一种基于移向全桥和同步整流的双向直流变换器的制造方法
【专利摘要】本发明提供一种基于移向全桥和同步整流的双向直流变换器，包括变压器高压侧的全桥变换电路和低压侧的推挽电路，在全桥变换电路的第一功率开关管和第二功率开关管之间设置第一正向辅助开关电路，在第三功率开关管和第四功率开关管之间设置第二正向辅助开关电路；在推挽电路的第五功率开关管和第六功率开关管之间设置反向辅助开关电路。本发明提供的一种基于移向全桥和同步整流的双向直流变换器，其功率密度高、输出端整流管损耗小、输入输出直流电压稳定、可靠性高、功率密度高、性能稳定、能够实现功率的双向流通。
【专利说明】一种基于移向全桥和同步整流的双向直流变换器
【技术领域】
[0001]本发明属于电力电子变换技术，特别是一种基于移向全桥和同步整流的高频隔离双向直流变换器。
【背景技术】
[0002]双向直流变换器(BDC)就是在保持输入、输出电压极性不变的情况下，根据具体需要改变电流的方向，实现双象限运行的双向直-直变换器，相比于我们所熟悉的单向DC/DC变换器实现了能量的双向传输。目前，双向直流变换在电池的充放电、电动汽车、不间断电源系统、电力系统、航空电源系统等场合得到越来越多的应用
[0003]实际上，要实现能量的双向传输，也可以通过将两台单向DC/DC变换器反并联连接，由于单向变换器主功率传输通路上一般都需要二极管，因此单个变换器能量的流通方向仍是单向的，且这样的连接方式会使系统体积和重量庞大，效率低下，且成本高。所以，最好的方式就是通过一台变换器来实现能量的双向流动，BDC就是通过将单向开关和二极管改为双向开关，再加上合理的控制来实现能量的双向流动。
[0004]在20世纪80年代初期，由于人造卫星太阳能电源系统的体积和重量很大，美国学者提出了用双向Buck/Boost直流变换器来代替原有的充、放电器，从而实现汇流条电压的稳定。之后，发表了大量文章对人造卫星应用蓄电池调节器进行了系统的研究，并应用到了实体中。1994年，香港大学陈清泉教授将双向直流变换器应用到了电动车上，同年，F.Caricchi等教授研制成功了用20kW水冷式双向直流变换器应用到电动车驱动，由于双向直流变换器的输入输出电压极性相反，不适合应用于电动车，所以他提出了一种Buck-Boost级联型双向直流变换器，其输入输出的负端共用。1998年，美国弗吉尼亚大学李泽元教授开始研究双向直流变换器在燃料电池上的配套应用。可见，航天电源和电动车辆的技术更新对双向直流变换器的发展应用具有很大的推动力，而开关直流变换器技术为双向DC/DC变换器的发展奠定了基础。1994年，澳大利亚Felix A.Himmelstoss发表论文，总结出了非隔离双向直流变换器的拓扑结构，在单管直流变换器的开关管上反并联二极管，在二极管上反并联开关管，从而构成四种不隔离的双向直流变换器:BUCk-B00St、BUCk/BoostXuk和Sep1-Zeta双向直流变换器。隔离式双向直流变换器有正激、反激、推挽和桥式等拓扑结构。反激式变换器是基于Buck/Boost直流变换器设计的，电路结构对称，相比之下更易于构成双向直流变换器。但普通的反激式变换器容易产生电压尖峰和振荡，2001年陈刚博士提出了有源嵌位双向反激式直流变换器，有效地消除了电压尖峰和振荡，并且使得开关管可以零电流开关，降低了开关器件的电压应力。
[0005]推挽式变换器的电路结构也具有对称性，且结构简单，但存在变压器的漏感和偏磁，使得变换器的应用受到了限制。所以有研究人员提出，当输入电压和输出电压相差比较大时，可以应用由推挽式变换器和半桥式变换器组成的混合变换器。常用的桥式直流变换器一般有两种电路:一种是双有源桥式变换器，电路结构具有对称性，两直流电源间能量传输的方向和大小可以通过相位角的控制来改变；另外一种是由电压源型桥式直流变换器与电流源型直流变换器组成，且这两种电路都可以实现软开。浙江大学的徐德鸿等对移相控制软开关和复合有源钳位双向直流变换器进行了深入地研究。
[0006]2004年南京航空航天大学张方华博士对推挽正激移相式双向DC-DC变换器、级联式双向DC-DC变换器、正反激组合式双向DC-DC变换器做了深入的研究。提出了许多新型的适合于双向变换应用场合的应用电路，研究了其控制模型，通过双向控制模型的分析，采用PID补偿环节的单电压闭环实现了系统闭环稳定。
[0007]双向同步直流变换器的研究是近年来开关电源技术研究的一个热点。2006年梁永春博士深入分析了由双向反激式直流变换器并联输入串联输出构成的反激逆变器，提出了一种同步整流的控制方案，极大地简化了高频链逆变器的控制，使得整流二极管的导通损耗大幅度降低，整机的效率提高达到了 85.8%。
[0008]传统中大功率的双向DC变换器拓扑结构多样化，但是均面临由于电流较大造成转换效率的低下的问题，如果通过采取同步整流来降低续流管的损耗，又会增加驱动信号，控制难度又要加大。
【发明内容】
[0009]为了克服现有技术所存在的问题，本发明提供一种功率密度高、输出端整流管损耗小、输入输出直流电压稳定、可靠性高、功率密度高、性能稳定、能够实现功率的双向流通的基于移向全桥和同步整流的双向直流变换器。
[0010]一种基于移向全桥和同步整流的双向直流变换器，在变压器高压侧的全桥变换电路中包括漏极相连的第一功率开关管和第二功率开关管，还包括源极相连的第三功率开关管和第四功率开关管，其中第一功率开关管的源极与第三功率开关管的漏极相连，第二功率开关管的源极和第四功率开关管的漏极相连，其特征在于，在变压器高压侧的全桥变换电路还设置第一正向辅助开关电路和第二正向辅助开关电路；
[0011]第一正向辅助开关电路包括第一正向辅助开关、第九二极管、第十二极管和第一辅助绕组；所述第一正向辅助开关的一端分别与第一功率开关管的门极和第十二极管的阴极连接，另一端与第一绕组的同名端连接，第一辅助绕组的异名端分别与第二功率开关管的门极和第九二极管的阴极连接，第九二极管和第十二极管的阳极与第一功率开关管的源极相连；
[0012]第二正向辅助开关电路包括第二正向辅助开关、第i^一二极管、第十二二极管和第二辅助绕组；所述第二正向辅助开关的一端分别于第第功率开关管的门极和第十一电阻的负极连接，另一端与第二绕组的同名端连接，第二辅助绕组的异名端分别与第三功率开关管的门极和第十二二极管的阴极连接，第十一二极管和第十二二极管的阳极分别与第三功率开关管的漏极和第四功率开关管的漏极相连；
[0013]变压器低压侧的全桥电路包括:副线圈包括两个同名端A、B，A同名端分别与第五功率开关漏极、第五电容一端和第五二极管的阴极连接，第五电容的另一端和第五二极管的阳极与第五连接功率开关的源极连接，第五功率开关的门极分别与第七电容一端、反向辅助开关一端和第七二极管阴极连接，第五功率开关的源极分别于第七二极管和第八二极管的阳极连接同名端与滤波电感的一端连接，滤波电感的另一端与输出电压一端连接，滤波电容与输出电压并联，输出电压另一端与第六功率开关的源极连接，第六功率开关的源极还分别与第八电容一端、第六电容一端和第六二极管阳极一端连接，第八电容另一端与第六功率开关的门极连接，第六电容另一端和第六二极管负极与第六功率开关的漏极连接，第六开关管的漏极还与副线圈的异名端连接；第六开关管的门极分别于第八二极管的负极和第三辅助绕组的同名端连接，第三辅助绕组的异名端与反向辅助开关另一端连接。
[0014]本发明与现有技术相比，其具有显著优点:(1)将单向的全桥拓扑中的整流的二极管换成了反向功率开关管，利用反向功率开关管的特性实现了功率的双向流通；(2)通过对全桥中的功率开关管使用移相全桥的控制方式，可以实现功率开关管的软开关，极大的降低了功率开关管的损耗，提高了变换器的效率；(3)在正向过程中，通过利用正向功率开关管的驱动信号，作为反向功率开关管同步整流的信号，通过采相全桥降低和正向功率开关管的损耗，并同时采用功率管采取同步整流替换普通二极管作为整流方式，极大的降低由于移向全桥过程中带来副边长时间的续流损耗，极大的降低了整流的功率损耗，提高了变换器的效率；(4)在反向过程中，通过交错式的给控制策略，一方面对反向滤波电感进行充放电，实现的电压上升的过程，使变换器在双向过程中都能达到相同的电压，而且通过反向功率管的驱动信号作为正向功率管的同步整流信号，极大的降低了原边续流情况时候的损耗。
[0015]下面结合说明书附图，具体的描述本发明所提供的一种基于移向全桥和同步整流的高频隔离双向直流变换器。
【专利附图】
【附图说明】
[0016]图1是本发明高频隔离双向直流变换器的电路拓扑结构图；
[0017]图2是本发明高频隔离双向直流变换器的第一正向辅助开关图；
[0018]图3是本发明高频隔离双向直流变换器的第二正向辅助开关图；
[0019]图4是本发明高频隔离双向直流变换器的反向辅助开关图；
[0020]图5是本发明高频隔离双向直流变换器正向工作的驱动脉冲及输出电压波形图；
[0021]图6是本发明高频隔离双向直流变换器反向工作的驱动脉冲及输出电压波形图。
【具体实施方式】
[0022]结合图1，一种基于移向全桥和同步整流的双向直流变换器，在变压器高压侧的全桥变换电路中包括:与输出电压Vin并联的滤波电容Ci,输出电压Vin —端分别与第一功率开关管Ql的漏极、第一二极管Dl的阴极、第一电容Cl的一端、第二功率开关管Q2、第二二极管D2的阴极、第二电容C2—端连接，第一二极管Dl的阳极、第一电容Cl的另一端与第一功率开关Ql的源极连接，第一功率开关管Ql的源极还与第九电容C9 一端连接，第九电容C9的另一端与第一功率开关管Ql的门极连接，第一功率开关管Ql的门极分别与第一正向开关一端和第十二极管DlO的阴极连接；第二二极管D2的阳极、第二电容C2的另一端与第二功率开关Q2的源极连接，第二功率开关管Q2的源极还与第十电容ClO —端连接，第十电容ClO的另一端与第二功率开关管Q2的门极连接，第二功率开关管Q2的门极分别与第一辅助绕组T4异名端和第九极管D9的阴极连接，第一绕组T4的同名端与第一正向辅助开关的另一端连接；第九二极管D9和第十二极管DlO的阳极分别与第一功率开关管Ql的源极和谐振电感Lr 一端连接，谐振电感Lr的另一端与变压器高压侧的绕组Tl的同名端连接；
[0023]输出电压Vin的另一端分别与第三功率开关管Q3的源极、第三二极管D3的阳极、第三电容C3的一端、第四功率开关管Q4的源极、第四二极管D4的阳极、第四电容C4的一端连接；第三二极管D3的阴极和第三电容的另一端与第三功率开关管Q3的漏极连接，第三功率开关管Q3的漏极还与第一功率开关管Ql的源极连接，第三功率开关管Q3的源极还与还与第十一电容Cll的一端连接，第十一电容Cll的另一端与第三功率开关管Q3的门极连接；第四二极管D4和第四电容C4的另一端与第四功率开光关Q4的漏极连接，第四功率开关管Q4的漏极还与第二功率开光关Q2的源极连接，第四功率开关管Q4的源极还与第十二电容C12的一端连接，第十二电容C12的另一端与第四功率开关管Q4的门极连接；第三功率开关管Q3的门极还分别于第十二二极管D12的阴极和第二辅助绕组T3的异名端连接，第二辅助绕组T3的同名端与第二正向辅助开关一端连接，第二正向辅助开关的另一端分别与第十一二极管Dll的阴极和第四功率开关管Q4的门极连接，第十一二极管Dll和第十二二极管D12的阳极与第三功率开关管Q3的源极连接。
[0024]结合图1，第一正向辅助开关电路包括第一正向辅助开关、第九二极管D9、第十二极管DlO和第一辅助绕组T4 ;所述第一正向辅助开关的一端分别与第一功率开关管Ql的门极和第十二极管DlO的阴极连接，另一端与第一绕组T4的同名端连接，第一辅助绕组T4的异名端分别与第二功率开关管Q2的门极和第九二极管D9的阴极连接，第九二极管D9和第十二极管DlO的阳极与第一功率开关管Ql的源极相连；
[0025]结合图1，第二正向辅助开关电路包括第二正向辅助开关、第i^一二极管D11、第十二二极管D12和第二辅助绕组T3 ;所述第二正向辅助开关的一端分别于第第功率开关管Q4的门极和第十一电阻的负极连接，另一端与第二绕组T3的同名端连接，第二辅助绕组T3的异名端分别与第三功率开关管Q3的门极和第十二二极管D12的阴极连接，第十一二极管Dll和第十二二极管D12的阳极分别与第三功率开关管Q3的漏极和第四功率开关管Q4的漏极相连。
[0026]现有的低压侧电路依然可以用于本发明中实现本发明的功能，但是存在损耗大的问题，因此本发明重新设计了低压侧的推挽电路。结合图1，变压器低压侧的推挽电路包括:副线圈T2包括两个同名端A、B, A同名端分别与第五功率开关Q5漏极、第五电容C5 —端和第五二极管D5的阴极连接，第五电容C5的另一端和第五二极管D5的阳极与第五连接功率开关Q5的源极连接，第五功率开关Q5的门极分别与第七电容C7 —端、反向辅助开关一端和第七二极管D7阴极连接，第五功率开关Q5的源极分别于第七二极管D7和第八二极管D8的阳极连接；B同名端与滤波电感Lf的一端连接,滤波电感Lf的另一端与输出电压Vout一端连接，滤波电容Co与输出电压Vout并联,输出电压Vout另一端与第六功率开关Q6的源极连接，第六功率开关Q6的源极还分别与第八电容CS —端、第六电容C6 —端和第六二极管D6阳极一端连接，第八电容C8另一端与第六功率开关Q6的门极连接，第六电容C6另一端和第六二极管D6负极与第六功率开关Q6的漏极连接，第六开关管Q6的漏极还与副线圈T2的异名端连接；第六开关管Q6的门极分别于第八二极管D8的负极和第三辅助绕组T5的同名端连接，第三辅助绕组T5的异名端与反向辅助开关另一端连接。
[0027]结合图2，第一正向辅助开关包括第一三极管VT1、第二三极管VT2、第三三极管VT3、第四三极管VT4、第五三极管VT5、第六三极管VT6、第一电阻R1、第二电阻R2、第三电阻R3、第四电阻R4、第五电阻R5、第六电阻R6、第十三二极管D13、第十四二极管D14、第十五二极管Dl构成:
[0028]结合图2,第一电阻Rl的一端和第一功率开关管Ql的驱动信号相连，另外一端和第十三二极管D13的阳极相连，第十三二极管D13阴极分别和第一三极管VTl的基极和附加电源相连，第一三极管VTl的集电极与第二电阻R2的一端连接，第二电阻R2的另一端与附加电源连接，第一三极管VTl的发射极和地相连；
[0029]结合图2，第三电阻R3的一端和第二功率开关管Q2的驱动信号相连，另外一端和第十四二极管D14的阳极相连，第十四二极管D14阴极分别和第三三极管VT3的基极和附加电源相连，第三三极管VT3的集电极与第四电阻R4的一端连接，第四电阻R4的另一端与附加电源连接，第三三极管VT3的发射极和地相连；
[0030]结合图2，第五电阻R5的一端和第四功率开关管Q4的驱动信号相连，另外一端和第十五二极管D15的阳极相连，第十五二极管D15阴极分别和第五三极管VT5的基极和附加电源相连，第五三极管VT5的集电极与第六电阻R6的一端连接,第六电阻R6的另一端与附加电源连接，第五三极管VT5的发射极和地相连；
[0031]结合图2第二三极管VT2的基极与第一三极管VTl的集电极连接，第二三极管VT2的集电极和第一辅助绕组T4的同名端连接，第二三极管VT2的发射极和第四三极管VT4的集电极相连；第四三极管VT4的基极与第三三极管VT3的集电极连接，第四三极管VT4的发射极和第六三极管VT6的集电极相连；第六三极管VT6的基极与第五三极管VT5集电极连接,第六三极管VT6的发射极与第一功率开关管Ql的门极相连。
[0032]结合图3，第二正向辅助开关包括第十一三极管VT11、第十二三极管VT12、第十三三极管VT13、第十四三极管VT14、第十五三极管VT15、第十六三极管VT16、第i^一电阻R11、第十二电阻R12、第十三电阻R13、第十四电阻R14、第十五电阻R15、第十六电阻R16、第二十三二极管D23、第二十四二极管D24、第二十五二极管D25构成:
[0033]结合图3,第^ 电阻RlI的一端和第一功率开关管Ql的驱动信号相连，另外一端和第二十三二极管D23的阳极相连，第二十三二极管D23阴极分别和第十一三极管VTll的基极和附加电源相连，第i 三极管VTll的集电极与第十二电阻R12的一端连接,第十二电阻R12的另一端与附加电源连接，第十一三极管VTll的发射极和地相连；
[0034]结合图3，第十三电阻R13的一端和第二功率开关管Q2的驱动信号相连，另外一端和第二十四二极管D24的阳极相连，第二十四二极管D24阴极分别和第十三三极管VT13的基极和附加电源相连，第十三三极管VT13的集电极与第十四电阻R14的一端连接，第十四电阻R14的另一端与附加电源连接，第十三三极管VT13的发射极和地相连；
[0035]结合图3，第十五电阻R15的一端和第四功率开关管Q4的驱动信号相连，另外一端和第二十五二极管D25的阳极相连，第二十五二极管D25阴极分别和第十五三极管VT15的基极和附加电源相连,第十五三极管VT15的集电极与第十六电阻R16的一端连接,第十六电阻R16的另一端与附加电源连接，第十五三极管VT15的发射极和地相连；
[0036]结合图3，第十二三极管VT12的基极与第i^一三极管VTll的集电极连接，第十二三极管VT12的集电极和第二辅助绕组T3的同名端连接，第十二三极管VT12的发射极和第十四三极管VT14的集电极相连；第十四三极管VT14的基极与第十三三极管VT13的集电极连接，第十四三极管VT14的发射极和第十六三极管VT16的集电极相连；第十六三极管VT16的基极与第十五三极管VT15集电极连接，第十六三极管VT16的发射极与第一功率开关管Ql的门极相连。
[0037]结合图4，反向辅助开关包括第七三极管VT7、第八三极管VT8、第九三极管VT9、第十三极管VT10、第七电阻R7、第八电阻R8、第九电阻R9、第十电阻R10、第十六二极管D16、第十七二极管D17:
[0038]结合图4,第七电阻R7的一端和第五功率开关管Q5的驱动信号相连,另外一端和第十六二极管D16的阳极相连，第十六二极管D16的阴极分别和第七三极管VT7的基极和附加电源相连，第七三极管VT7的集电极与第八电阻R8的一端连接，第八电阻R8的另一端与附加电源连接，第七三极管VT7的发射极和地相连；
[0039]结合图4,第九电阻R9的一端和第六功率开关管Q6的驱动信号相连,另外一端和第十七二极管D17的阳极相连，第十七二极管D17的阴极分别和第九三极管VT9的基极和附加电源相连，第九三极管VT9的集电极与第十电阻RlO的一端连接，第十电阻RlO的另一端与附加电源连接，第九三极管VT9的发射极和地相连；
[0040]结合图4，第八三极管VT8的基极与第七三极管T7的集电极连接，第八三极管VT8的集电极和第三辅助绕组T5的同名端连接，第八三极管VT8的发射极和第十三极管VTlO的集电极相连；第十三极管VTlO的基极与第九三极管VT9的集电极连接，第十三极管VTlO的发射极与第六功率开关管Q6的门极相连。
[0041]本发明的工作原理如下:
[0042]结合图3，在正向工作过程时候，反向电源充当负载作用，并只有正向功率开关管(第一功率开关管Q1、第二功率开关管Q2、第三功率开关管Q3、第四功率开关管Q4)有驱动信号，正向辅助开关不能工作而反向辅助开关可以工作，反向功率开关管(第五功率开关Q5、第六功率开关Q6)不需要主动给触发脉冲信号。双向直流变换器正向基本工作过程如下:
[0043]首先，变压器同名端能量传输，第一正向功率开关管Ql和第四正向功率开关管Q4导通(第二功率开关管Q2、第三功率开关管Q3关断)，此时变压器正向工作，变压器Tl和变压器T2、T5同名端均为正压，即Ua^Ubc为正压，这同时在反向辅助开关中，由于Q5、Q6均无驱动信号，所以在第七三极管VT7和第九三极管VT9的配合下，第八三极管VT8和第十三极管VTlO均导通工作，所以变压器T5的正压U5使得第六反向功率开关管Q6得到了导通，能量从变压器T2流经滤波电感Lf、滤波电容CO、第六反向功率开关管Q6对反向电源进行充电，完成能量传输，并实现了同步整流过程。
[0044]第二，移相全桥的超前臂谐振，第一功率开关管Ql关断，第四功率开关管Q4仍然导通(第二功率开关管Q2、第三功率开关管Q3继续关断)，此时第一电容Cl、第三电容C3和谐振电感Lr进行谐振，变压器T5上此时没有电压，即U5为O，但是第八电容CS上电压Uc8仍大于导通反向功率开关管导通电压，并且第八电容CS对第七电容C7进行放电，使得第五功率开关管Q5和第六功率开关管Q6都导通，由于滤波电感Lf中电流不能瞬间下降为0，故副边通过两个反向功率开关管进行续流，由于电流通过开关管续流，所以产生很小的损耗。
[0045]第三，移相全桥的滞后臂谐振，此时只有第三功率开关管Q3导通，第一功率开关管Q1、第二功率开关管Q2、第四功率开关管Q4均关断，由于此前谐振电流方向没有反向改变(依然从变压器Tl的同名端流向非同名端)，所以电流通过第二电容C2、谐振电感Lr和第四电容C4进行滞后臂谐振，并且流经第三功率开关管Q3续流，此时第五反向功率开关管Q5和第六反向功率开关管Q6仍导通，副边占空比丢失但是通过开关管续流，不会产生过多的能量损耗。谐振结束后，谐振电感上的能量通过第二二极管D2向正向电源充电并将能量消耗完毕后，谐振电感Lr电流方向和之前方向相反。
[0046]第四，变压器非同名端能量传输，第二正向功率开关管Q2和第三正向功率开关管Q3导通(第一功率开关管Q1、第四功率开关管Q4关断)，此时变压器反向工作，变压器Tl和变压器T2、T5同名端均为负压，即Ua^Ubc为负压，在反向辅助开关中，由于Q5、Q6均无驱动信号，所以在第七三极管和第九三极管的配合下，第八三极管VT8和第十三极管VTlO均导通工作，所以变压器T5的负压U5使得第五功率开关管Q5得到了导通，第七电容C7继续充电，而第八电容CS上电压逐渐消耗到0，能量从变压器T2流经滤波电感Lf、滤波电容Co、第五反向功率开关管Q5对反向电源进行充电，完成能量传输，并实现了同步整流过程，得到了符合要求的输出电压ν_。
[0047]结合图4，在反向工作过程时，正向电源充当负载作用，并只有反向功率开关管有驱动信号，反向辅助开关不能工作而正向辅助开关可以工作，正向功率开关管不需要主动给触发脉冲信号。双向直流变换器反向基本工作过程如下:
[0048]首先，变压器同名端能量传输，第六反向功率开关Q6导通，第五功率开关管Q5关断，所以变压器Τ2上电压Ubc为正，反向辅助开关中由于第六反向功率开关管Q6有驱动信号，在第九三极管VT9的作用下，第十三极管VTlO无法工作，所以反向辅助开关失去作用，而第一正向辅助开关由于第一正向功率开关管Q1、第二正向功率开关管Q2、第四正向功率开关管Q4均无驱动电压，在第一三极管VTl、第三三极管VT3、第五三极管VT5的作用下第二三极管VT2、第四三极管VT4、第六三极管VT6均导通，即正向辅助开关能够工作，所以Τ4、Τ3上均有正压UT3、UT4,所以第一功率开关管Ql和第四功率开关管Q4均导通，能量通过第一功率开关管Q1、第四功率开关管Q4、谐振电感Lr、滤波电容Ci对正向电源进行充电，完成能量传输，并实现了同步整流过程。
[0049]第二，滤波电感Lf储能过程，第六功率开关Q6和第五功率开关管Q5同时导通，变压器T2上电压为O,但是第九电容C9电压Ucg和第十二电容C12电压Uci2电压仍大于导通正向功率开关管导通电压，并且此时第九电容C9对第十电容ClO进行充电，第十二电容C12对第十一电容Cll进行充电，导致全桥四个功率开关都得到导通，并且谐振电感Lr中电流方向并未发生改变，通过四个功率开关管、滤波电容Ci进行续流。在此过程中，由于续流管为功率开关管的同步整流，所以损耗非常少。
[0050]第三，变压器非同名端能量传输，第五反向功率开关Q5导通，第六反向功率开关管Q6关断，所以变压器T2上电压Uab为正，反向辅助电路中由于第五功率开关管Q5有驱动信号，在第七三极管VT7的作用下，第八三极管VT8无法工作，所以反向辅助开关仍失去作用，而正向辅助开关依然工作，所以T4、T3上均有负压UT3、UT4，所以第二功率开关管Q2和第三功率开关管Q3均导通，能量通过第二功率开关管Q2、第三功率开关管Q3、谐振电感Lr、滤波电容Ci对正向电源进行充电，完成能量传输，并实现了同步整流过程，得到了符合要求的输出电压Vin。
【权利要求】
1.一种基于移向全桥和同步整流的双向直流变换器，在变压器高压侧的全桥变换电路中包括漏极相连的第一功率开关管(Ql)和第二功率开关管(Q2)，还包括源极相连的第三功率开关管(Q3)和第四功率开关管(Q4)，其中第一功率开关管(Ql)的源极与第三功率开关管(Q3)的漏极相连，第二功率开关管(Q2)的源极和第四功率开关管(Q4)的漏极相连，其特征在于，在变压器高压侧的全桥变换电路还设置第一正向辅助开关电路和第二正向辅助开关电路； 第一正向辅助开关电路包括第一正向辅助开关、第九二极管(D9)、第十二极管(DlO)和第一辅助绕组(T4);所述第一正向辅助开关的一端分别与第一功率开关管(Ql)的门极和第十二极管(DlO)的阴极连接，另一端与第一绕组(T4)的同名端连接，第一辅助绕组(T4)的异名端分别与第二功率开关管(Q2)的门极和第九二极管(D9)的阴极连接，第九二极管(D9)和第十二极管(DlO)的阳极与第一功率开关管(Ql)的源极相连； 第二正向辅助开关电路包括第二正向辅助开关、第i^一二极管(Dll)、第十二二极管(D12)和第二辅助绕组(T3);所述第二正向辅助开关的一端分别于第四功率开关管(Q4)的门极和第十一电阻的负极连接，另一端与第二绕组(T3)的同名端连接，第二辅助绕组(T3)的异名端分别与第三功率开关管(Q3)的门极和第十二二极管(D12)的阴极连接，第十一二极管(Dll)和第十二二极管(D12)的阳极分别与第三功率开关管(Q3)的漏极和第四功率开关管(Q4)的漏极相连。
2.根据权利要求1所述的基于移向全桥和同步整流的双向直流变换器，其特征在于，变压器低压侧设计为带有反向辅助开关的推挽电路包括:副线圈(T2)包括两个同名端A、B,A同名端分别与第五功率开关(Q5)漏极、第五电容(C5) —端和第五二极管(D5)的阴极连接，第五电容(C5)的另一端和第五二极管(D5)的阳极与第五连接功率开关(Q5)的源极连接，第五功率开关(Q5)的门极分别与第七电容(C7) —端、反向辅助开关一端和第八二极管(D8)阴极连接，第五功率开关(Q5)的源极分别于第七二极管(D7)和第八二极管(D8)的阳极连接同名端与滤波电感(Lf)的一端连接，滤波电感(Lf)的另一端与输出电压(Vout) —端连接,滤波电容(Co)与输出电压(Vrat)并联,输出电压(Vout)另一端与第六功率开关(Q6)的源极连接，第六功率开关(Q6)的源极还分别与第八电容(CS) —端、第六电容(C6) —端和第六二极管(D6)阳极一端连接,第八电容(C8)另一端与第六功率开关(Q6)的门极连接，第六电容(C6)另一端和第六二极管(D6)负极与第六功率开关(Q6)的漏极连接，第六开关管(Q6)的漏极还与副线圈(T2)的异名端连接；第六开关管(Q6)的门极分别于第七二极管(D7)的负极和第三辅助绕组(T5)的同名端连接，第三辅助绕组(T5)的异名端与反向辅助开关另一端连接。
3.根据权利要求1或2所述的基于移向全桥和同步整流的双向直流变换器，其特征在于，第一正向辅助开关包括第一三极管(VTl)、第二三极管(VT2)、第三三极管(VT3)、第四三极管(VT4)、第五三极管(VT5)、第六三极管(VT6)、第一电阻(Rl)、第二电阻(R2)、第三电阻(R3)、第四电阻(R4)、第五电阻(R5)、第六电阻(R6)、第十三二极管(D13)、第十四二极管(D14)、第十五二极管(D15)构成: 第一电阻(Rl)的一端和第一功率开关管(Ql)的驱动信号相连，另外一端和第十三二极管(D13)的阳极相连，第十三二极管(D13)阴极分别和第一三极管(VTl)的基极和附加电源相连，第一三极管(VTl)的集电极与第二电阻(R2)的一端连接，第二电阻(R2)的另一端与附加电源连接，第一三极管(VTl)的发射极和地相连； 第三电阻(R3)的一端和第二功率开关管(Q2)的驱动信号相连，另外一端和第十四二极管(D14)的阳极相连，第十四二极管(D14)阴极分别和第三三极管(VT3)的基极和附加电源相连，第三三极管(VT3)的集电极与第四电阻(R4)的一端连接，第四电阻(R4)的另一端与附加电源连接，第三三极管(VT3)的发射极和地相连； 第五电阻(R5)的一端和第四功率开关管(Q4)的驱动信号相连,另外一端和第十五二极管(D15)的阳极相连，第十五二极管(D15)阴极分别和第五三极管(VT5)的基极和附加电源相连，第五三极管(VT5)的集电极与第六电阻(R6)的一端连接,第六电阻(R6)的另一端与附加电源连接，第五三极管(VT5)的发射极和地相连； 第二三极管(VT2)的基极与第一三极管(VTl)的集电极连接，第二三极管(VT2)的集电极和第一辅助绕组(T4)的同名端连接，第二三极管(VT2)的发射极和第四三极管(VT4)的集电极相连；第四三极管(VT4)的基极与第三三极管(VT3)的集电极连接，第四三极管(VT4)的发射极和第六三极管(VT6)的集电极相连；第六三极管(VT6)的基极与第五三极管(VT5)集电极连接，第六三极管(VT6)的发射极与第一功率开关管(Ql)的门极相连。
4.根据权利要求1或2所述的基于移向全桥和同步整流的双向直流变换器，其特征在于，第二正向辅助开关包括第i^一三极管(VTll)、第十二三极管(VT12)、第十三三极管(VT13)、第十四三极管(VT14)、第十五三极管(VT15)、第十六三极管(VT16)、第i^一电阻(Rll)、第十二电阻(R12)、第十三电阻(R13)、第十四电阻(R14)、第十五电阻(R15)、第十六电阻(R16)、第二十三二极管(D23)、第二十四二极管(D24)、第二十五二极管(D25)构成: 第i 电阻(Rll)的一端和第一功率开关管(Ql)的驱动信号相连，另外一端和第二十三二极管(D23)的阳极相连，第二十三二极管(D23)阴极分别和第十一三极管(VTll)的基极和附加电源相连，第十一三极管(VTll)的集电极与第十二电阻(R12)的一端连接，第十二电阻(R12)的另一端与附加电源连接，第十一三极管(VTll)的发射极和地相连；第十三电阻(R13)的一端和第二功率开关管(Q2)的驱动信号相连，另外一端和第二十四二极管(D24)的阳极相连，第二十四二极管(D24)阴极分别和第十三三极管(VT13)的基极和附加电源相连，第十三三极管(VT13)的集电极与第十四电阻(R14)的一端连接，第十四电阻(R14)的另一端与附加电源连接，第十三三极管(VT13)的发射极和地相连；第十五电阻(R15)的一端和第四功率开关管(Q4)的驱动信号相连，另外一端和第二十五二极管(D25)的阳极相连，第二十五二极管(D25)阴极分别和第十五三极管(VT15)的基极和附加电源相连，第十五三极管(VT15)的集电极与第十六电阻(R16)的一端连接，第十六电阻(R16)的另一端与附加电源连接，第十五三极管(VT15)的发射极和地相连；第十二三极管(VT12)的基极与第i^一三极管(VTll)的集电极连接，第十二三极管(VT12)的集电极和第二辅助绕组(T3)的同名端连接，第十二三极管(VT12)的发射极和第十四三极管(VT14)的集电极相连；第十四三极管(VT14)的基极与第十三三极管(VT13)的集电极连接，第十四三极管(VT14)的发射极和第十六三极管(VT16)的集电极相连；第十六三极管(VT16)的基极与第十五三极管(VT15)集电极连接,第十六三极管(VT16)的发射极与第一功率开关管(Ql)的门极相连。
5.根据权利要求2所述的基于移向全桥和同步整流的双向直流变换器，其特征在于，反向辅助开关包括第七三极管(VT7)、第八三极管(VT8)、第九三极管(VT9)、第十三极管(VTlO)、第七电阻(R7)、第八电阻(R8)、第九电阻(R9)、第十电阻(RlO)、第十六二极管(D16)、第十七二极管(D17): 第七电阻(R7)的一端和第五功率开关管(Q5)的驱动信号相连,另外一端和第十六二极管(D16)的阳极相连，第十六二极管(D16)的阴极分别和第七三极管(VT7)的基极和附加电源相连，第七三极管(VT7)的集电极与第八电阻(R8)的一端连接，第八电阻(R8)的另一端与附加电源连接，第七三极管(VT7)的发射极和地相连； 第九电阻(R9)的一端和第六功率开关管(Q6)的驱动信号相连，另外一端和第十七二极管(D17)的阳极相连，第十七二极管(D17)的阴极分别和第九三极管(VT9)的基极和附加电源相连，第九三极管(VT9)的集电极与第十电阻(RlO)的一端连接，第十电阻(RlO)的另一端与附加电源连接，第九三极管(VT9)的发射极和地相连； 第八三极管(VT8)的基极与第七三极管(VT7)的集电极连接，第八三极管(VT8)的集电极和第三辅助绕组(T5)的同名端连接，第八三极管(VT8)的发射极和第十三极管(VTlO)的集电极相连；第十三极管(VTlO)的基极与第九三极管(VT9)的集电极连接，第十三极管(VTlO)的发射极与第六功率开关管(Q6)的门极相连。
【文档编号】H02M3/335GK104167925SQ201410441741
【公开日】2014年11月26日 申请日期:2014年9月1日 优先权日:2014年9月1日
【发明者】刘孟, 季伟伟, 都洪基, 吴彤, 王雨杰, 周文龙, 钱苏华, 杨斌, 柯仲来, 奚颖 申请人:南京理工大学