[发明专利]单级双向隔离AC-DC变换器

说明书

技术领域

本发明涉及电力电子领域，特别涉及一种适用于V2G和电网—蓄电池储能等系统中的AC-DC变换器。

背景技术

为了应对资源短缺和环境污染对电力系统发展提出的严峻挑战，智能电网技术得到了各国电力行业的广泛关注。与此同时，电动汽车作为一种绿色交通工具已成为汽车工业发展的必然趋势。总体来说，大规模电动汽车接入电网，一方面从负荷增长、系统稳定性等方面给电力系统带来了挑战；另一方面，从电能消费占终端能源消费比重、提高电网设备利用率等方面给电力系统带来了新的机遇。除具有负荷特性外，电动汽车可以作为分布式储能装置为电力系统提供服务，从而提高发电效率，提高电力传输的可靠性，提高可再生能源发电接入能力，这就是近年来得到广泛关注的V2G(vehicle-to-grid)的概念。作为电动汽车与电网能量交互的接口，充放电机是实现移动储能功能的基础，其可靠性、安全性、经济性，以及效率、重量、体积、谐波等诸多因素都影响良好互动的实现。

单相隔离AC-DC变换器广泛应用于电动汽车/混合电动汽车充电和不间断电源(uninterruptible power supply，UPS)等系统中，其中像V2G或者蓄电池储能等这些应用场合需要双向功率流动，这时就需要双向的单相隔离AC-DC变换器。

传统的解决方法是一级Boost功率因数校正(power factor correction，PFC)电路级联一级高频隔离DC-DC变换器，比如双半桥(dual half bridge，DHB)，双有源桥(dual active bridge，DAB)或直流谐振变换器。单相交流电源的功率需要被变换两次才能到输出端口，功率损耗较大，变换器的体积也较大，不利于变换器的高效率、高功率密度等性能的实现。

发明内容

为了克服现有技术中存在的上述问题，本发明提出了三种功率损耗小、开关损耗小、并能实现能量双向流动的单级双向隔离AC-DC变换器。

为实现上述目的，本发明采取以下技术方案：

第一种单级双向隔离AC-DC变换器，包括原边单相交流电源u_in、副边直流电源V_o、第一工频功率开关管S_m1、第二工频功率开关管S_m2、第一原边功率开关管S_p1、第二原边功率开关管S_p2、第三原边功率开关管S_p3、第四原边功率开关管S_p4、第一副边功率开关管S_s1、第二副边功率开关管S_s2、第三副边功率开关管S_s3、第四副边功率开关管S_s4、第一Boost电感L_b1、第二Boost电感L_b2、母线电容C_bus、高频两绕组变压器T、移相电感L_r和输出电容C_o；

其中，移相电感L_r包含高频两绕组变压器T的漏感；第一工频功率开关管S_m1的源极与第二工频功率开关管S_m2的漏极相连，组成一个原边工频桥臂；第一原边功率开关管S_p1的源极与第二原边功率开关管S_p2的漏极相连，组成原边超前高频桥臂，桥臂中点为b点；第三原边功率开关管S_p3的源极与第四原边功率开关管S_p4的漏极相连，组成原边滞后高频桥臂，桥臂中点为a点；原边工频桥臂、原边超前高频桥臂、原边滞后高频桥臂和母线电容C_bus并联连接；第一Boost电感L_b1的一端连接到原边滞后高频桥臂的a点，第二Boost电感L_b2的一端连接到原边超前高频桥臂的b点，第一Boost电感L_b1的另一端与第二Boost电感L_b2的另一端一起连接到原边单相交流电源u_in的一端，原边单相交流电源u_in的另一端连接到第一工频开关管S_m1的源极；移相电感L_r的一端连接到原边滞后高频桥臂的a点，另一端与高频两绕组变压器T原边绕组的同名端相连接；高频两绕组变压器T原边绕组的非同名端连接到原边超前高频桥臂的b点；