一种双向直流电源拓扑电路的制作方法

本发明属于电源电路技术领域，尤其涉及一种双向直流电源拓扑电路。

背景技术：

近年来直流电源转换技术日新月异，特别是宽禁带器件极大的推进了直流电源的发展，直流电源向着双向功率流动、高效率高功率密度和高动态响应方向发展。虽然目前已经有了很多关于双向直流电源的拓扑，比如cllc、cllc+sr-buck或者是dab/dhb，但是上述三种拓扑都有一些缺点，首先单级cllc虽然可以实现双向功率流动，同时可以保证zvs，但是具有和llc拓扑一样的缺点，宽范围操作能力有限，离开最佳工作点后效率下降厉害，另外动态响应差，无法适应高动态负载。其次cllc+sr-buck拓扑采用zvs的cllc结合同步整流buck，可以实现高动态响应，但是毕竟是两级拓扑，而且同步整流buck不能实现zvs，使得这个拓扑的效率受限，开关频率也无法提升。再者dab/dhb可以在一定范围内实现zvs，也可以保证高动态响应，但是dab/dhb基于移相角实现功率控制，移相角和功率流之间呈现非线性的控制关系，而且dab/dhb的两个全桥/半桥之间直接和输入输出直流源相连接，导致双向运行时，两端源和载都处于高频纹波电流工作状态。一般情况下，双向直流电源低压侧接的是电池一类储能负载，高压侧一般接双向acdc的输出，一般来说双向acdc的输出可以承受一定的高频纹波电流且对于系统性能影响不大，但是低压侧一般要求低纹波电流，防止对电池一类负载产生一些负面的影响。虽然也有一类电流模式的dab/dhb可以实现低压侧低电流纹波，但是一般采用孤立的电容做电压钳位，这些孤立的电容和源、载都不直接连接，这样配置方式会降低电源对于功率波动的耐受能力，因为孤立电容的电压完全要靠功率管来调控。同时这类dab/dhb依然存在控制的非线性问题，增加了控制器的设计复杂度，同时参数设计各方面也有一定的难度。从上面的分析看出，目前现有的几种双向直流电源拓扑都有一定的缺点，无法做到高动态响应，高效率高功率密度，同时设计简单。infineon在最新的双向移相全桥参考设计里采用了一种新的思路来实现双向电源，利用移相全桥拓扑，正常操作状态为buck模式，buck模式即为传统的移相全桥软开关拓扑，同时该参考设计也可以工作在boost模式下，boost模式利用副边同步整流管实现隔离boost的操作模式，原边mosfet作为同步整流管以提高效率。但是boost模式下低压侧处于硬开关boost状态，从而导致boost模式效率下降，器件应力增加，降低了可靠性。

技术实现要素：

本发明所要解决的技术问题是针对背景技术的不足提出一种全新的双向直流电源拓扑电路，具备设计简单，高效率高功率密度和高动态响应的特性，以解决目前双向直流电源拓扑存在的各种各样的问题。

本发明为解决上述技术问题采用以下技术方案：

1.一种双向直流电源拓扑电路，其特征在于：包含第一原边滤波器电容c1、

第二副边滤波器电容c2、第一原边滤波器电感l1、第二副边滤波电感l2、第一原边滤波电感短路器件sl1、第二原边滤波电感短路器件sl2、第三副边滤波器电感短路器件sl3、第四副边滤波器电感短路器件sl4、第一原边全桥功率管sp1、第二原边全桥功率管sp2、第三原边全桥功率管sp3、第四原边全桥功率管sp4、第一原边谐振电感lr1、第二副边谐振电感lr2、第一隔离变压器t1、第一副边全桥功率管ss1、第二副边全桥功率管ss2、第三副边全桥功率管ss3和第四副边全桥功率管ss4。

其中，第一原边滤波器电容c1的一端分别连接第一原边滤波器电感l1的一

端、第一原边滤波电感短路器件sl1的一端、第一原边滤波电感短路器件sl1的另一端连接第二原边滤波电感短路器件sl2的一端，第一原边滤波器电感l1的另一端分别连接第二原边滤波电感短路器件sl2的另一端、第一原边全桥功率管sp1的一端、第三原边全桥功率管sp3的一端，第一原边全桥功率管sp1的一端的另一端分别连接第二原边全桥功率管sp2的一端、第一原边谐振电感lr1的一端，第二原边全桥功率管sp2的另一端分别连接第一原边滤波器电容c1的另一端、第四原边全桥功率管sp4的一端，第四原边全桥功率管sp4的另一端分别连接第三原边全桥功率管sp3的另一端、第一隔离变压器t1的a端，第一原边谐振电感lr1的另一端连接第一隔离变压器t1的b端，第一隔离变压器t1的c端分别连接第三副边全桥功率管ss3的一端和第四副边全桥功率管ss4的一端，第一隔离变压器t1的d端连接第二副边谐振电感lr2的一端，第二副边谐振电感lr2的另一端分别连接第一副边全桥功率管ss1的一端和第二副边全桥功率管ss2的一端，第一副边全桥功率管ss1的另一端分别连接第三副边全桥功率管ss3的另一端、第二副边滤波电感l2的一端、第三副边滤波器电感短路器件sl3的一端，第三副边滤波器电感短路器件sl3的另一端连接第四副边滤波器电感短路器件sl4的一端，第四副边滤波器电感短路器件sl4的另一端分别连接第二副边滤波电感l2的另一端、第二副边滤波器电容c2的一端，第二副边滤波器电容c2的另一端分别连接第四副边全桥功率管ss4的另一端、第二副边全桥功率管ss2的另一端。

本发明采用以上技术方案与现有技术相比，具有以下技术效果：

本发明专利提出一种双向直流电源拓扑，设计简单，同时可以实现zvs，以保证高效率高功率密度，另外该拓扑脱胎于移相全桥，从而保证了该拓扑具有极佳的调压能力，具备快速动态响应。

附图说明

图1是本发明一种全新的双向直流电源拓扑电路的电路图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清

楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

如图1所示，一种双向直流电源拓扑电路，其特征在于：包含第一原边滤波器电容c1、第二副边滤波器电容c2、第一原边滤波器电感l1、第二副边滤波电感l2、第一原边滤波电感短路器件sl1、第二原边滤波电感短路器件sl2、第三副边滤波器电感短路器件sl3、第四副边滤波器电感短路器件sl4、第一原边全桥功率管sp1、第二原边全桥功率管sp2、第三原边全桥功率管sp3、第四原边全桥功率管sp4、第一原边谐振电感lr1、第二副边谐振电感lr2、第一隔离变压器t1、第一副边全桥功率管ss1、第二副边全桥功率管ss2、第三副边全桥功率管ss3和第四副边全桥功率管ss4。

其中，第一原边滤波器电容c1的一端分别连接第一原边滤波器电感l1的一

端、第一原边滤波电感短路器件sl1的一端、第一原边滤波电感短路器件sl1的另一端连接第二原边滤波电感短路器件sl2的一端，第一原边滤波器电感l1的另一端分别连接第二原边滤波电感短路器件sl2的另一端、第一原边全桥功率管sp1的一端、第三原边全桥功率管sp3的一端，第一原边全桥功率管sp1的一端的另一端分别连接第二原边全桥功率管sp2的一端、第一原边谐振电感lr1的一端，第二原边全桥功率管sp2的另一端分别连接第一原边滤波器电容c1的另一端、第四原边全桥功率管sp4的一端，第四原边全桥功率管sp4的另一端分别连接第三原边全桥功率管sp3的另一端、第一隔离变压器t1的a端，第一原边谐振电感lr1的另一端连接第一隔离变压器t1的b端，第一隔离变压器t1的c端分别连接第三副边全桥ss3的一端和第四副边全桥功率管ss4的一端，第一隔离变压器t1的d端连接第二副边谐振电感lr2的一端，第二副边谐振电感lr2的另一端分别连接第一副边全桥功率管ss1的一端和第二副边全桥功率管ss2的一端，第一副边全桥功率管ss1的另一端分别连接第三副边全桥功率管ss3的另一端、第二副边滤波电感l2的一端、第三副边滤波器电感短路器件sl3的一端，第三副边滤波器电感短路器件sl3的另一端连接第四副边滤波器电感短路器件sl4的一端，第四副边滤波器电感短路器件sl4的另一端分别连接第二副边滤波电感l2的另一端、第二副边滤波器电容c2的一端，第二副边滤波器电容c2的另一端分别连接第四副边全桥功率管ss4的另一端、第二副边全桥功率管ss2的另一端。

当处于buck模式时，也就是功率从原边流向副边，此时第一原边滤波电感短路器件sl1、第二原边滤波电感短路器件sl2驱动打开，从而将第一原边滤波器电感l1短路，第三副边滤波器电感短路器件sl3、第四副边滤波器电感短路器件sl4驱动关闭，第二副边滤波电感l2依然串联在副边回路中。按照传统的移相全桥模式实现功率从原边到副边的流动，同时实现zvs，快速动态响应。第一原边全桥功率管sp1、第二原边全桥功率管sp2、第三原边全桥功率管sp3、第四原边全桥功率管sp4处于传统移相全桥模式，第一副边全桥功率管ss1、第二副边全桥功率管ss2、第三副边全桥功率管ss3和第四副边全桥功率管ss4处于同步整流模式。

当处于boost模式时，也就是功率从副边流向原边，此时第三副边滤波器电感短路器件sl3、第四副边滤波器电感短路器件sl4驱动打开，从而将第二副边滤波电感l2短路，第一原边滤波电感短路器件sl1、第二原边滤波电感短路器件sl2驱动关闭，第一原边滤波器电感l1依然串联在原边回路中。按照传统的移相全桥模式实现功率从副边到原边的流动，同时实现zvs，快速动态响应。第一副边全桥功率管ss1、第二副边全桥功率管ss2、第三副边全桥功率管ss3和第四副边全桥功率管ss4处于传统移相全桥模式，第一原边全桥功率管sp1、第二原边全桥功率管sp2、第三原边全桥功率管sp3、第四原边全桥功率管sp4处于同步整流模式。

从上面的分析可以看到，由于拓扑具备原副边完全对称性，所以完全具备了双向移相全桥的特性，功率双向流动，原副边八只mosfet在一定的功率情况下可以同时实现zvs，同时继承了移相全桥设计简单，输出电流纹波小和宽范围调节能力等特点，是比较理想的双向直流电源拓扑。

在某些情况下，如果不需要实时双向功率流动，第一原边滤波电感短路器件sl1、第二原边滤波电感短路器件sl2、第三副边滤波器电感短路器件sl3、第四副边滤波器电感短路器件sl4可以用电磁继电器、固态继电器或者晶闸管代替，以适应不同应用下的不同要求。另外，原副边谐振电感可以利用变压器漏感实现，从而实现真正的原副边对称性，当然，也可以用分立电感实现，从而降低变压器的设计难度。

上述拓扑中所有的mosfet可以用igbt、si或者gan等不同的功率器件代替，从而实现不同效率、不同功率密度和不同成本的差异化要求，进一步提高拓扑的适应性。

利用数字控制器dsp或者fpga可以非常方便的实现buck/boost状态的无缝切换，从而为负载提供快速动态响应，真正的实现高效率高功率密度、单级、高动态响应双向直流电源。

以下变种都是在本专利的基础上简单修改得到，都应该属于本专利保护范畴：在原边、副边其中一边或者两边串联电容，该电容和谐振电感等效串联关系，无论电容、谐振电感和变压器怎么一个串联顺序，都属于这一改动范围；第一原边滤波器电感l1和第二副边滤波电感l2其中一个或者两个用其他方式短路，包括但不限于以下方式：电磁继电器、固态继电器、晶闸管、功率晶体管、igbt、si-mosfet、sic/ganmosfet或者可能存在的混合组合方案等；第一原边滤波器电感l1和第二副边滤波电感l2其中一个或者两个用电流传感器的原边/副边代替；谐振电感可能集成于隔离变压器，也可能用分立电感实现，或者用pcb绕组电感，pcb寄生电感等方式实现，或者是上述方式的混合实现；所有的开关器件存在各种可能的组合，比如高压边igbt，低压边si-mosfet等；高压边sic，低压边si-mosfet;高压边gan，低压边si-mosfet等各种可能的组合，但是这些组合都是在本专利的基础上进行的简单修改，都属于本专利保护范围;在第一原边滤波器电感l1、第二副边滤波电感l2和对应的全桥之间插入一些电容；在输入或者输出增加共模、差模滤波器；利用相同的设计理念实现的多端口变换器，主要利用变压器实现各种数量的原边、副边绕组数量，从而实现的多端口变换器；对移相全桥做各种可能的改动，比如二极管钳位(tr-lead和tr-lag两种)，或者用zvzcs全桥拓扑代替目前的zvs移相全桥拓扑等；其他可能的简单改动。

本技术领域技术人员可以理解的是，除非另外定义，这里使用的所有术语（包括技术术语和科学术语）具有与本发明所属领域中的普通技术人员的一般理解相同的意义。还应该理解的是，诸如通用字典中定义的那些术语应该被理解为具有与现有技术的上下文中的意义一致的意义，并且除非像这里一样定义，不会用理想化或过于正式的含义来解释。

以上实施例仅为说明本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本发明保护范围之内。上面对本发明的实施方式作了详细说明，但是本发明并不限于上述实施方式，在本领域普通技术人员所具备的知识范围内，还可以在不脱离本发明宗旨的前提下做出各种变化。