一种双向谐振变换器及其控制方法技术

本发明专利技术公开了一种双向谐振变换器及其控制方法，属于电力电子变换器技术领域。所述双向谐振变换器由原边全桥电路、辅助电感、谐振电路、变压器和副边全桥电路构成，其中谐振电路由谐振电感、谐振电容构成。本发明专利技术通过构建完全对称的电路结构，利用原副边全桥电路使变换器具备双向功率传输的能力，采用占空比控制和移相角控制不仅使得两侧的电压和双向的电流能够在宽范围内调节，而且功率传输方向切换过程可以快速、平滑。本发明专利技术不仅使变换器具有双向功率传输的能力，控制策略简单，而且实现了所有开关管的软开关，可有效减小开关损耗、提高效率，特别适合在储能系统、电动汽车等双向隔离直流功率变换场合应用。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种双向谐振变换器及其控制方法，属于电力电子变换器
，尤其属于隔离双向-直流电能变换

技术介绍
在航空航天电源系统、新能源发电系统、电动汽车系统、不停电电源系统等
的应用中，出于降低系统的体积重量及成本的需求，需要采用双向直流变换器。而处于安全性的考虑，通常采用变压器对变换器原副边进行电气隔离。如何提升双向变换器的功率传输效率、寻找性能优越的的控制方法并实现功率传输方向的平滑切换一直是该
所关注的重点问题。传统的隔离型双向直流变换器，包括正激双向直流变换器、反激双向直流变换器、推挽双向直流变换器、半桥双向直流变换器和全桥双向直流变换器。正激双向直流变换器和反激双向直流变换器的电路结构简单且成本低，但开关管电压应力较高，适合于小功率场合。推挽双向直流变换器的变压器磁芯为双向磁化，传输的功率比正激双向直流变换器要大，但是开关管电压应力也较高，适合于中低压大功率场合。桥式双向直流变换器，特别是全桥双向直流变换器的开关管电压电流应力都相对较小，适合于大功率场合。双有源桥式双向直流变换器是隔离双向直流变换器的典型解决方案之一，如附图1，这类变换器由两个全桥变换单元、能量传输电感以及隔离变压器构成。传统的双有源桥式双向直流变换器通常采用移相控制，控制方式简单，通过调节移相角实现功率的双向流动，且可以实现开关管的软开关；原副边的全桥结构可以降低开关管的电压电流应力，在中大功率场合得到了广泛应用。但是，采用移相控制时，变换器中存在循环能量，环流损耗较大，影响变换器的传输效率；在较宽输入或输出电压范围内，轻载时不能实现软开关，效率较低。文献“B.Zhao，Q.Yu，and W.Sun.Extended-phase-shift control of isolated bidirectional dc-dc converter for power distribution in microgrid[J].IEEE Transactions on Power Electronics，2012，27(11)：4667-4680.”在原副边桥臂移相的基础上，增加了原边桥臂内移相，利用双移相控制来降低环流。该方案的主要问题在于变换器环流依然较大，关断损耗较高导致效率较低。且控制方法相对复杂，最优工作区域较窄。文献“X.Li and A.K.Bhat.Analysis and design of high-frequency isolated dual-bridge series resonant dc/dc converter[J].IEEE Transactions on Power Electronics，2010，25(4)：850-862.”利用串联谐振网络代替能量传输电感，减小关断电流从而降低变换器的关断损耗，利用移相控制来实现输出电压调节及开关管的软开关。该方案的问题在于串联谐振变换器移相控制时无法工作在谐振频率点，降低了传输效率；且变换器输出侧采用同步整流，增加了电路的复杂性。
技术实现思路
本专利技术的目的是针对现有技术的不足，为双向直流功率变换场合提供一种隔离双向谐振变换器及其控制方法。本专利技术的目的是通过以下技术方案来实现的：所述双向谐振变换器由原边全桥电路(10)、辅助电感(La)、谐振电路(20)、变压器(T)和副边全桥电路(30)构成，其中原边全桥电路(10)由第一开关管(S1)、第二开关管(S2)、第三开关管(S3)、第四开关管(S4)和第一电压源(V1)构成，谐振电路(20)由谐振电感(Lr)、谐振电容(Cr)构成，
变压器(T)包含一个副边绕组(NS)和一个原边绕组(NP)，副边全桥电路(30)由第五开关管(S5)、第六开关管(S6)、第七开关管(S7)、第八开关管(S8)和第二电压源(V2)构成；所述第一电压源(V1)的正极分别与第一开关管(S1)的漏极和第三开关管(S3)的漏极相连，第一开关管(S1)的源极分别连于第二开关管(S2)的漏极、谐振电感(Lr)的一端和辅助电感(La)的一端，谐振电感(Lr)的另一端连于谐振电容(Cr)的一端，谐振电容(Cr)的另一端连于变压器(T)原边绕组(NP)的同名端，变压器(T)原边绕组(NP)的非同名端连于第三开关管(S3)的源极、第四开关管(S4)的漏极以及辅助电感(La)的另一端，第四开关管(S4)的源极连于第二开关管(S2)的源极和第一电压源(V1)的负极；所述变压器(T)副边绕组(NS)的同名端分别与第五开关管(S5)的源极和第六开关管(S6)的漏极相连，第五开关管(S5)的漏极分别连于第七开关管(S7)的漏极和第二电压源(V2)的正极，第二电压源(V2)的负极连接到第六开关管(S6)的源极和第八开关管(S8)的源极，第八开关管(S8)的漏极连接到变压器副边绕组(NS)的非同名端。所述所有开关管开关频率固定，第一开关管(S1)与第二开关管(S2)互补导通，第三开关管(S3)与第四开关管(S4)互补导通，第五开关管(S5)与第六开关管(S6)互补导通，第七开关管(S7)与第八开关管(S8)互补导通；当第一电压源(V1)的电压高于第二电压源(V2)的电压时，副边全桥电路(30)中的第五开关管(S5)、第六开关管(S6)、第七开关管(S7)、第八开关管(S8)的占空比都等于0.5，第五开关管(S5)与第八开关管(S8)同时开通、同时关断，第六开关管(S6)与第七开关管(S7)同时开通、同时关断，原边全桥电路(10)中的开关管的控制方法采用以下三种控制方法中的任意一种：第一控制方法：第一开关管(S1)、第二开关管(S2)、第三开关管(S3)、第四开关管(S4)的占空比都等于0.5，第一开关管(S1)和第二开关管(S2)的开通时刻分别超前于第四开关管(S4)和第三开关管(S3)的开通时刻相同的移相角，通过调节第一开关管(S1)与第四开关管(S4)开通时刻之间的移相角来调节所述双向谐振变换器所传输的功率的大小和方向，当功率由第一电压源(V1)传输到第二电压源(V2)时，通过减小第一开关管(S1)与第四开关管(S4)开通时刻之间的移相角来增加由第一电压源(V1)传输到第二电压源(V2)的功率，当功率由第二电压源(V2)传输到第一电压源(V1)时，通过增加第一开关管(S1)与第四开关管(S4)开通时刻之间的移相角来增加由第二电压源(V2)传输到第一电压源(V1)的功率，第一开关管(S1)的开通时刻和第四开关管(S4)的开通时刻之间的中心线与第五开关管(S5)及第八开关管(S8)的开通时刻重合，第二开关管(S2)的开通时刻与第三开关管(S3)的开通时刻之间的中心线与第六开关管(S6)和第七开关(S7)管的开通时刻重合；第二控制方法：第一开关管(S1)的占空比小于等于0.5，第一开关管(S1)与第三开关管(S3)的占空比相等，第二开关管(S2)与第四开关管(S4)的占空比相等，通过调节第一开关管(S1)与第三开关管(S3)的占空比的大小来调节所述双向谐振变换器所传输的功率的大小和方向，当功率由第一电压源(V1)传输到第二电压源(V2)时，通过增加第一开关管(S1)与第三开关管(S3)的占空比来增加由第一电压源(V1本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种双向谐振变换器，其特征在于：所述双向谐振变换器由原边全桥电路(10)、辅助电感(La)、谐振电路(20)、变压器(T)和副边全桥电路(30)构成，其中原边全桥电路(10)由第一开关管(S1)、第二开关管(S2)、第三开关管(S3)、第四开关管(S4)和第一电压源(V1)构成，谐振电路(20)由谐振电感(Lr)、谐振电容(Cr)构成，变压器(T)包含一个副边绕组(NS)和一个原边绕组(NP)，副边全桥电路(30)由第五开关管(S5)、第六开关管(S6)、第七开关管(S7)、第八开关管(S8)和第二电压源(V2)组成；所述第一电压源(V1)的正极分别与第一开关管(S1)的漏极和第三开关管(S3)的漏极相连，第一开关管(S1)的源极分别连于第二开关管(S2)的漏极、谐振电感(Lr)的一端和辅助电感(La)的一端，谐振电感(Lr)的另一端连于谐振电容(Cr)的一端，谐振电容(Cr)的另一端连于变压器(T)原边绕组(NP)的同名端，变压器(T)原边绕组(NP)的非同名端连于第三开关管(S3)的源极、第四开关管(S4)的漏极以及辅助电感(La)的另一端，第四开关管(S4)的源极连于第二开关管(S2)的源极和第一电压源(V1)的负极；所述变压器(T)副边绕组(NS)的同名端分别与第五开关管(S5)的源极和第六开关管(S6)的漏极相连，第五开关管(S5)的漏极分别连于第七开关管(S7)的漏极和第二电压源(V2)的正极，第二电压源(V2)的负极连接到第六开关管(S6)的源极和第八开关管(S8)的源极，第八开关管(S8)的漏极连接到变压器副边绕组(NS)的非同名端。...

【技术特征摘要】
1.一种双向谐振变换器，其特征在于：所述双向谐振变换器由原边全桥电路(10)、辅助电感(La)、谐振电路(20)、变压器(T)和副边全桥电路(30)构成，其中原边全桥电路(10)由第一开关管(S1)、第二开关管(S2)、第三开关管(S3)、第四开关管(S4)和第一电压源(V1)构成，谐振电路(20)由谐振电感(Lr)、谐振电容(Cr)构成，变压器(T)包含一个副边绕组(NS)和一个原边绕组(NP)，副边全桥电路(30)由第五开关管(S5)、第六开关管(S6)、第七开关管(S7)、第八开关管(S8)和第二电压源(V2)组成；所述第一电压源(V1)的正极分别与第一开关管(S1)的漏极和第三开关管(S3)的漏极相连，第一开关管(S1)的源极分别连于第二开关管(S2)的漏极、谐振电感(Lr)的一端和辅助电感(La)的一端，谐振电感(Lr)的另一端连于谐振电容(Cr)的一端，谐振电容(Cr)的另一端连于变压器(T)原边绕组(NP)的同名端，变压器(T)原边绕组(NP)的非同名端连于第三开关管(S3)的源极、第四开关管(S4)的漏极以及辅助电感(La)的另一端，第四开关管(S4)的源极连于第二开关管(S2)的源极和第一电压源(V1)的负极；所述变压器(T)副边绕组(NS)的同名端分别与第五开关管(S5)的源极和第六开关管(S6)的漏极相连，第五开关管(S5)的漏极分别连于第七开关管(S7)的漏极和第二电压源(V2)的正极，第二电压源(V2)的负极连接到第六开关管(S6)的源极和第八开关管(S8)的源极，第八开关管(S8)的漏极连接到变压器副边绕组(NS)的非同名端。2.根据权利要求1所述的双向谐振变换器的控制方法，其特征在于：所述所有开关管开关频率固定，第一开关管(S1)与第二开关管(S2)互补导通，第三开关管(S3)与第四开关管(S4)互补导通，第五开关管(S5)与第六开关管(S6)互补导通，第七开关管(S7)与第八开关管(S8)互补导通；当第一电压源(V1)的电压高于第二电压源(V2)的电压时，副边全桥电路(30)中的第五开关管(S5)、第六开关管(S6)、第七开关管(S7)、第八开关管(S8)的占空比都等于0.5，第五开关管(S5)与第八开关管(S8)同时开通、同时关断，第六开关管(S6)与第七开关管(S7)同时开通、同时关断，原边全桥电路(10)中的开关管的控制方法采用以下三种控制方法中的任意一种：第一控制方法：第一开关管(S1)、第二开关管(S2)、第三开关管(S3)、第四开关管(S4)的占空比都等于0.5，第一开关管(S1)和第二开关管(S2)的开通时刻分别超前于第四开关管(S4)和第三开关管(S3)的开通时刻相同的移相角，通过调节第一开关管(S1)与第四开关管(S4)开通时刻之间的移相角来调节所述双向谐振变换器所传输的功率的大小和方向，当功率由第一电压源(V1)传输到第二电压源(V2)时，通过减小第一开关管(S1)与第四开关管(S4)开通时刻之间的移相角来增加由第一电压源(V1)传输到第二电压源(V2)的功率，当功率由第二电压源(V2)传输到第一电压源(V1)时，通过增加第一开关管(S1)与第四开关管(S4)开通时刻之间的移相角来增加由第二电压源(V2)传输到第一电压源(V1)的功率，第一开关管(S1)的开通时刻和第四开关管(S4)的开通时刻之间的中心线与第五开关管(S5)及第八开关管(S8)的开通时刻重合，第二开关管(S2)的开通时刻与第三开关管(S3)的开通时刻之间的中心线与第六开关管(S6)和第七开关(S7)管的开通时刻重合；第二控制方法：第一开关管(S1)的占空比小于等于0.5，第一开关管(S1)与第三开关管(S3)的占空比相等，第二开关管(S2)与第四开关管(S4)的占空比相等，通过调节第一开关管(S1)与第三开关管(S3)的占空比的大小来调节所述双向谐振变换器所传输的功率的大小和方向，当功率由第一电压源(V1)传输到第二电压源(V2)时，通过增加第一开关管(S1)与第三开关管(S3)的占空比来增加由第一电压源(V1)传输到第二电压源(V2)的功率，当功率由第二电压源(V2)传输到第一电压源(V1)时，通过减小第一开关管(S1)与第三开关管(S3)的占空比来增加由第二电压源(V2)传输到第一电压源(V1)的功率，第一开关管(S1)与第四开关管(S4)的驱动信号的中心线重合，第二开关管(S2)与第三开关管(S3)的驱动信号的中心线重合，第一开关管(S1)的开通时刻和第四开关管(S4)的开通时刻之间的中心线与第五开关管(S5)及第八开关管(S8)的开通时刻重合，第二开关管(S2)的开通时刻与第三开关管(S3)的开通时刻之间的中心线与第六开关管(S6)和第七开关管(S7)开通时刻重合；第三控制方法：第一开关管(S1)的占空比大于等于0.5，第一开关管(S1)与第三开关管(S3)
\t的占空比相等，第二开关管(S2)与第四开关管(...

【专利技术属性】
技术研发人员：吴红飞，李玥玮，邢岩，
申请(专利权)人：南京航空航天大学，
类型：发明
国别省市：江苏;32