CN107017775A - 基于总线式均衡网络的磁场耦合均衡电路 - Google Patents

基于总线式均衡网络的磁场耦合均衡电路 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于总线式均衡网络的磁场耦合均衡电路，第一电容一端接输入电源正极，所述第一电容另一端接输入电源负极，第一电感一端连接输入电源正极，所述第一电感另一端连接第一功率开关漏极，第二电感一端连接输入电源负极，所述第二电感另一端连接第一功率开关源极，第一a电容一端接第一功率开关漏极，所述第一a电容另一端接变压器原边正极，第三电感一端连接第二功率开关漏极，所述第三电感另一端连接第二电容一端，第四电感一端连接第二功率开关源极，所述第四电感另一端连接第二电容另一端，第一b电容一端接电压器副边负极，所述第一b电容另一端接第二功率开关源极。

Description

基于总线式均衡网络的磁场耦合均衡电路
技术领域
本发明涉及自动化控制领域，尤其涉及一种基于总线式均衡网络的磁场耦合均衡电路
背景技术
双向DC/DC变换器根据拓扑结构中有无高频变压器可以分为非隔离型双向DC/DC变换器和隔离型双向DC/DC变换器两大类。由于Cuk变换器的输入和输出侧电感的存在，可以使其输入和输出侧的电流连续、脉动小，滤波器的设计较为简单。又Cuk变换器输入和输出电压变比范围宽且变换效率较高，所以近年来此拓扑结构受到越来越多的关注。
隔离型双向cuk变换电路，该拓扑结构的优点是输入和输出侧都带有滤波电感，可以实现输入和输出侧电流连续且具有低纹波，能满足蓄电池充放电实际需求；具有较大的输入输出电压变比范围可以满足分布式发电系统直流母线较宽的直流母线电压；且在整个开关周期内，都能从输入侧向输出侧传递功率，效率较高，对于小功率应用背景可以称为最佳的直流变换器拓扑结构。
发明内容
本发明旨在至少解决现有技术中存在的技术问题，特别创新地提出了一种基于总线式均衡网络的磁场耦合均衡电路。
为了实现本发明的上述目的，本发明提供了一种基于总线式均衡网络的磁场耦合均衡电路，其关键在于，包括第一电感、第三电感、第一电容、第二电容、第一a电容、第一b电容、第一功率开关、第二功率开关；
第一电容一端接输入电源正极，所述第一电容另一端接输入电源负极，第一电感一端连接输入电源正极，所述第一电感另一端连接第一功率开关漏极，所述第一功率开关源极连接电源负极，所述第一功率开关源极还连接变压器原边负极，所述第一功率开关漏极连接第一a电容一端，所述第一a电容另一端连接变压器原边正极，变压器副边负极连接第一b电容一端，所述第一b电容另一端连接第二功率开关漏极，所述第二功率开关源极连接变压器副边正极，所述第二功率开关漏极还连接第三电感一端，所述第三电感另一端连接第二电容一端，所述第二电容另一端连接变压器副边正极。
上述技术方案的有益效果为：该均衡电路，不仅把传统Cuk变换器的输入和输出侧通过高频变压器进行了电气隔离，还保存了原传统Cuk变换器的全部属性。
所述的基于总线式均衡网络的磁场耦合均衡电路，优选的，还包括：第一二极管和第二功率开关；所述第一二极管正极连接第一功率开关源极，所述第一二极管负极连接第一功率开关漏极，所述第二功率开关源极连接第二二极管正极，所述第二功率开关漏极连接第二二极管负极。
上述技术方案的有益效果为：得到一个功率可以双向流动的DC/DC变换电路。
所述的基于总线式均衡网络的磁场耦合均衡电路，优选的，还包括：第二电感；所述第二电感一端连接电源负极，所述第二电感另一端连接第一功率开关源极。
上述技术方案的有益效果为：该均衡电路用于总线式均衡网络中，各均衡电路可以实现独立工作，相互干扰很小。
所述的基于总线式均衡网络的磁场耦合均衡电路，优选的，还包括：第四电感；所述第四电感一端连接第二功率开关源极，所述第三电感另一端连接第二电容另一端。
上述技术方案的有益效果为：该均衡电路用于总线式均衡网络中，各均衡电路可以实现独立工作，相互干扰很小。
综上所述，由于采用了上述技术方案，本发明的有益效果是：
1把传统Cuk变换器的输入和输出侧通过高频变压器进行了电气隔离，还保存了原传统Cuk变换器的全部属性。
2此拓扑结构为左右对称的拓扑结构，能量双向流动分析一致；
3除了变换器在不同工作模式下的开关管和二极管独立使用外，其他器件都是共用的，极大的减少了所需元器件的数量，从而缩减了成本、空间、重量等。
本发明的附加方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。
附图说明
本发明的上述和/或附加的方面和优点从结合下面附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：
图1是本发明基于总线式均衡网络的磁场耦合均衡电路连接示意图；
图2是本发明基于总线式均衡网络的磁场耦合均衡电路工作第一阶段；
图3是本发明基于总线式均衡网络的磁场耦合均衡电路工作第二阶段；
图4是本发明基于总线式均衡网络的磁场耦合均衡电路电感电流波形图；
图5是本发明基于总线式均衡网络的磁场耦合均衡电路连接示意图；
图6是本发明基于总线式均衡网络的磁场耦合均衡电路连接示意图；
图7是本发明基于总线式均衡网络的磁场耦合均衡电路连接示意图；
图8是本发明基于总线式均衡网络的磁场耦合均衡电路连接示意图。
图9是本发明基于总线式均衡网络的磁场耦合均衡电路应用在总线式结构中的电路示意图；
具体实施方式
下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
在本发明的描述中，除非另有规定和限定，需要说明的是，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是机械连接或电连接，也可以是两个元件内部的连通，可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语的具体含义。
如图1所示，本发明提供了基于总线式均衡网络的磁场耦合均衡电路，其关键在于，包括第一电感、第三电感、第一电容、第二电容、第一a电容、第一b电容、第一功率开关、第二功率开关；
第一电容一端接输入电源正极，所述第一电容另一端接输入电源负极，第一电感一端连接输入电源正极，所述第一电感另一端连接第一功率开关漏极，所述第一功率开关源极连接电源负极，所述第一功率开关源极还连接变压器原边负极，所述第一功率开关漏极连接第一a电容一端，所述第一a电容另一端连接变压器原边正极，变压器副边负极连接第一b电容一端，所述第一b电容另一端连接第二功率开关漏极，所述第二功率开关源极连接变压器副边正极，所述第二功率开关漏极还连接第三电感一端，所述第三电感另一端连接第二电容一端，所述第二电容另一端连接变压器副边正极。上述技术方案的有益效果为：该均衡电路，不仅把传统Cuk变换器的输入和输出侧通过高频变压器进行了电气隔离，还保存了原传统Cuk变换器的全部属性。
所述的基于总线式均衡网络的磁场耦合均衡电路，优选的，还包括：第一二极管和第二功率开关；所述第一二极管正极连接第一功率开关源极，所述第一二极管负极连接第一功率开关漏极，所述第二功率开关源极连接第二二极管正极，所述第二功率开关漏极连接第二二极管负极。
上述技术方案的有益效果为：得到一个功率可以双向流动的DC/DC变换电路。
所述的基于总线式均衡网络的磁场耦合均衡电路，优选的，还包括：第二电感；所述第二电感一端连接电源负极，所述第二电感另一端连接第一功率开关源极。
上述技术方案的有益效果为：该均衡电路用于总线式均衡网络中，各均衡电路可以实现独立工作，相互干扰很小。
所述的基于总线式均衡网络的磁场耦合均衡电路，优选的，还包括：第四电感；所述第四电感一端连接第二功率开关源极，所述第三电感另一端连接第二电容另一端。
上述技术方案的有益效果为：该均衡电路用于总线式均衡网络中，各均衡电路可以实现独立工作，相互干扰很小。
隔离型双向Cuk变换器拓扑结构两边是完全对称的，所以变换器在不同工作模式下的工作原理也是一样的，唯一不同的就是开关管的占空比不同，下面我们将以U1作为输入，U2作为输出来分析此拓扑结构的换流过程。
当U1作为输入，U2作为输出时，在整个电路工作周期中，输入侧的开关管S1和输出侧的二极管D2处于正常的开关状态，而输入侧的二极管D1和输出侧的开关管S2将不参与电路的换流过程。
此时的工作模态有两个，图2为第一模态。
在电路处于稳定工作状态时，当S1导通，D2反偏截止，则整个电路的工作状态可以等效为图2所示。
在此工作状态下，电路形成了三条闭合回路分别是U1-L1-S1、Ca-S1-变压器一次绕组N1和变压器二次绕组N2-Cb-L2-U2。其中U1-L1-S1回路是输入电源U1给输入电感L1充电，Ca-S1-变压器一次绕组N1回路和变压器二次绕组N2-Cb-L2-U2回路是Ca和Cb同时放电提供输出侧电流并且给输出电感L2充电。
图3为第二个工作模态。
当S1关断时，D2则正向导通，此时整个电路的工作状态可以等效如下页图3所示。
在此工作模式下，电路同样形成了三条闭合回路，分别是U1-L1-Ca-变压器一次绕组N1、变压器二次绕组N2-D2-Cb和L2-U2-D2，其中U1-L1-Ca-变压器一次绕组N1回路和变压器二次绕组N2-D2-Cb回路是输入端电源和输入电感同时放电给Ca、Cb充电，L2-U2-D2回路则是输出电感放电维持输出电流。
现在假设图2、3中的开关管S1开关周期是T，S1导通的时间为ton，关断时间为toff，并且中间电容Ca和Cb足够大使得电容两端电压脉动可以忽略，视电容两端电压为恒值，变压器为理想变压器，N1：N2＝n：1，则当S处于导通时，根据图2分析可知：
UN1＝-Uca (2)
其中，UN1为变压器T一次绕组电压，UN2为变压器T二次绕组电压。当S1处于关断时，根据图3分析可知：
UN2＝Ucb (5)
在S1开通时，电感L1和L2都处于充电状态，流过的电流可近似看作是线性上升；在S1关断时，电感L1和L2都处于放电状态，流过的电流可近似看作是线性下降。如图4所示。
从图4可以看出来，在S1开通时分析可知：
在S1关断时分析可知：
由式(1)和式(7)化简得：
因为变压器原副边变比为n，所以在整个开关周期都有：
UN1＝nUN2 (12)
由式(2)、(3)、(8)和(12)化简可得：
由式(3)、(5)、(9)和(12)化简可得：
由式(6)和(10)化简可得：
由式(11)和(14)化简可得：
U1T＝(Uca+nUcb)toff (16)
由式(13)和(15)化简可得：
由式(16)和(17)化简可得：
上式中，是开关管的导通占空比。
同样的，U2作为输入，U1作为输出的时候，分析过程和上述过程一样。
在总线式均衡网络中，电池通过均衡电路与能量传输总线连接，可实现能量在总线和电池上双向传递。另外总线式均衡网络使得电池组的扩展便捷，对于应对电池组实际需求相当有效。
在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。
尽管已经示出和描述了本发明的实施例，本领域的普通技术人员可以理解：在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由权利要求及其等同物限定。

Claims (6)

1.一种基于总线式均衡网络的磁场耦合均衡电路，其特征在于，包括第一电感、第三电感、第一电容、第二电容、第一a电容、第一b电容、第一功率开关、第二功率开关；
第一电容一端接输入电源正极，所述第一电容另一端接输入电源负极，第一电感一端连接输入电源正极，所述第一电感另一端连接第一功率开关漏极，所述第一功率开关源极连接电源负极，所述第一功率开关源极还连接变压器原边负极，所述第一功率开关漏极连接第一a电容一端，所述第一a电容另一端连接变压器原边正极，变压器副边负极连接第一b电容一端，所述第一b电容另一端连接第二功率开关漏极，所述第二功率开关源极连接变压器副边正极，所述第二功率开关漏极还连接第三电感一端，所述第三电感另一端连接第二电容一端，所述第二电容另一端连接变压器副边正极。
2.根据权利要求1所述的基于总线式均衡网络的磁场耦合均衡电路，其特征在于，还包括：
第一电容一端接输入电源正极，所述第一电容另一端接输入电源负极，第一电感一端连接输入电源负极，所述第一电感另一端连接第一功率开关源极，所述第一功率开关源极连接电源负极，所述第一功率开关源极还连接变压器原边负极，所述第一功率开关漏极连接第一a电容一端，所述第一a电容一端还接输入电源正极，所述第一a电容另一端连接变压器原边正极，变压器副边负极连接第一b电容一端，所述第一b电容另一端连接第二功率开关漏极，所述第二功率开关源极连接变压器副边正极，所述第二功率开关源极还连接第三电感一端，所述第三电感另一端连接第二电容一端，所述第二电容另一端连接变压器副边负极。
3.根据权利要求1所述的基于总线式均衡网络的磁场耦合均衡电路，其特征在于，还包括：
第一电容一端接输入电源正极，所述第一电容另一端接输入电源负极，第一电感一端连接输入电源正极，所述第一电感另一端连接第一功率开关漏极，所述第一功率开关源极连接电源负极，所述第一功率开关源极还连接变压器原边负极，所述第一功率开关漏极连接第一a电容一端，所述第一a电容另一端连接变压器原边正极，变压器副边负极连接第一b电容一端，所述第一b电容另一端连接第二功率开关漏极，所述第二功率开关源极连接变压器副边正极，所述第二功率开关源极还连接第三电感一端，所述第三电感另一端连接第二电容一端，所述第二电容另一端连接变压器副边负极。
4.根据权利要求1所述的基于总线式均衡网络的磁场耦合均衡电路，其特征在于，还包括：
第一电容一端接输入电源正极，所述第一电容另一端接输入电源负极，第一电感一端连接输入电源负极，所述第一电感另一端连接第一功率开关源极，所述第一功率开关源极连接电源负极，所述第一功率开关源极还连接变压器原边负极，所述第一功率开关漏极连接第一a电容一端，所述第一a电容一端还接输入电源正极，所述第一a电容另一端连接变压器原边正极，变压器副边负极连接第一b电容一端，所述第一b电容另一端连接第二功率开关漏极，所述第二功率开关源极连接变压器副边正极，所述第二功率开关漏极还连接第三电感一端，所述第三电感另一端连接第二电容一端，所述第二电容另一端连接变压器副边正极。
5.根据权利要求1-4任一项所述的基于总线式均衡网络的磁场耦合均衡电路，其特征在于，还包括：第一二极管和第二二极管；所述第一二极管正极连接第一功率开关源极，所述第一二极管负极连接第一功率开关漏极，所述第二二极管正极连接第二功率开关源极，所述第二二极管负极连接第二二极管漏极。
6.根据权利要求14任一项所述的基于总线式均衡网络的磁场耦合均衡电路，其特征在于，还包括：第二电感和第四电感；
所述第二电感一端连接电源负极，所述第二电感另一端连接第一功率开关源极，所述第四电感一端连接第二电容，所述第四电感另一端连接第二功率开关源极。所述第四电感另一端还连接变压器副边正极。
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