一种半桥双向变换器结构及控制方法
【技术领域】
[0001 ]本发明涉及双向直流变换器，尤其涉及一种半桥双向变换器结构及控制方法。
【背景技术】
[0002] 双向变换器是能量可以在变换器的两侧双向流动的。由于在一套拓扑结构上，实 现了相当于2个单向变换器的功能，所以在需要能量双向流动的应用中，如直流微网、电 动汽车、微并网控制器等场合，可以大幅减小系统的体积和成本。典型的全桥双向变换器， 存在开关器件较多，控制方式相对复杂等缺点。为了进一步简化电路和降低控制的复杂程 度，提出一种半桥双向变换器结构及控制方法。半桥双向变换器使用2个开关器件，使得控 制方式变的简单。缺点是非隔离，但尤其适用于非隔离且要求成本低的应用场合。且传统的 双向变换器没有从根本上消除功率回流现象，使得功率器件、磁性元件的损耗增大，降低了 变换器工作效率，关键是功率回流现象的存在，严重影响了变换器的工作效率。
[0003] 为了改进上述控制方法的缺点，减小双向变换器的功率回流和电流应力，本发明 提出一种电感电流过零PWM控制方法。它完全消除了功率回流现象，且具有更小的电流应 力，同时简化了半桥开关管的驱动信号的关系，使得实现灵活性增强。
【发明内容】
[0004] 本发明提出了一种电感电流过零PffM控制方法，结合半桥拓扑结构，以解决现有技 术中的不足，完全消除了功率回流现象，提高了工作效率。
[0005] 本发明提出的电感电流过零控制，可以完全消除上述功率回流现象，从而提高功 率的传输效率。通过检测电感电流过零时刻，切断半桥中一开关管的电流传输路径，来阻止 功率回流现象的发生。下面具体从两个方面来分析电感电流过零控制的工作原理和工作状 态。讨论过程中都有条件U1>U2满足，一般在保证较高工作效率的情况下，有Ul电压为U2电 压的2到6倍。
[0006] 正向Ul侧到U2侧，变换器工作状态分析。假设变换器已工作于稳定状态，根据图2 所示的电感电流过零控制的工作原理波形，将变换器正向功率传输的工作状态分为2种状 ??τ O
[0007] 状态l:t〇-tl阶段。如图1和图2所示，在to时刻，Ql导通，Q2关断，此时的电感电流 iL为0,电感的端电压为U1-U2,那么导致电感中的电流iL从0开始逐渐增加。在此状态下，Ul 侧向U2侧正向传输功率，同时Ul侧向电感Ll中储能。
[0008] 状态2:tl-t2阶段。如图1和图2所示，在tl时刻，Ql关断，Q2导通，此时电感电流iL 为(UI-U2) Ton/L。电感的端电压为-U2，那么由于Q2导通，给电感电流的续流提供了通路，使 得电感中存储的能量继续正向送入U2侧。在tl-t2阶段中检测电感电流是否过零，若过零则 说明，储存在电感中的能量以完全送入U2侧，此刻Q2关断，以防止U2向Ll储能，即阻止功率 回流现象的发生。上述2种状态，描述了一个工作周期内，功率从Ul传送到U2侧的情况。
[0009] 反向U2侧到Ul侧，假设变换器已工作于稳定状态，根据图3所示的电感电流过零控 制的工作原理波形，将变换器反向功率传输的工作状态分为2种状态。
[0010] 状态阶段。如图1和图3所示，在tO时刻，Ql关断，Q2导通，此时的电感电流 iL为0,电感的端电压为-U2,那么导致电感中的电流iL从0开始逐渐向负方向增加。在此状 态下，U2侧向电感Ll中储能。
[0011] 状态2: tl-t2阶段。如图1和图3所示，在tl时刻，Ql导通，Q2关断，此时的电感电流 iL为(_U2)Ton/L。电感的端电压为U1-U2,那么Ql导通，给电感电流的续流提供了通路，使得 电感中存储的能量反向送到Ul侧。在tl-t2阶段中检测电感电流的是否过零，若过零则说 明，储存在电感中的能量以完全的送入Ul侧，此刻Ql关断，以防止Ul向Ll储能，即阻止功率 回流现象的发生。上述2种状态，描述了一个工作周期内，功率从U2传送到Ul侧的情况。
[0012] 本发明的优点：由于采用了电感电流过零检测，完全消除了双向变换器中的功率 回流现象，同时半桥结构使用开关元件少，其控制方式简单。
【附图说明】
[0013] 图1为本发明一实施例半桥双向变换器结构。
[0014] 图2为本发明一实施例正向功率传输拓扑中电压电流波形。
[0015] 图3为本发明一实施例反向功率传输拓扑中电压电流波形。
[0016] 图4为本发明一实施例正向传输功率和占空比D的关系。
[0017] 图5为本发明一实施例反向传输功率和占空比D的关系。
【具体实施方式】
[0018] 下面将结合附图对本发明做进一步说明。清楚完整的描述本发明实施例中的技术 方案。基于本发明的实施例，在本领域里的技术人员，若没有做出创造性的劳动前提下，则 所得出所有其他实施例都在本发明的保护范围内。
[0019] 本发明提出一种半桥双向变换器结构及控制方法，完全消除了功率回流现象，且 具有更小的电流应力，使用半桥拓扑结构，及电感电流过零控制。
[0020] 正向Ul侧到U2侧，如图1和图2所示，令t0=0 Jljtl=Ton
P1表示，U1侧通过电感L1对U2侧正向传送的功率值， 其中D=Ton/T为占空比，且0 < D < U2/U1J为工作频率。L为电感Ll的电感量。
[0021] 本发明又一实施例，带入具体的参数，来分析反向传输功率和占空比D的关系。令 Ul=400v，U2=100V，f=50KHz，电感Ll的电感量分别取200uH，300uH和400uH。得到图4。从图4 可以看到，随着占空比D的增大，正向的传输功率也在增大。而在其他的条件一定的情况下， 正向传输的最大功率值和电感Ll的电感量有关。即电感Ll的电感量越小，则正向传输的最 大功率值越大。
[0022] 反向U2侧到Ul侧，如图1和图3所示，令t0=0，则11 =Ton
P2表不，U2侧通过电感L1对U1侧反冋传迗的功率值， 其中D=Ton/T为占空比，且(I- 为工作频率。L为电感LI的电感量。
[0023]本发明又一实施例，带入具体的参数，来分析反向传输功率和占空比D的关系。令 Ul=400v，U2=100V，f=50KHz，电感Ll的电感量分别取200uH，300uH和400uH。得到图5,从图5 可以看到，随着占空比D的增大，反向的传输功率也在逐渐增大。而在其他条件一定的情况 下，反向传输的最大功率只和电感L1的电感量有关。即电感Ll的电感量越小，则反向传输的 最大功率值越大。
【主权项】
1. 一种半桥双向变换器结构及控制方法，其特征在于，包括:半桥拓扑结构，脉宽调制 PWM，电感电流过零检测，半桥中点串入电感，U1侧电压大于U2侧电压。2. 根据权利要求1所述一种半桥双向变换器结构及控制方法，其特征在于:Q1和Q2互补 导通，其导通时间由占空比决定，导通控制方式由传送功率的方向决定。3. 根据权利要求1所述一种半桥双向变换器结构及控制方法，其特征在于:使用了电感 电流过零检测控制，没有功率回流现象，提高了工作效率。4. 根据权利要求1所述一种半桥双向变换器结构及控制方法，其特征在于:U1侧向U2侧 传输正向功率和U2侧向U1侧传输反向功率，采用不同的控制方式。5. 根据权利要求1所述一种半桥双向变换器结构及控制方法，其特征在于:U1侧向U2侧 传输正向功率时，传输功率随占空比的增大而增大，且成平方关系。6. 根据权利要求1所述一种半桥双向变换器结构及控制方法，其特征在于:U2侧向U1侧 传输反向功率时，传输功率随占空比的增大而增大，且成平方关系。7. 根据权利要求1所述一种半桥双向变换器结构及控制方法，其特征在于:U1侧向U2侧 传输正向功率时，8. 根据权利要求1所述一种半桥双向变换器结构及控制方法，其特征在于:U2侧向U1侧 传输反向功率时
【专利摘要】本发明公开了一种半桥双向变换器结构及控制方法，为了从根本上消除功率回流现象，且减小双向变换器的电流应力，提出一种电感电流过零控制方法，与半桥拓扑结构配合使用。通过调节占空比，来控制传输功率的大小。通过切换不同的控制方式，来实现双向变换器两侧之间的功率传输及方向的控制。
【IPC分类】H02M3/155
【公开号】CN105680688
【申请号】CN201610216107
【发明人】魏腾飞
【申请人】魏腾飞
【公开日】2016年6月15日
【申请日】2016年4月10日