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基于開關(guān)電容和耦合電感的高電壓增益雙向dc-dc變換器的制造方法

文檔序號(hào):7389164閱讀:317來源:國知局
基于開關(guān)電容和耦合電感的高電壓增益雙向dc-dc變換器的制造方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種基于開關(guān)電容和耦合電感的高電壓增益雙向DC-DC變換器,由交錯(cuò)并聯(lián)Boost變換器和耦合電感以及開關(guān)電容組合而成;其電路包括N/2個(gè)耦合電感[L”L2],T2[L3、L4]......TwIXm、Ln];2N個(gè)高頻功率開關(guān)SPS2……8?及QPQ2……Qn;N-1個(gè)高頻開關(guān)電容CPC2......C^;兩個(gè)輸入、輸出濾波電容CjPCH??捎行У亟档偷蛪簜?cè)功率器件的電流應(yīng)力和高壓側(cè)功率器件的電壓應(yīng)力,采用耦合電感進(jìn)一步降低輸入電流紋波和電感體積,提高變換器效率,實(shí)現(xiàn)了高效率、高電壓增益的雙向DC-DC能量變換。本發(fā)明交錯(cuò)并聯(lián)、磁集成和開關(guān)電容技術(shù)的結(jié)合,使得本發(fā)明中的新型拓?fù)洳粌H具備了交錯(cuò)并聯(lián)變換器的特性,如低輸入電流紋波、易于EMI設(shè)計(jì)等特點(diǎn),還達(dá)到了輸入輸出電壓大變比及更低的開關(guān)電壓應(yīng)力的目的。
【專利說明】基于開關(guān)電容和耦合電感的高電壓增益雙向DC-DC變換器

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及高電壓增益和雙向直流-直流變換器【技術(shù)領(lǐng)域】,是一種新型的具有電 路結(jié)構(gòu)簡單、開關(guān)器件電壓/電流應(yīng)力低、較高效率、可以實(shí)現(xiàn)升壓比靈活拓展的電路。

【背景技術(shù)】
[0002] 隨著傳統(tǒng)化石能源(如石油、煤炭、天然氣等)的迅速消耗,以及由此帶來的世界 能源危機(jī)和環(huán)境污染等問題的日益加劇,合理開發(fā)和利用綠色可再生能源已成為人類的迫 切需要。隨著傳統(tǒng)化石能源(如石油、煤炭、天然氣等)的迅速消耗,以及由此帶來的世界 能源危機(jī)和環(huán)境污染等問題的日益加劇,合理開發(fā)和利用綠色可再生能源已成為人類的迫 切需要。對(duì)于可再生能源而言,太陽能光伏發(fā)電、風(fēng)力發(fā)電和燃料電池動(dòng)力系統(tǒng)受到了人們 越來越多的重視,而如何將這些新能源并網(wǎng)發(fā)電,變換為用戶可以直接利用的電能,是分布 式發(fā)電領(lǐng)域主要的研究方向。儲(chǔ)能裝置在分布式可再生能源并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)中扮演至關(guān)重 要的角色,為了解決儲(chǔ)能裝置并聯(lián)時(shí)的低電壓和并網(wǎng)所需高電壓之間的電壓水平不匹配問 題,需要用到高電壓增益型雙向DC-DC儲(chǔ)能變換器。
[0003] 正是上述需求使得高電壓增益、高效率及較大功率雙向DC-DC變換器研究工作變 得緊迫,并具有重要的工業(yè)實(shí)用價(jià)值。近年來,國內(nèi)外的許多學(xué)者和專家就如何實(shí)現(xiàn)高增 益、高效率、較大功率的能量變換,在隔離型和非隔離型DC-DC變換器領(lǐng)域進(jìn)行了大量的研 究工作,并取得了一定的研究成果。其主要的相關(guān)研究成果分別敘述如下:
[0004] 傳統(tǒng)的高電壓增益電路拓?fù)渲饕ǜ哳l隔離拓?fù)洌_關(guān)電容或開關(guān)電感拓?fù)洌?耦合電感拓?fù)浜突陔娙?二極管的倍壓拓?fù)涞?。其中,有研究針?duì)隔離型雙向DC-DC變 換器的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)分別提出了一種新型零電壓開關(guān)雙向DC-DC變換器和單端正激帶同步整 流技術(shù)的雙向DC-DC變換器,此類隔離型雙向DC-DC變換器由于拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中變壓器的存在, 雖然能夠?qū)崿F(xiàn)大變換比的功能,但其體積和成本較大,且易出現(xiàn)磁飽和現(xiàn)象,因而在一些儲(chǔ) 能系統(tǒng)中并不適用;針對(duì)非隔離拓?fù)洌醒芯刻岢隽艘环N非隔離雙向直流變換器,該電路在 引入了一個(gè)耦合電感后,消除了開關(guān)器件寄生體二極管的反向恢復(fù)問題,但該變換器并沒 有解決輸入/輸出電流紋波大的問題。同時(shí),在非隔離變換器拓?fù)渲?,開關(guān)電容變換器由于 具有重量輕、功率密度高等優(yōu)點(diǎn)而被廣泛采用。然而,開關(guān)電容充/放電過程中各功率器件 上存在較大的電流沖擊,為了解決這個(gè)問題,研究人員提出了一類升壓型開關(guān)電容諧振變 換器,后來又提出了一種基于開關(guān)電容的雙向諧振變換器。上述方案,可以實(shí)現(xiàn)高電壓增益 和零電流軟開關(guān),但是,極大的輸入電流紋波,使得這些拓?fù)鋬H適用于小功率應(yīng)用場合。
[0005] 近年來,低壓、大功率電源系統(tǒng)的廣泛使用使得交錯(cuò)并聯(lián)技術(shù)得到了快速的發(fā)展。 交錯(cuò)并聯(lián)技術(shù)因其具有低電流紋波、易于電磁干擾設(shè)計(jì)、動(dòng)態(tài)響應(yīng)快等特點(diǎn)而常被應(yīng)用于 一些電流較大的場合。目前已有較多研究在燃料電池和電動(dòng)汽車等不同領(lǐng)域應(yīng)用了交錯(cuò)并 聯(lián)技術(shù),其主要原因是因?yàn)榻诲e(cuò)并聯(lián)技術(shù)應(yīng)用于雙向DC-DC變換器中不僅可以有效地降低 變換器開關(guān)器件的開關(guān)電流應(yīng)力與輸入/輸出電流的紋波,還有益于提高變換器的動(dòng)態(tài)響 應(yīng)及變換器的效率。從諸多文獻(xiàn)來看,傳統(tǒng)的交錯(cuò)并聯(lián)結(jié)構(gòu)雙向DC-DC變換器雖然具有結(jié) 構(gòu)簡單,可靠性高等特點(diǎn),但該電路存在以下缺點(diǎn):
[0006] ①開關(guān)器件電壓應(yīng)力為高壓側(cè)電壓VH,當(dāng)VH較高時(shí)不利于開關(guān)器件的選??;
[0007] ②各模塊電感電流不能自動(dòng)均流,需進(jìn)行均流處理;
[0008] ③在一些輸入輸出電壓變換比大的場合,開關(guān)器件需要工作在極端占空比狀態(tài), 不利于變換器效率的提高,且限制了開關(guān)器件工作頻率的提升。
[0009] 2013年重慶大學(xué)提出了一種帶開關(guān)電容網(wǎng)絡(luò)的兩相交錯(cuò)并聯(lián)型高增益Boost變 換器,并對(duì)其工作原理和各功率開關(guān)器件電壓應(yīng)力進(jìn)行了分析。在此基礎(chǔ)上提出了一種基 于開關(guān)電容的2相交錯(cuò)并聯(lián)雙向變換器,能夠減小輸入電流紋波和開關(guān)器件電壓應(yīng)力,并 實(shí)現(xiàn)能量的雙向流動(dòng)。但較大的電感量和輸入、輸出濾波電容導(dǎo)致其自動(dòng)均流的動(dòng)態(tài)特 性較差,變換器易出現(xiàn)電流尖峰甚至失穩(wěn),另外其升壓/降壓模式下其最高效率僅91%和 90%。
[0010] 根據(jù)上述問題,高電壓增益雙向DC-DC變換器還需進(jìn)一步提高變換器的電壓增 益、效率和功率密度,減小功率器件的電壓/電流應(yīng)力。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0011] 本發(fā)明針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)存在的上述不足,提出了一種基于開關(guān)電容和耦合電感的高 電壓增益雙向DC-DC變換器,可有效地降低低壓側(cè)功率器件的電流應(yīng)力和高壓側(cè)功率器 件的電壓應(yīng)力,采用耦合電感進(jìn)一步降低輸入電流紋波和電感體積,提高變換器效率,實(shí) 現(xiàn)了高效率、高電壓增益的雙向DC-DC能量變換。本發(fā)明高電壓增益雙向DC-DC變換器 的電路結(jié)構(gòu)雖然與傳統(tǒng)的交錯(cuò)并聯(lián)雙向DC-DC變換器的電路結(jié)構(gòu)類似,但拓?fù)湓黾恿舜?聯(lián)的開關(guān)電容,并變換了其中懸浮開關(guān)器件的位置。高電壓增益雙向DC-DC變換器可從2 相并聯(lián)擴(kuò)展至N相并聯(lián)(N為正的偶數(shù)),以4相并聯(lián)為例,1,3相與2, 4相的驅(qū)動(dòng)信號(hào)完 全相同,1,2相和3, 4相分別共用一個(gè)耦合電感。交錯(cuò)并聯(lián)、磁集成和開關(guān)電容技術(shù)的結(jié) 合,使得本發(fā)明中的新型拓?fù)洳粌H具備了交錯(cuò)并聯(lián)變換器的特性,如低輸入電流紋波、易于 EMI (Electro-Magnetic Interference)設(shè)計(jì)等特點(diǎn),還達(dá)到了輸入輸出電壓大變比及更低 的開關(guān)電壓應(yīng)力的目的。
[0012] 為了解決上述技術(shù)問題,本發(fā)明基于開關(guān)電容和耦合電感的高電壓增益雙向 DC-DC變換器由交錯(cuò)并聯(lián)Boost變換器和耦合電感以及開關(guān)電容組合而成;該高電壓增益 雙向DC-DC變換器的電路包括N/2個(gè)耦合電感[Lp L2],T2 [L3、LJ……T(n/2) [L(n_D、Ln] ;2N 個(gè)高頻功率開S2……Sn&Qi,Q2……Qn;N-l個(gè)高頻開關(guān)電容(^,C 2……;兩個(gè)輸 入、輸出濾波電容Q和CH;
[0013] 耦合電感?\,T2……Τ(Ν/2)的一端與低壓側(cè)濾波電容Q相連,連接節(jié)點(diǎn)記為低壓側(cè) 輸入/輸出節(jié)點(diǎn)L,低壓側(cè)輸入/輸出節(jié)點(diǎn)電壓為 ',濾波電容CL的另外一端與輸入/輸 出端的負(fù)極相連,連接節(jié)點(diǎn)記為G ;
[0014] 第一高頻功率開關(guān)器件Si,其具有源極、漏極和柵極,其漏極與第一耦合電感1\的 一邊U的一端連接,連接節(jié)點(diǎn)記為N1 ;其源極與變換器輸入/輸出端的負(fù)極相連,連接節(jié)點(diǎn) 記為G ;其柵極接控制器發(fā)出的控制信號(hào)GS1 ;
[0015] 第二高頻功率開關(guān)器件&,其具有源極、漏極和柵極,其漏極與第一耦合電感1\的 一邊L 2的一端連接,連接節(jié)點(diǎn)記為N2 ;其源極與變換器輸入/輸出端的負(fù)極相連,連接節(jié)點(diǎn) 記為G ;其柵極接控制器發(fā)出的控制信號(hào)GS2 ;
[0016] 第三高頻功率開關(guān)器件&,其具有源極、漏極和柵極,其漏極與第一耦合電感1~2的 一邊L 3的一端連接,連接節(jié)點(diǎn)記為N3 ;其源極與變換器輸入/輸出端的負(fù)極相連,連接節(jié)點(diǎn) 記為G ;其柵極接控制器發(fā)出的控制信號(hào)GS3 ;
[0017] 第四高頻功率開關(guān)器件&,其具有源極、漏極和柵極,其漏極與第一耦合電感1~2的 一邊L 4的一端連接,連接節(jié)點(diǎn)記為Μ ;其源極與變換器輸入/輸出端的負(fù)極相連,連接節(jié)點(diǎn) 記為G ;其柵極接控制器發(fā)出的控制信號(hào)GS4 ;
[0018] 以此類推:
[0019] 第N個(gè)高頻功率開關(guān)器件Sn,其具有源極、漏極和柵極,其漏極與第一耦合電感 T(n/2)的一邊Ln的一端連接,連接節(jié)點(diǎn)記為Nn ;其源極與變換器輸入/輸出端的負(fù)極相連,連 接節(jié)點(diǎn)記為G ;其柵極接控制器發(fā)出的控制信號(hào)Gsn ;
[0020] 第(N+1)個(gè)高頻功率開關(guān)器件Qi,其具有源極、漏極和柵極,其漏極與第一開關(guān)電 容Q的一端連接,連接節(jié)點(diǎn)記為Ml ;其源極與第一高頻功率開關(guān)器件Si的漏極相連,連接 節(jié)點(diǎn)記為N1 ;其柵極接控制器發(fā)出的控制信號(hào)GQ1 ;
[0021] 第(N+2)個(gè)高頻功率開關(guān)器件Q2,其具有源極、漏極和柵極,其漏極與第二開關(guān)電 容C 2的一端連接,連接節(jié)點(diǎn)記為M2 ;其源極與第一開關(guān)電容Q的一端相連,連接節(jié)點(diǎn)記為 Ml ;其柵極接控制器發(fā)出的控制信號(hào)GQ2 ;
[0022] 第(N+3)個(gè)高頻功率開關(guān)器件Q3,其具有源極、漏極和柵極,其漏極與第三開關(guān)電 容C 3的一端連接,連接節(jié)點(diǎn)記為M3 ;其源極與第二開關(guān)電容C2的一端相連,連接節(jié)點(diǎn)記為 M2 ;其柵極接控制器發(fā)出的控制信號(hào)GQ3 ;
[0023] 以此類推:
[0024] 第2N個(gè)高頻功率開關(guān)器件Qn,其具有源極、漏極和柵極,其漏極與高壓側(cè)濾波電容 CH的一端連接,連接節(jié)點(diǎn)記為H,該高壓側(cè)輸入/輸出節(jié)點(diǎn)電壓為VH ;第2N個(gè)高頻功率開關(guān) 器件Qn的源極與第N-1個(gè)開關(guān)電容的一端相連,連接節(jié)點(diǎn)記為M(n-l);其柵極接控制器發(fā) 出的控制信號(hào)G Qn;
[0025] 第一開關(guān)電容Q的兩端分別連接至節(jié)點(diǎn)N2和Ml ;
[0026] 第二開關(guān)電容C2的兩端分別連接至節(jié)點(diǎn)N3和M2 ;
[0027] 第三開關(guān)電容C3的兩端分別連接至節(jié)點(diǎn)Μ和M3 ;
[0028] 以此類推:
[0029] 第Ν-1個(gè)開關(guān)電容C(Iri)的兩端分別連接至節(jié)點(diǎn)Nn和M(n-l);
[0030] 輸出濾波電容CH的兩端分別連接至變換器高壓側(cè)輸入/輸出節(jié)點(diǎn)Η和變換器輸 入/輸出端的負(fù)極G。
[0031] 進(jìn)一步講,低壓側(cè)輸入/輸出端電壓八小于高壓側(cè)輸入/輸出端電壓VH。
[0032] 更進(jìn)一步地,上述高電壓增益雙向DC-DC變換器電路的前級(jí)電路可以是較低電壓 (例如12V至48V)的儲(chǔ)能裝置,或者其他低壓直流電源等;后級(jí)電路可以是較高電壓(例 如380V至650V)的直流母線或其他形式的直流變換器。
[0033] 與現(xiàn)有技術(shù)相比,本發(fā)明的有益效果是:
[0034] 1.本發(fā)明由交錯(cuò)并聯(lián)Boost變換器和耦合電感以及開關(guān)電容組合而成。由于輸入 端交錯(cuò)并聯(lián)電感的存在使得輸入電流紋波小,由于每個(gè)耦合電感分為兩相,各相之間功率 開關(guān)器件的驅(qū)動(dòng)信號(hào)相位相差180度,使得輸入電流的紋波互補(bǔ),紋波頻率加倍,并且多路 輸入通道使得每通道的平均電流為總輸入電流的1/N,電感體積可明顯減小。
[0035] 2.本發(fā)明中各開關(guān)電容的電流應(yīng)力較低。純粹的開關(guān)電容電路中電容充放電電流 脈動(dòng)大,會(huì)影響開關(guān)電容的使用壽命,而本發(fā)明中各開關(guān)電容與濾波電感串聯(lián),各開關(guān)電容 上的電流等于流過相應(yīng)電感上的電流,由于電感電流脈動(dòng)較小,使得所要求的開關(guān)電容容 量減小,且有利于開關(guān)電容使用壽命的延長。
[0036] 3.本發(fā)明中由于開關(guān)電容的存在使得電感電流可實(shí)現(xiàn)自動(dòng)均流,這樣就避免了交 錯(cuò)并聯(lián)拓?fù)渲懈麟姼辛坎町愃斐傻木鲉栴},理論上,該類電路無需額外的均流控制或 均流電路。
[0037] 4.本發(fā)明中各功率開關(guān)器件的電壓應(yīng)力較低,理論上各功率開關(guān)器件的最大電壓 應(yīng)力為VH/2。
[0038] 5.本發(fā)明中各功率開關(guān)器件的控制時(shí)序簡單,只要求同一耦合電感兩個(gè)繞組對(duì)應(yīng) 通道的驅(qū)動(dòng)信號(hào)相位相差180度,并且升壓模式(' - VH)時(shí)每相驅(qū)動(dòng)占空比大于50%,或 者降壓模式- 時(shí)每相驅(qū)動(dòng)占空比小于50%即可。
[0039] 6.本發(fā)明的高電壓增益雙向DC-DC變換器拓?fù)渚哂休^強(qiáng)的可拓展性和實(shí)用性,其 驅(qū)動(dòng)信號(hào)最少為四路,一般的單片機(jī)或DSP數(shù)字控制器均可滿足要求,使用者可根據(jù)需要 靈活選擇對(duì)拓?fù)涞耐ǖ罃?shù)進(jìn)行縮減或增加。
[0040] 7.本發(fā)明具有通用性,可以應(yīng)用到分布式發(fā)電中的蓄電池儲(chǔ)能裝置、電動(dòng)汽車中 的蓄電池充放電控制器、以及開關(guān)電源等多種需要高電壓增益和雙向功率流的場合。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0041] 圖1本發(fā)明基于開關(guān)電容和耦合電感的N相交錯(cuò)并聯(lián)型高電壓增益雙向DC-DC變 換器電路結(jié)構(gòu)圖;
[0042] 圖2本發(fā)明基于開關(guān)電容和耦合電感的4相交錯(cuò)并聯(lián)型高電壓增益雙向DC-DC變 換器電路結(jié)構(gòu)圖;
[0043] 圖3是圖2所示高電壓增益雙向DC-DC變換器在連續(xù)電感電流且升壓模式下的穩(wěn) 態(tài)工作波形圖;
[0044] 圖4是圖2所示高電壓增益雙向DC-DC變換器在連續(xù)電感電流且降壓模式下的穩(wěn) 態(tài)工作波形圖。

【具體實(shí)施方式】
[0045] 下面結(jié)合附圖和具體實(shí)施例對(duì)本發(fā)明技術(shù)方案作進(jìn)一步詳細(xì)描述。
[0046] 如圖1所示,本發(fā)明基于開關(guān)電容和耦合電感的高電壓增益雙向DC-DC變換器,其 電路的結(jié)構(gòu)是:包括N/2個(gè)耦合電感
[0047] TjLp L2],T2[L3、LJ ……T(n/2) [L(n_D、Ln] ;2N 個(gè)高頻功率開關(guān) Sp S2……SI^Q1, Q2……Qn;N-l個(gè)高頻開關(guān)電容心,C2……C(Iri);以及兩個(gè)輸入、輸出濾波電容Q和C H;
[0048] 耦合電感?\,T2……Τ_的一端與低壓側(cè)濾波電容Q相連,連接節(jié)點(diǎn)記為低壓側(cè) 輸入/輸出節(jié)點(diǎn)L,低壓側(cè)輸入/輸出節(jié)點(diǎn)電壓為 ',濾波電容Q的另外一端與輸入/輸出 端的負(fù)極相連,連接節(jié)點(diǎn)記為G ;
[0049] 第一高頻功率開關(guān)器件Si,其具有源極、漏極和柵極,其漏極與第一耦合電感1\的 一邊U的一端連接,連接節(jié)點(diǎn)記為N1 ;其源極與變換器輸入/輸出端的負(fù)極相連,連接節(jié)點(diǎn) 記為G ;其柵極接控制器發(fā)出的控制信號(hào)GS1 ;
[0050] 第二高頻功率開關(guān)器件&,其具有源極、漏極和柵極,其漏極與第一耦合電感1\的 一邊L 2的一端連接,連接節(jié)點(diǎn)記為N2 ;其源極與變換器輸入/輸出端的負(fù)極相連,連接節(jié)點(diǎn) 記為G ;其柵極接控制器發(fā)出的控制信號(hào)GS2 ;
[0051] 第三高頻功率開關(guān)器件&,其具有源極、漏極和柵極,其漏極與第一耦合電感1~2的 一邊L 3的一端連接,連接節(jié)點(diǎn)記為N3 ;其源極與變換器輸入/輸出端的負(fù)極相連,連接節(jié)點(diǎn) 記為G ;其柵極接控制器發(fā)出的控制信號(hào)GS3 ;
[0052] 第四高頻功率開關(guān)器件&,其具有源極、漏極和柵極,其漏極與第一耦合電感1~2的 一邊L 4的一端連接,連接節(jié)點(diǎn)記為Μ ;其源極與變換器輸入/輸出端的負(fù)極相連,連接節(jié)點(diǎn) 記為G ;其柵極接控制器發(fā)出的控制信號(hào)GS4 ;
[0053] 以此類推:
[0054] 第N個(gè)高頻功率開關(guān)器件Sn,其具有源極、漏極和柵極,其漏極與第一耦合電感 T(n/2)的一邊Ln的一端連接,連接節(jié)點(diǎn)記為Nn ;其源極與變換器輸入/輸出端的負(fù)極相連, 連接節(jié)點(diǎn)記為G ;其柵極接控制器發(fā)出的控制信號(hào)Gsn ;
[0055] 第(N+1)個(gè)高頻功率開關(guān)器件%,其具有源極、漏極和柵極,其漏極與第一開關(guān)電 容Q的一端連接,連接節(jié)點(diǎn)記為Ml ;其源極與第一高頻功率開關(guān)器件Si的漏極相連,連接 節(jié)點(diǎn)記為N1 ;其柵極接控制器發(fā)出的控制信號(hào)GQ1 ;
[0056] 第(N+2)個(gè)高頻功率開關(guān)器件Q2,其具有源極、漏極和柵極,其漏極與第二開關(guān)電 容(: 2的一端連接,連接節(jié)點(diǎn)記為M2 ;其源極與第一開關(guān)電容(^的一端相連,連接節(jié)點(diǎn)記為 Ml ;其柵極接控制器發(fā)出的控制信號(hào)GQ2 ;
[0057] 第(N+3)個(gè)高頻功率開關(guān)器件Q3,其具有源極、漏極和柵極,其漏極與第三開關(guān)電 容C 3的一端連接,連接節(jié)點(diǎn)記為M3 ;其源極與第二開關(guān)電容C2的一端相連,連接節(jié)點(diǎn)記為 M2 ;其柵極接控制器發(fā)出的控制信號(hào)GQ3 ;
[0058] 以此類推:
[0059] 第2N個(gè)高頻功率開關(guān)器件Qn,其具有源極、漏極和柵極,其漏極與高壓側(cè)濾波電容 CH的一端連接,連接節(jié)點(diǎn)記為H,該高壓側(cè)輸入/輸出節(jié)點(diǎn)電壓為VH ;其源極與第N-1個(gè)開 關(guān)電容的一端相連,連接節(jié)點(diǎn)記為M(n-l);其柵極接控制器發(fā)出的控制信號(hào)GQn ;
[0060] 第一開關(guān)電容Ci的兩端分別連接至節(jié)點(diǎn)N2和Ml ;
[0061] 第二開關(guān)電容C2的兩端分別連接至節(jié)點(diǎn)N3和M2 ;
[0062] 第三開關(guān)電容C3的兩端分別連接至節(jié)點(diǎn)Μ和M3 ;
[0063] 以此類推:
[0064] 第Ν-1個(gè)開關(guān)電容C(Iri)的兩端分別連接至節(jié)點(diǎn)Nn和M(n-l);
[0065] 輸出濾波電容CH的兩端分別連接至變換器高壓側(cè)輸入/輸出節(jié)點(diǎn)Η和變換器輸 入/輸出端的負(fù)極G。
[0066] 進(jìn)一步地,所述的低壓側(cè)輸入/輸出端電壓 '小于高壓側(cè)輸入/輸出端電壓VH。
[0067] 本發(fā)明基于開關(guān)電容和耦合電感的高電壓增益雙向DC-DC變換器的工作原理在 于:通過對(duì)第一、第二……和第2N個(gè)高頻功率開關(guān)Si、S2……Sn,Qp Q2……和Qn的控制,實(shí) 現(xiàn)本發(fā)明的兩種工作模式,具體如下:
[0068] (1)升壓模式:此時(shí),第一、第二……第N個(gè)高頻功率開*Si、S2……和S nS主控開 關(guān)且控制信號(hào)占空比大于50%,第n+l、n+2……和第2N個(gè)高頻功率開關(guān)%、Q2……和Q n的 控制信號(hào)與SpS2……和Sn的控制信號(hào)分別互補(bǔ)。第一、第三……和第n-1個(gè)高頻功率開關(guān) 的驅(qū)動(dòng)控制信號(hào)相同,第二、第四……和第η個(gè)高頻功率開關(guān)的驅(qū)動(dòng)控制信號(hào)相同,且兩者 相位相差180度。當(dāng)控制器控制高頻功率開關(guān)Sp S2……和Sn*部導(dǎo)通,則各電感Li、L2…… 、均儲(chǔ)能;當(dāng)控制器控制第一、第三……和第N-1個(gè)高頻功率開關(guān)Sp S3……和S(Iri)導(dǎo)通, 而第二、第四……第η個(gè)高頻功率開關(guān)S2、S 4……Sn關(guān)斷時(shí),則電感Li、L3……和L(Iri)儲(chǔ)能, 而電感L 2、L4……和Ln則通過對(duì)應(yīng)的開關(guān)電容Q、C2……、Cn-1和輸出濾波電容C H放電,功 率經(jīng)由低壓輸入/輸出端 '變換至高壓輸入/輸出端VH,實(shí)現(xiàn)低壓直流能量的升壓變換;
[0069] (2)降壓模式:此時(shí),第n+l、n+2……和第2N個(gè)高頻功率開關(guān)……和Qn為主 控開關(guān)且控制信號(hào)占空比小于50%,第n+1、第n+2……第2N個(gè)高頻功率開關(guān)%、Q 2……和 Qn的控制信號(hào)與Sp S2……和Sn的控制信號(hào)分別互補(bǔ)。第n+1、第n+3……和第2n_l個(gè)高 頻功率開關(guān)的驅(qū)動(dòng)控制信號(hào)相同,第n+2、第n+4……和第2n個(gè)高頻功率開關(guān)的驅(qū)動(dòng)控制信 號(hào)相同,且兩者相位相差180度。當(dāng)控制器控制高頻功率開關(guān)(^、〇 2……和仏全部關(guān)斷,則 各電感U、L2……Ln均工作在續(xù)流狀態(tài);當(dāng)控制器控制第n+2、第n+4……和第2N個(gè)高頻功 率開關(guān)Q 2、Q4……和Qn導(dǎo)通,而第n+1、第n+3……和第2N-1個(gè)高頻功率開關(guān)%、Q 3……和 Q(rf關(guān)斷時(shí),則電感1^山……和1^〇續(xù)流,而電感L2、L4……和、則通過對(duì)應(yīng)的開關(guān)電容 Q、C2……、Cn_i和低壓側(cè)濾波電容Q儲(chǔ)能,功率經(jīng)由高壓輸入/輸出端VH變換至低壓輸入 /輸出端 ',實(shí)現(xiàn)高壓直流能量的降壓變換;
[0070] 本發(fā)明提出的高電壓增益雙向DC-DC變換器可以具有任意大于2的偶數(shù)通道,為 了使本【技術(shù)領(lǐng)域】的人員更好地理解本發(fā)明方案,如圖2所示,以4相交錯(cuò)并聯(lián)型高電壓增益 雙向DC-DC變換器為例,結(jié)合圖3和圖4具體分析其穩(wěn)態(tài)工作過程。
[0071] 如圖2,該4相交錯(cuò)并聯(lián)型高電壓增益雙向DC-DC變換器的電路中,包括2個(gè)耦合 電感TjLpIJ,T2[L3、L4] ;8個(gè)高頻功率開關(guān)Sp Q2、Q3、Q4 ;3個(gè)高頻開關(guān)電 容Q,C2和C3 ;以及兩個(gè)輸入、輸出濾波電容Q和CH ;
[0072] 耦合電感1\,T2的一端與低壓側(cè)濾波電容Q相連,連接節(jié)點(diǎn)記為低壓側(cè)輸入/輸 出節(jié)點(diǎn)L,濾波電容Q的另外一端與輸入/輸出端的負(fù)極相連,連接節(jié)點(diǎn)記為G ;
[0073] 第一高頻功率開關(guān)器件Si,其具有源極、漏極和柵極,其漏極與第一耦合電感1\的 一邊U的一端連接,連接節(jié)點(diǎn)記為N1 ;其源極與變換器輸入/輸出端的負(fù)極相連,連接節(jié)點(diǎn) 記為G ;其柵極接控制器發(fā)出的控制信號(hào)GS1 ;
[0074] 第二高頻功率開關(guān)器件&,其具有源極、漏極和柵極,其漏極與第一耦合電感1\的 一邊L 2的一端連接,連接節(jié)點(diǎn)記為N2 ;其源極與變換器輸入/輸出端的負(fù)極相連,連接節(jié)點(diǎn) 記為G ;其柵極接控制器發(fā)出的控制信號(hào)GS2 ;
[0075] 第三高頻功率開關(guān)器件&,其具有源極、漏極和柵極,其漏極與第一耦合電感1~2的 一邊L 3的一端連接,連接節(jié)點(diǎn)記為N3 ;其源極與變換器輸入/輸出端的負(fù)極相連,連接節(jié)點(diǎn) 記為G ;其柵極接控制器發(fā)出的控制信號(hào)GS3 ;
[0076] 第四高頻功率開關(guān)器件&,其具有源極、漏極和柵極,其漏極與第一耦合電感1~2的 一邊L 4的一端連接,連接節(jié)點(diǎn)記為Μ ;其源極與變換器輸入/輸出端的負(fù)極相連,連接節(jié)點(diǎn) 記為G ;其柵極接控制器發(fā)出的控制信號(hào)GS4 ;
[0077] 第五個(gè)高頻功率開關(guān)器件Qi,其具有源極、漏極和柵極,其漏極與第一開關(guān)電容Ci 的一端連接,連接節(jié)點(diǎn)記為Ml ;其源極與第一高頻功率開關(guān)器件Si的漏極相連,連接節(jié)點(diǎn) 記為N1 ;其柵極接控制器發(fā)出的控制信號(hào)GQ1 ;
[0078] 第六個(gè)高頻功率開關(guān)器件Q2,其具有源極、漏極和柵極,其漏極與第二開關(guān)電容C 2 的一端連接,連接節(jié)點(diǎn)記為M2 ;其源極與第一開關(guān)電容(^的一端相連,連接節(jié)點(diǎn)記為Ml ;其 柵極接控制器發(fā)出的控制信號(hào)GQ2 ;
[0079] 第七個(gè)高頻功率開關(guān)器件Q3,其具有源極、漏極和柵極,其漏極與第三開關(guān)電容C 3 的一端連接,連接節(jié)點(diǎn)記為M3 ;其源極與第二開關(guān)電容C2的一端相連,連接節(jié)點(diǎn)記為M2 ;其 柵極接控制器發(fā)出的控制信號(hào)GQ3 ;
[0080] 第八個(gè)高頻功率開關(guān)器件Q4,其具有源極、漏極和柵極,其漏極與高壓側(cè)濾波電容 CH的一端連接,連接節(jié)點(diǎn)記為Η ;其源極與第三開關(guān)電容C3的一端相連,連接節(jié)點(diǎn)記為M3 ; 其柵極接控制器發(fā)出的控制信號(hào)GQ4 ;
[0081] 第一開關(guān)電容Ci的兩端分別連接至節(jié)點(diǎn)N2和Ml ;
[0082] 第二開關(guān)電容C2的兩端分別連接至節(jié)點(diǎn)N3和M2 ;
[0083] 第三開關(guān)電容C3的兩端分別連接至節(jié)點(diǎn)Μ和M3 ;
[0084] 輸出濾波電容CH的兩端分別連接至變換器高壓側(cè)輸入/輸出節(jié)點(diǎn)Η和變換器輸 入/輸出端的負(fù)極G。
[0085] 如圖3,在連續(xù)電感電流且升壓模式下,將電路分為四個(gè)工作模態(tài):
[0086] 模態(tài)&(、?&):第一、第三高頻功率開關(guān)器件Sp S3導(dǎo)通,第二、第四高頻功率開 關(guān)器件s2, S4關(guān)斷。電感Lp L3由低壓側(cè)電源八充電,電感電流iu,L線性上升,耦合電感 的作用使得i u,iu上升斜率變緩。電感L2和第一開關(guān)電容Q釋放能量給第二開關(guān)電容C2 充電。電感L4和第三開關(guān)電容(:3則在釋放能量給高壓側(cè)濾波電容CH充電。電感電流L, 線性下降,耦合電感的作用使得L,下降斜率變陡。此模態(tài)下,第一、第三開關(guān)電容 Q,C3放電。第二電容C2,高壓側(cè)濾波電容CH充電。
[0087] 模態(tài)b(ti?t2):第一、二、三和第四高頻功率開關(guān)器件51,5 2,53,54導(dǎo)通,電感1^1, L2, L3, L4由低壓側(cè)電源八充電,電感電流iu,i。,iu,線性上升,耦合電感的作用使得i u, L,iu,沁上升斜率變陡。第五、六、七和第八高頻功率開關(guān)器件%、Q2、Q3、A因?yàn)槌惺芊?向壓降而自然關(guān)斷,第一、二和第三開關(guān)電容上電流為0。負(fù)載由高壓側(cè)濾波電容(^供電。
[0088] 模態(tài)c(t2?t3):第一、第三高頻功率開關(guān)器件Sp S3關(guān)斷,第二、第四高頻功率開 關(guān)器件s2, S4導(dǎo)通。電感L2, L4由低壓側(cè)電源 '通過第二、第四高頻功率開關(guān)器件s2, s4充 電,電流L,線性上升,耦合電感的作用使得L,上升斜率變緩。U通過第五高頻功 率開關(guān)器件%釋放能量給第一開關(guān)電容q充電。電感L 3與第二開關(guān)電容C2,以及低壓側(cè) 電源'串聯(lián),通過第七高頻功率開關(guān)器件仏共同給第三開關(guān)電容C 3充電,電感L3,第二開 關(guān)電容(:2釋放能量。電感電流iu,込線性下降,耦合電感的作用使得^,下降斜率變 陡。第一、第三開關(guān)電容(^,(: 3充電。第二開關(guān)電容(:2放電。第六、第八高頻功率開關(guān)器件 Q2,Q4因?yàn)槌惺芊聪驂航刀刂?,?fù)載由高壓側(cè)濾波電容CH提供能量。
[0089] 模態(tài)d(t3?t4):電路工作狀態(tài)與模態(tài)2相同,第一、二、三和第四高頻功率開關(guān)器 件Sp S2, SjPS4導(dǎo)通。電感Lp L2, L3, L4由低壓側(cè)電源八充電,電感電流iu,iw iu, 線性上升,耦合電感的作用使得iu,込,iu,上升斜率變陡。
[0090] 所述的4相交錯(cuò)并聯(lián)型高電壓增益雙向DC-DC變換器相比于基本的交錯(cuò)并聯(lián) Boost升壓DC變換器具有4倍的增益比,且該變換器的4相輸入電流在第一、二、三和第四 功率開關(guān)器件控制信號(hào)占空比相等時(shí)具有自動(dòng)的電流均衡能力。在升壓模式下,該變換器 輸入端 '連接電壓供給裝置(如鋰電池、超級(jí)電容等),輸出端VH則為電壓可控的高壓直 流電。
[0091] 如圖4,在連續(xù)電感電流且降壓模式下,將電路分為四個(gè)工作模態(tài):
[0092] 模態(tài):第六、第八高頻功率開關(guān)器件Q2, Q4導(dǎo)通,第五、第七高頻功率開 關(guān)器件%,Q3關(guān)斷。電感U,L3分別通過第一、第三高頻功率開關(guān)器件Sp S3續(xù)流,向低壓側(cè) 負(fù)載'釋放能量,電感電流iu,込線性下降,耦合電感的作用使得、,込下降斜率變緩。 第二開關(guān)電容C 2釋放能量給電感L2和第一開關(guān)電容q充電。高壓側(cè)濾波電容(^釋放能量 給電感L4和第三開關(guān)電容(: 3充電。電感電流込,、線性上升,耦合電感的作用使得L, 上升斜率變陡。此模態(tài)下,第一、第三開關(guān)電容(^,(:3充電。第二電容C2,高壓側(cè)濾波電 容心放電。
[0093] I旲態(tài)b (h?t2):第五、7K、七和第八商頻功率開關(guān)器件Qp Q2, (?和%關(guān)斷。電感 Li,L2, L3, L4續(xù)流,分別通過第一、二、三和第四高頻功率開關(guān)器件51,S2, S3, S4向低壓側(cè)負(fù) 載Vi^供電,電感電流iu,L,iu,L線性下降,稱合電感的作用使得iu,L,iu,L下降斜 率變陡。第一、二和第三開關(guān)電容上電流為〇,電壓保持恒定。
[0094] 模態(tài)c(t2?t3):第六、第八高頻功率開關(guān)器件Q 2, Q4關(guān)斷,第五、第七高頻功率開 關(guān)器件Qi、Q3導(dǎo)通。電感L2, L4分別通過第二、第四功率開關(guān)器件S2, S4續(xù)流,向低壓側(cè)負(fù)載 '釋放能量,電流L,、線性下降,耦合電感的作用使得L,下降斜率變陡。第一開關(guān) 電容Q通過第五高頻功率開關(guān)器件%釋放能量給U和低壓側(cè)負(fù)載 '。第三開關(guān)電容C3通 過第七高頻功率開關(guān)器件Q3釋放能量,給電感L3與第二開關(guān)電容C 2,以及低壓側(cè)負(fù)載 '及 Q充電。電感電流iu,線性上升,耦合電感的作用使得iu,上升斜率變緩。第一、第 三開關(guān)電容Ci,C 3放電。第二開關(guān)電容(:2充電。第一、第三高頻功率開關(guān)器件Si,S3承受反 向壓降截止。
[0095] 模態(tài)d(t3?t4):電路工作狀態(tài)與模態(tài)2相同,第五、六、七和第八高頻功率開關(guān)器 件%,Q 2, Q3和Q4關(guān)斷。電感U,L2, L3, L4分別通過第一、二、三和第四高頻功率開關(guān)器件Sp S2, S3, S4續(xù)流,向低壓側(cè)負(fù)載釋放能量,電感電流iu,i。,iu,線性下降,稱合電感的 作用使得i u,L,iu,L下降斜率變陡。
[0096] 所述的4相交錯(cuò)并聯(lián)型高電壓增益雙向DC-DC變換器工作于降壓模式時(shí)相比于基 本的交錯(cuò)并聯(lián)Buck降壓DC變換器具有四倍的降壓傳輸比,且該變換器的4相輸出電流在 第五、六、七和第八功率開關(guān)器件控制信號(hào)占空比相等時(shí)具有自動(dòng)的電流均衡能力。在降壓 模式下,該變換器輸入端V H連接直流母線等高壓直流電,輸出端 '則為能量儲(chǔ)存裝置(如 鋰電池、超級(jí)電容等)。
[0097] 其中的第一、第二耦合電感^和^的作用是減小通道內(nèi)電流紋波,因此,電路設(shè)計(jì) 中可通過調(diào)整耦合系數(shù)或互感Μ來達(dá)到最優(yōu)的紋波抑制效果。
[0098] 實(shí)施例僅是為了工作原理闡述簡單而采用了 4相交錯(cuò)并聯(lián)型高電壓增益雙向 DC-DC變換器,在實(shí)際的應(yīng)用中,能夠根據(jù)實(shí)際應(yīng)用情況合理選擇并聯(lián)通道的個(gè)數(shù),以達(dá)到 優(yōu)化電壓增益、效率和成本的目的。
[0099] 綜上所述,本發(fā)明高電壓增益雙向DC-DC變換器,通過并聯(lián)通道數(shù)量的增加,可顯 著的降低各功率器件的電壓和電流應(yīng)力,同時(shí),采用耦合系數(shù)優(yōu)化設(shè)計(jì)后的耦合電感,進(jìn)一 步減小了電感量和電感體積,降低了通道內(nèi)電感電流紋波,改善了變換器自動(dòng)均流時(shí)的動(dòng) 態(tài)性能??傊瑹o論對(duì)于交直流微網(wǎng)系統(tǒng)、分布式可再生能源發(fā)電系統(tǒng),還是其他諸如燃料 電池汽車等需要高電壓增益的直流功率變換場合,本發(fā)明都具有積極的推廣應(yīng)用價(jià)值。
[0100] 盡管上面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明進(jìn)行了描述,但是本發(fā)明并不局限于上述的具體實(shí)施 方式,上述的【具體實(shí)施方式】僅僅是示意性的,而不是限制性的,本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員在本 發(fā)明的啟示下,在不脫離本發(fā)明宗旨的情況下,還可以做出很多變形,凡在本發(fā)明的精神和 原則之內(nèi),所做的任何修改、等同替換、改進(jìn)等,這些均屬于本發(fā)明的保護(hù)之內(nèi)。
【權(quán)利要求】
1. 一種基于開關(guān)電容和f禹合電感的高電壓增益雙向DC-DC變換器,其特征在于,由交 錯(cuò)并聯(lián)Boost變換器和耦合電感以及開關(guān)電容組合而成;該高電壓增益雙向DC-DC變換器 的電路包括N/2個(gè)耦合電感L 2],T2[L3、LJ……Ln] ;2N個(gè)高頻功率開關(guān) Si, S2……3"及%,Q2……Qn ;N-1個(gè)高頻開關(guān)電容Q,C2……C(Iri);兩個(gè)輸入、輸出濾波電容 CL 和 CH; 耦合電感!\,T2……Τ(Ν/2)的一端與低壓側(cè)濾波電容Q相連,連接節(jié)點(diǎn)記為低壓側(cè)輸入 /輸出節(jié)點(diǎn)L,該低壓側(cè)輸入/輸出節(jié)點(diǎn)電壓為\ ;濾波電容Q的另外一端與輸入/輸出端 的負(fù)極相連,連接節(jié)點(diǎn)記為G ; 第一高頻功率開關(guān)器件Si,其具有源極、漏極和柵極,其漏極與第一耦合電感?\的一邊 U的一端連接,連接節(jié)點(diǎn)記為Ν1 ;其源極與變換器輸入/輸出端的負(fù)極相連,連接節(jié)點(diǎn)記為 G ;其柵極接控制器發(fā)出的控制信號(hào)GS1 ; 第二高頻功率開關(guān)器件S2,其具有源極、漏極和柵極,其漏極與第一耦合電感?\的一邊 L2的一端連接,連接節(jié)點(diǎn)記為Ν2 ;其源極與變換器輸入/輸出端的負(fù)極相連,連接節(jié)點(diǎn)記為 G ;其柵極接控制器發(fā)出的控制信號(hào)GS2 ; 第三高頻功率開關(guān)器件S3,其具有源極、漏極和柵極,其漏極與第一耦合電感T2的一邊 L3的一端連接,連接節(jié)點(diǎn)記為Ν3 ;其源極與變換器輸入/輸出端的負(fù)極相連,連接節(jié)點(diǎn)記為 G ;其柵極接控制器發(fā)出的控制信號(hào)GS3 ; 第四高頻功率開關(guān)器件&,其具有源極、漏極和柵極,其漏極與第一耦合電感T2的一邊 L4的一端連接,連接節(jié)點(diǎn)記為Μ ;其源極與變換器輸入/輸出端的負(fù)極相連,連接節(jié)點(diǎn)記為 G ;其柵極接控制器發(fā)出的控制信號(hào)GS4 ; 以此類推: 第N個(gè)高頻功率開關(guān)器件Sn,其具有源極、漏極和柵極,其漏極與第一耦合電感T (n/2) 的一邊Ln的一端連接,連接節(jié)點(diǎn)記為Nn ;其源極與變換器輸入/輸出端的負(fù)極相連,連接節(jié) 點(diǎn)記為G ;其柵極接控制器發(fā)出的控制信號(hào)Gsn ; 第(N+1)個(gè)高頻功率開關(guān)器件%,其具有源極、漏極和柵極,其漏極與第一開關(guān)電容q 的一端連接,連接節(jié)點(diǎn)記為Ml ;其源極與第一高頻功率開關(guān)器件Si的漏極相連,連接節(jié)點(diǎn) 記為N1 ;其柵極接控制器發(fā)出的控制信號(hào)GQ1 ; 第(N+2)個(gè)高頻功率開關(guān)器件Q2,其具有源極、漏極和柵極,其漏極與第二開關(guān)電容C2 的一端連接,連接節(jié)點(diǎn)記為M2 ;其源極與第一開關(guān)電容(^的一端相連,連接節(jié)點(diǎn)記為Ml ;其 柵極接控制器發(fā)出的控制信號(hào)GQ2 ; 第(N+3)個(gè)高頻功率開關(guān)器件Q3,其具有源極、漏極和柵極,其漏極與第三開關(guān)電容C3 的一端連接,連接節(jié)點(diǎn)記為M3 ;其源極與第二開關(guān)電容C2的一端相連,連接節(jié)點(diǎn)記為M2 ;其 柵極接控制器發(fā)出的控制信號(hào)GQ3 ; 以此類推: 第2N個(gè)高頻功率開關(guān)器件Qn,其具有源極、漏極和柵極,其漏極與高壓側(cè)濾波電容(^的 一端連接,連接節(jié)點(diǎn)記為H,該高壓側(cè)輸入/輸出節(jié)點(diǎn)電壓為VH ;第2N個(gè)高頻功率開關(guān)器件 Qn的源極與第N-1個(gè)開關(guān)電容的一端相連,連接節(jié)點(diǎn)記為M(n-l);其柵極接控制器發(fā)出的 控制信號(hào)G Qn ; 第一開關(guān)電容Q的兩端分別連接至節(jié)點(diǎn)N2和Ml ; 第二開關(guān)電容c2的兩端分別連接至節(jié)點(diǎn)N3和M2 ; 第三開關(guān)電容C3的兩端分別連接至節(jié)點(diǎn)Μ和M3 ; 以此類推: 第Ν-1個(gè)開關(guān)電容的兩端分別連接至節(jié)點(diǎn)Νη和M(n-l); 輸出濾波電容CH的兩端分別連接至變換器高壓側(cè)輸入/輸出節(jié)點(diǎn)Η和變換器輸入/輸 出端的負(fù)極G。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述基于開關(guān)電容和耦合電感的高電壓增益雙向DC-DC變換器,其 特征在于,低壓側(cè)輸入/輸出電壓' 小于高壓側(cè)輸入/輸出電壓VH。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1或2所述基于開關(guān)電容和耦合電感的高電壓增益雙向DC-DC變換 器,其特征在于,高電壓增益雙向DC-DC變換器的前級(jí)電路是一電壓為12V至48V的儲(chǔ)能裝 置或直流電源,高電壓增益雙向DC-DC變換器的后級(jí)電路是一電壓為380V至650V的直流 母線或直流變換器。
【文檔編號(hào)】H02M3/155GK104218798SQ201410477603
【公開日】2014年12月17日 申請(qǐng)日期:2014年9月18日 優(yōu)先權(quán)日:2014年9月18日
【發(fā)明者】王議鋒, 薛利坤, 王成山, 王萍 申請(qǐng)人:天津大學(xué)
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