CN104124866A - 升降压双向直流变换器拓扑 - Google Patents

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Abstract

本发明实现了一种直流电与另一种直流电的电能双向变换，对两端电压关系没有特别限制，可以广泛应用于电源系统、智能微网、电机驱动和制动等系统中。本发明是在直流输入输出两端(V1端和V2端)的正负极上各串联一个开关管(与V1端正极连接的开关管为S11，与V1负极连接的开关管为S12，与V2端正极连接的开关管为S21，与V2端负极连接的开关管为S22)，开关管S11和S21之间连接电感L1，开关管S12和S22之间连接电感L2，电感L1和L2与开关S11和S12的连接一侧之间连接有升续电路，电感L1和L2与开关S11和S12的连接一侧之间也连接有升续电路。本发明的拓扑结构的开关管的电压应力低，共模噪声小，从而实现了低成本、高可靠的双向直流变换器，可以广泛应用与电池管理、新能源、电动汽车等领域。

Description

升降压双向直流变换器拓扑
技术领域
本发明属于电力变流领域，实现了一种直流电与另一种直流电的电能双向变换，可以广泛应用于电源系统、智能微网、储能、电机驱动和制动等系统中。
背景技术
直流变换器将一种直流电转换成另一种或多种直流电的电能变换器是直流开关电源的主要部件，双向直流变换器则可实现能量的双向传输，升降压双向直流变换器是指直流电一端的电压与另一端的电压没有特别要求，不必一端必须高于另一端。升降压双向直流变换器广泛应用在新能源储能系统、智能微网系统、电机变频驱动和制动等领域。尤其随着新能源技术的发展，需要升降压双向变换的系统功率容量越来越高，直流变换器的两端电压也越来越高。面向这种应用，传统的拓扑结构越来越难于实现，或有成本较高、效率较低等缺点。
发明内容
本发明提出了一种升降压双向直流变换器拓扑，创新的实现了高可靠、高效率、低成本的对两种直流电的双向变换，并且对两端的电压关系没有限制。
本发明的技术方案(对照附图)是：
直流输入输出两端(V1端和V2端)的正负极上各串联一个开关管(与V1端正极连接的开关管为S11，与V1负极连接的开关管为S12，与V2端正极连接的开关管为S21，与V2端负极连接的开关管为S22)，开关管S11和S21之间连接电感L1，开关管S12和S22之间连接电感L2，电感L1和L2与开关S11和S12的连接一侧之间连接有升续电路(升续电路为升压和续流电路的简称)，电感L1和L2与开关S11和S12的连接一侧之间也连接有升续电路；开关管S11、S12、S21、S22是双向的，或并联有反向二极管(图中的D11、D12、D21、D22)，或开关管内部集成了反向二极管；升续电路有两种实现拓扑，一种是无箝位升续电路(如图1中所示)，一种是中点箝位升续电路(如图2中所示)；无箝位升续电路是直接在电感L1和L2之间连接一个升续开关管(如图1中，V1端的S10，V2端的S20)，升续开关管(S10和S20)是双向的，或并联有反向二极管(V1端D10，V2端D20)，或开关管内部集成了反向二极管；中点箝位升续电路是在直流输入输出端正负极之间串联两个电容(V1端的C11和C12，V2端的C21和C22)，在电感L1和L2之间连接串联两个升续开关管(V1端的S13和S14，V2端的S23和S24)，两个串联电容之间的中点与两个串联开关管的中点相连，升续开关管(V1端S13和S14，V2端S23和S24)是双向的，或并联有反向二极管(V1端D13和D14，V2端D23和D24)，或开关管内部集成了反向二极管；每个双向变换器中的两个升续电路(V1侧和V2侧)可以都采用有中点箝位升续电路，或都采用无箝位升续电路，或一侧采用中点箝位升续电路另一侧采用无箝位升续电路的混合结构。
本发明的有益效果是：
本发明的拓扑电路实现了功率的双向变换，并且对直流电两端电压关系没有特别要求，一端电压可以高于或低于另一端电压，并且本发明的拓扑上下对称，所以对开关管的耐压要求降低了50％，从而降低了最终产品的成本，并且提高了变换效率，提高了系统可靠性，更适用于高电压和高容量的系统。
附图说明
本说明书有五个附图：
图1，采用无箝位升续电路的升降压双向直流变换拓扑；
图2，采用中点箝位升续电路的升降压双向直流变换拓扑；
图3，采用混合升续电路的升降压双向直流变换器拓扑；
图4，降压工作状态示意图；
图5，升压工作状态示意图；
具体实施方式
图4、图5是使用本发明的升降压双向直流变换器拓扑的工作示意图，两图示意了电能从V1侧流向V2侧的工作状态。由于电路两侧是对称结构，所以电能从V2侧流向V1的工作原理与V1侧到V2侧相同。
图4所示的是功率从直流输入输出端V1降压流向V2(V1侧电压高于V2电压)的工作原理：这时开关S11和S12处于高频斩波开关状态，S11和S12同时开通或关断，V1侧的升续电路(图中的S10和D10)处于续流工作状态，V2侧的升续电路(图中的S20和D20)处于关断状态，开关S21和S22处于导通状态；当S11和S12开通时，对电感L1和L2充电，升续电路处于关断状态；当S11和S12处于关断状态时，电感L1和L2的电流通过V1侧升续电路续流；升续电路可以采用二极管续流方式，即续流电流从升续电路中的二极管流过，也可以采用同步续流方式，即续流电流从升续电路中的开关管；二极管续流的方式，续流不需要控制，所以控制策略简单，同步续流的方式控制较为复杂，但可以实现更高的效率；通过控制S11和S12的高频斩波的占空比控制V2侧输出的电压幅值和功率。
图5所示的是功率从直流输入输出端V1升压流向V2(V1侧电压低于V2侧电压)的工作原理：这时开关S11和S12处于导通状态，V1侧的升续电路处于关断状态，V2侧升续电路中的开关管(图5中的S20)处于高频升压开关状态，开关S21和S22处于续流状态；当S20开通时对电感L1和L2进行充电，S21、D21和S22、D22处于关断，当S20关断时电感L1和L2的电流通过S21/D21和S22/D22续流，向V2直流侧输电；电感L1和L2的电流续流也有两种方式，二极管续流方式和同步续流方式，二极管续流方式需要在S11和S12上并联续流二极管，但控制比较简单，同步续流方式控制较复杂，但可以实现更高的效率；通过调节升续电路的开关管的高频升压开关占空比控制直流V1侧的输出电压和功率。
上面详细叙述了电能从V1端流向V2端降压和升压两种工作状态，电能从V2端流向V1端的工作原理与前者类似。由于本拓扑的正负极是对称结构，所以本拓扑有共模干扰低的优点。通过调节各个开关管的开关状态实现功率的升压或降压的双向流动，可以广泛应用于储能、智能微网、电池管理、电机驱动和制动等领域。

Claims (6)

1.升降压双向直流变换器拓扑，实现两种直流电的互相转换，其特征在于直流输入输出两端(V1端和V2端)的正负极上各串联一个开关管(与V1端正极连接的开关管为S11，与V1负极连接的开关管为S12，与V2端正极连接的开关管为S21，与V2端负极连接的开关管为S22)，开关管S11和S21之间连接电感L1，开关管S12和S22之间连接电感L2，电感L1和L2与开关S11和S12的连接一侧之间连接有升续电路，电感L1和L2与开关S11和S12的连接一侧之间也连接有升续电路。
2.根据权利要求1所述的升降压双向直流变换器拓扑，其特征在于所述的开关管S11、S12、S21、S22是双向的，或并联有反向二极管，或开关管内部集成了反向二极管。
3.根据权利要求1所述的升降压双向直流变换器拓扑，其特征在于所述的升续电路有两种实现拓扑，一种是无箝位升续电路，一种是中点箝位升续电路。
4.根据权利要求1和权力要求3所述的升降压双向直流变换器拓扑，其特征在于所述的无箝位升续电路是直接在电感L1和L2之间连接一个升续开关管(V1端的S10，V2端的S20)，升续开关管(S10和S20)是双向的，或并联有反向二极管(V1端D10，V2端D20)，或开关管内部集成了反向二极管。
5.根据权利要求1和权力要求3所述的升降压双向直流变换器拓扑，其特征在于所述的中点箝位升续电路是在直流输入输出端正负极之间串联两个电容(V1端的C11和C12，V2端的C21和C22)，在电感L1和L2之间连接串联两个升续开关管(V1端的S13和S14，V2端的S23和S24)，两个串联电容之间的中点与两个串联开关管的中点相连，升续开关管(V1端S13和S14，V2端S23和S24)是双向的，或并联有反向二极管(V1端D13和D14，V2端D23和D24)，或开关管内部集成了反向二极管。
6.根据权利要求1和权力要求3所述的升降压双向直流变换器拓扑，其特征在于双向变换器中的两个升续电路(V1侧和V2侧)可以都采用有中点箝位升续电路，或都采用无箝位升续电路，或一侧采用中点箝位升续电路另一侧采用无箝位升续电路的混合结构。
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