一种隔离型三端口DC-DC变换器的制作方法

本发明属于电动汽车车载充电器领域，具体为一种隔离型三端口dc-dc变换器。

背景技术：

由于电动汽车充电器的使用减少了燃料的使用和温室气体的排放，电动汽车引起了人们的广泛关注。电动汽车充电器分为车载充电器和非车载充电器两种类型，并且支持功率单向或双向流动。非车载充电器由于不受大小和重量的限制，可以设计为高功率等级快速充电系统。非车载充电器的输入为380v交流电，输出为一定范围的直流电，充电功率从几十千瓦到上百千瓦，充电时间为10分钟。非车载充电器的直流快充系统对电网冲击大，会引起公共电网电压波动，产生谐波危害。对车载充电器的要求很严格，不仅需要效率高、成本低、体积尺寸小、重量轻，还要保证能够长时间的工作寿命，同时要保证安全、可靠的工作。由位于小区停车场、街边、超市、办公楼的交流充电桩提供220v、380v的交流电，车载充电机完成交直流充电，充电功率从1.5kw到20kw，充电时间为2-5小时。

目前，可再生能源系统正被大量接入电力系统中。由于可再生能源的间断性会引起发电的波动，急需其他能源(如电池能量存储系统)进行补偿。v2g的概念是由amorylovins在1995年提出的，特拉华大williamkempton教授对其进一步发展。带有v2g功能的的电动汽车双向充电系统支持电池能量注回到电网，电动汽车可以作为电网能量的缓冲，实现充分的功率转换，更好的维护电网稳定性和可靠性，同时为电动汽车车主带来收益。

一般来说，典型的功率单向流动的电动汽车车载充电器拓扑结构为直流母线经第一级dc-dc转换器给高压电池充电，高压电池再经第二级降压dc-dc转换器给低压电池充电，若两个dc-dc转换器全部采用全桥结构与全波整流桥结构，将一共使用8个可控功率开关管、8个整流二极管以及2个变压器，电路效率较低。

技术实现要素：

针对现有技术所存在的上述技术问题，本发明提供了一种隔离型三端口dc-dc变换器。该隔离型三端口dc-dc变换器可以工作在三种模式下：直流母线对高压电池和低压电池进行充电模式；高压电池对低压电池进行充电模式；高压电池给电网输送能量即v2g模式。

本发明的技术方案为：

一种隔离型三端口dc-dc变换器，包括通过三绕组变压器耦合到一起的直流母线端口电路、高压电池端口电路以及低压电池端口电路；

直流母线端口电路包括至少由开关管组成的第一全桥电路；

高压电池端口电路包括至少由开关管组成的第二全桥电路；

低压电池端口电路包括至少由开关管组成的第三全桥电路，或包括至少由二极管构成的全波整流电路；

所述隔离型三端口dc-dc变换器的工作模式为：

第一种，所述隔离型三端口dc-dc变换器工作在直流母线充电模式，功率从直流母线侧流向高压电池侧与低压电池侧，低压电池侧电路工作在lc串联谐振模式、高压电池侧电路工作在移相控制模式；

第二种，所述隔离型三端口dc-dc变换器工作在高压电池给低压电池充电模式，功率从高压电池侧流向低压电池侧，此时，隔离型三端口dc-dc变换器的工作的电路(也就是高压电池端口电路和低压电池端口电路)工作在对称型cllc谐振模式；

第三种，所述隔离型三端口dc-dc变换器工作在高压电池v2g模式，功率从高压电池侧流向直流母线侧，此时，隔离型三端口dc-dc变换器的工作的电路(也就是直流母线端口电路和高压电池端口电路)工作在llc谐振模式。

该隔离型三端口dc-dc变换器通过三绕组变压器的耦合，将直流母线端口电路、高压电池端口电路以及低压电池端口电路耦合到一起，形成一个隔离型三端口dc-dc变换器，该变压器能够实现同时给高压电池和低压电池充电，进而满足了电动汽车车载充电器同时给高压电池和低压电池充电。

优选地，所述直流母线端口电路包括：

第一桥臂支路，其由第一开关管、第二开关管串联形成；

第二桥臂支路，其由第三开关管、第四开关管串联形成；

所述第一桥臂支路和第二桥臂支路并联；

三绕组变压器的原边绕组，其同名端连接到第一开关管与第二开关管之间，异名端连接到第三开关管与第四开关管之间。

优选地，所述直流母线端口电路还包括：

隔离电容，一端连接第一开关管与第二开关管之间，另一端连接三绕组变压器的原边绕组的同名端。

隔离电容能够保证三绕组变压器的原边绕组两端的电压为比较稳定的直流电压。

优选地，所述高压电池端口电路包括：

第三桥臂支路，其由第五开关管、第六开关管串联形成；

第四桥臂支路，其由第七开关管、第八开关管串联形成；

所述第三桥臂支路和第四桥臂支路并联；

三绕组变压器的第一副边绕组，其同名端连接到第五开关管与第六开关管之间，异名端连接到第七开关管与第八开关管之间；

高压电池，其与第三桥臂支路并联。

优选地，所述高压电池端口电路还包括：

第一lc谐振腔，其由第一谐振电感和第一谐振电容串联形成，第一lc谐振腔的一端连接第五开关管与第六开关管之间，另一端连接三绕组变压器的第一副边绕组的同名端。

该第一lc谐振腔对三绕组变压器的第一副边绕组耦合的到电压进行滤波，保证输出至高压电池两端的电压为比较稳定的直流电压。

优选地，所述低压电池端口电路包括：

第五桥臂支路，其由第一二极管、第二二极管串联形成；

第六桥臂支路，其由第三二极管、第四二极管串联形成；

所述第五桥臂支路和第六桥臂支路并联；

三绕组变压器的第二副边绕组，其同名端连接到第一二极管与第二二极管之间，异名端连接到第三二极管与第四二极管之间；

低压电池，其与第五桥臂支路并联。

其中，所述低压电池端口电路还包括：

第二lc谐振腔，其由第二谐振电感和第二谐振电容串联形成，第二lc谐振腔的一端连接第一二极管、第二二极管之间，另一端连接三绕组变压器的第二副边绕组的同名端。

该第一lc谐振腔对三绕组变压器的第二副边绕组耦合的到电压进行滤波，保证输出至低压电池两端的电压为比较稳定的直流电压。

进一步地，所述隔离型三端口dc-dc变换器还包括：

第一稳压电容，其并联在直流母线端口两端；

第二稳压电容，其并联在高压电池两端；

第三稳压电容，其并联在低压电池两端。

三个稳压电容能够保证三个输出端的电压稳定，防止输出端的电压变化较大，损坏负载。

上述采用三绕组结构的隔离型三端口dc-dc变换器作为车载充电器可以减少4个整流二极管和1个变压器。同时也可以实现高压电池v2g功能，并且可以实现直流母线同时给高压电池与低压电池充电功能，区别于典型电动汽车车载充电器的当直流母线给高压电池充电时，低压电池没有任何能量来源途径。

当直流母线端口电路同时给高压电池与低压电池充电时，低压电池侧电路工作在调频控制的lc串联谐振模式、高压电池侧电路工作在移相控制模式，第一全桥电路、第二第一全桥电路及全波整流全桥电路工作在相同开关频率。

当隔离型三端口dc-dc变换器处于直流母线充电模式时，高压电池端口与低压电池端口为宽范围电压输出端口。

当隔离型三端口dc-dc变换器处于高压电池给低压电池充电模式时，高压电池端口为宽范围电压输入端口，低压电池端口为宽范围电压输出端口。

当隔离型三端口dc-dc变换器处于高压电池v2g模式时，高压电池端口为宽范围电压输入端口。

本发明变换器相对于现有技术具有以下优点：

(1)采用三绕组结构的隔离型三端口dc-dc变换器减少了整流二极管与变压器的数量，减小了功率损耗，提高了电路转换效率；

(2)直流母线端口、高压电池端口、低压电池端口之间功率的流动是双向的；

(3)隔离型三端口dc-dc变换器结构可以实现直流母线同时给高压电池、低压电池充电，区别于典型电动汽车车载充电器的当直流母线给高压电池充电时，低压电池没有任何能量来源途径；

(4)三种工作模式下的可控功率开关管全部可以实现零电压开通。

(5)隔离型三端口dc-dc变换器结构可以实现v2g功能，电动汽车可以作为电网能量的缓冲，更好的维护电网稳定性，同时为电动汽车车主带来收益。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图做简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动前提下，还可以根据这些附图获得其他附图。

图1为本发明一种隔离型三端口dc-dc变换器示意图。

图2为本发明的变换器在直流母线给高压电池、低压电池充电模式工作波形图。

图3为本发明的变换器在高压电池给低压电池充电模式工作波形图。

图4为本发明的变换器在高压电池v2g模式时工作波形图。

图5(a)为本发明的变换器在直流母线给高压电池、低压电池充电模式，高压电池端口电压及低压电池端口电压仿真波形图。

图5(b)为本发明的变换器在直流母线给高压电池、低压电池充电模式，直流母线侧电流ip、高压电池侧电流is及低压电池侧电流it仿真波形图。

图5(c)和图5(d)为本发明的变换器在直流母线给高压电池、低压电池充电模式，开关管s1～开关管s6驱动信号及漏级-源级之间电压波形。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例对本发明进行进一步的详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施方式仅仅用以解释本发明，并不限定本发明的保护范围。

本实施例提供了一种隔离型三端口dc-dc变换器的结构图如图1所示，具体包括一个三绕组变压器t、一个隔直电容cb、两个全桥电路、一个全波整流电路、两个lc谐振腔，两个所述lc谐振腔分别由第一谐振电感lr1、第一谐振电容cr1和第二谐振电感lr2、第二谐振电容cr2组成；直流母线侧绕组通过隔直电容cb、第一全桥电路与直流母线端口相连；高压电池侧绕组通过第一谐振电感lr1、第一谐振电容cr1及第二全桥电路与高压电池端口相连；低压电池侧绕组通过第二谐振电感lr2、第二谐振电容cr2及全波整流电路与低压电池端口相连。

上述隔离型三端口dc-dc变换器用于控制直流母线端口(dclink)、高压电池端口(hvbattery)以及低压电池端口(lvbattery)之间的功率流动。

上述隔离型三端口dc-dc变换器工作模式共有三种，当电动汽车车载充电器通过充电器接口接入电网时，隔离型三端口dc-dc变换器工作在直流母线充电模式，功率从直流母线侧流向高压电池侧与低压电池侧，低压电池侧电路工作在lc串联谐振模式、高压电池侧电路工作在移相控制模式；当电网断开时，隔离型三端口dc-dc变换器工作在高压电池给低压电池充电模式，功率从高压电池侧流向低压电池侧，电路工作在对称型cllc谐振模式；当电动汽车向电网馈电时，隔离型三端口dc-dc变换器工作在高压电池v2g模式，功率从高压电池侧流向直流母线侧，电路工作在llc谐振模式。

其中，第一谐振电感lr1、第一谐振电容cr1的串联谐振频率为第一谐振频率；第二谐振电感lr2、第二谐振电容cr2的串联谐振频率为第二谐振频率。不要求第一谐振频率与所述第二谐振频率完全一致。本具体实施方式为方便分析与叙说，按第一谐振频率等于第二谐振频率分析。

图2为上述dc-dc变换器通过直流母线给高压电池、低压电池充电模式工作波形图。各电压、电流波形正方向为图1所标方向。

直流母线给高压电池、低压电池充电模式下，低压电池侧电路工作在调频控制的lc串联谐振模式、高压电池侧电路工作在移相控制模式，第一全桥电路、第二全桥电路及全波整流电路工作在相同开关频率。其中α为开关管s5、s6的门级控制信号相对于开关管s1、s2的门级控制信号的移相角。对高压电池侧开关管s5、s6移相控制来调节高压电池端口电压，为保证高压电池端口电压增益与移相角α的单调性关系，规定电路在此模式下的开关频率大于第二谐振频率，即电路工作在感性区间，同时实现了开关管s1～s6零电压开通(zvs)。

直流母线给高压电池、低压电池充电模式下，当高压侧电流is经过由负到正的过零点时，对开关管s8加驱动信号；当高压侧电流is经过由正到负的过零点时，对开关管s7加驱动信号。或者在直流母线给高压电池、低压电池充电模式下，对开关管s7、开关管s8不加驱动信号，高压侧电流is只流过开关管s7、开关管s8的反并二极管。以下换流过程按对开关管s7、开关管s8不加驱动信号分析。

dc-dc变换器处于直流母线充电模式时，高压电池端口与低压电池端口为宽范围电压输出端口。

为叙述工作模态换流过程，作假设条件如下：

显然，直流母线侧电流的大小等于高压侧电流与低压侧电流按各自变比折合到直流母线侧的值之和，但是由于高压电池端口功率约为低压电池端口功率的十倍，为叙述方便，下面换流过程的分析认为直流母线侧电流与高压电池侧电流同相位。

1)模态1：[t0～t1]

开关管s2、s3关断，由于直流母线侧电流ip的相位滞后于母线侧桥臂中点电压vp，开关管s1、s4零电压开通。直流母线侧电流ip流过开关管s1、s4，高压电池侧电流is流过开关管s6、开关管s7的反并二极管，低压电池侧电流it流过二极管d2、d3。

2)模态2：[t1～t2]

高压电池侧电流is电流方向改变。直流母线侧电流ip流过开关管s1、s4，高压电池侧电流is流过开关管s6、开关管s8的反并二极管，低压电池侧电流it流过二极管d2、d3。

3)模态3：[t2～t3]

低压电池侧电流it电流方向改变。直流母线侧电流ip流过开关管s1、s4，高压电池侧电流is流过开关管s6、开关管s8的反并二极管，低压电池侧电流it流过二极管d1、d4。

4)模态4：[t3～t4]

开关管s6关断，由于高压侧电流is电流方向为正，在开关管s5开通之前高压侧电流is流过开关管s5的反并二极管，开关管s5零电压开通。直流母线侧电流ip流过开关管s1、s4，高压电池侧电流is流过开关管s5、开关管s8的反并二极管，低压电池侧电流it流过二极管d1、d4。

5)模态5：[t4～t5]

开关管s1、s4关断，由于直流母线侧电流ip的相位滞后于母线侧桥臂中点电压vp，开关管s2、s3零电压开通。直流母线侧电流ip流过开关管s2、s3，高压电池侧电流is流过开关管s5、开关管s8的反并二极管，低压电池侧电流it流过二极管d1、d4。

6)模态6：[t5～t6]

高压电池侧电流is电流方向改变。直流母线侧电流ip流过开关管s2、s3，高压电池侧电流is流过开关管s5、开关管s7的反并二极管，低压电池侧电流it流过二极管d1、d4。

7)模态7：[t6～t7]

低压电池侧电流it电流方向改变。直流母线侧电流ip流过开关管s2、s3，高压电池侧电流is流过开关管s5、开关管s7的反并二极管，低压电池侧电流it流过二极管d2、d3。

8)模态8：[t7～t8]

开关管s5关断，由于高压侧电流is电流方向为负，在开关管s6开通之前高压侧电流is流过开关管s6的反并二极管，开关管s6零电压开通。直流母线侧电流ip流过开关管s2、s3，高压电池侧电流is流过开关管s6、开关管s7的反并二极管，低压电池侧电流it流过二极管d2、d3。

图3为dc-dc变换器通过高压电池给低压电池充电模式工作波形图。

高压电池给低压电池充电模式下，高压电池端口为功率输出端口，规定图3中的高压电池侧电流is的正方向为图1所标相反方向，其余电压电流波形正方向按图1所示。

高压电池给低压电池充电模式下，电网断开，开关管s1～s4不加驱动信号，并且将直流母线端口电压设置为足够高的值(大于高压电池给低压电池充电模式下高压电池端口最大值折算到直流母线侧的值)，开关管s1～s4的反并二极管将不导通。

高压电池给低压电池充电模式下，开关管s5～s8的驱动信号为对角开关管相同、同一桥臂互补导通的占空比为0.5的驱动信号。

高压电池给低压电池充电模式下，电路工作在调频控制的对称型cllc模式，工作的开关频率大第一谐振频率，开关管s5～s8零电压开通(zvs)。

dc-dc变换器处于高压电池给低压电池充电模式时，高压电池端口为宽范围电压输入端口，低压电池端口为宽范围电压输出端口。

模态1：[t0～t1]

高压电池侧电流is电流方向改变。高压电池侧电流is流过开关管s5、s8，低压电池侧电流it流过二极管d1、d4。

2)模态2：[t1～t2]

开关管s5、s8关断，由于高压电池侧电流is的相位滞后于高压电池侧桥臂中点电压vp，开关管s6、s7零电压开通。高压电池侧电流is流过开关管s6、s7，低压电池侧电流it流过二极管d1、d4。

3)模态3：[t2～t3]

低压电池侧电流it电流方向改变。高压电池侧电流is流过开关管s6、s7，低压电池侧电流it流过二极管d2、d3。

4)模态4：[t3～t4]

开关管s6、s7关断，由于高压电池侧电流is的相位滞后于高压电池侧桥臂中点电压vp，开关管s5、s8零电压开通。高压电池侧电流is流过开关管s5、s8，低压电池侧电流it流过二极管d2、d3。

图4为dc-dc变换器处于高压电池v2g模式时工作波形图。

高压电池v2g模式下，高压电池端口为功率输出端口、直流母线侧端口为功率输入端口，规定图4中的高压电池侧电流is、直流母线侧电流ip的正方向为图1所标相反方向，其余电压波形正方向按图1所示。

高压电池v2g模式下，开关管s1～s4不加驱动信号，直流母线侧电流ip只流过开关管s1～s4的反并二极管。

高压电池v2g模式下，开关管s5～s8的驱动信号为对角开关管相同、同一桥臂互补导通的占空比为0.5的驱动信号。

高压电池v2g模式下，电路工作在调频控制的llc模式，电路工作在感性区，开关管s5～s8零电压开通(zvs)。

高压电池v2g模式下，低压电池侧被双向开关切断不参与工作。

模态1：[t0～t1]

开关管s6、s7关断，由于高压电池侧电流is的相位滞后于高压电池侧桥臂中点电压vp，开关管s5、s8零电压开通。高压电池侧电流is流过开关管s5、s8，直流母线侧电流ip流过开关管s1、s4的反并二极管。

2)模态2：[t1～t2]

高压电池侧电流is电流方向改变。高压电池侧电流is流过开关管s5、s8，直流母线侧电流ip流过开关管s1、s4的反并二极管。

3)模态3：[t2～t3]

高压电池侧电流is与励磁电流大小相等，直流母线侧电流ip大小为零，直流母线侧电路与高压电池侧电路解耦，励磁电感与所述第一谐振电容、第一谐振频率电感共同谐振。高压电池侧电流is流过开关管s5、s8。

后半周期[t3～t6]工作原理与前半周期[t0～t3]相同，不再赘述。

图5(a)为本发明的变换器在直流母线给高压电池、低压电池充电模式，高压电池端口电压及低压电池端口电压仿真波形图。

图5(b)为本发明的变换器在直流母线给高压电池、低压电池充电模式，直流母线侧电流ip、高压电池侧电流is及低压电池侧电流it仿真波形图。

图5(c)和图5(d)为本发明的变换器在直流母线给高压电池、低压电池充电模式，开关管s1～s6驱动信号及漏级-源级之间电压波形。由图可见，各开关管在开通之前漏级-源级之间电压已经降到零，开关管s1～s6实现零电压开通(zvs)。

上述隔离型三端口dc-dc变换器采用三绕组结构的隔离型三端口dc-dc变换器减少了整流二极管与变压器的数量，减小了功率损耗，提高了电路转换效率。且直流母线端口、高压电池端口、低压电池端口之间功率的流动是双向的，可以实现直流母线同时给高压电池、低压电池，区别于典型电动汽车车载充电器的当直流母线给高压电池充电时，低压电池没有任何能量来源途径。

以上所述的具体实施方式对本发明的技术方案和有益效果进行了详细说明，应理解的是以上所述仅为本发明的最优选实施例，并不用于限制本发明，凡在本发明的原则范围内所做的任何修改、补充和等同替换等，均应包含在本发明的保护范围之内。