串联输入串联输出全桥高频隔离双向DC/DC变换器

摘要

本发明输入串联输出串联全桥高频隔离双向DC/DC变换器，主电路包括两个拥有相同结构的输入端相互串联输出端相互串联的全桥双向DC/DC变换电路，每个全桥双向DC/DC变换电路包括输入侧全桥电路和输出侧全桥电路，两者之间通过谐振电路和高频变压器连接。其中全桥电路用于整流和逆变，谐振电路用于软开关控制，高频变压器用于隔离和变压。本发明输入串联输出串联全桥高频隔离双向DC/DC变换器通过将两组全桥电路进行串联实现了高输入输出电压条件下降低开关管电压应力、增大了输入和输出电压适用范围，可以把低耐压的开关管应用到高电压场合降低了整机成本，采用谐振技术和移相技术，实现了开关管的软开关，提高了变换器的效率。

说明书

技术领域

本发明涉及双向DC/DC变换器，特别涉及一种串联输入串联输出全桥高频隔离双向 DC/DC变换器。

背景技术

双向DC/DC变换器具有使用功率器件少，体积小，功率密度高以及自动调节能量传输方 向等优点，它已被广泛的应用在UPS系统、航天电源系统、电动汽车驱动及蓄电池充放电维 护等场合。而采用高频隔离的双向DC/DC变换器，更是实现大功率电力电子变压器在新能源 发电、电能质量调节、分布式发电中应用，以及实现无工频变压器大功率变频器在中高压大 功率交流传动系统中应用的关键环节。

随着科学与生产的迅猛发展和对环境保护和节约能源的要求，对双向DC/DC变换器的需 求越来越多。传统的隔离式双向DC/DC变换器电路拓扑种类繁多、各具特色。但总体来看， 都可以认为是全桥电路、半桥电路、推挽电路的不同组合或它们的变形电路的不同组合。目 前，应用于较大功率场合的隔离型双向DC/DC变换器的拓扑结构主要为：双半桥拓扑和双全 桥拓扑。

双半桥结构和双全桥结构主要适合用于电压不高中等功率应用场合的情况，当应用在高 压大功率场合时，双全桥和双半桥结构中的开关管承受的电压应力为输入或输出电压，其相 应的开关损耗较大，降低了变换器的效率，且鉴于当前的功率开关管电压水平，这种结构的 变换器输入输出电压范围受到很大限制，难以实现在高电压大功率条件下的应用。

在应用双向DC/DC变换器的场合中，都要求尽可能的减小变换器的体积和重量，而提高 开关管的工作频率可以实现小型化的要求，所以双向DC/DC变换器的高频化对于提高整个变 换器的功率密度具有重要的意义。但是在提高开关频率的同时，又带来了开关管的开关损耗 问题。因此采用谐振、移相控制等软开关技术，能有效的降低开关损耗，是双向DC/DC变换 器能否高频化运行的关键。

发明内容

本发明的目的是克服现有的全桥拓扑或半桥拓扑结构的双向DC/DC变换器不适用于高 电压大功率应用场合的缺陷，本发明提供一种输入串联输出串联全桥高频隔离双向DC/DC变 换器，可以在不同的输入/输出电压和负载变化的情况下，通过移相调节使系统能够传输最大 功率，拓宽开关管的软开关实现范围，降低器件的电压等级，减小器件的电压应力及器件的 损耗，提高系统的效率。

为达到上述目的，本发明提供了一种输入串联输出串联全桥高频隔离双向DC/DC变换器， 包括主回路及其移相控制电路，所述主回路包括第一全桥双向DC/DC变换电路和第二全桥双 向DC/DC变换电路，两个全桥双向DC/DC变换电路的输入端串联连接，两个全桥双向DC/DC变 换电路的输出端串联连接，两个全桥双向DC/DC变换电路结构相同，分别包括：

输入侧全桥电路和输出侧全桥电路，分别用于整流和逆变，具有相同的结构；

第一谐振电路和第二谐振电路，用于软开关控制；

高频变压器，用于隔离和变压。

其中，所述第一全桥双向DC/DC变换电路的输入侧全桥电路的输入端与第二全桥双向 DC/DC变换电路的输入侧全桥电路输入端串联后跟输入网侧相连，所述第一全桥双向DC/DC 变换电路的输入侧全桥电路与所述第一全桥双向DC/DC变换电路的第一谐振电路的输入端相 连，所述第二全桥双向DC/DC变换电路的输入侧全桥电路与所述第二全桥双向DC/DC变换电 路的第一谐振电路的输入端相连，所述第一全桥双向DC/DC变换电路的第一谐振电路的输出 端与所述第一全桥双向DC/DC变换电路的高频变压器的输入端相连，所述第二全桥双向 DC/DC变换电路的第一谐振电路的输出端与所述第二全桥双向DC/DC变换电路的高频变压器 的输入端相连，所述第一全桥双向DC/DC变换电路的高频变压器的输出端与所述第一全桥双 向DC/DC变换电路的第二谐振电路相连，所述第二全桥双向DC/DC变换电路的高频变压器的 输出端与所述第二全桥双向DC/DC变换电路的第二谐振电路相连，所述第一全桥双向DC/DC 变换电路的第二谐振电路的输出端与所述第一全桥DC/DC变换电路的输出侧全桥电路的输入 端相连，所述第二全桥双向DC/DC变换电路的第二谐振电路的输出端与所述第二全桥双向 DC/DC变换电路的输出侧全桥电路的输入端相连，所述第一全桥双向DC/DC变换电路的输出 侧全桥电路的输出端与所述第二全桥双向DC/DC变换电路的输出侧全桥电路的输出端串联后 跟输出网侧相连；所述第一全桥双向DC/DC变换电路的输入侧全桥电路内具有第一移相角， 所述第一全桥双向DC/DC变换电路的输出侧全桥电路内具有第二移相角，所述第二全桥双向 DC/DC变换电路的输入侧全桥电路内具有第三移相角，所述第二全桥双向DC/DC变换电路的 输出侧全桥电路内具有第四移相角，所述第一全桥双向DC/DC变换电路的输入侧全桥电路与 所述第一全桥双向DC/DC变换电路的输出侧全桥电路之间具有第五移相角，所述第二全桥双 向DC/DC变换电路的输入侧全桥电路与所述第二全桥双向DC/DC变换电路的输出侧全桥电路 之间具有第六移相角，所述第一全桥双向DC/DC变换电路与所述第二全桥双向DC/DC变换电 路之间具有第七移相角，所述移相控制电路输出对七个移相角的控制信号相连。当能量从所 述输入网侧流向所述输出网侧时，第一全桥双向DC/DC变换电路的输入侧全桥电路和第二全 桥双向DC/DC变换电路的输入侧全桥电路处于逆变状态，所述第一全桥双向DC/DC变换电路 的输出侧全桥电路和第二全桥双向DC/DC变换电路的输出侧全桥电路处于整流状态；当能量 从所述输出侧流向所述输入侧时，所述第一全桥双向DC/DC变换电路的输入侧全桥电路和第 二全桥双向DC/DC变换电路的输入侧全桥电路处于整流状态，所述第一全桥双向DC/DC变换 电路的输出侧全桥电路和第二全桥双向DC/DC变换电路的输出侧全桥电路处于逆变状态。

本发明的输入串联输出串联全桥高频隔离双向DC/DC变换器，其中所述全桥电路包括分 压电路、第一桥臂和第二桥臂，其中：

输入侧全桥电路的分压电路包括2个电容量相等的分压电容，2个分压电容串联后分别并 联在直流网侧的正、负端，输入侧全桥电路的第一桥臂包括正向串联的第一开关管和第二开 关管，输入侧全桥电路的第二桥臂包括正向串联的第三开关管和第四开关管，输入侧全桥电 路的第一桥臂中和第二桥臂中两个开关管的串连结点分别与所述谐振电路相连，各开关管各 自并联有一个体二极管和一个寄生电容；

输出侧全桥电路的分压电路包括另2个电容量相等的分压电容，另2个分压电容或串联后 分别并联在直流网侧的正、负端，输出侧全桥电路的第一桥臂包括正向串联的第五开关管和 第六开关管，输出侧全桥电路的第二桥臂包括正向串联的第七开关管和第八开关管，输出侧 全桥电路的第一桥臂中和第二桥臂中两个开关管的串连结点分别与谐振电路相连，各开关管 各自并联有一个体二极管和一个寄生电容。

本发明的输入串联输出串联全桥高频隔离双向DC/DC变换器，其中所述分压电容的电压 和另2个分压电容的电压在稳态工作时为直流网侧电压的一半。

本发明的串联输入串联输出全桥高频隔离双向DC/DC变换器，其中所述第一谐振电路和 第二谐振电路分别为由电感和电容组成的串并联电路，包括相互串联的第一谐振电感和第一 谐振电容，其串联结点为输出端。

本发明的串联输入串联输出全桥高频隔离双向DC/DC变换器，第一谐振电路和第二谐振电 路分别为由电感和电容组成的串并联电路，包括相互串联的第二谐振电感和第二谐振电容， 第二谐振电容的另一端为输出端。

本发明的串联输入串联输出全桥高频隔离双向DC/DC变换器，第一谐振电路和第二谐振电 路分别为由电感和电容组成的串并联电路，包括相互串联的第三谐振电感、第三谐振电容和 第四谐振电感，第三谐振电容与第四谐振电感的串联结点为输出端。

本发明的串联输入串联输出全桥高频隔离双向DC/DC变换器，第一谐振电路和第二谐振电 路分别为由电感和电容组成的串并联电路，包括相互串联的第五谐振电感、第四谐振电容和 第五谐振电容，第四谐振电容与第五谐振电容的串联结点为输出端。

本发明的串联输入串联输出全桥高频隔离双向DC/DC变换器，第一谐振电路和第二谐振电 路分别为由电感和电容组成的串并联电路，包括相互串联的第六谐振电感、第六谐振电容、 第七谐振电感和第七谐振电容，第六谐振电容与第七谐振电感的串联结点为输出端。

本发明的输入串联输出串联全桥高频隔离双向DC/DC变换器的优点和积极效果在于：通 过将两组全桥电路进行串联实现了高输入输出电压条件下降低开关管电压应力、增大电路的 输入/输出电压适用范围，减小开关损耗、提高开关频率、减小高频变压器体积、双向高效传 递能量的目的。由于可以把低耐压的开关管应用到高电压场合，极大地降低了整机成本，同 时，可以使用较高电压传输能量，从而提高了变换器的整机效率。由于采用了谐振技术和移 相技术，可以实现开关管的软开关，有效降低了开关器件的开关损耗，提高了变换器的工作 效率。

下面将结合实施例参照附图进行详细说明。

附图说明

图1是本发明的串联输入串联输出全桥高频隔离双向DC/DC变换器的结构图；

图2是本发明的串联输入串联输出全桥高频隔离双向DC/DC变换器的电路图；

图3a、图3b至图3e是谐振电路的五种电路结构图；

图4a是能量从输入侧流向输出侧时的工作波形；

图4b是能量从输出侧流向输入侧时的工作波形。

具体实施方式

参照图1，本实施例串联输入串联输出全桥高频隔离双向DC/DC变换器，包括主回路及其 移相控制电路。主回路包括第一全桥双向DC/DC变换电路和第二全桥变换电路，其中每个全桥 双向DC/DC变换电路包括输入侧全桥电路、第一谐振电路Z_p、高频变压器Tr、第二谐振电路Z_S和输出侧全桥电路。输入侧全桥电路和输出侧全桥电路分别用于整流或逆变，具有相同的结 构。第一谐振电路Z_p和第二谐振电路Z_S用于软开关控制。高频变压器Tr，用于隔离和变压。第 一全桥双向DC/DC变换电路的输入侧全桥电路与第二全桥双向DC/DC变换电路的输入侧全桥电 路串联后跟输入网侧相连，第一全桥双向DC/DC变换电路的输入侧全桥电路与第一全桥双向 DC/DC变换电路的第一谐振电路Z_p的输入端相连，第二全桥双向DC/DC变换电路的输入侧全 桥电路与第二全桥双向DC/DC变换电路的第一谐振电路Z_p的输入端相连，第一全桥双向 DC/DC变换电路的第一谐振电路Z_p的输出端与第一全桥双向DC/DC变换电路的高频变压器的 输入端相连，第二全桥双向DC/DC变换电路的第一谐振电路Z_p的输出端与第二全桥双向 DC/DC变换电路的高频变压器的输入端相连，第一全桥双向DC/DC变换电路的高频变压器的 输出端与第一全桥双向DC/DC变换电路的第二谐振电路Z_S相连，第二全桥双向DC/DC变换电 路的高频变压器的输出端与第二全桥双向DC/DC变换电路的第二谐振电路Z_S相连，第一全桥 双向DC/DC变换电路的第二谐振电路Z_S的输出端与第一全桥DC/DC变换电路的输出侧全桥电 路的输入端相连，第二全桥双向DC/DC变换电路的第二谐振电路Z_S的输出端与第二全桥双向 DC/DC变换电路的输出侧全桥电路的输入端相连，第一全桥双向DC/DC变换电路的输出侧全 桥电路的输出端与第二全桥双向DC/DC变换电路的输出侧全桥电路的输出端串联后与输出网 侧相连。

在本实施例串联输入串联输出全桥高频隔离双向DC/DC变换器的实施例中，参照图2，上 述全桥电路，即输入侧全桥电路和输出侧全桥电路，分别包括分压电路、第一桥臂和第二桥 臂。

输入侧全桥电路的分压电路包括2个电容量相等的分压电容C₁₁和C₁₂。2个分压电容C₁₁和 C₁₂串联后分别并联在直流网侧的正、负端，分压电容C₁₁和C₁₂的电压在稳态工作时为直流网 侧电压的一半。输入侧全桥电路的第一桥臂包括正向串联的第一开关管S₁或S₉和第二开关管 S₂或S₁₀，输入侧全桥电路的第二桥臂包括正向串联的第三开关管S₃或S₁₁和第四开关管S₄或 S₁₂。输入侧全桥电路的第一桥臂中和第二桥臂中两个开关管的串连结点分别与谐振电路Z_p相 连，各开关管各自并联有一个体二极管和一个寄生电容。

输出侧全桥电路的分压电路包括另2个电容量相等的分压电容C₂₁和C₂₂。另2个分压电容或 C₂₁和C₂₂串联后分别并联在直流网侧的正、负端，另2个分压电容C₂₁和C₂₂的电压在稳态工作 时为直流网侧电压的一半。输出侧全桥电路的第一桥臂包括正向串联的第五开关管S₅或S₁₃和 第六开关管S₆或S₁₄，输出侧全桥电路的第二桥臂包括正向串联的第七开关管S₇或S₁₅和第八开 关管S₈或S₁₆。输出侧全桥电路的第一桥臂中和第二桥臂中两个开关管的串连结点分别与谐振 电路Z_s相连，各开关管各自并联有一个体二极管和一个寄生电容。

在本实施例串联输入串联输出全桥高频隔离双向DC/DC变换器的实施例中，参照图3a， 第一谐振电路Z_p和第二谐振电路Z_s分别为由电感和电容组成的串并联电路，包括相互串联的 第一谐振电感L₁₁和第一谐振电容C₁₁₁，其串联结点为输出端。

参照图3b，第一谐振电路Z_p和第二谐振电路Z_s分别为由电感和电容组成的串并联电路， 包括相互串联的第二谐振电感L₂₁和第二谐振电容C₂₁₁，第二谐振电容C₂₁₁的另一端为输出端。

参照图3c，第一谐振电路Z_p和第二谐振电路Z_s分别为由电感和电容组成的串并联电路， 包括相互串联的第三谐振电感L₃₁、第三谐振电容C₃₁和第四谐振电感L₃₂，第三谐振电容C₃₁与 第四谐振电感L₃₂的串联结点为输出端。

参照图3d，第一谐振电路Z_p和第二谐振电路Z_s分别为由电感和电容组成的串并联电路， 包括相互串联的第五谐振电感L₄₁、第四谐振电容C₄₁和第五谐振电容C₄₂，第四谐振电容C₄₁与 第五谐振电容C₄₂的串联结点为输出端。

参照图3e，第一谐振电路Z_p和第二谐振电路Z_s分别为由电感和电容组成的串并联电路， 包括相互串联的第六谐振电感L₅₁、第六谐振电容C₅₁、第七谐振电感L₅₂和第七谐振电容C₅₂， 第六谐振电容C₅₁与第七谐振电感L₅₂的串联结点为输出端。

在本实施例输入串联输出串联全桥高频隔离双向DC/DC变换器中，第一全桥双向DC/DC 变换电路的输入侧全桥电路内具有第一移相角θ₁，第一全桥双向DC/DC变换电路的输出侧全 桥电路内具有第二移相角θ₂，第二全桥双向DC/DC变换电路的输入侧全桥电路内具有第三移 相角θ₃，第二全桥双向DC/DC变换电路的输出侧全桥电路内具有第四移相角θ₄，第一全桥双 向DC/DC变换电路的输入侧全桥电路与第一全桥双向DC/DC变换电路的输出侧全桥电路之 间具有第五移相角θ₅，第二全桥双向DC/DC变换电路的输入侧全桥电路与第二全桥双向 DC/DC变换电路的输出侧全桥电路之间具有第六移相角θ₆，第一全桥双向DC/DC变换电路与 第二全桥双向DC/DC变换电路之间具有第七移相角θ₇，移相控制电路输出提供七个移相角的 控制信号。当能量从所述输入网侧流向所述输出网侧时，第一全桥双向DC/DC变换电路的输 入侧全桥电路和第二全桥双向DC/DC变换电路的输入侧全桥电路处于逆变状态，第一全桥双 向DC/DC变换电路的输出侧全桥电路和第二全桥双向DC/DC变换电路的输出侧全桥电路处 于整流状态；当能量从所述输出侧流向所述输入侧时，第一全桥双向DC/DC变换电路的输入 侧全桥电路和第二全桥双向DC/DC变换电路的输入侧全桥电路处于整流状态，第一全桥双向 DC/DC变换电路的输出侧全桥电路和第二全桥双向DC/DC变换电路的输出侧全桥电路处于逆 变状态。

下面说明本实施例串联输入串联输出全桥高频隔离双向DC/DC变换器移相控制的工作原 理。

本实施例输入串联输出串联全桥高频隔离双向DC/DC变换器有7个可控的移相角，为了 简化控制同时使系统更容易稳定，在控制时，使每个全桥电路内的移相角相等，即移相角 θ₁=θ₂=θ₃=θ₄,，使每个全桥双向DC/DC变换电路输入侧全桥电路与输出侧全桥电路间的移相角 相同，即移相角θ₅=θ₆，使两个全桥双向DC/DC变换电路间的移相角为0，即移相角θ₇=0。

本实施例输入串联输出串联全桥高频隔离双向DC/DC变换器的工作模式分为两种，一种 是能量由输入侧流向输出侧，两个全桥双向DC/DC变换电路的输入侧全桥电路工作在逆变状 态，输出侧全桥电路工作在整流状态，第一全桥双向DC/DC变换电路的输入侧全桥电路与第 一全桥双向DC/DC变换电路的输出侧全桥电路之间具有第五移相角θ₅和第二全桥双向 DC/DC变换电路的输入侧全桥电路与第二全桥双向DC/DC变换电路的输出侧全桥电路之间具 有第六移相角θ₆都为正；另一种工作模式是能量由输出侧流向输入侧，两个全桥双向DC/DC 变换电路的输入侧全桥电路工作在整流状态，输出侧全桥电路工作在逆变状态，第一全桥双 向DC/DC变换电路的输入侧全桥电路与第一全桥双向DC/DC变换电路的输出侧全桥电路之 间具有第五移相角θ₅和第二全桥双向DC/DC变换电路的输入侧全桥电路与第二全桥双向 DC/DC变换电路的输出侧全桥电路之间具有第六移相角θ₆都为负。每个全桥电路的第一桥臂 始终超前于第二桥臂，即移相角θ₁=θ₂=θ₃=θ₄,始终为正。在能量双向流动时，通过调节移相角 θ₁、θ₂、θ₃、θ₄和θ₅、θ₆的大小，可以控制输出能量的多少。

参照图4a，给出了在移相角θ₅=θ₆>0时的工作波形，此时能量从输入侧流向输出侧。

参照图4b，给出了在移相角θ₅=θ₆<0时的工作波形，此时能量从输出侧流向输入侧。

本实施例输入串联输出串联全桥高频隔离双向DC/DC变换器的移相控制在不同的输入/输 出电压和负载变化的情况下，通过调节各个移相角，能够使系统传输最大功率，拓宽开关管 的软开关实现的范围，减小的器件的电压和电流应力及损耗，减小高频变压器的体积和相对 的损耗，减少无功环流，提高系统的效率。

上面所述的实施例仅仅是对本发明的优选实施方式进行描述，并非对本发明的构思和范 围进行限定，在不脱离本发明设计方案前提下，本领域中普通工程技术人员对本发明的技术 方案做出的各种变型和改进，均应落入本发明的保护范围，本发明请求保护的技术内容，已 经全部记载在权利要求书中。