一种双向谐振直流变换器及其控制方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种双向谐振直流变换器及其控制方法，属于电力电子变换器技术领域，尤其属于双向隔离直流-直流电能变换技术领域。
【背景技术】
[0002]双向直流变换器能够实现两个方向的功率传输与控制、具备两个单向直流变换器的功能，是典型的“一机两用”设备，具有高功率密度、低成本等突出优势，在可再生能源发电、电动汽车、航空航天供电、智能电网等包含储能环节的功率系统中具有广泛的应用前景。
[0003]在各类储能系统中，储能蓄电池的电压通常很低、而另一侧(比如直流母线侧)的电压通常较高，如何在两侧电压悬殊的情况下实现高效率的双向功率变换是国内外工业界和学术界关注的重要问题。采用隔离型双向直流变换器是其中较好的解决方案，通过调整高频变压器的匝比，可以非常容易的实现高压侧和低压侧电压的匹配。然而，已有的隔离型双向直流变换器由于存在诸如硬开关、电压应力高、开关损耗大等问题尚不能很好的满足应用需求。
[0004]—般而言，将隔离型单向直流变换器中的整流二极管用电流双向型开关器件代替，就能够获得对应类型的隔离型双向直流变换器。例如，利用隔离型单向推挽、半桥、全桥等变换器都能够得到对应的双向推挽、半桥、全桥变换器。然而，这类双向变换器在实际系统中很少采用，其中主要的问题是当能量反向传输时，由于变压器漏感等影响开关器件将产生非常高的电压尖峰，严重影响系统性能。为了克服这些缺点，通常需要引入复杂的电压箝位电路或者采用非常复杂的控制算法，不仅增加了系统成本，而且降低了系统可靠性。双有源桥双向直流变换器是近年获得广泛关注和研究的隔离型双向直流变换器，它很好的克服了传统双向直流变换器电压应力高的问题，而且所有开关管都在一定程度上具备软开关能力。然而，双有源桥双向直流变换器自身存在的关断损耗大、软开关范围小等缺点至今也没有得到有效解决。
[0005]隔离型谐振直流变换器是近些年获得快速发展的一类电路结构，其具有关断损耗低、软开关性能出色、适合高频工作、便于集成化设计等突出优势。然而，现有的谐振直流变换器通常只适合单向功率传输应用、而很难实现双向功率传输。以双向LLC谐振变换器为例，由于其谐振腔只能置于电路的一侧，当能量由谐振腔一侧向不包含谐振腔的一侧传输时，该电路的工作原理和过程与单向LLC谐振变换器相同、能够实现高效率能量传输；然而，当能量由不包含谐振腔的一侧向包含谐振腔的一侧传输时，电路结构将表现为传统的串联谐振变换器，此时电路只能降压工作而且存在很大的关断损耗和环流损耗、电路性能将受到很大影响。
【发明内容】
[0006]本发明针对现有技术的不足，提供一种高性能的新型双向谐振直流变换器，以及对其能够在全负载范围内实现所有开关器件的软开关的控制方法
[0007]本发明提供的一种双向谐振直流变换器，包括低压侧电源队、高压侧电源UH、低压侧第一开关管Su、低压侧第二开关管Sm低压侧第三开关管Su、低压侧第四开关管Sw、变压器T、高压侧第一开关管Sm、高压侧第二开关管Sh2、高压侧第三开关管Sh3、高压侧第四开关管Sh4、第一谐振电感L、第二谐振电感Lrf、谐振电容C；、第一电容C1和第二电容(C2)，其中变压器T包括第一绕组N1和第二绕组N 2;
[0008]所述低压侧电源队的正极连于低压侧第一开关管Su的漏极和低压侧第二开关管Su的漏极，低压侧电源U [的负极连于低压侧第三开关管S u的源极和低压侧第四开关管S L4的源极，低压侧第一开关管&的源极连于低压侧第二开关管S u的漏极以及变压器T第一绕组&的同名端，低压侧第三开关管\3的源极连于低压侧第四开关管3[4的漏极以及变压器T第一绕组N1的非同名端；
[0009]所述高压侧电源Uh的正极连于第一电容C i的一端和高压侧第一开关管S H1的漏极，高压侧第一开关管^的源极连于高压侧第二开关管S吧的漏极、高压侧第三开关管S H3的漏极、第二谐振电感Lrt的一端和变压器T第二绕组N 2的同名端，变压器T第二绕组N 2的非同名端连于第二谐振电感Lrf的另一端和第一谐振电感L的一端，第一谐振电感L J勺另一端连于谐振电容(；的一端和高压侧第四开关管S ?4的漏极，高压侧第四开关管S H4的源极连于高压侧第三开关管Sh3的源极，谐振电感Q的另一端连于第一电容C 4勺另一端和第二电容C2的一端，第二电容C 2的另一端连于高压侧第二开关管S吧的源极和高压侧电源U H的负极。
[0010]进一步的，所述第一谐振电感Lh由变压器T的激磁电感代替。
[0011]进一步的，所述第二谐振电感Lrt部分或全部由变压器T的漏感代替。
[0012]—种双向谐振直流变换器控制方法，该方法基于能量的双向传输分为两种情况:
[0013]当能量由低压侧电源队向高压侧电源U H传输时，高压侧第一开关管S吣和高压侧第二开关管SdS持关断，低压侧第一至第四开关管Su?Sm、高压侧第三开关管Sh3和高压侧第四开关管Sh4工作于高频开关状态，处于高频开关状态的所有开关管具有相同的开关频率且占空比都等于0.5，低压侧第一开关管Su和低压侧第二开关管S u互补导通，低压侧第三开关管Su和低压侧第四开关管S w互补导通，高压侧第三开关管Sh3和高压侧第四开关管\4互补导通；通过调节低压侧第一开关管S u与低压侧第三开关管S ^关断时刻之间的移相角以及低压侧第三开关管&和高压侧第三开关管Sh3导通时刻之间的移相角实现低压侦_源队向高压侧电源U H所传输能量以及高压侧电源U H电压的控制；
[0014]当能量由高压侧电源Uh向低压侧电源U屑输时，低压侧第一开关管S u、低压侧第二开关管Sm低压侧第三开关管Su、低压侧第四开关管Sm、高压侧第三开关管\3和高压侧第四开关管Sh4均保持关断，只有高压侧第一开关管S H1和高压侧第二开关管Sh2工作于开关状态，此时高压侧第一开关管Sm和高压侧第二开关管S H2互补导通且占空比都等于0.5，通过改变高压侧第一开关管Shi和高压侧第二开关管Sh2开关频率的方式来控制由高压侧电源Uh向低压侧电源U #斤传输的功率或者控制低压侧电源U撕电压。
[0015]更加具体的说，当能量由低压侧电源队向高压侧电源Uh传输时，其具体步骤如下:
[0016](I)当传输能量或高压侧电源Uh电压由零开始增加时，首先保持低压侧第三开关管Su和高压侧第三开关管S吣同时导通、同时关断，通过增加第一开关管Su滞后于低压侧第三开关管&3关断时刻之间的移相角来增加向高压侧电源Uh所传输的功率或者增加高压侧电源Uh的电压；
[0017](2)当低压侧第一开关管Su与低压侧第三开关管S u关断时刻之间的移相角达到最大180°时，若仍需要增加向高压侧Uh所传输的功率或者增加高压侧电源Uh的电压，则保持低压侧第一开关管Su与低压侧第三开关管S。关断时刻之间的移相角为最大180°、通过增加高压侧第三开关管Sh3导通时刻滞后于低压侧第三开关管Su导通时刻之间的移相角的方式来增加向高压侧Uh所传输的功率或者增加高压侧电源U H的电压；
[0018](3)当需要减小向高压侧电源Uh所传输的功率或者减小高压侧电源Uh的电压时，若低压侧第三开关管Su和高压侧第三开关管S吣导通时刻之间的移相角大于零，则首先减小第三开关管Su和高压侧第三开关管S H3导通时刻之间的移相角并保持低压侧第一开关管Su与低压侧第三开关管S。关断时刻之间的移相角为最