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申请/专利权人：南京邮电大学

摘要：本发明涉及一种ZVZCS全桥三端口变换器及其控制方法，属于电力电子变换器的技术领域。该变换器由变压器、原边电路、副边电路组成，通过调节原边电路四个功率开关管的占空比，能够同时实现变换器三个端口的功率管理与控制。本发明通过将非隔离型的buck‑boost变换器与隔离型的全桥变换器集成到一起，实现了原边开关管的复用，减少了开关管的数量，功率密度得到提高；同时在全桥变换器滞后桥臂串联两个二极管，超前桥臂开关管并联一个寄生二极管和结电容，使得超前桥臂开关管实现零电压开通，滞后桥臂实现零电流关断，四个开关管均能实现软开关，减小开关损耗，从而实现功率变换器件的高频化。本发明适用于新能源发电、储能以及电动汽车供电等系统中。

主权项：1.一种ZVZCS全桥三端口变换器，由原边电路、副边电路和变压器构成；所述变压器包括原边绕组和副边绕组；其特征在于：所述原边电路包括蓄电池、输入源、第一电感、隔直电容、漏电感、第一至第四开关管、第一至第四二极管、第一电容、第二电容；其中，第一开关管、第二开关管、第三开关管和第四开关管构成全桥单元，第一开关管的源极与第二开关管的漏极连接，构成全桥单元的前桥臂，第三开关管的源极与第四开关管的漏极连接，构成全桥单元的后桥臂，前、后两个桥臂并联连接；第一二极管与第一电容、第一开关管并联连接；第二二极管与第二电容、第二开关管并联连接；所述输入源的正极连接所述第一电感的一端，所述第一电感的另一端与前桥臂公共端连接，所述前桥臂公共端与所述隔直电容的一端连接，所述隔直电容的另一端连接漏电感的一端,所述漏电感的另一端连接所述原边绕组同名端；所述原边绕组非同名端与第三开关管的源极连接；所述输入源的负极与蓄电池的负极并联连接后，分别连接所述第二开关管的源极和第四开关管的源极，所述蓄电池的正极分别连接所述第一开关管的漏极和第三二极管的阳极，第三二极管的阴极连接第三开关管的漏极，第三开关管的源极连接第四二极管的阳极，第四二极管的阴极连接第四开关管的漏极；所述副边电路包括第一输出整流二极管、第二输出整流二极管、第三输出整流二极管、第四输出整流二极管、输出电感、输出电容、输出电阻；第一输出整流二极管的阳极与第二输出整流二极管的阴极连接，第三输出整流二极管的阳极与第四输出整流二极管的阴极连接，第一输出整流二极管的阴极与第三输出整流二极管的阴极连接，第二输出整流二极管的阳极与第四输出整流二极管的阳极连接，输出电容及输出电阻并联连接，输出电容的正极连接到输出电感的一端，负极分别连接第二输出整流二极管的阳极、第四输出整流二极管的阳极；所述输出电感的另一端分别连接第一输出整流二极管的阴极、第三输出整流二极管的阴极；所述副边绕组同名端与第一输出整流二极管的阳极连接；所述副边绕组非同名端与第三输出整流二极管的阳极连接。

全文数据：一种ZVZCS全桥三端口变换器及其控制方法技术领域[0001]本发明涉及电力电子变换器的技术领域，特别是一种ZVZCS全桥三端口变换器及其控制方法，主要应用于新能源发电、储能以及电动汽车供电系统中。背景技术[0002]地球资源的日渐枯竭以及人们对环境问题的广泛关注使得新能源发电系统越来越重要。目前，光伏发电和风力发电是可再生能源发电形式中应用较多的两种，但是，新能源发电设备存在以下一些固有的缺陷：发电设备输出功率受环境条件影响，输出功率随机变化且不连续、不稳定，因此新能源发电设备无法独立、稳定、可靠的向输出电阻供电。为此，一般需要将多种新能源和其它能源以及储能装置结合在一起组成可再生能源联合供电系统，利用它们之间的互补性获得较为稳定的、连续的电能，例如光伏-蓄电池联合供电系统就是一种很好的选择，由于蓄电池单元的加入，不仅可以提高系统的稳定性，还可以实现能量的高效利用。[OGG3]为了使多个输入电源联合给输出电阻供电，需要用变换器作为接口，连接发电单元、储能单元和输出电阻端口。在新能源供电系统中，由于需要同时对新能源发电设备的输出功率、蓄电池等储能装置的充放电控制功率以及供电输出电阻功率同时进行管理和控制，通常需要采用多个两端口变换器组合构成功率管理与控制系统，然而由于变换器数目多、各个变换器分时工作，系统功率密度低、体积重量大、成本高，且由于各个变换器彼此分散控制且各自独立工作，有损系统稳态和动态性能。这种结构的变换器含较多的功率变换单元，结构复杂;而且每增加一个端口就增加一个功率变换器单元，系统成本较高;并且，随着变换器和控制电路数量的增加，系统的可靠性降低。[0004]根据前述内容可知，在DC-DC变换器中，可以用三端口DC-DC变换器代替原有的多个二端口DC-DC变换器，实现变换器拓扑和功能的合并，组成新型的新能源分布式发电系统。但是，从现有三端口拓扑来看也有一些缺点，例如存在开关管数量较多、开关管损耗增大、变压器绕组结构复杂等问题，针对传统结构的弊端，非常有必要提出结构更简洁、具有高效率和高功率密度的新型三端口电路拓扑。发明内容[0005]针对上述背景技术的不足问题，结合电路元件复用和软开关的优点，本发明的目的是提供一种ZVZCS全桥三端口变换器及其控制方法。[0006]为了解决上述存在的技术问题，本发明是通过以下技术方案实现的：一种ZVZCS全桥三端口变换器，该变换器是由原边电路、副边电路和变压器构成;所述变压器包括原边绕组和副边绕组;所述原边电路包括蓄电池、输入源、第一•电感、隔直电容、漏电感、第一至第四开关管、第一至第四二极管、第一电容、第二电容;其中，第一开关管、第二开关管、第三开关管和第四开关管构成全桥单元，第一开关管的源极与第二开关管的漏极连接，构成全桥单元的前桥臂，第三开关管的源极与第四开关管的漏极连接，构成全桥单元的后桥臂，前后两个桥臂并联连接;第一二极管与第一电容、第一开关管并联连接;第二二极管与第二电容、第二开关管并联连接；所述输入源的正极连接所述第一电感的一端，所述第一电感的另一端与前桥臂公共端连接，所述前桥臂公共端与所述隔直电容的一端连接，所述隔直电容的另一端连接漏电感的一端，所述漏电感的另一端连接所述原边绕组同名端;所述原边绕组非同名端与第三开关管的源极连接；所述输入源的负极与蓄电池的负极并联连接后，分别连接所述第二开关管的源极和第四开关管的源极，所述蓄电池的正极分别连接所述第一开关管的漏极和第三二极管的阳极，第三二极管的阴极连接第三开关管的漏极，第三开关管的源极连接第四二极管的阳极，第四二极管的阴极连接第四开关管的漏极；所述副边电路包括第一输出整流二极管、第二输出整流二极管、第三输出整流二极管、第四输出整流二极管、输出电感、输出电容、输出电阻;第一输出整流二极管的阳极与第二输出整流二极管的阴极连接，第三输出整流二极管的阳极与第四输出整流二极管的阴极连接，第一输出整流二极管的阴极与第三输出整流二极管阴极连接，第二输出整流二极管的阳极与第四输出整流二极管阳极连接，输出电容及输出电阻并联连接，输出电容的正极连接到输出电感的一端，负极分别连接第二输出整流二极管的阳极、第四输出整流二极管的阳极;所述输出电感的另一端分别连接第一输出整流二极管的阴极、第三输出整流二极管的阴极；所述副边绕组同名端与第一输出整流二极管的阳极连接;所述副边绕组非同名端与第三输出整流二极管的阳极连接。[0007]本发明所述zvzcs全桥三端口变换器的控制方法，其内容如下:设所述第一开关管的占空比为Di，则所述第二开关管的占空比为1-D1;设所述第三开关管的占空比为D2,则所述第四开关管的占空比为i-d2,所述第二开关管的开通时刻超前于所述第三开关管的时间小于半个周期，所述第一开关管的开通时刻超前于所述第四开关管的时间小于半个周期;调节原边电路四个功率开关管的占空比，能够实现变换器三个端口的功率管理与控制，改变所述第二开关管和所述第三开关管开通时刻之间的差值控制输出端口电压，使变换器实现软开关功能。[0008]本发明所述zvzcs全桥三端口变换器的控制方法，所述第一至第四开关管具有相同的开关频率。[0009]本发明所述zvzcs全桥三端口变换器的控制方法，所述第一开关管与所述第二开关管互补导通，所述第三开关管与所述第四开关管互补导通。[0010]本发明的特点和技术效果：1通过将一个buck-boost电路和全桥电路集成在一起，构成了三端口DC-DC变换器，实现了开关管的复用，减少了开关管的数量，提高了变换器的功率密度；⑵输出电阻R。与输入源Uin及蓄电池Ub电气隔离，可以适应不同输出电阻及应用场合的应用需求；3输入源1及蓄电池Ub可以采用同时向输出电阻R。供电，还可以采用蓄电池独立向输出电阻R。供电，因此，能有效地保证了连续、平稳、可靠的向输出电阻R。供电；4整个变换器成为一个整体，采用集中控制，实现更加有效的管理；本发明采用的开关器件数量少，超前桥臂实现零电压关断，滞后桥臂实现零电流关断，并且控制简单、可靠性高、成本低，且适用于新能源发电系统和储能系统中。附图说明[0011]图1为本发明zvzcs全桥三端口变换器主电路结构示意图。[0012]图2为本发明ZVZCS全桥三端口变换器驱动信号和主要波形图。[0013]图3a至图3e分别为本发明ZVZCS全桥三端口变换器的各阶段等效电路图。[0014]图4为本发明ZVZCS全桥三端口变换器在光伏输入源一蓄电池联合供电系统中，三种模式的工作状态图。[0015]图中标号含义:T是变压器，Ub是蓄电池，uin是输入源，Si〜S4是第一至第四开关管，Li是第一电感，L。是输出电感，Lk是漏电感，a是第一电容，C2是第二电容，cb是隔直电容，C。是滤波电容，Di〜D4是第一至第四整流二极管，Dd-Dd是第一至第四输出整流二极管，Uo是输出电压，NP是原边绕组，Ns是副边绕组，R。是输出电阻，iu是第一电感的电流，iP是原边绕组的电流，iLQ是输出电感的电流，1^1、1^2、％33、1^4分别是第一至第四开关管31〜34的驱动电压，UAB是桥臂公共点A和B两点间的电压。具体实施方式[0016]下面结合附图对本发明的技术方案做进一步的详细说明：如图1所示，本发明由原边电路、副边电路和变压器构成，所述变压器包括原边绕组和副边绕组；所述原边电路包括蓄电池ub、输入源uin、第一电感U、隔直电容Cb、漏电感U、第一至第四开关管Si〜S4、第一至第四二极管Di〜D4、第一电容、第二电容C2;其中，第一开关管Su第二开关管S2、第三开关管S3和第四开关管S4构成全桥单元，第一开关管源极与第二开关管S2的漏极连接，构成全桥单元的前桥臂，第三开关管的源极与第四开关管S4的漏极连接，构成全桥单元的后桥臂，前后两个桥臂并联连接;第一二极管以与第一电容、第一开关管并联连接;第二二极管D2与第二电容C2、第二开关管S2并联连接；所述输入源Uin的正极连接所述第一电感Li的一端，所述第一电感!^的另一端与前桥臂公共端连接，所述前桥臂公共端与所述隔直电容Cb的一端连接，所述隔直电容Cb的另一端连接漏电感Lk的一端，所述漏电感Lk另一端连接所述原边绕组同名端;所述原边绕组非同名端与第三开关管S3的源极连接；所述输入源Uin的负极与蓄电池Ub的负极并联连接后，分别连接所述第二开关管的源极和第四开关管S4的源极，所述蓄电池Ub的正极分别连接所述第一开关管的漏极和第三二极管D3的阳极，第三二极管D3的阴极连接第三开关管S3的漏极，第三开关管S3的源极连接第四二极管D4的阳极，第四二极管D4的阴极连接第四开关管S4的漏极；所述副边电路包括第一输出整流二极管〇。1、第二输出整流二极管D。2、第三输出整流二极管Dm、第四输出整流二极管〇。4、输出电感L。、输出电容C。、输出电阻R。;第一输出整流二极管^勺阳极与第二输出整流二极管D。2的阴极连接，第三输出整流二极管D。3的阳极与第四输出整流二极管D。4的阴极连接，第一输出整流二极管D。1的阴极与第三输出整流二极管D。3阴极连接，第二输出整流二极管D。2的阳极与第四输出整流二极管D。4阳极连接，输出电容C。及输出电阻R。并联连接，输出电容c。的正极连接到输出电感1。的一端，负极分别连接第二输出整流二极管D〇2的阳极、第四输出整流二极管D。4的阳极;所述输出电感L。的另一端分别连接第一输出整流二极管D。:的阴极、第三输出整流二极管D。3的阴极；所述副边绕组同名端与第一输出整流二极管D。1的阳极连接;所述副边绕组非同名端与第三输出整流二极管D〇3的阳极连接。[0017]本发明所述ZVZCS全桥三端口变换器的控制方法，其内容如下:设所述第一开关管Si的占空比为Di，则所述第二开关管S2的占空比为1-Di;设所述第三开关管S3的占空比为D2，则所述第四开关管S4的占空比为1-D2，所述第二开关管S2的开通时刻超前于所述第三开关管S3的时间小于半个周期，所述第一开关管Si的开通时刻超前于所述第四开关管S4的时间小于半个周期;调节原边电路四个功率开关管Sl〜^的占空比，能够实现变换器三个端口的功率管理与控制，改变所述第二开关管32和所述第三开关管S3开通时刻之间的差值控制输出端口电压Uo，使变换器实现软开关功能。[0018]本发明所述ZVZCS全桥三端口变换器的控制方法，所述第一至第四开关管Si〜S4具有相同的开关频率。[0019]本发明所述ZVZCS全桥三端口变换器的控制方法，所述第一开关管S：L与所述第二开关管互补导通，所述第三开关管S3与所述第四个开关管S4互补导通。[0020]下面结合图2,图3a至图3e，以及图4对本发明的ZVZCS全桥三端口变换器的具体工作过程具体分析。[0021]如图4所示，本发明对输出电阻R。有三种供电模式：1、如图4中的（a，单输入单输出模式，蓄电池Ub单独向输出电阻R。供电。2、如图4中的⑹，双输出模式，输入源Uin和蓄电池Ub同时向输出电阻R。供电，此时，蓄电池Ub作为系统功率平衡设备，用于储存输入源Ui4俞入的多余功率、补充输出电阻R。所需的不足功率，以保证系统连续、平稳、可靠的向输出电阻R。供电；3、如图4中的（c，双输入模式，输入源1^和蓄电池Ub同时向输出电阻R。供电，输入源Uin没有多余功率储存于蓄电池Ub中。[0022]下面通过一个具体实施例对本发明的工作原理做进一步说明。[0023]假设该变换器的开关频率为l〇〇kHz，变压器T的原边绕组Np、副边绕组Ns的匝数比满足Np:Ns=1:n，n为正数；同时假设滤波电容C。和隔直电容Cb足够大，输出电阻R。两端的电压即为输出电压U。，隔直电容Cb两端电压为Ucb，所有开关管、二极管、电感、电容都为理想器件，隔直电容Cb足够大。则以图4中的⑹所示供电模式，双输出模式即输入源Uin和蓄电池Ub同时向输出电阻R。供电时的情况为例。[0024]如图2所示，由于本发明的ZVZCS全桥三端口变换器在一个开关周期内共有八种可能的工作模态，由于移相控制的对称性，在此分析了前四个工作模态，本发明在每一种工作模态下的工作原理如下：模态0:_如图3a所示:在to时刻，开关Sl、s4导通，开关s2、s3关断。原、副边电流回路如图3⑸所示，其中电感u开始放电，两端的电压UL1=Uin_Ub;原边电流给隔直电容Cb充电。滤波电感电流iL。线性增大，此模态结束。[0025]模态1:如图3⑹所示，模态1tQ，tl:在。时刻，开关s2、S4导通，开关Si、S3关断。当开关管关闭，开关管S2未开通时，电容Cl在充电，电容C2在放电;此时开关S2、S4导通，A、B两点间的电压Uab等于零，开关管31零电压关断，开关-S2零电压开通。电感U充电，两端的电压Uu=Uin。此时原边绕组上的电流iP开始减小，变压器副边四个整流二极管同时导通，滤波电感L〇电流线性减小，此模态结束。[0026]模态2:如图3c所示，模态211，1:2:在1:1时刻，开关82、34导通，开关31、53关断。电感11充电，两端的电压1^=出„;原边电流iP减小到零，应用于变压器原边绕组的隔直电容的电压为UCb，变压器的原边绕组电压Up=UCb。副边四个整流二极管同时导通，滤波电感Lo电流线性减小，此模态结束。[0027]模态3:如图3d所示，模态3t2，t3:在t2时亥lj，开关S2、S3导通，开关Si、S4关断。在模态2时，原边电流ip己经减小为零，此时S4中并没有电流流过，因此S4是零电流关断。在很小的延时后，开通S3,由于漏感的存在，iP不能突变，所以S3是零电流开通。由于iP不足以提供输出电阻R。的电流，副边四个整流二极管依然同时导通，原副边绕组电压为零。此时漏感两端电压为Uin+UCb，原边电流ip开始反方向线性增加，电感续充电，两端的电压ULi=Uin。变压器副边滤波电感L。电流依然线性减小，此模态结束，此模态结束。[0028]模态4:如图3e所示，模态4t3，t4:在t3时亥I」，开关S2、S3导通，开关Si、S4关断。原边为输出电阻R。提供能量，同时给隔直电容反方向充电。由于副边输出整流二极管DadPDd承受反向偏压，所以D〇l和D。4自然关断。电感Ll继续充电，两端的电压ULl=Uin。滤波电感电流iL。完全流通二极管D〇2和队3,此时变压器副边电感u的电流iL。开始线性增加，此模态结束。[0029]隔直电容上的电压为下一次开关管S3的零电流关断和开关管S4零电流开通做准备。在t4时刻，关断开关管S2,开始另一半个周期t4，t8，其工作情况类似于上面描述的t〇，t4〇[0030]根据上述分析可知，通过将非隔离型的buck-boost变换器与隔离型的全桥变换器集成到一起，实现了原边开关管的复用，减少了开关管的数量，降低了成本。第一开关管Si和第二开关管S2能实现零电压开通和关断，第三开关管和第四开关管s4能实现零电流开通和关断，四个开关管都能实现软开关，减少开关损耗，提高了变换器功率密度和可靠性。本发明所述ZVZCS全桥三端口变换器通过调节原边电路四个功率开关管的占空比，能够同时实现变换器三个端口的功率管理与控制。[0031]进一步的，假设开关周期为Ts，将第二开关管S2的开通时刻定义为一个开关周期的起始时刻。当蓄电池电压Ub认为恒定，调节第二个开关管S2的占空比可以实现输入源uin输入电压的控制。对于输入源为新能源发电设备的应用场合，通过控制输入源的输入电压就能够控制其功率，进而可以实现对蓄电池ub充放电功率的控制。输出电压Uo则可以进一步通过调节第二开关管S2与第三开关管S3开通时刻的时间间隔进一步实现调节，综上控制方法来看，本发明的ZVZCS全桥三端口变换器能够同时实现输入源、蓄电池和输出电阻的功率管理与控制。[0032]以上所述的具体实施方案，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步的详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施方案而已，并非用以限定本发明的范围，任何本领域的技术人员，在不脱离本发明的构思和原则的前提下所做出的等同变化与修改，均应属于本发明保护的范围。

权利要求：1.一种ZVZCS全桥三端口变换器，由原边电路、副边电路和变压器构成；所述变压器包括原边绕组和副边绕组;其特征在于：所述原边电路包括蓄电池、输入源、第一电感、隔直电容、漏电感、第一至第四开关管、第一至第四二极管、第一电容、第二电容;其中，第一开关管、第二开关管、第三开关管和第四开关管构成全桥单元，第一开关管的源极与第二开关管的漏极连接，构成全桥单元的前桥臂，第三开关管的源极与第四开关管的漏极连接，构成全桥单元的后桥臂，前、后两个桥臂并联连接;第一二极管与第一电容、第一开关管并联连接;第二二极管与第二电容、第二开关管并联连接；所述输入源的正极连接所述第一电感的一端，所述第一电感的另一端与前桥臂公共端连接，所述前桥臂公共端与所述隔直电容的一端连接，所述隔直电容的另一端连接漏电感的一端，所述漏电感的另一端连接所述原边绕组同名端;所述原边绕组非同名端与第三开关管的源极连接；所述输入源的负极与蓄电池的负极并联连接后，分别连接所述第二开关管的源极和第四开关管的源极，所述蓄电池的正极分别连接所述第一开关管的漏极和第三二极管的阳极，第三二极管的阴极连接第三开关管的漏极，第三开关管的源极连接第四二极管的阳极，第四二极管的阴极连接第四开关管的漏极；所述副边电路包括第一输出整流二极管、第二输出整流二极管、第三输出整流二极管、第四输出整流二极管、输出电感、输出电容、输出电阻;第一输出整流二极管的阳极与第二输出整流二极管的阴极连接，第三输出整流二极管的阳极与第四输出整流二极管的阴极连接，第一输出整流二极管的阴极与第三输出整流二极管的阴极连接，第二输出整流二极管的阳极与第四输出整流二极管的阳极连接，输出电容及输出电阻并联连接，输出电容的正极连接到输出电感的一端，负极分别连接第二输出整流二极管的阳极、第四输出整流二极管的阳极;所述输出电感的另一端分别连接第一输出整流二极管的阴极、第三输出整流二极管的阴极；所述副边绕组同名端与第一输出整流二极管的阳极连接;所述副边绕组非同名端与第三输出整流二极管的阳极连接。2.基于权利要求1所述ZVZCS全桥三端口变换器的控制方法，其特征在于:设所述第一开关管的占空比为Di，则所述第二开关管的占空比为1-〇1;设所述第三开关管的占空比为D2,则所述第四开关管的占空比为1-D2,所述第二开关管的开通时刻超前于所述第三开关管的时间小于半个周期，所述第一开关管的开通时刻超前于所述第四开关管的时间小于半个周期;调节原边电路四个功率开关管的占空比，能够实现变换器三个端口的功率管理与控制，改变所述第二开关管和所述第三开关管开通时刻之间的差值控制输出端口电压，使变换器实现软开关功能。3.根据权利要求2所述ZVZCS全桥三端口变换器的控制方法，其特征在于:所述第一至第四开关管具有相同的开关频率。4.根据权利要求2所述ZVZCS全桥三端口变换器的控制方法，其特征在于:所述第一开关管与所述第二开关管互补导通，所述第三开关管与所述第四开关管互补导通。

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