CN102163918B - 一种有源钳位zvs双向直流变换器 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种有源钳位ZVS双向直流变换器，属于变换器技术领域。本发明由耦合电感(10)、第一功率开关管、第二功率开关管及有源钳位电路(20)组成。其中耦合电感(10)由第一电感、第二电感同向耦合构成，有源钳位电路(20)由第三功率开关管和钳位电容组成。本发明实现了第一、第二功率开关管的零电压开通，同时具有钳位电压低、开关管的电流应力低、使用磁性元件数量少等优点；本发明在对变换效率具有较高要求的双向能量变换场合具有广泛的应用前景。

Description

一种有源钳位ZVS双向直流变换器

技术领域：

本发明涉及一种有源钳位ZVS双向直流变换器，属于电力电子变换器技术领域。

背景技术：

双向直流变换器通过直流变换器的双象限运行，可实现能量的双向传输，在功能上相当于两个单向直流变换器，是典型的“一机两用”设备，在不间断电源、蓄电池充放电、新能源发电及航空航天供电系统等需要能量双向流动的场合可大幅度减轻系统的体积重量。因此，双向直流变换器近年来得到了广泛的研究。

传统的升压-降压式双向直流变换器如附图1所示。开关管S₁及S₂一般采用带有寄生体二极管的开关器件，如MOSFET，当能量从高压侧向低压侧变换时，S₁作为主开关管，S₂作为S₁的同步整流管，在开关管的死区时间内，电流从S₂的寄生体二极管中流过；当能量从低压侧向高压侧变换时，S₂作为主开关管，S₁作为S₂的同步整流管，在开关管的死区时间内，电流从S₁的寄生体二极管中流过。一般开关管寄生体二极管的开关及导通特性远不如专用的二极管，特别是开关管寄生体二极管的反向恢复电荷明显大于专用的二极管，由此造成的开关损耗非常大而导致变换器的变换效率降低。为了克服寄生体二极管反向恢复造成的损耗问题，研究工作者提出了多种技术方案，如文献“Pritam Das，Brian Laan，Seyed Ahmad Mousavi，and Gerry Moschopoulos.“A non-isolated bidirectionalZVS-PWM active clamped DC-DC converter，”IEEE Transactions on Power Electronics，vol.24，no.2，pp.553-558，February.2009.”，采用辅助有源钳位电路实现开关管的零电压开关，如附图2所示电路，通过添加有源钳位电路和两个辅助电感实现了开关管的零电压开通，但是电路中磁性元件数量多、钳位电压高和额外增加了开关管的电流应力。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是针对传统升压-降压直流双向变换器的不足，提出一种有源钳位ZVS双向直流变换器。

本发明为解决上述技术问题采用如下技术方案：

一种有源钳位ZVS双向直流变换器，包括低压电源、高压电源、耦合电感、第一功率开关管、第二功率开关管、有源钳位电路，其中，耦合电感包括第一电感、第二电感，有源钳位电路包括第三功率开关管、钳位电容；低压电源的正极分别与耦合电感的第一电感、第二电感的同名端相连，第一电感的另一端、第一功率开关管的漏极分别与第三功率开关管的源极连接，第一功率开关管的源极分别与低压电源的负极、高压电源的负极相连接，第二电感的另一端、第二功率开关管的源极分别与钳位电容的一端相连接，钳位电容的另一端与第三功率开关管的漏极相连接，第二功率开关管的漏极与高压电源的正极相连。

一种基于本发明的功率开关管的工作方法，

当能量从高压电源侧向低压电源侧变换时，第一功率开关管与第二功率开关管的驱动信号互补，第三功率开关管驱动信号的下降沿和第二功率开关管驱动信号的下降沿相同，第二功率开关管的驱动信号的上升沿超前于第二功率开关管驱动信号的上升沿；

当能量从低压电源侧向高压电源侧变换时，第二功率开关管与第一功率开关管的驱动信号互补，第三功率开关管驱动信号的下降沿和第一功率开关管驱动信号的下降沿相同，第三功率开关管的驱动信号的上升沿超前于第一功率开关管驱动信号的上升沿。

本发明的特点和技术效果：

1.实现了第一功率开关管及第二功率开关管的零电压开通、变换效率高；

2.钳位电路结构简单，钳位电压低；

3.开关管的电流应力低，有利于提高变换效率；

4.磁性元件数量少，有利于降低变换器体积重量，提高变换器功率密度；

附图说明：

图1为传统升压-降压双向直流变换器原理图；

图2为目前存在的有源钳位双向直流变换器原理图；

图3为有源钳位ZVS双向直流变换器原理图；

图4是有源钳位ZVS双向直流变换器Boost工作方式下主要波形图；

图5是有源钳位ZVS双向直流变换器Boost工作方式下各开关模态的等效电路结构示意图；

图6是有源钳位ZVS双向直流变换器Buck工作方式下主要波形图；

图7是有源钳位ZVS双向直流变换器Buck工作方式下各开关模态的等效电路结构示意图；

图8为本发明应用于一个500W 60V-100V双向变换场合时Boost工作方式下主要实验波形。

图9为本发明应用于一个500W 60V-100V双向变换场合时Buck工作方式下主要实验波形。

图中符号名称：

10-耦合电感电路，20-有源钳位电路，V_L、V_H-分别为低压电源、高压电源，

S₁至S₃-分别为第一至第三功率开关管，C_r-钳位电容，L₁、L₂-分别为耦合电感的第一电感、第二电感，L_r1、L_r2-分别为目前存在的有源钳位双向直流变换器辅助第一电感、第二电感，D-为驱动信号占空比，T_s-为开关周期，V_g(s1)、V_g(s2)、V_g(s3)-分别为第一、第二、第三功率开关管的驱动信号，I(s1)、I(s2)、I(s3)-分别为第一、第二、第三功率开关管的源极电流(流出为正值)，V_ds(s1)、V_ds(s2)、V_ds(s3)-分别为第一、第二、第三功率开关管的漏极-源极电压，V(Cr)-为钳位电容电压(图中“+”端为正)，t₀～t₇-为时间。

具体实施方案：

下面结合附图对技术方案的实施作进一步的详细描述：

如图3所示，是有源钳位ZVS双向直流变换器原理图，其电路的组成是：包括耦合电感10、第一功率开关管S₁、第二功率开关管S₂、有源钳位电路20，其中：耦合电感10包括第一电感L₁、第二电感L₂，有源钳位电路20包括第三功率开关管S₃、钳位电容C_r。低压电源V_L的“+”端分别与耦合电感10的第一电感L₁、第二电感L₂的同名端相连，L₁的另一端、第一功率开关管S₁的漏极均相连于第三功率开关管S₃的源极，第一功率开关管S₁的源极又分别与低压电源V_L的“-”端、高压电源V_H的“-”端相连，L₂的另一端、第二功率开关管S₂的源极均相连于钳位电容Cr的一端，钳位电容Cr的另一端又与第三功率开关管S₃的漏极相连，第二功率开关管S₂的漏极与高压电源V_H的“+”端相连。

控制方式如下：功率开关管S₁与S₂驱动信号互补，在Boost方式下，功率开关管S₃驱动信号的下降沿和同步整流管S2的驱动信号下降沿相同，在Buck方式下，功率开关管S₃驱动信号的下降沿和同步整流管S1的驱动信号下降沿相同，功率开关管S₃驱动信号的上升沿超前于同步整流管驱动信号。

下面结合图4和图6说明本发明的具体工作原理及工作过程。在分析之前，作如下假设：(1)所有开关管及二极管均为理想器件；(2)耦合电感L₁＝L₂；(3)变换器已工作在稳态。

升压模式时的工作模态分析：

升压模式是指从低压侧向高压侧传输能量时的工作模式，其主要波形如图4所示。0.开关模态0，对应于t＜t₀，其等效电路见附图5a；

t₀时刻之前，S₂、S₃导通，S₁关断，钳位电容C_r通过耦合电感L₁、L₂放电，输入电流下降。

1.开关模态1，对应于[t₀，t₁]，其等效电路见附图5b；

t₀时刻，S₃关断，其两端电压被其寄生电容钳位，流过电感L₁的电流开始对S₁的寄生电容放电，直至S₁两端电压为零。S₁的零电压开通条件产生。

2.开关模态2，对应于[t₁，t₂]，其等效电路见附图5c；

t₁时刻，S₁的寄生电容已经被完全放电，其体二极管开始导通。此时，S1零电压开通。

3.开关模态3，对应于[t₂，t₃]，其等效电路见附图5d；

t₂时刻，S₁开通不久后，电感L₁中电流开始反向流动，电流从L₂向L₁换流，该模态直至L₂电流降为零结束。

4.开关模态4，对应于[t₃，t₄]，其等效电路见附图5e；

t₃时刻，电感L₂上电流已完全换流至L₁，换流结束。L₂漏感开始与开关管S2/S3的寄生电容谐振。此时输入电流线性上升。

5.开关模态5，对应于[t₄，t₅]，其等效电路见附图4f；

t₄时刻，S₃开通，钳位电容通过L₁、L₂放电，流过L₁的电流开始向L₂换流。

6.开关模态6，对应于[t₅，t₆]，其等效电路见附图5g；

t₅时刻，S₁关断，S₁两端电压被其寄生电容钳位，流过L₁的电流给S₁寄生电容充电，同时反向流过S₃给C_r充电并继续向L₂换流，S₂的寄生电容开始放电。

7.开关模态7，对应于[t₆，t₇]，其等效电路见附图5h；

t₆时刻，S₂的寄生电容已经被完全放电，其体二极管开始导通，S₂零电压开通。此时，流过L₁的电流继续向L₂换流直至L₁电流降为零，换流结束。此后，变换器回到模态0。

降压模式时的工作模态分析：

降压模式是指从高压侧向低压侧传输能量时的工作模式，其主要波形如图6所示。0.开关模态0，对应于t＜t₀，其等效电路见附图7a；

t₀时刻之前，S₁、S₃导通，S₂关断，钳位电容C_r通过耦合电感L₁、L₂放电，输入电流下降。

1.开关模态1，对应于[t₀，t₁]，其等效电路见附图7b；

t₀时刻，S₃关断，其两端电压被其寄生电容钳位，流过电感L₂的电流开始对S₂的寄生电容放电，直至S₂两端电压为零。S₂的零电压开通条件产生。

2.开关模态2，对应于[t₁，t₂]，其等效电路见附图7c；

t₁时刻，S₂的寄生电容已经被完全放电，其体二极管开始导通。此时，S2零电压开通。

3.开关模态3，对应于[t₂，t₃]，其等效电路见附图7d；

t₂时刻，S₂开通不久后，电感L₂中电流开始反向流动，电流从L₁向L₂换流，该模态直至L₁电流降为零结束。

4.开关模态4，对应于[t₃，t₄]，其等效电路见附图7e；

t₃时刻，电感L₁上电流已完全换流至L₂，换流结束。L₁漏感开始与开关管S1/S3的寄生电容谐振。此时输入电流线性上升。

5.开关模态5，对应于[t₄，t₅]，其等效电路见附图7f；

t₄时刻，S₃开通，钳位电容C_r通过L₁、L₂放电，流过L₂的电流开始向L₁换流。

6.开关模态6，对应于[t₅，t₆]，其等效电路见附图7g；

t₅时刻，S₂关断，S₂两端电压被其寄生电容钳位，流过L₂的电流给S₂寄生电容充电，同时反向流过S₃给C_r充电并继续向L₁换流，S₁的寄生电容开始放电。

7.开关模态7，对应于[t₆，t₇]，其等效电路见附图7h；

t₆时刻，S₁的寄生电容已经被完全放电，其体二极管开始导通，S₁零电压开通。此时，流过L₂的电流继续向L₁换流直至L₂电流降为零，换流结束。此后，变换器回到模态0。

图8为本发明应用于一个500W 60V-100V双向功率变换场合时Boost模式下主要实验波形。

图9为本发明应用于一个500W 60V-100V双向功率变换场合时Buck模式下主要实验波形。

Claims (1)

1.一种有源钳位ZVS双向直流变换器的功率开关管的工作方法，所述有源钳位ZVS双向直流变换器包括低压电源(V_L)、高压电源(V_H)、电感、第一功率开关管(S₁)、第二功率开关管(S₂)、有源钳位电路(20)，其中有源钳位电路(20)包括第三功率开关管(S₃)、钳位电容(C_r)，所述电感由第一电感(L₁)、第二电感(L₂)同向耦合构成耦合电感(10)，低压电源(V_L)的正极分别与耦合电感(10)的第一电感(L₁)、第二电感(L₂)的同名端相连，第一电感(L₁)的另一端、第一功率开关管(S₁)的漏极分别与第三功率开关管(S₃)的源极连接，第一功率开关管(S₁)的源极分别与低压电源(V_L)的负极、高压电源(V_H)的负极相连接，第二电感(L₂)的另一端、第二功率开关管(S₂)的源极分别与钳位电容(Cr)的一端相连接，钳位电容(Cr)的另一端与第三功率开关管(S₃)的漏极相连接，第二功率开关管(S₂)的漏极与高压电源(V_H)的正极相连；其特征在于：

当能量从低压电源侧向高压电源侧变换时，第一功率开关管(S₁)与第二功率开关管(S₂)的驱动信号互补，第三功率开关管(S₃)驱动信号的下降沿和第二功率开关管(S₂)驱动信号的下降沿相同，第三功率开关管(S₃)的驱动信号的上升沿超前于第二功率开关管(S₂)驱动信号的上升沿；

当能量从高压电源侧向低压电源侧变换时，第二功率开关管(S₂)与第一功率开关管(S₁)的驱动信号互补，第三功率开关管(S₃)驱动信号的下降沿和第一功率开关管(S₁)驱动信号的下降沿相同，第三功率开关管(S₃)的驱动信号的上升沿超前于第一功率开关管(S₁)驱动信号的上升沿。

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