新型低成本隔离型Semi-Z变换器及其DPS调制方法

本发明属于电力电子直流变换器，涉及新型低成本隔离型semi-z变换器。本发明还涉及采用dps调制新型低成本隔离型semi-z变换器的方法。

背景技术：

1、近年来，随着新能源汽车、储能技术和充电技术的迅速发展，隔离型dc-dc变换器已成为备受关注的研究领域。其中，双有源桥电路由于其独特的优点，如高效、能量双向流动等，在通信电源、服务器电源以及不同功率的充电器等高效率电源中被广泛应用。此外，双有源桥变换器也已成为新能源双向电源领域中实现充放电的重要电路形式之一。

2、由于电动汽车需要从电网中获取大量电力以进行充电并且未来对于电动汽车充电桩的需求与日俱增，因此可靠性和成本对于电动汽车的性能和充电桩的普及至关重要。传统充电桩的电力电子变换器需要使用大量昂贵的高压元件，造成了隔离型dc-dc变换器使用更高成本的元器件，大大增加了制造成本。同时，由于其控制器件较多，造成了可靠性降低，增加了后期的维护和更换成本，为用户和运营商增加了大量的成本。

技术实现思路

1、本发明的目的是提供新型低成本隔离型semi-z变换器，解决了现有双有源桥变换器中控制器件多带来的成本高、可靠性差的问题；

2、本发明的另一个目的是提供采用dps调制新型低成本隔离型semi-z变换器的方法，应用传统的双有源桥的调制策略，并且变换器特性与双有源桥变换器相同，可作为双有源桥变换器的一种低成本、高可靠性的替代方案。

3、本发明所采用的技术方案是，新型低成本隔离型semi-z变换器，包括semi-z电路、整流电路、辅助电感和高频变压器组成，具体如下：

4、semi-z电路连接母线电容，整流电路连接滤波电容及负载，semi-z电路与整流电路并联，通过磁耦合方式连接所述semi-z电路与所述高频变压器、辅助电感连接于semi-z电路与高频变压器之间。

5、本发明第一个技术方案的特点还在于：

6、其中semi-z电路包括储能电容c1、储能电感l1和功率开关管q1、功率开关管q2；直流电源vin分别于功率开关管q1、储能电容c1和功率开关管q2串联，储能电感l1一端连接于直流电源vin与功率开关管q1之间，储能电感l1另一端连接于储能电容c1和功率开关管q2之间，辅助电感lr与semi-z电路并联；

7、其中辅助电感lr与高频变压器串联组成功率交换模块，功率交换模块通过磁耦合的方式连接全桥电路和整流电路；

8、其中整流电路包括依次串联的功率开关管q3、功率开关管q4、功率开关管q5和功率开关管q6，整流电路分别并联滤波电容c2和负载r0，高频变压器靠近整流电源的一侧分别连接于功率开关管q3、功率开关管q4和功率开关管q5和功率开关管q6之间。

9、本发明的第二个技术方案是，采用dps调制新型低成本隔离型semi-z变换器的方法，具体按以下步骤实施：

10、步骤1，建立新型低成本隔离型semi-z变换器；

11、步骤2，建立dps调制方法；

12、步骤3，在dps调制方法下的新型低成本隔离型semi-z变换器的传输功率和回流功率。

13、本发明第二个特点还在于：

14、其中步骤1新型低成本隔离型semi-z变换器采用新型低成本隔离型semi-z变换器；

15、其中步骤2具体为：

16、dps调制方法对应的工作模态具体为：原边semi-z电路的对角开关管之间存在一个移相比，采用半个开关周期内左边全桥内的移相比d1来表示，称其为内移相比；两个前桥后桥电路之间存在移相比，采用半个开关周期内左右桥的移相比d2来表示，称其为外移相比，0≤d1≤d2≤1；

17、其中步骤3具体为：

18、步骤3.1，在每两个时间段之间电感电流il存在如下关系：

19、

20、式中，il为辅助电感电流；l为电感；uh1、uh2分别为semi-z电路和全桥整流电路的桥电压；

21、步骤3.2，当变换器工作在稳定状态时，在一个开关周期内，il的平均值为零；对dps控制有：

22、il(t0)＝-il(t3)                    (2)

23、式中，一个周期模态内t0、t3为不同时刻；

24、步骤3.3，设pdps、qdps为dps控制下的传输功率和回流功率，根据dps控制下的工作模态，传输功率pdps表示为：

25、

26、式中，ths半周期；pdps为dps控制下的传输功率；u1和u2为变换器两侧的电压；f为开关频率；l为辅助电感值；n为高频变压器变比；d2为外移相比；d1为内移相比；

27、步骤3.4，根据回流功率的定义，qdps表示为

28、

29、其中，k≥1，0≤d1≤d2≤1，式中，电压调节比k＝u1/(nu2)≥1；

30、步骤3.6，将传输功率标幺化，取sps控制方式下的最大传输功率为标幺化功率pn，则有：

31、

32、式中，pn为标幺化功率；

33、步骤3.7，设pdps、qdps为dps控制下传输功率和回流功率的标幺值，有：

34、

35、本发明的有益效果是：

36、本发明的新型低成本隔离型dc-dc变换器能够通过semi-z电路和整流电路组成的dc-dc变换器达到前半桥使用semi-z电路，使得本发明相对于传统双有源桥dc-dc变换器降低了使用功率开关器件带来的较高成本，并且有效降低了电路复杂度和提高变换器的可靠性；同时，相对于传统双有源桥dc-dc变换器，本发明可以在保证调制方法相同的情况下，变换器特性与双有源桥变换器相同，可作为双有源桥变换器的一种低成本、高可靠性的替代方案；本发明的dps控制存在一个变量，即内移相比d1，使得传输功率的调节范围由单一曲线变为区域，调节范围扩大，灵活性增强；当传输功率一定时，存在无穷对(d1，d2)可供选择。

技术特征：

1.新型低成本隔离型semi-z变换器，其特征在于，包括semi-z电路、整流电路、辅助电感和高频变压器组成，具体如下：

2.根据权利要求1所述的新型低成本隔离型semi-z变换器，其特征在于，所述semi-z电路包括储能电容c1、储能电感l1和功率开关管q1、功率开关管q2；直流电源vin分别于功率开关管q1、储能电容c1和功率开关管q2串联，储能电感l1一端连接于直流电源vin与功率开关管q1之间，储能电感l1另一端连接于储能电容c1和功率开关管q2之间，辅助电感lr与semi-z电路并联。

3.根据权利要求1所述的新型低成本隔离型semi-z变换器，其特征在于，所述辅助电感lr与高频变压器串联组成功率交换模块，功率交换模块通过磁耦合的方式连接全桥电路和整流电路。

4.根据权利要求1所述的新型低成本隔离型semi-z变换器，其特征在于，所述整流电路包括依次串联的功率开关管q3、功率开关管q4、功率开关管q5和功率开关管q6，整流电路分别并联滤波电容c2和负载r0，高频变压器靠近整流电源的一侧分别连接于功率开关管q3、功率开关管q4和功率开关管q5和功率开关管q6之间。

5.采用dps调制新型低成本隔离型semi-z变换器的方法，其特征在于，具体按以下步骤实施：

6.根据权利要求5所述的采用dps调制新型低成本隔离型semi-z变换器的方法，其特征在于，所述步骤1新型低成本隔离型semi-z变换器采用权利要求1～5任一所述的新型低成本隔离型semi-z变换器。

7.根据权利要求5所述的采用dps调制新型低成本隔离型semi-z变换器的方法，其特征在于，所述步骤2具体为：

8.根据权利要求5所述的采用dps调制新型低成本隔离型semi-z变换器的方法，其特征在于，所述步骤3具体为：

技术总结
本发明公开了新型低成本隔离型Semi‑Z变换器，包括Semi‑Z电路、整流电路、辅助电感和高频变压器组成，Semi‑Z电路连接母线电容，整流电路连接滤波电容及负载，Semi‑Z电路与整流电路并联，通过磁耦合方式连接所述Semi‑Z电路与所述高频变压器、辅助电感连接于Semi‑Z电路与高频变压器之间，解决了现有双有源桥变换器中控制器件多带来的成本高、可靠性差的问题；本发明还公开了采用DPS调制新型低成本隔离型Semi‑Z变换器的方法，应用传统的双有源桥的调制策略，并且变换器特性与双有源桥变换器相同，可作为双有源桥变换器的一种低成本、高可靠性的替代方案。

技术研发人员：李宁,杨家林,张岩,卓超然,洪涵卓,安邦,张鑫
受保护的技术使用者：西安理工大学
技术研发日：
技术公布日：2024/2/29