CN102223062B - 蓄电池储能系统用双向dc/dc变换器软开关主电路 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种蓄电池储能系统用双向DC/DC变换器软开关主电路，其特征在于所述主电路由升压电路和降压电路组成，所述升压电路包括开关管S₁、电容C₁-C₄、电感L₁-L₃和二极管D₁-D₄；所述降压电路包括开关管S₂、所述电容C₁和C₄、电容C₅-C₆、所述电感L₁、电感L₄-L₅和二极管D₅-D₈，所述主电路不仅解决了开关管S₁、S₂、主功率二极管D₁、D₈上很大的电流尖峰和di/dt、du/dt，克服了常规Boost/Buck双向DC/DC变换器主电路中开关管、主功率二极管寿命短、可靠性差等缺点，还减小了系统的电磁干扰，提高了电路工作的安全性和可靠性。

Description

蓄电池储能系统用双向DC/DC变换器软开关主电路

技术领域

本发明涉及一种双向DC/DC变换器主电路，尤其是一种蓄电池储能系统用双向DC/DC变换器软开关主电路。

背景技术

实现双向DC/DC变换器主电路的形式有多种，根据蓄电池储能系统中的配置要求，其中Boost/Buck变换器以其变换效率高的特点，是首选的双向DC/DC变换主电路之一。

在蓄电池储能系统中，一般采用如图2所示的一种Boost/Buck双向DC/DC变换器主电路，由于双向DC/DC变换器变换传递的功率大（100kW以上），输出电压达400－500V，流过开关管的电流达几百安培。在这种工作条件下，开关管S₁、S₂、主功率二极管D₁、D₂是交替导通的，在所述开关管S₁、S₂、主功率二极管D₁、D₂换流过程中，将在开关管S₁、S₂、主功率二极管D₁、D₂上产生很大的di/dt、du/dt，特别是当开关管S₁、S₂由截止转为导通，主功率二极管D₁、D₂由导通转为截止的过程中，由于二极管反向导通恢复时间的原因，主功率二极管D₁、D₂相当于短路状态，此时，由开关管S₁（S₂）、主功率二极管D₂（D₁）、电容C₂（C₁）构成回路，相当于电容C₂（C₁）直接短路，并且由于输出电容上的电压达400－500V，此时将在开关管S₁、S₂、主功率二极管D₁、D₂上产生并流过很大的电流尖峰，产生很大的di/dt，这种很大的di/dt与电流尖峰值不仅造成严重的电磁干扰问题，更严重的是它将造成主功率二极管D₁、D₂的失效损坏，从而造成整个变换电路的故障。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种使用寿命长、可靠性高、电磁干扰小的新型蓄电池储能系统用双向DC/DC变换器主电路。

为解决上述技术问题，本发明所采取的技术方案是：所述主电路在主功率二极管D₁和D₈上分别串联饱和电感L₃和L₅，在开关管S₁和S₂上分别串联饱和电感L₂和L₄，还增加由二极管D₂-D₄、电容C₂-C₃组成的升压辅助谐振电路和由电容C₅-C₆、二极管D₅-D₇组成的降压辅助谐振电路。

所述主电路由升压电路和降压电路组成，所述升压电路包括开关管S₁、电容C₁-C₄、电感L₁-L₃和二极管D₁-D₄；所述开关管S₁的漏极一路依次经电感L₂、L₃、二极管D₁后接所述蓄电池U_BAT的正极，所述开关管S₁的漏极另一路依次经二极管D₂-D₄接所述高压端U_H的正极，所述开关管S₁的源极分别与蓄电池U_BAT、高压端U_H的负极连接；所述电感L₂与L₃的结点经电感L₁后接蓄电池U_BAT的正极；所述电容C₂的一端接二极管D₂与D₃的结点，其另一端与开关管S₁的源极连接；所述电容C₃连接在电感L₃与二极管D₁的结点和二极管D₃与D₄的结点之间；所述电容C₁接在蓄电池U_BAT的两端；所述电容C₃接在高压端U_H的两端。

所述降压电路包括开关管S₂、所述电容C₁和C₄、电容C₅-C₆、所述电感L₁、电感L₄-L₅和二极管D₅-D₈；所述开关管S₂的漏极依次经电容C₅、二极管D₅、电感L₅、二极管D₈、电感L₄接开关管S₂的源极；所述开关管S₂的漏极与电容C₅的结点接高压端U_H的正极；所述电感L₅与二极管D₅的结点接高压端U_H的负极；所述电容C₆的一端接电感L₅与二极管D₈的结点，其另一端经二极管D₆接二极管D₅与电容C₅的结点；所述二极管D₇接在电容C₆与二极管D₆的结点和电感L₄与二极管D₈的结点之间；所述二极管D₈与电感L₄的结点经电感L₁接蓄电池U_BAT的正极；所述蓄电池U_BAT的负极与所述高压端U_H的负极相连接。

其工作原理如下：

（1）Boost升压状态，开关管S₁工作在开关状态，开关管S₂完全截止，能量从蓄电池U_BAT流向高压端U_H，开关管S₁处于正常关断状态，输入电流全部由电感L₃、二极管D₁流过，电容C₂端电压为U_H，电容C₃被完全放电。

当开关管S₁由关断转为导通时，由于电感L₂的存在，限制了开关管S₁的di/dt，使开关管S₁零电流开通，同时电感L₂-L₃极大抑制了二极管D₁的反向恢复电流，使反向恢复过程中的电流尖峰极大削弱，输入电流从二极管D₁转移至开关管S₁中；二极管D₁完全截止后，二极管D₃开始导通，电容C₂-C₃和电感L₃开始一个谐振周期，电容C₂开始放电，电容C₃反向充电，电感L₃流过反向电流，当电感L₃上电流达到负的最大值时电容C₂放电至零，电容C₂两端电压通过二极管D₁被钳位至零，流过开关管S₁的电流达到最大值；电容C₃和电感L₃继续谐振，反向电流继续流过电感L₃并逐渐衰减，当电感L₃电流下降至零，电容C₃被反向充电至最大，能量转移至电容C₃中。

此后，开关管S₁处于正常导通状态，输入电流全部流过开关管S₁，负载供电由电容C₄提供。

当开关管S₁由导通转为截止时，由于电容C₂两端电压为零，原来流过开关管S₁的电流通过二极管D₂转移到电容C₂中，由于电容C₂的存在，开关管S₁两端电压不会发生突变，限制了开关管S₁的du/dt，所以开关管S₁是零电压关断；电容C₂电压逐渐增大，当上升到高压端电压U_H时二极管D₃和D₄开始导通，电容C₂两端电压被钳位在U_H；随着二极管D₃和D₄的导通，电容C₃和电感L₃开始另外一个谐振周期，输入电流I₁同时流过电感L₃支路和电感L₂、二极管D₂-D₃支路，而流过电感L₂、二极管D₂-D₃支路的电流逐渐减小至零，二极管D₂-D₃自然关断，流过电感L₃支路电流逐渐增大，电容C₃上的能量通过二极管D₄流出至负载，当电容C₃电压复位至零时，输入电流I₁全部流过电感L₃支路，二极管D₄自然关断，二极管D₁开始导通。

此后，开关管S₁处于正常关断状态，输入电流全部流过二极管D₁，向负载及电容C₄提供能量，进入下一个开关周期。

在上述一个完整的开关周期中，主功率开关管S₁实现了零电流开通和零电压关断，达到了软开关效果。

（2）Buck降压状态，开关管S₂工作在开关状态，开关管S₁完全截止，能量从高压端U_H流向蓄电池U_BAT，开关管S₂处于正常关断状态，输入电流全部由电感L₅、二极管D₈流过，电容C₅端电压为U_BAT，电容C₆被完全放电。

当开关管S₂由关断转为导通时，由于电感L₄的存在，限制了开关管S₂的di/dt，使开关管S₂零电流开通，同时电感L₄、L₅极大抑制了二极管D₈的反向恢复电流，使反向恢复过程中的电流尖峰极大削弱，输入电流从二极管D₈转移至开关管S₂中；二极管D₈完全截止后，二极管D₆开始导通，电容C₅、C₆和电感L₅开始一个谐振周期，电容C₅开始放电，电容C₆反向充电，电感L₅流过反向电流，当电感L₅上电流达到负的最大值时电容C₅放电至零，电容C₅两端电压通过二极管D₅被钳位至零，流过开关管S₂的电流达到最大值；电容C₆和电感L₅继续谐振，反向电流继续流过电感L₅并逐渐衰减，当电感L₅电流下降至零，电容C₆被反向充电至最大，能量转移至电容C₆中。

此后，开关管S₂处于正常导通状态，输入电流全部流过开关管S₂，负载供电由电容C₁提供。

当开关管S₂由导通转为截止时，由于电容C₅两端电压为零，原来流过开关管S₂的电流通过二极管D₅转移到电容C₅中，由于电容C₅的存在，开关管S₂两端电压不会发生突变，限制了开关管S₂的du/dt，所以开关管S₂是零电压关断；电容C₅两端电压逐渐增大，当上升到蓄电池端电压U_BAT时二极管D₆和D₇开始导通，电容C₅电压被钳位在U_BAT；随着二极管D₆和D₇的导通，电容C₆和电感L₅开始另外一个谐振周期，输出电流I₆同时流过电感L₅支路和二极管D₅、D₆支路，而流过二极管D₅、D₆支路的电流逐渐减小至零，二极管D₅、D₆自然关断，流过电感L₅支路电流逐渐增大，电容C₆上的能量通过二极管D₇流出至负载，当电容C₆两端电压复位至零时，输出电流I₆全部流过电感L₅支路，二极管D₇自然关断，二极管D₈开始导通。

此后，开关管S₂处于正常关断状态，输出电流全部流过二极管D₈，向负载及电容C₁提供能量，进入下一个开关周期。

在上述一个完整的开关周期中，开关管S₂实现了零电流开通和零电压关断，达到了软开关效果。

采用上述技术方案所产生的有益效果在于：如图1所示，所述主电路在主功率二极管D₁和D₈上分别串联饱和电感L₃和L₅，在开关管S₁和S₂上分别串联饱和电感L₂和L₄，还增加由二极管D₂-D₄、电容C₂-C₃组成的升压辅助谐振电路和由电容C₅-C₆、二极管D₅-D₇组成的降压辅助谐振电路，所述主电路不仅解决了开关管S₁、S₂、主功率二极管D₁、D₈上很大的电流尖峰和di/dt、du/dt，克服了常规Boost/Buck双向DC/DC变换器主电路中开关管、主功率二极管寿命短、可靠性差等缺点，还减小了系统的电磁干扰，提高了电路工作的安全性和可靠性。

附图说明

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

图1是本发明电路原理图；

图2是常规Boost/Buck双向DC/DC变换器主电路原理图。

具体实施方式

为解决常规双向DC/DC变换器主电路的缺点，本发明提出了如图1所示的一种主电路，同图2相比，所述主电路在主功率二极管D₁和D₈上分别串联饱和电感L₃和L₅，在开关管S₁和S₂上分别串联饱和电感L₂和L₄，还增加由二极管D₂-D₄、电容C₂-C₃组成的升压辅助谐振电路和由电容C₅-C₆、二极管D₅-D₇组成的降压辅助谐振电路。

所述主电路由升压电路和降压电路组成，所述升压电路包括开关管S₁、电容C₁-C₄、电感L₁-L₃和二极管D₁-D₄；所述开关管S₁的漏极一路依次经电感L₂、L₃、二极管D₁后接所述蓄电池U_BAT的正极，所述开关管S₁的漏极另一路依次经二极管D₂-D₄接所述高压端U_H的正极，所述开关管S₁的源极分别与蓄电池U_BAT、高压端U_H的负极连接；所述电感L₂与L₃的结点经电感L₁后接蓄电池U_BAT的正极；所述电容C₂的一端接二极管D₂与D₃的结点，其另一端与开关管S₁的源极连接；所述电容C₃连接在电感L₃与二极管D₁的结点和二极管D₃与D₄的结点之间；所述电容C₁接在蓄电池U_BAT的两端；所述电容C₃接在高压端U_H的两端。

所述降压电路包括开关管S₂、所述电容C₁和C₄、电容C₅-C₆、所述电感L₁、电感L₄-L₅和二极管D₅-D₈；所述开关管S₂的漏极依次经电容C₅、二极管D₅、电感L₅、二极管D₈、电感L₄接开关管S₂的源极；所述开关管S₂的漏极与电容C₅的结点接高压端U_H的正极；所述电感L₅与二极管D₅的结点接高压端U_H的负极；所述电容C₆的一端接电感L₅与二极管D₈的结点，其另一端经二极管D₆接二极管D₅与电容C₅的结点；所述二极管D₇接在电容C₆与二极管D₆的结点和电感L₄与二极管D₈的结点之间；所述二极管D₈与电感L₄的结点经电感L₁接蓄电池U_BAT的正极；所述蓄电池U_BAT的负极与所述高压端U_H的负极相连接。

Claims (1)

1.一种蓄电池储能系统用双向DC/DC变换器软开关主电路，其特征在于所述主电路由升压电路和降压电路组成，所述升压电路包括开关管S₁、电容C₁-C₄、电感L₁-L₃和二极管D₁-D₄；所述开关管S₁的漏极一路依次经电感L₂、L₃、二极管D₁后接所述蓄电池U_BAT的正极，所述开关管S₁的漏极另一路依次经二极管D₂-D₄接高压端U_H的正极，所述开关管S₁的源极分别与蓄电池U_BAT的负极、高压端U_H的负极连接；所述电感L₂与L₃的结点经电感L₁后接蓄电池U_BAT的正极；所述电容C₂的一端接二极管D₂与D₃的结点，其另一端与开关管S₁的源极连接；所述电容C₃连接在电感L₃与二极管D₁的结点和二极管D₃与D₄的结点之间；所述电容C₁接在蓄电池U_BAT的两端；所述电容C₃接在高压端U_H的两端；

所述降压电路包括开关管S₂、所述电容C₁和C₄、电容C₅-C₆、所述电感L₁、电感L₄-L₅和二极管D₅-D₈；所述开关管S₂的漏极依次经电容C₅、二极管D₅、电感L₅、二极管D₈、电感L₄接开关管S₂的源极；所述开关管S₂的漏极与电容C₅的结点接高压端U_H的正极；所述电感L₅与二极管D₅的结点接高压端U_H的负极；所述电容C₆的一端接电感L₅与二极管D₈的结点，其另一端经二极管D₆接二极管D₅与电容C₅的结点；所述二极管D₇接在电容C₆与二极管D₆的结点和电感L₄与二极管D₈的结点之间；所述二极管D₈与电感L₄的结点经电感L₁接蓄电池U_BAT的正极；所述蓄电池U_BAT的负极与所述高压端U_H的负极相连接。

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