CN106787737B - 一种双向直流变换器 - Google Patents

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Abstract

本申请公开了一种双向直流变换器,包括:全桥电路、电感器和第一全控型器件,全桥电路包括第一半桥和第二半桥,第一半桥包括第二全控型器件和第三全控型器件,第二半桥包括第四全控型器件和第五全控型器件;电感器的第一端与第一半桥的中点连接,电感器的第二端与第二半桥的中点连接,电感器的第三端与第一全控型器件的输入端连接,第一全控型器件的输出端与第三全控型器件和第五全控型器件的输出端相连。可见,本发明利用全桥电路、电感器和第一全控型器件,使得电路能够实现在六种双向工作模式间自由切换,增加了双向直流变换器的工作模式,同时提高了电压调节的宽度。

Description

一种双向直流变换器
技术领域
本发明涉及直流变换电路领域,特别涉及一种双向直流变换器。
背景技术
降压、升压和降压-升压是三种最基本的电力电子直流功率变换器。随着动力电池和超级电容等储能装置的普及,双向电力电子功率变换器的收受到了广泛的关注和应用。最简单的双向变换器方案是将上述三种变换器中的续流二极管用全控型半导体开关代替。但是这种方案实现的双向变换器运行模式单一,很难满足电压宽范围变化时的应用需求。
现有技术中,利用一个电感器和一个全桥结构可以实现同一变换器在双向降压、升压和降压-升压三种运行模式间自由切换,如图1所示。但这种结构的电压传输比也仅限于d,d/(1-d)和1/(1-d),其中,d为开关导通占空比。
因此,为了满足更宽范围的电压调节和同一变换器可以在更多的模式间自由切换,更灵活的双向多模式直流变换器结构有待继续研究。
发明内容
有鉴于此,本发明的目的在于提供一种双向直流变换器,以提供多种工作模式和更宽的电压调节范围。其具体方案如下:
一种双向直流变换器,包括:全桥电路、电感器和第一全控型器件,所述全桥电路包括第一半桥和第二半桥,所述第一半桥包括第二全控型器件和第三全控型器件,所述第二半桥包括第四全控型器件和第五全控型器件;其中,所述第二全控型器件与所述第三全控型器件串联,所述第四全控型器件与所述第五全控型器件串联,所述第三全控型器件和所述第五全控型器件的输出端相连,所述电感器的第一端与所述第一半桥的中点连接,所述电感器的第二端与所述第二半桥的中点连接,所述电感器的第三端与所述第一全控型器件的输入端连接,所述第一全控型器件的输出端与所述第三全控型器件和所述第五全控型器件的输出端相连,所述第一全控型器件、所述第二全控型器件、所述第三全控型器件、所述第四全控型器件和所述第五全控型器件的控制端均与控制电路连接;
其中,所述电感器为绕组具有相同绕制方向的电感器。
优选的,全控型器件为N沟道电力场效应晶体管,N沟道电力场效应晶体管的栅极作为全控型器件的控制端,N沟道电力场效应晶体管的漏极作为全控型器件的输入端,N沟道电力场效应晶体管的源极作为全控型器件的输出端。
优选的,全控型器件为P沟道电力场效应晶体管,P沟道电力场效应晶体管的栅极作为全控型器件的控制端,P沟道电力场效应晶体管的源极作为全控型器件的输入端,P沟道电力场效应晶体管的漏极作为全控型器件的输出端。
优选的,全控型器件为绝缘栅双极型晶体管,绝缘栅双极型晶体管的门极作为全控型器件的控制端,绝缘栅双极型晶体管的集电极作为全控型器件的输入端,绝缘栅双极型晶体管的发射极作为全控型器件的输出端。
优选的,所述电感器包括:抽头电感器器或耦合电感器;其中,所述耦合电感器为顺接。
优选的,还包括:
第一滤波电容与所述第一半桥并联,第二滤波电容与所述第二半桥并联。
本发明中,双向直流变换器,包括:全桥电路、电感器和第一全控型器件,全桥电路包括第一半桥和第二半桥,第一半桥包括第二全控型器件和第三全控型器件,第二半桥包括第四全控型器件和第五全控型器件;其中,第二全控型器件与第三全控型器件串联,第四全控型器件与第五全控型器件串联,第三全控型器件和第五全控型器件的输出端相连,电感器的第一端与第一半桥的中点连接,电感器的第二端与第二半桥的中点连接,电感器的第三端与第一全控型器件的输入端连接,第一全控型器件的输出端与第三全控型器件和第五全控型器件的输出端相连,第一全控型器件、第二全控型器件、第三全控型器件、第四全控型器件和第五全控型器件的控制端均与控制电路连接;其中,电感器为绕组具有相同绕制方向的电感器。可见,本发明利用全桥电路、电感器和第一全控型器件,将电感器的第一端与第一半桥的中点连接,电感器的第二端与第二半桥的中点连接,电感器第三端与第一全控型器件连接,第一全控型器件的输出端与第三全控型器件和第五全控型器件的输出端相连,使得电路能够实现在六种双向工作模式间自由切换,增加了双向直流变换器的工作模式,同时提高了电压调节的宽度。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案,下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍,显而易见地,下面描述中的附图仅仅是本发明的实施例,对于本领域普通技术人员来讲,在不付出创造性劳动的前提下,还可以根据提供的附图获得其他的附图。
图1为现有技术公开的一种双向直流变换器结构示意图;
图2为本发明实施例提供公开的一种双向直流变换器结构示意图;
图3为本发明实施例提供公开的一种双向直流变换器控制信号示意图;
图4为本发明实施例提供公开的另一种双向直流变换器控制信号示意图;
图5为本发明实施例提供公开的另一种双向直流变换器控制信号示意图;
图6为本发明实施例提供公开的另一种双向直流变换器控制信号示意图;
图7为本发明实施例提供公开的另一种双向直流变换器控制信号示意图;
图8为本发明实施例提供公开的另一种双向直流变换器控制信号示意图;
图9为本发明实施例提供公开的另一种双向直流变换器结构示意图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图,对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述,显然,所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例,而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例,本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例,都属于本发明保护的范围。
本发明实施例公开了一种双向直流变换器,参见图2所示,该变换器包括:全桥电路、电感器L和第一全控型器件S1;其中,
全桥电路包括第一半桥11和第二半桥12,第一半桥11包括第二全控型器件S2和第三全控型器件S3,第二半桥12包括第四全控型器件S4和第五全控型器件S5;其中,第二全控型器件S2与第三全控型器件S3串联,即,第二全控型器件S2的输出端与第三全控型器件S3的输入端相连,第四全控型器件S4与第五全控型器件S5串联,即,第四全控型器件S4的输出端与第五全控型器件S5的输入端相连,第三全控型器件S3和第五全控型器件S5分别作为第一半桥11和第二半桥12的下桥臂具有公共连接点,即,第三全控型器件S3和第五全控型器件S5的输出端相连。
电感器L的第一端与第一半桥11的中点连接,即,电感器L的第一端连接在第二全控型器件S2的输出端和第三全控型器件S3的输入端之间,电感器L的第二端与第二半桥12的中点连接,即电感器L的第二端连接在第四全控型器件S4的输出端和第五全控型器件S5的输入端之间,电感器L的第三端与第一全控型器件S1的输入端连接,第一全控型器件S1的输出端与第三全控型器件S3和第五全控型器件S5的输出端相连。
进一步的,第一全控型器件S1、第二全控型器件S2、第三全控型器件S3、第四全控型器件S4和第五全控型器件S5的控制端均与控制电路连接。
可以理解的是,由于电感器L的第三端与第一全控型器件S1的输入端连接,所以电感器L的线圈被分为了两部分,第一绕组n1和第二绕组n2,第一绕组n1为电感器L第一端到与第一全控型器件S1的输入端相连部位之间,第二绕组n2为电感器L第二端到与第一全控型器件S1的输入端相连部位之间,且第一绕组n1和第二绕组n2具有相同的铁芯或磁芯,同时,上述电感器L为绕组具有相同绕制方向的电感器L,即,第一绕组n1和第二绕组n2的绕制方向相同。
需要说明的是,利用上述双向直流变换器可以在6种双向工作模式间自由切换,包括正向降压与反向升压复合模式、反向降压与正向升压复合模式、双向降压-升压模式、正向高增益降压与反向高增益升压复合模式、反向高增益降压与正向高增益升压复合模式和双向高增益升降压模式,每种双向工作模式包括2种工作模式,也即,上述双向直流变换器共包括12种工作模式;其中,
正向降压与反向升压复合模式包括正向降压模式和反向升压模式;参见图3所示,其中,
具体的,当双向直流变换器工作在正向降压模式时,电感器L电流方向由电感器L的第一端流向电感器L的第二端,即,第一电压侧V1电压高于第二电压侧V2,第一全控型器件S1和第五全控型器件S5一直关断,第四全控型器件S4一直导通;当第二全控型器件S2导通,第三全控型器件S3关断时,电感器L与V2串联,电流由V1流出,经过第二全控型器件S2的输入端,从第二全控型器件S2的输出端流出向电感器L充电;当第三全控型器件S3导通,第二全控型器件S2关断时,电感器L与第二电压侧V2并联,电感器L中的电流从第一端流出,经由第三全控型器件S3流向第二电压侧V2,即,电感器L向第二电压侧V2放电。
具体的,当双向直流变换器工作在反向升压模式时,电感器L电流方向由电感器L的第二端流向电感器L的第一端,即,第二电压侧V2电压低于第一电压侧V1,第一全控型器件S1和第五全控型器件S5一直关断,第四全控型器件S4一直导通;当第二全控型器件S2导通,第三全控型器件S3关断时,V2与电感器L串联,电流经由第二全控型器件S2向第一电压侧V1放电;当第三全控型器件S3导通,第二全控型器件S2关断时,第二电压侧V2与电感器L并联,第二电压侧V2对电感器L充电。
需要说明的是,第二全控型器件S2和第三全控型器件S3由互补的控制信号控制,根据电感器L满足伏秒积分原理,可得到第一电压侧V1和第二电压侧V2满足关系V2=d2V1或V1=V2/(1-d3),式中,d2是第二全控型器件S2的导通占空比,d3是第三全控型器件S3的导通占空比。
反向降压与正向升压复合模式包括正向升压模式和反向降压模式;参见图4所示,其中,
具体的,当双向直流变换器工作在正向升压模式时,电感器L电流方向由电感器L的第一端流向电感器L的第二端,即,第一电压侧V1电压低于第二电压侧V2,第二全控型器件S2一直导通,第三全控器件S3和第一全控型器件S1一直关断;当第五全控型器件S5导通,第四全控型器件S4关断时,第一电压侧V1与电感器L并联,第一电压侧V1向电感器L充电;当第四全控型器件S4导通,第五全控型器件S5关断时,第一电压侧V1与电感器L串联,第一电压侧V1与电感器L一起向第二电压侧V2放电。
具体的,当双向直流变换器工作在反向降压模式时,电感器L电流方向由电感器L的第二端流向电感器L的第一端,即,第二电压侧V2电压高于第一电压侧V1,第二全控型器件S2一直导通,第三全控器件S3和第一全控型器件S1一直关断;当第五全控型器件S5导通,第四全控型器件S4关断时,第一电压侧V1与电感器L并联,电感器L向第一电压侧V1放电;当第四全控型器件S4导通,第五全控型器件S5关断时,第一电压侧V1与电感器L串联,第二电压侧V2向电感器L和第一电压侧V1充电。
需要说明的是,第四全控型器件S4和第五全控型器件S5由互补的控制信号控制,根据电感器L满足伏秒积分原理,可得到第一电压侧V1和第二电压侧V2满足关系V1=d4V2或V2=V1/(1-d5),式中,d4是第四全控型器件S4的导通占空比,d5是第五全控型器件S5的导通占空比。
双向降压-升压模式包括正向降压-升压模式和反向降压-升压模式;参见图5所示,其中,
具体的,当双向直流变换器工作在正向降压-升压模式时,电感器L电流方向由电感器L的第一端流向电感器L的第二端,第一全控型器件S1一直关断;当第二全控型器件S2和第五全控型器件S5导通,第三全控型器件S3和第四全控型器件S4关断时,第一电压侧V1与电感器L并联,第一电压侧V1向电感器L充电;当第三全控型器件S3和第四全控型器件S4导通,第二全控型器件S2和第五全控型器件S5关断时,第二电压侧V2与电感器L并联,电感器L向第二电压侧V2放电。
具体的,当双向直流变换器工作在反向降压-升压模式时,电感器L电流方向由电感器L的第二端流向电感器L的第一端,第一全控型器件S1一直关断;当第二全控型器件S2和第五全控型器件S5导通,第三全控型器件S3和第四全控型器件S4关断时,电感器L与第一电压侧V1并联,电感器L向第一电压侧V1放电;当第三全控型器件S3和第四全控型器件S4导通,第二全控型器件S2和第五全控型器件S5关断时,电感器L与第二电压侧V2并联,第二电压侧V2向电感器L充电。
需要说明的是,第二全控型器件S2和第五全控型器件S5与第三全控型器件S3和第四全控型器件S4由互补的控制信号控制,根据电感器L满足伏秒积分原理,可得到第一电压侧V1和第二电压侧V2满足关系d6V1=d7V2,式中,d6是第二全控型器件S2和第五全控型器件S5的导通占空比,d7是第三全控型器件S3和第四全控型器件S4的导通占空比。
正向高增益降压与反向高增益升压复合模式包括正向高增益降压模式和反向高增益升压模式;参见图6所示,其中,
具体的,当双向直流变换器工作在正向高增益降压模式时,电感器L电流方向由电感器L的第一端流向电感器L的第二端,即,第一电压侧V1电压高于第二电压侧V2,第三全控型器件S3和第五全控型器件S5一直关断,第四全控型器件S4一直导通;当第一全控型器件S1关断,第二全控型器件S2导通时,电感器L与第二电压侧V2串联,第一电压侧V1向电感器L和第二电压侧V2充电;当第二全控型器件S2关断,第一全控型器件S1导通时,电感器L的第二绕组n2与V2并联,第二绕组n2向V2放电。
具体的,当双向直流变换器工作在反向高增益升压模式时,电感器L电流方向由电感器L的第二端流向电感器L的第一端,即,第二电压侧V2电压低于第一电压侧V1,第三全控型器件S3和第五全控型器件S5一直关断,第四全控型器件S4一直导通;当第一全控型器件S1关断,第二全控型器件S2导通时,第二电压侧V2与电感器L串联,第二电压侧V2与电感器L一起向第一电压侧V1放电;当第二全控型器件S2关断,第一全控型器件S1导通时,电感器L的第二绕组n2与第二电压侧V2并联,第二电压侧V2向电感器L的第二绕组n2充电。
需要说明的是,上述正向高增益降压与反向高增益升压复合模式中第一全控型器件S1和第二全控型器件S2由互补的控制信号控制,根据电感器L满足伏秒积分原理,可得到第一电压侧V1和第二电压侧V2满足关系V2=n2d2V1/(n1+n2)或V1=(n1+n2)V2/[n2(1-d1)],式中,d1是第一全控型器件S1的导通占空比。
反向高增益降压与正向高增益升压复合模式包括正向高增益升压模式和反向高增益降压模式;参见图7所示,其中,
具体的,当双向直流变换器工作在正向高增益升压模式时,电感器L电流方向由电感器L的第一端流向电感器L的第二端,即,第一电压侧V1电压低于第二电压侧V2,第二全控型器件S2一直导通,第三全控型器件S3和第五全控型器件S5一直关断;当第一全控型器件S1导通,第四全控型器件S4关断时,第一电压侧V1与电感器L的第一绕组n1并联,第一电压侧V1向电感器L的第一绕组n1充电;当第四全控型器件S4导通,第一全控型器件S1关断时,第一电压侧V1与电感器L串联,第一电压侧V1和电感器L一起向第二电压侧V2放电。
具体的,当双向直流变换器工作在反向高增益降压模式时,电感器L电流方向由电感器L的第二端流向电感器L的第一端,即,第二电压侧V2电压高于第一电压侧V1,第二全控型器件S2一直导通,第三全控型器件S3和第五全控型器件S5一直关断;当第一全控型器件S1导通,第四全控型器件S4关断时,电感器L的第一绕组n1与第一电压侧V1并联,电感器L的第一绕组n1向第一电压侧V1放电;当第四全控型器件S4导通,第一全控型器件S1关断时,电感器L与第一电压侧V1串联,第二电压侧V2向电感器L和第一电压侧V1充电。
需要说明的是,上述反向高增益降压与正向高增益升压复合模式中第一全控型器件S1和第四全控型器件S4由互补的控制信号控制,根据电感器L满足伏秒积分原理,可得到第一电压侧V1和第二电压侧V2满足关系V1=n1d4V2/(n1+n2)或V2=(n1+n2)V1/[n1(1-d1)]。
双向高增益升降压模式包括正向高增益升降压模式和反向高增益升降压模式;参见图8所示,其中,
具体的,当双向直流变换器工作在正向高增益升降压模式时,电感器L电流方向由电感器L的第一端流向电感器L的第二端,第一全控型器件S1一直导通,第三全控型器件S3和第五全控型器件S5一直关断;当第二全控型器件S2导通,第四全控型器件S4关断时,第一电压侧V1与第一绕组n1并联,第一电压侧V1向第一绕组n1充电;当第四全控型器件S4导通,第二全控型器件S2关断时,第二绕组n2与第二电压侧V2并联,第二绕组n2向第二电压侧V2放电。
具体的,当双向直流变换器工作在反向高增益升降压模式时,电感器L电流方向由电感器L的第二端流向电感器L的第一端,第一全控型器件S1一直导通,第三全控型器件S3和第五全控型器件S5一直关断;当第二全控型器件S2导通,第四全控型器件S4关断时,第一绕组n1与第一电压侧V1并联,第一绕组n1向第一电压侧V1放电;当第四全控型器件S4导通,第二全控型器件S2关断时,第二电压侧V2与第二绕组n2并联,第二电压侧V2向第二绕组n2充电。
需要说明的是,上述双向高增益升降压模式中第二全控型器件S2和第四全控型器件S4由互补的控制信号控制,根据电感器L满足伏秒积分原理,可得到第一电压侧V1和第二电压侧V2满足关系V2=n2d2V1/[n1(1-d1)]或V1=n1d4V2/[n2(1-d4)]。
可见,本发明实施例利用全桥电路、电感器L和第一全控型器件S1,将电感器L的第一端与第一半桥11的中点连接,电感器L的第二端与第二半桥12的中点连接,电感器L第三端与第一全控型器件S1连接,第一全控型器件S1的输出端与第三全控型器件S3和第五全控型器件S5的输出端相连,使得电路能够实现在六种双向工作模式间自由切换,增加了双向直流变换器的工作模式,同时提高了电压调节的宽度。
本发明实施例公开了一种具体的双向直流变换器,相对于上一实施例,本实施例对技术方案作了进一步的说明和优化。具体的:
本发明实施例的双向直流变换器相对于上一实施例中的双向直流变换器,增加了两个滤波电容,以增加抗干扰性。
具体的,参见图9所示,第一滤波电容C1与第一半桥并联,第二滤波电容C2与第二半桥并联。
可以理解的是,上述实施例中全控型器件可以为N沟道电力场效应晶体管、P沟道电力场效应晶体管或绝缘栅双极型晶体管;其中,
具体的,N沟道电力场效应晶体管的栅极作为全控型器件的控制端,N沟道电力场效应晶体管的漏极作为全控型器件的输入端,N沟道电力场效应晶体管的源极作为全控型器件的输出端。
具体的,P沟道电力场效应晶体管的栅极作为全控型器件的控制端,P沟道电力场效应晶体管的源极作为全控型器件的输入端,P沟道电力场效应晶体管的漏极作为全控型器件的输出端。
具体的,参见图9所示,绝缘栅双极型晶体管的门极作为全控型器件的控制端,绝缘栅双极型晶体管的集电极作为全控型器件的输入端,绝缘栅双极型晶体管的发射极作为全控型器件的输出端。
需要说明的是,双向直流变换器中的五个全控型器件可以N沟道电力场效应晶体管、P沟道电力场效应晶体管或绝缘栅双极型晶体管任意一种,例如,五个全控型器件全部为N沟道电力场效应晶体管、P沟道电力场效应晶体管或绝缘栅双极型晶体管,也可以五个全控型器件中同时包括N沟道电力场效应晶体管、P沟道电力场效应晶体管和绝缘栅双极型晶体管。
本发明实施例中互补的控制信号可以为互补的PWM控制信号,占空比可以根据用户实际应用需求进行设定,在此不做限定。
最后,还需要说明的是,在本文中,诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来,而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且,术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含,从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素,而且还包括没有明确列出的其他要素,或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下,由语句“包括一个……”限定的要素,并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。
以上对本发明所提供的一种双向直流变换器进行了详细介绍,本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述,以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想;同时,对于本领域的一般技术人员,依据本发明的思想,在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处,综上所述,本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (6)

1.一种双向直流变换器,其特征在于,包括:全桥电路、电感器和第一全控型器件,所述全桥电路包括第一半桥和第二半桥,所述第一半桥包括第二全控型器件和第三全控型器件,所述第二半桥包括第四全控型器件和第五全控型器件;其中,所述第二全控型器件与所述第三全控型器件串联,所述第四全控型器件与所述第五全控型器件串联,所述第三全控型器件和所述第五全控型器件的输出端相连,所述电感器的第一端与所述第一半桥的中点连接,所述电感器的第二端与所述第二半桥的中点连接,所述电感器的第三端与所述第一全控型器件的输入端连接,所述第一全控型器件的输出端与所述第三全控型器件和所述第五全控型器件的输出端相连,所述第一全控型器件、所述第二全控型器件、所述第三全控型器件、所述第四全控型器件和所述第五全控型器件的控制端均与控制电路连接;
其中,所述电感器为绕组具有相同绕制方向的电感器,所述电感器的第三端为中部端。
2.根据权利要求1所述的双向直流变换器,其特征在于,全控型器件为N沟道电力场效应晶体管,N沟道电力场效应晶体管的栅极作为全控型器件的控制端,N沟道电力场效应晶体管的漏极作为全控型器件的输入端,N沟道电力场效应晶体管的源极作为全控型器件的输出端。
3.根据权利要求1所述的双向直流变换器,其特征在于,全控型器件为P沟道电力场效应晶体管,P沟道电力场效应晶体管的栅极作为全控型器件的控制端,P沟道电力场效应晶体管的源极作为全控型器件的输入端,P沟道电力场效应晶体管的漏极作为全控型器件的输出端。
4.根据权利要求1所述的双向直流变换器,其特征在于,全控型器件为绝缘栅双极型晶体管,绝缘栅双极型晶体管的门极作为全控型器件的控制端,绝缘栅双极型晶体管的集电极作为全控型器件的输入端,绝缘栅双极型晶体管的发射极作为全控型器件的输出端。
5.根据权利要求1所述的双向直流变换器,其特征在于,所述电感器包括:抽头电感器或耦合电感器;其中,所述耦合电感器为顺接。
6.根据权利要求1至5任一项所述的双向直流变换器,其特征在于,还包括:
第一滤波电容与所述第一半桥并联,第二滤波电容与所述第二半桥并联。
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