专利名称：耦合电感实现隔离型双向直流-直流变换器的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种双向直流-直流变换器，尤其是耦合电感实现隔离型双向直 流-直流变换器。
背景技术：
近年来，随着石油、煤等传统能源大量的消耗，能源的短缺和环境的污染已经成为 世界的焦点，可再生能源的发展和应用受到世界各国的广泛关注。在可再生能源发电系统 中，如风能、太阳能等可再生能源所产生的电能存在短时间内的波动问题，需要使用能量存 储系统使发电系统能量平稳输出。其中，能量存储系统的核心就是双向的直流_直流变换 器，可以在发电系统输出过多能量时存储多余能量于蓄电池等储能设备，而在发电系统输 出能量不足时输出功率，满足负载的需求。与此同时，出于对人身安全方面考虑，许多应用 场合都有电气隔离的要求，为延长蓄电池等储能设备使用寿命，需要减少低压电池侧纹波。 所以低输入纹波、高升压/降压、高效率的隔离型双向变换器在可再生能源发电领域里有 着重要的作用。常规的Buck-Boost型双向直流-直流变换器结构简单，应用广泛，但该变换器的 功率开关工作于硬开关状态，开关损耗较大，功率开关管的电压应力较大，低压侧电流纹波 大。常规的Buck-Boost型交错并联直流_直流双向变换器只在一定程度上减小了低压侧电 流的纹波，但是其它问题仍然存在。近年来相继出现了一些高升压/降压隔离型直流-直流 双向变换器，有建立于全桥拓扑的基础上，且增加有源箝位电路实现功率开关管的软开关， 所用开关管数量较多，且结构复杂；另外有提出了一种基于半桥结构的双向变换器，但需要 增加额外的控制电路来解决电容间的电压不平衡问题。中国专利CN1545195中公开了一种涉及正反激双向DC-DC变换器，由变压器次、初 级绕组Nsl与Npl相互耦合构成正激变压器T1 ；由另一变压器次、初级绕组Ns2与Np2相互耦 合构成反激变压器T2,两个次级绕组Nsl与Ns2各自串联开关管S1与S2后同时并联于输入 直流电源。两个初级绕组Npl与Np2串联后通过整流/逆变电路和直流电源V2并联。利用 有源箝位、RCD箝位、LCD箝位、ZVT复位等技术可组成一族双向变换器拓扑。但是，该技术仍有以下不足1、两个变压器处理的功率等级不同，导致变压器的损耗分配不均，功率开关管的 电压和电流应力不对称，增加了热管理的难度，影响了变换器的寿命；2、在该方案中，正激变压器不需要气隙，反激变压器需要增加较大气隙，增加了磁 性元件的设计复杂度，不利于工业化大规模生产；3、该方案中，正激变压器只在其对应开关管导通时向高压侧传递能量，而反激变 压器只在其对应开关管关断时向高压侧传递能量，导致变压器的利用率不高，增加了变压 器的体积，降低了系统功率密度；4、由于正激变压器和反激变压器的不对称性，难以实现电路的交错并联工作，影 响了系统功率等级的提高。
发明内容
本发明的目的是提供一种结构简单、低压侧电流纹波小的耦合电感实现隔离型双 向直流-直流变换器。为实现上述目的，本发明有以下两种技术解决方案方案1耦合电感实现隔离型双向直流_直流变换器，包括低压侧电路和高压侧电路；所述的低压侧电路包括两条有源箝位电路和两条与低压侧电源并联的支路，第 一条并联支路由第一低压侧绕组与带反并二极管的第一功率开关管串联构成，在第一功率 开关管两端并联第一并联电容，第二条并联支路由第二低压侧绕组与带反并二极管的第二 功率开关管串联构成，在第二功率开关管两端并联第二并联电容；第一有源箝位电路并联 在第一低压侧绕组两端或并联在第一功率开关管的源极和漏极上，其由带反并二极管的第 一辅助开关管和第一箝位电容串联构成；第二有源箝位电路并联在第二低压侧绕组两端或 并联在第二功率开关管的源极和漏极上，其由带反并二极管的第二辅助开关管和第二箝位 电容串联构成；所述的高压侧电路包括第一高压侧绕组、第二高压侧绕组、倍压电容、带反并二 极管的第三功率开关管、带反并二极管的第四功率开关管和高压侧电容，其中第一高压侧 绕组与第一低压侧绕组同为一个耦合电感中的两个绕组，第二高压侧绕组与第二低压侧绕 组同为另一个耦合电感中的两个绕组，以第一低压侧绕组和第二低压侧绕组中均与低压侧 电源同一极相连的那一端为参照端，第一高压侧绕组与第一低压侧绕组对应的同名端和第 二高压侧绕组与第二低压侧绕组对应的同名端相连，第一高压侧绕组的另一端与倍压电容 的一端相连，倍压电容的另一端与第三功率开关管的漏极和第四功率开关管的源极相连， 第四功率开关管的漏极与高压侧电容的一端相连，高压侧电容的另一端和第三功率开关管 的源极以及第二高压侧绕组的另一端共接，在第三功率开关管两端并联第三并联电容，在 第四功率开关管两端并联第四并联电容，高压侧电容并联高压侧电源。方案2耦合电感实现隔离型双向直流_直流变换器，包括低压侧电路和高压侧电路；所述的低压侧电路包括有源箝位电路和两条与低压侧电源并联的支路，第一条 并联支路由第一低压侧绕组与带反并二极管的第一功率开关管串联构成，在第一功率开关 管两端并联第一并联电容，第二条并联支路由第二低压侧绕组与带反并二极管的第二功率 开关管串联构成，在第二功率开关管两端并联第二并联电容；有源箝位电路由带反并二极 管的第一辅助开关管、带反并二极管的第二辅助开关管和箝位电容构成，其中第一辅助开 关管的源极和第一功率开关管的漏极相连，第二辅助开关管的源极和第二功率开关管的漏 极相连，第一辅助开关管的漏极和第二辅助开关管的漏极与箝位电容的一端相连，箝位电 容的另一端与第二功率开关管的源极相连或与第一低压侧绕组同低压侧上电源相连的那 端相连。所述的高压侧电路包括第一高压侧绕组、第二高压侧绕组、倍压电容、带反并二 极管的第三功率开关管、带反并二极管的第四功率开关管和高压侧电容，其中第一高压侧 绕组与第一低压侧绕组同为一个耦合电感中的两个绕组，第二高压侧绕组与第二低压侧绕组同为另一个耦合电感中的两个绕组，以第一低压侧绕组和第二低压侧绕组中均与低压侧 电源同一极相连的那一端为参照端，第一高压侧绕组与第一低压侧绕组对应的同名端和第 二高压侧绕组与第二低压侧绕组对应的同名端相连，第一高压侧绕组的另一端与倍压电容 的一端相连，倍压电容的另一端与第三功率开关管的漏极和第四功率开关管的源极相连， 第四功率开关管的漏极与高压侧电容的一端相连，高压侧电容的另一端和第三功率开关管 的源极以及第二高压侧绕组的另一端共接，在第三功率开关管两端并联第三并联电容，在 第四功率开关管两端并联第四并联电容，高压侧电容并联高压侧电源。本发明的耦合电感实现隔离型双向变换器，利用低压侧并联结构减小低压侧电流 的纹波，利用功率开关管上的并联电容实现功率开关管的零电压关断，利用耦合电感的漏 感实现功率开关管的零电压开通，利用辅助开关管及其反并二极管与箝位电容组成的有源 箝位电路实现了漏感能量的无损转移，利用两个耦合电感的高压侧绕组的串联结构实现了 变换器的高升压/降压，利用倍压电容进一步提高变换器的电压升压/降压比，电路结构简 单，所有功率开关工作于软开关状态，电路中无能量损耗元件，提高了变换器的效率，换流 过程中，开关器件无电压过冲。本发明通过共用磁路的方式，把两个耦合电感绕制在一个磁 元件上，减少了体积。
图1是方案1耦合电感实现隔离型双向直流-直流变换器的电路图；图2是方案1低压侧电路的另一种实施方式电路图；图3是方案2耦合电感实现隔离型双向直流_直流变换器的电路图；图4是方案2低压侧电路的另一种实施方式电路图；图5是本发明双向直流_直流变换器升压工作模态下工作过程波形图；图6是本发明双向直流_直流变换器降压工作模态下工作过程波形图。
具体实施例方式参见图1，本发明的耦合电感实现隔离型双向直流-直流变换器，包括低压侧电路 和高压侧电路；所述的低压侧电路包括两条有源箝位电路和两条与低压侧电源\并联的支路， 第一条并联支路由第一低压侧绕组Lla与带反并二极管D1的第一功率开关管S1串联构成， 在第一功率开关管S1两端并联第一并联电容Csi，第二条并联支路由第二低压侧绕组L2a与 带反并二极管D2的第二功率开关管S2串联构成，在第二功率开关管S2两端并联第二并联 电容Cs2 ；图1所示实例中，第一有源箝位电路并联在第一功率开关管S1的源极和漏极上，或 者也可以如图2所示，并联在第一低压侧绕组Lla两端。其由带反并二极管Dca的第一辅助 开关管Scl和第一箝位电容Ccl串联构成；图1所示实例中，第二有源箝位电路并联在第二功 率开关管S2的源极和漏极上，或者也可以如图2所示，并联在第二低压侧绕组L2a两端。其 由带反并二极管D。2的第二辅助开关管S。2和第二箝位电容C。2串联构成；所述的高压侧电路包括第一高压侧绕组Llb、第二高压侧绕组L2b、倍压电容Cs、带 反并二极管D3的第三功率开关管S3、带反并二极管D4的第四功率开关管S4和高压侧电容 C。，其中第一高压侧绕组Llb与第一低压侧绕组Lla同为一个耦合电感中的两个绕组，第二高压侧绕组L2b与第二低压侧绕组L2a同为另一个耦合电感中的两个绕组，以第一低压侧绕组 Lla和第二低压侧绕组L2a中均与低压侧电源\同一极相连的那一端为参照端，第一高压侧 绕组Llb与第一低压侧绕组Lla对应的同名端和第二高压侧绕组L2b与第二低压侧绕组L2a对 应的同名端相连，第一高压侧绕组Llb的另一端与倍压电容Cs的一端相连，倍压电容Cs的另 一端与第三功率开关管S3的漏极和第四功率开关管S4的源极相连，第四功率开关管S4的 漏极与高压侧电容C。的一端相连，高压侧电容C。的另一端和第三功率开关管S3的源极以 及第二高压侧绕组L2b的另一端共接，在第三功率开关管&两端并联第三并联电容Cs3，在第 四功率开关管S4两端并联第四并联电容Cs4，高压侧电容C。并联高压侧电源VH。参见图3，本发明的耦合电感实现隔离型双向直流-直流变换器，包括低压侧电路 和高压侧电路；所述的低压侧电路包括有源箝位电路和两条与低压侧电源\并联的支路，第一 条并联支路由第一低压侧绕组Lla与带反并二极管D1的第一功率开关管S1串联构成，在第 一功率开关管S1两端并联第一并联电容Csi，第二条并联支路由第二低压侧绕组L2a与带反 并二极管D2的第二功率开关管S2串联构成，在第二功率开关管S2两端并联第二并联电容 Cs2 ；有源箝位电路由带反并二极管Dcl的第一辅助开关管Sca、带反并二极管D。2的第二辅助 开关管s。2和箝位电容C。构成，其中第一辅助开关管Sca的源极和第一功率开关管S1的漏极 相连，第二辅助开关管s。2的源极和第二功率开关管S2的漏极相连，第一辅助开关管Sca的 漏极和第二辅助开关管s。2的漏极与箝位电容C。的一端相连，图3所示实例中，箝位电容C。 的另一端与第二功率开关管S2的源极相连，或者也可以如图4所示，箝位电容C。的另一端 与第一低压侧绕组Lla同低压侧电源\相连的那端相连。所述的高压侧电路包括第一高压侧绕组Llb、第二高压侧绕组L2b、倍压电容Cs、带 反并二极管D3的第三功率开关管S3、带反并二极管D4的第四功率开关管S4和高压侧电容 C。，其中第一高压侧绕组Llb与第一低压侧绕组Lla同为一个耦合电感中的两个绕组，第二高 压侧绕组L2b与第二低压侧绕组L2a同为另一个耦合电感中的两个绕组，以第一低压侧绕组 Lla和第二低压侧绕组L2a中均与低压侧电源\同一极相连的那一端为参照端，第一高压侧 绕组Llb与第一低压侧绕组Lla对应的同名端和第二高压侧绕组L2b与第二低压侧绕组L2a对 应的同名端相连，第一高压侧绕组Llb的另一端与倍压电容Cs的一端相连，倍压电容Cs的另 一端与第三功率开关管S3的漏极和第四功率开关管S4的源极相连，第四功率开关管S4的 漏极与高压侧电容C。的一端相连，高压侧电容C。的另一端和第三功率开关管S3的源极以 及第二高压侧绕组L2b的另一端共接，在第三功率开关管&两端并联第三并联电容Cs3，在第 四功率开关管S4两端并联第四并联电容Cs4，高压侧电容C。并联高压侧电源VH。本发明双向直流-直流变换器工作时，将初始的高低压直流电源接入双向直 流-直流变换器，根据采样所得的低压侧电流、低压侧电源电压、低压侧箝位电容电压和高 压侧电源电压等信号，使用移相加PWM的控制方法，通过DSP程序处理后得出第二功率开关 管的控制信号超前或滞后于第四功率开关管的控制信号，从而实现传输功率大小和方向的 控制。根据高低压电源电压幅值，计算出第一功率开关管、第二功率开关管、第一辅助开关 管和第二辅助开关的占空比，使得高压侧等效漏感两边的电压匹配。根据计算得到的每个 开关管占空比大小与相位关系，控制第一功率开关管、第二功率开关管、第一辅助开关管、 第二辅助开关、第三功率开关管和第四功率开关管的开通和关断。
其中，第一功率开关管和第二功率开关管的导通时间相等，相位相差180度，第一 辅助开关管和第一功率开关管的控制信号互补，并有共同关断的一小段时间作为死区时 间，第二辅助开关管和第二功率开关管的控制信号互补，并有共同关断的一小段时间作为 死区时间。第三功率开关管和第四功率开关管的控制信号互补，各为0. 5的固定占空比，并 有共同关断的死区时间。第二功率开关管的控制信号超前或滞后于与第四功率开关管的控 制信号，第一功率开关管的控制信号超前或滞后于第三功率开关管的控制信号。本发明的隔离型双向直流-直流变换器存在升压、降压两种工作模态。每种工作 模态可以分为六种工作过程，在升压模式下其工作过程为第二辅助开关管S。2关断与第二 功率开关管S2开通之间的换流过程；第一功率开关管S1关断与第一辅助开关管Sca开通之 间的换流过程；第三功率开关管S3关断与第四功率开关管S4开通之间的换流过程；第一辅 助开关管Scl关断与第一功率开关管S1开通之间的换流过程；第二功率开关管S2关断与第 二辅助开关管S。2开通之间的换流过程；第四功率开关管S4关断与第三功率开关管S3开通 之间的换流过程。图1 图4所示变换器的工作过程基本相同，以图1为例来说明变换器 的工作过程第二辅助开关管S。2关断与第二功率开关管S2开通之间的换流过程换流前，电路处于第二辅助开关管S。2导通，第二辅助开关管的反并二极管D。2关 断，第一功率开关管S1导通，第一功率开关管的反并二极管D1关断，第三功率开关管S3导 通，第三功率开关管的反并二极管D3关断，第一辅助开关管Scl及其反并二极管Dca关断，第 二功率开关管S2其反并二极管D2关断，第四功率开关管S4其反并二极管D4关断。当第二 辅助开关管S。2关断时，在变换器的低压侧，耦合电感的漏感与开关管的并联电容Cs2开始谐 振，随着并联电容Cs2的电压的下降，第二辅助开关管S。2的电压从零开始上升，即第二辅助 开关管S。2实现了零电压关断，当并联电容Cs2上的电压线性下降到零时，第二功率开关管& 的反并二极管D2导通，此时给出第二功率开关管S2的开通信号，就实现了第二功率开关管 S2零电压开通。在此过程中，在变换器的高压侧，第三功率开关管S3处于导通状态，能量从 第一、第二耦合电感转移到倍压电容Cs中。第一功率开关管S1关断与第一辅助开关管Sca开通之间的换流过程换流前，电路处于第一功率开关管S1导通，第一功率开关管的反并二极管D1关断， 第二功率开关管S2导通，第二功率开关管的反并二极管D2关断，第一辅助开关管Sca及其反 并二极管Dca关断，第二辅助开关管S。2及其反并二极管D。2关断，第三功率开关管S3导通， 第三功率开关管的反并二极管D3关断，第四功率开关管S4其反并二极管D4关断。当第一 功率开关管S1关断时，在变换器的低压侧，由于开关管并联电容Csl的作用，第一功率开关 管S1的电压从零开始以一定的斜率线性上升，因此第一功率开关管S1实现了零电压关断。 当第一功率开关管S1的电压超过第一箝位电容Cca的电压时，第一辅助开关管的反并二极 管Dca导通，第一耦合电感的漏感中的能量转移到第一箝位电容Cca中，在第一辅助开关管 的反并二极管Dcl导通后给出第一辅助开关管Scl的开通信号，而实现了第一辅助开关管Sca 的零电压开通，第一辅助开关管的反并二极管Dcl退出工作。在此过程中，在变换器的高压 侧，第三功率开关管S3处于仍旧处于导通状态，能量继续从第一、第二耦合电感转移到倍压 电容Cs中。第三功率开关管S3关断与第四功率开关管S4开通之间的换流过程
换流前，电路处于第二功率开关管S2导通，第二功率开关管的反并二极管D2关断， 第三功率开关管S3导通，第三功率开关管的反并二极管D3关断，第一辅助开关管Sel导通， 其反并二极管Dca关断，第二辅助开关管S。2及其反并二极管D。2关断，第一功率开关管S1其 反并二极管D1关断，第四功率开关管S4其反并二极管D4关断。第三功率开关管S3关断时， 在变换器的高压侧，由于开关管并联电容Cs3的作用，第三功率开关管S3的电压从零开始以 一定的斜率线性上升，因此第三功率开关管S3实现了零电压关断。当第三功率开关管S3的 电压超过高压侧电容C。的电压时，第四功率开关管S4的反并二极管D4导通，第一、二耦合 电感和倍压电容Cs的能量转移到高压侧电容C。中，在第四功率开关管S4的反并二极管D4 导通后，给出第四功率开关管S4的开通信号，从而实现了第四功率开关管S4的零电压开通， 第四功率开关管S4的反并二极管D4退出工作。第一辅助开关管Sca关断与第一功率开关管S1开通之间的换流过程由于电路的对称性，变换器低压侧的换流过程与第二辅助开关管S。2关断与第二 功率开关管S2开通之间的换流过程类似。第二功率开关管S2关断与第二辅助开关管S。2开通之间的换流过程由于电路的对称性，变换器低压侧的换流过程与第一功率开关管S1关断与第一辅 助开关管Sca开通之间的换流过程类似。第四功率开关管S4关断与第三功率开关管S3开通之间的换流过程由于电路的对称性，变换器高压侧的换流过程与第三功率开关管S3关断与第四功 率开关管S4开通之间的换流过程类似。图5是双向直流-直流变换器升压工作模态下工作过程波形图，图5中Φ表示移 相角，D表示占空比，图的上部分为各开关管的驱动波形占空比及相位关系示意图，图中的 、为高压侧耦合电感的电流波形，图中的θ ^至θ η表示一个开关周期中的时间点，Θ。
θ ！时间内是第二辅助开关管S。2关断与第二功率开关管S2开通之间的换流过程，Q1-Q3 时间内是第一功率开关管S1关断与第一辅助开关管Sca开通之间的换流过程，θ3 05时 间内是第三功率开关管S3关断与第四功率开关管S4开通之间的换流过程，θ5 θ7时间 内是第一辅助开关管Sca关断与第一功率开关管S1开通之间的换流过程，θ7 θ9时间内 第二功率开关管S2关断与第二辅助开关管5。2开通之间的换流过程，θ9 θ η时间内是第 四功率开关管S4关断与第三功率开关管S3开通之间的换流过程。图6是双向直流-直流变换器降压工作模态下工作过程波形图。在降压模式下其 工作过程为以下六个过程第二辅助开关管s。2关断与第二功率开关管S2开通之间的换流 过程；第一功率开关管S1关断与第一辅助开关管Sca开通之间的换流过程；第四功率开关管 S4关断与第三功率开关管S3开通之间的换流过程；第一辅助开关管Sca关断与第一功率开 关管S1开通之间的换流过程；第二功率开关管S2关断与第二辅助开关管s。2开通之间的换 流过程；第三功率开关管S3关断与第四功率开关管S4开通之间的换流过程。第二辅助开关管S。2关断与第二功率开关管S2开通之间的换流过程换流前，电路处于第二辅助开关管S。2导通，第二辅助开关管的反并二极管D。2关 断，第一功率开关管S1导通，第一功率开关管的反并二极管D1关断，第四功率开关管S4导 通，第四功率开关管的反并二极管D4关断，第一辅助开关管Scl及其反并二极管Dca关断，第 二功率开关管S2其反并二极管D2关断，第三功率开关管S3其反并二极管D3关断。当第二辅助开关管S。2关断时，在变换器的低压侧，耦合电感的漏感与开关管的并联电容Cs2开始谐 振，随着并联电容Cs2的电压的下降，第二辅助开关管S。2的电压从零开始上升，即第二辅助 开关管S。2实现了零电压关断，当并联电容Cs2上的电压线性下降到零时，第二功率开关管& 的反并二极管D2导通，此时给出第二功率开关管S2的开通信号，就实现了第二功率开关管 S2零电压开通。在此过程中，在变换器的高压侧，第四功率开关管S4处于导通状态，能量从 高压侧电源经过倍压电容Cs与第一、第二耦合电感转移到低压侧。第一功率开关管S1关断与第一辅助开关管Sca开通之间的换流过程换流前，电路处于第一功率开关管S1导通，第一功率开关管的反并二极管D1关断， 第二功率开关管S2导通，第二功率开关管的反并二极管D2关断，第一辅助开关管Sca及其反 并二极管Dca关断，第二辅助开关管S。2及其反并二极管D。2关断，第四功率开关管S4导通， 第四功率开关管的反并二极管D4关断，第三功率开关管S3其反并二极管D3关断。当第一 功率开关管S1关断时，在变换器的低压侧，由于开关管并联电容Csl的作用，第一功率开关 管S1的电压从零开始以一定的斜率线性上升，因此第一功率开关管S1实现了零电压关断。 当第一功率开关管S1的电压超过第一箝位电容Cca的电压时，第一辅助开关管的反并二极 管Dca导通，第一耦合电感的漏感中的能量转移到第一箝位电容Cca中，在第一辅助开关管 的反并二极管Dcl导通后给出第一辅助开关管Scl的开通信号，而实现了第一辅助开关管Sca 的零电压开通，第一辅助开关管的反并二极管Dcl退出工作。在此过程中，在变换器的高压 侧，第四功率开关管S4处于仍旧处于导通状态，能量继续从高压侧电源经过倍压电容Cs与 第一、第二耦合电感转移到低压侧。第四功率开关管S4关断与第三功率开关管S3开通之间的换流过程换流前，电路处于第二功率开关管S2导通，第二功率开关管的反并二极管D2关断， 第四功率开关管S4导通，第四功率开关管的反并二极管D4关断，第一辅助开关管Sca导通， 其反并二极管Dca关断，第二辅助开关管S。2及其反并二极管D。2关断，第一功率开关管S1其 反并二极管D1关断，第三功率开关管S3其反并二极管D3关断。第四功率开关管S4关断时， 在变换器的高压侧，由于开关管并联电容Cs4的作用，第四功率开关管S4的电压从零开始以 一定的斜率线性上升，因此第四功率开关管S4实现了零电压关断。当第三功率开关管S3的 电压线性下降到零时，第三功率开关管S3的反并二极管D3导通，此时给出第三功率开关管 S3的开通信号，从而实现了第三功率开关管S3的零电压开通，第三功率开关管S3的反并二 极管D3退出工作，倍压电容Cs的能量开始转移第一、二耦合电感中。第一辅助开关管Sca关断与第一功率开关管S1开通之间的换流过程由于电路的对称性，变换器低压侧的换流过程与第二辅助开关管S。2关断与第二 功率开关管S2开通之间的换流过程类似。第二功率开关管S2关断与第二辅助开关管S。2开通之间的换流过程由于电路的对称性，变换器低压侧的换流过程与第一功率开关管S1关断与第一辅 助开关管Sca开通之间的换流过程类似。第三功率开关管S3关断与第四功率开关管S4开通之间的换流过程由于电路的对称性，变换器高压侧的换流过程与第四功率开关管S4关断与第三功 率开关管S3开通之间的换流过程类似。图6的上部分为各开关管的驱动波形占空比及相位关系示意图，Φ表示移相角，D表示占空比，图中的、为高压侧耦合电感的电流波形，图中的θ ^至θ η表示一个开关周 期中的时间点，θ ^ Q1时间内是第二辅助开关管S。2*断与第二功率开关管S2开通之间 的换流过程，Q1-Q3时间内是第一功率开关管S1关断与第一辅助开关管Scl开通之间的 换流过程，θ3 Θ 5时间内是第四功率开关管S4关断与第三功率开关管S3开通之间的换 流过程，θ 5 Θ 7时间内是第一辅助开关管Scl关断与第一功率开关管S1开通之间的换流 过程，θ7 09时间内第二功率开关管&关断与第二辅助开关管5。2开通之间的换流过程， θ 9 θ H时间内是第三功率开关管S3关断与第四功率开关管S4开通之间的换流过程。
权利要求
耦合电感实现隔离型双向直流 直流变换器，其特征在于，包括低压侧电路和高压侧电路；所述的低压侧电路包括两条有源箝位电路和两条与低压侧电源(VL)并联的支路，第一条并联支路由第一低压侧绕组(L1a)与带反并二极管(D1)的第一功率开关管(S1)串联构成，在第一功率开关管(S1)两端并联第一并联电容(CS1)，第二条并联支路由第二低压侧绕组(L2a)与带反并二极管(D2)的第二功率开关管(S2)串联构成，在第二功率开关管(S2)两端并联第二并联电容(CS2)；第一有源箝位电路并联在第一低压侧绕组(L1a)两端或并联在第一功率开关管(S1)的源极和漏极上，其由带反并二极管(Dc1)的第一辅助开关管(Sc1)和第一箝位电容(Cc1)串联构成；第二有源箝位电路并联在第二低压侧绕组(L2a)两端或并联在第二功率开关管(S2)的源极和漏极上，其由带反并二极管(Dc2)的第二辅助开关管(Sc2)和第二箝位电容(Cc2)串联构成；所述的高压侧电路包括第一高压侧绕组(L1b)、第二高压侧绕组(L2b)、倍压电容(Cs)、带反并二极管(D3)的第三功率开关管(S3)、带反并二极管(D4)的第四功率开关管(S4)和高压侧电容(Co)，其中第一高压侧绕组(L1b)与第一低压侧绕组(L1a)同为一个耦合电感中的两个绕组，第二高压侧绕组(L2b)与第二低压侧绕组(L2a)同为另一个耦合电感中的两个绕组，以第一低压侧绕组(L1a)和第二低压侧绕组(L2a)中均与低压侧电源(VL)同一极相连的那一端为参照端，第一高压侧绕组(L1b)与第一低压侧绕组(L1a)对应的同名端和第二高压侧绕组(L2b)与第二低压侧绕组(L2a)对应的同名端相连，第一高压侧绕组(L1b)的另一端与倍压电容(Cs)的一端相连，倍压电容(Cs)的另一端与第三功率开关管(S3)的漏极和第四功率开关管(S4)的源极相连，第四功率开关管(S4)的漏极与高压侧电容(Co)的一端相连，高压侧电容(Co)的另一端和第三功率开关管(S3)的源极以及第二高压侧绕组(L2b)的另一端共接，在第三功率开关管(S3)两端并联第三并联电容(CS3)，在第四功率开关管(S4)两端并联第四并联电容(CS4)，高压侧电容(Co)并联高压侧电源(VH)。
2.耦合电感实现隔离型双向直流-直流变换器，其特征在于，包括低压侧电路和高压 侧电路；所述的低压侧电路包括有源箝位电路和两条与低压侧电源并联的支路，第一条 并联支路由第一低压侧绕组(Lla)与带反并二极管(D1)的第一功率开关管(S1)串联构成， 在第一功率开关管(S1)两端并联第一并联电容(Csi)，第二条并联支路由第二低压侧绕组 (L2a)与带反并二极管(D2)的第二功率开关管(S2)串联构成，在第二功率开关管(S2)两端 并联第二并联电容(Cs2)；有源箝位电路由带反并二极管(Dca)的第一辅助开关管(Sca)、带 反并二极管(D。2)的第二辅助开关管(S。2)和箝位电容(C。)构成，其中第一辅助开关管(Sca) 的源极和第一功率开关管(S1)的漏极相连，第二辅助开关管(S。2)的源极和第二功率开关 管(S2)的漏极相连，第一辅助开关管(Scl)的漏极和第二辅助开关管(S。2)的漏极与箝位电 容(C。)的一端相连，箝位电容(C。)的另一端与第二功率开关管(S2)的源极相连或与第一 低压侧绕组(Lla)同低压侧电源相连的那端相连。所述的高压侧电路包括第一高压侧绕组(Llb)、第二高压侧绕组(L2b)、倍压电容(Cs)、 带反并二极管(D3)的第三功率开关管(S3)、带反并二极管(D4)的第四功率开关管(S4)和 高压侧电容(C。)，其中第一高压侧绕组(Llb)与第一低压侧绕组(Lla)同为一个耦合电感中 的两个绕组，第二高压侧绕组(L2b)与第二低压侧绕组(L2a)同为另一个耦合电感中的两个绕组，以第一低压侧绕组(Lla)和第二低压侧绕组(L2a)中均与低压侧电源(VJ同一极相连 的那一端为参照端，第一高压侧绕组(Llb)与第一低压侧绕组(Lla)对应的同名端和第二高 压侧绕组(L2b)与第二低压侧绕组(L2a)对应的同名端相连，第一高压侧绕组(Llb)的另一端 与倍压电容(Cs)的一端相连，倍压电容(Cs)的另一端与第三功率开关管(S3)的漏极和第 四功率开关管(S4)的源极相连，第四功率开关管(S4)的漏极与高压侧电容(C。)的一端相 连，高压侧电容(C。)的另一端和第三功率开关管(S3)的源极以及第二高压侧绕组(L2b)的 另一端共接，在第三功率开关管(S3)两端并联第三并联电容(Cs3)，在第四功率开关管(S4) 两端并联第四并联电容(Cs4)，高压侧电容(C。)并联高压侧电源(Vh)。
全文摘要
本发明的耦合电感实现隔离型双向直流-直流变换器，包括四个带反向并联二极管和并联电容的功率开关管、两个带反向并联二极管的辅助开关管、两个箝位电容、一个开关电容和两个两绕组耦合电感。本发明利用低压侧并联结构减小低压侧电流的纹波，利用功率开关管上的并联电容实现功率开关管的零电压关断，利用耦合电感的漏感实现功率开关管的零电压开通，利用辅助开关管及其反并二极管与箝位电容组成的有源箝位电路实现了漏感能量的无损转移，利用两个耦合电感的高压侧绕组的串联结构实现了变换器的高升压/降压，电路结构简单，所有功率开关工作于软开关状态，电路中无能量损耗元件，提高了变换器的效率，换流过程中，开关器件无电压过冲。
文档编号H02M3/315GK101976953SQ20101028559
公开日2011年2月16日 申请日期2010年9月17日 优先权日2010年9月17日
发明者何湘宁, 吴海蒙, 李武华, 赵一 申请人:浙江大学