的焦点，直流微网的发展日趋成熟。诸如光伏发电系统、燃料电池供电系统、锂电池储能系统等分布式发电技术，往往存在输出电压不稳定，电压特性偏软等问题，直接接入直流母线会对母线电压的稳定性和电能质量造成严重影响。上述分布式电源往往输出直流电，但输出电压值较低，需要DC/DC变换器将其升至直流母线所需电压，在需要能量双向流动的场合，单向DC/DC变换器无法直接满足要求，需多个变换器串联，增加了系统发生故障的概率。而且，DC/DC变换器升压能力有限，在电压等级要求较高的场合，DC/DC变换器无法直接满足电网或设备所需电压要求，多个变换器的引入不仅增加了系统的成本，因器件的损坏对系统的稳定性带来严重影响。

技术实现要素：

本实用新型所要解决的技术问题是如何提供一种可以减小电流纹波，根据需要灵活升降压且可以更高效地实现能量的双向流动的准Z源双向全桥 DC-DC变换器。

为解决上述技术问题，本实用新型所采取的技术方案是：一种准Z源双向全桥DC-DC变换器，其特征在于：包括二极管D1，所述二极管D1的正极、绝缘栅双极型晶体管S31的集电极、绝缘栅双极型晶体管S32的发射极与电压源 U1的正极连接，所述二极管D1的负极分为两路，第一路与电感L11的一端连接，第二路与电容C1的一端连接，所述绝缘栅双极型晶体管S31的发射极、绝缘栅双极型晶体管S32的集电极以及电感L11的另一端相互连接后与双向全桥DC-DC变换模块左侧的一个接线端连接，所述电容C1的另一端经电感L12后与所述U1的负极连接，所述电容C1与电感L12的结点与双向全桥DC-DC变换模块左侧的另一个接线端连接；

二极管D2的正极、绝缘栅双极型晶体管S41的集电极以及绝缘栅双极型晶体管S42的发射极与电压源U2的正极连接，所述二极管D2的负极分为两路，第一路与电感L21的一端连接，第二路与电容C2的一端连接，所述绝缘栅双极型晶体管S41的发射极、绝缘栅双极型晶体管S42的集电极以及电感L21的另一端相互连接后与双向全桥DC-DC变换模块右侧的一个接线端连接，所述电容 C2的另一端经电感L22后与所述U2的负极连接，所述电容C2与电感L22的结点与双向全桥DC-DC变换模块右侧的另一个接线端连接，所述绝缘栅双极型晶体管S31-S32、绝缘栅双极型晶体管S41-S42的门极所述变换器中控制模块的相应控制端分别连接，用于在所述控制模块的控制下进行导通或截止。

进一步的技术方案在于：所述双向全桥DC-DC变换模块包括绝缘栅双极型晶体管S11，所述绝缘栅双极型晶体管S11的集电极以及绝缘栅双极型晶体管 S13的集电极相互连接后形成所述双向全桥DC-DC变换模块左侧的一个接线端，所述绝缘栅双极型晶体管S11的发射极与绝缘栅双极型晶体管S12的集电极连接，所述绝缘栅双极型晶体管S13的发射极与绝缘栅双极型晶体管S14的集电极连接，所述绝缘栅双极型晶体管S12的发射极以及绝缘栅双极型晶体管S14的发射极相互连接后形成所述双向全桥DC-DC变换模块左侧的另一个接线端，变压器T左侧的一个接线端与所述绝缘栅双极型晶体管S11的发射极连接，变压器T左侧的另一个接线端与所述绝缘栅双极型晶体管S13的发射极连接；

所述绝缘栅双极型晶体管S21的集电极以及绝缘栅双极型晶体管S23的集电极相互连接后形成所述双向全桥DC-DC变换模块右侧的一个接线端，所述绝缘栅双极型晶体管S21的发射极与绝缘栅双极型晶体管S22的集电极连接，所述绝缘栅双极型晶体管S23的发射极与绝缘栅双极型晶体管S24的集电极连接，所述绝缘栅双极型晶体管S22的发射极以及绝缘栅双极型晶体管S24的发射极相互连接后形成所述双向全桥DC-DC变换模块右侧的另一个接线端，变压器T右侧的一个接线端与所述绝缘栅双极型晶体管S21的发射极连接，变压器T右侧的另一个接线端与所述绝缘栅双极型晶体管S23的发射极连接，所述绝缘栅双极型晶体管S11-S14以及绝缘栅双极型晶体管S21-S24的门极控制端与所述控制模块的相应控制端分别连接，用于在所述控制模块的控制下根据周期变化进行导通或截止。

采用上述技术方案所产生的有益效果在于：在双向全桥DC-DC变换模块两端引入改进的准Z源阻抗网络，准Z源阻抗网络的加入可以解决传统DC/AC 环节中存在的输出交流电压只能低于直流母线电压的缺点。相比于传统逆变电路，准Z源结构可以实现逆变桥上下桥壁直通，该结构可以有效地解决输入电流不连续的问题，而且可以做到减小电流纹波，还可以根据需要灵活升降压。通过合理的控制策略的引入，可以更高效地实现能量的双向流动，提高变换器的升压能力，同时系统的可靠性得到保证。此外，双向全桥DC-DC变换模块中变压器T的引入可以实现输入输出电压之间的切换功能，同时在需要隔离的场合可以起隔离作用。

附图说明

下面结合附图和具体实施方式对本实用新型作进一步详细的说明。

图1是本实用新型实施例所述DC-DC变换器的原理框图；

图2是本实用新型实施例所述DC-DC变换器的原理图；

图3是本实用新型实施例所述DC-DC变换器的移相零状态原理图；

图4是本实用新型实施例所述DC-DC变换器的直通状态原理图；

图5是本实用新型实施例所述DC-DC变换器的整流状态原理图；

图6是本实用新型实施例所述DC-DC变换器的启动阶段原理图；

图7是本实用新型实施例所述DC-DC变换器的电能补充阶段原理图。

具体实施方式

下面结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本实用新型的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。

在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本实用新型，但是本实用新型还可以采用其他不同于在此描述的其它方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本实用新型内涵的情况下做类似推广，因此本实用新型不受下面公开的具体实施例的限制。

如图1-图2所示，本实用新型实施例公开了一种准Z源双向全桥DC-DC 变换器，包括二极管D1，所述二极管D1的正极、绝缘栅双极型晶体管S31的集电极、绝缘栅双极型晶体管S32的发射极与电压源U1的正极连接，所述二极管 D1的负极分为两路，第一路与电感L11的一端连接，第二路与电容C1的一端连接，所述绝缘栅双极型晶体管S31的发射极、绝缘栅双极型晶体管S32的集电极以及电感L11的另一端相互连接后与双向全桥DC-DC变换变压器T左侧的一个接线端连接，所述电容C1的另一端经电感L12后与所述U1的负极连接，所述电容C1与电感L12的结点与双向全桥DC-DC变换变压器T左侧的另一个接线端连接；

二极管D2的正极、绝缘栅双极型晶体管S41的集电极以及绝缘栅双极型晶体管S42的发射极与电压源U2的正极连接，所述二极管D2的负极分为两路，第一路与电感L21的一端连接，第二路与电容C2的一端连接，所述绝缘栅双极型晶体管S41的发射极、绝缘栅双极型晶体管S42的集电极以及电感L21的另一端相互连接后与双向全桥DC-DC变换模块右侧的一个接线端连接，所述电容 C2的另一端经电感L22后与所述U2的负极连接，所述电容C2与电感L22的结点与双向全桥DC-DC变换模块右侧的另一个接线端连接，所述绝缘栅双极型晶体管S31-S32、绝缘栅双极型晶体管S41-S42的门极所述变换器中控制模块的相应控制端分别连接，用于在所述控制模块的控制下进行导通或截止。

进一步的，如图2所示，所述双向全桥DC-DC变换模块包括绝缘栅双极型晶体管S11，所述绝缘栅双极型晶体管S11的集电极以及绝缘栅双极型晶体管 S13的集电极相互连接后形成所述双向全桥DC-DC变换模块左侧的一个接线端，所述绝缘栅双极型晶体管S11的发射极与绝缘栅双极型晶体管S12的集电极连接，所述绝缘栅双极型晶体管S13的发射极与绝缘栅双极型晶体管S14的集电极连接，所述绝缘栅双极型晶体管S12的发射极以及绝缘栅双极型晶体管S14的发射极相互连接后形成所述双向全桥DC-DC变换模块左侧的另一个接线端，变压器T左侧的一个接线端与所述绝缘栅双极型晶体管S11的发射极连接，变压器T左侧的另一个接线端与所述绝缘栅双极型晶体管S13的发射极连接；

所述绝缘栅双极型晶体管S21的集电极以及绝缘栅双极型晶体管S23的集电极相互连接后形成所述双向全桥DC-DC变换模块右侧的一个接线端，所述绝缘栅双极型晶体管S21的发射极与绝缘栅双极型晶体管S22的集电极连接，所述绝缘栅双极型晶体管S23的发射极与绝缘栅双极型晶体管S24的集电极连接，所述绝缘栅双极型晶体管S22的发射极以及绝缘栅双极型晶体管S24的发射极相互连接后形成所述双向全桥DC-DC变换模块右侧的另一个接线端，变压器T右侧的一个接线端与所述绝缘栅双极型晶体管S21的发射极连接，变压器T右侧的另一个接线端与所述绝缘栅双极型晶体管S23的发射极连接，所述绝缘栅双极型晶体管S11-S14以及绝缘栅双极型晶体管S21-S24的门极控制端与所述控制模块的相应控制端分别连接，用于在所述控制模块的控制下根据周期变化进行导通或截止。

所述全桥DC-DC变换器采用隔离型双向全桥DC/DC变换模块，变压器T 的引入可以实现输入输出电压之间的切换功能，同时在需要隔离的场合可以起隔离作用，在双向全桥DC/DC变换模块两端引入改进的准Z源阻抗网络，准Z 源阻抗网络的加入可以解决传统DC/AC环节中存在的输出交流电压只能低于直流母线电压，相比于传统逆变电路，准Z源结构可以实现逆变桥上下桥壁直通，系统拓扑结构如图2所示。该结构可以有效解决输入电流不连续的问题，而且可以做到减小电流纹波，可以根据需要灵活升降压。通过合理的控制策略的引入，可以更高效地实现能量的双向流动，同时系统的可靠性得到保证。

变压器T两端的电路结构对称，即

C1＝C2＝C

D1＝D2＝D

L11＝L12＝L21＝L22＝L

稳态模式分析：

1)传统移相零状态：如图3所示，绝缘栅双极型晶体管S11-S14均关断，绝缘栅双极型晶体管S11-S14构成的逆变器工作在传统零状态，无电流输出。控制绝缘栅双极型晶体管S31导通，S32关断，电源和电感L11共同给电容C1充电。绝缘栅双极型晶体管S21-S24均关断，绝缘栅双极型晶体管S41关断，绝缘栅双极型晶体管S42导通，电容C2通过绝缘栅双极型晶体管S42为负载补充能量。

2)直通状态：如图4所示，绝缘栅双极型晶体管S11-S14均导通，控制绝缘栅双极型晶体管S31、S32关断，变换器工作在直通状态，此时无电流输出，电容 C1电压大于电源U1电压，二极管D1反偏关断。变压器T右侧的电路工作模式如模式1)所述。

3)整流状态：如图5所示，绝缘栅双极型晶体管S11、S14和S12、S13轮流导通，此时工作在整流状态，控制绝缘栅双极型晶体管S31导通，S32关断，二极管D1导通，电源U1和充电后的电感L11给电容C1及负载供电。变压器T右侧桥壁此时处于不控整流状态，控制绝缘栅双极型晶体管S41、S42关断，电容C2能量得到补充，当电容C2电压高于电源U2电压时，D2关断。

暂态模式分析：

1)启动阶段

如图6所示，控制绝缘栅双极型晶体管S31导通、绝缘栅双极型晶体管S32关断，绝缘栅双极型晶体管S41、S42关断，电容C2电压继续升高，当电容两端电压 Uc2＝U2时，二极管D2关断。

2)电能补充阶段

如图7所示，电源U2充电后，变压器T两侧桥壁均断开(绝缘栅双极型晶体管全部断开)，保持S41关断S42导通，当电容两端电压Uc2＝U2时控制晶闸管S42关断，根据实际情况电容C2可以给U2补充能量。

在双向全桥DC-DC变换模块两端引入改进的准Z源阻抗网络，准Z源阻抗网络的加入可以解决传统DC/AC环节中存在的输出交流电压只能低于直流母线电压的缺点。相比于传统逆变电路，准Z源结构可以实现逆变桥上下桥壁直通，该结构可以有效的解决输入电流不连续的问题，而且可以做到减小电流纹波，还可以根据需要灵活升降压。通过合理的控制策略的引入，可以更高效地实现能量的双向流动，提高变换器的升压能力，同时系统的可靠性得到保证。此外，双向全桥DC-DC变换模块中变压器T的引入可以实现输入输出电压之间的切换功能，在需要隔离的场合可以起隔离作用。