電流型單向DC?DC變換器及對稱雙PWM加移相控制方法技術(shù)

本發(fā)明專利技術(shù)公開的一種電流型單向DC?DC變換器及用于對變換器進(jìn)行控制的對稱雙PWM加移相控制方法，涉及電流型單向DC?DC變換器及控制方法，屬于電力電子領(lǐng)域。本發(fā)明專利技術(shù)的變換器由主電路和控制電路組成；主電路由輸入側(cè)和輸出側(cè)組成；控制電路包括控制器和驅(qū)動電路。本發(fā)明專利技術(shù)還公開用于控制一種電流型單向DC?DC變換器的對稱雙PWM加移相控制方法。本發(fā)明專利技術(shù)通過低壓側(cè)電壓vab和高壓側(cè)電壓vcd之間移相控制環(huán)的調(diào)節(jié)，以及通過低壓側(cè)PWM控制環(huán)調(diào)節(jié)開關(guān)管占空比，實現(xiàn)減小電流應(yīng)力和環(huán)流損耗以及實現(xiàn)電路輸入電流的低紋波運行，減小輸入側(cè)開關(guān)管電流應(yīng)力和變換器的環(huán)流損耗，實現(xiàn)輸出側(cè)半有源全橋開關(guān)管的ZVS軟開關(guān)和二極管的ZCS開關(guān)，提高變換器的效率和可靠性。

【技術(shù)實現(xiàn)步驟摘要】

本專利技術(shù)涉及一種電流型單向DC-DC變換器及用于對變換器進(jìn)行控制的對稱雙PWM加移相控制方法，尤其涉及一種隔離式電流型單向DC-DC變換器及用于對變換器進(jìn)行控制的對稱雙PWM加移相控制方法，屬于電力電子領(lǐng)域的高頻開關(guān)電源方向。
技術(shù)介紹
對于燃料電池和光伏發(fā)電等電力電子應(yīng)用場合，有著很寬的輸入電壓范圍，并希望有盡可能小的輸入電流紋波。如果輸入電流紋波過大，將會縮短燃料電池的壽命，光伏組的最大跟蹤效率也會受到影響。對DC-DC變換器。高的傳遞效率是特別重要的要求。功率器件的零電壓開關(guān)(ZVS)可以提高變換器效率。對于實現(xiàn)零電壓軟開關(guān)，移相全橋(PSFB)DC-DC變換器是一種很流行的方法。但是有一些問題需要被克服。首先，輕載下，滯后橋臂不能實現(xiàn)軟開關(guān)；其次，由于變壓器漏感引起的占空比丟失在低壓輸入時特別嚴(yán)重。占空比丟失使得變換器在正常變比時很難輸出額定電壓。通過提高變壓器變比能夠?qū)φ伎毡葋G失進(jìn)行補(bǔ)償，但是這會提高輸出整流管的電壓應(yīng)力和原邊的電流應(yīng)力。因為耐壓高的二極管有著更高的導(dǎo)通壓降，所以這會提高二極管導(dǎo)通損耗，同時原邊開關(guān)管的導(dǎo)通損耗也會增大。為了降低副邊整流二極管的電壓尖峰，需要額外的箝位電路。所以，在低壓輸入時移相全橋DC-DC變換器的效率會受到很大限制。因此，移相全橋DC-DC變換器在低壓輸入高壓輸出場合是不適用的。一種由全橋構(gòu)成的電壓型混合諧振DC-DC變換器在IEEETransactiononindustryapplication【電力電子期刊】于2014年發(fā)表的“AHybridResonantConverterUtilizingaBidirectionalGaNACSwitchforHigh-EfficiencyPVApplications”【一種采用GaNAC開關(guān)管的混合諧振高效光伏雙向變換器】一文中被提出。變壓器漏感既作為諧振電感又作為升壓電感。雖然可以實現(xiàn)零電壓開關(guān)，但是控制器的結(jié)構(gòu)必須根據(jù)輸入電壓的值在降壓(buck)模式和升壓(boost)模式之間切換，會增加設(shè)計的難度。IEEETransactiononpowerelectronics【電力電子期刊】于2015年發(fā)表的文獻(xiàn)“AFamilyofSoft-SwitchingDC–DCConvertersBasedonaPhase-Shift-ControlledActiveBoostRectifier”【基于移相控制有源升壓整流的軟開關(guān)DC-DC變換器族】中的單相移控制使得控制可以忽視電壓的變化，但由于開關(guān)管工作在硬開關(guān)條件，變換器需要額外的箝位電路。升壓半橋不僅可以降低輸入電流紋波，同時也可以減少附加的啟動電路。使用傳統(tǒng)的脈寬控制不能實現(xiàn)在寬輸入電壓范圍內(nèi)所有開關(guān)管的軟開關(guān)。可以如IEEETransactiononpowerelectronics【電力電子期刊】于2013年發(fā)表的文獻(xiàn)“Anintegratedboostresonantconverterforphotovoltaicapplications”【一種應(yīng)用于光伏場合的集成升壓諧振電感的變換器】中所述，將變壓器漏感設(shè)計成與輸入側(cè)箝位電容和輸出側(cè)電容諧振的方式，此時輸出二極管可以實現(xiàn)零電流開關(guān)(ZCS)，但輸入側(cè)的下管會丟失零電壓開關(guān)(ZVS)。
技術(shù)實現(xiàn)思路
為了克服上述的變換器不能實現(xiàn)全負(fù)載范圍內(nèi)軟開關(guān)、控制器設(shè)計復(fù)雜、需額外箝位電路等問題，本專利技術(shù)公開的一種電流型單向DC-DC變換器及用于對變換器進(jìn)行控制的對稱雙PWM加移相控制方法，要解決的技術(shù)問題是，能夠減小電流應(yīng)力和環(huán)流損耗以及實現(xiàn)電路輸入電流的低紋波運行，減小輸入側(cè)開關(guān)管電流應(yīng)力和變換器的環(huán)流損耗，實現(xiàn)輸出側(cè)半有源全橋開關(guān)管的ZVS軟開關(guān)和二極管的ZCS開關(guān)，提高變換器的效率和可靠性。本專利技術(shù)公開的一種電流型單向DC-DC變換器及用于對變換器進(jìn)行控制的對稱雙PWM加移相控制方法。變換器由主電路和控制電路組成；所述主電路由輸入側(cè)和輸出側(cè)組成；控制電路包括控制器和驅(qū)動電路。基于提出的拓?fù)洌捎脤ΨQ雙PWM加移相控制方法。通過同時調(diào)節(jié)占空比及輸入側(cè)和輸出側(cè)電壓之間的移相角，減小在功率不傳遞的階段漏感電流有效值，降低電流造成的電路通態(tài)損耗和環(huán)流損耗，同時降低電流峰值，減小功率器件應(yīng)力。輸出側(cè)二極管可在全范圍內(nèi)實現(xiàn)零電流開關(guān)。移相角較小時，利用變壓器漏感中偏置電流實現(xiàn)輸出側(cè)開關(guān)管的零電壓開關(guān)，從而保證開關(guān)管在全負(fù)載范圍內(nèi)實現(xiàn)軟開關(guān)，進(jìn)一步降低電路損耗。經(jīng)驗證，本專利技術(shù)提出的電路拓?fù)浜涂刂品椒軌驕p小電流應(yīng)力和環(huán)流損耗以及實現(xiàn)電路輸入電流的低紋波運行，能夠提高變換器的效率和可靠性。本專利技術(shù)的目的是通過下述技術(shù)方案實現(xiàn)的。一種電流型單向DC-DC變換器，主要由主電路和控制電路組成。主電路主要由輸入側(cè)和輸出側(cè)構(gòu)成，輸入側(cè)用于將輸入的低壓進(jìn)行第一次升壓，從而降低對變壓器變比的要求，減小輸入側(cè)開關(guān)管的電流應(yīng)力，并且減小輸入的紋波；輸出側(cè)用于實現(xiàn)對變壓器交流電壓的整流，實現(xiàn)額定電壓輸出；所述的輸入側(cè)包括直流電感(L1、L2)和由開關(guān)管(Q1、Q2、Q1a、Q2a)和箝位電容(Cd1、Cd2)組成的箝位電路，輸出側(cè)由半有源全橋和輸出電容(Co)組成，半有源全橋包括開關(guān)管(S3、S4)和二極管(Dr1、Dr2)。連接關(guān)系是：輸入側(cè)的直流電感L1和L2的一端同時和輸入電源正極相連，直流電感L1和直流電感L2的另一端分別與升壓半橋的中點a和b相連，同時a點分別與開關(guān)管Q1a的源極、Q1的漏極、電感Lr一端相連，開關(guān)管Q1a的漏極與箝位電容Cd1一端連接，開關(guān)管Q2a的漏極連接到箝位電容Cd2一端，開關(guān)管Q1的源極、開關(guān)管Q2的源極、箝位電容Cd1與箝位電容Cd2的一端連接到輸入電源負(fù)極，電感Lr的另一端與變壓器Tr原邊一端連接，變壓器Tr原邊另一端連接到b點；輸入側(cè)和輸出側(cè)通過變壓器Tr產(chǎn)生電氣連接；變壓器Tr副邊的兩端分別連接到半有源全橋的中點c和d，c點與二極管Dr1的陽極和開關(guān)管S3的漏極相連，d點與Dr2的陽極和開關(guān)管S4的漏極相連，二極管Dr1、二極管Dr2的陰極、輸出電容Co的一端都連接到輸出負(fù)載的一端，開關(guān)管S3、開關(guān)管S4的陰極、Co的一端同時與負(fù)載的另一端相連。DC-DC變換器控制電路主要由控制器和驅(qū)動電路構(gòu)成；控制器是以DSP控制器為核心，用于對由傳感器采樣得到的電壓電流采樣信號進(jìn)行轉(zhuǎn)換，并依據(jù)對稱雙PWM加移相控制方法產(chǎn)生PWM驅(qū)動信號，調(diào)節(jié)占空比及輸入側(cè)和輸出側(cè)電壓之間的移相角，能夠減小功率不傳遞的階段漏感電本文檔來自技高網(wǎng)...

【技術(shù)保護(hù)點】
一種電流型單向DC?DC變換器，其特征在于：主要由主電路和控制電路組成；主電路主要由輸入側(cè)和輸出側(cè)構(gòu)成，輸入側(cè)用于將輸入的低壓進(jìn)行第一次升壓，從而降低對變壓器變比的要求，減小輸入側(cè)開關(guān)管的電流應(yīng)力，并且減小輸入的紋波；輸出側(cè)用于實現(xiàn)對變壓器交流電壓的整形，實現(xiàn)額定電壓輸出；所述的輸入側(cè)包括直流電感(L1、L2)和由開關(guān)管(Q1、Q2、Q1a、Q2a)和箝位電容(Cd1、Cd2)組成的箝位電路，輸出側(cè)由半有源全橋和輸出電容(Co)組成，半有源全橋包括開關(guān)管(S3、S4)和二極管(Dr1、Dr2)；連接關(guān)系是：輸入側(cè)的直流電感L1和L2的一端同時和輸入電源正極相連，直流電感L1和直流電感L2的另一端分別與升壓半橋的中點a和b相連，同時a點分別與開關(guān)管Q1a的源極、Q1的漏極、電感Lr一端相連，開關(guān)管Q1a的漏極與箝位電容Cd1一端連接，開關(guān)管Q2a的漏極連接到箝位電容Cd2一端，開關(guān)管Q1的源極、開關(guān)管Q2的源極、箝位電容Cd1與箝位電容Cd2的一端連接到輸入電源負(fù)極，電感Lr的另一端與變壓器Tr原邊一端連接，變壓器Tr原邊另一端連接到b點；輸入側(cè)與輸出側(cè)通過變壓器Tr產(chǎn)生電氣連接；變壓器Tr副邊的兩端分別連接到半有源全橋的中點c和d，c點與二極管Dr1的陽極和開關(guān)管S3的漏極相連，d點與Dr2的陽極和開關(guān)管S4的漏極相連，二極管Dr1、二極管Dr2的陰極、輸出電容Co的一端都連接到輸出負(fù)載的一端，開關(guān)管S3、開關(guān)管S4的陰極、Co的一端同時與負(fù)載的另一端相連；控制電路主要由控制器和驅(qū)動電路構(gòu)成；控制器是以DSP控制器為核心，用于對由傳感器采樣得到的電壓電流采樣信號進(jìn)行轉(zhuǎn)換，并依據(jù)對稱雙PWM加移相控制方法產(chǎn)生PWM驅(qū)動信號，調(diào)節(jié)占空比及輸入側(cè)和輸出側(cè)電壓之間的移相角，能夠減小功率不傳遞的階段漏感電流有效值，降低電流造成的電路通態(tài)損耗和環(huán)流損耗，同時降低電流峰值，減小開關(guān)管和二極管應(yīng)力；使輸出側(cè)二極管在全范圍內(nèi)實現(xiàn)零電流開關(guān)；移相角較小時，利用變壓器漏感中偏置電流實現(xiàn)輸出側(cè)開關(guān)管的零電壓開關(guān)，從而保證開關(guān)管在全負(fù)載范圍內(nèi)實現(xiàn)軟開關(guān)，進(jìn)一步降低電路損耗；驅(qū)動電路用于接收來自控制器的PWM信號，經(jīng)過隔離和電壓增強(qiáng)后為主電路的開關(guān)管(Q1、Q2、Q1a、Q2a、S3、S4)提供驅(qū)動電壓。...

【技術(shù)特征摘要】
1.一種電流型單向DC-DC變換器，其特征在于：主要由主電路和控制電
路組成；主電路主要由輸入側(cè)和輸出側(cè)構(gòu)成，輸入側(cè)用于將輸入的低壓進(jìn)行第
一次升壓，從而降低對變壓器變比的要求，減小輸入側(cè)開關(guān)管的電流應(yīng)力，并
且減小輸入的紋波；輸出側(cè)用于實現(xiàn)對變壓器交流電壓的整形，實現(xiàn)額定電壓
輸出；所述的輸入側(cè)包括直流電感(L1、L2)和由開關(guān)管(Q1、Q2、Q1a、Q2a)
和箝位電容(Cd1、Cd2)組成的箝位電路，輸出側(cè)由半有源全橋和輸出電容(Co)
組成，半有源全橋包括開關(guān)管(S3、S4)和二極管(Dr1、Dr2)；
連接關(guān)系是：輸入側(cè)的直流電感L1和L2的一端同時和輸入電源正極相連，
直流電感L1和直流電感L2的另一端分別與升壓半橋的中點a和b相連，同時a
點分別與開關(guān)管Q1a的源極、Q1的漏極、電感Lr一端相連，開關(guān)管Q1a的漏極
與箝位電容Cd1一端連接，開關(guān)管Q2a的漏極連接到箝位電容Cd2一端，開關(guān)管
Q1的源極、開關(guān)管Q2的源極、箝位電容Cd1與箝位電容Cd2的一端連接到輸入
電源負(fù)極，電感Lr的另一端與變壓器Tr原邊一端連接，變壓器Tr原邊另一端
連接到b點；輸入側(cè)與輸出側(cè)通過變壓器Tr產(chǎn)生電氣連接；變壓器Tr副邊的
兩端分別連接到半有源全橋的中點c和d，c點與二極管Dr1的陽極和開關(guān)管S3的漏極相連，d點與Dr2的陽極和開關(guān)管S4的漏極相連，二極管Dr1、二極管Dr2的陰極、輸出電容Co的一端都連接到輸出負(fù)載的一端，開關(guān)管S3、開關(guān)管S4的陰極、Co的一端同時與負(fù)載的另一端相連；
控制電路主要由控制器和驅(qū)動電路構(gòu)成；控制器是以DSP控制器為核心，
用于對由傳感器采樣得到的電壓電流采樣信號進(jìn)行轉(zhuǎn)換，并依據(jù)對稱雙PWM
加移相控制方法產(chǎn)生PWM驅(qū)動信號，調(diào)節(jié)占空比及輸入側(cè)和輸出側(cè)電壓之間
的移相角，能夠減小功率不傳遞的階段漏感電流有效值，降低電流造成的電路
通態(tài)損耗和環(huán)流損耗，同時降低電流峰值，減小開關(guān)管和二極管應(yīng)力；使輸出
側(cè)二極管在全范圍內(nèi)實現(xiàn)零電流開關(guān)；移相角較小時，利用變壓器漏感中偏置
電流實現(xiàn)輸出側(cè)開關(guān)管的零電壓開關(guān)，從而保證開關(guān)管在全負(fù)載范圍內(nèi)實現(xiàn)軟
開關(guān)，進(jìn)一步降低電路損耗；驅(qū)動電路用于接收來自控制器的PWM信號，經(jīng)
過隔離和電壓增強(qiáng)后為主電路的開關(guān)管(Q1、Q2、Q1a、Q2a、S3、S4)提供驅(qū)動
電壓。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種DC-DC變換器，其特征在于：所述開關(guān)管
(Q1、Q2、Q1a、Q2a、S3、S4)為存在反并聯(lián)的體二極管和漏源極的寄生電容的

\t開關(guān)管。
3.用于對權(quán)利要求1或2所述的一種電流型單向DC-DC變換器控制的對
稱雙PWM加移相控制方法，其特征在于：包括對稱雙PWM控制環(huán)和移相控
制環(huán)兩個控制環(huán)路；具體控制方法包括如下步驟：
步驟一：通過輸入側(cè)電壓vab和輸出側(cè)電壓vcd之間的移相控制環(huán)的調(diào)節(jié)，
使輸入側(cè)...

【專利技術(shù)屬性】
技術(shù)研發(fā)人員：沙德尚，游富淋，李斌，袁文琦，王霄，
申請(專利權(quán))人：北京理工大學(xué)，
類型：發(fā)明
國別省市：北京;11