一種含有源緩衝器的雙向隔離式DC‑DC變換器的製作方法
2024-04-01 07:16:05
本發明涉及dc-dc變換器領域，具體是一種含有源緩衝器的雙向隔離式dc-dc變換器。
背景技術：
隨著電動汽車的普及和發展，雙向dc-dc變換器可以調節逆變器的輸入電壓，還可以實現新能源汽車能量的雙向流動(如再生回饋制動)等，提升功率利用效果。因此，雙向dc-dc變換器在電動汽車中的用途越來越廣泛。
硬開關雙向dc-dc變換器在電流連續工作模式下會遇到嚴重問題，因為在有源開關器件關斷過程中反向恢復電流產生的電流尖峰對開關器件有極大的危害。隨著雙向dc-dc朝著大功率、高頻化的方向發展，軟開關技術變得尤為重要。
軟開關技術降低了開關器件的電壓電流應力，軟化器件的開關過程，減小了開關損耗，提高了變換器的工作效率，且極大的縮小了變換器的體積重量，提高了變換器的功率密度和動態性能。軟開關技術還減少了變換器對其他電子設備的電磁幹擾。
技術實現要素：
本發明提供了一種用於雙向能量流動情景下的軟開關技術，具體是含有源緩衝器的雙向隔離式dc-dc變換器，通過給原雙向dc-dc變換器的變壓器加一個額外的繞組，變換器所有開關都可以實現軟開關技術，降低了器件的開關損耗。
所述的雙向隔離式dc-dc變換器，包括輸入電路、輸出電路，諧振電路和變壓器；
變壓器包括繞組n1，n2和n3，以及額外繞組n4；
所述輸入電路包括：輸入電源u1，主開關管s1，二極體d1和二極體d3。
具體連接如下：
二極體d3與主開關管s1並聯連接後，與輸入電源u1、變壓器繞組n1形成迴路1；同時二極體d3與主開關管s1並聯連接後，與二極體d1，變壓器繞組n1和n2形成迴路2，二極體d1，d3的正極直接與變壓器繞組n1、n2相連。
所述輸出電路包括：負載，續流管s2，整流管s3，二極體d2，d4和d5，電容器c1，c2，電感器l1以及電阻r1。
具體連接如下：
電阻r1並聯電容c1後，串聯二極體d2和變壓器繞組n3，形成迴路1；二極體d2的負極與變壓器繞組n3相連；
二極體d5並聯續流管s2，二極體d4並聯整流管s3後，同時串聯變壓器繞組n3，形成迴路2；二極體d5的正極直接與變壓器繞組n3相連；二極體d4的正極直接與變壓器繞組n3相連。
電容器c2並聯負載後，串聯電感器l1以及二極體d4與整流管s3的並聯電路，直接連接變壓器繞組n3，形成迴路3；二極體d4的正極直接與變壓器繞組n3相連。
所述諧振電路包括：輔助開關s4，諧振輔助電感l2，諧振電容ca以及二極體d6。
具體連接如下：
二極體d6與輔助開關s4並聯，依次串聯諧振電容ca，諧振輔助電感l2，直接連接變壓器額外繞組n4；且二極體d6的正極與變壓器繞組n4直接相連。
所述的含有源緩衝器的雙向隔離式dc-dc變換器的工作過程如下：
當能量正向流動時，輸入電路中，主開關管s1進行開關動作控制所傳輸能量的大小；在輸出電路中，為了防止整流管s3和續流管s2同時導通造成輸出電路中產生貫穿電路，整流管s3和續流管s2輪流進行工作，從而使得能量能夠持續傳輸；根據主開關管s1，續流管s2，整流管s3的導通與否分為以下四個階段：
第一階段：主開關管s1和整流管s3導通，續流管s2關閉，此時等效電路等同傳統的單端正激式dc-dc變換器，輸入電流通過電源u1流入變壓器繞組n1，然後流入二極體d3與主開關管s1並聯連接的電路，電流流入二極體d3正極；輸出電路部分，變壓器繞組n3的感應電流按順時針依次通過電感l1，電容c2和負載的並聯電路，二極體d4與整流管s3的並聯電路，形成迴路；此階段二極體d1、d2、d3和d5中均無電流通過，電流流入二極體d4負極，電感l1對通過的輸出電流起到平滑波動的作用，電容c2對輸出電壓起到平滑波動的作用，輸出電路中電流線性上升，能量從輸入電路傳輸到輸出電路，此時諧振電路中無電流通過。
第二階段，主開關管s1，續流管s2和整流管s3都關閉，在輸入電路中沒有電流流過。輸出電路中二極體d2不導通，該通路無電流通過，此時續流管s2未導通，二極體d5導通，
變壓器繞組n3，電感l1，電容c2和負載的並聯電路，以及二極體d4與整流管s3的並聯電路組成的迴路中有電流通過，同時，二極體d5，電感l1，電容c2和負載的並聯電路組成的迴路中有電流通過。電流流入d4負極和d5負極。此時通過由變壓器繞組n3、電感l1、電容c2和負載的並聯電路，以及二極體d4與整流管s3的並聯電路組成的迴路的電流逐漸減少，通過二極體d5、電感l1、電容c2和負載並聯電路組成的迴路的電流則從零開始逐漸增大。開關s1，s3在關閉過程前，諧振電路中，開關s4導通，感應電流通過繞組n4，電感l2，電容ca，流入開關s4和二極體d6並聯的電路裡，這使得主開關管s1和整流管s3在關閉過程中，電流先逐漸下降到零，實現軟開關技術。
第三階段，主開關管s1，整流管s3關閉，續流管s2導通，輸入電路中無電流流過；輸出電路中，二極體d2和d4不導通，二極體d5與續流管s2的並聯電路中的電流由續流管s2中的mos管續流，電流流入二極體d5的負極和續流管s2，依次經過電感l1，電容c2和負載的並聯電路組成的迴路，電感l1對通過的輸出電流起到平滑波動的作用，電容c2對輸出電壓起到平滑波動的作用；這一階段通過二極體d5與續流管s2的並聯電路中的電流逐漸減小直到續流管s2被觸發關斷後結束；續流管s2在重新導通前，諧振電路中，輔助開關s4導通，感應電流通過繞組n4，電感l2，電容ca，二極體d6負極，諧振電路的電流觸發，使得續流管s2在重新導通前，兩端電壓，電流為零，實現軟開關技術。
第四階段，主開關管s1，續流管s2和整流管s3都關閉，輸入電路中無電流通過；輸出電路中，二極體d2和d4不導通，二極體d5與續流管s2的並聯電路中的電流由二極體d5續流，依次經過電感l1，電容c2和負載的並聯電路，電流流入二極體d5負極；迴路中電感l1對通過的輸出電流起到平滑波動的作用，電容c2對輸出電壓起到平滑波動的作用；這一階段持續直到主開關管s1被觸發導通結束，電路重新進入第一階段時的工作狀態；此時，諧振電路中，輔助開關s4開啟，電流與第三階段方向相反，二極體d6中無電流流過。
能量反向傳輸時分為兩個階段，等效電路類似於boost電路。
第一階段，續流管s2導通，主開關管s1和整流管s3關斷，輸入電路中無電流通過。輸出電路中，負載的放電電流經過電感l1後，電流線性增加，電能以電感磁能形式儲存在電感l1中。此時，輸出電路中從負載開始，電感l1，電容c2，開關s2有電流經過，其他元件中無電流經過。在本階段結束前，諧振電路中，輔助開關s4導通，電流依次通過繞組n4，輔助開關s4，電容ca和電感l2。在本階段末時，諧振電路使得流過續流管s2和整流管s3的電流為零，實現軟開關技術。
第二階段，主開關管s1和整流管s3導通，續流管s2關斷；輸出電路中，二極體d2、d4不導通，電感l1將儲存的磁能轉化為電能，與蓄電池一同放電，電流從負載和電感c2並聯的電路流出，經過電感l1，流入繞組n3和開關s3，實現從輸出端向輸入端放電；輸入電路部分，電流從繞組n1流出，依次經過輸入電源u1，流入二極體d3和開關s1的並聯電路，然後流入二極體d3負極。本階段末，諧振電路中，輔助開關s4導通，電流依次通過繞組n4，輔助開關s4，電容ca和電感l2。在本階段末時，諧振電路使得流過開關s2、s3的電流為零，實現軟開關技術。
通過控制諧振電路中輔助開關s4，使主開關管s1，續流管s2和s3整流管總能工作在軟開關狀態。
本發明的優點在於：
1)、一種含有源緩衝器的雙向隔離式dc-dc變換器，功率可以在輸入電路和輸出電路兩端雙向傳遞，隔離式設計通過繞組將輸入端和輸出端隔離，提高了安全性。通過在電路拓撲結構中加入整流管作用的開關s3和續流管作用的開關s2，實現了同步整流技術。
2)、一種含有源緩衝器的雙向隔離式dc-dc變換器，在輸出電路中，通過濾波環節電感l1和電容c2，對輸出功率進行濾波，提高了輸出功率質量。
3)一種含有源緩衝器的雙向隔離式dc-dc變換器，通過在開關管s1，s2，s3開通或關斷前，有源緩衝器工作一小段時間，使得開關管電流電壓為零，處於軟開關狀態，降低了開關的開通損耗。
4)一種含有源緩衝器的雙向隔離式dc-dc變換器，拓撲結構簡潔，應用元件價格低，系統成本低，工作效率高，且通過諧振電路控制實現軟開關技術，控制方法簡單，在工業應用中具有一定優勢。
5)一種含有源緩衝器的雙向隔離式dc-dc變換器，結構簡單，在應用軟開關技術的同時應用了同步整流技術，使得整個設計具有高效率、高控制性、低成本等特點。
附圖說明
圖1為本發明提供的含有源緩衝器的雙向隔離式dc-dc變換器的電路圖；
具體實施例
下面結合附圖對本發明的具體實施方法進行詳細說明。
所述的雙向隔離式dc-dc變換器，如圖1所示，包括輸入電路、輸出電路，諧振電路和變壓器；變壓器包括繞組n1，n2和n3，以及額外繞組n4；
諧振電路包含電感l2，電容ca，二極體d6，開關s4和繞組n4，通過對開關s4的控制，諧振電路實際上成為一個有源緩衝器，使得輸入電路與輸出電路中的開關均可以實現軟開關。
所述輸入電路包括：輸入電源u1，主開關管s1，二極體d1和二極體d3。
具體連接如下：
二極體d3與主開關管s1並聯連接後，與輸入電源u1、變壓器繞組n1形成迴路1；同時二極體d3與主開關管s1並聯連接後，與二極體d1，變壓器繞組n2和n1形成迴路2，二極體d1的正極直接與變壓器繞組n2相連，二極體d3的正極直接與變壓器繞組n1相連。
所述輸出電路包括：負載，續流管s2，整流管s3，二極體d2，d4和d5，電容器c1，c2，電感器l1以及電阻r1。
具體連接如下：
電阻r1並聯電容c1後，串聯二極體d2的正極和變壓器繞組n3，形成迴路1；二極體d2的負極與變壓器繞組n3相連；
二極體d5並聯續流管s2，二極體d4並聯整流管s3後，同時串聯變壓器繞組n3，形成迴路2；二極體d5的正極直接與變壓器繞組n3相連；二極體d4的正極直接與變壓器繞組n3相連。
電容器c2並聯負載後，串聯電感器l1以及二極體d4與整流管s3的並聯電路，直接連接變壓器繞組n3，形成迴路3；二極體d4的正極直接與變壓器繞組n3相連。
所述諧振電路包括：輔助開關s4，諧振輔助電感l2，諧振電容ca以及二極體d6。
具體連接如下：
二極體d6與輔助開關s4並聯，依次串聯諧振電容ca，諧振輔助電感l2，直接連接變壓器額外繞組n4；且二極體d6的正極與變壓器繞組n4直接相連。
所述的含有源緩衝器的雙向隔離式dc-dc變換器的工作過程如下：
當能量正向流動時，輸入電路中，主開關管s1進行開關動作控制所傳輸能量的大小；在輸出電路中，為了防止整流管s3和續流管s2同時導通造成輸出電路中產生貫穿電路，整流管s3和續流管s2輪流進行工作，從而使得能量能夠持續傳輸；根據主開關管s1，續流管s2，整流管s3的導通與否分為以下四個階段：
第一階段：主開關管s1和整流管s3導通，續流管s2關閉，此時等效電路等同傳統的單端正激式dc-dc變換器，輸入電流通過電源u1流入變壓器繞組n1，然後流入二極體d3與主開關管s1並聯連接的電路，電流流入二極體d3正極；輸出電路部分，變壓器繞組n3的感應電流按順時針依次通過電感l1，電容c2和負載的並聯電路，二極體d4與整流管s3的並聯電路，形成迴路；此階段二極體d1、d2、d3和d5中均無電流通過，電流流入二極體d4負極，電感l1對通過的輸出電流起到平滑波動的作用，電容c2對輸出電壓起到平滑波動的作用，輸出電路中電流線性上升，能量從輸入電路傳輸到輸出電路，此時諧振電路中無電流通過。
第二階段，主開關管s1，續流管s2和整流管s3都關閉，在輸入電路中沒有電流流過。輸出電路中二極體d2不導通，該通路無電流通過，此時續流管s2未導通，二極體d5導通，
變壓器繞組n3，電感l1，電容c2和負載的並聯電路，以及二極體d4與整流管s3的並聯電路組成的迴路中有電流通過；同時，二極體d5，電感l1，電容c2和負載的並聯電路組成的迴路中有電流通過。電流流入d4負極和d5負極。此時通過由變壓器繞組n3、電感l1、電容c2和負載的並聯電路，以及二極體d4與整流管s3的並聯電路組成的迴路的電流逐漸減少，通過二極體d5、電感l1、電容c2和負載並聯電路組成的迴路的電流則從零開始逐漸增大。開關s1，s3在關閉過程前，諧振電路中，開關s4導通，感應電流通過繞組n4，電感l2，電容ca，流入開關s4和二極體d6並聯的電路裡，這使得主開關管s1和整流管s3在關閉過程中，電流先逐漸下降到零，實現軟開關技術。
第三階段，主開關管s1，整流管s3關閉，續流管s2導通，輸入電路中無電流流過；輸出電路中，二極體d2和d4不導通，二極體d5與續流管s2的並聯電路中的電流由續流管s2中的mos管續流，電流流入二極體d5的負極和續流管s2，依次經過電感l1，電容c2和負載的並聯電路組成的迴路，通過負載的電流由mos管續流，直到s2被觸發關斷。該電路拓撲結構採用了同步整流技術，當輸出電路中，負載所需電流較大時，負載電流將通過導通電阻較小的mos管，從而避免電流通過二極體造成導通損耗過大。
電感l1對通過的輸出電流起到平滑波動的作用，電容c2對輸出電壓起到平滑波動的作用；這一階段通過二極體d5與續流管s2的並聯電路中的電流逐漸減小直到續流管s2被觸發關斷後結束；續流管s2在重新導通前，諧振電路中，輔助開關s4導通，感應電流通過繞組n4，電感l2，電容ca，二極體d6負極，諧振電路的電流觸發，使得續流管s2在重新導通前，兩端電壓，電流為零，實現軟開關技術。
第四階段，主開關管s1，續流管s2和整流管s3都關閉，輸入電路中無電流通過；輸出電路中，二極體d2和d4不導通，二極體d5與續流管s2的並聯電路中的電流由二極體d5續流，依次經過電感l1，電容c2和負載的並聯電路，電流流入二極體d5負極；迴路中電感l1對通過的輸出電流起到平滑波動的作用，電容c2對輸出電壓起到平滑波動的作用；這一階段持續直到主開關管s1被觸發導通結束，電路重新進入第一階段時的工作狀態；此時，諧振電路中，輔助開關s4開啟，電流與第三階段方向相反，二極體d6中無電流流過。
能量反向傳輸時分為兩個階段，等效電路類似於boost電路。
第一階段，續流管s2導通，主開關管s1和整流管s3關斷，輸入電路中無電流通過。輸出電路中，負載的放電電流經過電感l1後，電流線性增加，電能以電感磁能形式儲存在電感l1中。此時，輸出電路中從負載開始，電感l1，電容c2，開關s2有電流經過，其他元件中無電流經過。在本階段結束前，諧振電路中，輔助開關s4導通，電流依次通過繞組n4，輔助開關s4，電容ca和電感l2。在本階段末時，諧振電路使得流過續流管s2和整流管s3的電流為零，實現軟開關技術。
第二階段，主開關管s1和整流管s3導通，續流管s2關斷；輸出電路中，二極體d2、d4不導通，電感l1將儲存的磁能轉化為電能，與蓄電池一同放電，電流從負載和電感c2並聯的電路流出，經過電感l1，流入繞組n3和開關s3，實現從輸出端向輸入端放電；輸入電路部分，電流從繞組n1流出，依次經過輸入電源u1，流入二極體d3和開關s1的並聯電路，然後流入二極體d3負極。本階段末，諧振電路中，輔助開關s4導通，電流依次通過繞組n4，輔助開關s4，電容ca和電感l2。在本階段末時，諧振電路使得流過開關s2、s3的電流為零，實現軟開關技術。
通過控制諧振電路中輔助開關s4，使主開關管s1，續流管s2和s3整流管總能工作在軟開關狀態。
顯然，本領域技術人員可以對本發明的軟開關dc-dc變換器進行各種改動和變型而不脫離本發明的精神和範圍。這樣，倘若對本發明的這些修改和變型屬於本發明權利要求及其等同技術的範圍之內，則本發明也意圖包含這些改動和變型在內。