一种双有源桥变换器

1.本技术实施例涉及电压变换技术，尤指一种双有源桥变换器。


背景技术：

2.由于新能源发电具有间歇性、随机性与不稳定性的特点，会对给电网带来严重的冲击，对电网电能质量造成一定的影响，严重时甚至影响电网的稳定运行，因此，需要大量储能设备加入电网为波动的能量提供缓冲。在储能与直流母线间，隔离型双向dc-dc（直流-直流）变换器起到连接高压母线与低压储能的作用，起到电压转换、能量的双向控制、以及电气隔离的功能。
3.双有源桥（dual active bridge, dab）变换器是一种隔离dc-dc变换装置，在双有源桥拓扑结构中，变压器原副边两侧的整流/逆变单元的桥臂上下两个功率器件均采用有源开关管，直流电压经逆变得到高频的交流电，通过变压器原边侧绕组传输至副边侧，副边侧的高频交流电被整流为直流输出。双有源桥变换器不仅在分布式电源上有着应用，而且也是电力变换的核心部分，双有源桥变换器具有软开关特性和双向功率特性。
4.在低压侧和高压侧电压等级相差较大的场合，如光伏发电系统中，储能电池组的电压较低，而系统直流母线的电压则较高以满足后级逆变的需求，需要高电压转换装置以提升电压保证直流母线电压的稳定性。对于传统双有源桥式变换器来说，高压侧电压较高，使得高压侧的开关器件承受较大的电压应力。低压侧和高压侧电压相差较大，会增加隔离变压器的体积，影响变换器的软开关特性。故寻求一种解决高电压应力，高效的双向dc-dc（直流-直流）变换装置对推动心能源应用起到至关重要的作用。


技术实现要素：

5.本技术实施例提供了一种双有源桥变换器，能够减小高压侧的电压应力，适用于低压侧和高压侧电压相差较大的场合。
6.本技术实施例提供了一种双有源桥变换器，可以包括：第一有源直流变换器、第二有源直流变换器以及位于所述第一有源直流变换器和所述第二有源直流变换器之间的隔离变压器；所述第一有源直流变换器包括第一电源，所述第二有源直流变换器包括第二电源；所述第一电源的电压低于所述第二电源的电压；所述隔离变压器为多绕组变压器，第一侧为单绕组，第二侧为多绕组；所述第一有源直流变换器还包括：分别与所述第一电源和所述单绕组相连的全桥桥臂；所述第二有源直流变换器还包括串联连接的多个半桥桥臂，所述多个半桥桥臂分别与所述多绕组相连。
7.在本技术的示例性实施例中，所述第一电源的两端与所述全桥桥臂的两个输入端相连；
所述全桥桥臂的输出端与所述隔离变压器的第一侧相连。
8.在本技术的示例性实施例中，所述第一有源直流变换器还可以包括：第一电容和第一电感；所述第一电容与所述第一电源并联；所述第一电感串联于所述全桥桥臂的输出端与所述隔离变压器的第一侧的连接线路上。
9.在本技术的示例性实施例中，所述全桥桥臂可以包括：第一开关管、第二开关管、第三开关管和第四开关管；所述第一开关管的第二端和所述第二开关管的第一端串联；所述第三开关管的第二端和所述第四开关管的第一端串联；所述第一开关管的第一端和所述第三开关管的第一端相连；所述第二开关管的第二端和所述第四开关管的第二端相连；所述第一开关管的第一端和所述第二开关管的第二端作为所述全桥桥臂的输入端；所述第一开关管的第二端和所述第三开关管的第二端作为所述全桥桥臂的输出端。
10.在本技术的示例性实施例中，所述单绕组记作第一绕组；所述多绕组可以包括第二绕组和第三绕组；所述第二绕组和所述第三绕组的同名端反向串联。
11.在本技术的示例性实施例中，所述第二侧可以包括：第二电容和第三电容；所述第二电容与所述第二绕组串联，所述第三电容与所述第三绕组串联。
12.在本技术的示例性实施例中，所述多个半桥桥臂可以包括：第一半桥桥臂和第二半桥桥臂；所述第一半桥桥臂和所述第二半桥桥臂串联连接；所述第二电源与串联后的所述第一半桥桥臂和所述第二半桥桥臂并联；所述第二绕组的输出端与所述第一半桥桥臂的输入端相连；所述第三绕组的输出端与所述第二半桥桥臂的输入端相连。
13.在本技术的示例性实施例中，所述第二有源直流变换器还可以包括：第四电容和第五电容；所述第四电容与所述第一半桥桥臂并联；所述第五电容与所述第二半桥桥臂并联。
14.在本技术的示例性实施例中，所述第一半桥桥臂可以包括：第五开关管和第六开关管；所述第五开关管的第二端与所述第六开关的第一端相连；所述第五开关管的第一端与所述第六开关的第二端作为所述第一半桥桥臂的输出端；所述第五开关管的第二端与所述第六开关的第二端作为所述第一半桥桥臂的输入端。
15.在本技术的示例性实施例中，所述第二半桥桥臂可以包括：第七开关管和第八开
关管；所述第七开关管的第二端与所述第八开关管的第一端相连；所述第七开关管的第一端与所述第八开关管的第二端作为所述第二半桥桥臂的输出端；所述第七开关管的第一端与所述第八开关管的第一端作为所述第二半桥桥臂的输入端。
16.与相关技术相比，本技术实施例的双有源桥变换器，可以包括：第一有源直流变换器、第二有源直流变换器以及位于所述第一有源直流变换器和所述第二有源直流变换器之间的隔离变压器；所述第一有源直流变换器包括第一电源，所述第二有源直流变换器包括第二电源；所述第一电源的电压低于所述第二电源的电压；所述隔离变压器为多绕组变压器，第一侧为单绕组，第二侧为多绕组；所述第一有源直流变换器还包括：分别与所述第一电源和所述单绕组相连的全桥桥臂；所述第二有源直流变换器包括串联连接的多个半桥桥臂，所述多个半桥桥臂分别与所述多绕组相连。通过该实施例方案，减小了高压侧的电压应力，适用于低压侧和高压侧电压相差较大的场合。
17.本技术的其它特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分地从说明书中变得显而易见，或者通过实施本技术而了解。本技术的其他优点可通过在说明书以及附图中所描述的方案来实现和获得。
附图说明
18.附图用来提供对本技术技术方案的理解，并且构成说明书的一部分，与本技术的实施例一起用于解释本技术的技术方案，并不构成对本技术技术方案的限制。
19.图1为本技术实施例的自动均压型双有源桥变换器组成框图；图2为本技术实施例的自动均压型双有源桥变换器结构示意图；图3为本技术实施例的双有源变换器在单移相控制、正向功率传输情况下的分析示意图。
具体实施方式
20.本技术描述了多个实施例，但是该描述是示例性的，而不是限制性的，并且对于本领域的普通技术人员来说显而易见的是，在本技术所描述的实施例包含的范围内可以有更多的实施例和实现方案。尽管在附图中示出了许多可能的特征组合，并在具体实施方式中进行了讨论，但是所公开的特征的许多其它组合方式也是可能的。除非特意加以限制的情况以外，任何实施例的任何特征或元件可以与任何其它实施例中的任何其他特征或元件结合使用，或可以替代任何其它实施例中的任何其他特征或元件。
21.本技术包括并设想了与本领域普通技术人员已知的特征和元件的组合。本技术已经公开的实施例、特征和元件也可以与任何常规特征或元件组合，以形成由权利要求限定的独特的发明方案。任何实施例的任何特征或元件也可以与来自其它发明方案的特征或元件组合，以形成另一个由权利要求限定的独特的发明方案。因此，应当理解，在本技术中示出和/或讨论的任何特征可以单独地或以任何适当的组合来实现。因此，除了根据所附权利要求及其等同替换所做的限制以外，实施例不受其它限制。此外，可以在所附权利要求的保
护范围内进行各种修改和改变。
22.此外，在描述具有代表性的实施例时，说明书可能已经将方法和/或过程呈现为特定的步骤序列。然而，在该方法或过程不依赖于本文所述步骤的特定顺序的程度上，该方法或过程不应限于所述的特定顺序的步骤。如本领域普通技术人员将理解的，其它的步骤顺序也是可能的。因此，说明书中阐述的步骤的特定顺序不应被解释为对权利要求的限制。此外，针对该方法和/或过程的权利要求不应限于按照所写顺序执行它们的步骤，本领域技术人员可以容易地理解，这些顺序可以变化，并且仍然保持在本技术实施例的精神和范围内。
23.本技术实施例提供了一种双有源桥变换器，如图1所示，可以包括：第一有源直流变换器1、第二有源直流变换器2以及位于所述第一有源直流变换器1和所述第二有源直流变换器2之间的隔离变压器3；所述第一有源直流变换器1包括第一电源v1，所述第二有源直流变换器2包括第二电源v2；所述第一电源v1的电压低于所述第二电源v2的电压；所述隔离变压器3为多绕组变压器，第一侧为单绕组31，第二侧为多绕组32；所述第一有源直流变换器1还包括：分别与所述第一电源v1和所述单绕组相连的全桥桥臂11；所述第二有源直流变换器2还包括串联连接的多个半桥桥臂21，所述多个半桥桥臂21分别与所述多绕组32相连。
24.在本技术的示例性实施例中，提出了一种新型自动均压型双有源桥变换器，在传统双有源桥式变换器的基础上，通过改变变换器的拓扑结构，提出的双有源桥式变换器的高压侧开关管具有较低的电压应力。
25.在本技术的示例性实施例中，该新型自动均压型双有源桥变换器可适用于低压侧和高压侧电压相差较大的高增益场合，相较于传统双有源桥式变换器，其具有更好的性能，以解决在新能源系统中应用的高应力、低功率密度问题。
26.在本技术的示例性实施例中，v1为低电压测电源，v2为高压侧电源。
27.在本技术的示例性实施例中，如图2所示，所述第一有源直流变换器1还可以包括：全桥桥臂；所述第一电源v1的两端与所述全桥桥臂的两个输入端相连；所述全桥桥臂的输出端与所述隔离变压器3的第一侧相连。
28.在本技术的示例性实施例中，所述第一有源直流变换器1还可以包括：第一电容c1和第一电感lr；所述第一电容c1与所述第一电源v1并联；所述第一电感lr串联于所述全桥桥臂的输出端与所述隔离变压器3的第一侧的连接线路上。
29.在本技术的示例性实施例中，c1为低压侧电感，lr为辅助储能电感。
30.在本技术的示例性实施例中，相较于传统双有源桥式变换器，在变换器参数相同时，在实现相同功率传输条件下，本技术实施例方案所提出的双有源桥式变换器的辅助电感大小可以仅为传统双有源桥式变换器的一半。
31.在本技术的示例性实施例中，所述全桥桥臂可以包括：第一开关管s1、第二开关管s2、第三开关管s3和第四开关管s4；
所述第一开关管s1的第二端和所述第二开关管s2的第一端串联；所述第三开关管s3的第二端和所述第四开关管s4的第一端串联；所述第一开关管s1的第一端和所述第三开关管s3的第一端相连；所述第二开关管s2的第二端和所述第四开关管s4的第二端相连；所述第一开关管s1的第一端和所述第二开关管s2的第二端作为所述全桥桥臂的输入端；所述第一开关管s1的第二端和所述第三开关管s3的第二端作为所述全桥桥臂的输出端。
32.在本技术的示例性实施例中，低压侧开关管s1和s4互补导通，s2和s3互补导通。控制方式可采用单移相控制（single-phase shift，sps）和/或拓展移相控制（extended-phase shift，eps）。
33.在本技术的示例性实施例中，所述单绕组记作第一绕组；所述多绕组可以包括第二绕组和第三绕组；所述第二绕组和所述第三绕组的同名端反向串联。
34.在本技术的示例性实施例中，隔离变压器可以为三绕组变压器，一次侧（即第一侧）为单绕组，二次侧（即第二侧）可以为双绕组，该双绕组的同名端反向串联。
35.在本技术的示例性实施例中，第一绕组、第二绕组和第三绕组之间的电压比可以为n:1:1。
36.在本技术的示例性实施例中，所述第二侧可以包括：第二电容cr1和第三电容cr2；所述第二电容cr1与所述第二绕组串联，所述第三电容cr2与所述第三绕组串联。
37.在本技术的示例性实施例中，所述多个半桥桥臂可以包括：第一半桥桥臂和第二半桥桥臂。
38.在本技术的示例性实施例中，所述第一半桥桥臂可以包括：第五开关管s5和第六开关管s6；所述第五开关管s5的第二端与所述第六开关s6的第一端相连；所述第五开关管s5的第一端与所述第六开关s6的第二端作为所述第一半桥桥臂的输出端；所述第五开关管s5的第二端与所述第六开关s6的第二端作为所述第一半桥桥臂的输入端。
39.在本技术的示例性实施例中，所述第二半桥桥臂可以包括：第七开关管s7和第八开关管s8；所述第七开关管s7的第二端与所述第八开关管s8的第一端相连；所述第七开关管s7的第一端与所述第八开关管s8的第二端作为所述第二半桥桥臂的输出端；所述第七开关管s7的第一端与所述第八开关管s8的第一端作为所述第二半桥桥臂的输入端。
40.在本技术的示例性实施例中，二次侧可以包括电容cr1、cr2，并由4个开关管s5、s6、s7、s8堆叠（即两个桥臂串联），组成开关管串联结构。
41.在本技术的示例性实施例中，高压侧开关管s5和s7互补导通，s6和s8互补导通。控
制方式可采用单移相控制（single-phase shift，sps）和/或拓展移相控制（extended-phase shift，eps）。
42.在本技术的示例性实施例中，所述第一半桥桥臂和所述第二半桥桥臂串联连接；所述第二电源与串联后的所述第一半桥桥臂和所述第二半桥桥臂并联；所述第二绕组的输出端与所述第一半桥桥臂的输入端相连；所述第三绕组的输出端与所述第二半桥桥臂的输入端相连。
43.在本技术的示例性实施例中，所述第二有源直流变换器还可以包括：第四电容c21和第五电容c22；所述第四电容c21与所述第一半桥桥臂并联；所述第五电容c22与所述第二半桥桥臂并联。
44.在本技术的示例性实施例中，以本技术实施例方案的图2所示的双有源变换器在单移相控制、正向功率传输情况为例进行分析，其主要原理波形图可以如图3所示。功率传输特性为：，相较于传统双有源桥式变换器，在相同匝比（传统双有源桥变换器二次侧为一个线圈，故匝比做折算，为n/2），相同传输功率的情况下，本技术实施例方案所提的辅助电感lr的大小仅为传统双有源桥式变换器的一半。而高压侧开关管s5、s6、s7、s8的最大电压应力，也仅为高压侧电压v2的一半，也为传统双有源桥式变换器的一半。
45.在本技术的示例性实施例中，下面为图3中的符号说明：vg1(3)为开关管s1和开关管s3的驱动信号；vg2(4)为开关管s2和开关管s4的驱动信号；vg5(7)为开关管s5和开关管s7的驱动信号；vg6(8)为开关管s6和开关管s8的驱动信号；d为半个开关周期的移相比；ts=1/f为半个开关周期时间；vab为变压器一次侧的交流电压；vcd为变压器二次侧上桥臂的交流电压；vde为变压器二次侧下桥臂的交流电压；vlr为辅助电感lr两端电压；ilr为辅助电感lr上电流。
46.在本技术的示例性实施例中，根据隔离变压器的特性，辅助电容cr1和cr2的电压应力为高压侧电压v2的四分之一，而高压侧电容c21和c22的电压应力为高压侧电压v2的一半，两电容均分电压，实现了自动均压特性。
47.在本技术的示例性实施例中，相比传统双有源桥式变换器，本技术实施例方案至少包括以下优点：1、本技术实施例方案的新型自动均压型双有源桥变换器采用高压侧开关管层叠结构，减小了开关管的最大电压应力。
48.2、本技术实施例方案采用自动均压结构，高压侧层叠电容的电压自动均衡。
49.3、本技术实施例方案的新型自动均压型双有源桥变换器在相同传输功率条件下，可采用小的辅助电感。
50.4、本技术实施例方案所提新型自动均压型双有源桥变换器，更易适用于低压侧和高压侧电压相差较大的场合。
51.本领域普通技术人员可以理解，上文中所公开方法中的全部或某些步骤、系统、装置中的功能模块/单元可以被实施为软件、固件、硬件及其适当的组合。在硬件实施方式中，
在以上描述中提及的功能模块/单元之间的划分不一定对应于物理组件的划分；例如，一个物理组件可以具有多个功能，或者一个功能或步骤可以由若干物理组件合作执行。某些组件或所有组件可以被实施为由处理器，如数字信号处理器或微处理器执行的软件，或者被实施为硬件，或者被实施为集成电路，如专用集成电路。这样的软件可以分布在计算机可读介质上，计算机可读介质可以包括计算机存储介质（或非暂时性介质）和通信介质（或暂时性介质）。如本领域普通技术人员公知的，术语计算机存储介质包括在用于存储信息（诸如计算机可读指令、数据结构、程序模块或其他数据）的任何方法或技术中实施的易失性和非易失性、可移除和不可移除介质。计算机存储介质包括但不限于 ram、rom、eeprom、闪存或其他存储器技术、cd-rom、数字多功能盘（dvd）或其他光盘存储、磁盒、磁带、磁盘存储或其他磁存储装置、或者可以用于存储期望的信息并且可以被计算机访问的任何其他的介质。此外，本领域普通技术人员公知的是，通信介质通常包含计算机可读指令、数据结构、程序模块或者诸如载波或其他传输机制之类的调制数据信号中的其他数据，并且可包括任何信息递送介质。