一种双向全桥谐振直流/直流变换器及其控制方法技术

本发明专利技术提供一种双向全桥谐振直流/直流变换器及其控制方法，变换器包括依次相连接的第一滤波电路、第一全桥电路、谐振变换电路、第二全桥电路和第二滤波电路，以及还包括控制单元，控制单元分别采集第一滤波电路、第二滤波电路的工作电流，控制单元分别对第一全桥电路和第二全桥电路根据预设信号进行控制。控制方法包括根据能量流向使全桥电路进入主动开关模式或二极管模式。继而实现能量的高效双向变换，使得本双向全桥谐振直流/直流变换器及其控制方法更加具备实用性。

【技术实现步骤摘要】
一种双向全桥谐振直流/直流变换器及其控制方法
本专利技术设计直流电源变换技术，尤其涉及一种双向全桥谐振直流/直流变换器，以及该变换器的控制方法。
技术介绍
在新能源光伏系统、储能系统以及电动汽车充电系统等多种应用场合，要求电能变换器中的能量可以双向流动，能量即可以由电网流向电池等储能单元，实现电能的存储，同时，又要求能量可以从储能单元流向电网或单独以交流电源的形式输出，实现电网电能的调节或者满足离网条件下电能的使用。出于安全性考虑，这种双向能量变换系统最好能实现输入输出的电气隔离。目前，非隔离的交直流变换电路已经非常成熟，可以很方便的实现交流电与中间直流单元的非隔离能量双向流动。因此，如何实现电能高效的隔离直流/直流变换，从而实现中间直流单元与储能单元的隔离双向能量变换，是当前急需解决的一个现实问题。传统的推挽、半桥以及全桥等硬开关形式变换器只要将副边整流二极管更换为开关管，就可以简单方便地实现电路的双向变换。但这些硬开关电路由于开关损耗过大，变换效率较低，不适合于大功率和高频应用场合。特别地，移向全桥电路形式可以实现原边开关管的软开通，同时也可以通过将副边整流二极管更换为开关管而简单方便地实现电路的双向变换。但其有两个缺陷：一是副边整流管不能实现零电流关断，二是轻载情况下原边开关管也不能实现零电流开通。这也限制了移向全桥电路在隔离双向直流变换领域的应用。谐振变换电路尤其是LLC谐振变换电路是近几年快速发展起来的一种软开关电路拓扑。以现有的LLC串联谐振变换器为例，由于谐振元件工作在正弦谐振状态，开关管上的电压可以自然过零从而实现零电压开通，以及很容易实现副边整流管的零电流关断，从而减小了开关管的开通损耗，提高了电源的整体效率。这类拓扑通常采用变频调制(PFM)方式，通过调整开关管的工作频率达到稳定输出电压的目的。变换器的控制原理是通过对全桥每个桥臂的上下管互补导通，每个开关管的占空比接近50％，并对Q1和Q4以及Q2和Q3同时导通和关断，再加在谐振网络上的电压为+Vin～-Vin变动的方波，占空比为50％，电压有效值接近Vin。如果仅采用频率调制的方式调整输出电压，则电源输出电压增益与开关频率的关系为：其中，Vin和Vout分别为输入电压和输出电压，n为变压器变比，Lr为谐振电感值，Cr为谐振电容值，Lm为激磁电感值，f为工作频率，为谐振频率，Rg为输出负载。从上式可以看出，在输入电压和其它电路参数选定的情况下，LLC串联谐振的输出电压随工作频率的提高而降低，其控制频率与输出电压增益的关系如图1所示，LLC串联谐振变换器的升压能力是有限的，在一定范围内随着工作频率的降低输出电压升高。超过这个范围，反而随着工作频率降低输出电压降低，这不符合电路负反馈的单调性要求而在实际工作中不能使用。同时，LLC串联谐振的降压能力也是有限的，虽然理论上随着工作频率的提高输出电压可以持续下降，但考虑实际电路器件高频损耗的影响，电路工作频率不可能很高(一般最高到谐振频率的2倍左右)。因此，在一定的工作频率范围内，LLC串联谐振电路的输出电压不可能降到很低，特别是负载较轻的情况下。综上所述，LLC谐振变换器虽然具有容易实现软开关从而提高电路效率的优势，但其一个非常明显的弱势是在仅采用频率调制的控制方式时输出电压范围很窄，不能应用在需要宽范围输出的场合。同时在另一方面，不论在轻载还是重载条件下，LLC电路都可以很容易实现原边开关管的零电流开通；并且，LLC电路可以实现副边整流二极管的零电流关断，降低了反向恢复损耗。这些都大大减小了电路中开关元件的开关损耗，故成为目前较为流行的开关电源拓扑形式。但是，LLC电路不是一种对称的电路拓扑形式，当能量反方向流动时，其电路特性不再是LLC谐振特性而是退化为LC谐振特性，从而大大降低了反向工作时的工作范围以及加剧了开关管实现软开关的难度。因此，传统的LLC谐振电路并不太适合于工作在能量双向流动的状态下。
技术实现思路
本专利技术的第一目的是提供一种双向稳定变换工作的双向全桥谐振直流/直流变换器。本专利技术的第二目的是提供一种双向稳定变换工作的双向全桥谐振直流/直流变换器的控制方法。本专利技术的第三目的是提供一种双向稳定变换工作的双向全桥谐振直流/直流变换器的控制方法。为了实现本专利技术的第一目的，本专利技术提供一种双向全桥谐振直流/直流变换器，其包括依次相连接的第一滤波电路、第一全桥电路、谐振变换电路、第二全桥电路和第二滤波电路；双向谐振变换电路还包括控制单元，控制单元分别与第一滤波电路、第二滤波电路电连接；第一全桥电路的超前臂由第一开关管和第二开关管构成，第一开关管的漏极与第二开关管的源极连接，第一全桥电路的滞后臂由第三开关管和第四开关管构成，第三开关管的漏极与第四开关管的源极连接，第一开关管、第二开关管、第三开关管和第四开关管的栅极分别与控制单元连接；第二全桥电路的超前臂由第五开关管和第六开关管构成，第五开关管的漏极与第六开关管的源极连接，第二全桥电路的滞后臂由第七开关管和第八开关管构成，第七开关管的漏极与第八开关管的源极连接，第五开关管、第六开关管、第七开关管和第八开关管的栅极分别与控制单元连接。由上述方案可见，通过控制两侧的全桥电路的开关管，可使全桥电路处于主动开关模式或二极管模式，当能量从第一滤波电路流向第二滤波电路时，则可将第一全桥电路处于主动开关模式，根据能量传输的需求进行开关频率、相位或占空比的调节，而将第二全桥电路处于二极管模式，使得第二全桥电路作为整流电路使用，继而实现能量的变换，而反相时，则将模式对调即可实现双向变换的目的，使得电路更加具备实用性。更进一步的方案是，谐振电路包括谐振电感、谐振电容、第一储能电感、第一隔直电容、第二储能电感和第二隔直电容；谐振电感的第一端、第一储能电感的第一端与第一开关管的漏极电连接，第二储能电感的第一端、谐振电容的第一端与第五开关管的漏极电连接，谐振电感的第二端与谐振电容的第二端电连接，第一储能电感的第二端与第一隔直电容的第一端电连接，第二储能电感的第二端与第二隔直电容的第一端电连接，第一隔直电容的第二端、第二隔直电容的第二端、第三开关管的漏极和第七开关管的漏极电连接。由上可见，并且在第一全桥电路输出侧并联储能电感，从而实现了隔离对称双向LLC谐振变换，同时在储能电感和绕组输出侧串联了隔直电容，有效地防止了正向工作时储能电感和反向工作时变压器偏磁饱和，使得电路更加具有实用性。更进一步的方案是，谐振电路包括谐振电感、谐振电容、第一储能电感、第一隔直电容、绕组和第二隔直电容；谐振电感的第一端、第一储能电感的第一端与第一开关管的漏极电连接，谐振电容的第一端与绕组的第一正极端电连接，谐振电感的第二端与谐振电容的第二端电连接，第一储能电感的第二端与第一隔直电容的第一端电连接，第一隔直电容的第二端、绕组的第一负极端和第三开关管的漏极电连接，第二隔直电容的第一端与绕组的第二正极端电连接，第二隔直电容的第二端与第五开关管的漏极电连接，绕组的第二负极端与第七开关管的漏极电连接。更进一步的方案是，谐振电路还包括第二储能电感，第二储能电感连接在第一正极端和第一负极端之间。由上可见，通过加入绕组实现隔离对称双向LLC谐振变换，起两个直流端口电气隔离的作用，且绕组位于第一储本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种双向全桥谐振直流/直流变换器，其特征在于：包括依次相连接的第一滤波电路、第一全桥电路、谐振变换电路、第二全桥电路和第二滤波电路；所述双向谐振变换电路还包括控制单元，所述控制单元分别与所述第一滤波电路、所述第二滤波电路电连接；所述第一全桥电路的超前臂由第一开关管和第二开关管构成，所述第一开关管的漏极与所述第二开关管的源极连接，所述第一全桥电路的滞后臂由第三开关管和第四开关管构成，所述第三开关管的漏极与所述第四开关管的源极连接，所述第一开关管、所述第二开关管、所述第三开关管和所述第四开关管的栅极分别与所述控制单元连接；所述第二全桥电路的超前臂由第五开关管和第六开关管构成，所述第五开关管的漏极与所述第六开关管的源极连接，所述第二全桥电路的滞后臂由第七开关管和第八开关管构成，所述第七开关管的漏极与所述第八开关管的源极连接，所述第五开关管、所述第六开关管、所述第七开关管和所述第八开关管的栅极分别与所述控制单元连接。

【技术特征摘要】
1.一种双向全桥谐振直流/直流变换器，其特征在于：包括依次相连接的第一滤波电路、第一全桥电路、谐振变换电路、第二全桥电路和第二滤波电路；所述双向谐振变换电路还包括控制单元，所述控制单元分别与所述第一滤波电路、所述第二滤波电路电连接；所述第一全桥电路的超前臂由第一开关管和第二开关管构成，所述第一开关管的漏极与所述第二开关管的源极连接，所述第一全桥电路的滞后臂由第三开关管和第四开关管构成，所述第三开关管的漏极与所述第四开关管的源极连接，所述第一开关管、所述第二开关管、所述第三开关管和所述第四开关管的栅极分别与所述控制单元连接；所述第二全桥电路的超前臂由第五开关管和第六开关管构成，所述第五开关管的漏极与所述第六开关管的源极连接，所述第二全桥电路的滞后臂由第七开关管和第八开关管构成，所述第七开关管的漏极与所述第八开关管的源极连接，所述第五开关管、所述第六开关管、所述第七开关管和所述第八开关管的栅极分别与所述控制单元连接。2.根据权利要求1所述的变换器，其特征在于：所述谐振电路包括谐振电感、谐振电容、第一储能电感、第一隔直电容、第二储能电感和第二隔直电容；所述谐振电感的第一端、所述第一储能电感的第一端与所述第一开关管的漏极电连接，所述第二储能电感的第一端、所述谐振电容的第一端与所述第五开关管的漏极电连接，所述谐振电感的第二端与所述谐振电容的第二端电连接，所述第一储能电感的第二端与所述第一隔直电容的第一端电连接，所述第二储能电感的第二端与所述第二隔直电容的第一端电连接，第一隔直电容的第二端、第二隔直电容的第二端、所述第三开关管的漏极和所述第七开关管的漏极电连接。3.根据权利要求1所述的变换器，其特征在于：所述谐振电路包括谐振电感、谐振电容、第一储能电感、第一隔直电容、绕组和第二隔直电容；所述谐振电感的第一端、所述第一储能电感的第一端与所述第一开关管的漏极电连接，所述谐振电容的第一端与所述绕组的第一正极端电连接，所述谐振电感的第二端与所述谐振电容的第二端电连接，所述第一储能电感的第二端与所述第一隔直电容的第一端电连接，所述第一隔直电容的第二端、所述绕组的第一负极端和所述第三开关管的漏极电连接，所述第二隔直电容的第一端与所述绕组的第二正极端电连接，所述第二隔直电容的第二端与所述第五开关管的漏极电连接，所述绕组的第二负极端与所述第七开关管的漏极电连接。4.根据权利要求3所述的变换器，其特征在于：所述谐振电路还包括所述第二储能电感，所述第二储能电感连接在所述第一正极端和所述第一负极端之间。5.根据权利要求1所述的变换器，其特征在于：所述谐振电路包括谐振电感、谐振电容、储能电感、开关、绕组和隔直电容；所述谐振电感的第一端、所述储能电感的第一端与所述第一开关管的漏极电连接，所述谐振电容的第一端与所述绕组的第一正极端电连接，所述谐振电感的第二端与所述谐振电容的第二端电连接，所述储能电感的第二端与所述开关的第一端电连接，所述开关的第二端、所述绕组的第一负极端和所述第三开关管的漏极电连接，所述隔直电容的第一端与所述绕组的第二正极端电连接，所述隔直电容的第二端与所述第五开关管的漏极电连接，所述绕组的第二负极端与所述第七开关管的漏极电连接。6.根据权利要求1至5任一项所述的变换器，其特征在于：所述控制单元包括控制模块和控制器，所述控制模块包括：调节控制器，所述调节控制器接收反馈信号和所述控制器输出的预设信号，所述反馈信号为采用所述第一滤波电路或所述第二滤波电路的工作电流所得，所述调节控制器根据所述预设信号和所述反馈信号运算得出控制信号；相位运算电路，所述相位运算电路接收所述调节控制器输出的所述控制信号；频率运算电路，所述频率运算电路接收所述调节控制器输出的所述控制信号；脉冲发生电路，所述脉冲发生电路接收所述频率运算电路...

【专利技术属性】
技术研发人员：姜桂宾，
申请(专利权)人：珠海英搏尔电气股份有限公司，
类型：发明
国别省市：广东,44