一种隔离型的双向DC-DC变换器的制作方法

本发明涉及一种dc-dc变换器，具体为一种隔离型双向dc-dc变换器。

背景技术：

目前，电网中电能存在有两种形式：直流和交流。随着开关元件制造技术的成熟，电能形式的转换变得更加复杂。各种类型的电力转换器如dc-dc变换器，dc-ac逆变器，ac-dc整流器和ac-ac逆变器被投入使用，以供各种用电负载的用电需求。电能可以从输入级传输到输出级或从输出级传输到输入级的dc-dc变换器称为双向dc-dc变换器。双向dc-dc变换器由于其高功率密度，小尺寸和良好的输出功率质量而广泛用于高功率应用中，主要用于独立光伏发电，ups不间断电源，电动汽车等系统。

近年来，为了满足不同功率等级和不同性能指标的实际需要，国内外许多学者正在研究隔离型双向dc-dc变换器的拓扑结构，包括反激式变换器、推挽式变换器、半桥式变换器和全桥式变换器。反激式拓扑结构简单，控制容易，成本也比较低。工程上常用反激式拓扑实现直流低功率能量的传输，其缺点在于传输效率不高，输出侧纹波电压较大。推挽式拓扑结构显著特点是所用的变压器中间有抽头，但由于变压器的漏磁导致的开关瞬间电压尖峰大及偏磁对对称结构一致性的要求，限制了应用，一般用在大功率场合。半桥拓扑使用电容器承担静态电压，变压器初级绕组的电压是输入电压的一半，开关管的电压应力相对较小，常用在中、高压功率传输场合，但对电容性能、开关管性能要求高。

全桥变换器对开关管和变压器具有较高利用率，对开关管的电流与电压等级要求低，是大功率场合的首选结构。但现有的全桥变换器体积较大，重量大，信号也不够稳定。

技术实现要素：

针对现有技术中全桥变换器存在体积较大，信号不够稳定等不足，本发明要解决的问题是提供一种可以实现5kw能量流动的隔离型双向dc-dc变换器及储能系统。

为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：

本发明一种隔离型双向dc-dc变换器，包括变换器主电路、驱动电路、采样电路是、采样信号调理电路以及控制单元，其中，采样信号调理电路接收采样电路的采集的变换器主电路的电压及电流信号进行处理后输出至控制单元，控制单元的输出端与驱动电路的输入端相连，驱动电路的输出端接至变换器主电路中各功率开关管的控制端。

所述变换器主电路包括设于高压侧和低压侧之间的两个双向全桥电路，设于高压侧与低压侧之间；两个双向全桥电路的控制端与控制单元的输出信号连接，控制各全桥电路的开通或关断；低压侧和高压侧分别设有稳压滤波电容器；低压侧还有具电感器l作为存储电感器；两侧双向全桥电路通过高频隔离变压器耦合连接。

各双向全桥电路为由四个功率开关管连接而成，各功率开关管的集电极与发射极之间接有反向二极管。

功率开关管为igbt模块。

本发明具有以下有益效果及优点：

1.本发明隔离型的双向dc-dc变换器中隔离变压器只有两个绕组，初级绕组和次级绕组，正负磁通量由正负电压获得，该结构最大化的利用了隔离变压器的磁芯和绕组；且每个桥臂有两个开关管，可以使开关管的最大反向压降减半，具有高稳定性、高鲁棒性及高抗干扰能力，输出平稳、准确、动态性能好等优点。

2.本发明隔离型的双向dc-dc变换器基于全桥式拓扑结构，减小散热器的尺寸，减小转换器的总重量，优化整体结构，提高功率密度。

附图说明

图1为本发明隔离型双向dc-dc变换器电气结构框图；

图2为本发明中双向隔离dc-dc变换器中变换器主电路结构示意图；

图3为本发明中升压模式下变换器主电路的等效电路图；

图4为本发明中降压模式下变换器主电路的等效电路图。

具体实施方式

下面结合说明书附图对本发明作进一步阐述。

如图1所示，本发明一种隔离型双向dc-dc变换器，包括变换器主电路、驱动电路、采样电路是、采样信号调理电路以及控制单元，其中，采样信号调理电路接收采样电路的采集的变换器主电路的电压及电流信号进行处理后输出至控制单元，控制单元的输出端与驱动电路的输入端相连，驱动电路的输出端接至变换器主电路中各功率开关管的控制端。

如图2所示，是隔离型全桥双向dc-dc变换器结构图。变换器主电路包括设于高压侧和低压侧之间的两个双向全桥电路，设于高压侧与低压侧之间；两个双向全桥电路的控制端与控制单元的输出信号连接，控制各全桥电路的开通或关断；低压侧和高压侧分别设有稳压滤波电容器；低压侧还有具电感器l作为存储电感器；两侧双向全桥电路通过高频隔离变压器耦合连接。

各双向全桥电路为由四个功率开关管连接而成，各功率开关管的集电极与发射极之间接有反向二极管。

本实施例中，功率开关管为igbt模块。

图2中，两侧双向全桥电路包括第一～八功率开关管s1～s8和第一～八反并联二极管d1～d8，或者可以选用四个igbt模块构成；第一电容器c1做低压侧稳压滤波电容器，第二电容器c2做高压侧稳压滤波电容器；当双向dc-dc变换器工作在升压模式时，高压侧电感器l充当存储电感器，电感器l是双向dc-dc变换器降压时的滤波器电感器。高压侧与低压侧之间为中间级，通过隔离变压器t连接，变压器t为高频隔离变压器，匝数比为1：n。变压器左侧为28v低压侧，是电流型全桥结构，右侧为270v高压侧，是一种电压型全桥结构。

所选用的这种拓扑结构的优点为：隔离变压器只有两个绕组：初级绕组和次级绕组，正负磁通量由正负电压获得，这种方式最大化的利用了隔离变压器的磁芯和绕组。并且在这种结构中，每个桥臂有两个开关管，故可以使开关管的最大反向压降减半。

本发明中，硬件电路还包双闭环单端反激式电源电路。为各用电器件提供工作电源。控制单元采用mc9s12xf128单片机作为主控制装置。mc9s12xf128单片机中运行的软件程序包括：主程序、adc采样程序、控制算法、通信程序等，以上程序均为现有技术。硬件选用富士2mbi100va-120作为高压侧功率开关管，选用英飞凌ff300r12ke3作为低压侧功率开关管，选用fa13844脉宽控制芯片来设计一个开关电源。

隔离型全桥双向dc-dc变换器有两种工作模式：降压模式和升压模式。针对两种工作模式，本发明采用组合型bipolar&shiftphase的调制方式，即升压模式使用双极性调制方式，降压模式使用移相调制方式。涉及到的能量转换过程主要包括两部分：输入全桥逆变和输出不控整流。

当变换器处于升压模式，低压侧第一～四功率开关管s1～s4接有控制单元的驱动信号，低压侧的第一～四反向二极管d1～d4起到续流的作用；高压侧第五～八功率开关管s5～s8不添加驱动信号，第五～八反向并联二极管d5～d8作为全桥整流。

图3是升压模式下的等效电路，其中，v1是一个输入低压电源，第一电容器c1是一个低压侧的输入滤波电容。l是储能电感，第一电阻r1是高端负载，第二电容器c2是高压侧的输入滤波电容器，v2是负载上的输出电压。第一～四功率开关管s1～s4分别形成低压侧全桥的两个桥臂，采用高压侧开关管第五～八反并联二极管d5和d6、d7、d8组成不控整流全桥。电感器l与输入低电压电源v1串接以实现升压的目的，由于l电感值很大，所以低压侧属于电流源型全桥结构，因此低压侧全桥开关可以直通而不会造成电源短路，但必须避免出现开路情况，对电流源而言，电路开路会导致大电感器l中的能量无法释放，会产生瞬时的击穿放电，损害电源和开关器件。

当低压侧同一桥臂的上、下两个功率开关管直通时，输入低电压电源v1流出电流会向储能电感器l充电，而不流经变压器向负载供电；当低压侧的不同桥臂对角开关接通时，输入低压电源v1和储能电感器l同时向负载供电。故此，为了保证电源具有足够的时间向储能电感器l充电，同时避免低压侧出现开路，采用双极性pwm调制方式为升压工作时的变换器开关提供驱动信号。

第一～四功率开关管s1～s4采用的是pwm控制方式。在前半周期中，第一、四功率开关管s1、s4开通，开通时间为ton；后半周期第二、三功率开关管s2、s3开通，开通时间也为ton，从而可以更好的防止隔离变压器的磁饱和现象。当第一、四功率开关管s1和s4开通时，如果不计开关管的通态压降，则变压器初级绕组上的电压为ua1-a2＝v1+vl；当第二、三功率开关管s2和s3开通时，初级绕组上的电压为ua1-a2＝-(v1+vl)。调节功率开关管的开通关断时间，亦即调节占空比du，可以调节变压初级线圈上ua1-a2的电压脉冲宽度，导致次级电压ua1-a2脉冲宽度及整流输出的电压波形也随之变化，从而达到调节电压有效值的目的，最终实现电压控制。

降压模式时，开关管第五～八功率s5～s8接有驱动信号，而第一～四功率开关s1～s4则不加驱动信号，只利用其第一～四反并联二极管d1～d4实现输出全桥整流。

正常供电情况下，降压模式的等效主电路如图4所示。当双向dc-dc变换器运行在降压模式时，高压侧电源v2中的能量通过隔离变压器流向低压侧。lr2为变压器初级侧等效漏感与次级侧折算到初级侧的等效漏感之和。第五、六功率开关管s5、s6轮流开通，各开通180电角度；第七、八功率开关管s7、s8也轮流开通，各开通180电角度。但第五、八功率开关管s5、s8不是同时开通。第五功率开关管s5先开通，在移相角后第八功率开关管s8开通。第五、六功率开关管s5和s6分别先于第八、七功率开关管s8、s7开通，故由第五、六功率开关管s5、s6组成的桥臂为超前桥臂，第八、七功率开关管s8和s7组成的桥臂称为滞后桥臂。

降压模式中，高压侧为电压型全桥结构，工作在降压工作模式下，高压侧必须避免桥臂上下直通，不然就相当于直接将电源短路，这不仅会损坏开关器件，也会影响到输入侧的高压母线。因此，需要在桥臂上下的驱动信号之间添加死区。

除了双极性调制方法以外，还可以使用移相调制方法来控制隔离型全桥双向dc-dc变换器，这种调制方式不需要添加额外的谐振元件，仅利用变压器的漏电感器、开关管的反向二极管及结电容，就可以实现零电压(zvs)软开关。不仅缓解了开关损耗，还降低了功率器件的du/dt和di/dt，提高了转换器在额定负载下的工作效率。同时，可以减小散热器的尺寸，可以减小转换器的总重量，可以优化整体结构，并且可以提高功率密度。因此，选用移相pwm调制方法以实现变换器的降压模式。

本发隔离型的双向dc-dc变换器中隔离变压器只有两个绕组，初级绕组和次级绕组，正负磁通量由正负电压获得，该结构最大化的利用了隔离变压器的磁芯和绕组；且每个桥臂有两个开关管，可以使开关管的最大反向压降减半，具有高稳定性、高鲁棒性及高抗干扰能力，输出平稳、准确、动态性能好等优点。