隔离型双向升降压变换器及工作方法
【专利摘要】本发明提出了一种隔离型双向升降压变换器，包括：第一场效应管漏极连接高压侧第一端，第一场效应管源极分别连接第一电容一端和第二场效应管漏极，第二场效应管源极连接高压侧第二端，第一电容另一端连接变压器第一端，变压器第二端连接第二场效应管源极，变压器第三端分别连接第三场效应管源极和第四场效应管漏极，第三场效应管漏极连接第二电容一端，第二电容另一端分别连接第四场效应管源极和低压侧第二端，变压器第四端连接低压侧第一端。为了实现输入输出的电气隔离，所提出的双向升/降压变换器采用变压器来实现能量传输。开关器件实现软开关技术，减少了开关损耗，提高变换效率。
【专利说明】
隔离型双向升降压变换器及工作方法
技术领域
[0001] 本发明涉及电力电子领域，尤其涉及一种隔离型双向升降压变换器及工作方法。
【背景技术】
[0002] 双向DC-DC变换器实现了能量的双向传输，在功能上相当于两个单向DC/DC变换 器，是典型的"一机两用"设备。在需要能量双向流动的应用场合可以大幅缩减系统的体积 重量以及成本。现已被广泛应用于UPS系统、航天电源系统、电动汽车驱动以及分布式电源 系统中。提高变换器的效率、提高输入输出电压变比和减少器件数量是本技术领域的重点 和难点;现有的中等功率等级的双向DC/DC变换器结构较为复杂，器件数量较多。
[0003] 图1是已有的双向升/降压电路。该电路能够实现较高的输入输出电压变比，但由 于该电路用的是耦合电感进行能量的传送，并没有达到输入输出电气隔离的效果。这就亟 需本领域技术人员解决相应的技术问题。
[0004] 图2是已有的隔离型双向升/降压电路。该电路由两个非对称半桥构成，能够实现 输入输出端的电气隔离，但是其电压变比
只和变压器匝比有关，在电路搭建好后， 其电压变比较低且不能改变，控制不灵活。同时该电路只能通过移相控制技术来调节电路 功率，控制算法复杂。
【发明内容】
[0005] 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隔离型 双向升降压变换器及其工作方法。
[0006] 为了实现本发明的上述目的，本发明提供了一种隔离型双向升降压变换器，包括： 第一场效应管、第二场效应管、第三场效应管、第四场效应管、第一电容、第二电容、变压器；
[0007] 第一场效应管漏极连接高压侧第一端，第一场效应管源极分别连接第一电容一端 和第二场效应管漏极，第二场效应管源极连接高压侧第二端，第一电容另一端连接变压器 第一端，变压器第二端连接第二场效应管源极，变压器第三端分别连接第三场效应管源极 和第四场效应管漏极，第三场效应管漏极连接第二电容一端，第二电容另一端分别连接第 四场效应管源极和低压侧第二端，变压器第四端连接低压侧第一端。
[0008] 所述的隔离型双向升降压变换器，优选的，还包括:第一滤波电容、第二滤波电容；
[0009] 高压侧第一端和高压侧第二端连接第一滤波电容，低压侧第一端和低压侧第二端 连接第二滤波电容。
[0010] 上述技术方案的有益效果为:通过第一滤波电容和第二滤波电容对电路信号进行 滤波处理。
[0011] 本发明还公开一种隔离型双向升降压变换器工作方法，包括如下步骤：
[0012] S1，根据能量传输的状态，当所述变换器采取降压模式时，通过控制第一场效应 管、第二场效应管、第三场效应管和第四场效应管的导通和关断进行降压控制，获取降压模 式的电压变比；
[0013] S2,根据能量传输的状态，当所述变换器采取升压模式时，通过控制第一场效应 管、第二场效应管、第三场效应管和第四场效应管的导通和关断进行升压控制，获取升压模 式下电压变比；
[0014] S3,通过降压模式下电压变比和升压模式下电压变比，获取变换器中第一场效应 管、第二场效应管、第三场效应管和第四场效应管最大承受电压值。
[0015] 上述技术方案的有益效果为:通过选择变压器作为能量传输器件，能够实现较高 的电压变比，同时避免了控制信号占空比取极限值，进而保证电路稳定工作。
[0016] 所述的隔离型双向升降压变换器工作方法，优选的，所述S1中降压模式包括：
[0017] 第一阶段to-tl时刻，第一场效应管和第三场效应管导通，第二场效应管和第四场 效应管关断，iQ从零开始正向增大，iQ1从零开始正向增大，i N2和iQ3正向减小。正向增大， 当iN2和iQ3减小至0时，该阶段结束，其中i cl为第一电容电流值，为第一场效应管电流值， iN2变压器二次侧电流值，iQ3第三场效应管电流值，变压器磁化电感电流值；
[0018] 第二阶段tl-t2时刻，第一场效应管和第三场效应管继续保持导通，第二场效应管 和第四场效应管继续保持关断，icdl续正向增大，续正向增大，i N2和iQ3反向增大， 继续正向增大，当第一场效应管和第三场效应管关断时，该阶段结束，
[0019]第三阶段t2_t3时刻，第一场效应管和第三场效应管关断，第二场效应管和第四场 效应管继续保持关断。ici通过第二场效应管中的二极管续流，开始正向减小，iQ2开始反向 减小，iN2通过Q3中的二极管续流，继续反方向增大。当开关管Q2和Q4开通时，该阶段结束，其 中为第二场效应管电流值；
[0020] 第四阶段t3-t4时刻，第一场效应管和第三场效应管关断，第二场效应管和第四 场效应管导通，由于上一阶段，Q2处于二极管续流状态，故此时Q2是零电压导通。i cl继续正 向减小，iQ2继续反向减小，iN2反向减小，iQ4开始反向增大，ilm继续正向减小，当iN2减小至零 时，该阶段结束，其中为第四场效应管电流值。
[0021] 第五阶段t4-t5时刻，第一场效应管和第三场效应管继续保持关断，第二场效应管 和第四场效应管继续导通，ici继续正向减小，iQ2继续反向减小，iN2正向增大，iQ4反向增大， ibn继续正向减小。当ici减小至零时，该阶段结束；
[0022] 第六阶段t5-t6时刻，第一场效应管和第三场效应管继续保持关断，第二场效应管 和第四场效应管继续导通，iQ开始反向增大，i Q2开始正向增大，iN2继续正向增大，iQ4继续反 向增大，iu继续正向减小。当第二场效应管和第四场效应管关断时，该阶段结束，
[0023]第七阶段t6_t7时刻，第一场效应管和第三场效应管继续保持关断，第二场效应管 和第四场效应管关断，iC1通过第一场效应管中的二极管进行续流，开始反向减小，1(^继续 正向增大，iN2通过Q4中的二极管进行续流，继续正向增大，km开始正向增大。当第一场效应 管和第三场效应管导通时，该阶段结束，
[0024] 第八阶段t7-t0时刻，第一场效应管和第三场效应管导通，第二场效应管和第四场 效应管关断，由于上一阶段，第一场效应管处于二极管续流阶段，故此时第一场效应管是零 电压导通，ici继续反向减小，iQl继续反向减小，iN2正向减小，iQ3反向减小，km正向增大。当 iQ反向减少至零时，该阶段结束。
[0025] 所述的隔离型双向升降压变换器工作方法，优选的，所述S2中升压模式包括：
[0026] 第一阶段t〇-tl时刻，第一场效应管和第三场效应管导通，第二场效应管和第四 场效应管关断，ici正向减小，iQi正向减小，iN2正向增大，同时iQ3正向增大，km反向增大，当 ici减小至0时，iQ3减小至0，该阶段结束；
[0027] 第二阶段tl-t2时刻，第一场效应管和第三场效应管继续保持导通，第二场效应管 和第四场效应管继续保持关断。ia继续方向增大，续正向增大，i N2继续反向增大，iQ3继 续反向增大，iu继续正向增大，当第一场效应管和第三场效应管关断时，该阶段结束；
[0028]第三阶段t2_t3时刻，第一场效应管和第三场效应管关断，第二场效应管和第四场 效应管继续保持关断。iC1通过第一场效应管中的二极管续流，继续反向增大，191继续反向 增大，i N2中的二极管续流，开始正向减小，iQ4开始反向减小，当第二场效应管和第四场效应 管开通时，该阶段结束；
[0029] 第四阶段t3-t4时刻，第一场效应管和第三场效应管关断，第二场效应管和第四场 效应管导通，由于上一阶段，第四场效应管处于二极管续流状态，故此时第四场效应管是零 电压导通，ici开始反向减小，iQ2开始正向减小，iN2继续正向减小，iQ4继续反向减小，iLm开始 反向减小。当iN2反向减小至零时，该阶段结束。
[0030] 第五阶段t4-t5时刻，第一场效应管和第三场效应管继续保持关断，第二场效应管 和第四场效应管继续导通，ici继续反向减小，iQ2继续正向减小，iN2开始反向增大，iQ4开始正 向增大，ibn继续反向减小，当ici反向减小至零时，该阶段结束；
[0031] 第六阶段t5-t6时刻，第一场效应管和第三场效应管继续保持关断，第二场效应管 和第四场效应管继续导通，iQ开始正向增大，i Q2开始正向增大，iN2继续反向增大，iQ4继续正 向增大，iu继续反向减小，当第二场效应管和第四场效应管关断时，该阶段结束，
[0032]第七阶段t6_t7时刻，第一场效应管和第三场效应管继续保持关断，第二场效应管 和第四场效应管关断，iC1通过第二场效应管中的二极管进行续流，继续正向增大，iQ2继续 反向增大，iN2通过第三场效应管中的二极管进行续流，开始反向减小，iQ3开始反向减小，ilm 继续反向减小，当第一场效应管和第三场效应管导通时，该阶段结束；
[0033]第八阶段t7_t0时刻，第一场效应管和第三场效应管导通，第二场效应管和第四场 效应管关断，由于上一阶段，第三场效应管处于二极管续流阶段，故此时第三场效应管是零 电压导通，ici开始正向减小，iQl开始正向减小，iN2继续反向减小，iQ3继续反向减小，iLm开始 反向增大，当iN2反向减少至零时，该阶段结束。
[0034] 所述的隔离型双向升降压变换器工作方法，优选的，所述降压模式下电压变比：
[0035] 为了简化分析，作如下假设：
[0036] 第一电容和第二电容足够大，使得第一电容电压VC1和第二电容电压VC2是常值；
[0037] 忽略变压器漏感Lk;
[0038]驱动信号中第一场效应管和第三场效应管的控制信号Vgl,3以及第二场效应管和 第四场效应管控制信号Vg2,4间的死区忽略不计；
[0039]根据降压模式第四阶段得到，
[0040] Vcl = VLm = NXVL，其中，VC1为第一电容电压值、^为变压器磁化电感电压值、N为变 压器匝比、Vl为低压侧电压值；
[0041] 为了使电路能够稳定工作，磁化电感Lm在一个周期内，必须满足伏秒平衡原理； 故有以下关系；
[0042] (VH-VC1)XDXT = VC1X(1-D)XT，其中Vh为高压侧电压值，Vl为低压侧电压值，Vci 为第一电容电压值，D为PWM控制信号占空比，T为PWM控制信号时间周期，
[0043] 得到，
[0045] 所述的隔离型双向升降压变换器工作方法，优选的，所述升压模式下电压变比：
[0046] 为了简化分析，作如下假设：
[0047] 第一电容和第二电容足够大，使得第一电容电压VC1和第二电容电压VC2是常值；
[0048] 忽略变压器漏感Lk;
[0049] 驱动信号中第一场效应管和第三场效应管的控制信号Vgl,3以及第二场效应管和 第四场效应管控制信号V g2,4间的死区忽略不计；
[0050] 根据升压模式第二阶段得到，
[0051] VH=VLm+Vci,
[0052]根据升压模式第四阶段得到
[0053] Vci = NXVl,
[0054] 为了使电路能够稳定工作，磁化电感Lm在一个周期内，必须满足伏秒平衡原理，故 有以下关系，其中VC2为第二
电容电压值；
[0056] 化简得到
[0058]根据升压模式第二阶段得到 [0059] VLm=(Vc2-VL)XN
到
[0062]由式 VH=VLm+Vcl，Vcl = NXVL
[得到
[0064] 所述的隔离型双向升降压变换器工作方法，优选的，所述S3包括：
[0065] 由电路工作原理图易知，第一场效应管和第二场效应管承受最大的电压值
[0066] maxVQi=maxVQ2 = Vh ,
[0067] 第三场效应管和第四场效应管承受的最大电压值
[0069] 综上所述，由于采用了上述技术方案，本发明的有益效果是：
[0070] 为了实现输入输出的电气隔离，所提出的双向升/降压变换器采用变压器来实现 能量传输。该电路能够在使用较少的器件情况下实现较高的双向变压比，同时，部分开关器 件实现软开关技术，减少了开关损耗，提高变换效率。该电路采用的变压器将输入输出完全 隔离，从而减小了输入输出端之间的干扰，提高了变换器的可靠性。该电路的电压变比
，其值不仅与变压器匝比N有关，还与P丽控制信号占空比D相关，故其变比可调，便于 控制。同时，给出了电路中重要器件的电压应力公式，对电路器件的选型提供了重要的信 息，便于用户准确快速搭建该电路。
[0071] 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】
[0072] 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：
[0073]图1是现有技术中电路不意图；
[0074] 图2是现有技术中电路不意图；
[0075] 图3为本发明隔离型双向升/降压变换器；
[0076] 图4为本发明电路等效图；
[0077] 图5为本发明变换器降压模式下工作波形示意图；
[0078] 图6A-6H为本发明降压模式工作状态示意图；
[0079] 图7为本发明升压模式下工作波形示意图；
[0080] 图8A-8H为本发明升压模式工作状态示意图。
【具体实施方式】
[0081] 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。
[0082]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。
[0083]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。
[0084]如图3所示，该隔离双向DC/DC变换器，包括:第一场效应管、第二场效应管、第三场 效应管、第四场效应管、第一电容、第二电容、变压器；
[0085] 第一场效应管漏极连接高压侧第一端，第一场效应管源极分别连接第一电容一端 和第二场效应管漏极，第二场效应管源极连接高压侧第二端，第一电容另一端连接变压器 第一端，变压器第二端连接第二场效应管源极，变压器第三端分别连接第三场效应管源极 和第四场效应管漏极，第三场效应管漏极连接第二电容一端，第二电容另一端分别连接第 四场效应管源极和低压侧第二端，变压器第四端连接低压侧第一端。
[0086] 所述的隔离型双向升降压变换器，优选的，还包括:第一滤波电容、第二滤波电容；
[0087] 高压侧第一端和高压侧第二端连接第一滤波电容，低压侧第一端和低压侧第二端 连接第二滤波电容。
[0088] 为了方便分析，我们给出其等效电路，如图4所示。其中高压模式或者降压模式能 够根据实际能量传输的情况进行实时转换。
[0089] 在降压模式下，电路工作分为8个阶段，分别为t〇-t 1，t l-t2，t2-t3，t3-t4，t4-t5， t5-t6，t6-t7，t7-t0。其工作波形图如图5所示。
[0090] 第一阶段to-tl时亥I」，开关管Q1和Q3导通，Q2和Q4关断。icl(等于iQ1)从零开始正向 增大，iN2和iQ3正向减小。km正向增大。当iN2和iQ3减小至0时，该阶段结束。如图6A所示。其中 iC1为第一电容电流值，为第一场效应管电流值，iN2变压器二次侧电流值，iQ3第三场效应 管电流值，i u变压器磁化电感电流值。
[0091]第二阶段tl-t2时刻，开关管Q1和Q3继续保持导通，Q2和Q4继续保持关断。iG1(等于 iQl)继续正向增大，iN2和iQ3反向增大，iLm继续正向增大。当开关管Q1和Q3关断时，该阶段结 束。如图6B所不。
[0092] 第三阶段t2-t3时刻，开关管Q1和Q3关断，Q2和Q4继续保持关断。icl(等于-iQ2)通 过Q2中的二极管续流，开始正向减小。iN2通过Q3中的二极管续流，继续反方向增大。当开关 管Q2和Q4开通时，该阶段结束。如图6C所示。其中i Q2为第二场效应管电流值 [0093] 第四阶段t3-t4时刻，开关管Q1和Q3关断，Q2和Q4导通，由于上一阶段，Q2处于二极 管续流状态，故此时Q2是零电压导通。ici (等于-iQ2)继续正向减小，iN2(等于-iQ4)反向减小， 继续正向减小。当iN2减小至零时，该阶段结束。如图6D所示。其中i Q4为第四场效应管电流 值。
[0094]第五阶段t4-t5时刻，开关管Q1和Q3继续保持关断，Q2和Q4继续导通，iG1(等于-iQ2)继续正向减小，iN2(等于_iQ4)正向增大，km继续正向减小。当ici减小至零时，该阶段结 束。如图6E所示。
[0095] 第六阶段t5-t6时刻，开关管Q1和Q3继续保持关断，Q2和Q4继续导通，icl(等于-iQ2) 开始反向增大，iN2(等于_iQ4)继续正向增大，iLm继续正向减小。当开关管Q2和Q4关断时，该 阶段结束。如图6F所示。
[0096] 第七阶段t6-t7时刻，开关管Q1和Q3继续保持关断，Q2和Q4关断。iG1(等于iQ1)通过 Q1中的二极管进行续流，开始反向减小，iN2通过Q4中的二极管进行续流，继续正向增大。iLm 开始正向增大。当开关管Q1和Q3导通时，该阶段结束。如图6G所示。
[0097] 第八阶段t7-t0时刻，开关管Q1和Q3导通，Q2和Q4关断。由于上一阶段，Q1处于二极 管续流阶段，故此时Q1是零电压导通。iC1(等于iw)继续反向减小，iN2(等于iQ 3)正向减小， iu正向增大。当iC1反向减少至零时，该阶段结束。如图6H所示。
[0098]降压模式下电压变比：
[0099] 为了简化分析，作如下假设：
[0100] 电容C1和C2足够大，使得第一电容电压VcjP第二电容电压VC2是常值；
[0101] 忽略变压器漏感Lk;
[0102] 驱动信号中第一场效应管和第三场效应管的控制信号Vgl,3以及第二场效应管和 第四场效应管控制信号V g2,4间的死区忽略不计；
[0103] 根据状态图6D可以得到，Vq为第一电容电压值、VLm为变压器磁化电感电压值、N为 变压器匝比、Vl为低压侧电压值
[0104] Vci = VLm=NXVL (1)
[0105]为了使电路能够稳定工作，磁化电感Lm在一个周期内，必须满足伏秒平衡原理。故 有以下关系;VH为高压侧电压值，Vl为低压侧电压值，VC1为第一电容电压值，D为PWM控制信 号占空比，T为PWM控制信号时间周期。
[0106] (Vh-Vci) XDXT = VciX (l-D)XT (2)
[0107]由式（1)和式(2)得到
(3.)
[0109]升压模式工作：
[0110] 在升压模式下，电路工作分为8个阶段，分别为t〇-tl，tl_t2，t2_t3，t3_t4, t4_t5， t5-t6，t6-t7，t7-t0。其工作波形图如图7所示。
[0111] 第一阶段t〇-tl时刻，开关管Q1和Q3导通，Q2和Q4关断。iG1(等于iw)正向减小，iN2 (等于iQ3)正向增大。向增大。当iQ(等于iQ3)减小至0时，该阶段结束。如图8A所示。
[0112] 第二阶段tl-t2时刻，开关管Q1和Q3继续保持导通，Q2和Q4继续保持关断。iG1(等于 iQl)继续方向增大，iN2(等于iQ3)继续反向增大，iLm继续正向增大。当开关管Q1和Q3关断时， 该阶段结束。如图8B所示。
[0113] 第三阶段t2-t3时刻，开关管Q1和Q3关断，Q2和Q4继续保持关断。iG1 (等于iw)通 过Q1中的二极管续流，继续反向增大。iN2(等于-iQ4)中的二极管续流，开始正向减小。当开 关管Q2和Q4开通时，该阶段结束。如图8C所示。
[0114] 第四阶段t3-t4时刻，开关管Q1和Q3关断，Q2和Q4导通，由于上一阶段，Q4处于二极 管续流状态，故此时Q4是零电压导通。i cl(等于-iQ2)开始反向减小，iN2(等于-iQ4)继续正向 减小，iLm开始反向减小。当iN2反向减小至零时，该阶段结束。如图8D所示。
[0115] 第五阶段t4-t5时刻，开关管Q1和Q3继续保持关断，Q2和Q4继续导通，iG1(等于-iQ2)继续反向减小，iN2(等于_iQ4)开始反向增大，km继续反向减小。当ici反向减小至零时， 该阶段结束。如图8E所示。
[0116] 第六阶段t5-t6时刻，开关管Q1和Q3继续保持关断，Q2和Q4继续导通，iG1(等于-iQ2)开始正向增大，iN2(等于-iQ4)继续反向增大，iLm继续反向减小。当开关管Q2和Q4关断时， 该阶段结束。如图8F所示。
[0117] 第七阶段t6-t7时刻，开关管Q1和Q3继续保持关断，Q2和Q4关断。icl(等于-iQ2)通 过Q2中的二极管进行续流，继续正向增大，iN2 (等于iQ3)通过Q3中的二极管进行续流，开始 反向减小。iLm继续反向减小。当开关管Q1和Q3导通时，该阶段结束。如图8G所示。
[0118] 第八阶段t7-t0时刻，开关管Q1和Q3导通，Q2和Q4关断。由于上一阶段，Q3处于二极 管续流阶段，故此时Q3是零电压导通。icl(等于iQ1)开始正向减小，iN2(等于i Q3)继续反向减 小，ibn开始反向增大。当iN2反向减少至零时，该阶段结束。如图811所示。
[0119] 升压模式下电压变比：
[0120] 为了简化分析，作如下假设：
[0121] 电容C1和C2足够大，使得第一电容电压VcjP第二电容电压VC2是常值；
[0122] 忽略变压器漏感Lk;
[0123] 驱动信号中第一场效应管和第三场效应管的控制信号Vgl,3以及第二场效应管和 第四场效应管控制信号V g2,4间的死区忽略不计；
[0124] 根据状态图8B可以得到，
[0125] VH=VLm+Vci (4)
[0126] 根据状态图8D得到
[0127] Vci = NXVl (5)
[0128] 为了使电路能够稳定工作，磁化电感Lm在一个周期内，必须满足伏秒平衡原理。故 有以下关系，其中VC2为第二电容电压值；
(6)
[0130] 化简得到
C7)
[0132] 根据状态(b)，得到
[0133] VLm=(Vc2-VL)XN (8)
[0134] 将式(7)代入得到
C9)
[0136]由式(4)(5)(9)得到
no)
[0138]器件电压应力分析
[0139] 由电路工作原理图易知，开关管Q1和Q2承受最大的电压值
[0140] maxVQi=maxVQ2 = Vh
[0141] 开关管Q3和Q4承受的最大电压值
[0143] 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。
[0144] 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。
【主权项】
1. 一种隔离型双向升降压变换器，其特征在于，包括:第一场效应管、第二场效应管、第 三场效应管、第四场效应管、第一电容、第二电容、变压器； 第一场效应管漏极连接高压侧第一端，第一场效应管源极分别连接第一电容一端和第 二场效应管漏极，第二场效应管源极连接高压侧第二端，第一电容另一端连接变压器第一 端，变压器第二端连接第二场效应管源极，变压器第三端分别连接第三场效应管源极和第 四场效应管漏极，第三场效应管漏极连接第二电容一端，第二电容另一端分别连接第四场 效应管源极和低压侧第二端，变压器第四端连接低压侧第一端。2. 根据权利要求1所述的隔离型双向升降压变换器，其特征在于，还包括:第一滤波电 容、第二滤波电容； 高压侧第一端和高压侧第二端连接第一滤波电容，低压侧第一端和低压侧第二端连接 第二滤波电容。3. -种隔离型双向升降压变换器工作方法，其特征在于，包括如下步骤： S1，根据能量传输的状态，当所述变换器采取降压模式时，通过控制第一场效应管、第 二场效应管、第三场效应管和第四场效应管的导通和关断进行降压控制，获取降压模式的 电压变比； 52, 根据能量传输的状态，当所述变换器采取升压模式时，通过控制第一场效应管、第 二场效应管、第三场效应管和第四场效应管的导通和关断进行升压控制，获取升压模式下 电压变比； 53, 通过降压模式下电压变比和升压模式下电压变比，获取变换器中第一场效应管、第 二场效应管、第三场效应管和第四场效应管最大承受电压值。4. 根据权利要求3所述的隔离型双向升降压变换器工作方法，其特征在于，所述S1中降 压模式包括： 第一阶段to-tl时刻，第一场效应管和第三场效应管导通，第二场效应管和第四场效应 管关断，ici从零开始正向增大，iQl从零开始正向增大，iN2和iQ3正向减小。km正向增大，当iN2 和iQ3减小至0时，该阶段结束，其中iQ为第一电容电流值，为第一场效应管电流值，iN2变 压器二次侧电流值，iQ3第三场效应管电流值，变压器磁化电感电流值； 第二阶段tl-t2时刻，第一场效应管和第三场效应管继续保持导通，第二场效应管和第 四场效应管继续保持关断，ici继续正向增大，iQl继续正向增大，iN2和iQ3反向增大，iLm继续 正向增大，当第一场效应管和第三场效应管关断时，该阶段结束， 第三阶段t2-t3时刻，第一场效应管和第三场效应管关断，第二场效应管和第四场效应 管继续保持关断。ici通过第二场效应管中的二极管续流，开始正向减小，iQ2开始反向减小， iN2通过Q3中的二极管续流，继续反方向增大。当开关管Q2和Q4开通时，该阶段结束，其中iQ2 为第二场效应管电流值； 第四阶段t3-t4时刻，第一场效应管和第三场效应管关断，第二场效应管和第四场效应 管导通，由于上一阶段，Q2处于二极管续流状态，故此时Q2是零电压导通。续正向减小， iQ2继续反向减小，iN2反向减小，iQ4开始反向增大，km继续正向减小，当iN2减小至零时，该阶 段结束，其中i(M为第四场效应管电流值。 第五阶段t4-t5时刻，第一场效应管和第三场效应管继续保持关断，第二场效应管和第 四场效应管继续导通，ici继续正向减小，iQ2继续反向减小，iN2正向增大，iQ4反向增大，iu继 续正向减小。当ici减小至零时，该阶段结束； 第六阶段t5-t6时刻，第一场效应管和第三场效应管继续保持关断，第二场效应管和第 四场效应管继续导通，ici开始反向增大，iQ2开始正向增大，iN2继续正向增大，iQ4继续反向增 大，iu继续正向减小。当第二场效应管和第四场效应管关断时，该阶段结束， 第七阶段t6-t7时刻，第一场效应管和第三场效应管继续保持关断，第二场效应管和第 四场效应管关断，iC1通过第一场效应管中的二极管进行续流，开始反向减小，续正向 增大，iN2通过Q4中的二极管进行续流，继续正向增大，i Lm开始正向增大。当第一场效应管和 第三场效应管导通时，该阶段结束， 第八阶段t7-t0时刻，第一场效应管和第三场效应管导通，第二场效应管和第四场效应 管关断，由于上一阶段，第一场效应管处于二极管续流阶段，故此时第一场效应管是零电压 导通，ici继续反向减小，iQi继续反向减小，iN2正向减小，iQ3反向减小，iLm正向增大。当ici反 向减少至零时，该阶段结束。5.根据权利要求3所述的隔离型双向升降压变换器工作方法，其特征在于，所述S2中升 压模式包括： 第一阶段to-tl时刻，第一场效应管和第三场效应管导通，第二场效应管和第四场效应 管关断，ici正向减小，iQi正向减小，iN2正向增大，同时iQ3正向增大，反向增大，当ici减小 至0时，i Q3减小至0，该阶段结束； 第二阶段tl_t2时刻，第一场效应管和第三场效应管继续保持导通，第二场效应管和第 四场效应管继续保持关断。ici继续方向增大，iw继续正向增大，iN2继续反向增大，iQ3继续反 向增大，继续正向增大，当第一场效应管和第三场效应管关断时，该阶段结束； 第三阶段t2-t3时刻，第一场效应管和第三场效应管关断，第二场效应管和第四场效应 管继续保持关断。iC1通过第一场效应管中的二极管续流，继续反向增大，1(^继续反向增大， iN2中的二极管续流，开始正向减小，iQ4开始反向减小，当第二场效应管和第四场效应管开 通时，该阶段结束； 第四阶段t3-t4时刻，第一场效应管和第三场效应管关断，第二场效应管和第四场效应 管导通，由于上一阶段，第四场效应管处于二极管续流状态，故此时第四场效应管是零电压 导通，ici开始反向减小，iQ2开始正向减小，iN2继续正向减小，iQ4继续反向减小，iLm开始反向 减小。当iN2反向减小至零时，该阶段结束。 第五阶段t4-t5时刻，第一场效应管和第三场效应管继续保持关断，第二场效应管和第 四场效应管继续导通，ici继续反向减小，iQ2继续正向减小，iN2开始反向增大，iQ4开始正向增 大，iLm继续反向减小，当ici反向减小至零时，该阶段结束； 第六阶段t5-t6时刻，第一场效应管和第三场效应管继续保持关断，第二场效应管和第 四场效应管继续导通，ici开始正向增大，iQ2开始正向增大，iN2继续反向增大，iQ4继续正向增 大，iu继续反向减小，当第二场效应管和第四场效应管关断时，该阶段结束， 第七阶段t6-t7时刻，第一场效应管和第三场效应管继续保持关断，第二场效应管和第 四场效应管关断，icl通过第二场效应管中的二极管进行续流，继续正向增大，iQ2继续反向 增大，iN通过第三场效应管中的二极管进行续流，开始反向减小，iQ3开始反向减小，iLm继续 反向减小，当第一场效应管和第三场效应管导通时，该阶段结束； 第八阶段t7-t0时刻，第一场效应管和第三场效应管导通，第二场效应管和第四场效应 管关断，由于上一阶段，第三场效应管处于二极管续流阶段，故此时第三场效应管是零电压 导通，ici开始正向减小，iQl开始正向减小，iN2继续反向减小，iQ3继续反向减小，iLm开始反向 增大，当iN2反向减少至零时，该阶段结束。6. 根据权利要求3所述的隔离型双向升降压变换器工作方法，其特征在于，所述降压模 式下电压变比： 为了简化分析，作如下假设： 第一电容和第二电容足够大，使得第一电容电压VQ和第二电容电压VC2是常值； 忽略变压器漏感Lk; 驱动信号中第一场效应管和第三场效应管的控制信号Vgl,3以及第二场效应管和第四场 效应管控制信号Vg2,4间的死区忽略不计； 根据降压模式第四阶段得到， VC1 = VLm=NXVL，其中，VC1为第一电容电压值、VLm为变压器磁化电感电压值、N为变压器 匝比、VL为低压侧电压值； 为了使电路能够稳定工作，磁化电感Lm在一个周期内，必须满足伏秒平衡原理;故有以 下关系； (乂11-￥。1)\0\丁 = ￥。1\(1-0)\1'，其中￥11为高压侧电压值1为低压侧电压值，￥。1为第 一电容电压值，D为HVM控制信号占空比，为了避免桥臂直通，D必须小于0.5，T为ΠΜ控制信 号时间周期， 得到，7. 根据权利要求3所述的隔离型双向升降压变换器工作方法，其特征在于，所述升压模 式下电压变比： 为了简化分析，作如下假设： 第一电容和第二电容足够大，使得第一电容电压VC1和第二电容电压VC2是常值； 忽略变压器漏感Lk; 驱动信号中第一场效应管和第三场效应管的控制信号Vgl,3以及第二场效应管和第四场 效应管控制信号Vg2,4间的死区忽略不计； 根据升压模式第二阶段得到， VH = VLm+Vci， 根据升压模式第四阶段得到 Vci = NXVl, 为了使电路能够稳定工作，磁化电感Lm在一个周期内，必须满足伏秒平衡原理，故有以 下关系，其中VC2为第二电容电压值；根据升压模式第二阶段得到 VLm=(Vc2-VL)XN 将J$入得到：, 由式 Vh = Vu+Vci，Vci = NXVl[得到8.根据权利要求3所述的隔离型双向升降压变换器工作方法，其特征在于，所述S3包 括： 由电路工作原理图易知，第一场效应管和第二场效应管承受最大的电压值 Π13-Χ VqI - Π13-Χ Vq2 - Vh ? 第三场效应管和第四场效应管承受的最大电压值
【文档编号】H02M3/335GK105958829SQ201610356632
【公开日】2016年9月21日
【申请日】2016年5月25日
【发明人】凌睿, 严小东, 胡青, 唐丹, 王理智, 余大侠, 黄雪莉, 杨常浩, 刘辉
【申请人】重庆大学