一種有源鉗位zvs雙向直流變換器的製作方法

2023-05-14 18:23:06 2

專利名稱：一種有源鉗位zvs雙向直流變換器的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種有源鉗位ZVS雙向直流變換器，屬於電力電子變換器技術領域。
背景技術：
雙向直流變換器通過直流變換器的雙象限運行，可實現能量的雙向傳輸，在功能上相當於兩個單向直流變換器，是典型的「一機兩用」設備，在不間斷電源、蓄電池充放電、 新能源發電及航空航天供電系統等需要能量雙向流動的場合可大幅度減輕系統的體積重量。因此，雙向直流變換器近年來得到了廣泛的研究。傳統的升壓-降壓式雙向直流變換器如附圖1所示。開關管S1及& 一般採用帶有寄生體二極體的開關器件，如M0SFET，當能量從高壓側向低壓側變換時，S1作為主開關管， &作為S1的同步整流管，在開關管的死區時間內，電流從&的寄生體二極體中流過；當能量從低壓側向高壓側變換時，&作為主開關管,S1作為&的同步整流管，在開關管的死區時間內，電流從S1的寄生體二極體中流過。一般開關管寄生體二極體的開關及導通特性遠不如專用的二極體，特別是開關管寄生體二極體的反向恢復電荷明顯大於專用的二極體，由此造成的開關損耗非常大而導致變換器的變換效率降低。為了克服寄生體二極體反向恢復造成的損耗問題，研究工作者提出了多種技術方案，如文獻「I^ritam Das, Brian Laan, Seyed Ahmad Mousavi, and Gerry Moschopoulos. "A non-isolated bidirectionalZVS-PWM active clamped DC-DC converter,"IEEE Transactions on Power Electronics,vol. 24, no. 2，pp. 553-558，February. 2009. 」，採用輔助有源鉗位電路實現開關管的零電壓開關，如附圖2所示電路，通過添加有源鉗位電路和兩個輔助電感實現了開關管的零電壓開通，但是電路中磁性元件數量多、鉗位電壓高和額外增加了開關管的電流應力。

發明內容
本發明所要解決的技術問題是針對傳統升壓-降壓直流雙向變換器的不足，提出一種有源鉗位ZVS雙向直流變換器。本發明為解決上述技術問題採用如下技術方案一種有源鉗位ZVS雙向直流變換器，包括低壓電源、高壓電源、耦合電感、第一功率開關管、第二功率開關管、有源鉗位電路，其中，耦合電感包括第一電感、第二電感，有源鉗位電路包括第三功率開關管、鉗位電容；低壓電源的正極分別與耦合電感的第一電感、第二電感的同名端相連，第一電感的另一端、第一功率開關管的漏極分別與第三功率開關管的源極連接，第一功率開關管的源極分別與低壓電源的負極、高壓電源的負極相連接，第二電感的另一端、第二功率開關管的源極分別與鉗位電容的一端相連接，鉗位電容的另一端與第三功率開關管的漏極相連接，第二功率開關管的漏極與高壓電源的正極相連。—種基於本發明的功率開關管的工作方法，當能量從高壓電源側向低壓電源側變換時，第一功率開關管與第二功率開關管的驅動信號互補，第三功率開關管驅動信號的下降沿和第二功率開關管驅動信號的下降沿相同，第二功率開關管的驅動信號的上升沿超前於第二功率開關管驅動信號的上升沿；當能量從低壓電源側向高壓電源側變換時，第二功率開關管與第一功率開關管的驅動信號互補，第三功率開關管驅動信號的下降沿和第一功率開關管驅動信號的下降沿相同，第三功率開關管的驅動信號的上升沿超前於第一功率開關管驅動信號的上升沿。本發明的特點和技術效果1.實現了第一功率開關管及第二功率開關管的零電壓開通、變換效率高；2.鉗位電路結構簡單，鉗位電壓低；3.開關管的電流應力低，有利於提高變換效率；4.磁性元件數量少，有利於降低變換器體積重量，提高變換器功率密度；


圖1為傳統升壓-降壓雙向直流變換器原理圖；圖2為目前存在的有源鉗位雙向直流變換器原理圖；圖3為有源鉗位ZVS雙向直流變換器原理圖；圖4是有源鉗位ZVS雙向直流變換器Boost工作方式下主要波形圖；圖5是有源鉗位ZVS雙向直流變換器Boost工作方式下各開關模態的等效電路結構示意圖；圖6是有源鉗位ZVS雙向直流變換器Buck工作方式下主要波形圖；圖7是有源鉗位ZVS雙向直流變換器Buck工作方式下各開關模態的等效電路結構示意圖；圖8為本發明應用於一個500W 60V-100V雙向變換場合時Boost工作方式下主要實驗波形。圖9為本發明應用於一個500W 60V-100V雙向變換場合時Buck工作方式下主要
實驗波形。圖中符號名稱10-耦合電感電路，20-有源鉗位電路，\、Vh-分別為低壓電源、高壓電源，S1至S3-分別為第一至第三功率開關管，Cr-鉗位電容，L1, L2-分別為耦合電感的第一電感、第二電感，Lrl, Lrf-分別為目前存在的有源鉗位雙向直流變換器輔助第一電感、 第二電感，D-為驅動信號佔空比，Ts-為開關周期，Vg(Sl)、Vg (s2)、Vg (s3)_分別為第一、第二、第三功率開關管的驅動信號，I (si)、I (s2)、I (s3)-分別為第一、第二、第三功率開關管的源極電流(流出為正值)，Vds (si)、Vds(s2)、Vds (s3)-分別為第一、第二、第三功率開關管的漏極-源極電壓，V(Cr)-為鉗位電容電壓(圖中「 + 」端為正)，t(l t7-為時間。
具體實施方案下面結合附圖對技術方案的實施作進一步的詳細描述如圖3所示，是有源鉗位ZVS雙向直流變換器原理圖，其電路的組成是包括耦合電感10、第一功率開關管S1、第二功率開關管&、有源鉗位電路20，其中耦合電感10包括第一電感L1、第二電感L2,有源鉗位電路20包括第三功率開關管S3、鉗位電容C,。低壓電源 Vl的「 + 」端分別與耦合電感10的第一電感L1、第二電感L2的同名端相連，L1的另一端、第一功率開關管S1的漏極均相連於第三功率開關管&的源極，第一功率開關管S1的源極又分別與低壓電源八的「_」端、高壓電源Vh的「_」端相連，L2的另一端、第二功率開關管&的源極均相連於鉗位電容Cr的一端，鉗位電容Cr的另一端又與第三功率開關管&的漏極相連，第二功率開關管&的漏極與高壓電源Vh的「 + 」端相連。控制方式如下功率開關管S1與&驅動信號互補，在Boost方式下，功率開關管& 驅動信號的下降沿和同步整流管S2的驅動信號下降沿相同，在Buck方式下，功率開關管& 驅動信號的下降沿和同步整流管Sl的驅動信號下降沿相同，功率開關管&驅動信號的上升沿超前於同步整流管驅動信號。下面結合圖4和圖6說明本發明的具體工作原理及工作過程。在分析之前，作如下假設(1)所有開關管及二極體均為理想器件；( 耦合電感L1 = L2 ； (3)變換器已工作在穩態。升壓模式時的工作模態分析升壓模式是指從低壓側向高壓側傳輸能量時的工作模式，其主要波形如圖4所示。0.開關模態0，對應於 <、，其等效電路見附圖fe;t0時刻之前，S2、S3導通，S1關斷，鉗位電容C；通過耦合電感Lp L2放電，輸入電流下降。1.開關模態1，對應於[tQ，tj，其等效電路見附圖恥；、時刻，&關斷，其兩端電壓被其寄生電容鉗位，流過電感L1的電流開始對S1的寄生電容放電，直至S1兩端電壓為零。S1的零電壓開通條件產生。2.開關模態2，對應於[t1;t2]，其等效電路見附圖5c;tl時刻，S1的寄生電容已經被完全放電，其體二極體開始導通。此時，Sl零電壓開
ο3.開關模態3，對應於[、，、]，其等效電路見附圖5(1;t2時亥lj，S1開通不久後，電感L1中電流開始反向流動，電流從L2向L1換流，該模態直至L2電流降為零結束。4.開關模態4，對應於[t3，t4]，其等效電路見附圖k ；t3時刻，電感L2上電流已完全換流至L1,換流結束。L2漏感開始與開關管S2/S3的寄生電容諧振。此時輸入電流線性上升。5.開關模態5，對應於[t4，t5]，其等效電路見附圖4f ；t4時亥lj，S3開通，鉗位電容通過Lp L2放電，流過L1的電流開始向L2換流。6.開關模態6，對應於[t5，t6]，其等效電路見附圖5g ；t5時刻，S1關斷，S1兩端電壓被其寄生電容鉗位，流過L1的電流給S1寄生電容充電，同時反向流過&給C；充電並繼續向L2換流，S2的寄生電容開始放電。7.開關模態7，對應於[t6，t7]，其等效電路見附圖證；t6時刻，S2的寄生電容已經被完全放電，其體二極體開始導通，S2零電壓開通。此時，流過L1的電流繼續向L2換流直至L1電流降為零，換流結束。此後，變換器回到模態0。降壓模式時的工作模態分析降壓模式是指從高壓側向低壓側傳輸能量時的工作模式，其主要波形如圖6所示。0.開關模態0，對應於 <、，其等效電路見附圖7a;
t0時刻之前，S1, S3導通，&關斷，鉗位電容C；通過耦合電感Lp L2放電，輸入電流下降。1.開關模態1，對應於[tQ，tj，其等效電路見附圖7b ；t0時刻，S3關斷，其兩端電壓被其寄生電容鉗位，流過電感L2的電流開始對&的寄生電容放電，直至&兩端電壓為零。&的零電壓開通條件產生。2.開關模態2，對應於[t1;t2]，其等效電路見附圖7c;、時刻，&的寄生電容已經被完全放電，其體二極體開始導通。此時，S2零電壓開
ο3.開關模態3，對應於[、，、]，其等效電路見附圖7(1;t2時亥lj，S2開通不久後，電感L2中電流開始反向流動，電流從L1向L2換流，該模態直至L1電流降為零結束。4.開關模態4，對應於[t3，t4]，其等效電路見附圖7e ；t3時亥lj，電感L1上電流已完全換流至L2,換流結束。L1漏感開始與開關管S1/S3的寄生電容諧振。此時輸入電流線性上升。5.開關模態5，對應於[t4，t5]，其等效電路見附圖7f ；t4時亥lj，S3開通，鉗位電容C；通過Lp L2放電，流過L2的電流開始向L1換流。6.開關模態6，對應於[t5，t6]，其等效電路見附圖7g ；t5時亥lj，S2關斷，S2兩端電壓被其寄生電容鉗位，流過L2的電流給&寄生電容充電，同時反向流過&給C；充電並繼續向L1換流，S1的寄生電容開始放電。7.開關模態7，對應於[t6，t7]，其等效電路見附圖幾；t6時刻，S1的寄生電容已經被完全放電，其體二極體開始導通，S1零電壓開通。此時，流過L2的電流繼續向L1換流直至L2電流降為零，換流結束。此後，變換器回到模態0。圖8為本發明應用於一個500W 60V-100V雙向功率變換場合時Boost模式下主要實驗波形。圖9為本發明應用於一個500W 60V-100V雙向功率變換場合時Buck模式下主要
實驗波形。
權利要求
1.一種有源鉗位ZVS雙向直流變換器，包括低壓電源(VJ、高壓電源(VH)、電感、第一功率開關管(S1)、第二功率開關管(S2)、有源鉗位電路(20)，其中有源鉗位電路00)包括第三功率開關管(S3)、鉗位電容(C；)，其特徵在於所述電感由第一電感(Li)、第二電感(L2)同向耦合構成耦合電感(10)，低壓電源的正極分別與耦合電感(10)的第一電感(L1)、第二電感(L2)的同名端相連，第一電感(L1)的另一端、第一功率開關管(S1)的漏極分別與第三功率開關管(S3)的源極連接，第一功率開關管(S1)的源極分別與低壓電源的負極、 高壓電源(Vh)的負極相連接，第二電感(L2)的另一端、第二功率開關管(S2)的源極分別與鉗位電容(Cr)的一端相連接，鉗位電容(Cr)的另一端與第三功率開關管(S3)的漏極相連接，第二功率開關管(S2)的漏極與高壓電源(Vh)的正極相連。
2.一種基於權利要求1所述的有源鉗位ZVS雙向直流變換器的功率開關管的工作方法，其特徵在於當能量從高壓電源側向低壓電源側變換時，第一功率開關管(S1)與第二功率開關管 (S2)的驅動信號互補，第三功率開關管(S3)驅動信號的下降沿和第二功率開關管(S2)驅動信號的下降沿相同，第二功率開關管(S2)的驅動信號的上升沿超前於第二功率開關管(S2) 驅動信號的上升沿；當能量從低壓電源側向高壓電源側變換時，第二功率開關管(S2)與第一功率開關管 (S1)的驅動信號互補，第三功率開關管(S3)驅動信號的下降沿和第一功率開關管(S1)驅動信號的下降沿相同，第三功率開關管(S3)的驅動信號的上升沿超前於第一功率開關管(S1) 驅動信號的上升沿。
全文摘要
本發明提供一種有源鉗位ZVS雙向直流變換器，屬於變換器技術領域。本發明由耦合電感(10)、第一功率開關管、第二功率開關管及有源鉗位電路(20)組成。其中耦合電感(10)由第一電感、第二電感同向耦合構成，有源鉗位電路(20)由第三功率開關管和鉗位電容組成。本發明實現了第一、第二功率開關管的零電壓開通，同時具有鉗位電壓低、開關管的電流應力低、使用磁性元件數量少等優點；本發明在對變換效率具有較高要求的雙向能量變換場合具有廣泛的應用前景。
文檔編號H02M3/335GK102163918SQ20101027945
公開日2011年8月24日 申請日期2010年9月13日 優先權日2010年9月13日
發明者石巍, 邢巖 申請人:南京航空航天大學