[發(fā)明專利]一種基于移向全橋和同步整流的雙向直流變換器

在審

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• 申請日: 2014-09-01
• 公開（公告）號: CN104167925A
• 公開（公告）日: 2014-11-26
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 劉孟;季偉偉;都洪基;吳彤;王雨杰;周文龍;錢蘇華;楊斌;柯仲來;奚穎
• 申請（專利權(quán)）人: 南京理工大學
• 主分類號: H02M3/335
• 分類號: H02M3/335
• 代理公司: 南京理工大學專利中心 32203
• 代理人: 朱顯國

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明屬于電力電子變換技術(shù)，特別是一種基于移向全橋和同步整流的高頻隔離雙向直流變換器。

背景技術(shù)

雙向直流變換器(BDC)就是在保持輸入、輸出電壓極性不變的情況下，根據(jù)具體需要改變電流的方向，實現(xiàn)雙象限運行的雙向直-直變換器，相比于我們所熟悉的單向DC/DC變換器實現(xiàn)了能量的雙向傳輸。目前，雙向直流變換在電池的充放電、電動汽車、不間斷電源系統(tǒng)、電力系統(tǒng)、航空電源系統(tǒng)等場合得到越來越多的應(yīng)用

實際上，要實現(xiàn)能量的雙向傳輸，也可以通過將兩臺單向DC/DC變換器反并聯(lián)連接，由于單向變換器主功率傳輸通路上一般都需要二極管，因此單個變換器能量的流通方向仍是單向的，且這樣的連接方式會使系統(tǒng)體積和重量龐大，效率低下，且成本高。所以，最好的方式就是通過一臺變換器來實現(xiàn)能量的雙向流動，BDC就是通過將單向開關(guān)和二極管改為雙向開關(guān)，再加上合理的控制來實現(xiàn)能量的雙向流動。

在20世紀80年代初期，由于人造衛(wèi)星太陽能電源系統(tǒng)的體積和重量很大，美國學者提出了用雙向Buck/Boost直流變換器來代替原有的充、放電器，從而實現(xiàn)匯流條電壓的穩(wěn)定。之后，發(fā)表了大量文章對人造衛(wèi)星應(yīng)用蓄電池調(diào)節(jié)器進行了系統(tǒng)的研究，并應(yīng)用到了實體中。1994年，香港大學陳清泉教授將雙向直流變換器應(yīng)用到了電動車上，同年，F(xiàn).Caricchi等教授研制成功了用20kW水冷式雙向直流變換器應(yīng)用到電動車驅(qū)動，由于雙向直流變換器的輸入輸出電壓極性相反，不適合應(yīng)用于電動車，所以他提出了一種Buck-Boost級聯(lián)型雙向直流變換器，其輸入輸出的負端共用。1998年，美國弗吉尼亞大學李澤元教授開始研究雙向直流變換器在燃料電池上的配套應(yīng)用。可見，航天電源和電動車輛的技術(shù)更新對雙向直流變換器的發(fā)展應(yīng)用具有很大的推動力，而開關(guān)直流變換器技術(shù)為雙向DC/DC變換器的發(fā)展奠定了基礎(chǔ)。1994年，澳大利亞Felix?A.Himmelstoss發(fā)表論文，總結(jié)出了非隔離雙向直流變換器的拓撲結(jié)構(gòu)，在單管直流變換器的開關(guān)管上反并聯(lián)二極管，在二極管上反并聯(lián)開關(guān)管，從而構(gòu)成四種不隔離的雙向直流變換器：Buck-Boost、Buck/Boost、Cuk和Sepi-Zeta雙向直流變換器。隔離式雙向直流變換器有正激、反激、推挽和橋式等拓撲結(jié)構(gòu)。反激式變換器是基于Buck/Boost直流變換器設(shè)計的，電路結(jié)構(gòu)對稱，相比之下更易于構(gòu)成雙向直流變換器。但普通的反激式變換器容易產(chǎn)生電壓尖峰和振蕩，2001年陳剛博士提出了有源嵌位雙向反激式直流變換器，有效地消除了電壓尖峰和振蕩，并且使得開關(guān)管可以零電流開關(guān)，降低了開關(guān)器件的電壓應(yīng)力。

推挽式變換器的電路結(jié)構(gòu)也具有對稱性，且結(jié)構(gòu)簡單，但存在變壓器的漏感和偏磁，使得變換器的應(yīng)用受到了限制。所以有研究人員提出，當輸入電壓和輸出電壓相差比較大時，可以應(yīng)用由推挽式變換器和半橋式變換器組成的混合變換器。常用的橋式直流變換器一般有兩種電路：一種是雙有源橋式變換器，電路結(jié)構(gòu)具有對稱性，兩直流電源間能量傳輸?shù)姆较蚝痛笮】梢酝ㄟ^相位角的控制來改變；另外一種是由電壓源型橋式直流變換器與電流源型直流變換器組成，且這兩種電路都可以實現(xiàn)軟開。浙江大學的徐德鴻等對移相控制軟開關(guān)和復合有源鉗位雙向直流變換器進行了深入地研究。

2004年南京航空航天大學張方華博士對推挽正激移相式雙向DC-DC變換器、級聯(lián)式雙向DC-DC變換器、正反激組合式雙向DC-DC變換器做了深入的研究。提出了許多新型的適合于雙向變換應(yīng)用場合的應(yīng)用電路，研究了其控制模型，通過雙向控制模型的分析，采用PID補償環(huán)節(jié)的單電壓閉環(huán)實現(xiàn)了系統(tǒng)閉環(huán)穩(wěn)定。

雙向同步直流變換器的研究是近年來開關(guān)電源技術(shù)研究的一個熱點。2006年梁永春博士深入分析了由雙向反激式直流變換器并聯(lián)輸入串聯(lián)輸出構(gòu)成的反激逆變器，提出了一種同步整流的控制方案，極大地簡化了高頻鏈逆變器的控制，使得整流二極管的導通損耗大幅度降低，整機的效率提高達到了85.8％。

傳統(tǒng)中大功率的雙向DC變換器拓撲結(jié)構(gòu)多樣化，但是均面臨由于電流較大造成轉(zhuǎn)換效率的低下的問題，如果通過采取同步整流來降低續(xù)流管的損耗，又會增加驅(qū)動信號，控制難度又要加大。

發(fā)明內(nèi)容

為了克服現(xiàn)有技術(shù)所存在的問題，本發(fā)明提供一種功率密度高、輸出端整流管損耗小、輸入輸出直流電壓穩(wěn)定、可靠性高、功率密度高、性能穩(wěn)定、能夠?qū)崿F(xiàn)功率的雙向流通的基于移向全橋和同步整流的雙向直流變換器。