[发明专利]一种基于移向全桥和同步整流的双向直流变换器

说明书

技术领域

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

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

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。

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-Boost、Buck/Boost、Cuk和Sepi-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。

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。

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。

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％。

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

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。