一种双向软开关DC-AC变换器的制作方法

一种双向软开关dc-ac变换器
技术领域
1.本发明属于电力电子技术领域，尤其涉及一种双向软开关dc-ac变换器。


背景技术：

2.双向dc-ac变换器可用于直流电压与交流电压的双向变换，能够实现交直流侧功率流的双向流动，随着光伏技术和储能技术的发展，双向dc-ac变换器技术的研究得到了广泛的关注。
3.传统dc-ac变换器中，其开关管和二极管均存在可观的开关损耗，这对提升开关频率以及降低系统成本具有很大的限制。


技术实现要素：

4.本发明所要解决的技术问题在于：提供一种双向软开关dc-ac变换器，旨在解决传统dc-ac变换器的开关管工作在硬开关状态，具有较大开关损耗的问题，同时也限制了功率变换器的功率密度的提升和成本的降低。
5.为解决上述技术问题，本发明提供了一种双向软开关dc-ac变换器，包括：主电路和辅助电路，其中，
6.所述主电路包括直流侧、交流侧、第一开关管、第二开关管、第三开关管、第四开关管和第一电感，所述第一开关管的第一端、以及所述第三开关管的第一端连接于所述直流侧的正极，所述第二开关管的第二端、以及所述第四开关管的第二端连接于所述直流侧的负极，所述第一开关管的第二端和所述第二开关管的第一端连接于所述第一电感的第一端，所述第一电感的第二端连接于所述交流侧的第一端，所述第三开关管的第二端、以及所述第四开关管的第一端连接于所述交流侧的第二端；
7.所述辅助电路包括第五开关管、第六开关管、第一电容、第二电容、第二电感、第一二极管和第一变压器，其中，所述第一电容并联连接于所述第一开关管的第一端和第二端之间，所述第二电容并联连接于所述第二开关管的第一端和第二端之间，所述第一开关管的第二端、以及所述第二开关管的第一端连接于所述第二电感的第一端，所述第二电感的第二端连接于所述第一变压器，所述第五开关管的第一端、以及所述二极管的负极连接于所述直流侧的正极，所述第五开关管的第二端、以及所述二极管的正极连接于所述第一变压器，所述第六开关管的第一端连接于所述第一变压器，所述第六开关管的第二端连接于所述直流侧的负极。
8.进一步地，所述第一开关管的第一端和第二端之间、所述第二开关管的第一端和第二端之间、所述第三开关管的第一端和第二端之间、所述第四开关管的第一端和第二端之间、所述第五开关管的第一端和第二端之间以及所述第六开关管的第一端和第二端之间均连接有反并联二极管。
9.进一步地，所述第一变压器包括原边绕组和副边绕组；其中，
10.所述第二电感的第二端连接于所述原边绕组的第二端，所述原边绕组的第一端连
接于所述第五开关管的第二端，所述原边绕组的第三端连接于所述第六开关管的第一端，所述副边绕组的第一端连接于所述二极管的正极，所述副边绕组的第二端连接于所述直流侧的负极。
11.进一步地，所述辅助电路还包括第五电容、第六电容、第七开关管、第八开关管、第二二极管、第三电感和第二变压器，所述第五电容并联连接于所述第三开关管的第一端和第二端之间，所述第六电容并联连接于所述第四开关管的第一端和第二端之间，所述第七开关管的第一端、以及所述第二二极管的负极连接于所述直流侧的正极，所述第七开关管的第二端、以及所述第二二极管的正极连接于所述第二变压器，所述第八开关管的第一端连接于所述第二变压器，所述第八开关管的第二端连接于所述直流侧的负极，所述第三电感的第一端连接于所述第三开关管的第二端和所述第四开关管的第一端之间，所述第三电感的第二端连接于所述第二变压器。
12.进一步地，所述第二变压器包括原边绕组和副边绕组；其中，
13.所述第三电感的第二端连接于所述原边绕组的第二端，所述原边绕组的第一端连接于所述第七开关管的第二端，所述原边绕组的第三端连接于所述第八开关管的第一端，所述副边绕组的第一端连接于所述第二二极管的正极，所述副边绕组的第二端连接于所述直流侧的负极。
14.进一步地，所述主电路还包括第四电感，所述第三开关管的第二端、以及所述第四开关管的第一端连接于所述第四电感的第一端，所述第四电感的第二端连接于所述直流侧的第一端。
15.进一步地，所述主电路还包括第三电容和第四电容，所述第三电容并联连接于所述直流侧的正极和负极之间，所述第四电容并联连接于所述交流侧的第一端和第二端之间。
16.进一步地，所述第一开关管、所述第二开关管、所述第三开关管、所述第四开关管、所述第五开关管、所述第六开关管、所述第七开关管和所述第八开关管均为mosfet管或igbt管。
17.进一步地，所述第一电容、所述第二电容、所述第五电容和所述第六电容为独立电容，或由对应于开关管的结电容组成。
18.与现有技术相比，本发明提供的双向软开关dc-ac变换器有益效果在于：相较于传统双向dc-ac变换器，本发明提供的双向软开关dc-ac变换器中通过设计辅助电路，能够使所有半导体器件均实现软开关，降低半导体器件的损耗，进一步可以允许使用更低载流量的开关管和散热系统，同时可以提高工作频率以降低功率电感的感量和滤波电容的容值。从上述分析可以看出所述新型软开关双向dc-ac变换器的损耗更低，系统成本更低。
附图说明
19.图1是传统双向dc-ac变换器的拓扑结构示意图；
20.图2是本发明实施例中提供的双向软开关dc-ac变换器结构示意图一；
21.图3是本发明实施例中工作在逆变模式的正半周的时序波形图；
22.图4是本发明实施例中提供的双向软开关dc-ac变换器结构示意图二。
具体实施方式
23.为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
24.在相关技术中，提供一种非隔离型双向dc-ac变换器，其变换器拓扑结构如图1所示。其工作原理为：
25.当工作在逆变模式时，即功率流从直流侧流向交流侧，在正半波时流过电感l1的电流方向为流入交流电容c2和l极方向，开关管q4导通，开关管q3关断，开关管q1和开关管q2依据控制器的调制波互补发波，并保留死区时间td。当开关管q1导通时，电感l1两端的电压为(v＿dc-v＿ln)，电感电流线性增加，经过交流电容c2滤波后流入交流侧；当q1关断后，流过开关管q1的电流换流至开关管q2的反并联二极管续流，此过程开关管q1为硬关断，有关断损耗；经过死区时间td后，开关管q2导通，流过开关管q2的反并联二极管的电流换流至开关管q2；开关管q2为零电压开通，无开通损耗，此过程电感l1两端的电压为(0-v＿ln)，电感电流线性减小，并经过交流电容c2滤波后流入交流侧；当开关管q2关断后流过开关管q2的电流换流至开关管q2的反并联二极管，开关管q2为零电压关断，无关断损耗；经过死区时间td后，开关管q1导通，同时开关管q2的反并联二极管的电流换流至开关管q1，开关管q2的反并联二极管是硬关断，有反向恢复损耗，开关管q1为硬开通，有开通损耗；综上所述，在此模式下开关管q1为硬开关，有开关损耗；开关管q2为软开通，无开关损耗；开关管q2的反并联二极管是硬关断，有关断损耗。
26.当工作在逆变模式时，即功率流从直流侧流向交流侧，在负半波时流过电感l1的电流方向为流出交流电容c2和l极方向，开关管q3导通，开关管q4关断，开关管q1和开关管q2依据控制器的调制波互补发波，并保留死区时间td。当开关管q1导通时，电感l1两端的电压为(v＿dc-v＿ln)，电感电流线性减小，经过直流电容c1滤波后流入交流侧；当q1关断后，流过开关管q1的电流换流至开关管q1的反并联二极管续流，此过程开关管q1为零电压关断，无关断损耗；经过死区时间td后，开关管q2导通，流过开关管q1的反并联二极管的电流换流至开关管q2；开关管q2为硬开通，有开通损耗，开关管q1的反并联二极管为硬关断，有关断损耗；开关管q2开通后，电感l1两端的电压为(v＿ln)，电感电流线性增加，并经过直流电容c1滤波后流入直流侧；当开关管q2关断后流过开关管q2的电流换流至开关管q1的反并联二极管，开关管q2为硬关断，有关断损耗；经过死区时间td后，开关管q1导通，同时开关管q1的反并联二极管的电流换流至开关管q1，开关管q1为软开通，无开通损耗；综上所述，在此模式下开关管q1为软开关，无开关损耗；开关管q2为硬开通，有开关损耗；开关管q1的反并联二极管是硬关断，有关断损耗。
27.当工作在整流模式时，即功率流从交流侧流向直流侧，在正半波时流过电感l1的电流方向为流出交流电容c2和l极方向，开关管q4导通，开关管q3关断，开关管q1和开关管q2依据控制器的调制波互补发波，并保留死区时间td。当开关管q1导通时，电感l1两端的电压为(v＿dc-v＿ln)，电感电流线性减小，经过直流电容c1滤波后流入交流侧；当q1关断后，流过开关管q1的电流换流至开关管q1的反并联二极管续流，此过程开关管q1为零电压关断，无关断损耗；经过死区时间td后，开关管q2导通，流过开关管q1的反并联二极管的电流换流至开关管q2；开关管q2为硬开通，有开通损耗，开关管q1的反并联二极管为硬关断，有
关断损耗；开关管q2开通后，电感l1两端的电压为(v＿ln)，电感电流线性增加，并经过直流电容c1滤波后流入直流侧；当开关管q2关断后流过开关管q2的电流换流至开关管q1的反并联二极管，开关管q2为硬关断，有关断损耗；经过死区时间td后，开关管q1导通，同时开关管q1的反并联二极管的电流换流至开关管q1，开关管q1为软开通，无开通损耗；综上所述，在此模式下开关管q1为软开关，无开关损耗；开关管q2为硬开通，有开关损耗；开关管q1的反并联二极管是硬关断，有关断损耗。
28.当工作在整流模式时，即功率流从交流侧流向直流侧，在负半波时流过电感l1的电流方向为流入交流电容c2和l极方向，开关管q3导通，开关管q4关断，开关管q1和开关管q2依据控制器的调制波互补发波，并保留死区时间td。当开关管q1导通时，电感l1两端的电压为(v＿dc-v＿ln)，电感电流线性增加，经过交流电容c2滤波后流入交流侧；当q1关断后，流过开关管q1的电流换流至开关管q2的反并联二极管续流，此过程开关管q1为硬关断，有关断损耗；经过死区时间td后，开关管q2导通，流过开关管q2的反并联二极管的电流换流至开关管q2；开关管q2为零电压开通，无开通损耗，此过程电感l1两端的电压为(v＿ln)，电感电流线性增加，并经过交流电容c2滤波后流入交流侧；当开关管q2关断后流过开关管q2的电流换流至开关管q2的反并联二极管，开关管q2为零电压关断，无关断损耗；经过死区时间td后，开关管q1导通，同时开关管q2的反并联二极管的电流换流至开关管q1，开关管q2的反并联二极管是硬关断，有反向恢复损耗，开关管q1为硬开通，有开通损耗；综上所述，在此模式下开关管q1为硬开关，有开关损耗；开关管q2为软开通，无开关损耗；开关管q2的反并联二极管是硬关断，有关断损耗。
29.从上述传统的非隔离型双向dc-ac变换器拓扑结构及工作逻辑过程可以看出，在单极性调制控制模式下，不管是在整流模式还是在逆变模式，整个变换器中都会有一只开关管是硬开关，有开关损耗，一只二极管是硬关断，有关断损耗；传统的非隔离型双向dc-ac变换器的开关管有可观的开关损耗，这对提升开关频率以降低系统成本和降低系统损耗有很大的限制。
30.基于此，本发明实施例提供了一种双向软开关dc-ac变换器，包括：主电路和辅助电路，其中，
31.主电路，用于实现功率的双向流动；
32.辅助电路，连接于主电路，用于使主电路的开关管和辅助电路的开关管实现软开关。
33.在一些实施方式中，主电路包括直流侧、交流侧、第一开关管q1、第二开关管q2、第三开关管q3、第四开关管q4和第一电感l1，第一开关管q1的第一端、以及第三开关管q3的第一端连接于直流侧的正极，第二开关管q2的第二端、以及第四开关管q4的第二端连接于直流侧的负极，第一开关管q1的第二端和第二开关管q2的第一端连接于第一电感l1的第一端，第一电感l1的第二端连接于交流侧的第一端，第三开关管q3的第二端和第四开关管q4的第一端连接于交流侧的第二端；
34.辅助电路包括第五开关管q5、第六开关管q6、第一电容c1、第二电容c2、第二电感l2、第一二极管d1和第一变压器t1，其中，第一电容c1并联连接于第一开关管q1的第一端和第二端之间，第二电容c2并联连接于第二开关管q2的第一端和第二端之间，第一开关管q1的第二端、第二开关管q2的第一端连接于第二电感l2的第一端，第二电感l2的第二端连接
于第一变压器t1，第五开关管q5的第一端、以及二极管的负极连接于直流侧的正极，第五开关管q5的第二端、以及二极管的正极连接于第一变压器t1，第六开关管q6的第一端连接于第一变压器t1，第六开关管q6的第二端连接于直流侧的负极。
35.在一些实施方式中，第一开关管q1的第一端和第二端之间、第二开关管q2的第一端和第二端之间、第三开关管q3的第一端和第二端之间、第四开关管q4的第一端和第二端之间、第五开关管q5的第一端和第二端之间以及第六开关管q6的第一端和第二端之间均连接有反并联二极管。
36.在一些实施方式中，第一变压器t1包括原边绕组和副边绕组；其中，
37.第二电感l2的第二端连接于原边绕组的第二端，原边绕组的第一端连接于第五开关管q5的第二端，原边绕组的第三端连接于第六开关管q6的第一端，副边绕组的第一端连接于二极管的正极，副边绕组的第二端连接于直流侧的负极。
38.在一些实施方式中，主电路还包括第三电容c3和第四电容c4，第三电容c3并联连接于直流侧的正极和负极之间，第四电容c4并联连接于交流侧的第一端和第二端之间。
39.在一些实施方式中，第一开关管q1、第二开关管q2、第三开关管q3、第四开关管q4、第五开关管q5、第六开关管q6均为mosfet管或igbt管。
40.在一些实施例中，第一电容c1和第二电容c2为独立电容，或由对应于开关管的结电容组成；即，第一电容c1由对应于第一开关管q1的结电容组成，第二电容c2由对应于第二开关管q2的结电容组成。
41.如图2所示为本发明提供的双向软开关dc-ac变换器的电路结构示意图一。双向软开关dc-ac变换器根据不同的功率流向分为整流模式和逆变模式两种运行模式，又进一步将整流模式分为工作在整流模式的正半周或负半周，将逆变模式分为工作在逆变模式的正半周或负半周。
42.由于工作在整流模式的正半周或负半周，或者工作在逆变模式的正半周或负半周的分析方法一致，这里仅以在逆变模式的正半周的情况下举例，一个开关周期内具有6个不同工作阶段，工作原理如下：
43.逆变模式时(功率流从dc侧流入ac侧)，并设流入ac侧的电感电流方向为正，在正半周时，第三开关管q3保持关断，第四开关管q4保持开通。
44.其工作时序波形如图3所示：
45.t0-t1阶段：to时刻，第一开关管q1驱动置低，由于第一开关管q1的ds极并联了第一电容c1，第一电容c1两端的电压不会瞬变约为0，在第一开关管q1关断过程中，流过第一开关管q1的电流ids＿q1(电流方向从q1管的d极流向s极)逐渐换流到第一电容c1，流过第一电容c1的电流逐渐增大，此过程实现第一开关管q1的零电压关断；当第一开关管q1关断后，流过第一电容c1的电流i＿c1逐渐减少并使vds＿q1两端的电压逐渐升高，同时流过第二电容c2的电流逐渐增加(电流方向从第二开关管q2的s极流向d极)并使得第二开关管q2的ds两端得电压逐渐下降，直至第二开关管q2的反并联二极管导通。
46.t1-t2阶段：t1时刻，第二开关管q2的驱动置高，由于在t0-t1阶段，第二开关管q2的反并联二极管已经导通，所以第二开关管q2实现零电压开通；第二开关管q2开通后，交流侧的电压加在第一电感l1两端，电感电流开始逐渐下降，此阶段第一电感l1电流通过第二开关管q2续流，经第四电容c4滤波后给交流侧提供电流。
47.t2-t3阶段：第五开关管q5的驱动置高，此时由于叠加在第二电感l2上的电压使得第二电感l2上的电流迅速增加，此电流经过第五开关管q5(电流方向从第五开关管q5的d极流向s极)和第一变压器t1，在此过程第五开关管q5实现零电流开通，同时由于第一变压器t1的耦合作用，第一二极管d1导通，并将第一变压器t1的n＿p绕组两端电压钳位至约dc电压，假设第一变压器t1变比为n：n：1，则第一变压器t1的n＿s1两端电压为n＊v＿dc，因此第二电感l2两端的电压约为(1-n)＊v＿dc，第二电感l2两端的电压使得其流过的电流迅速增加。
48.t3-t4阶段：第二开关管q2的驱动置低，流过第二开关管q2的电流换流至其反并联二极管，第二开关管q2实现零电压关断，同时流过第二电感l2的电流继续增加直至其电流大小等于流过第一电感l1电流，此时流过第二开关管q2反并联二极管的电流为0，此过程第二开关管q2的反并联二极管实现零电流关断；同时流过第二电感l2的电流继续增加，由于第一电感l1的感量远大于第二电感l2，这里我们可以认为在此过程中流过第一电感l1的电流基本保持不变，此过程中流过第二电感l2的电流除提供给第一电感l1同时给第一电容c1放电，第二电容c2充电，这使得第二开关管q2的ds极电压逐渐升高，第一开关管q1的ds电压逐渐降低，在此过程中，第一开关管q1和第二开关管q2的公共端电位逐渐上升，直至第一开关管q1的反并联二极管导通。
49.t4-t5阶段：由于在t3-t4阶段第一开关管q1的反并联二极管已导通，在t4时刻将第一开关管q1的驱动置高，使得第一开关管q1实现零电压开通，第一开关管q1和第二开关管q2的公共端电位被钳位至约dc+，此时第二电感l2两端的电压为n＊v＿dc，方向与电感电流增加的方向相反，流过第二电感l2的电流开始迅速下降至0，流过第一二极管d1的感生电流也迅速降低至0，第一二极管d1实现零电流关断，第一变压器t1的n＿p绕组两端电压不在被钳位，n＿s1两端电压为0，第二电感l2的电流降低到0后由于其两端电压继续保持约为0，其流过的电流继续保持为0。
50.t5-t6阶段：由于在t4至t5时刻流过第五开关管q5的电流为0，在t5时刻将第五开关管q5的驱动置低，使得第五开关管q5实现零电流关断。同时在此阶段，第一电感l1两端的电压为(v＿dc-v＿ln)，流过第一电感l1的电流持续增加并经过第四电容c4滤波后提供给交流侧。t6时刻结束后再次循环进入t0时刻。
51.作为本实施例的另外一种实施方式，在上述的电路结构的基础上作出的电路结构的变换，如图4所示为本发明提供的双向软开关dc-ac变换器的电路结构示意图二。
52.其中，辅助电路还包括第五电容c5、第六电容c6、第七开关管q7、第八开关管q8、第二二极管d2、第三电感l3和第二变压器t2，第五电容c5并联连接于第三开关管q3的第一端和第二端之间，第六电容c6并联连接于第四开关管q4的第一端和第二端之间，该第五电容c5和第六电容c6同样为独立电容，或由对应于开关管的结电容组成。第七开关管q7的第一端、以及第二二极管d2的负极连接于直流侧的正极，第七开关管q7的第二端、以及第二二极管d2的正极连接于第二变压器t2，第八开关管q8的第一端连接于第二变压器t2，第八开关管q8的第二端连接于直流侧的负极，第三电感l3的第一端连接于第三开关管q3的第二端和第四开关管q4的第一端之间，第三电感l3的第二端连接于第二变压器t2。
53.在一些实施方式中，第二变压器t2包括原边绕组和副边绕组；其中，
54.第三电感l3的第二端连接于原边绕组的第二端，原边绕组的第一端连接于第七开
关管q7的第二端，原边绕组的第三端连接于第八开关管q8的第一端，副边绕组的第一端连接于第二二极管d2的正极，副边绕组的第二端连接于直流侧的负极。
55.在一些实施方式中，主电路还包括第四电感l4，第三开关管q3的第二端、以及第四开关管q4的第一端连接于第四电感l4的第一端，第四电感l4的第二端连接于直流侧的第一端。
56.在一些实施方式中，第七开关管q7和第八开关管q8均为mosfet管或igbt管。
57.与现有技术相比，本发明提供的双向软开关dc-ac变换器有益效果在于：相较于传统双向dc-ac变换器，本发明提供的双向软开关dc-ac变换器中通过设计辅助电路，能够使所有半导体器件均实现软开关，降低半导体器件的损耗，进一步可以允许使用更低载流量的开关管和散热系统，同时可以提高工作频率以降低功率电感的感量和滤波电容的容值。从上述分析可以看出所述新型软开关双向dc-ac变换器的损耗更低，系统成本更低。
58.以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。