双向单级反激变换器及其控制系统、控制方法

本发明涉及开关电源，尤其涉及一种双向单级反激变换器、一种双向单级反激变换器的控制系统和一种双向单级反激变换器的控制方法。

背景技术：

1、反激变换器是一种常见的开关电源拓扑结构，通常用于低功率应用，如充电器、led驱动器、小型电源适配器等。近年来，针对反激变换器的研究主要集中在以下几个方面：

2、1.高效率和低功率损耗：研究者致力于提高反激变换器的整体效率，并减少功率损耗。通过改进开关管的驱动方式、优化磁性元件的设计、采用先进的控制策略等方法，来实现高效率和低损耗的目标。

3、2.高密度和小型化：随着电子设备的小型化趋势，研究人员在设计反激变换器时也注重提高功率密度和尺寸紧凑性。这包括采用高频开关技术、集成化设计、使用高性能材料等手段，以实现更小体积的高功率密度。

4、3.电磁干扰(emi)和电磁兼容性(emc)：反激变换器在工作时会产生电磁干扰，可能对周围的电子设备造成影响，因此研究人员关注如何减少其辐射和传导干扰，提高其电磁兼容性。通过优化pcb布局、选择合适的滤波器、改进开关管的阻抗匹配等方法来降低emi。

5、4.集成化与智能化：近年来，随着集成电路技术的发展，研究者也在探索如何将反激变换器的控制电路、保护功能等集成到单一芯片中，以提高系统的可靠性和智能化程度。这包括集成开关管、驱动电路、反馈控制等功能。

6、5.新材料和新技术的应用：研究人员也在尝试应用新材料和新技术来改善反激变换器的性能，比如宽禁带半导体器件、磁性材料的优化等，以提高其工作频率、降低损耗、改善温度特性等。

7、双向反激变换器是反激变换器的一种变体，它能够实现在两个方向上的能量传输。与传统的单向反激变换器不同，双向反激变换器能够在输入端和输出端之间实现能量的双向流动，这使得它非常适用于需要电池充放电、能量回馈或其他双向能量交换的应用场景，如电动车充电系统、储能系统、无间断电源(ups)等。

8、现有的dc-ac双向有源反激变换器的拓扑如图1所示，系统工作需要两级完成，即dc-dc和dc-ac，反激电路实现dc-dc，h桥电路实现dc-ac，后级的变换电路开关管数量大，电路体积占比大，功率密度低。

技术实现思路

1、本发明提供一种双向单级反激变换器及其控制系统、控制方法，解决的技术问题在于：现有的dc-ac双向有源变换器需要两级才能实现dc-ac，后级的变换电路开关管数量大，电路体积占比大，功率密度低。

2、为解决以上技术问题，本发明提供双向单级反激变换器，包括原边直流侧和副边交流侧；

3、所述原边直流侧包括直流输入输出电路，顺序串联在直流输入输出电路的正极端和负极端之间的变压器第一原边绕组np1、开关管sp1、变压器第二原边绕组np2、开关管sp2，以及第一原边箝位电路和第二原边箝位电路；所述第一原边箝位电路包括顺序串联在开关管sp1与第一原边绕组np1的公共端和直流输入输出电路的正极端之间的开关管ss1和电容cc1；所述第二原边箝位电路包括顺序串联在开关管sp2与第二原边绕组np2的公共端和直流输入输出电路的正极端之间的开关管ss2和电容cc2；所述直流输入输出电路的负极端接地；

4、所述副边交流侧包括交流输入输出电路，顺序串联在所述交流输入输出电路两端之间的副边绕组ns、开关管sp3和开关管sp4，以及与副边绕组ns并联的副边箝位电路；所述副边箝位电路包括顺序串联的开关管ss3、电容cc3、开关管ss4；

5、电能从原边直流侧流向副边交流侧进行dc-ac变换或从副边直流侧流向原边交流侧进行ac-dc变换，实现双向变换。

6、优选地，若需要进行dc-ac变换，则所述直流输入输出电路为直流源，所述交流输入输出电路为交流负载电路，所述交流负载电路包括交流负载以及与所述交流负载并联的输出电容c1；

7、若需要进行ac-dc变换，则所述交流输入输出电路为交流源，所述直流输入输出电路为直流负载电路，所述直流负载电路包括直流负载以及与所述直流负载并联的输出电容c0。

8、优选地，在能量传输过程中，第一原边绕组np1等效于串联的电感lm1与漏感llk1，第二原边绕组np2等效于串联的电感lm2与漏感llk2，副边绕组ns等效于串联的电感lm3与漏感llk3。

9、优选地，在dc-ac变换时，通过控制八个开关管的通断使得在交流输出的正半周期，该变换器依次处于以下6个模态；

10、t0时刻至t1时刻之间的模态1：在t0时刻，开关管sp1、sp4和ss4导通，其余开关管关断，电感lm1开始充电，开关管sp3的电压应力增加至电容cc3的电压vc3，开关管ss3的体二极管导通，漏感llk3的能量传输至电容cc3中，并钳位至vac+vc3，vac表示副边输出电压；当漏感llk3完全放电后，直到t1时刻开关管ss3的体二极管截止，该状态结束；

11、t1时刻至t2时刻之间的模态2：保持开关管sp1、sp4和ss4导通，其余开关管关断，能量继续流入电感lm1，电感lm1中电流线性增加，直到t2时刻开关管ss3导通，该状态结束；

12、t2时刻至t3时刻之间的模态3：保持开关管sp1、sp4、ss3和ss4导通，其余开关管关断，电容cc3将吸收的漏感能量释放，转移到原边直流侧，直到t3时刻关断开关管sp1和ss3，导通开关sp3，该状态结束；

13、t3时刻至t4时刻之间的模态4：保持开关管sp3、sp4和ss4导通，其余开关管关断，电感lm1开始放电，储存的能量被输送到副边交流侧，开关管sp1电压应力增加至vc1时，开关管ss1的体二极管导通，漏感llk1的能量传输被cc1吸收，开关管ss1的电压应力被钳位到vdc+vc1，vdc表示原边输入电压，直到t4时刻开关管ss1的体二极管截至，该状态结束；

14、t4时刻至t5时刻之间的模态5：保持开关管sp3、sp4和ss4导通，其余开关管关断，电感lm1的能量仍然被输送到副边交流侧，漏感llk2电流减小，直到t5时刻导通开关管ss1；

15、t5时刻至t6时刻之间的模态6：保持开关管sp3、sp4、ss1、ss4导通，其余开关管关断，电容cc1将吸收的漏感能量释放，转移到副边交流侧，开关管sp1的电压应力vp1变为vdc+vc1，直到t6时刻关断开关管sp3和ss1，导通sp1，该状态结束。

16、优选地，在dc-ac变换时，通过控制八个开关管在交流输出的负半周期的通断为：

17、开关管sp1与正半周期的开关管sp2对调，开关管sp2与正半周期的开关管sp1对调，开关管ss1与正半周期的开关管ss2对调，开关管ss2与正半周期的开关管ss1对调，开关管ss3与正半周期的开关管ss4对调，开关管ss4与正半周期的开关管ss3对调，开关管sp3与正半周期的sp3保持一致，开关管sp4与正半周期的sp4保持一致。

18、优选地，在ac-dc变换时，八个开关管的控制与dc-ac变换一致，即通过采样输入的交流电压，在电压为正时，正半周期工作，在电压为负时，负半周期工作。

19、本发明还提供一种双向单级反激变换器的控制系统，其特征在于，包括控制板以及与所述控制板连接的副边交流侧电压电流采样电路、原边直流侧电压电流采样电路、原边直流侧开关管驱动电路、副边交流侧开关管驱动电路；

20、所述副边交流侧电压电流采样电路用于在双向单级反激变换器工作在dc-ac变换模式时，实时采集输出电容c1的电压uc1和交流侧输出电流iac输入所述控制板；

21、所述原边直流侧电压电流采样电路用于在双向单级反激变换器工作在ac-dc变换模式时，实时采集输出电容c0的电压uc0和直流输出电流idc输入所述控制板；

22、所述控制板用于在双向单级反激变换器工作在dc-ac变换模式时，实时根据电压uc1、电流iac，以控制电压uc1、电流iac稳定在参考值为目标，生成相应的原边开关管pwm波形和副边开关管pwm波形分别发送至所述原边直流侧开关管驱动电路、所述副边交流侧开关管驱动电路；

23、所述控制板用于在双向单级反激变换器工作在ac-dc变换模式时，实时根据电压uc0、电流idc，以控制电压uc0、电流idc稳定在参考值为目标，生成相应的原边开关管pwm波形和副边开关管pwm波形分别发送至所述原边直流侧开关管驱动电路、所述副边交流侧开关管驱动电路；

24、所述原边直流侧开关管驱动电路用于根据所述原边开关管pwm波形控制开关管sp1、sp2、ss1、ss2的占空比；

25、所述副边直流侧开关管驱动电路用于根据所述副边开关管pwm波形控制开关管sp3、sp4、ss3、ss4的占空比。

26、优选地，所述控制板采用以电流内环为主、电压外环为辅、根据采样电压电流、结合参考值对原副边开关管的占空比进行动态调制。

27、本发明还提供一种双向单级反激变换器的控制方法，具体包括步骤：

28、确定双向单级反激变换器的工作模式为dc-ac模式还是ac-dc模式；

29、在双向单级反激变换器工作在dc-ac变换模式时，实时采集输出电容c1的电压uc1和交流侧输出电流iac并根据电压uc1、电流iac，以控制电压uc1、电流iac稳定在参考值为目标，生成相应的原边开关管pwm波形和副边开关管pwm波形控制开关管sp1、sp2、ss1、ss2的占空比；

30、在双向单级反激变换器工作在ac-dc变换模式时，实时采集输出电容c0的电压uc0和直流输出电流idc并根据电压uc0、电流idc，以控制电压uc0、电流idc稳定在参考值为目标，生成相应的原边开关管pwm波形和副边开关管pwm波形控制开关管sp3、sp4、ss3、ss4的占空比。

31、进一步地，采用以电流内环为主、电压外环为辅、根据采样电压电流、结合参考值对原副边开关管的占空比进行动态调制。

32、本发明提供的双向单级反激变换器，在直流侧采用交错并联的结构，实现电压的正负变换，并采用多个有源箝位电路消除开关管开通期间的振荡。通过变压器漏感进行谐振实现zvs(零电压开关)导通，提高开关频率，降低功率管损耗，减小变换器尺寸从而提高功率密度。本发明利用有源钳位实现一级(单级)的双向dc-ac转换，弥补了两级变换效率低、体积大的问题，实现了高效率、高功率密度的目标。

33、本发明提供的双向单级反激变换器的控制系统、控制方法，在dc-ac变换及ac-dc变换中，使用以电流内环为主、电压外环为辅的控制方式，利用最大功率点跟踪(mttp)、通过采集的输出电压，结合参考值对主开关管的驱动占空比进行动态调制，将正半周直流电压或交流电压通过改变占空比，从而改变为半波，负半周控制相同，两者交错工作，从而使得在输出侧的电压为交流正弦电压或直流电压。