并联谐振式双向隔离型高增益DC-DC变换器制造技术

本发明专利技术公开了一种并联谐振式双向隔离型高增益DC‑DC变换器，包括：交错升压单元，包括第一电感和第二电感、第一开关管和第二开关管以及低压输入源或低压负载；并联谐振单元，包括并联电容和变压器；Buck‑boost单元，包括隔直电容、第三开关管和第四开关管、输出电容以及高压输入源或高压负载；交错升压单元通过第一节点和第二节点与并联谐振单元相连。该变换器能通过交错升压单元和并联谐振单元实现低压输入源到高压负载的高增益升压变换，也能通过Buck‑boost单元和并联谐振单元实现高压输入源到低压负载的高增益降压变换，从而使变换器效率更高，进一步提高增益，降低成本，输入电流纹波小，并且结构简单，易于实现。

【技术实现步骤摘要】
并联谐振式双向隔离型高增益DC-DC变换器
本专利技术涉及电力电子
，特别涉及一种并联谐振式双向隔离型高增益DC-DC变换器。
技术介绍
目前，智能电网已经成为未来能源发展的关键技术和主体方向，其涵盖的交直流微电网中所涉及的新能源发电由于其间歇性、随机性和不稳定性，需要增加储能单元对新能源发电进行互补和存储。为了在交直流微电网中使储能单元的电能安全、稳定、平滑地接入接出，双向隔离型DC-DC(DirectCurrenttoDirectCurrent，直流转直流)变换器是十分关键的技术设备。为了适应未来智能电网高标准的技术要求，双向隔离型DC-DC变换器需要具备高效、高增益、高功率密度、低成本和低电流纹波的优势，而开发同时满足多项高标准的双向隔离型DC-DC变换器是需要进一步突破的技术瓶颈。相关技术中，双向隔离型DC-DC变换器主要包括双有源桥式、LLC谐振式、CLLC谐振式、开关Z源式以及各类带吸收电路的半桥式和全桥式，其中，针对双有源桥式和谐振式双向隔离型DC-DC变换器的研究较多，他们具备高效、高可靠性等优点，然而它们至少需要8个有源开关管，依靠变压器的变比实现高增益变换，而且在功率控制和低电流纹波方面也存在诸多问题。针对这些问题，一些相关技术文献对其进行了改进和分析的研究。例如，为了降低电流纹波并提高效率，一种相关技术提出电流馈电型双向隔离DC-DC变换器，低压侧由带输入电感的半桥结构构成，高压侧由带三抽头的全桥结构加两个电容构成，能够实现宽输入范围、低电流纹波、低导通损耗和软开关操作。然而三抽头的变压器不仅会增大体积而且会增加损耗，需要6个有源开关管的同时还需要四个半桥式的电容，较大地影响到成本和体积的优势。为了提高双向隔离型DC-DC变换器电压增益比和效率，另一种相关技术提出了新型的高变换比高校的双向隔离型DC-DC变换器，低压侧使用双电流馈电型电路以降低电流纹波和导通损耗，高压侧使用隔直电容以降低变压器的电压和回收漏感的能量，仅需要4个有源开关管，能够实现低电流纹波、高增益和高效率。然而，未能实现软开关操作，而且低压侧的漏感影响无法消除，这将导致开关损耗增加，有源开关管的电流尖峰高。此外，还有一种相关技术提出了基于GaN器件的高效双向隔离型DC-DC变换器，低压侧由中心抽头的有源钳位电路构成，高压侧由基于GaN器件的半桥电路构成，包含4个主开关管和2个有源钳位的辅助开关管，有源钳位的结构和GaN器件能够解决低压侧和高压侧的漏感影响问题，实现高效、高增益和高功率密度等优点。然而，不能解决低压侧的电流纹波问题。因此，为了能够同时实现高效、高增益、高功率密度、低成本和低电流纹波的优势，双向隔离型DC-DC变换器仍然需要进一步研究与开发。
技术实现思路
本专利技术旨在至少在一定程度上解决相关技术中的技术问题之一。为此，本专利技术的目的在于提出一种并联谐振式双向隔离型高增益DC-DC变换器，该变换器可以使得变换器效率更高、进一步提高增益，降低成本，输入电流纹波小，并且结构简单，易于实现。为达到上述目的，本专利技术实施例提出了一种并联谐振式双向隔离型高增益DC-DC变换器，其特征在于，包括：交错升压单元，所述交错升压单元包括第一电感L1、第二电感L2、第一开关管S1、第二开关管S2和低压输入源VLin或低压负载RLL，其中，所述第一电感L1的一端和所述第一开关管S1的漏极与第一节点A相连，所述第二电感L2的一端和所述第二开关管S2的漏极与第二节点B相连，所述第一电感L1的另一端和所述第二电感L2的另一端与所述低压输入源VLin的正极或所述低压负载RLL的一端相连，所述第一开关管S1的源极和所述第二开关管S2的源极与所述低压输入源VLin的负极或所述低压负载RLL的另一端相连；并联谐振单元，所述并联谐振单元通过所述第一节点A和所述第二节点B与所述交错升压单元相连，所述并联谐振单元包括并联电容Cp、变压器Tr，变压器漏感Llp，其中，所述并联电容Cp的一端和所述变压器Tr一次侧的同名端与所述第一节点A相连，所述并联电容Cp的另一端和所述变压器Tr一次侧的异名端与所述第二节点B相连，所述变压器Tr二次侧的同名端与第三节点C相连，所述变压器Tr二次侧的异名端与第四节点D相连；Buck-boost单元，所述并联谐振单元通过所述第三节点C和所述第四节点D与所述Buck-boost单元相连，所述Buck-boost单元包括第三开关管S3、第四开关管S4、隔直电容Cs、输出电容Co和高压输入源VHin或高压负载RHL，其中，所述第三开关管S3的源极和所述第四开关管S4的漏极与所述第三节点C相连，所述隔直电容Cs的一端与所述第四节点D相连，所述第三开关管S3的漏极和所述输出电容Co的一端与所述高压输入源VHin的正极或所述高压负载RHL的一端相连，所诉第四开关管S4的源极和所述输出电容Co的另一端与所述高压输入源VHin的负极或所述高压负载RHL的另一端相连。本专利技术实施例的并联谐振式双向隔离型高增益DC-DC变换器，可以在变压器变比为1时将所述低压输入源的电压35V升压变换为高压负载的电压400V，也可以将所述高压输入源的电压400V降压变换为低压负载的电压35V，能够实现软开关操作，低压侧包含双电感，且仅有4个有源开关管，从而使得双向隔离型DC-DC变换器效率更高、且进一步提高增益，降低成本，输入电流纹波小，并且结构简单，易于实现。另外，根据本专利技术上述实施例的并联谐振式双向隔离型DC-DC变换器还可以具有以下附加的技术特征：进一步地，在本专利技术的一个实施例中，所述DC-DC变换器的工作模式包括升压模式和降压模式。其中，所述升压模式包括十个工作模态，且前五个工作模态与后五个工作模态相互对称，所述前五个工作模态分别为第一工作模态、第二工作模态、第三工作模态、第四工作模态和第五工作模态。所述降压模式包括十个工作模态，且前五个工作模态与后五个工作模态相互对称，所述前五个工作模态分别为第一工作模态、第二工作模态、第三工作模态、第四工作模态和第五工作模态。进一步地，在本专利技术的一个实施例中，在所述升压模式第一工作模态下，包括：所述第一开关管S1、所述第二开关管S2和所述第三开关管S3导通，所述第四开关管S4关断，所述输出电容Co向所述高压负载RHL供电，且通过所述第三开关管S3向所述变压器Tr反向充电。同时，所述低压输入源VHin通过所述第一开关管S1向所述第一电感L1恒压充磁，通过所述第二开关管S2向所述第二电感L2恒压充磁，其中公式如下：其中，Lp＝(Llp+Lls)，iLp(t)为所述变压器Tr的一次侧电流，iLs(t)为所述变压器Tr的二次侧电流，iS1(t)为所述第一开关管S1的电流，iS2(t)为所述第二开关管S2的电流，iS3(t)为所述第三开关管S3的电流，VHL为所述高压负载RHL的电压，Llp为所述变压器Tr一次侧的漏感，Lls为所述变压器Tr二次侧的漏感，iL为所述第一电感L1和所述第二电感L2的稳态电流。进一步地，在本专利技术的一个实施例中，在所述升压模式第二工作模态下，包括：所述第一开关管S1和所述第三开关管S3导通，所述第二开关管S2和所述第四开关管S4关断，所述并联电容Cp与所述变压器漏感Llp开始谐振，所本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种并联谐振式双向隔离型高增益DC‑DC变换器，其特征在于，包括：交错升压单元，所述交错升压单元包括第一电感L1、第二电感L2、第一开关管S1、第二开关管S2和低压输入源VLin或低压负载RLL，其中，所述第一电感L1的一端和所述第一开关管S1的漏极与第一节点A相连，所述第二电感L2的一端和所述第二开关管S2的漏极与第二节点B相连，所述第一电感L1的另一端和所述第二电感L2的另一端与所述低压输入源VLin的正极或所述低压负载RLL的一端相连，所述第一开关管S1的源极和所述第二开关管S2的源极与所述低压输入源VLin的负极或所述低压负载RLL的另一端相连；并联谐振单元，所述并联谐振单元通过所述第一节点A和所述第二节点B与所述交错升压单元相连，所述并联谐振单元包括并联电容Cp、变压器Tr，变压器漏感Llp，其中，所述并联电容Cp的一端和所述变压器Tr一次侧的同名端与所述第一节点A相连，所述并联电容Cp的另一端和所述变压器Tr一次侧的异名端与所述第二节点B相连，所述变压器Tr二次侧的同名端与第三节点C相连，所述变压器Tr二次侧的异名端与第四节点D相连；Buck‑boost单元，所述并联谐振单元通过所述第三节点C和所述第四节点D与所述Buck‑boost单元相连，所述Buck‑boost单元包括第三开关管S3、第四开关管S4、隔直电容Cs、输出电容Co和高压输入源VHin或高压负载RHL，其中，所述第三开关管S3的源极和所述第四开关管S4的漏极与所述第三节点C相连，所述隔直电容Cs的一端与所述第四节点D相连，所述第三开关管S3的漏极和所述输出电容Co的一端与所述高压输入源VHin的正极或所述高压负载RHL的一端相连，所诉第四开关管S4的源极和所述输出电容Co的另一端与所述高压输入源VHin的负极或所述高压负载RHL的另一端相连。...

【技术特征摘要】
1.一种并联谐振式双向隔离型高增益DC-DC变换器，其特征在于，包括：交错升压单元，所述交错升压单元包括第一电感L1、第二电感L2、第一开关管S1、第二开关管S2和低压输入源VLin或低压负载RLL，其中，所述第一电感L1的一端和所述第一开关管S1的漏极与第一节点A相连，所述第二电感L2的一端和所述第二开关管S2的漏极与第二节点B相连，所述第一电感L1的另一端和所述第二电感L2的另一端与所述低压输入源VLin的正极或所述低压负载RLL的一端相连，所述第一开关管S1的源极和所述第二开关管S2的源极与所述低压输入源VLin的负极或所述低压负载RLL的另一端相连；并联谐振单元，所述并联谐振单元通过所述第一节点A和所述第二节点B与所述交错升压单元相连，所述并联谐振单元包括并联电容Cp、变压器Tr，变压器漏感Llp，其中，所述并联电容Cp的一端和所述变压器Tr一次侧的同名端与所述第一节点A相连，所述并联电容Cp的另一端和所述变压器Tr一次侧的异名端与所述第二节点B相连，所述变压器Tr二次侧的同名端与第三节点C相连，所述变压器Tr二次侧的异名端与第四节点D相连；Buck-boost单元，所述并联谐振单元通过所述第三节点C和所述第四节点D与所述Buck-boost单元相连，所述Buck-boost单元包括第三开关管S3、第四开关管S4、隔直电容Cs、输出电容Co和高压输入源VHin或高压负载RHL，其中，所述第三开关管S3的源极和所述第四开关管S4的漏极与所述第三节点C相连，所述隔直电容Cs的一端与所述第四节点D相连，所述第三开关管S3的漏极和所述输出电容Co的一端与所述高压输入源VHin的正极或所述高压负载RHL的一端相连，所诉第四开关管S4的源极和所述输出电容Co的另一端与所述高压输入源VHin的负极或所述高压负载RHL的另一端相连。2.根据权利要求1所述的并联谐振式双向隔离型高增益DC-DC变换器，其特征在于，所述DC-DC变换器的工作模式包括升压模式和降压模式。其中，所述升压模式包括十个工作模态，且前五个工作模态与后五个工作模态相互对称，所述前五个工作模态分别为第一工作模态、第二工作模态、第三工作模态、第四工作模态和第五工作模态。所述降压模式包括十个工作模态，且前五个工作模态与后五个工作模态相互对称，所述前五个工作模态分别为第一工作模态、第二工作模态、第三工作模态、第四工作模态和第五工作模态。3.根据权利要求2所述的并联谐振式双向隔离型高增益DC-DC变换器，其特征在于，在所述升压模式第一工作模态下，包括：所述第一开关管S1、所述第二开关管S2和所述第三开关管S3导通，所述第四开关管S4关断，所述输出电容Co向所述高压负载RHL供电，且通过所述第三开关管S3向所述变压器Tr反向充电。同时，所述低压输入源VHin通过所述第一开关管S1向所述第一电感L1恒压充磁，通过所述第二开关管S2向所述第二电感L2恒压充磁，其中公式如下：其中，Lp＝(Llp+Lls)，iLp(t)为所述变压器Tr的一次侧电流，iLs(t)为所述变压器Tr的二次侧电流，iS1(t)为所述第一开关管S1的电流，iS2(t)为所述第二开关管S2的电流，iS3(t)为所述第三开关管S3的电流，VHL为所述高压负载RHL的电压，Llp为所述变压器Tr一次侧的漏感，Lls为所述变压器Tr二次侧的漏感，iL为所述第一电感L1和所述第二电感L2的稳态电流。4.根据权利要求2所述的并联谐振式双向隔离型高增益DC-DC变换器，其特征在于，在所述升压模式第二工作模态下，包括：所述第一开关管S1和所述第三开关管S3导通，所述第二开关管S2和所述第四开关管S4关断，所述并联电容Cp与所述变压器漏感Llp开始谐振，所述第二开关管S2实现零电压关断，所述第二电感L2和所述变压器Tr一次侧电流迅速转移到所述并联电容Cp，所述输出电容Co继续向所述高压负载RHL供电，继续通过所述第三开关管S3向所述变压器Tr反向充电。其中公式如下：iLp(t)＝iLs(t)＝iL-Aω1Cpcos[ω1(t-t1)+θ],t∈[t1,t2]，其中，Lp＝(Llp+Lls)，其中，vCp(t)为所述并联电容Cp的电压，D1为所述第一开关管S1驱动信号和第二开关管S2驱动信号的占空比，D2为所述第三开关管S2驱动信号和第四开关管S4驱动信号的占空比，Ts为所述DC-DC变换器的开关周期，Cp为所述并联电容Cp的容值。5.根据权利要求2所述的并联谐振式双向隔离型高增益DC-DC变换器，其特征在于，在所述升压模式第三工作模态下，包括：所述并联电容Cp的电压谐振至零，所述变压器Tr一次侧电压被钳位为零，其电流线性下降，所述并联电容Cp的电流转移到所述第二开关管S2的反并联二极管中进行续流，期间，所述第二开关管S2实现零电压开通，所述第二开关管S2的电流由负变为正，其中公式如下：其中，Lp＝(Llp+Lls)，其中，iLp(t)为所述变压器Tr的一次侧电流，iLs(t)为所述变压器Tr的二次侧电流，iS1(t)为所述第一开关管S1的电流，iS2(t)为所述第二开关管S2的电流。6.根据权利要求2所述的并联谐振式双向隔离型高增益DC-DC变换器，其特征在于，在所述升压模式第四工作模态下，包括：所述第一开关管S1和所述第二开关管S2导通，所述变压器Tr一次侧二次侧电流继续线性下降，期间...

【专利技术属性】
技术研发人员：李虹，曾洋斌，张智，郑琼林，游小杰，
申请(专利权)人：北京交通大学，
类型：发明
国别省市：北京,11