CN105743344A - 一种带耦合电感的隔离型三电平双向直流-直流变换器 - Google Patents

一种带耦合电感的隔离型三电平双向直流-直流变换器 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种带耦合电感的隔离型三电平双向直流?直流变换器，包括高压侧输入电容、低压侧输入电容、高压侧电源、低压侧电源、第一功率开关管、第二功率开关管、第三功率开关管、第四功率开关管、第一二极管、第二二极管、第三二极管、第四二极管、以及相互耦合的第一耦合滤波电感、第二耦合滤波电感。本发明的输出电流纹波小，开关管的损耗小，并且结构较为简单。

Description

一种带耦合电感的隔离型三电平双向直流-直流变换器
技术领域
本发明涉及一种直流-直流变换器，具体涉及一种带耦合电感的隔离型三电平双向直流-直流变换器。
背景技术
进入21世纪，人类主要的能源获取仍依托于化石能源的消耗，这种不可再生能源的大量开发不仅是人类面临能源枯竭的威胁，同时也给人类生活的环境带来了巨大的破坏和危害。随着太阳能、风能等可再生能源的开发和转换技术的不断革新，世界各国对于可再生能源的研究和应用也越来越成熟。这其中，应用于电能变换技术中的直流-直流变换器在能量储存、交换和转换中扮演者重要角色，在不同的应用场合，对于直流-直流变换器输入输出纹波、能量的双向流动性、升压/降压比、效率有着不同的要求。
理想的直流-直流变换器有低输入输出纹波、高升降压比、高效率等特征。传统的Buck/Boost型双向直流-直流变换器由于其电路结构简单得到了较为广泛的应用，但是单个功率器件耐压高，开关应力大，开关损耗大，输出纹波大等技术短板很大程度上限值了其更进一步的应用。近年来，随着交错并联、三电平拓扑等技术的提出，在一定程度或者某一方面克服和减弱了双向直流-直流变换器存在的上述问题，但往往不能较全面的解决上述问题。
发明内容
本发明的目的在于克服上述现有技术的缺点，提供了一种带耦合电感的隔离型三电平双向直流-直流变换器，该变换器的输出电流纹波小，开关管的损耗小，并且结构较为简单。
为达到上述目的，本发明所述的带耦合电感的隔离型三电平双向直流-直流变换器包括高压侧输入电容、低压侧输入电容、高压侧电源、低压侧电源、第一功率开关管、第二功率开关管、第三功率开关管、第四功率开关管、第一二极管、第二二极管、第三二极管、第四二极管、以及相互耦合的第一耦合滤波电感、第二耦合滤波电感；
高压侧电源的正极与高压侧输入电容的一端及第一功率开关管的集电极相连接，高压侧输入电容的另一端与低压侧输入电容的一端、第三功率开关管的集电极及第二功率开关管的发射极相连接，低压侧输入电容的另一端与高压侧电源的负极及第四功率开关管的发射极相连接，第三功率开关管的发射极与第四功率开关管的集电极及第二耦合滤波电感的非同名端相连接，第一功率开关管的发射极与第一耦合滤波电感的同名端及第二功率开关管的集电极相连接，第一耦合滤波电感的非同名端与低压侧电源的正极相连接，第二耦合滤波电感的同名端与低压侧电源的负极相连接；
第一二极管的正极及负极分别与第一功率开关管的发射极及集电极相连接，第二二极管的正极及负极分别与第二功率开关管的发射极及集电极相连接，第三二极管的正极及负极分别与第三功率开关管的发射极及集电极相连接，第四二极管的正极及负极分别与第四功率开关管的发射极及集电极相连接。
还包括低压侧输出电容，其中，低压侧输出电容的两端分别与第一耦合滤波电感的非同名端及第二耦合滤波电感的同名端相连接。
本发明具有以下有益效果：
本发明所述的带耦合电感的隔离型三电平双向直流-直流变换器包括第一功率开关管、第二功率开关管、第三功率开关管及第四功率开关管，其中，各功率开关管均反并联二极管，第一功率开关管、第二功率开关管、第三功率开关管及第四功率开关管串联组成“1”字型三电平桥臂结构，从而减少单个功率开关管的耐压及开关应力，提高第一耦合滤波电感及第二耦合滤波电感上的纹波频率，降低第一耦合滤波电感及第二耦合滤波电感的电流纹波，同时利用第一耦合滤波电感及第二耦合滤波电感将电路分为两级输出，使得电路结构更加对称，从而有效的降低变换器的体积及制造成本。
附图说明
图1为本发明的电路图；
图2为本发明在工作模态一下的电流流通示意图；
图3为本发明在工作模态二下的电流流通示意图；
图4为本发明在工作模态三下的电流流通示意图；
图5为本发明在工作模态四下的电流流通示意图；
图6为本发明在Buck工作模式下占空比大于0.5输出波形示意图；
图7为本发明在Buck工作模式下占空比小于0.5输出波形示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步详细描述：
参考图1，本发明所述的带耦合电感的隔离型三电平双向直流-直流变换器包括高压侧输入电容C1、低压侧输入电容C2、高压侧电源、低压侧电源、第一功率开关管V1、第二功率开关管V2、第三功率开关管V3、第四功率开关管V4、第一二极管D1、第二二极管D2、第三二极管D3、第四二极管D4、以及相互耦合的第一耦合滤波电感L1、第二耦合滤波电感L2；高压侧电源的正极与高压侧输入电容C1的一端及第一功率开关管V1的集电极相连接，高压侧输入电容C1的另一端与低压侧输入电容C2的一端、第三功率开关管V3的集电极及第二功率开关管V2的发射极相连接，低压侧输入电容C2的另一端与高压侧电源的负极及第四功率开关管V4的发射极相连接，第三功率开关管V3的发射极与第四功率开关管V4的集电极及第二耦合滤波电感L2的非同名端相连接，第一功率开关管V1的发射极与第一耦合滤波电感L1的同名端及第二功率开关管V2的集电极相连接，第一耦合滤波电感L1的非同名端与低压侧电源的正极相连接，第二耦合滤波电感L2的同名端与低压侧电源的负极相连接；第一二极管D1的正极及负极分别与第一功率开关管V1的发射极及集电极相连接，第二二极管D2的正极及负极分别与第二功率开关管V2的发射极及集电极相连接，第三二极管D3的正极及负极分别与第三功率开关管V3的发射极及集电极相连接，第四二极管D4的正极及负极分别与第四功率开关管V4的发射极及集电极相连接。
本发明还包括低压侧输出电容C3，其中，低压侧输出电容C3的两端分别与第一耦合滤波电感L1的非同名端及第二耦合滤波电感L2的同名端相连接。
本发明通过控制第一功率开关管V1、第二功率开关管V2、第三功率开关管V3及第四功率开关管V4的动作，使得低压侧桥口输出电压VL波形为0、+1/2VH及VH三种电平。
本发明工作模态分为4种，其，Buck工作模式下的4种工作模态详见图2-图5。
工作模态一：第一功率开关管V1及第四功率开关管V4开通，第二功率开关管V2及第三功率开关管V3关断时，电流流通波形如图2所示，此时桥口输出电压VL等于VH，第二功率开关管V2及第三功率开关管V3承受电压为VH/2，第一耦合滤波电感L1及第二耦合滤波电感L2上的电流线性上升。
工作模态二：第一功率开关管V1及第三功率开关管V3开通，第二功率开关管V2及第四功率开关管V4关断时，电流流通波形如图3所示，此时桥口输出电压VL等于VH/2，第二功率开关管V2、第四功率开关管V4承受电压为VH/2，第一耦合滤波电感L1及第二耦合滤波电感L2上电流线性下降。
工作模态三：第二功率开关管V2及第四功率开关管V4开通，第一功率开关管V1及第三功率开关管V3关断时，电流流通波形如图4所示，此时桥口输出电压VL等于VH/2，第一功率开关管V1及第三功率开关管V3承受电压为VH/2，第一耦合滤波电感L1及第二耦合滤波电感L2上电流线性下降。
工作模态四：第二功率开关管V2及第三功率开关管V3开通，第一功率开关管V1及第四功率开关管V4关断时，电流流通波形如图5所示，此时桥口输出电压VL等于VH，第一功率开关管V1及第四功率开关管V4承受电压为VH/2，第一耦合滤波电感L1及第二耦合滤波电感L2上电流线性下降。
实际工作中，通过上述不同工作模态的组合，实现三电平双向直流-直流变换的功能，直流-直流变换器由于升/降压比不同，其工作模态的组合形式也不同，具体可以分为占空比大于0.5和占空比小于0.5两种模式，对于本发明来说，降压工作模式占空比大于0.5和升压工作模式占空比小于0.5下的工作模态的组合形式相同，降压工作模式占空比小于0.5和升压工作模式占空比大于0.5下的工作模态的组合形式相同。图6和图7分别给出了降压工作模式下占空比大于0.5和占空比小于0.5时的工作模态组合形式以及输出波形示意图。

Claims (2)

1.一种带耦合电感的隔离型三电平双向直流-直流变换器，其特征在于，包括高压侧输入电容(C1)、低压侧输入电容(C2)、高压侧电源、低压侧电源、第一功率开关管(V1)、第二功率开关管(V2)、第三功率开关管(V3)、第四功率开关管(V4)、第一二极管(D1)、第二二极管(D2)、第三二极管(D3)、第四二极管(D4)、以及相互耦合的第一耦合滤波电感(L1)、第二耦合滤波电感(L2)；
高压侧电源的正极与高压侧输入电容(C1)的一端及第一功率开关管(V1)的集电极相连接，高压侧输入电容(C1)的另一端与低压侧输入电容(C2)的一端、第三功率开关管(V3)的集电极及第二功率开关管(V2)的发射极相连接，低压侧输入电容(C2)的另一端与高压侧电源的负极及第四功率开关管(V4)的发射极相连接，第三功率开关管(V3)的发射极与第四功率开关管(V4)的集电极及第二耦合滤波电感(L2)的非同名端相连接，第一功率开关管(V1)的发射极与第一耦合滤波电感(L1)的同名端及第二功率开关管(V2)的集电极相连接，第一耦合滤波电感(L1)的非同名端与低压侧电源的正极相连接，第二耦合滤波电感(L2)的同名端与低压侧电源的负极相连接；
第一二极管(D1)的正极及负极分别与第一功率开关管(V1)的发射极及集电极相连接，第二二极管(D2)的正极及负极分别与第二功率开关管(V2)的发射极及集电极相连接，第三二极管(D3)的正极及负极分别与第三功率开关管(V3)的发射极及集电极相连接，第四二极管(D4)的正极及负极分别与第四功率开关管(V4)的发射极及集电极相连接。
2.根据权利要求1所述的带耦合电感的隔离型三电平双向直流-直流变换器，其特征在于，还包括低压侧输出电容(C3)，其中，低压侧输出电容(C3)的两端分别与第一耦合滤波电感(L1)的非同名端及第二耦合滤波电感(L2)的同名端相连接。
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