一种双向谐振变换器及其控制方法

文档序号:10660073
一种双向谐振变换器及其控制方法
【专利摘要】本发明公开了一种双向谐振变换器及其控制方法,属于电力电子变换器技术领域。所述双向谐振变换器由原边全桥电路、辅助电感、谐振电路、变压器和副边全桥电路构成,其中谐振电路由谐振电感、谐振电容构成。本发明通过构建完全对称的电路结构,利用原副边全桥电路使变换器具备双向功率传输的能力,采用占空比控制和移相角控制不仅使得两侧的电压和双向的电流能够在宽范围内调节,而且功率传输方向切换过程可以快速、平滑。本发明不仅使变换器具有双向功率传输的能力,控制策略简单,而且实现了所有开关管的软开关,可有效减小开关损耗、提高效率,特别适合在储能系统、电动汽车等双向隔离直流功率变换场合应用。
【专利说明】
一种双向谐振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,尤其属于隔离双向-直流电能变换技术领域。
【背景技术】
[0002]在航空航天电源系统、新能源发电系统、电动汽车系统、不停电电源系统等技术领域的应用中,出于降低系统的体积重量及成本的需求,需要采用双向直流变换器。而处于安全性的考虑,通常采用变压器对变换器原副边进行电气隔离。如何提升双向变换器的功率传输效率、寻找性能优越的的控制方法并实现功率传输方向的平滑切换一直是该技术领域所关注的重点问题。
[0003 ] 传统的隔离型双向直流变换器,包括正激双向直流变换器、反激双向直流变换器、推挽双向直流变换器、半桥双向直流变换器和全桥双向直流变换器。正激双向直流变换器和反激双向直流变换器的电路结构简单且成本低,但开关管电压应力较高,适合于小功率场合。推挽双向直流变换器的变压器磁芯为双向磁化,传输的功率比正激双向直流变换器要大,但是开关管电压应力也较高,适合于中低压大功率场合。桥式双向直流变换器,特别是全桥双向直流变换器的开关管电压电流应力都相对较小,适合于大功率场合。
[0004]双有源桥式双向直流变换器是隔离双向直流变换器的典型解决方案之一,如附图1,这类变换器由两个全桥变换单元、能量传输电感以及隔离变压器构成。传统的双有源桥式双向直流变换器通常采用移相控制,控制方式简单,通过调节移相角实现功率的双向流动,且可以实现开关管的软开关;原副边的全桥结构可以降低开关管的电压电流应力,在中大功率场合得到了广泛应用。但是,采用移相控制时,变换器中存在循环能量,环流损耗较大,影响变换器的传输效率;在较宽输入或输出电压范围内,轻载时不能实现软开关,效率较低。
[0005]W.Sun.Extended-phase-shift control of isolatedbidirect1nal dc-dc converter for power distribut1n in microgrid[J].1EEETransact1ns on Power Electronics,2012,27( 11):4667-4680.”在原副边桥臂移相的基础上,增加了原边桥臂内移相,利用双移相控制来降低环流。该方案的主要问题在于变换器环流依然较大,关断损耗较高导致效率较低。且控制方法相对复杂,最优工作区域较窄。
[0006]文南犬“X.Li and A.K.Bhat.Analysis and design of high-frequency isolateddual-bridge series resonant dc/dc converter[J].IEEE Transact1ns on PowerElectronics,2010,25(4):850-862.”利用串联谐振网络代替能量传输电感,减小关断电流从而降低变换器的关断损耗,利用移相控制来实现输出电压调节及开关管的软开关。该方案的问题在于串联谐振变换器移相控制时无法工作在谐振频率点,降低了传输效率;且变换器输出侧采用同步整流,增加了电路的复杂性。

【发明内容】

[0007]本发明的目的是针对现有技术的不足,为双向直流功率变换场合提供一种隔离双向谐振变换器及其控制方法。
[0008]本发明的目的是通过以下技术方案来实现的:
[0009]所述双向谐振变换器由原边全桥电路(10)、辅助电感(La)、谐振电路(20)、变压器(T)和副边全桥电路(30)构成,其中原边全桥电路(10)由第一开关管(&)、第二开关管(&)、第三开关管(S3)、第四开关管(S4)和第一电压源(V1)构成,谐振电路(20)由谐振电感(Lr)、谐振电容(Cr)构成,变压器(T)包含一个副边绕组(Ns)和一个原边绕组(Np),副边全桥电路
(30)由第五开关管(S5)、第六开关管(S6)、第七开关管(S7)、第八开关管(S8)和第二电压源(V2)构成;
[00?0]所述第一电压源(Vi)的正极分别与第一开关管(Si)的漏极和第三开关管(S3)的漏极相连,第一开关管(S1)的源极分别连于第二开关管(S2)的漏极、谐振电感(Lr)的一端和辅助电感(La)的一端,谐振电感(Lr)的另一端连于谐振电容(Cr)的一端,谐振电容(Cr)的另一端连于变压器(T)原边绕组(Np)的同名端,变压器(T)原边绕组(Np)的非同名端连于第三开关管(S3)的源极、第四开关管(S4)的漏极以及辅助电感(La)的另一端,第四开关管(S4)的源极连于第二开关管(S2)的源极和第一电压源(V1)的负极;
[0011]所述变压器(T)副边绕组(Ns)的同名端分别与第五开关管(S5)的源极和第六开关管(S6)的漏极相连,第五开关管(S5)的漏极分别连于第七开关管(S7)的漏极和第二电压源(V2)的正极,第二电压源(V2)的负极连接到第六开关管(S6)的源极和第八开关管(S8)的源极,第八开关管(S8)的漏极连接到变压器副边绕组(Ns)的非同名端。
[0012]所述所有开关管开关频率固定,第一开关管(S1)与第二开关管(S2)互补导通,第三开关管(S3)与第四开关管(S4)互补导通,第五开关管(S5)与第六开关管(S6)互补导通,第七开关管(S7)与第八开关管(S8)互补导通;
[0013]当第一电压源(V1)的电压高于第二电压源(V2)的电压时,副边全桥电路(30)中的第五开关管(S5)、第六开关管(S6)、第七开关管(S7)、第八开关管(S8)的占空比都等于0.5,第五开关管(S5)与第八开关管(S8)同时开通、同时关断,第六开关管(S6)与第七开关管(S7)同时开通、同时关断,原边全桥电路(10)中的开关管的控制方法采用以下三种控制方法中的任意一种:
[0014]第一控制方法:第一开关管(S1)、第二开关管(S2)、第三开关管(S3)、第四开关管
(S4)的占空比都等于0.5,第一开关管(S1)和第二开关管(S2)的开通时刻分别超前于第四开关管(S4)和第三开关管(S3)的开通时刻相同的移相角,通过调节第一开关管(S1)与第四开关管(S4)开通时刻之间的移相角来调节所述双向谐振变换器所传输的功率的大小和方向,当功率由第一电压源(V1)传输到第二电压源(V2)时,通过减小第一开关管(S1)与第四开关管(S4)开通时刻之间的移相角来增加由第一电压源(V1)传输到第二电压源(V2)的功率,当功率由第二电压源(V2)传输到第一电压源(V1)时,通过增加第一开关管(S1)与第四开关管
(S4)开通时刻之间的移相角来增加由第二电压源(V2)传输到第一电压源(Vl)的功率,第一开关管(S1)的开通时刻和第四开关管(S4)的开通时刻之间的中心线与第五开关管(S5)及第八开关管(S8)的开通时刻重合,第二开关管(S2)的开通时刻与第三开关管(S3)的开通时刻之间的中心线与第六开关管(S6)和第七开关(S7)管的开通时刻重合;
[0015]第二控制方法:第一开关管(S1)的占空比小于等于0.5,第一开关管(S1)与第三开关管(S3)的占空比相等,第二开关管(S2)与第四开关管(S4)的占空比相等,通过调节第一开关管(S1)与第三开关管(S3)的占空比的大小来调节所述双向谐振变换器所传输的功率的大小和方向,当功率由第一电压源(V1)传输到第二电压源(V2)时,通过增加第一开关管(&)与第三开关管(S3)的占空比来增加由第一电压源(V1)传输到第二电压源(V2)的功率,当功率由第二电压源(V2)传输到第一电压源(Vl)时,通过减小第一开关管(Si)与第三开关管(S3)的占空比来增加由第二电压源(V2)传输到第一电压源(V1)的功率,第一开关管(S1)与第四开关管(S4)的驱动信号的中心线重合,第二开关管(S2)与第三开关管(S3)的驱动信号的中心线重合,第一开关管(S1)的开通时刻和第四开关管(S4)的开通时刻之间的中心线与第五开关管(S5)及第八开关管(S8)的开通时刻重合,第二开关管(S2)的开通时刻与第三开关管
(S3)的开通时刻之间的中心线与第六开关管(S6)和第七开关管(S7)开通时刻重合;
[0016]第三控制方法:第一开关管(S1)的占空比大于等于0.5,第一开关管(S1)与第三开关管(S3)的占空比相等,第二开关管(S2)与第四开关管(S4)的占空比相等,通过调节第二开关管(S2)与第四开关管(S4)的占空比的大小来调节所述双向谐振变换器所传输的功率的大小和方向,当功率由第一电压源(V1)传输到第二电压源(V2)时,通过增加第二开关管(S2)与第四开关管(S4)的占空比来增加由第一电压源(V1)传输到第二电压源(V2)的功率,当功率由第二电压源(V2)传输到第一电压源(V1)时,通过减小第二开关管(S2)与第四开关管(S4)的占空比来增加由第二电压源(V2)传输到第一电压源(V1)的功率,第一开关管(S1)与第四开关管(S4)的驱动信号的中心线重合,第二开关管(S2)与第三开关管(S3)的驱动信号的中心线重合,第一开关管(S1)的开通时刻和第四开关管(S4)的开通时刻之间的中心线与第五开关管(S5)及第八开关管(S8)的开通时刻重合,第二开关管(S2)的开通时刻与第三开关管
(S3)的开通时刻之间的中心线与第六开关管(S6)和第七开关管(S7)开通时刻重合;
[0017]当第二电压源(V2)的电压高于第一电压源(V1)的电压时,原边全桥电路(10)中的第一开关管(S1)、第二开关管(S2)、第三开关管(S3)、第四开关管(S4)的占空比都等于0.5,第一开关管(S1)与第四开关管(S4)同时开通、同时关断,第二开关管(S2)与第三开关管(S3)同时开通、同时关断,副边全桥电路(30)中的开关管的控制方法采用以下三种控制方法中的任意一种:
[0018]第一控制方法:第五开关管(S5)、第六开关管(S6)、第七开关管(S7)、第八开关管(S8)的占空比都等于0.5,第五开关管(S5)和第六开关管(S6)的开通时刻分别超前于第八开关管(S8)和第七开关管(S7)的开通时刻相同的移相角,通过调节第五开关管(S5)和第八开关管(S8)开通时刻之间的移相角来调节所述双向谐振变换器所传输的功率的大小和方向,当功率由第一电压源(V1)传输到第二电压源(V2)时,通过增加第五开关管(S5)与第八开关管(S8)开通时刻之间的移相角来增加由第一电压源(V1)传输到第二电压源(V2)的功率,当功率由第二电压源(V2)传输到第一电压源(Vl)时,通过减小第五开关管(S5)与第八开关管
(S8)开通时刻之间的移相角来增加由第二电压源(V2)传输到第一电压源(V1)的功率,第五开关管(S5)的开通时刻和第八开关管(S8)的开通时刻之间的中心线与第一开关管(S1)及第四开关管(S4)的开通时刻重合,第六开关管(S6)的开通时刻和第七开关管(S7)的开通时刻之间的中心线与第二开关管(S2)及第三开关管(S3)的开通时刻重合;
[0019]第二控制方法:第五开关管(S5)的占空比小于等于0.5,第五开关管(S5)与第七开关管(S7)的占空比相等,第六开关管(S6)与第八开关管(S8)的占空比相等,通过调节第五开关管(S5)与第七开关管(S7)的占空比的大小来调节所述双向谐振变换器所传输的功率的大小和方向,当功率由第一电压源(V1)传输到第二电压源(V2)时,通过减小第五开关管(S5)与第七开关管(S7)的占空比来增加由第一电压源(V1)传输到第二电压源(V2)的功率,当功率由第二电压源(V2)传输到第一电压源(Vl)时,通过增加第五开关管(S5)与第七开关管(S7)的占空比来增加由第二电压源(V2)传输到第一电压源(V1)的功率,第五开关管(S5)与第八开关管(S8)的驱动信号的中心线重合,第六开关管(S6)与第七开关管(S7)的驱动信号的中心线重合,第五开关管(S5)的开通时刻和第八开关管(S8)的开通时刻之间的中心线与第一开关管(S1)及第四开关管(S4)的开通时刻重合,第六开关管(S6)的开通时刻与第七开关管
(S7)的开通时刻之间的中心线与第二开关管(S2)及第三开关管(S3)开通时刻重合;
[0020]第三控制方法:第五开关管(S5)的占空比大于等于0.5,第五开关管(S5)与第七开关管(S7)的占空比相等,第六开关管(S6)与第八开关管(S8)的占空比相等,通过调节第六开关管(S6)与第八开关管(S8)的占空比的大小来调节所述双向谐振变换器所传输的功率的大小和方向,当功率由第一电压源(V1)传输到第二电压源(V2)时,通过减小第六开关管(S6)与第八开关管(S8)的占空比来增加由第一电压源(V1)传输到第二电压源(V2)的功率,当功率由第二电压源(V2)传输到第一电压源(Vl)时,通过增加第六开关管(S6)与第八开关管(S8)的占空比来增加由第二电压源(V2)传输到第一电压源(V1)的功率,第五开关管(S5)与第八开关管(S8)的驱动信号的中心线重合,第六开关管(S6)与第七开关管(S7)的驱动信号的中心线重合,第五开关管(S5)的开通时刻和第八开关管(S8)的开通时刻之间的中心线与第一开关管(S1)及第四开关管(S4)的开通时刻重合,第六开关管(S6)的开通时刻与第七开关管
(S7)的开通时刻之间的中心线与第二开关管(S2)及第三开关管(S3)开通时刻重合。
[0021]本发明技术方案与既有技术方案的本质区别在于,采用定频控制,利用原边全桥电路(I O)或副边全桥电路(3 O)的移相角调节或占空比调节来控制桥臂中点方波电压的脉宽,从而实现输出电压的调节。两全桥电路桥臂中点方波电压始终关于中心线对称,使谐振电路可以工作在谐振频率点,有利于效率的提升。正反向控制策略一致,方向切换可以平滑进行。利用辅助电感(La)和变压器(T)提供额外的电流,实现所有开关管在全范围内的软开关。
[0022]本发明具有如下有益效果:
[0023](I)变换器结构在正反向工作时完全对称,两个方向的控制方式也一致,易于实现传输方向的平滑切换;
[0024](2)采用定频控制,利用移相角调节或占空比调节来控制输出电压,使谐振电路可以工作在谐振频率点,有利于磁性元件的设计、输出电压的调节以及效率的提升;
[0025](3)输出侧的控制信号给定,不采用同步整流方式,简化了硬件电路;
[0026](4)借助辅助电感(La)和变压器(T),开关管实现全范围软开关,提升了传输效率;
[0027](5)变换器既可以工作在升压区域也可以工作在降压区域,具有较宽的电压调节范围。
【附图说明】
[0028]附图1是传统双有源桥式双向直流变换器原理图;
[0029]附图2是本发明提出的一种双向谐振变换器原理图;
[0030]附图3是本发明提出的一种双向谐振变换器采用移相控制,第一电压源(V1)的电压大于第二电压源(V2)的电压,且第一电压源(V1)向第二电压源(V2)传输功率时的主要工作波形图;
[0031]附图4?9是本发明提出的一种双向谐振变换器采用移相控制,第一电压源(V1)的电压大于第二电压源(V2)的电压,且第一电压源(V1)向第二电压源(V2)传输功率时,各开关模态的等效电路图;
[0032]以上附图中的符号名称:10为原边全桥电路;20为谐振电路;30为副边全桥电路;T为变压器;Np和Ns分别为变压器(T)的原边绕组和副边绕组;Lr为谐振电感;Cr为谐振电容;Lm为激磁电感;La为辅助电感;Si和S2分别为第一、第二开关管;S3和S4分别为第三、第四开关管;S5和S6分别为第五、第六开关管;S7和S8分别为第七、第八开关管;Vl、V2为电压源;Vab为原边全桥电路(1 )的桥臂中点电压;Vcd为副边全桥电路(30 )的桥臂中点电压;kr为谐振电感(Lr)电流;Ua为辅助电感(La)电流;km为激磁电感(Lm)电流;VCr为谐振电容(Cr)电压;VCS1、VGS2、VCS3和VCS4分别为第一开关管(Si )、第二开关管(S2 )、第三开关管(S3 )和第四开关管(S4)的驱动电压;VGS5、VGS6、VGS7和VGS8分别为第五开关管(S5)、第六开关管(S6)、第七开关管(S7)和第八开关管(S8)的驱动电压;
【具体实施方式】
[0033]下面结合附图对本发明的技术方案进行详细说明。
[0034]如附图2所示,所述双向谐振变换器由原边全桥电路(10)、辅助电感(La)、谐振电路(20)、变压器(T)和副边全桥电路(30)构成,其中原边全桥电路(10)由第一开关管(Si)、第二开关管(S2)、第三开关管(&)、第四开关管(S4)和第一电压源(V1)构成,谐振电路(20)由谐振电感(Lr)、谐振电容(Cr)构成,变压器(T)包含一个副边绕组(Ns)和一个原边绕组(Np),副边全桥电路(30)由第五开关管(S5)、第六开关管(S6)、第七开关管(S7)、第八开关管
(S8)和第二电压源(V2)构成;所述第一电压源(V1)的正极分别与第一开关管(S1)的漏极和第三开关管(S3)的漏极相连,第一开关管(S1)的源极分别连于第二开关管(S2)的漏极、谐振电感(Lr)的一端和辅助电感(La)的一端,谐振电感(Lr)的另一端连于谐振电容(Cr)的一端,谐振电容(Cr)的另一端连于变压器(T)原边绕组(Np)的同名端,变压器(T)原边绕组(Np)的非同名端连于第三开关管(S3)的源极、第四开关管(S4)的漏极以及辅助电感(La)的另一端,第四开关管(S4)的源极连于第二开关管(S2)的源极和第一电压源(V1)的负极;所述变压器(T)副边绕组(Ns)的同名端分别与第五开关管(S5)的源极和第六开关管(S6)的漏极相连,第五开关管(S5)的漏极分别连于第七开关管(S7)的漏极和第二电压源(V2)的正极,第二电压源(V2)的负极连接到第六开关管(S6)的源极和第八开关管(S8)的源极,第八开关管(S8)的漏极连接到变压器副边绕组(Ns)的非同名端。
[0035]所述所有开关管开关频率固定,第一开关管(S1)与第二开关管(S2)互补导通,第三开关管(S3)与第四开关管(S4)互补导通,第五开关管(S5)与第六开关管(S6)互补导通,第七开关管(S7)与第八开关管(S8)互补导通;
[0036]当第一电压源(V1)的电压高于第二电压源(V2)的电压时,副边全桥电路(30)中的第五开关管(S5)、第六开关管(S6)、第七开关管(S7)、第八开关管(S8)的占空比都等于0.5,第五开关管(S5)与第八开关管(S8)同时开通、同时关断,第六开关管(S6)与第七开关管(S7)同时开通、同时关断,原边全桥电路(10)中的开关管的控制方法采用以下三种控制方法中的任意一种:
[0037]第一控制方法:第一开关管(S1)、第二开关管(S2)、第三开关管(S3)、第四开关管
(S4)的占空比都等于0.5,第一开关管(S1)和第二开关管(S2)的开通时刻分别超前于第四开关管(S4)和第三开关管(S3)的开通时刻相同的移相角,通过调节第一开关管(S1)与第四开关管(S4)开通时刻之间的移相角来调节所述双向谐振变换器所传输的功率的大小和方向,当功率由第一电压源(V1)传输到第二电压源(V2)时,通过减小第一开关管(S1)与第四开关管(S4)开通时刻之间的移相角来增加由第一电压源(V1)传输到第二电压源(V2)的功率,当功率由第二电压源(V2)传输到第一电压源(Vl)时,通过增加第一开关管(S1)与第四开关管
(S4)开通时刻之间的移相角来增加由第二电压源(V2)传输到第一电压源(Vl)的功率,第一开关管(S1)的开通时刻和第四开关管(S4)的开通时刻之间的中心线与第五开关管(S5)及第八开关管(S8)的开通时刻重合,第二开关管(S2)的开通时刻与第三开关管(S3)的开通时刻之间的中心线与第六开关管(S6)和第七开关(S7)管的开通时刻重合;
[0038]第二控制方法:第一开关管(S1)的占空比小于等于0.5,第一开关管(S1)与第三开关管(S3)的占空比相等,第二开关管(S2)与第四开关管(S4)的占空比相等,通过调节第一开关管(S1)与第三开关管(S3)的占空比的大小来调节所述双向谐振变换器所传输的功率的大小和方向,当功率由第一电压源(V1)传输到第二电压源(V2)时,通过增加第一开关管(&)与第三开关管(S3)的占空比来增加由第一电压源(V1)传输到第二电压源(V2)的功率,当功率由第二电压源(V2)传输到第一电压源(Vl)时,通过减小第一开关管(Si)与第三开关管(S3)的占空比来增加由第二电压源(V2)传输到第一电压源(V1)的功率,第一开关管(S1)与第四开关管(S4)的驱动信号的中心线重合,第二开关管(S2)与第三开关管(S3)的驱动信号的中心线重合,第一开关管(S1)的开通时刻和第四开关管(S4)的开通时刻之间的中心线与第五开关管(S5)及第八开关管(S8)的开通时刻重合,第二开关管(S2)的开通时刻与第三开关管(S3)的开通时刻之间的中心线与第六开关管(S6)和第七开关管(S7)开通时刻重合;
[0039]第三控制方法:第一开关管(S1)的占空比大于等于0.5,第一开关管(S1)与第三开关管(S3)的占空比相等,第二开关管(S2)与第四开关管(S4)的占空比相等,通过调节第二开关管(S2)与第四开关管(S4)的占空比的大小来调节所述双向谐振变换器所传输的功率的大小和方向,当功率由第一电压源(V1)传输到第二电压源(V2)时,通过增加第二开关管(S2)与第四开关管(S4)的占空比来增加由第一电压源(V1)传输到第二电压源(V2)的功率,当功率由第二电压源(V2)传输到第一电压源(V1)时,通过减小第二开关管(S2)与第四开关管(S4)的占空比来增加由第二电压源(V2)传输到第一电压源(V1)的功率,第一开关管(S1)与第四开关管(S4)的驱动信号的中心线重合,第二开关管(S2)与第三开关管(S3)的驱动信号的中心线重合,第一开关管(S1)的开通时刻和第四开关管(S4)的开通时刻之间的中心线与第五开关管(S5)及第八开关管(S8)的开通时刻重合,第二开关管(S2)的开通时刻与第三开关管
(S3)的开通时刻之间的中心线与第六开关管(S6)和第七开关管(S7)开通时刻重合;
[0040]当第二电压源(V2)的电压高于第一电压源(V1)的电压时,原边全桥电路(10)中的第一开关管(S1)、第二开关管(S2)、第三开关管(S3)、第四开关管(S4)的占空比都等于0.5,第一开关管(S1)与第四开关管(S4)同时开通、同时关断,第二开关管(S2)与第三开关管(S3)同时开通、同时关断,副边全桥电路(30)中的开关管的控制方法采用以下三种控制方法中的任意一种:
[0041]第一控制方法:第五开关管(S5)、第六开关管(S6)、第七开关管(S7)、第八开关管
(S8)的占空比都等于0.5,第五开关管(S5)和第六开关管(S6)的开通时刻分别超前于第八开关管(S8)和第七开关管(S7)的开通时刻相同的移相角,通过调节第五开关管(S5)和第八开关管(S8)开通时刻之间的移相角来调节所述双向谐振变换器所传输的功率的大小和方向,当功率由第一电压源(V1)传输到第二电压源(V2)时,通过增加第五开关管(S5)与第八开关管(S8)开通时刻之间的移相角来增加由第一电压源(V1)传输到第二电压源(V2)的功率,当功率由第二电压源(V2)传输到第一电压源(Vi)时,通过减小第五开关管(S5)与第八开关管
(S8)开通时刻之间的移相角来增加由第二电压源(V2)传输到第一电压源(V1)的功率,第五开关管(S5)的开通时刻和第八开关管(S8)的开通时刻之间的中心线与第一开关管(S1)及第四开关管(S4)的开通时刻重合,第六开关管(S6)的开通时刻和第七开关管(S7)的开通时刻之间的中心线与第二开关管(S2)及第三开关管(S3)的开通时刻重合;
[0042]第二控制方法:第五开关管(S5)的占空比小于等于0.5,第五开关管(S5)与第七开关管(S7)的占空比相等,第六开关管(S6)与第八开关管(S8)的占空比相等,通过调节第五开关管(S5)与第七开关管(S7)的占空比的大小来调节所述双向谐振变换器所传输的功率的大小和方向,当功率由第一电压源(V1)传输到第二电压源(V2)时,通过减小第五开关管(S5)与第七开关管(S7)的占空比来增加由第一电压源(V1)传输到第二电压源(V2)的功率,当功率由第二电压源(V2)传输到第一电压源(Vl)时,通过增加第五开关管(S5)与第七开关管(S7)的占空比来增加由第二电压源(V2)传输到第一电压源(V1)的功率,第五开关管(S5)与第八开关管(S8)的驱动信号的中心线重合,第六开关管(S6)与第七开关管(S7)的驱动信号的中心线重合,第五开关管(S5)的开通时刻和第八开关管(S8)的开通时刻之间的中心线与第一开关管(S1)及第四开关管(S4)的开通时刻重合,第六开关管(S6)的开通时刻与第七开关管(S7)的开通时刻之间的中心线与第二开关管(S2)及第三开关管(S3)开通时刻重合;
[0043]第三控制方法:第五开关管(S5)的占空比大于等于0.5,第五开关管(S5)与第七开关管(S7)的占空比相等,第六开关管(S6)与第八开关管(S8)的占空比相等,通过调节第六开关管(S6)与第八开关管(S8)的占空比的大小来调节所述双向谐振变换器所传输的功率的大小和方向,当功率由第一电压源(V1)传输到第二电压源(V2)时,通过减小第六开关管(S6)与第八开关管(S8)的占空比来增加由第一电压源(V1)传输到第二电压源(V2)的功率,当功率由第二电压源(V2)传输到第一电压源(Vl)时,通过增加第六开关管(S6)与第八开关管(S8)的占空比来增加由第二电压源(V2)传输到第一电压源(V1)的功率,第五开关管(S5)与第八开关管(S8)的驱动信号的中心线重合,第六开关管(S6)与第七开关管(S7)的驱动信号的中心线重合,第五开关管(S5)的开通时刻和第八开关管(S8)的开通时刻之间的中心线与第一开关管(S1)及第四开关管(S4)的开通时刻重合,第六开关管(S6)的开通时刻与第七开关管
(S7)的开通时刻之间的中心线与第二开关管(S2)及第三开关管(S3)开通时刻重合。
[0044]本发明的目的是实现隔离双向直流功率变换,为了实现该目的,本发明提出了一种双向谐振变换器及其控制方法,通过原边全桥电路(10)或副边全桥电路(30)的移相角调节或占空比调节来控制输出电压,使谐振电路可以定频工作在谐振频率点,控制方式简单;全电压负载范围实现软开关,提升了传输效率。
[0045]下面以附图3所示的双向谐振变换器采用移相控制,第一电压源(V1)的电压大于第二电压源(V2)的电压,且第一电压源(V1)向第二电压源(V2)传输功率时的主要工作波形为例,说明本发明的工作原理。附图4?9给出了双向谐振变换器采用移相控制,第一电压源(V1)的电压大于第二电压源(V2)的电压,且第一电压源(V1)向第二电压源(V2)传输功率时各开关模态的等效电路。半周期中,共有6种工作模态。
[0046]开关模态UtoJ1]:to时刻之前,第一开关管(S1)和第三开关管(S3)导通,第五开关管(S5)、第六开关管(S6)、第七开关管(S7)、第八开关管(S8)处于死区时间内。副边全桥电路
(30)的桥臂中点电压Vcd由-V2上升到V2。在to时刻,第五开关管(S5)和第八开关管(Ss)实现ZVS开通。本时段内,第一开关管(Si)、第三开关管(S3)、第五开关管(S5)、第八开关管(Ss)导通。原边全桥电路(10)的桥臂中点电压Vab等于O,副边全桥电路(30)的桥臂中点电压Vcd等于V2。变压器(T)激磁电感(1^)电流开始上升,辅助电感(La)电流保持不变。
[0047]开关模态2[t,Uht1时刻,第三开关管(S3)关断,第三开关管(S3)和第四开关管
(54)处于死区时间内,谐振电感(Lr)电流和辅助电感(La)电流共同对第三开关管(S3)和第四开关管(S4)的结电容进行充放电,为第四开关管(S4)的ZVS开通做准备。本时段内,第一开关管(S0、第五开关管(S5)和第八开关管(S8)处于导通状态。原边全桥电路(10)的桥臂中点电压Vab由O上升到V1,副边全桥电路(30)的桥臂中点电压Vcd等于V2。变压器(T)激磁电感(Lm)电流继续上升,辅助电感(La)电流保持不变。
[0048]开关模态3[t2,t3]:t2时刻,第四开关管(S4)实现ZVS开通。本时段内,第一开关管
(51)和第四开关管(S4)导通,第五开关管(S5)和第八开关管(S8)导通。原边全桥电路(10)的桥臂中点电压vab等于V1,副边全桥电路(30)桥臂中点电压id等于V2。谐振电路(20)在¥1^2的电压下进行谐振。变压器⑴激磁电感(Lm)电流及辅助电感(La)电流随时间线性上升。
[0049]开关模态4[t3,t4]:t3时刻,第一开关管(S1)关断,第一开关管(S1)和第二开关管
(52)处于死区时间内,谐振电感(Lr)电流与辅助电感(La)电流共同对第一开关管(S1)和第二开关管(S2)的结电容进行充放电,为第二开关管(S2)的ZVS开通做准备。本时段内,第四开关管(S4)、第五开关管(S5)和第八开关管(S8)处于导通状态。原边全桥电路(10)的桥臂中点电压vab*V1下降到O,副边全桥电路(30)的桥臂中点电压等于V2。变压器(T)激磁电感(Lm)电流及辅助电感(La)电流随时间线性上升。
[0050]开关模态5[t4,t5]:t4时刻,第二开关管(S2)实现ZVS开通。本时段内,第二开关管
(S2)、第四开关管(S4)、第五开关管(S5)和第八开关管(S8)处于导通状态。原边全桥电路
(10)的桥臂中点电压vab等于0,副边全桥电路(30)的桥臂中点电压id等于V2。变压器(T)激磁电感(Lm)电流继续上升,辅助电感(La)电流维持不变。
[0051]开关模态6[t5,t6]:t5时刻,第五开关管(S5)与第八开关管(S8)关断,第五开关管
(55)、第六开关管(S6)、第七开关管(S7)、第八开关管(S8)处于死区时间内。本时段内,第二开关管(S2)和第四开关管(S4)导通。原边全桥电路(10)的桥臂中点电压Vab等于0,副边全桥电路(30)的桥臂中点电压Vc^ V2下降到-v2。在U时刻,第六开关管(S6)和第七开关管(S7)实现ZVS开通。变压器(T)激磁电感(Lm)电流继续上升,辅助电感(La)电流维持不变。
[0052]另外半周期的工作模态与上述工作模态类似,这里不再叙述。根据上述工作过程的描述可知,本发明可以实现所有开关管的软开关,能够有效改善变换效率。
[0053]以上所述仅是本发明的优选实施方式,应当指出:对于本技术领域的普通技术人员来说,在不脱离本发明原理的前提下,还可以做出若干改进和润饰,这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。
【主权项】
1.一种双向谐振变换器,其特征在于: 所述双向谐振变换器由原边全桥电路(10)、辅助电感(U)、谐振电路(20)、变压器⑴和副边全桥电路(30)构成,其中原边全桥电路(10)由第一开关管(S1)、第二开关管(S2)、第三开关管(&)、第四开关管(S4)和第一电压源(V1)构成,谐振电路(20)由谐振电感(Lr)、谐振电容(Cr)构成,变压器(T)包含一个副边绕组(Ns)和一个原边绕组(Np),副边全桥电路(30)由第五开关管(S5)、第六开关管(S6)、第七开关管(S7)、第八开关管(S8)和第二电压源(V2)组成; 所述第一电压源(V1)的正极分别与第一开关管(S1)的漏极和第三开关管(S3)的漏极相连,第一开关管(S1)的源极分别连于第二开关管(S2)的漏极、谐振电感(Lr)的一端和辅助电感(La)的一端,谐振电感(Lr)的另一端连于谐振电容(Cr)的一端,谐振电容(Cr)的另一端连于变压器(T)原边绕组(Np)的同名端,变压器(T)原边绕组(Np)的非同名端连于第三开关管(53)的源极、第四开关管(S4)的漏极以及辅助电感(La)的另一端,第四开关管(S4)的源极连于第二开关管(S2)的源极和第一电压源(V1)的负极; 所述变压器(T)副边绕组(Ns)的同名端分别与第五开关管(S5)的源极和第六开关管(S6)的漏极相连,第五开关管(S5)的漏极分别连于第七开关管(S7)的漏极和第二电压源(V2)的正极,第二电压源(V2)的负极连接到第六开关管(S6)的源极和第八开关管(S8)的源极,第八开关管(S8)的漏极连接到变压器副边绕组(Ns)的非同名端。2.根据权利要求1所述的双向谐振变换器的控制方法,其特征在于:所述所有开关管开关频率固定,第一开关管(S1)与第二开关管(S2)互补导通,第三开关管(S3)与第四开关管(54)互补导通,第五开关管(S5)与第六开关管(S6)互补导通,第七开关管(S7)与第八开关管(S8)互补导通; 当第一电压源(V1)的电压高于第二电压源(V2)的电压时,副边全桥电路(30)中的第五开关管(S5)、第六开关管(S6)、第七开关管(S7)、第八开关管(S8)的占空比都等于0.5,第五开关管(S5)与第八开关管(S8)同时开通、同时关断,第六开关管(S6)与第七开关管(S7)同时开通、同时关断,原边全桥电路(10)中的开关管的控制方法采用以下三种控制方法中的任意一种: 第一控制方法:第一开关管(S1)、第二开关管(S2)、第三开关管(S3)、第四开关管(S4)的占空比都等于0.5,第一开关管(S1)和第二开关管(S2)的开通时刻分别超前于第四开关管(S4)和第三开关管(S3)的开通时刻相同的移相角,通过调节第一开关管(S1)与第四开关管(S4)开通时刻之间的移相角来调节所述双向谐振变换器所传输的功率的大小和方向,当功率由第一电压源(V1)传输到第二电压源(V2)时,通过减小第一开关管(S1)与第四开关管(S4)开通时刻之间的移相角来增加由第一电压源(V1)传输到第二电压源(V2)的功率,当功率由第二电压源(V2)传输到第一电压源(V1)时,通过增加第一开关管(S1)与第四开关管(S4)开通时刻之间的移相角来增加由第二电压源(V2)传输到第一电压源(Vl)的功率,第一开关管(S1)的开通时刻和第四开关管(S4)的开通时刻之间的中心线与第五开关管(S5)及第八开关管(S8)的开通时刻重合,第二开关管(S2)的开通时刻与第三开关管(S3)的开通时刻之间的中心线与第六开关管(S6)和第七开关(S7)管的开通时刻重合; 第二控制方法:第一开关管(S1)的占空比小于等于0.5,第一开关管(S1)与第三开关管(S3)的占空比相等,第二开关管(S2)与第四开关管(S4)的占空比相等,通过调节第一开关管(51)与第三开关管(S3)的占空比的大小来调节所述双向谐振变换器所传输的功率的大小和方向,当功率由第一电压源(V1)传输到第二电压源(V2)时,通过增加第一开关管(S1)与第三开关管(S3)的占空比来增加由第一电压源(V1)传输到第二电压源(V2)的功率,当功率由第二电压源(V2)传输到第一电压源(Vl)时,通过减小第一开关管(Si)与第三开关管(S3)的占空比来增加由第二电压源(V2)传输到第一电压源(V1)的功率,第一开关管(S1)与第四开关管(S4)的驱动信号的中心线重合,第二开关管(S2)与第三开关管(S3)的驱动信号的中心线重合,第一开关管(S1)的开通时刻和第四开关管(S4)的开通时刻之间的中心线与第五开关管(S5)及第八开关管(S8)的开通时刻重合,第二开关管(S2)的开通时刻与第三开关管(S3)的开通时刻之间的中心线与第六开关管(S6)和第七开关管(S7)开通时刻重合;第三控制方法:第一开关管(S1)的占空比大于等于0.5,第一开关管(S1)与第三开关管(S3)的占空比相等,第二开关管(S2)与第四开关管(S4)的占空比相等,通过调节第二开关管(52)与第四开关管(S4)的占空比的大小来调节所述双向谐振变换器所传输的功率的大小和方向,当功率由第一电压源(V1)传输到第二电压源(V2)时,通过增加第二开关管(S2)与第四开关管(S4)的占空比来增加由第一电压源(V1)传输到第二电压源(V2)的功率,当功率由第二电压源(V2)传输到第一电压源(Vl)时,通过减小第二开关管(S2)与第四开关管(S4)的占空比来增加由第二电压源(V2)传输到第一电压源(V1)的功率,第一开关管(S1)与第四开关管(S4)的驱动信号的中心线重合,第二开关管(S2)与第三开关管(S3)的驱动信号的中心线重合,第一开关管(S1)的开通时刻和第四开关管(S4)的开通时刻之间的中心线与第五开关管(S5)及第八开关管(S8)的开通时刻重合,第二开关管(S2)的开通时刻与第三开关管(S3)的开通时刻之间的中心线与第六开关管(S6)和第七开关管(S7)开通时刻重合; 当第二电压源(V2)的电压高于第一电压源(V1)的电压时,原边全桥电路(10)中的第一开关管(S1)、第二开关管(S2)、第三开关管(S3)、第四开关管(S4)的占空比都等于0.5,第一开关管(S1)与第四开关管(S4)同时开通、同时关断,第二开关管(S2)与第三开关管(S3)同时开通、同时关断,副边全桥电路(30)中的开关管的控制方法采用以下三种控制方法中的任意一种: 第一控制方法:第五开关管(S5)、第六开关管(S6)、第七开关管(S7)、第八开关管(S8)的占空比都等于0.5,第五开关管(S5)和第六开关管(S6)的开通时刻分别超前于第八开关管(S8)和第七开关管(S7)的开通时刻相同的移相角,通过调节第五开关管(S5)和第八开关管(S8)开通时刻之间的移相角来调节所述双向谐振变换器所传输的功率的大小和方向,当功率由第一电压源(V1)传输到第二电压源(V2)时,通过增加第五开关管(S5)与第八开关管(S8)开通时刻之间的移相角来增加由第一电压源(V1)传输到第二电压源(V2)的功率,当功率由第二电压源(V2)传输到第一电压源(Vl)时,通过减小第五开关管(S5)与第八开关管(S8)开通时刻之间的移相角来增加由第二电压源(V2)传输到第一电压源(V1)的功率,第五开关管(S5)的开通时刻和第八开关管(S8)的开通时刻之间的中心线与第一开关管(S1)及第四开关管(S4)的开通时刻重合,第六开关管(S6)的开通时刻和第七开关管(S7)的开通时刻之间的中心线与第二开关管(S2)及第三开关管(S3)的开通时刻重合; 第二控制方法:第五开关管(S5)的占空比小于等于0.5,第五开关管(S5)与第七开关管(S7)的占空比相等,第六开关管(S6)与第八开关管(S8)的占空比相等,通过调节第五开关管(S5)与第七开关管(S7)的占空比的大小来调节所述双向谐振变换器所传输的功率的大小和方向,当功率由第一电压源(V1)传输到第二电压源(V2)时,通过减小第五开关管(S5)与第七开关管(S7)的占空比来增加由第一电压源(V1)传输到第二电压源(V2)的功率,当功率由第二电压源(V2)传输到第一电压源(Vl)时,通过增加第五开关管(S5)与第七开关管(S7)的占空比来增加由第二电压源(V2)传输到第一电压源(V1)的功率,第五开关管(S5)与第八开关管(S8)的驱动信号的中心线重合,第六开关管(S6)与第七开关管(S7)的驱动信号的中心线重合,第五开关管(S5)的开通时刻和第八开关管(S8)的开通时刻之间的中心线与第一开关管(S1)及第四开关管(S4)的开通时刻重合,第六开关管(S6)的开通时刻与第七开关管(S7)的开通时刻之间的中心线与第二开关管(S2)及第三开关管(S3)开通时刻重合;第三控制方法:第五开关管(S5)的占空比大于等于0.5,第五开关管(S5)与第七开关管(S7)的占空比相等,第六开关管(S6)与第八开关管(S8)的占空比相等,通过调节第六开关管(S6)与第八开关管(S8)的占空比的大小来调节所述双向谐振变换器所传输的功率的大小和方向,当功率由第一电压源(V1)传输到第二电压源(V2)时,通过减小第六开关管(S6)与第八开关管(S8)的占空比来增加由第一电压源(V1)传输到第二电压源(V2)的功率,当功率由第二电压源(V2)传输到第一电压源(Vl)时,通过增加第六开关管(S6)与第八开关管(S8)的占空比来增加由第二电压源(V2)传输到第一电压源(V1)的功率,第五开关管(S5)与第八开关管(S8)的驱动信号的中心线重合,第六开关管(S6)与第七开关管(S7)的驱动信号的中心线重合,第五开关管(S5)的开通时刻和第八开关管(S8)的开通时刻之间的中心线与第一开关管(S1)及第四开关管(S4)的开通时刻重合,第六开关管(S6)的开通时刻与第七开关管(S7)的开通时刻之间的中心线与第二开关管(S2)及第三开关管(S3)开通时刻重合。
【文档编号】H02M3/155GK106026645SQ201610578503
【公开日】2016年10月12日
【申请日】2016年7月20日
【发明人】吴红飞, 李玥玮, 邢岩
【申请人】南京航空航天大学
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