[發明專利]一種隔離型雙向諧振軟開關DC-DC變換器

有效

• 申請號: 202010063105.7
• 申請日: 2020-01-19
• 公開（公告）號: CN111245247B
• 公開（公告）日: 2022-09-27
• 發明（設計）人: 王萍;馬曉晨
• 申請（專利權）人: 天津大學
• 主分類號: H02M3/335
• 分類號: H02M3/335
• 代理公司: 天津市北洋有限責任專利代理事務所 12201
• 代理人: 劉子文

本發明公開一種隔離型雙向諧振軟開關DC?DC變換器，其拓撲結構包括兩個有源橋和一個諧振腔。該變換器拓撲結構簡單且便于實現磁集成，因而具有實現高功率密度的潛力。同時，本變換器可以依靠簡單的變頻控制方式實現雙向電壓增益的寬范圍靈活調節，可靠性因此得以增強。此外，本變換器能在很寬的范圍內實現逆變開關管的零電壓開通(ZVS)及整流開關管的零電流關斷(ZCS)，極大地減小了開關損耗。該變換器可應用于儲能系統、電動汽車中的蓄電池充放電控制器以及開關電源等多種需要雙向功率流的場合。

技術領域

本發明涉及雙向直流-直流變換器技術領域，具體為一種隔離型雙向諧振軟開關DC-DC變換器。

背景技術

隨著傳統化石能源(如石油、煤炭、天然氣等)的迅速消耗和環境污染的加劇，合理、有效地利用能源受到了人們的關注。可再生能源由于具有可持續利用和清潔的優勢受到了廣泛關注。對于可再生能源而言，太陽能光伏發電、風力發電和燃料電池動力等系統受到了人們越來越多的重視，盡管目前已經取得了一定的豐碩成果，但由于可再生能源固有的間歇性和劇烈的波動性使得眾多挑戰仍亟須解決。為了抑制電壓波動并提高電能的利用率，雙向DC-DC變換器通常在這些應用系統中起著重要的作用。而在電動汽車、儲能電站等應用場合當中，同樣需要雙向DC-DC變換器來實現穩定、高效、快速的雙向充放電。因此，對雙向DC-DC變換器的研究將成為能源革命發展中最有前景的方向之一。

根據是否使用高頻變壓器對變換器進行電氣隔離，雙向DC-DC變換器可分為非隔離和隔離兩種類型。由于隔離型變換器不但能夠在更高程度上確保系統的安全性，同時還可以通過提高變壓器的匝比實現電壓增益的提升，因此，近年來國內外的許多學者和專家就如何實現良好的雙向電壓、功率調節并兼顧高效率的能量變換，在隔離型雙向DC-DC變換器領域進行了大量的研究工作，并取得了一定的研究成果。

隔離型雙向DC-DC變換器可以看作是對單向DC-DC變換器的一種改進。一般而言，可以通過用有源開關代替單向DC-DC變換器中的無源整流二極管來獲得。因此，雙有源橋結構成為了應用最為廣泛的一類。對于傳統的雙有源橋型隔離雙向DC-DC變換器，其可在移相控制下實現雙向功率流動和電壓增益調節。但是，這種控制策略將導致較高的無功功率、輕載ZVS實現困難和較大的關斷損耗，因此很難獲得較高的功率變換效率。為了使無功功率最小化，有學者提出了基于移相控制的全局最優移相比。為了解決輕載ZVS難以實現的問題，有學者將輔助LC網絡和輔助耦合電感分別用于傳統的雙有源橋結構。盡管上述缺陷得到了解決，但控制策略和拓撲結構的復雜性已大大增加，因此電路的可靠性和功率密度難免會產生一定程度的下降。LLC型諧振變換器由于控制方式簡單、能在很寬的范圍內實現逆變開關管的零電壓開通及整流二極管的零電流關斷、電路結構簡單且易于磁集成，因此一度成為了研究熱點。然而，由于正向和反向模式下的電壓增益曲線一致性較差，傳統的LLC型變換器在雙向功率傳輸應用中受到了一定的限制。盡管有學者針對LLC反向增益特性差的問題從控制策略的角度提出過一些解決方法，但控制策略往往較為復雜，且往往需要額外的實現倍壓功能的電路結構，因此會對變換器的可靠性和功率密度產生一定不利影響。

發明內容

本發明的目的是為了克服現有技術中的不足，提供一種隔離型雙向諧振軟開關DC-DC變換器，進一步綜合提升隔離型雙向DC-DC變換器的功率密度、可靠性、增益調節能力和變換效率。

本發明的目的是通過以下技術方案實現的：

一種隔離型雙向諧振軟開關DC-DC變換器，包括依次連接的高壓側有源橋、諧振腔和低壓側有源橋；其中高壓側有源橋和低壓側有源橋均可由全橋或半橋結構組成，所述諧振腔由LLC諧振拓撲結構、高頻變壓器和輔助電感組成，所述LLC諧振拓撲結構由第一電感、第二電感和電容組成。