一種基於移向全橋和同步整流的雙向直流變換器的製造方法
2024-03-08 04:49:15
一種基於移向全橋和同步整流的雙向直流變換器的製造方法
【專利摘要】本發明提供一種基於移向全橋和同步整流的雙向直流變換器，包括變壓器高壓側的全橋變換電路和低壓側的推挽電路，在全橋變換電路的第一功率開關管和第二功率開關管之間設置第一正向輔助開關電路，在第三功率開關管和第四功率開關管之間設置第二正向輔助開關電路；在推挽電路的第五功率開關管和第六功率開關管之間設置反向輔助開關電路。本發明提供的一種基於移向全橋和同步整流的雙向直流變換器，其功率密度高、輸出端整流管損耗小、輸入輸出直流電壓穩定、可靠性高、功率密度高、性能穩定、能夠實現功率的雙向流通。
【專利說明】一種基於移向全橋和同步整流的雙向直流變換器
【技術領域】
[0001]本發明屬於電力電子變換技術，特別是一種基於移向全橋和同步整流的高頻隔離雙向直流變換器。
【背景技術】
[0002]雙向直流變換器(BDC)就是在保持輸入、輸出電壓極性不變的情況下，根據具體需要改變電流的方向，實現雙象限運行的雙向直-直變換器，相比於我們所熟悉的單向DC/DC變換器實現了能量的雙向傳輸。目前，雙向直流變換在電池的充放電、電動汽車、不間斷電源系統、電力系統、航空電源系統等場合得到越來越多的應用
[0003]實際上，要實現能量的雙向傳輸，也可以通過將兩臺單向DC/DC變換器反並聯連接，由於單向變換器主功率傳輸通路上一般都需要二極體，因此單個變換器能量的流通方向仍是單向的，且這樣的連接方式會使系統體積和重量龐大，效率低下，且成本高。所以，最好的方式就是通過一臺變換器來實現能量的雙向流動，BDC就是通過將單向開關和二極體改為雙向開關，再加上合理的控制來實現能量的雙向流動。
[0004]在20世紀80年代初期，由於人造衛星太陽能電源系統的體積和重量很大，美國學者提出了用雙向Buck/Boost直流變換器來代替原有的充、放電器，從而實現匯流條電壓的穩定。之後，發表了大量文章對人造衛星應用蓄電池調節器進行了系統的研究，並應用到了實體中。1994年，香港大學陳清泉教授將雙向直流變換器應用到了電動車上，同年，F.Caricchi等教授研製成功了用20kW水冷式雙向直流變換器應用到電動車驅動，由於雙向直流變換器的輸入輸出電壓極性相反，不適合應用於電動車，所以他提出了一種Buck-Boost級聯型雙向直流變換器，其輸入輸出的負端共用。1998年，美國維吉尼亞大學李澤元教授開始研究雙向直流變換器在燃料電池上的配套應用。可見，航天電源和電動車輛的技術更新對雙向直流變換器的發展應用具有很大的推動力，而開關直流變換器技術為雙向DC/DC變換器的發展奠定了基礎。1994年，澳大利亞Felix A.Himmelstoss發表論文，總結出了非隔離雙向直流變換器的拓撲結構，在單管直流變換器的開關管上反並聯二極體，在二極體上反並聯開關管，從而構成四種不隔離的雙向直流變換器:BUCk-B00St、BUCk/BoostXuk和Sep1-Zeta雙向直流變換器。隔離式雙向直流變換器有正激、反激、推挽和橋式等拓撲結構。反激式變換器是基於Buck/Boost直流變換器設計的，電路結構對稱，相比之下更易於構成雙向直流變換器。但普通的反激式變換器容易產生電壓尖峰和振蕩，2001年陳剛博士提出了有源嵌位雙向反激式直流變換器，有效地消除了電壓尖峰和振蕩，並且使得開關管可以零電流開關，降低了開關器件的電壓應力。
[0005]推挽式變換器的電路結構也具有對稱性，且結構簡單，但存在變壓器的漏感和偏磁，使得變換器的應用受到了限制。所以有研究人員提出，當輸入電壓和輸出電壓相差比較大時，可以應用由推挽式變換器和半橋式變換器組成的混合變換器。常用的橋式直流變換器一般有兩種電路:一種是雙有源橋式變換器，電路結構具有對稱性，兩直流電源間能量傳輸的方向和大小可以通過相位角的控制來改變；另外一種是由電壓源型橋式直流變換器與電流源型直流變換器組成，且這兩種電路都可以實現軟開。浙江大學的徐德鴻等對移相控制軟開關和複合有源鉗位雙向直流變換器進行了深入地研究。
[0006]2004年南京航空航天大學張方華博士對推挽正激移相式雙向DC-DC變換器、級聯式雙向DC-DC變換器、正反激組合式雙向DC-DC變換器做了深入的研究。提出了許多新型的適合於雙向變換應用場合的應用電路，研究了其控制模型，通過雙向控制模型的分析，採用PID補償環節的單電壓閉環實現了系統閉環穩定。
[0007]雙向同步直流變換器的研究是近年來開關電源技術研究的一個熱點。2006年梁永春博士深入分析了由雙向反激式直流變換器並聯輸入串聯輸出構成的反激逆變器，提出了一種同步整流的控制方案，極大地簡化了高頻鏈逆變器的控制，使得整流二極體的導通損耗大幅度降低，整機的效率提高達到了 85.8%。
[0008]傳統中大功率的雙向DC變換器拓撲結構多樣化，但是均面臨由於電流較大造成轉換效率的低下的問題，如果通過採取同步整流來降低續流管的損耗，又會增加驅動信號，控制難度又要加大。
【發明內容】
[0009]為了克服現有技術所存在的問題，本發明提供一種功率密度高、輸出端整流管損耗小、輸入輸出直流電壓穩定、可靠性高、功率密度高、性能穩定、能夠實現功率的雙向流通的基於移向全橋和同步整流的雙向直流變換器。
[0010]一種基於移向全橋和同步整流的雙向直流變換器，在變壓器高壓側的全橋變換電路中包括漏極相連的第一功率開關管和第二功率開關管，還包括源極相連的第三功率開關管和第四功率開關管，其中第一功率開關管的源極與第三功率開關管的漏極相連，第二功率開關管的源極和第四功率開關管的漏極相連，其特徵在於，在變壓器高壓側的全橋變換電路還設置第一正向輔助開關電路和第二正向輔助開關電路；
[0011]第一正向輔助開關電路包括第一正向輔助開關、第九二極體、第十二極體和第一輔助繞組；所述第一正向輔助開關的一端分別與第一功率開關管的門極和第十二極體的陰極連接，另一端與第一繞組的同名端連接，第一輔助繞組的異名端分別與第二功率開關管的門極和第九二極體的陰極連接，第九二極體和第十二極體的陽極與第一功率開關管的源極相連；
[0012]第二正向輔助開關電路包括第二正向輔助開關、第i^一二極體、第十二二極體和第二輔助繞組；所述第二正向輔助開關的一端分別於第第功率開關管的門極和第十一電阻的負極連接，另一端與第二繞組的同名端連接，第二輔助繞組的異名端分別與第三功率開關管的門極和第十二二極體的陰極連接，第十一二極體和第十二二極體的陽極分別與第三功率開關管的漏極和第四功率開關管的漏極相連；
[0013]變壓器低壓側的全橋電路包括:副線圈包括兩個同名端A、B，A同名端分別與第五功率開關漏極、第五電容一端和第五二極體的陰極連接，第五電容的另一端和第五二極體的陽極與第五連接功率開關的源極連接，第五功率開關的門極分別與第七電容一端、反向輔助開關一端和第七二極體陰極連接，第五功率開關的源極分別於第七二極體和第八二極體的陽極連接同名端與濾波電感的一端連接，濾波電感的另一端與輸出電壓一端連接，濾波電容與輸出電壓並聯，輸出電壓另一端與第六功率開關的源極連接，第六功率開關的源極還分別與第八電容一端、第六電容一端和第六二極體陽極一端連接，第八電容另一端與第六功率開關的門極連接，第六電容另一端和第六二極體負極與第六功率開關的漏極連接，第六開關管的漏極還與副線圈的異名端連接；第六開關管的門極分別於第八二極體的負極和第三輔助繞組的同名端連接，第三輔助繞組的異名端與反向輔助開關另一端連接。
[0014]本發明與現有技術相比，其具有顯著優點:(1)將單向的全橋拓撲中的整流的二極體換成了反向功率開關管，利用反向功率開關管的特性實現了功率的雙向流通；(2)通過對全橋中的功率開關管使用移相全橋的控制方式，可以實現功率開關管的軟開關，極大的降低了功率開關管的損耗，提高了變換器的效率；(3)在正向過程中，通過利用正向功率開關管的驅動信號，作為反向功率開關管同步整流的信號，通過採相全橋降低和正向功率開關管的損耗，並同時採用功率管採取同步整流替換普通二極體作為整流方式，極大的降低由於移向全橋過程中帶來副邊長時間的續流損耗，極大的降低了整流的功率損耗，提高了變換器的效率；(4)在反向過程中，通過交錯式的給控制策略，一方面對反向濾波電感進行充放電，實現的電壓上升的過程，使變換器在雙向過程中都能達到相同的電壓，而且通過反向功率管的驅動信號作為正向功率管的同步整流信號，極大的降低了原邊續流情況時候的損耗。
[0015]下面結合說明書附圖，具體的描述本發明所提供的一種基於移向全橋和同步整流的高頻隔離雙向直流變換器。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0016]圖1是本發明高頻隔離雙向直流變換器的電路拓撲結構圖；
[0017]圖2是本發明高頻隔離雙向直流變換器的第一正向輔助開關圖；
[0018]圖3是本發明高頻隔離雙向直流變換器的第二正向輔助開關圖；
[0019]圖4是本發明高頻隔離雙向直流變換器的反向輔助開關圖；
[0020]圖5是本發明高頻隔離雙向直流變換器正向工作的驅動脈衝及輸出電壓波形圖；
[0021]圖6是本發明高頻隔離雙向直流變換器反向工作的驅動脈衝及輸出電壓波形圖。
【具體實施方式】
[0022]結合圖1，一種基於移向全橋和同步整流的雙向直流變換器，在變壓器高壓側的全橋變換電路中包括:與輸出電壓Vin並聯的濾波電容Ci,輸出電壓Vin —端分別與第一功率開關管Ql的漏極、第一二極體Dl的陰極、第一電容Cl的一端、第二功率開關管Q2、第二二極體D2的陰極、第二電容C2—端連接，第一二極體Dl的陽極、第一電容Cl的另一端與第一功率開關Ql的源極連接，第一功率開關管Ql的源極還與第九電容C9 一端連接，第九電容C9的另一端與第一功率開關管Ql的門極連接，第一功率開關管Ql的門極分別與第一正向開關一端和第十二極體DlO的陰極連接；第二二極體D2的陽極、第二電容C2的另一端與第二功率開關Q2的源極連接，第二功率開關管Q2的源極還與第十電容ClO —端連接，第十電容ClO的另一端與第二功率開關管Q2的門極連接，第二功率開關管Q2的門極分別與第一輔助繞組T4異名端和第九極管D9的陰極連接，第一繞組T4的同名端與第一正向輔助開關的另一端連接；第九二極體D9和第十二極體DlO的陽極分別與第一功率開關管Ql的源極和諧振電感Lr 一端連接，諧振電感Lr的另一端與變壓器高壓側的繞組Tl的同名端連接；
[0023]輸出電壓Vin的另一端分別與第三功率開關管Q3的源極、第三二極體D3的陽極、第三電容C3的一端、第四功率開關管Q4的源極、第四二極體D4的陽極、第四電容C4的一端連接；第三二極體D3的陰極和第三電容的另一端與第三功率開關管Q3的漏極連接，第三功率開關管Q3的漏極還與第一功率開關管Ql的源極連接，第三功率開關管Q3的源極還與還與第十一電容Cll的一端連接，第十一電容Cll的另一端與第三功率開關管Q3的門極連接；第四二極體D4和第四電容C4的另一端與第四功率開光關Q4的漏極連接，第四功率開關管Q4的漏極還與第二功率開光關Q2的源極連接，第四功率開關管Q4的源極還與第十二電容C12的一端連接，第十二電容C12的另一端與第四功率開關管Q4的門極連接；第三功率開關管Q3的門極還分別於第十二二極體D12的陰極和第二輔助繞組T3的異名端連接，第二輔助繞組T3的同名端與第二正向輔助開關一端連接，第二正向輔助開關的另一端分別與第十一二極體Dll的陰極和第四功率開關管Q4的門極連接，第十一二極體Dll和第十二二極體D12的陽極與第三功率開關管Q3的源極連接。
[0024]結合圖1，第一正向輔助開關電路包括第一正向輔助開關、第九二極體D9、第十二極體DlO和第一輔助繞組T4 ;所述第一正向輔助開關的一端分別與第一功率開關管Ql的門極和第十二極體DlO的陰極連接，另一端與第一繞組T4的同名端連接，第一輔助繞組T4的異名端分別與第二功率開關管Q2的門極和第九二極體D9的陰極連接，第九二極體D9和第十二極體DlO的陽極與第一功率開關管Ql的源極相連；
[0025]結合圖1，第二正向輔助開關電路包括第二正向輔助開關、第i^一二極體D11、第十二二極體D12和第二輔助繞組T3 ;所述第二正向輔助開關的一端分別於第第功率開關管Q4的門極和第十一電阻的負極連接，另一端與第二繞組T3的同名端連接，第二輔助繞組T3的異名端分別與第三功率開關管Q3的門極和第十二二極體D12的陰極連接，第十一二極體Dll和第十二二極體D12的陽極分別與第三功率開關管Q3的漏極和第四功率開關管Q4的漏極相連。
[0026]現有的低壓側電路依然可以用於本發明中實現本發明的功能，但是存在損耗大的問題，因此本發明重新設計了低壓側的推挽電路。結合圖1，變壓器低壓側的推挽電路包括:副線圈T2包括兩個同名端A、B, A同名端分別與第五功率開關Q5漏極、第五電容C5 —端和第五二極體D5的陰極連接，第五電容C5的另一端和第五二極體D5的陽極與第五連接功率開關Q5的源極連接，第五功率開關Q5的門極分別與第七電容C7 —端、反向輔助開關一端和第七二極體D7陰極連接，第五功率開關Q5的源極分別於第七二極體D7和第八二極體D8的陽極連接；B同名端與濾波電感Lf的一端連接,濾波電感Lf的另一端與輸出電壓Vout一端連接，濾波電容Co與輸出電壓Vout並聯,輸出電壓Vout另一端與第六功率開關Q6的源極連接，第六功率開關Q6的源極還分別與第八電容CS —端、第六電容C6 —端和第六二極體D6陽極一端連接，第八電容C8另一端與第六功率開關Q6的門極連接，第六電容C6另一端和第六二極體D6負極與第六功率開關Q6的漏極連接，第六開關管Q6的漏極還與副線圈T2的異名端連接；第六開關管Q6的門極分別於第八二極體D8的負極和第三輔助繞組T5的同名端連接，第三輔助繞組T5的異名端與反向輔助開關另一端連接。
[0027]結合圖2，第一正向輔助開關包括第一三極體VT1、第二三極體VT2、第三三極體VT3、第四三極體VT4、第五三極體VT5、第六三極體VT6、第一電阻R1、第二電阻R2、第三電阻R3、第四電阻R4、第五電阻R5、第六電阻R6、第十三二極體D13、第十四二極體D14、第十五二極體Dl構成:
[0028]結合圖2,第一電阻Rl的一端和第一功率開關管Ql的驅動信號相連，另外一端和第十三二極體D13的陽極相連，第十三二極體D13陰極分別和第一三極體VTl的基極和附加電源相連，第一三極體VTl的集電極與第二電阻R2的一端連接，第二電阻R2的另一端與附加電源連接，第一三極體VTl的發射極和地相連；
[0029]結合圖2，第三電阻R3的一端和第二功率開關管Q2的驅動信號相連，另外一端和第十四二極體D14的陽極相連，第十四二極體D14陰極分別和第三三極體VT3的基極和附加電源相連，第三三極體VT3的集電極與第四電阻R4的一端連接，第四電阻R4的另一端與附加電源連接，第三三極體VT3的發射極和地相連；
[0030]結合圖2，第五電阻R5的一端和第四功率開關管Q4的驅動信號相連，另外一端和第十五二極體D15的陽極相連，第十五二極體D15陰極分別和第五三極體VT5的基極和附加電源相連，第五三極體VT5的集電極與第六電阻R6的一端連接,第六電阻R6的另一端與附加電源連接，第五三極體VT5的發射極和地相連；
[0031]結合圖2第二三極體VT2的基極與第一三極體VTl的集電極連接，第二三極體VT2的集電極和第一輔助繞組T4的同名端連接，第二三極體VT2的發射極和第四三極體VT4的集電極相連；第四三極體VT4的基極與第三三極體VT3的集電極連接，第四三極體VT4的發射極和第六三極體VT6的集電極相連；第六三極體VT6的基極與第五三極體VT5集電極連接,第六三極體VT6的發射極與第一功率開關管Ql的門極相連。
[0032]結合圖3，第二正向輔助開關包括第十一三極體VT11、第十二三極體VT12、第十三三極體VT13、第十四三極體VT14、第十五三極體VT15、第十六三極體VT16、第i^一電阻R11、第十二電阻R12、第十三電阻R13、第十四電阻R14、第十五電阻R15、第十六電阻R16、第二十三二極體D23、第二十四二極體D24、第二十五二極體D25構成:
[0033]結合圖3,第^ 電阻RlI的一端和第一功率開關管Ql的驅動信號相連，另外一端和第二十三二極體D23的陽極相連，第二十三二極體D23陰極分別和第十一三極體VTll的基極和附加電源相連，第i 三極體VTll的集電極與第十二電阻R12的一端連接,第十二電阻R12的另一端與附加電源連接，第十一三極體VTll的發射極和地相連；
[0034]結合圖3，第十三電阻R13的一端和第二功率開關管Q2的驅動信號相連，另外一端和第二十四二極體D24的陽極相連，第二十四二極體D24陰極分別和第十三三極體VT13的基極和附加電源相連，第十三三極體VT13的集電極與第十四電阻R14的一端連接，第十四電阻R14的另一端與附加電源連接，第十三三極體VT13的發射極和地相連；
[0035]結合圖3，第十五電阻R15的一端和第四功率開關管Q4的驅動信號相連，另外一端和第二十五二極體D25的陽極相連，第二十五二極體D25陰極分別和第十五三極體VT15的基極和附加電源相連,第十五三極體VT15的集電極與第十六電阻R16的一端連接,第十六電阻R16的另一端與附加電源連接，第十五三極體VT15的發射極和地相連；
[0036]結合圖3，第十二三極體VT12的基極與第i^一三極體VTll的集電極連接，第十二三極體VT12的集電極和第二輔助繞組T3的同名端連接，第十二三極體VT12的發射極和第十四三極體VT14的集電極相連；第十四三極體VT14的基極與第十三三極體VT13的集電極連接，第十四三極體VT14的發射極和第十六三極體VT16的集電極相連；第十六三極體VT16的基極與第十五三極體VT15集電極連接，第十六三極體VT16的發射極與第一功率開關管Ql的門極相連。
[0037]結合圖4，反向輔助開關包括第七三極體VT7、第八三極體VT8、第九三極體VT9、第十三極體VT10、第七電阻R7、第八電阻R8、第九電阻R9、第十電阻R10、第十六二極體D16、第十七二極體D17:
[0038]結合圖4,第七電阻R7的一端和第五功率開關管Q5的驅動信號相連,另外一端和第十六二極體D16的陽極相連，第十六二極體D16的陰極分別和第七三極體VT7的基極和附加電源相連，第七三極體VT7的集電極與第八電阻R8的一端連接，第八電阻R8的另一端與附加電源連接，第七三極體VT7的發射極和地相連；
[0039]結合圖4,第九電阻R9的一端和第六功率開關管Q6的驅動信號相連,另外一端和第十七二極體D17的陽極相連，第十七二極體D17的陰極分別和第九三極體VT9的基極和附加電源相連，第九三極體VT9的集電極與第十電阻RlO的一端連接，第十電阻RlO的另一端與附加電源連接，第九三極體VT9的發射極和地相連；
[0040]結合圖4，第八三極體VT8的基極與第七三極體T7的集電極連接，第八三極體VT8的集電極和第三輔助繞組T5的同名端連接，第八三極體VT8的發射極和第十三極體VTlO的集電極相連；第十三極體VTlO的基極與第九三極體VT9的集電極連接，第十三極體VTlO的發射極與第六功率開關管Q6的門極相連。
[0041]本發明的工作原理如下:
[0042]結合圖3，在正向工作過程時候，反向電源充當負載作用，並只有正向功率開關管(第一功率開關管Q1、第二功率開關管Q2、第三功率開關管Q3、第四功率開關管Q4)有驅動信號，正向輔助開關不能工作而反向輔助開關可以工作，反向功率開關管(第五功率開關Q5、第六功率開關Q6)不需要主動給觸發脈衝信號。雙向直流變換器正向基本工作過程如下:
[0043]首先，變壓器同名端能量傳輸，第一正向功率開關管Ql和第四正向功率開關管Q4導通(第二功率開關管Q2、第三功率開關管Q3關斷)，此時變壓器正向工作，變壓器Tl和變壓器T2、T5同名端均為正壓，即Ua^Ubc為正壓，這同時在反向輔助開關中，由於Q5、Q6均無驅動信號，所以在第七三極體VT7和第九三極體VT9的配合下，第八三極體VT8和第十三極體VTlO均導通工作，所以變壓器T5的正壓U5使得第六反向功率開關管Q6得到了導通，能量從變壓器T2流經濾波電感Lf、濾波電容CO、第六反向功率開關管Q6對反向電源進行充電，完成能量傳輸，並實現了同步整流過程。
[0044]第二，移相全橋的超前臂諧振，第一功率開關管Ql關斷，第四功率開關管Q4仍然導通(第二功率開關管Q2、第三功率開關管Q3繼續關斷)，此時第一電容Cl、第三電容C3和諧振電感Lr進行諧振，變壓器T5上此時沒有電壓，即U5為O，但是第八電容CS上電壓Uc8仍大於導通反向功率開關管導通電壓，並且第八電容CS對第七電容C7進行放電，使得第五功率開關管Q5和第六功率開關管Q6都導通，由於濾波電感Lf中電流不能瞬間下降為0，故副邊通過兩個反向功率開關管進行續流，由於電流通過開關管續流，所以產生很小的損耗。
[0045]第三，移相全橋的滯後臂諧振，此時只有第三功率開關管Q3導通，第一功率開關管Q1、第二功率開關管Q2、第四功率開關管Q4均關斷，由於此前諧振電流方向沒有反向改變(依然從變壓器Tl的同名端流向非同名端)，所以電流通過第二電容C2、諧振電感Lr和第四電容C4進行滯後臂諧振，並且流經第三功率開關管Q3續流，此時第五反向功率開關管Q5和第六反向功率開關管Q6仍導通，副邊佔空比丟失但是通過開關管續流，不會產生過多的能量損耗。諧振結束後，諧振電感上的能量通過第二二極體D2向正向電源充電並將能量消耗完畢後，諧振電感Lr電流方向和之前方向相反。
[0046]第四，變壓器非同名端能量傳輸，第二正向功率開關管Q2和第三正向功率開關管Q3導通(第一功率開關管Q1、第四功率開關管Q4關斷)，此時變壓器反向工作，變壓器Tl和變壓器T2、T5同名端均為負壓，即Ua^Ubc為負壓，在反向輔助開關中，由於Q5、Q6均無驅動信號，所以在第七三極體和第九三極體的配合下，第八三極體VT8和第十三極體VTlO均導通工作，所以變壓器T5的負壓U5使得第五功率開關管Q5得到了導通，第七電容C7繼續充電，而第八電容CS上電壓逐漸消耗到0，能量從變壓器T2流經濾波電感Lf、濾波電容Co、第五反向功率開關管Q5對反向電源進行充電，完成能量傳輸，並實現了同步整流過程，得到了符合要求的輸出電壓ν_。
[0047]結合圖4，在反向工作過程時，正向電源充當負載作用，並只有反向功率開關管有驅動信號，反向輔助開關不能工作而正向輔助開關可以工作，正向功率開關管不需要主動給觸發脈衝信號。雙向直流變換器反向基本工作過程如下:
[0048]首先，變壓器同名端能量傳輸，第六反向功率開關Q6導通，第五功率開關管Q5關斷，所以變壓器Τ2上電壓Ubc為正，反向輔助開關中由於第六反向功率開關管Q6有驅動信號，在第九三極體VT9的作用下，第十三極體VTlO無法工作，所以反向輔助開關失去作用，而第一正向輔助開關由於第一正向功率開關管Q1、第二正向功率開關管Q2、第四正向功率開關管Q4均無驅動電壓，在第一三極體VTl、第三三極體VT3、第五三極體VT5的作用下第二三極體VT2、第四三極體VT4、第六三極體VT6均導通，即正向輔助開關能夠工作，所以Τ4、Τ3上均有正壓UT3、UT4,所以第一功率開關管Ql和第四功率開關管Q4均導通，能量通過第一功率開關管Q1、第四功率開關管Q4、諧振電感Lr、濾波電容Ci對正向電源進行充電，完成能量傳輸，並實現了同步整流過程。
[0049]第二，濾波電感Lf儲能過程，第六功率開關Q6和第五功率開關管Q5同時導通，變壓器T2上電壓為O,但是第九電容C9電壓Ucg和第十二電容C12電壓Uci2電壓仍大於導通正向功率開關管導通電壓，並且此時第九電容C9對第十電容ClO進行充電，第十二電容C12對第十一電容Cll進行充電，導致全橋四個功率開關都得到導通，並且諧振電感Lr中電流方向並未發生改變，通過四個功率開關管、濾波電容Ci進行續流。在此過程中，由於續流管為功率開關管的同步整流，所以損耗非常少。
[0050]第三，變壓器非同名端能量傳輸，第五反向功率開關Q5導通，第六反向功率開關管Q6關斷，所以變壓器T2上電壓Uab為正，反向輔助電路中由於第五功率開關管Q5有驅動信號，在第七三極體VT7的作用下，第八三極體VT8無法工作，所以反向輔助開關仍失去作用，而正向輔助開關依然工作，所以T4、T3上均有負壓UT3、UT4，所以第二功率開關管Q2和第三功率開關管Q3均導通，能量通過第二功率開關管Q2、第三功率開關管Q3、諧振電感Lr、濾波電容Ci對正向電源進行充電，完成能量傳輸，並實現了同步整流過程，得到了符合要求的輸出電壓Vin。
【權利要求】
1.一種基於移向全橋和同步整流的雙向直流變換器，在變壓器高壓側的全橋變換電路中包括漏極相連的第一功率開關管(Ql)和第二功率開關管(Q2)，還包括源極相連的第三功率開關管(Q3)和第四功率開關管(Q4)，其中第一功率開關管(Ql)的源極與第三功率開關管(Q3)的漏極相連，第二功率開關管(Q2)的源極和第四功率開關管(Q4)的漏極相連，其特徵在於，在變壓器高壓側的全橋變換電路還設置第一正向輔助開關電路和第二正向輔助開關電路； 第一正向輔助開關電路包括第一正向輔助開關、第九二極體(D9)、第十二極體(DlO)和第一輔助繞組(T4);所述第一正向輔助開關的一端分別與第一功率開關管(Ql)的門極和第十二極體(DlO)的陰極連接，另一端與第一繞組(T4)的同名端連接，第一輔助繞組(T4)的異名端分別與第二功率開關管(Q2)的門極和第九二極體(D9)的陰極連接，第九二極體(D9)和第十二極體(DlO)的陽極與第一功率開關管(Ql)的源極相連； 第二正向輔助開關電路包括第二正向輔助開關、第i^一二極體(Dll)、第十二二極體(D12)和第二輔助繞組(T3);所述第二正向輔助開關的一端分別於第四功率開關管(Q4)的門極和第十一電阻的負極連接，另一端與第二繞組(T3)的同名端連接，第二輔助繞組(T3)的異名端分別與第三功率開關管(Q3)的門極和第十二二極體(D12)的陰極連接，第十一二極體(Dll)和第十二二極體(D12)的陽極分別與第三功率開關管(Q3)的漏極和第四功率開關管(Q4)的漏極相連。
2.根據權利要求1所述的基於移向全橋和同步整流的雙向直流變換器，其特徵在於，變壓器低壓側設計為帶有反向輔助開關的推挽電路包括:副線圈(T2)包括兩個同名端A、B,A同名端分別與第五功率開關(Q5)漏極、第五電容(C5) —端和第五二極體(D5)的陰極連接，第五電容(C5)的另一端和第五二極體(D5)的陽極與第五連接功率開關(Q5)的源極連接，第五功率開關(Q5)的門極分別與第七電容(C7) —端、反向輔助開關一端和第八二極體(D8)陰極連接，第五功率開關(Q5)的源極分別於第七二極體(D7)和第八二極體(D8)的陽極連接同名端與濾波電感(Lf)的一端連接，濾波電感(Lf)的另一端與輸出電壓(Vout) —端連接,濾波電容(Co)與輸出電壓(Vrat)並聯,輸出電壓(Vout)另一端與第六功率開關(Q6)的源極連接，第六功率開關(Q6)的源極還分別與第八電容(CS) —端、第六電容(C6) —端和第六二極體(D6)陽極一端連接,第八電容(C8)另一端與第六功率開關(Q6)的門極連接，第六電容(C6)另一端和第六二極體(D6)負極與第六功率開關(Q6)的漏極連接，第六開關管(Q6)的漏極還與副線圈(T2)的異名端連接；第六開關管(Q6)的門極分別於第七二極體(D7)的負極和第三輔助繞組(T5)的同名端連接，第三輔助繞組(T5)的異名端與反向輔助開關另一端連接。
3.根據權利要求1或2所述的基於移向全橋和同步整流的雙向直流變換器，其特徵在於，第一正向輔助開關包括第一三極體(VTl)、第二三極體(VT2)、第三三極體(VT3)、第四三極體(VT4)、第五三極體(VT5)、第六三極體(VT6)、第一電阻(Rl)、第二電阻(R2)、第三電阻(R3)、第四電阻(R4)、第五電阻(R5)、第六電阻(R6)、第十三二極體(D13)、第十四二極體(D14)、第十五二極體(D15)構成: 第一電阻(Rl)的一端和第一功率開關管(Ql)的驅動信號相連，另外一端和第十三二極體(D13)的陽極相連，第十三二極體(D13)陰極分別和第一三極體(VTl)的基極和附加電源相連，第一三極體(VTl)的集電極與第二電阻(R2)的一端連接，第二電阻(R2)的另一端與附加電源連接，第一三極體(VTl)的發射極和地相連； 第三電阻(R3)的一端和第二功率開關管(Q2)的驅動信號相連，另外一端和第十四二極體(D14)的陽極相連，第十四二極體(D14)陰極分別和第三三極體(VT3)的基極和附加電源相連，第三三極體(VT3)的集電極與第四電阻(R4)的一端連接，第四電阻(R4)的另一端與附加電源連接，第三三極體(VT3)的發射極和地相連； 第五電阻(R5)的一端和第四功率開關管(Q4)的驅動信號相連,另外一端和第十五二極體(D15)的陽極相連，第十五二極體(D15)陰極分別和第五三極體(VT5)的基極和附加電源相連，第五三極體(VT5)的集電極與第六電阻(R6)的一端連接,第六電阻(R6)的另一端與附加電源連接，第五三極體(VT5)的發射極和地相連； 第二三極體(VT2)的基極與第一三極體(VTl)的集電極連接，第二三極體(VT2)的集電極和第一輔助繞組(T4)的同名端連接，第二三極體(VT2)的發射極和第四三極體(VT4)的集電極相連；第四三極體(VT4)的基極與第三三極體(VT3)的集電極連接，第四三極體(VT4)的發射極和第六三極體(VT6)的集電極相連；第六三極體(VT6)的基極與第五三極體(VT5)集電極連接，第六三極體(VT6)的發射極與第一功率開關管(Ql)的門極相連。
4.根據權利要求1或2所述的基於移向全橋和同步整流的雙向直流變換器，其特徵在於，第二正向輔助開關包括第i^一三極體(VTll)、第十二三極體(VT12)、第十三三極體(VT13)、第十四三極體(VT14)、第十五三極體(VT15)、第十六三極體(VT16)、第i^一電阻(Rll)、第十二電阻(R12)、第十三電阻(R13)、第十四電阻(R14)、第十五電阻(R15)、第十六電阻(R16)、第二十三二極體(D23)、第二十四二極體(D24)、第二十五二極體(D25)構成: 第i 電阻(Rll)的一端和第一功率開關管(Ql)的驅動信號相連，另外一端和第二十三二極體(D23)的陽極相連，第二十三二極體(D23)陰極分別和第十一三極體(VTll)的基極和附加電源相連，第十一三極體(VTll)的集電極與第十二電阻(R12)的一端連接，第十二電阻(R12)的另一端與附加電源連接，第十一三極體(VTll)的發射極和地相連；第十三電阻(R13)的一端和第二功率開關管(Q2)的驅動信號相連，另外一端和第二十四二極體(D24)的陽極相連，第二十四二極體(D24)陰極分別和第十三三極體(VT13)的基極和附加電源相連，第十三三極體(VT13)的集電極與第十四電阻(R14)的一端連接，第十四電阻(R14)的另一端與附加電源連接，第十三三極體(VT13)的發射極和地相連；第十五電阻(R15)的一端和第四功率開關管(Q4)的驅動信號相連，另外一端和第二十五二極體(D25)的陽極相連，第二十五二極體(D25)陰極分別和第十五三極體(VT15)的基極和附加電源相連，第十五三極體(VT15)的集電極與第十六電阻(R16)的一端連接，第十六電阻(R16)的另一端與附加電源連接，第十五三極體(VT15)的發射極和地相連；第十二三極體(VT12)的基極與第i^一三極體(VTll)的集電極連接，第十二三極體(VT12)的集電極和第二輔助繞組(T3)的同名端連接，第十二三極體(VT12)的發射極和第十四三極體(VT14)的集電極相連；第十四三極體(VT14)的基極與第十三三極體(VT13)的集電極連接，第十四三極體(VT14)的發射極和第十六三極體(VT16)的集電極相連；第十六三極體(VT16)的基極與第十五三極體(VT15)集電極連接,第十六三極體(VT16)的發射極與第一功率開關管(Ql)的門極相連。
5.根據權利要求2所述的基於移向全橋和同步整流的雙向直流變換器，其特徵在於，反向輔助開關包括第七三極體(VT7)、第八三極體(VT8)、第九三極體(VT9)、第十三極體(VTlO)、第七電阻(R7)、第八電阻(R8)、第九電阻(R9)、第十電阻(RlO)、第十六二極體(D16)、第十七二極體(D17): 第七電阻(R7)的一端和第五功率開關管(Q5)的驅動信號相連,另外一端和第十六二極體(D16)的陽極相連，第十六二極體(D16)的陰極分別和第七三極體(VT7)的基極和附加電源相連，第七三極體(VT7)的集電極與第八電阻(R8)的一端連接，第八電阻(R8)的另一端與附加電源連接，第七三極體(VT7)的發射極和地相連； 第九電阻(R9)的一端和第六功率開關管(Q6)的驅動信號相連，另外一端和第十七二極體(D17)的陽極相連，第十七二極體(D17)的陰極分別和第九三極體(VT9)的基極和附加電源相連，第九三極體(VT9)的集電極與第十電阻(RlO)的一端連接，第十電阻(RlO)的另一端與附加電源連接，第九三極體(VT9)的發射極和地相連； 第八三極體(VT8)的基極與第七三極體(VT7)的集電極連接，第八三極體(VT8)的集電極和第三輔助繞組(T5)的同名端連接，第八三極體(VT8)的發射極和第十三極體(VTlO)的集電極相連；第十三極體(VTlO)的基極與第九三極體(VT9)的集電極連接，第十三極體(VTlO)的發射極與第六功率開關管(Q6)的門極相連。
【文檔編號】H02M3/335GK104167925SQ201410441741
【公開日】2014年11月26日 申請日期:2014年9月1日 優先權日:2014年9月1日
【發明者】劉孟, 季偉偉, 都洪基, 吳彤, 王雨傑, 周文龍, 錢蘇華, 楊斌, 柯仲來, 奚穎 申請人:南京理工大學