[发明专利]一种双向隔离直流-直流变换器

说明书

技术领域

本发明属于电力电子应用技术领域，涉及到一种双向隔离直流-直流变换器。

背景技术

直流变换器是将直流电转化为另一种形式的直流电的装置。直流变换器应用非常广泛，手机充电器、计算机电源、家用电器、电力系统、新能源发电、电动汽车等等领域都有直流变换器的存在。通常直流-直流变换器都是单向工作的，主要原因是因为功率开关(晶闸管SCR，绝缘栅双极型晶体管IGBT、金属氧化物半导体场效应晶体管MOS等)均为单向工作器件，并且主功率回路上一般都有单向工作的二极管，所以能量只能单向流动。然而，随着时代的进步和科技的发展，在电池活化、储能电站、电动汽车、太阳能发电系统、航空电源等领域双向直流-直流变换器获得了越来越广泛的应用，随着新能源发电、新能源汽车等领域的进一步发展和能源危机的进一步加剧，双向直流-直流变换器的研究正在进入新的阶段。

最简单的双向直流-直流变换器就是将两个单向直流-直流变换器反相并联起来，但是这种方案所需的成本太高，所以大家更倾向于采用单机双向直流-直流变换器。

很多应用场合要求直流-直流变换器的输入输出电气隔离，引用百度百科的一段话：“所谓电气隔离，就是将电源与用电回路作电气上的隔离，即将用电的分支电路与整个电气系统隔离，使之成为一个在电气上被隔离的、独立的不接地安全系统，以防止在裸露导体故障带电情况下发生间接触电危险。要实行电气隔离，必须满足以下条件：(1)每一分支电路使用一台隔离变压器，这种变压器的耐压试验电压，比普通变压器高，应符合Ⅱ级电工产品(双重绝缘或加强绝缘)的要求，也可使用与隔离变压器的绝缘性能相等的绕制；(2)所谓电气隔离，就是使两个电路之间没有电气上的直接联系，即两个电路之间是相互绝缘的，同时还要保证两个电路维持能量传输的关系。”

非隔离的直流变换器已经非常成熟，一个方向升压一个方向降压的BUCK/BOOST一体的非隔离直流-直流变换器构造简单，性能稳定，已经被广泛地应用到工业电源之中。

隔离的直流变换器业内尚无成熟的典型设计。理论上讲，只要将任何一种单方向的直流-直流变换器拓扑中的单向器件换成可控的双向器件即得到对应的双向拓扑，尽管大多需要付出性能、成本等方面的代价，但这样简单置换的方法一般无法用于软开关变换器。

在数百伏电压以上的场合，传统的硬开关变换器在效率/可靠性/电磁兼容多个方面都不能胜任，必须要采用软开关变换器。单向的软开关变换器主要以辅助开关、有源箝位、无损吸收、谐振/准谐振等多种方式实现，这些方式各有利弊和其所适用的应用场合，不再一一赘述。近年来流行的调频控制的谐振式LLC拓扑可以说是在电压等级数百伏、功率几百瓦到十几千瓦条件下最适合的拓扑。通合电子专利号为01135317.1的发明专利“谐振电压控制型功率变换器”正是此拓扑的成功应用之一。

简单的器件置换是无法实现双向软开关变换器的。据我们所了解，双向都能实现软开关的技术，只有华北电力大学于2011年申报的申请号为201110140067.1名称为一种对称半桥LLC谐振式双向直流-直流变换器的发明专利，其电路原理图如图1所示。据我们的仿真和实验分析，在两边的直流源都为固定电压时，通过设计合适的网络参数，可实现双向变换时的全程软开关。但是由于此拓扑中的二极管直接并联在谐振电容(C11、C12、C21、C22)，使谐振电压被箝位至电源电压，这在短路保护等极限条件下会带来好处，但是弊端也很明显，即同等硬件条件下输出能力严重不足。由于两个方向传输时都是如此，因此实际上无论哪一个方向，其电压增益都是降低的。举个简单的例子，若Vdc1＝200V，变压器匝比为1：1，由于是半桥电路的关系，实际上输出电压最高只能到100V左右，即Vdc2最高只能等于100V，可是反相传输的时候，由于Vdc2＝100V，变压器匝比同样为1：1，再加上半桥的因素，Vdc1就只能等于50V了。当然，以上只是定性的分析，实际上由于LLC谐振网络的作用，两侧的电压不至于不能平衡，但是输出能力的严重下降则是必然现象，同样规格的磁性元件、谐振电容和开关管，在普通单向LLC的情况下输出能力如果有10KW的话，则在这种谐振电压被双向箝位的条件下，实际功率连三分之一都达不到，如果两侧的直流电压不是固定值而是一个变化范围的话，则恐怕连五分之一都有困难了。因此在宽范围、大功率的应用中，此方案所实现的双向变换器虽然在电路原理、软开关等方面取得了优势，但是成本和体积上恐怕还未必能比得上两台背靠背的单向变换器。