CN102223062B - 蓄电池储能系统用双向dc/dc变换器软开关主电路 - Google Patents
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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
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UBAT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UH的正极,所述开关管S1的源极分别与蓄电池UBAT、高压端UH的负极连接;所述电感L2与L3的结点经电感L1后接蓄电池UBAT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UBAT的两端;所述电容C3接在高压端UH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UH的正极;所述电感L5与二极管D5的结点接高压端UH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UBAT的正极;所述蓄电池UBAT的负极与所述高压端UH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UBAT流向高压端UH,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UH,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UH时二极管D3和D4开始导通,电容C2两端电压被钳位在UH;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UH流向蓄电池UBAT,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UBAT,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UBAT时二极管D6和D7开始导通,电容C5电压被钳位在UBAT;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UBAT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UH的正极,所述开关管S1的源极分别与蓄电池UBAT、高压端UH的负极连接;所述电感L2与L3的结点经电感L1后接蓄电池UBAT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UBAT的两端;所述电容C3接在高压端UH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UH的正极;所述电感L5与二极管D5的结点接高压端UH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UBAT的正极;所述蓄电池UBAT的负极与所述高压端UH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UBAT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UH的正极,所述开关管S1的源极分别与蓄电池UBAT的负极、高压端UH的负极连接;所述电感L2与L3的结点经电感L1后接蓄电池UBAT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UBAT的两端;所述电容C3接在高压端UH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UH的正极;所述电感L5与二极管D5的结点接高压端UH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UBAT的正极;所述蓄电池UBAT的负极与所述高压端UH的负极相连接。
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