CN102118112A - 一种基于耦合电感双方向dc-dc变换器 - Google Patents

Abstract

一种基于耦合电感双方向DC-DC变换器，属于变换器技术领域。该变换器包括两个耦合电感L₁、L₂，两个二极管D₁、D₂，一个缓冲电容C₁，电源V_S，滤波电容C_d，负载R_d和两个功率开关管S_w1，S_w2。本发明的优点：该变换器利用耦合电感提高了变换器升压比，通过缓冲电容吸收耦合电感的漏感能量，从而可有效降低开关管的峰值电压应力。由于二极管D₁阻止电容C₁向输入端放电，所以缓冲电容C₁所蓄积的能量(含漏感能量)通过电感耦合电感全部传送给负载，从而提高变换器的效率。

Description

一种基于耦合电感双方向DC-DC变换器

技术领域

本发明属于变换器技术领域，特别涉及一种基于耦合电感双方向DC-DC变换器。

背景技术

双方向DC-DC变换器主要有电动汽车、不间断电源(UPS)和航空电源系统、太阳能供电系统、舰载电源等应用场合。目前在大型电机设备中，较多采用超级电容作为储能设备，通过双方向DC-DC变换器控制储存和回馈电机的制动、发电的能量来达到节能的目的。

目前，双方向DC-DC变换器多采用非隔离型BUCK/BOOST的拓扑结构，受拓扑结构的限制，双向DC-DC变换器主要存在的问题是升压模式的增益偏低，为了提高其增压比，需要改变电路拓扑结构，这样会造成电路拓扑结构复杂，从而导致设备可靠性降低。虽然通过引入变压器，可提高升压比，但变压器体积大、设计复杂，不利于实现。通过引入耦合电感也可提高升压比，但由于耦合电感漏感的存在，造成开关管电压应力过大，产生新的问题。

发明内容

针对现有技术存在的不足，本发明提供了一种基于耦合电感双方向DC-DC变换器。

一种基于耦合电感双方向DC-DC变换器包括两个耦合电感L₁、L₂，两个二极管D₁、D₂，一个缓冲电容C₁，电源V_S，滤波电容C_d，负载R_d和两个功率开关管S_w1，S_w2；两个耦合电感通过共用一个电感磁芯相互耦合在一起。耦合电感L₁同名端与电源正极相连接，另一端与二极管D₁阳极、二极管D₂阴极相连接，二极管D₁阴极与耦合电感L₂同名端相连，耦合电感L₂另一端分别与功率开关管S_w1漏极和S_w2源极相连，S_w1源极分别与电容C_d和电容C₁相连，开关管S_w2漏极与电容C_d正极相连，二极管D₂的阳极接电源V_S负极，电容C₁另一端同时与二极管D₂阳极和开关管S_w1源极相连，功率开关管S_w1与电容C_d负极相连，电容C_d两端又与负载R_d两端相连。

所述的变换器能够进行升压模式和降压模式。

该变换器的工作原理：在升压模式，升压比由开关管S_w1的占空比和耦合电感L₁和L₂的匝数比决定。由于耦合电感漏感的存在，使开关管S_W1产生尖峰电压。通过引入缓冲电容C₁来吸收漏感能量，从而可有效降低S_w1尖峰电压应力。另外，由于二极管D₁阻止电容C₁向输入端放电，所以缓冲电容C₁所蓄积的漏感能量通过电感L₂全部传送给负载，从而提高变换器的效率。

在降压模式，电容C_d一侧为电源V_S传送能量，电源V_S被充电。在开关管S_w2导通期间，电容C_d将能量传输给电感L₂和电容C₁。在开关管S_w2关断期间，开通开关管S_w1，电感L₂将能量传输给电感L₁。通过设置二极管D₂，使电感L₁持续为电源V_S充电。

本发明的优点：该变换器利用耦合电感提高了变换器升压比，通过缓冲电容吸收耦合电感的漏感能量，从而可有效降低开关管的峰值电压应力。由于二极管D₁阻止电容C₁向输入端放电，所以缓冲电容C₁所蓄积的能量(含漏感能量)通过电感耦合电感全部传送给负载，从而提高变换器的效率。

附图说明

图1是基于耦合电感的双向DC-DC变换器的电路图；

图2是升压工作模式1等效电路图；

图3是升压工作模式2等效电路图；

图4是降压工作模式1等效电路图；

图5是降压工作模式2等效电路图；

图6是降压工作模式3等效电路图；

图7是降压工作模式4等效电路图；

图8是升压工作模式仿真图；

图9是降压工作模式仿真图。

具体实施方式

本发明结合具体实施例和说明书附图加以详细说明。

如图1所示，本发明的双方向DC-DC变换器包括耦合电感L₁、L₂，两个二极管D₁、D₂，一个缓冲电容C₁，电源V_S，滤波电容C_d，负载R_d和两个功率开关管S_w1，S_w2。两个耦合电感通过共用一个电感磁芯相互耦合在一起。耦合电感L₁同名端与电源正极相连接，另一端与二极管D₁阳极、二极管D₂阴极相连接，二极管D₁阴极与耦合电感L₂同名端相连，耦合电感L₂另一端与功率开关管S_w1漏极、S_w2源极相连。S_w1源极与电容C_d、电容C₁相连，开关管S_w2漏极与电容C_d正极相连，二极管D₂的阳极接电源V_S负极。电容C₁另一端同时与二极管D₂阳极和开关管S_w1源极相连。功率开关管S_w1又与电容C_d负极相连，电容C_d两端又与负载R_d两端相连。

该变换器的工作过程：

1.升压动作，如图2、3和图8所示

回路稳态时，开关管S_w1导通，电容C₁的能量向电感L₂转移，电容C₁放电，电感L₂蓄积能量。

模式1，关断开关管S_w1，二极管D₁、反并联二极管D_Sw2开通，电源V_S开始向电感L₁提供能量，电感L₁蓄积能量，其电流开始从零增加。电源V_S、L₂、C₁向负载传递能量，L₂的电流开始下降释放能量，C₁继续放电。当电感L₁的电流增加到与电感L₂的电流相等时，流过电容C₁的电流下降到零，电感L₁的电流开始下降释放能量，电源V_S、电感L₁开始向C₁反向充电，电源V_S、电感L₁、电感L₂向负载传递能量。当开关管S_w1开通时，此模式结束，进入模式2。

模式2，当开通开关管S_w1时，二极管D₁、反并联二极管D_Sw2关断，如果互感L₁、L₂为紧密耦合，则L₁的能量瞬间全部转移到电感L₂，随后C₁的能量向L₂转移，C₁放电，L₂蓄积能量，当开关管S_w1关断时，此模式结束，返回到模式1，回路开始下一动作周期。

2降压动作，如图4、5、6、7和图9所示

t₀时刻前开关管S_w2导通，C_d蓄积的能量向电感L₂和电容C₁转移，C₁充电，电感L₂蓄积能量。

模式1(t₀～t₁)，t₀时刻，开通S_w1(同时关断开关管S_w2)，二极管D_sw1承受正压而开通，电感L₂所蓄积的能量通过二极管D_sw1向电容C₁转移，L₂释能，C₁蓄能。在此模式中，耦合电感L₂能量逐渐传送给电感L₁、、电源V_S，电感L₁开始蓄积能量，二极管D₂承受正压而开通。当电感L₂的能量全部释放完时，二极管D_sw1关断，此模式结束，进入到模式2。

模式2(t₁～t₂)，t₁时刻，二极管D_sw1关断，电容C₁与电感L₂开始反向谐振，开关管S_w1开始流过电流。电感L₂开始反向蓄积能量，与此同时，电感L₂经过磁耦合将部分能量传送给电感L₁，V_S，电感L₁继续蓄积能量。当开关管S_w2开通(同时关断开关管S_w1)时，此模式结束，进入到模式3。

模式3(t₂～t₃)，t₂时刻，开关管S_w2开通(同时开关管S_w1关断)，二极管D_sw2导通，电感L₂开始释放能量，同时电感L₁也开始向电源V_S充电释放能量。当电感L₂、L₁所蓄积的能量全部释放完时，流经二极管D_sw2、D₂的电流降为零，二极管D_sw2和D₂关断，此模式结束，进入到模式4。

模式4(t₃～t₄)，t₃时刻，二极管D_sw2和D₂关断，L₂与C₁开始发生正向谐振，开关管S_w2开始流过电流，电容C_d的能量开始向电感L₂和电容C₁转移，L₂、C₁蓄积能量，当开关管S_w2关断(同时开通S_w1)时，此模式结束，返回到模式1，回路开始下一个工作周期。

Claims (2)

1.一种基于耦合电感双方向DC-DC变换器，其特征在于：该变换器包括两个耦合电感L₁、L₂，两个二极管D₁、D₂，一个缓冲电容C₁，电源V_S，滤波电容C_d，负载R_d和两个功率开关管S_w1，S_w2；两个耦合电感通过共用一个电感磁芯相互耦合在一起，耦合电感L₁同名端与电源正极相连接，另一端与二极管D₁阳极、二极管D₂阴极相连接，二极管D₁阴极与耦合电感L₂同名端相连，耦合电感L₂另一端分别与功率开关管S_w1漏极和S_w2源极相连，S_w1源极分别与电容C_d和电容C₁相连，开关管S_w2漏极与电容C_d正极相连，二极管D₂的阳极接电源V_S负极，电容C₁另一端同时与二极管D₂阳极和开关管S_w1源极相连，功率开关管S_w1与电容C_d负极相连，电容C_d两端又与负载R_d两端相连。

2.根据权利要求1所示的基于耦合电感双方向DC-DC变换器，其特征在于：所述的变换器能够进行升压模式和降压模式。

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