CN105119489B - 一种双向升降压斩波电路 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种双向升降压斩波电路，包括第一斩波支路、第二斩波支路、第一储能电容C3、第二储能电容C4、第一滤波电容C1、第二滤波电容C2以及储能电感L，第一斩波支路、第二斩波支路均包括两个具有相同连接极性的开关管，且第一斩波支路与第二斩波支路中开关管的连接极性相反，每个开关管反并联有二极管；第一储能电容C3的一端与第一电源U₁端的正极连接，另一端与第二电源U₂端的正极连接；第二储能电容C4的一端与第一电源U₁端的负极连接，另一端与第二电源U₂端的负极连接。本发明具有结构简单、能够实现能量的双向传输，同时能够在两个传输方向上均实现升降压功能，且开关管以及储能电容所承受的电压应力低等优点。

Description

一种双向升降压斩波电路

技术领域

本发明涉及斩波电路技术领域，尤其涉及一种双向升降压斩波电路。

背景技术

DC/DC变换器用于驱动反电动势负载(如蓄电池、超级电容、直流电机等)时，常需要进行能量双向传输，如驱动蓄电池、超级电容负载时，既要求能够使外部电源能对其充电，又要求可使其向外部放电；又如驱动直流电机负载时，常需要使电机既可电动运行，又可再生制动运行，将能量回馈电源。

为了能够使DC/DC变换器实现双向能量传输，一种方案是采用直接的方式，将两台单向DC/DC变换器反并联连接，同时使得两台DC/DC变换器不同时工作，以此实现能量的双向传输，但采用该类方式时，一台DC/DC变换器工作时，另一台DC/DC变换器被闲置，其一方面资源利用率低；另一方面，采用分时工作的DC/DC变换器所构成的储能系统的空间体积大、系统成本较高，且能量流动方向的切换控制非常复杂；另一种方案，是由双向DC/DC变换器通过一个变换器来达到两个变换器的功能，控制能量双向流动，使系统总器件数目变少，从而减小系统体积和成本、提高功率密度，且可更快速方便地实现能量流动方向的切换。

双向Buck/Boost电路、双向Buck-Boost电路、双向Cuk电路、双向Sepic/Zeta电路是目前较为常用的四种兼具降压功能和升压功能的斩波电路拓扑，这些电路拓扑虽然也能够实现能量双向流动，但双向Buck/Boost电路不能在一个方向上实现升压和降压功能，而且开关管要承受2U₁的电压应力，其他三种双向DC/DC拓扑虽可以单方向实现升压和降压功能，但开关管要承受U₁+U₂的电压应力，在高压场合使用受限。

Buck-Boost电路、Cuk电路、Sepic电路、Zeta电路是目前较为常用的四种兼具降压功能和升压功能的斩波电路拓扑，如图1、2所示，以Buck-Boost电路、Cuk电路为例，目前的升降压斩波电路拓扑均存在以下问题：

1)只能在一个方向上实现升压和降压功能，不能够实现双方向上的升降压功能；

2)电路拓扑中开关管需要承受较高的电压应力，其中，Buck-Boost电路中开关管需要承受2U₁(U₁为输入电压)的电压应力，其它三种升降压斩波电路拓扑中开关管则需要承受U₁+U₂(U₂为输出电压)的电压应力；因此这些电路拓扑应用在高压场合中均会受到一定的限制，若采用更高电压等级的开关管来解决该问题，又必然会造成产品成本的增加。

发明内容

本发明要解决的技术问题就在于：针对现有技术存在的技术问题，本发明提供一种结构简单、能够实现能量的双向传输，同时能够在两个传输方向上均实现升降压功能，且电路中开关管以及储能电容所承受的电压应力低的双向升降压斩波电路。

为解决上述技术问题，本发明提出的技术方案为：

一种双向升降压斩波电路，包括第一斩波支路、第二斩波支路、第一储能电容C3、第二储能电容C4、第一滤波电容C1、第二滤波电容C2以及储能电感L，第一斩波支路的一端连接第一电源U₁端的正极，另一端连接第二电源U₂的负极，所述第二斩波支路的一端连接第一电源U₁端的负极，另一端连接第二电源U₂端的正极；所述第一斩波支路、第二斩波支路均包括两个具有相同连接极性的开关管，且所述第一斩波支路与所述第二斩波支路中开关管的连接极性相反，每个所述开关管反并联有二极管；

所述第一储能电容C3的一端与第一电源U₁端的正极连接，另一端与第二电源U₂端的正极连接；所述第二储能电容C4的一端与第一电源U₁端的负极连接，另一端与第二电源U₂端的负极连接；所述储能电感L的一端连接在所述第一斩波支路的两个开关管之间，另一端连接在所述第二斩波支路的两个开关管之间；所述第一滤波电容C1和第二滤波电容C2分别设置在第一电源U₁端、第二电源U₂端。

作为本发明的进一步改进：每个所述开关管并联连接有一个保护电路。

作为本发明的进一步改进：还包括设置在输入端的输入滤波电路。

作为本发明的进一步改进：还包括设置在输入端正极母线上的软启动电路。

作为本发明的进一步改进：所述开关管采用IGBT开关管、IPM开关管以及MOS开关管中的一种。

作为本发明的进一步改进：所述第一斩波支路、第二斩波支路分别采用一个双管IGBT桥模块。

与现有技术相比，本发明的优点在于：

1)本发明双向升降压斩波电路由两条斩波支路，可工作于正向升降压DC/DC变换模式以及反向升降压DC/DC变换模式，由该两种工作模式交替即可实现能量的双向流动，因而能够在实现双向DC/DC变换的基础上，在每个变换方向上兼具升压和降压功能，尤其适用于能量需要双向传输且输出电压变化范围宽的场合；

2)本发明双向升降压斩波电路，不仅可以实现能量的双向传输，且能够使得电路中开关管所承受的电压应力仅为(U₁+U₂)/2，滤波电容C3、C4所承受的电压应力为|U₁-U₂|/2，极大的降低了开关管、滤波电容所承受的电压应力，因此能够适用于能量双向传输及更高电压和场合；同时由于电路中每条斩波支路的两个开关管是交替导通和关断的，提高了系统的开关频率，降低了储能电感的体积和容量，以及减少了输出电压的脉动。

附图说明

图1是现有的双向Buck/Boost电路的拓扑结构示意图。

图2是现有的双向Cuk电路的拓扑结构示意图。

图3是本发明实例1中双向升降压斩波电路的拓扑结构示意图。

图4是本发明实施例2中双向升降压斩波电路的拓扑结构示意图。

图5是本发明实施例3中双向升降压斩波电路的拓扑结构示意图。

具体实施方式

以下结合说明书附图和具体优选的实施例对本发明作进一步描述，但并不因此而限制本发明的保护范围。

实施例1：

如图3所示，本实施例双向升降压斩波电路，包括第一斩波支路、第二斩波支路、第一储能电容C3、第二储能电容C4、第一滤波电容C1、第二滤波电容C2以及储能电感L，第一斩波支路的一端连接第一电源U₁端的正极，另一端连接第二电源U₂的负极，第二斩波支路的一端连接第一电源U₁端的负极，另一端连接第二电源U₂端的正极。第一斩波支路、第二斩波支路均包括两个具有相同连接极性的开关管，且第一斩波支路与第二斩波支路中开关管的连接极性相反，每个开关管反并联有二极管。第一储能电容C3的一端与第一电源U₁端的正极连接，另一端与第二电源U₂端的正极连接；第二储能电容C4的一端与第一电源U₁端的负极连接，另一端与第二电源U₂端的负极连接；储能电感L的一端连接在第一斩波支路的两个开关管之间，另一端连接在第二斩波支路的两个开关管之间；第一滤波电容C1和第二滤波电容C2分别设置在第一电源U₁端、第二电源U₂端。本实施例由每一条斩波支路对应一个方向上的DC/DC变换工作模式，每条斩波支路中两个开关管控制实现升、降压功能，同时实现两个传输方向上的升、降压功能。

本实施例开关管具体采用IGBT开关管，第一储能电容C3、第二储能电容C4采用无极电容，如图3所示，第一斩波支路包括第一开关管V1、第二开关管V2，第二斩波支路包括第三开关管V3、第四开关管V4，与各开关管反并联的二极管分别为第一二极管D1～第四二极管D4，第一电源U₁端为输入端、第二电源U₂为输出端，且U₁、U₂互为电源端和负载端。从图中可知，本实施例双向升降压斩波电路从输入端到输出端、与从输出端到输入端的电路结构完全一致，当U₁>U₂时，第一储能C3、第二储能电容C4承受正向电压，当U₁<U₂时，第一储能C3、第二储能电容C4承受反向电压。

当第一开关管V1、第二开关管V2进行斩波控制，第三开关管V3、第四开关管V4封锁脉冲截止时，本实施例双向升降压斩波电路工作于正向升降压DC/DC变换模式；当第一开关管V1、第二开关管V2封锁脉冲截止，第三开关管V3、第四开关管V4进行斩波控制时，本实施例双向升降压斩波电路工作于反向升降压DC/DC变换模式，由该两种工作模式交替即可实现能量的双向流动，因而能够在实现双向DC/DC变换的基础上，在每个变换方向上兼具升压和降压功能，尤其适用于能量需要双向传输且输出电压变化范围宽的场合。

参见图3，本实施例具体由第一开关管V1的C极、第一二极管D1的阴极、第一滤波电容C1的正极、第一储能电容C3的一端均与第一电源U1端的正极相连，构成输入正极端口，第四开关管V4的C极、第四二极管D4的阴极、第二滤波电容C2的正极、第一储能电容C3的另一端均与第二电源U2端的正极相连，构成输出正极端口；第二开关管V2的E极、第二二极管D2的阳极、第一滤波电容C1的负极、第二储能电容C4的一端均与输入电源U1端负极相连，构成输入负极端口，第三开关管V3的E极、第三二极管D3的阳极、第二滤波电容C2的负极、第二储能电容C4的另一端均与第二电源U2端的负极相连，构成输出负极端口；第一开关管V1的E极、第一二极管D1的阳极均与第三开关管V3的C极、第三二极管D3的阴极相连构成节点M，第二开关管V2的C极、第二二极管D2的阴极均与第一开关管V1的E极、第一二极管D1的阳极相连构成节点N，储能电感连接在节点M与N之间。

本实施例开关管采用IGBT开关管，在实际应用中开关管还可以采用IPM、MOSFET等开关器件；电路中二极管具体可以采用独立的二极管模块，也可以为开关管内部集成的反并联二极管器件；第一滤波电容C1、第二滤波电容C2具体可采用无极电容，也可采用有极电容。

本实施例双向升降压斩波电路中，每条斩波支路中的两个开关管对应的驱动信号具有相同导通占空比，且相位上相差半个周期，则通过控制各个开关管的导通，即可实现双向DC/DC变换功能，以及在每个DC/DC变换方向上既能实现降压功能，又能实现升压功能。

本实施例双向升降压斩波电路工作于交替正反向升降压DC/DC变换时，主要用于向反电动势负载供电并回馈能量，根据输入输出电压大小不同分为两种工作模式：当U₁>U₂时，本实施例双向升降压斩波电路工作于正向降压和反向升压模式，包括第一开关管V1、第二开关管V2不存在同时导通的情况，以及第三开关管V3、第四开关管V4存在同时导通的情况；当U₁<U₂时，本实施例双向升降压斩波电路工作于正向升压和反向降压模式，包括第一开关管V1、第二开关管V2存在同时导通的情况，第三开关管V3、第四开关管V4不存在同时导通的情况，以第一电源U₁端为电源侧、第二电源U₂端为负载侧为例，具体的工作原理如下所示：

①正向升降压DC/DC变换模式

当第一开关管V1、第二V2进行斩波控制、第三开关管V3、第四开关管V4封锁脉冲截止时，电路工作于正向升降压DC/DC变换模式，即能量正向传输，由电源侧U₁向负载侧U₂提供能量。

由于第一开关管V1、第二开关管V2的驱动信号具有相同导通占空比，且相位上相差半个周期，则当工作于正向升降压DC/DC变换时，主要用于电源U₁侧向负载U₂侧供电，U₂侧可接电阻、反电动势负载。通过改变第一开关管V1、第二开关管V2的驱动信号的导通占空比，就可以改变输出电压，其中输入、输出电压满足以下关系：

其中α为第一开关管V1、第二开关管V2的驱动信号的占空比。

其中：

a)当0<α≤0.5时，U₂<U₁，电路工作于正向降压模式，该模式下电路工作过程分为4个阶段，任一阶段不存在第一开关管V1、第二开关管V2同时导通的情况，4个阶段中开关管状态分别为：V1导通、V2截止；V1、V2都截止；V1截止、V2导通；V1、V2都截止；

b)当0.5<α<1时，U₂>U₁，则电路工作于正向升压模式，该模式下电路工作过程也分为4个阶段，存在第一开关管V1、第二开关管V2同时导通的情况，4个阶段中开关管状态分别为：V1、V2都导通；V1导通、V2截止；V1、V2都导通；V1截止、V2导通。

②反向升降压DC/DC变换模式

当第一开关管V1、第二开关管V2封锁脉冲截止，第三开关管V3、第四开关管V4进行斩波控制时，电路工作于反向升降压DC/DC变换模式，即能量反向传输，负载侧U₂向电源侧U₁回馈能量。

由于第三开关管V3、第四开关管V4的驱动信号具有相同导通占空比，且相位上相差半个周期，则当工作于反向升降压DC/DC变换时，主要用于反电动势负载U₂侧向电源U₁侧回馈能量。通过改变第三开关管V3、第四开关管V4的驱动信号导通占空比，就可以改变输出电压，输入、输出电压满足以下关系：

其中α为第三开关管V3、第四开关管V4的驱动信号的占空比。

a)当0<α≤0.5时，U₁<U₂，电路工作于反向降压模式，该模式下电路工作过程分为4个阶段，任一阶段不存在第三开关管V3、第四开关管V4同时导通的情况，4个阶段中开关管状态分别为：V3导通、V4截止；V3截止、V4截止；V3截止、V4导通；V3截止、V4截止；

b)当0.5<α<1时，U₁>U₂，电路工作于反向升压模式，该模式下电路工作过程也分为4个阶段，存在第三开关管V3、第四开关管V4同时导通的情况，4个阶段中开关管状态分别为：V3导通、V4导通；V3导通、V4截止；V3导通、V4导通；V3截止、V4导通。

本实施例双向升降压斩波电路，除了工作为上述正向升降压DC/DC模式、反向升降压DC/DC模式外，还包括第三种工作模式，即为在一个周期内交替地作为正向DC/DC变换电路和反向DC/DC变换电路工作的交替工作模式。在这种交替工作模式中，储能电感L的储能通常不足以维持电流连续，因而当工作为正向DC/DC变换电路(或反向DC/DC变换电路)时，储能电感L的电流断续为零时，使反向DC/DC变换电路(或正向DC/DC变换电路)工作，让电流反方向流过，从而使得电感L上总是有电流流过。

本实施例当输入电压和负载发生变化时，具体根据闭环控制调整对应开关占空比，从而达到维持稳定输出的结果。

本实施例具体对每条斩波支路中的两个开关管进行PWM(脉冲宽度调制)控制，以调节输出电压变化，使得输出电压能够具有较宽的变化范围。

本实施例双向升降压斩波电路，不仅可以实现能量的双向传输，且能够极大的降低开关管(V1、V2、V3、V4)所承受的电压应力。根据基尔霍夫电压定律，本实施例双向升降压斩波电路在任一种工作模式下具有以下电压关系：

U₁＝U_C3+U₂+U_C4 (3)

其中U_C3为第一滤波电容C3两端的电压，U_C4为第二滤波电容C4两端的电压。如果电容第一滤波C1、第二滤波电容C2、第一储能电容C3、第二储能电容C4均足够大，即电容电压变化极小，可以近似维持稳定值，则当电路达到稳态后，可以近似为U_C3＝U_C4，进而得到：

即本实施例双向升降压斩波电路中，第一滤波电容C3、C4承受的电压应力为|U₁-U₂|/2，相比传统的双向升降压斩波电路中储能电容第二储能电容C4需要承受(U₁+U₂)/2的电压应力，与传统的升降压斩波电路相比，极大的降低了储能电容C3、C4对电压应力的需求。

在任一种DC/DC变换工作模式下，本实施例双向升降压斩波电路在各电容电压稳定后，4个开关管(V1、V2、V3、V4)所承受的电压应力为U_V1＝U_V2＝U_V3＝U_V4＝(U₁+U₂)/2，相比传统的升降压斩波电路(如Buck-Boost电路、Cuk电路、Sepic电路、Zeta电路)、双向DC/DC电路拓扑(如双向Buck/Boost电路、双向Buck-Boost电路、双向Cuk电路、双向Sepic/Zeta电路)，开关管所承受的电压应力能够降低一半左右，极大地降低了对开关管电压等级的要求。

本实施例双向升降压斩波电路，不仅可以实现能量的双向传输，且电路中开关管(V1、V2、V3、V4)所承受的电压应力仅为(U₁+U₂)/2，滤波电容C3、C4承受的电压应力为|U₁-U₂|/2，因此能够适用于能量双向传输及更高电压和场合；同时由于电路中每条斩波支路的两个开关管是交替导通和关断的，提高了系统的开关频率，降低了储能电感的体积和容量，以及减少了输出电压的脉动。

实施例2：

如图4所示，本实施例与实施例1基本相同，不同之处在于本实施例第一斩波支路、第二斩波支路分别采用一个双管IGBT桥模块(V1、V2)实现，即由一个双管IGBT桥模块提供两个开关管以及与开关管反向并联的二极管，进一步简化硬件构成。

实施例3：

如图5所示，本实施例与实施例1基本相同，不同之处在于本实施例在每个开关管并联连接有一个保护电路，且还包括设置在输入端的输入滤波电路，以进一步对输入电压进行滤波；以及还包括设置在输入端正极母线上的软启动电路，以在本实施例电路工作前通过充电电阻对各电容进行软充电，使电路满足启动条件。

上述只是本发明的较佳实施例，并非对本发明作任何形式上的限制。虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然而并非用以限定本发明。因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明技术实质对以上实施例所做的任何简单修改、等同变化及修饰，均应落在本发明技术方案保护的范围内。

Claims (6)

1.一种双向升降压斩波电路，其特征在于：包括第一斩波支路、第二斩波支路、第一储能电容C3、第二储能电容C4、第一滤波电容C1、第二滤波电容C2以及储能电感L，所述第一斩波支路的一端连接第一电源U₁端的正极，另一端连接第二电源U₂的负极，第二斩波支路的一端连接第一电源U₁端的负极，另一端连接第二电源U₂端的正极；所述第一斩波支路、第二斩波支路均包括两个具有相同连接极性的开关管，且所述第一斩波支路与所述第二斩波支路中开关管的连接极性相反，每个所述开关管反并联有二极管；

所述第一储能电容C3的一端与第一电源U₁端的正极连接，另一端与第二电源U₂端的正极连接；所述第二储能电容C4的一端与第一电源U₁端的负极连接，另一端与第二电源U₂端的负极连接；所述储能电感L的一端连接在所述第一斩波支路的两个开关管之间，另一端连接在所述第二斩波支路的两个开关管之间；所述第一滤波电容C1和第二滤波电容C2分别设置在第一电源U₁端、第二电源U₂端；

当第一开关管V1、第二开关管V2进行斩波控制，第三开关管V3、第四开关管V4封锁脉冲截止时，所述双向升降压斩波电路工作于正向升降压DC/DC变换模式；当第一开关管V1、第二开关管V2封锁脉冲截止，第三开关管V3、第四开关管V4进行斩波控制时，所述双向升降压斩波电路工作于反向升降压DC/DC变换模式，由该两种工作模式交替实现能量的双向流动。

2.根据权利要求1所述的双向升降压斩波电路，其特征在于：每个所述开关管并联连接有一个保护电路。

3.根据权利要求2所述的双向升降压斩波电路，其特征在于：还包括设置在输入端的输入滤波电路。

4.根据权利要求3所述的双向升降压斩波电路，其特征在于：还包括设置在输入端正极母线上的软启动电路。

5.根据权利要求1～4中任意一项所述的双向升降压斩波电路，其特征在于：所述开关管采用IGBT开关管、IPM开关管以及MOS开关管中的一种。

6.根据权利要求5所述的双向升降压斩波电路，其特征在于：所述第一斩波支路、第二斩波支路分别采用一个双管IGBT桥模块。