基於總線式均衡網絡的隔離型變換器和工作方法與流程
2023-11-10 06:48:22 1
本發明涉及電子電路自動化控制領域，尤其涉及一種基於總線式均衡網絡的隔離型變換器和工作方法。
背景技術：
新型電力電子器件和新型控制技術不斷湧現，使電力電子變換器不斷朝著高功率密度、高可靠性、模塊化、高效率、低汙染方向發展，對電力電子變換器的性能要求也隨之不斷提高。我們熟知的dc-dc變換器主要工作於單向模式，即能量只能由輸入端流向輸出端，對於需要能量雙向流動的場合，通常採用兩個單向dc-dc變換器反向並聯的結構，這種方案可以實現能量的雙向傳輸，但系統體積較大，結構複雜，不利於變換器的模塊化和小型化。為了解決上述問題，能夠實現能量雙向傳輸的「雙向dc-dc變換器」應運而生。
隨著科學技術的迅速發展，人們對雙向dc-dc變換器的需求也隨之快速增加，在太陽能電源系統、電動汽車、直流不停電電源系統、燃料電池供電系統、多埠混合供電系統、直流功率放大器、電梯等場合，雙向dc-dc變換器都有廣泛的應用。
與單向dc-dc變換器類似，雙向dc-dc變換器也可以分為非隔離型變換器和變壓器隔離型變換器兩大類。全橋雙向dc-dc變換器，通過移相控制可使其開關器件實現零電壓開關，開關器件的電壓、電流應力小；變壓器雙向勵磁，利用率較高，在中、大功率場合有廣泛的應用。用變壓器作為隔離，高、低壓側分別有既可整流又可逆變的變流裝置。用igbt或moseft管作為開關器件構成橋式或半橋式整流逆變電路。正常情況下的能量流向是，從高壓側向低壓側方向，低壓側的蓄電池處於充電狀態，另外低壓側負載需要消耗一定的能量。當能量從低壓側向高壓側流動時，具有短時和大電流的特點。通常只在系統啟動或故障狀態下出現。
技術實現要素：
本發明旨在至少解決現有技術中存在的技術問題，特別創新地提出了一種基於總線式均衡網絡的隔離型變換器和工作方法。
為了實現本發明的上述目的，本發明提供了一種基於總線式均衡網絡的隔離型變換器，其關鍵在於，包括：第一mos管，第二mos管，第三mos管，第四mos管，第五mos管，第六mos管，第七mos管，第八mos管，第一電阻，第二電阻，第一電感，第一電容，變壓器。
第一mos管漏極接輸入電源正極，所述第一mos管源極接第二mos管漏極，所述第一mos管源極又接變壓器原邊正極，所述第二mos管源級接輸入電源負極，第一電阻一端接輸入電源正極，所述一電阻另一端接輸入電源負極，第三mos管漏極接第一mos管漏極，所述第三mos管源極接第四mos管漏極，所述第三mos管源極又接變壓器原邊負極，所述第四mos管源極接輸入電源負極，第一電感一端接變壓器副邊正極，所述第一電感另一端接第五mos管源極，所述第五mos管漏極接第七mos管漏極，所述第五mos管漏極又接輸出電源正極，所述第七mos管源極接變壓器副邊負極，所述第七mos管源極又接第八mos管漏極，所述第八mos管源極接第六mos管源極，所述第八mos管源極又接輸出電源負極，所述第六mos管漏極接變壓器副邊正極，第一電容一端接第二電阻一端，所述第一電容另一端接第二電阻另一端，所述第二電阻一端接輸出電源正極，所述第二電阻另一端接輸出電源負極。
本發明還公開一種基於總線式均衡網絡的隔離型變換器的工作方法，其特徵在於，設置mos管工作時序，當能量從低壓向高壓方向傳送時，mos管導通、關斷的一個時間周期分為t1、t2、t3、t4、t5五個時間點，所述工作方法包括：
階段1，在t1至t2階段，第一mos管，第四mos管，第七mos管導通，由於第五mos管內部二極體ds1和第七mos管的導通，使得變壓器右側的c，d兩點短路，變壓器右側和ilk相關的等效電路如圖3所示，電流ilk的值如(1)式所示，
電感lk的儲能時間可以通過s3的導通時間來控制，式(1)中的ut2為變壓器右側電壓幅值。
階段2，在t2至t3階段，在t2時刻第七mos管關斷，經過短暫的延時後，對第八mos管加觸發脈衝但第八mos管並不立即導通。此時電感電流ilk經第五mos管、第八mos管內部二極體對第一電容進行充電，電流表達式如(2)式所示，等效電路如圖4所示。
上式中u2為高壓側的直流輸出電壓值。階段i和階段2構成了一個電壓提升工作方式，改變第七mos管門極脈衝的佔空比，可調節變壓器右側，即高壓側的輸出電壓，根據電壓提升電路的特性ut2和u2之間有(3)式所示的關係。
上式中d為佔空比，即第七mos管在第一mos管、第四mos管導通階段所佔的比例，ton＝t2-t1，t為ilk的半周期。
階段3，在t3至t4階段，在t3點第一mos管、第四mos管，此時ilk迅速回落，ilk變化如(4)式所示，(4)式中td為死區時間，等效電路如圖5所示。
階段4，在t4至t5階段，在t5點第二mos管、第三mos管、第八mos管導通，此時反向重複階段1的過程。
所述的一種基於總線式均衡網絡的隔離型變換器工作方法，優選的，還包開關器件的軟切換：
為實現開關器件的軟切換，減小開關過程中的電壓和電流值，儘量使開關切換在接近零電壓時進行，因此在逆變器開關換流時，設置了死區td.在圖1所示電路中，當能量從低壓向高壓傳送時，在m1從導通向截止換流，m2由截止嚮導通換流時.中間設置死區td。考慮到電容cs1＝cs2；因此，換流期間可以認為ucm1+ucm2＝ucm3+ucm4維持不變，等於u1。由於mi關斷，cm1充電，電壓ucm1從0開始上升，而ucm2放電，電壓從u1下降，升、降值相同，維持和不變。因此，cm1的充電電流為it1/2，cm1充電到電壓u1時，cm2放電到0v。如果繼續對cm1充電，cm2將被反向充電dm2會導通。此時為m2的零電壓開通提供了條件。對cm1的充電是在it1的作用下進行的，根據電容充電過程中電流、電壓和時問之間的關係可得(5)式。
因此，只要開關換流間隔死區時間td大於cm1從0v充電到u1所需的時間th，即滿足(7)式就可實現開關元件的零電壓開通。一般情況下，取換流時it1的平均值。
td＞th(7)
所還的一種基於總線式均衡網絡的隔離型變換器工作方法，優選的，包括電感lk的選取：
選適當的lk，使電能從低壓側向高壓側傳送時，保持電流以連續。實際上。在s3導通期間(ton)，c2提供負載電流，而在s3截止期間，電感中的感應電勢使s1內部的二極體導通，一方面提供負載電流.另一方面，補充在ton期問c2中電荷的減少。根據功率平衡關係(8)式，輸入、輸出關係(3)式和(9)式，可得保持電流連續的最小電感lkmin。
ut2ilk＝u2i0(8)
綜上所述，由於採用了上述技術方案，本發明的有益效果是：
所述變換器，用變壓器作為隔離，高、低壓側分別有既可整流又可逆變的變流裝置。用igbt或moseft管作為開關器件構成橋式或半橋式整流逆變電路。正常情況下的能量流向是，從高壓側向低壓側方向，低壓側的蓄電池處於充電狀態，另外低壓側負載需要消耗一定的能量。當能量從低壓側向高壓側流動時，具有短時和大電流的特點。通常只在系統啟動或故障狀態下出現。實現能量的雙向流動，具有穩定的輸出電壓。在不增加電路元件的條件下實現電路的零電壓開關，因此電源的電磁輻射較小。此外，電路還具有體積小、效率高、結構簡單、成本低廉、電氣隔離等優點。電源的輸出功率可達幾到十幾千瓦，除可以用於中、小型的電動午輛驅動外，還可作為中、小型變電站的不間斷電源及其它需要雙向直流電源供電的設備中。
本發明的附加方面和優點將在下面的描述中部分給出，部分將從下面的描述中變得明顯，或通過本發明的實踐了解到。
附圖說明
本發明的上述和/或附加的方面和優點從結合下面附圖對實施例的描述中將變得明顯和容易理解，其中：
圖1是本發明一種基於總線式均衡網絡的隔離型變換器電路圖；
圖2是本發明一種基於總線式均衡網絡的隔離型變換器波形圖；
圖3是本發明一種基於總線式均衡網絡的隔離型變換器工作第一階段；
圖4是本發明一種基於總線式均衡網絡的隔離型變換器工作第二階段；
圖5是本發明一種基於總線式均衡網絡的隔離型變換器工作第三階段；
圖6是本發明一種基於總線式均衡網絡的隔離型變換器開關器件的門極控制信號；
圖7是本發明一種基於總線式均衡網絡的隔離型變換器應用在總線式結構中的電路示意圖；
具體實施方式
下面詳細描述本發明的實施例，所述實施例的示例在附圖中示出，其中自始至終相同或類似的標號表示相同或類似的元件或具有相同或類似功能的元件。下面通過參考附圖描述的實施例是示例性的，僅用於解釋本發明，而不能理解為對本發明的限制。
在本發明的描述中，需要理解的是，術語「縱向」、「橫向」、「上」、「下」、「前」、「後」、「左」、「右」、「豎直」、「水平」、「頂」、「底」「內」、「外」等指示的方位或位置關係為基於附圖所示的方位或位置關係，僅是為了便於描述本發明和簡化描述，而不是指示或暗示所指的裝置或元件必須具有特定的方位、以特定的方位構造和操作，因此不能理解為對本發明的限制。
在本發明的描述中，除非另有規定和限定，需要說明的是，術語「安裝」、「相連」、「連接」應做廣義理解，例如，可以是機械連接或電連接，也可以是兩個元件內部的連通，可以是直接相連，也可以通過中間媒介間接相連，對於本領域的普通技術人員而言，可以根據具體情況理解上述術語的具體含義。
如圖1所示，本發明提供了一種基於總線式均衡網絡的隔離型變換器，其關鍵在於，包括：第一mos管，第二mos管，第三mos管，第四mos管，第五mos管，第六mos管，第七mos管，第八mos管，第一電阻，第二電阻，第一電感，第一電容，變壓器。
第一mos管漏極接輸入電源正極，所述第一mos管源極接第二mos管漏極，所述第一mos管源極又接變壓器原邊正極，所述第二mos管源級接輸入電源負極，第一電阻一端接輸入電源正極，所述一電阻另一端接輸入電源負極，第三mos管漏極接第一mos管漏極，所述第三mos管源極接第四mos管漏極，所述第三mos管源極又接變壓器原邊負極，所述第四mos管源極接輸入電源負極，第一電感一端接變壓器副邊正極，所述第一電感另一端接第五mos管源極，所述第五mos管漏極接第七mos管漏極，所述第五mos管漏極又接輸出電源正極，所述第七mos管源極接變壓器副邊負極，所述第七mos管源極又接第八mos管漏極，所述第八mos管源極接第六mos管源極，所述第八mos管源極又接輸出電源負極，所述第六mos管漏極接變壓器副邊正極，第一電容一端接第二電阻一端，所述第一電容另一端接第二電阻另一端，所述第二電阻一端接輸出電源正極，所述第二電阻另一端接輸出電源負極。
圖1中提出的電路中。用變壓器作為隔離，高、低壓側分別有既可整流又可逆變的變流裝置。用igbt或moseft管作為開關器件構成橋式或半橋式整流逆變電路。若在整流逆變或逆變整流框中，用全橋電路代換之，則得到雙向dcdc變換器主電路，為充分發揮電路的功能，在高頻變壓器的右側接入一個電感lk，用作電壓提升。考慮到在保持功率平衡的條件下，需低壓側提供較大的電流，低壓側的電壓波動對高壓側電壓的穩定影響較大，因此在高壓側接入儲能電感，這樣控制輸出電壓的效果更好。正常情況下的能量流向是，從高壓側向低壓側方向，低壓側的蓄電池處於充電狀態，另外低壓側負載需要消耗一定的能量。
提出的變換器在一個開關周期內對電路的分析可按以四個階段進行，工作模態描述如下。
(1)模態1[t1＜t≤t2]：在t1至t2階段，第一mos管，第四mos管，第七mos管導通，由於s1內部二極體ds1和s3的導通，使得變壓器右側的c，d兩點短路，電感lk的儲能時間可以通過s3的導通時間來控制。
(2)模態2[t2＜t≤t3]：在t2時刻s3關斷，經過短暫的延時後，對s4加觸發脈衝但s4並不立即導通。此時電感電流ilk經s1、s4內部二極體對電容c2進行充電，階段i和階段2構成了一個電壓提升工作方式，改變s3門極脈衝的佔空比，可調節變壓器右側，即高壓側的輸出電壓。
(3)模態3[t3＜t≤t4]：在t3點m1、m4關斷，此時ilk迅速回落。
(4)模態4[t4＜t≤t5]：在t5點m2、m3、s4導通，此時反向重複階段1的過程。
所述的一種基於總線式均衡網絡的隔離型變換器工作方法，優選的，還包開關器件的軟切換：
為實現開關器件的軟切換，減小開關過程中的電壓和電流值，儘量使開關切換在接近零電壓時進行，因此在逆變器開關換流時，設置了死區td.在1所示電路中，當能量從低壓向高壓傳送時，在m1從導通向截止換流，m2由截止嚮導通換流時.中間設置死區td。考慮到電容cs1＝cs2；因此，換流期間可以認為ucm1+ucm2＝ucm3+ucm4維持不變，等於u1。由於m1關斷，cm1充電，電壓ucm1從0開始上升，而ucm2放電，電壓從u1下降，升、降值相同，維持和不變。因此，cm1的充電電流為it1/2，cm1充電到電壓u1時，cm2放電到0v。如果繼續對cm1充電，cm2將被反向充電dm2會導通。此時為m2的零電壓開通提供了條件。對cm1的充電是在it1的作用下進行的，根據電容充電過程中電流、電壓和時間之間的關係可得(5)式。
因此，只要開關換流間隔死區時間td大於cm1從0v充電到u1所需的時間，即滿足(7)式就可實現開關元件的零電壓開通。一般情況下，取換流時it1的平均值。
td＞th(7)
所述的一種基於總線式均衡網絡的隔離型變換器工作方法，優選的，包括電感lk的選取：
選適當的lk，使電能從低壓側向高壓側傳送時，保持電流以連續。實際上。在s3導通期間(ton)，c2提供負載電流，而在s3截止期間，電感中的感應電勢使s1內部的二極體導通，一方面提供負載電流.另一方面，補充在ton期問c2中電荷的減少。根據功率平衡關係(8)式，輸入、輸出關係(3)式和(9)式，可得保持電流連續的最小電感lkmin。
ut2ilk＝u2i0(8)
圖2是本發明一種基於總線式均衡網絡的隔離型變換器波形圖；
圖3是本發明一種基於總線式均衡網絡的隔離型變換器工作第一階段；
圖4是本發明一種基於總線式均衡網絡的隔離型變換器工作第二階段；
圖5是本發明一種基於總線式均衡網絡的隔離型變換器工作第三階段；
圖6是本發明一種基於總線式均衡網絡的隔離型變換器開關器件的門極控制信號；
圖7是本發明一種基於總線式均衡網絡的隔離型變換器應用在總線式結構中的電路示意圖；
在本說明書的描述中，參考術語「一個實施例」、「一些實施例」、「示例」、「具體示例」、或「一些示例」等的描述意指結合該實施例或示例描述的具體特徵、結構、材料或者特點包含於本發明的至少一個實施例或示例中。在本說明書中，對上述術語的示意性表述不一定指的是相同的實施例或示例。而且，描述的具體特徵、結構、材料或者特點可以在任何的一個或多個實施例或示例中以合適的方式結合。
儘管已經示出和描述了本發明的實施例，本領域的普通技術人員可以理解：在不脫離本發明的原理和宗旨的情況下可以對這些實施例進行多種變化、修改、替換和變型，本發明的範圍由權利要求及其等同物限定。