隔離型雙向升降壓變換器及工作方法
【專利摘要】本發明提出了一種隔離型雙向升降壓變換器，包括：第一場效應管漏極連接高壓側第一端，第一場效應管源極分別連接第一電容一端和第二場效應管漏極，第二場效應管源極連接高壓側第二端，第一電容另一端連接變壓器第一端，變壓器第二端連接第二場效應管源極，變壓器第三端分別連接第三場效應管源極和第四場效應管漏極，第三場效應管漏極連接第二電容一端，第二電容另一端分別連接第四場效應管源極和低壓側第二端，變壓器第四端連接低壓側第一端。為了實現輸入輸出的電氣隔離，所提出的雙向升/降壓變換器采用變壓器來實現能量傳輸。開關器件實現軟開關技術，減少了開關損耗，提高變換效率。
【專利說明】
隔離型雙向升降壓變換器及工作方法
技術領域
[0001] 本發明涉及電力電子領域，尤其涉及一種隔離型雙向升降壓變換器及工作方法。
【背景技術】
[0002] 雙向DC-DC變換器實現了能量的雙向傳輸，在功能上相當于兩個單向DC/DC變換 器，是典型的"一機兩用"設備。在需要能量雙向流動的應用場合可以大幅縮減系統的體積 重量以及成本。現已被廣泛應用于UPS系統、航天電源系統、電動汽車驅動以及分布式電源 系統中。提高變換器的效率、提高輸入輸出電壓變比和減少器件數量是本技術領域的重點 和難點;現有的中等功率等級的雙向DC/DC變換器結構較為復雜，器件數量較多。
[0003] 圖1是已有的雙向升/降壓電路。該電路能夠實現較高的輸入輸出電壓變比，但由 于該電路用的是耦合電感進行能量的傳送，并沒有達到輸入輸出電氣隔離的效果。這就亟 需本領域技術人員解決相應的技術問題。
[0004] 圖2是已有的隔離型雙向升/降壓電路。該電路由兩個非對稱半橋構成，能夠實現 輸入輸出端的電氣隔離，但是其電壓變比
只和變壓器匝比有關，在電路搭建好后， 其電壓變比較低且不能改變，控制不靈活。同時該電路只能通過移相控制技術來調節電路 功率，控制算法復雜。
【發明內容】
[0005] 本發明旨在至少解決現有技術中存在的技術問題，特別創新地提出了一種隔離型 雙向升降壓變換器及其工作方法。
[0006] 為了實現本發明的上述目的，本發明提供了一種隔離型雙向升降壓變換器，包括： 第一場效應管、第二場效應管、第三場效應管、第四場效應管、第一電容、第二電容、變壓器；
[0007] 第一場效應管漏極連接高壓側第一端，第一場效應管源極分別連接第一電容一端 和第二場效應管漏極，第二場效應管源極連接高壓側第二端，第一電容另一端連接變壓器 第一端，變壓器第二端連接第二場效應管源極，變壓器第三端分別連接第三場效應管源極 和第四場效應管漏極，第三場效應管漏極連接第二電容一端，第二電容另一端分別連接第 四場效應管源極和低壓側第二端，變壓器第四端連接低壓側第一端。
[0008] 所述的隔離型雙向升降壓變換器，優選的，還包括:第一濾波電容、第二濾波電容；
[0009] 高壓側第一端和高壓側第二端連接第一濾波電容，低壓側第一端和低壓側第二端 連接第二濾波電容。
[0010] 上述技術方案的有益效果為:通過第一濾波電容和第二濾波電容對電路信號進行 濾波處理。
[0011] 本發明還公開一種隔離型雙向升降壓變換器工作方法，包括如下步驟：
[0012] S1，根據能量傳輸的狀態，當所述變換器采取降壓模式時，通過控制第一場效應 管、第二場效應管、第三場效應管和第四場效應管的導通和關斷進行降壓控制，獲取降壓模 式的電壓變比；
[0013] S2,根據能量傳輸的狀態，當所述變換器采取升壓模式時，通過控制第一場效應 管、第二場效應管、第三場效應管和第四場效應管的導通和關斷進行升壓控制，獲取升壓模 式下電壓變比；
[0014] S3,通過降壓模式下電壓變比和升壓模式下電壓變比，獲取變換器中第一場效應 管、第二場效應管、第三場效應管和第四場效應管最大承受電壓值。
[0015] 上述技術方案的有益效果為:通過選擇變壓器作為能量傳輸器件，能夠實現較高 的電壓變比，同時避免了控制信號占空比取極限值，進而保證電路穩定工作。
[0016] 所述的隔離型雙向升降壓變換器工作方法，優選的，所述S1中降壓模式包括：
[0017] 第一階段to-tl時刻，第一場效應管和第三場效應管導通，第二場效應管和第四場 效應管關斷，iQ從零開始正向增大，iQ1從零開始正向增大，i N2和iQ3正向減小。正向增大， 當iN2和iQ3減小至0時，該階段結束，其中i cl為第一電容電流值，為第一場效應管電流值， iN2變壓器二次側電流值，iQ3第三場效應管電流值，變壓器磁化電感電流值；
[0018] 第二階段tl-t2時刻，第一場效應管和第三場效應管繼續保持導通，第二場效應管 和第四場效應管繼續保持關斷，icdl續正向增大，續正向增大，i N2和iQ3反向增大， 繼續正向增大，當第一場效應管和第三場效應管關斷時，該階段結束，
[0019]第三階段t2_t3時刻，第一場效應管和第三場效應管關斷，第二場效應管和第四場 效應管繼續保持關斷。ici通過第二場效應管中的二極管續流，開始正向減小，iQ2開始反向 減小，iN2通過Q3中的二極管續流，繼續反方向增大。當開關管Q2和Q4開通時，該階段結束，其 中為第二場效應管電流值；
[0020] 第四階段t3-t4時刻，第一場效應管和第三場效應管關斷，第二場效應管和第四 場效應管導通，由于上一階段，Q2處于二極管續流狀態，故此時Q2是零電壓導通。i cl繼續正 向減小，iQ2繼續反向減小，iN2反向減小，iQ4開始反向增大，ilm繼續正向減小，當iN2減小至零 時，該階段結束，其中為第四場效應管電流值。
[0021] 第五階段t4-t5時刻，第一場效應管和第三場效應管繼續保持關斷，第二場效應管 和第四場效應管繼續導通，ici繼續正向減小，iQ2繼續反向減小，iN2正向增大，iQ4反向增大， ibn繼續正向減小。當ici減小至零時，該階段結束；
[0022] 第六階段t5-t6時刻，第一場效應管和第三場效應管繼續保持關斷，第二場效應管 和第四場效應管繼續導通，iQ開始反向增大，i Q2開始正向增大，iN2繼續正向增大，iQ4繼續反 向增大，iu繼續正向減小。當第二場效應管和第四場效應管關斷時，該階段結束，
[0023]第七階段t6_t7時刻，第一場效應管和第三場效應管繼續保持關斷，第二場效應管 和第四場效應管關斷，iC1通過第一場效應管中的二極管進行續流，開始反向減小，1(^繼續 正向增大，iN2通過Q4中的二極管進行續流，繼續正向增大，km開始正向增大。當第一場效應 管和第三場效應管導通時，該階段結束，
[0024] 第八階段t7-t0時刻，第一場效應管和第三場效應管導通，第二場效應管和第四場 效應管關斷，由于上一階段，第一場效應管處于二極管續流階段，故此時第一場效應管是零 電壓導通，ici繼續反向減小，iQl繼續反向減小，iN2正向減小，iQ3反向減小，km正向增大。當 iQ反向減少至零時，該階段結束。
[0025] 所述的隔離型雙向升降壓變換器工作方法，優選的，所述S2中升壓模式包括：
[0026] 第一階段t〇-tl時刻，第一場效應管和第三場效應管導通，第二場效應管和第四 場效應管關斷，ici正向減小，iQi正向減小，iN2正向增大，同時iQ3正向增大，km反向增大，當 ici減小至0時，iQ3減小至0，該階段結束；
[0027] 第二階段tl-t2時刻，第一場效應管和第三場效應管繼續保持導通，第二場效應管 和第四場效應管繼續保持關斷。ia繼續方向增大，續正向增大，i N2繼續反向增大，iQ3繼 續反向增大，iu繼續正向增大，當第一場效應管和第三場效應管關斷時，該階段結束；
[0028]第三階段t2_t3時刻，第一場效應管和第三場效應管關斷，第二場效應管和第四場 效應管繼續保持關斷。iC1通過第一場效應管中的二極管續流，繼續反向增大，191繼續反向 增大，i N2中的二極管續流，開始正向減小，iQ4開始反向減小，當第二場效應管和第四場效應 管開通時，該階段結束；
[0029] 第四階段t3-t4時刻，第一場效應管和第三場效應管關斷，第二場效應管和第四場 效應管導通，由于上一階段，第四場效應管處于二極管續流狀態，故此時第四場效應管是零 電壓導通，ici開始反向減小，iQ2開始正向減小，iN2繼續正向減小，iQ4繼續反向減小，iLm開始 反向減小。當iN2反向減小至零時，該階段結束。
[0030] 第五階段t4-t5時刻，第一場效應管和第三場效應管繼續保持關斷，第二場效應管 和第四場效應管繼續導通，ici繼續反向減小，iQ2繼續正向減小，iN2開始反向增大，iQ4開始正 向增大，ibn繼續反向減小，當ici反向減小至零時，該階段結束；
[0031] 第六階段t5-t6時刻，第一場效應管和第三場效應管繼續保持關斷，第二場效應管 和第四場效應管繼續導通，iQ開始正向增大，i Q2開始正向增大，iN2繼續反向增大，iQ4繼續正 向增大，iu繼續反向減小，當第二場效應管和第四場效應管關斷時，該階段結束，
[0032]第七階段t6_t7時刻，第一場效應管和第三場效應管繼續保持關斷，第二場效應管 和第四場效應管關斷，iC1通過第二場效應管中的二極管進行續流，繼續正向增大，iQ2繼續 反向增大，iN2通過第三場效應管中的二極管進行續流，開始反向減小，iQ3開始反向減小，ilm 繼續反向減小，當第一場效應管和第三場效應管導通時，該階段結束；
[0033]第八階段t7_t0時刻，第一場效應管和第三場效應管導通，第二場效應管和第四場 效應管關斷，由于上一階段，第三場效應管處于二極管續流階段，故此時第三場效應管是零 電壓導通，ici開始正向減小，iQl開始正向減小，iN2繼續反向減小，iQ3繼續反向減小，iLm開始 反向增大，當iN2反向減少至零時，該階段結束。
[0034] 所述的隔離型雙向升降壓變換器工作方法，優選的，所述降壓模式下電壓變比：
[0035] 為了簡化分析，作如下假設：
[0036] 第一電容和第二電容足夠大，使得第一電容電壓VC1和第二電容電壓VC2是常值；
[0037] 忽略變壓器漏感Lk;
[0038]驅動信號中第一場效應管和第三場效應管的控制信號Vgl,3以及第二場效應管和 第四場效應管控制信號Vg2,4間的死區忽略不計；
[0039]根據降壓模式第四階段得到，
[0040] Vcl = VLm = NXVL，其中，VC1為第一電容電壓值、^為變壓器磁化電感電壓值、N為變 壓器匝比、Vl為低壓側電壓值；
[0041] 為了使電路能夠穩定工作，磁化電感Lm在一個周期內，必須滿足伏秒平衡原理； 故有以下關系；
[0042] (VH-VC1)XDXT = VC1X(1-D)XT，其中Vh為高壓側電壓值，Vl為低壓側電壓值，Vci 為第一電容電壓值，D為PWM控制信號占空比，T為PWM控制信號時間周期，
[0043] 得到，
[0045] 所述的隔離型雙向升降壓變換器工作方法，優選的，所述升壓模式下電壓變比：
[0046] 為了簡化分析，作如下假設：
[0047] 第一電容和第二電容足夠大，使得第一電容電壓VC1和第二電容電壓VC2是常值；
[0048] 忽略變壓器漏感Lk;
[0049] 驅動信號中第一場效應管和第三場效應管的控制信號Vgl,3以及第二場效應管和 第四場效應管控制信號V g2,4間的死區忽略不計；
[0050] 根據升壓模式第二階段得到，
[0051] VH=VLm+Vci,
[0052]根據升壓模式第四階段得到
[0053] Vci = NXVl,
[0054] 為了使電路能夠穩定工作，磁化電感Lm在一個周期內，必須滿足伏秒平衡原理，故 有以下關系，其中VC2為第二
電容電壓值；
[0056] 化簡得到
[0058]根據升壓模式第二階段得到 [0059] VLm=(Vc2-VL)XN
到
[0062]由式 VH=VLm+Vcl，Vcl = NXVL
[得到
[0064] 所述的隔離型雙向升降壓變換器工作方法，優選的，所述S3包括：
[0065] 由電路工作原理圖易知，第一場效應管和第二場效應管承受最大的電壓值
[0066] maxVQi=maxVQ2 = Vh ,
[0067] 第三場效應管和第四場效應管承受的最大電壓值
[0069] 綜上所述，由于采用了上述技術方案，本發明的有益效果是：
[0070] 為了實現輸入輸出的電氣隔離，所提出的雙向升/降壓變換器采用變壓器來實現 能量傳輸。該電路能夠在使用較少的器件情況下實現較高的雙向變壓比，同時，部分開關器 件實現軟開關技術，減少了開關損耗，提高變換效率。該電路采用的變壓器將輸入輸出完全 隔離，從而減小了輸入輸出端之間的干擾，提高了變換器的可靠性。該電路的電壓變比
，其值不僅與變壓器匝比N有關，還與P麗控制信號占空比D相關，故其變比可調，便于 控制。同時，給出了電路中重要器件的電壓應力公式，對電路器件的選型提供了重要的信 息，便于用戶準確快速搭建該電路。
[0071] 本發明的附加方面和優點將在下面的描述中部分給出，部分將從下面的描述中變 得明顯，或通過本發明的實踐了解到。
【附圖說明】
[0072] 本發明的上述和/或附加的方面和優點從結合下面附圖對實施例的描述中將變得 明顯和容易理解，其中：
[0073]圖1是現有技術中電路不意圖；
[0074] 圖2是現有技術中電路不意圖；
[0075] 圖3為本發明隔離型雙向升/降壓變換器；
[0076] 圖4為本發明電路等效圖；
[0077] 圖5為本發明變換器降壓模式下工作波形示意圖；
[0078] 圖6A-6H為本發明降壓模式工作狀態示意圖；
[0079] 圖7為本發明升壓模式下工作波形示意圖；
[0080] 圖8A-8H為本發明升壓模式工作狀態示意圖。
【具體實施方式】
[0081] 下面詳細描述本發明的實施例，所述實施例的示例在附圖中示出，其中自始至終 相同或類似的標號表示相同或類似的元件或具有相同或類似功能的元件。下面通過參考附 圖描述的實施例是示例性的，僅用于解釋本發明，而不能理解為對本發明的限制。
[0082]在本發明的描述中，需要理解的是，術語"縱向"、"橫向"、"上"、"下"、"前"、"后"、 "左"、"右"、"豎直"、"水平"、"頂"、"底" "內"、"外"等指示的方位或位置關系為基于附圖所 示的方位或位置關系，僅是為了便于描述本發明和簡化描述，而不是指示或暗示所指的裝 置或元件必須具有特定的方位、以特定的方位構造和操作，因此不能理解為對本發明的限 制。
[0083]在本發明的描述中，除非另有規定和限定，需要說明的是，術語"安裝"、"相連"、 "連接"應做廣義理解，例如，可以是機械連接或電連接，也可以是兩個元件內部的連通，可 以是直接相連，也可以通過中間媒介間接相連，對于本領域的普通技術人員而言，可以根據 具體情況理解上述術語的具體含義。
[0084]如圖3所示，該隔離雙向DC/DC變換器，包括:第一場效應管、第二場效應管、第三場 效應管、第四場效應管、第一電容、第二電容、變壓器；
[0085] 第一場效應管漏極連接高壓側第一端，第一場效應管源極分別連接第一電容一端 和第二場效應管漏極，第二場效應管源極連接高壓側第二端，第一電容另一端連接變壓器 第一端，變壓器第二端連接第二場效應管源極，變壓器第三端分別連接第三場效應管源極 和第四場效應管漏極，第三場效應管漏極連接第二電容一端，第二電容另一端分別連接第 四場效應管源極和低壓側第二端，變壓器第四端連接低壓側第一端。
[0086] 所述的隔離型雙向升降壓變換器，優選的，還包括:第一濾波電容、第二濾波電容；
[0087] 高壓側第一端和高壓側第二端連接第一濾波電容，低壓側第一端和低壓側第二端 連接第二濾波電容。
[0088] 為了方便分析，我們給出其等效電路，如圖4所示。其中高壓模式或者降壓模式能 夠根據實際能量傳輸的情況進行實時轉換。
[0089] 在降壓模式下，電路工作分為8個階段，分別為t〇-t 1，t l-t2，t2-t3，t3-t4，t4-t5， t5-t6，t6-t7，t7-t0。其工作波形圖如圖5所示。
[0090] 第一階段to-tl時亥I」，開關管Q1和Q3導通，Q2和Q4關斷。icl(等于iQ1)從零開始正向 增大，iN2和iQ3正向減小。km正向增大。當iN2和iQ3減小至0時，該階段結束。如圖6A所示。其中 iC1為第一電容電流值，為第一場效應管電流值，iN2變壓器二次側電流值，iQ3第三場效應 管電流值，i u變壓器磁化電感電流值。
[0091]第二階段tl-t2時刻，開關管Q1和Q3繼續保持導通，Q2和Q4繼續保持關斷。iG1(等于 iQl)繼續正向增大，iN2和iQ3反向增大，iLm繼續正向增大。當開關管Q1和Q3關斷時，該階段結 束。如圖6B所不。
[0092] 第三階段t2-t3時刻，開關管Q1和Q3關斷，Q2和Q4繼續保持關斷。icl(等于-iQ2)通 過Q2中的二極管續流，開始正向減小。iN2通過Q3中的二極管續流，繼續反方向增大。當開關 管Q2和Q4開通時，該階段結束。如圖6C所示。其中i Q2為第二場效應管電流值 [0093] 第四階段t3-t4時刻，開關管Q1和Q3關斷，Q2和Q4導通，由于上一階段，Q2處于二極 管續流狀態，故此時Q2是零電壓導通。ici (等于-iQ2)繼續正向減小，iN2(等于-iQ4)反向減小， 繼續正向減小。當iN2減小至零時，該階段結束。如圖6D所示。其中i Q4為第四場效應管電流 值。
[0094]第五階段t4-t5時刻，開關管Q1和Q3繼續保持關斷，Q2和Q4繼續導通，iG1(等于-iQ2)繼續正向減小，iN2(等于_iQ4)正向增大，km繼續正向減小。當ici減小至零時，該階段結 束。如圖6E所示。
[0095] 第六階段t5-t6時刻，開關管Q1和Q3繼續保持關斷，Q2和Q4繼續導通，icl(等于-iQ2) 開始反向增大，iN2(等于_iQ4)繼續正向增大，iLm繼續正向減小。當開關管Q2和Q4關斷時，該 階段結束。如圖6F所示。
[0096] 第七階段t6-t7時刻，開關管Q1和Q3繼續保持關斷，Q2和Q4關斷。iG1(等于iQ1)通過 Q1中的二極管進行續流，開始反向減小，iN2通過Q4中的二極管進行續流，繼續正向增大。iLm 開始正向增大。當開關管Q1和Q3導通時，該階段結束。如圖6G所示。
[0097] 第八階段t7-t0時刻，開關管Q1和Q3導通，Q2和Q4關斷。由于上一階段，Q1處于二極 管續流階段，故此時Q1是零電壓導通。iC1(等于iw)繼續反向減小，iN2(等于iQ 3)正向減小， iu正向增大。當iC1反向減少至零時，該階段結束。如圖6H所示。
[0098]降壓模式下電壓變比：
[0099] 為了簡化分析，作如下假設：
[0100] 電容C1和C2足夠大，使得第一電容電壓VcjP第二電容電壓VC2是常值；
[0101] 忽略變壓器漏感Lk;
[0102] 驅動信號中第一場效應管和第三場效應管的控制信號Vgl,3以及第二場效應管和 第四場效應管控制信號V g2,4間的死區忽略不計；
[0103] 根據狀態圖6D可以得到，Vq為第一電容電壓值、VLm為變壓器磁化電感電壓值、N為 變壓器匝比、Vl為低壓側電壓值
[0104] Vci = VLm=NXVL (1)
[0105]為了使電路能夠穩定工作，磁化電感Lm在一個周期內，必須滿足伏秒平衡原理。故 有以下關系;VH為高壓側電壓值，Vl為低壓側電壓值，VC1為第一電容電壓值，D為PWM控制信 號占空比，T為PWM控制信號時間周期。
[0106] (Vh-Vci) XDXT = VciX (l-D)XT (2)
[0107]由式（1)和式(2)得到
(3.)
[0109]升壓模式工作：
[0110] 在升壓模式下，電路工作分為8個階段，分別為t〇-tl，tl_t2，t2_t3，t3_t4, t4_t5， t5-t6，t6-t7，t7-t0。其工作波形圖如圖7所示。
[0111] 第一階段t〇-tl時刻，開關管Q1和Q3導通，Q2和Q4關斷。iG1(等于iw)正向減小，iN2 (等于iQ3)正向增大。向增大。當iQ(等于iQ3)減小至0時，該階段結束。如圖8A所示。
[0112] 第二階段tl-t2時刻，開關管Q1和Q3繼續保持導通，Q2和Q4繼續保持關斷。iG1(等于 iQl)繼續方向增大，iN2(等于iQ3)繼續反向增大，iLm繼續正向增大。當開關管Q1和Q3關斷時， 該階段結束。如圖8B所示。
[0113] 第三階段t2-t3時刻，開關管Q1和Q3關斷，Q2和Q4繼續保持關斷。iG1 (等于iw)通 過Q1中的二極管續流，繼續反向增大。iN2(等于-iQ4)中的二極管續流，開始正向減小。當開 關管Q2和Q4開通時，該階段結束。如圖8C所示。
[0114] 第四階段t3-t4時刻，開關管Q1和Q3關斷，Q2和Q4導通，由于上一階段，Q4處于二極 管續流狀態，故此時Q4是零電壓導通。i cl(等于-iQ2)開始反向減小，iN2(等于-iQ4)繼續正向 減小，iLm開始反向減小。當iN2反向減小至零時，該階段結束。如圖8D所示。
[0115] 第五階段t4-t5時刻，開關管Q1和Q3繼續保持關斷，Q2和Q4繼續導通，iG1(等于-iQ2)繼續反向減小，iN2(等于_iQ4)開始反向增大，km繼續反向減小。當ici反向減小至零時， 該階段結束。如圖8E所示。
[0116] 第六階段t5-t6時刻，開關管Q1和Q3繼續保持關斷，Q2和Q4繼續導通，iG1(等于-iQ2)開始正向增大，iN2(等于-iQ4)繼續反向增大，iLm繼續反向減小。當開關管Q2和Q4關斷時， 該階段結束。如圖8F所示。
[0117] 第七階段t6-t7時刻，開關管Q1和Q3繼續保持關斷，Q2和Q4關斷。icl(等于-iQ2)通 過Q2中的二極管進行續流，繼續正向增大，iN2 (等于iQ3)通過Q3中的二極管進行續流，開始 反向減小。iLm繼續反向減小。當開關管Q1和Q3導通時，該階段結束。如圖8G所示。
[0118] 第八階段t7-t0時刻，開關管Q1和Q3導通，Q2和Q4關斷。由于上一階段，Q3處于二極 管續流階段，故此時Q3是零電壓導通。icl(等于iQ1)開始正向減小，iN2(等于i Q3)繼續反向減 小，ibn開始反向增大。當iN2反向減少至零時，該階段結束。如圖811所示。
[0119] 升壓模式下電壓變比：
[0120] 為了簡化分析，作如下假設：
[0121] 電容C1和C2足夠大，使得第一電容電壓VcjP第二電容電壓VC2是常值；
[0122] 忽略變壓器漏感Lk;
[0123] 驅動信號中第一場效應管和第三場效應管的控制信號Vgl,3以及第二場效應管和 第四場效應管控制信號V g2,4間的死區忽略不計；
[0124] 根據狀態圖8B可以得到，
[0125] VH=VLm+Vci (4)
[0126] 根據狀態圖8D得到
[0127] Vci = NXVl (5)
[0128] 為了使電路能夠穩定工作，磁化電感Lm在一個周期內，必須滿足伏秒平衡原理。故 有以下關系，其中VC2為第二電容電壓值；
(6)
[0130] 化簡得到
C7)
[0132] 根據狀態(b)，得到
[0133] VLm=(Vc2-VL)XN (8)
[0134] 將式(7)代入得到
C9)
[0136]由式(4)(5)(9)得到
no)
[0138]器件電壓應力分析
[0139] 由電路工作原理圖易知，開關管Q1和Q2承受最大的電壓值
[0140] maxVQi=maxVQ2 = Vh
[0141] 開關管Q3和Q4承受的最大電壓值
[0143] 在本說明書的描述中，參考術語"一個實施例"、"一些實施例"、"示例"、"具體示 例"、或"一些示例"等的描述意指結合該實施例或示例描述的具體特征、結構、材料或者特 點包含于本發明的至少一個實施例或示例中。在本說明書中，對上述術語的示意性表述不 一定指的是相同的實施例或示例。而且，描述的具體特征、結構、材料或者特點可以在任何 的一個或多個實施例或示例中以合適的方式結合。
[0144] 盡管已經示出和描述了本發明的實施例，本領域的普通技術人員可以理解:在不 脫離本發明的原理和宗旨的情況下可以對這些實施例進行多種變化、修改、替換和變型，本 發明的范圍由權利要求及其等同物限定。
【主權項】
1. 一種隔離型雙向升降壓變換器，其特征在于，包括:第一場效應管、第二場效應管、第 三場效應管、第四場效應管、第一電容、第二電容、變壓器； 第一場效應管漏極連接高壓側第一端，第一場效應管源極分別連接第一電容一端和第 二場效應管漏極，第二場效應管源極連接高壓側第二端，第一電容另一端連接變壓器第一 端，變壓器第二端連接第二場效應管源極，變壓器第三端分別連接第三場效應管源極和第 四場效應管漏極，第三場效應管漏極連接第二電容一端，第二電容另一端分別連接第四場 效應管源極和低壓側第二端，變壓器第四端連接低壓側第一端。2. 根據權利要求1所述的隔離型雙向升降壓變換器，其特征在于，還包括:第一濾波電 容、第二濾波電容； 高壓側第一端和高壓側第二端連接第一濾波電容，低壓側第一端和低壓側第二端連接 第二濾波電容。3. -種隔離型雙向升降壓變換器工作方法，其特征在于，包括如下步驟： S1，根據能量傳輸的狀態，當所述變換器采取降壓模式時，通過控制第一場效應管、第 二場效應管、第三場效應管和第四場效應管的導通和關斷進行降壓控制，獲取降壓模式的 電壓變比； 52, 根據能量傳輸的狀態，當所述變換器采取升壓模式時，通過控制第一場效應管、第 二場效應管、第三場效應管和第四場效應管的導通和關斷進行升壓控制，獲取升壓模式下 電壓變比； 53, 通過降壓模式下電壓變比和升壓模式下電壓變比，獲取變換器中第一場效應管、第 二場效應管、第三場效應管和第四場效應管最大承受電壓值。4. 根據權利要求3所述的隔離型雙向升降壓變換器工作方法，其特征在于，所述S1中降 壓模式包括： 第一階段to-tl時刻，第一場效應管和第三場效應管導通，第二場效應管和第四場效應 管關斷，ici從零開始正向增大，iQl從零開始正向增大，iN2和iQ3正向減小。km正向增大，當iN2 和iQ3減小至0時，該階段結束，其中iQ為第一電容電流值，為第一場效應管電流值，iN2變 壓器二次側電流值，iQ3第三場效應管電流值，變壓器磁化電感電流值； 第二階段tl-t2時刻，第一場效應管和第三場效應管繼續保持導通，第二場效應管和第 四場效應管繼續保持關斷，ici繼續正向增大，iQl繼續正向增大，iN2和iQ3反向增大，iLm繼續 正向增大，當第一場效應管和第三場效應管關斷時，該階段結束， 第三階段t2-t3時刻，第一場效應管和第三場效應管關斷，第二場效應管和第四場效應 管繼續保持關斷。ici通過第二場效應管中的二極管續流，開始正向減小，iQ2開始反向減小， iN2通過Q3中的二極管續流，繼續反方向增大。當開關管Q2和Q4開通時，該階段結束，其中iQ2 為第二場效應管電流值； 第四階段t3-t4時刻，第一場效應管和第三場效應管關斷，第二場效應管和第四場效應 管導通，由于上一階段，Q2處于二極管續流狀態，故此時Q2是零電壓導通。續正向減小， iQ2繼續反向減小，iN2反向減小，iQ4開始反向增大，km繼續正向減小，當iN2減小至零時，該階 段結束，其中i(M為第四場效應管電流值。 第五階段t4-t5時刻，第一場效應管和第三場效應管繼續保持關斷，第二場效應管和第 四場效應管繼續導通，ici繼續正向減小，iQ2繼續反向減小，iN2正向增大，iQ4反向增大，iu繼 續正向減小。當ici減小至零時，該階段結束； 第六階段t5-t6時刻，第一場效應管和第三場效應管繼續保持關斷，第二場效應管和第 四場效應管繼續導通，ici開始反向增大，iQ2開始正向增大，iN2繼續正向增大，iQ4繼續反向增 大，iu繼續正向減小。當第二場效應管和第四場效應管關斷時，該階段結束， 第七階段t6-t7時刻，第一場效應管和第三場效應管繼續保持關斷，第二場效應管和第 四場效應管關斷，iC1通過第一場效應管中的二極管進行續流，開始反向減小，續正向 增大，iN2通過Q4中的二極管進行續流，繼續正向增大，i Lm開始正向增大。當第一場效應管和 第三場效應管導通時，該階段結束， 第八階段t7-t0時刻，第一場效應管和第三場效應管導通，第二場效應管和第四場效應 管關斷，由于上一階段，第一場效應管處于二極管續流階段，故此時第一場效應管是零電壓 導通，ici繼續反向減小，iQi繼續反向減小，iN2正向減小，iQ3反向減小，iLm正向增大。當ici反 向減少至零時，該階段結束。5.根據權利要求3所述的隔離型雙向升降壓變換器工作方法，其特征在于，所述S2中升 壓模式包括： 第一階段to-tl時刻，第一場效應管和第三場效應管導通，第二場效應管和第四場效應 管關斷，ici正向減小，iQi正向減小，iN2正向增大，同時iQ3正向增大，反向增大，當ici減小 至0時，i Q3減小至0，該階段結束； 第二階段tl_t2時刻，第一場效應管和第三場效應管繼續保持導通，第二場效應管和第 四場效應管繼續保持關斷。ici繼續方向增大，iw繼續正向增大，iN2繼續反向增大，iQ3繼續反 向增大，繼續正向增大，當第一場效應管和第三場效應管關斷時，該階段結束； 第三階段t2-t3時刻，第一場效應管和第三場效應管關斷，第二場效應管和第四場效應 管繼續保持關斷。iC1通過第一場效應管中的二極管續流，繼續反向增大，1(^繼續反向增大， iN2中的二極管續流，開始正向減小，iQ4開始反向減小，當第二場效應管和第四場效應管開 通時，該階段結束； 第四階段t3-t4時刻，第一場效應管和第三場效應管關斷，第二場效應管和第四場效應 管導通，由于上一階段，第四場效應管處于二極管續流狀態，故此時第四場效應管是零電壓 導通，ici開始反向減小，iQ2開始正向減小，iN2繼續正向減小，iQ4繼續反向減小，iLm開始反向 減小。當iN2反向減小至零時，該階段結束。 第五階段t4-t5時刻，第一場效應管和第三場效應管繼續保持關斷，第二場效應管和第 四場效應管繼續導通，ici繼續反向減小，iQ2繼續正向減小，iN2開始反向增大，iQ4開始正向增 大，iLm繼續反向減小，當ici反向減小至零時，該階段結束； 第六階段t5-t6時刻，第一場效應管和第三場效應管繼續保持關斷，第二場效應管和第 四場效應管繼續導通，ici開始正向增大，iQ2開始正向增大，iN2繼續反向增大，iQ4繼續正向增 大，iu繼續反向減小，當第二場效應管和第四場效應管關斷時，該階段結束， 第七階段t6-t7時刻，第一場效應管和第三場效應管繼續保持關斷，第二場效應管和第 四場效應管關斷，icl通過第二場效應管中的二極管進行續流，繼續正向增大，iQ2繼續反向 增大，iN通過第三場效應管中的二極管進行續流，開始反向減小，iQ3開始反向減小，iLm繼續 反向減小，當第一場效應管和第三場效應管導通時，該階段結束； 第八階段t7-t0時刻，第一場效應管和第三場效應管導通，第二場效應管和第四場效應 管關斷，由于上一階段，第三場效應管處于二極管續流階段，故此時第三場效應管是零電壓 導通，ici開始正向減小，iQl開始正向減小，iN2繼續反向減小，iQ3繼續反向減小，iLm開始反向 增大，當iN2反向減少至零時，該階段結束。6. 根據權利要求3所述的隔離型雙向升降壓變換器工作方法，其特征在于，所述降壓模 式下電壓變比： 為了簡化分析，作如下假設： 第一電容和第二電容足夠大，使得第一電容電壓VQ和第二電容電壓VC2是常值； 忽略變壓器漏感Lk; 驅動信號中第一場效應管和第三場效應管的控制信號Vgl,3以及第二場效應管和第四場 效應管控制信號Vg2,4間的死區忽略不計； 根據降壓模式第四階段得到， VC1 = VLm=NXVL，其中，VC1為第一電容電壓值、VLm為變壓器磁化電感電壓值、N為變壓器 匝比、VL為低壓側電壓值； 為了使電路能夠穩定工作，磁化電感Lm在一個周期內，必須滿足伏秒平衡原理;故有以 下關系； (乂11-￥。1)\0\丁 = ￥。1\(1-0)\1'，其中￥11為高壓側電壓值1為低壓側電壓值，￥。1為第 一電容電壓值，D為HVM控制信號占空比，為了避免橋臂直通，D必須小于0.5，T為ΠΜ控制信 號時間周期， 得到，7. 根據權利要求3所述的隔離型雙向升降壓變換器工作方法，其特征在于，所述升壓模 式下電壓變比： 為了簡化分析，作如下假設： 第一電容和第二電容足夠大，使得第一電容電壓VC1和第二電容電壓VC2是常值； 忽略變壓器漏感Lk; 驅動信號中第一場效應管和第三場效應管的控制信號Vgl,3以及第二場效應管和第四場 效應管控制信號Vg2,4間的死區忽略不計； 根據升壓模式第二階段得到， VH = VLm+Vci， 根據升壓模式第四階段得到 Vci = NXVl, 為了使電路能夠穩定工作，磁化電感Lm在一個周期內，必須滿足伏秒平衡原理，故有以 下關系，其中VC2為第二電容電壓值；根據升壓模式第二階段得到 VLm=(Vc2-VL)XN 將J$入得到：, 由式 Vh = Vu+Vci，Vci = NXVl[得到8.根據權利要求3所述的隔離型雙向升降壓變換器工作方法，其特征在于，所述S3包 括： 由電路工作原理圖易知，第一場效應管和第二場效應管承受最大的電壓值 Π13-Χ VqI - Π13-Χ Vq2 - Vh ? 第三場效應管和第四場效應管承受的最大電壓值
【文檔編號】H02M3/335GK105958829SQ201610356632
【公開日】2016年9月21日
【申請日】2016年5月25日
【發明人】凌睿, 嚴小東, 胡青, 唐丹, 王理智, 余大俠, 黃雪莉, 楊常浩, 劉輝
【申請人】重慶大學