CN107276411B - 用于储能系统的宽增益共地非对称h桥双向直流变换器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于储能系统的宽增益共地非对称H桥双向直流变换器，所述直流变换器的输入输出共地，采用非对称H桥结构，拓扑结构中的开关管全部采用低通态电阻的可控功率管；所述直流变换器通过电感交替储存能量、释放能量，实现降压、升压；所述直流变换器利用窄脉冲电压进行升降压，在实现大比例的升降压的同时功率开关均可运行在靠近0.5的非极端占空比。本发明通过易于集成的可控功率开关构成非对称H桥结构的双向直流变换器，减小了变换器体积并增大了功率密度，同时采用输入输出共地拓扑结构，宽增益运行时占空比靠近0.5，避免了极端占空比情况。

Description

用于储能系统的宽增益共地非对称H桥双向直流变换器

技术领域

本发明涉及储能系统双向直流变换器应用领域，尤其涉及一种用于储能系统的宽增益共地非对称H桥双向直流变换器，属于电力电子功率变换技术领域。

背景技术

随着全球能源危机的加剧和环境污染的恶化，近年来新能源开发及应用已成为各国的研究热点。作为新能源接入及电动汽车发展必不可少的支撑环节，储能系统及其相关技术的研究受到了越来越多的关注和重视。双向直流变换器作为储能系统中低压储能设备与高压汇流母线间的关键接口，其双向运行的优点使得其在储能系统双向能量流动应用场合得到广泛应用。它可以大幅度减轻系统的重量、减小系统的体积和成本，有着重要的研究价值。

储能系统中，由于蓄电池和超级电容等储能设备输出特性软、电压等级低等缺陷，并且在其快速充放电过程中端电压变化范围较大，难以直接与高压汇流母线匹配并联。因此，必须通过大比例升降压双向直流变换器接口低压储能设备与高压汇流母线。

传统的双向直流变换器输入输出不共地，宽增益时运行在极端占空比，加之变压环节中变压器与耦合电感的存在，使得变换器功率密度降低且不易封装，且存在的漏感和电磁干扰易导致功率器件过高的电压应力。这些都制约该类双向直流变换器在储能系统中的应用。因此，需要研究新的输入输出共地、高效、宽增益且避免极端占空比的双向直流变换器，使其适用于储能系统。

发明内容

本发明提供了一种用于储能系统的宽增益共地非对称H桥双向直流变换器，本发明通过易于集成的可控功率开关构成非对称H桥结构的双向直流变换器，减小了变换器体积并增大了功率密度，同时采用输入输出共地拓扑结构，宽增益运行时占空比靠近0.5，避免了极端占空比情况，详见下文描述：

一种用于储能系统的宽增益共地非对称H桥双向直流变换器，

所述直流变换器的输入输出共地，采用非对称H桥结构，拓扑结构中的开关管全部采用低通态电阻的可控功率管；

所述直流变换器通过电感交替储存能量、释放能量，实现降压、升压；

所述直流变换器利用窄脉冲电压进行升降压，在实现大比例的升降压的同时功率开关均可运行在靠近0.5的非极端占空比，避免了极端占空比情况。

所述大比例的升降压为：

式中，m_a、m_b、m_c、m_d均为调制度；U_h为高压侧端口电压；U_l为低压侧端口电压。

本发明提供的技术方案的有益效果是：

1、本发明的共地非对称H桥双向直流变换器利用共地非对称H桥结构的窄脉冲电压U_bn进行升降压，在实现大比例的升降压的同时功率开关均可运行在靠近0.5的非极端占空比，避免了因增大增益而造成功率开关极端占空比运行的问题；

2、共地非对称准H桥双向直流变换器实现了输入输出共地，且拓扑中的开关管全部采用低通态电阻的可控功率管；

3、在提高双向变换器的运行可靠性的同时也提高了能量转换效率，非常适合作为储能系统中低压储能设备与高压汇流母线间的直流变换器。

附图说明

图1为共地非对称H桥双向直流变换器的结构示意图；

图2为共地非对称H桥Buck直流变换器运行原理图；

图3为共地非对称H桥Buck直流变换器运行驱动信号与死区的示意图；

图4为共地非对称H桥Boost直流变换器运行原理图；

图5为共地非对称H桥Boost直流变换器运行驱动信号与死区的示意图。

附图中各部件的列表如下所示：

U_h为共地非对称H桥双向直流变换器高压侧端口电压(Buck模式时的输入电压、Boost模式时的输出电压)；

U_l为共地非对称H桥双向直流变换器低压侧端口电压(Buck模式时的输出电压、Boost模式时的输入电压)；

L为储能、滤波电感；C_h、C_l分别为滤波电容；

Q_D1、Q_D2、Q_D3、Q_D4分别为变换器的功率开关；

m为调制度；T为载波周期，t_on为功率开管导通时间，t_off为功率开管关断时间，t_d为死去区时间，i_L为电感电流。

S₁、S₂、S₃、S₄为功率开关Q_D1、Q_D2、Q_D3、Q_D4的开关信号；

d₁、d₂、d₃、d₄分别为功率开关Q_D1、Q_D2、Q_D3、Q_D4的占空比。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面对本发明实施方式作进一步地详细描述。

实施例1

一种用于储能系统的宽增益共地非对称H桥双向直流变换器，参见图1，该共地非对称H桥双向直流变换器如下所示：

一、拓扑结构：

该共地非对称H桥双向直流变换器，通过电感L交替储存能量、释放能量，实现降压(Buck)、升压(Boost)。

图2、图3为共地非对称H桥双向直流变换器Buck模式运行原理图、运行驱动信号与死区。图4、图5为共地非对称H桥双向直流变换器Boost模式运行原理图、运行驱动信号与死区。

二、宽电压增益

1、Buck模式

共地非对称H桥双向直流变换器运行在降压(Buck)状态时，其输出电压U_l为PWM电压U_bn经L与C_l滤波后得到的。共地非对称H桥双向直流变换器大比例降压，要求的窄脉冲电压U_bn由靠近0.5的非极端占空比d₁、d₃的调制得到的开关信号S₁、S₃控制功率管通断得到，从而实现非极端占空比的大比例降压。

图2为Buck模式下的PWM调制策略，功率开关Q_D1的驱动信号S₁由调制度m_b确定，如图2(a)(b)所示；同理，Q_D3的驱动信号S₃由调制度m_a确定，如图2(a)(c)所示，其中0<m_b<0.5<m_a<1，且m_a+m_b>1。

由驱动信号S₁、S₃共同确定输出PWM电压U_bn，如图2(b)(c)(d)所示。因此，在0.5附近同时调整调制度m_a、m_b的大小，可以得到窄脉冲电压U_bn，进而实现非极端占空比的大比例降压运行。

在变换器连续电流模式的稳态时，图1所示的共地非对称H桥双向直流变换器工作在Buck模式时，电感在载波周期T内，储存能量W_st与释放能量W_tr相等，即满足伏秒平衡：

(U_h-U_l)×[(0.5T-t_off3)+(0.5T-t_off1)]

＝U_l×(t_off1+t_off3)

式中，t_off1、t_off3分别为载波周期内功率开关Q_D1、Q_D3的关断时间。

联立图2(b)(c)(e)得共地非对称H桥双向直流变换器Buck模式时的降压比M_Buck为：

式中，d₁、d₃分别为Q_D1、Q_D3的占空比。推导得降压比M_Buck为：

2、Boost模式

共地非对称H桥双向直流变换器运行在升压(Boost)状态，其输出电压U_h为PWM电压U_bn经功率管Q_D1、Q_D3整流和C_h滤波后得到的。与共地非对称H桥Buck模式一样，共地非对称H桥Boost模式大比例升压，要求窄脉冲电压U_bn。同样，U_bn由靠近0.5的非极端占空比d₂、d₄的调制得到的开关信号S₂、S₄控制功率管通断得到，从而实现非极端占空比的大比例升压。

图4为Boost模式下的PWM调制策略，调制度m_c、m_d分别确定功率开关Q_D2、Q_D4的驱动信号S₂、S₄，如图4(a)(b)(c)所示，其中0<m_d<0.5<m_c<1，且m_c+m_d<1。由驱动信号S₂、S₄共同确定输出PWM电压U_bn，如图4(b)(c)(d)所示。因此，在0.5附近同时调整调制度m_c、m_d的大小，可以得到窄脉冲电压U_bn，进而实现非极端占空比的大比例升压运行。

在变换器连续电流模式的稳态时，图1所示的共地非对称H桥双向直流变换器工作在Boost模式时，电感在载波周期T内，储存能量W_st与释放能量W_tr相等，即满足伏秒平衡：

(U_h-U_l)×[(0.5T-t_on2)+(0.5T-t_on4)]

＝U_l×(t_on2+t_on4)

式中，t_on2、t_on4分别为载波周期内功率开关Q_D2、Q_D4的关断时间。联立图4(b)(c)(e)得共地非对称H桥双向直流变换器Boost模式的升压比M_Boost为：

式中，d₂、d₄分别为Q_D2、Q_D4的占空比。推导得升压比M_Boost为：

经上述分析可得，本发明实施例提出的共地非对称H桥双向直流变换器应用于储能系统中低压储能设备与高压汇流母线间时，当工作在降压(Buck)状态，满足对大比例降压的需求；当工作在升压(Boost)状态时满足对大比例升压的需求，从而解决储能系统中低压储能设备与高压汇流母线间电压等级不同的接口问题。

实施例2

下面以图1的共地非对称H桥双向直流变换器和图2、图4所示的调制策略，对本发明实施例的原理及最佳实施方式进行说明。在每个载波周期，变换器共经历三个开关状态，下面分别对变换器降压(Buck)、升压(Boost)模式进行说明。

一、降压(Buck)模式

1、开关状态S₁S₃＝10时，电感电流i_L通过Q_D4续流，i_L逐渐减小，电感L上的能量逐步消耗在低压储能设备上，电感L上储能减少，变换器存在电压闭合回路：U_l-Q_D4-L-U_l，记为闭合回路(1-a)，在闭合回路(1-a)，电感L释放能量并对低压储能设备供能。该开关状态经历的总时间t₁₀＝(1-d₃)T。

2、开关状态S₁S₃＝11时，U_h通过电感L向低压储能设备侧传递能量，i_L逐渐增大，电感L上储能逐渐增加，变换器存在电压闭合回路：U_h-Q_D1-Q_D3-L-U_l-U_h，记为闭合回路(1-b)，在闭合回路(1-b)，电源U_h对电感L充电，并对低压储能设备供能。该开关状态经历的总时间t₁₁＝(d₁+d₃-1)T。

3、开关状态S₁S₃＝01时，电感电流i_L通过Q_D2、Q_D3续流，i_L逐渐减小，电感L上的能量逐步消耗在低压储能设备上，电感L上储能减少，变换器存在电压闭合回路：U_l-Q_D2-Q_D3-L-U_l，记为闭合回路(1-c)，在闭合回路(1-c)，电感L释放能量并对低压储能设备供能。该开关状态经历的总时间t₀₁＝(1-d₁)T。

上述三种开关状态中，S₁S₃＝11时，U_h通过电感L向低压储能设备侧传递能量，L储存能量；S₁S₃＝10或01时，L通过释放能量对低压储能设备供能。因此，通过电源、电感能量按上述方式传递，达到大比例降压的目的。

二、升压(Boost)模式

1、开关状态S₂S₄＝10时，U_l对电感L充电，i_L逐渐增大，电感L存储能量逐渐增加，变换器存在电压闭合回路：U_l-L-Q_D3-Q_D2-U_l，记为闭合回路(2-a)，在闭合回路(2-a)，电源U_l对电感L充电。该开关状态经历的总时间t₁₀＝d₂T。

2、开关状态S₂S₄＝00时，电感L中的磁场改变L两端的电压极性，电源U_l与电感电压U_L串联给储能系统高压汇流母线供电，i_L逐渐减小，电感L上储能较少，变换器存在电压闭合回路：U_l-L-Q_D3-Q_D1-U_h-U_l，记为闭合回路(2-b)，在闭合回路(2-b)，电感L释放能量并与电源U_l共同为对高压汇流母线供能。该开关状态经历的总时间t₀₀＝(1-d₂-d₄)T。

3、开关状态S₂S₃＝01时，U_l对电感L充电，i_L逐渐增大，电感L存储能量逐渐增加，变换器存在电压闭合回路：U_l-L-Q_D4-U_l，记为闭合回路(2-c)，在闭合回路(2-c)，电源U_l对电感L充电。该开关状态经历的总时间t₀₁＝d₄T。

上述三种开关状态中，S₂S₄＝10或01时，U_l对电感L充电，L储存能量；S₂S₃＝00时，L与电源U_l共同为对储能系统高压汇流母线供能，L释放能量。因此，通过电源、电感能量按上述方式传递，达到大比例升压的目的。

通过对降压(Buck)、升压(Boost)模式运行原理的分析，本发明实施例提出的共地非对称H桥双向直流变换器，应用在储能系统中时，当工作在升压(Boost)状态进行大比例升压；当工作在降压(Buck)状态进行大比例降压。通过升压、降压模式的切换，满足储能系统能量双向流动的需求，而且满足储能系统低压储能设备与高压汇流母线间升、降压的应用场合。

此外，摒弃传统直流变换器中续流管采用不可控二极管的方案，本发明实施例中提出的共地非对称H桥双向直流变换器中开关管全部采用低通态电阻的可控功率管，电感电流i_L只在死区时间t_d内流过通态电阻较高的可控功率管的体二极管，其余时间流过低通态电阻的全控功率开关；死区时间t_d在电路运行时间中所占比例极小，因此大大降低了消耗在续流二极管通态电阻上的能量，提高了共地非对称H桥双向直流变换的能量转换效率。

综上所述，本发明实施例提出的宽增益共地非对称H桥双向直流变换器，输入输出共地，满足储能系统中低压储能设备与电高压汇流母线间升、降压的应用要求，通过全可控功率管方案提升了变换器的能量转换效率，且易于集成、功率密度大，非常适合储能系统中的升、降压应用场合对高效、大比例升降压双向直流变换器的需求。

本发明实施例对各器件的型号除做特殊说明的以外，其他器件的型号不做限制，只要能完成上述功能的器件均可。

本领域技术人员可以理解附图只是一个优选实施例的示意图，上述本发明实施例序号仅仅为了描述，不代表实施例的优劣。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (2)

1.一种用于储能系统的宽增益共地非对称H桥双向直流变换器，其特征在于，

所述直流变换器的输入输出共地，采用非对称H桥结构，拓扑结构中的开关管全部采用低通态电阻的可控功率管；

所述直流变换器通过电感交替储存能量、释放能量，实现降压、升压；

所述直流变换器利用窄脉冲电压进行升降压，在实现大比例的升降压的同时功率开关均可运行在靠近0.5的非极端占空比，避免了极端占空比情况；

其中，非对称H桥结构具体为：高压侧滤波电容C_h的正极与功率开关Q_D1的漏极相连，功率开关Q_D1的源极与功率开关Q_D2的漏极和功率开关Q_D3的漏极连接于a点；

功率开关Q_D3的源极与Q_D4的漏极和电感L的一端相连于b点，电感L的另一端与低压侧滤波电容C_l的正极相连；

高压侧滤波电容C_h的负极、功率开关Q_D2的源极、功率开关Q_D4的源极与低压侧滤波电容C_l的负极相连于n点。

2.根据权利要求1所述的一种用于储能系统的宽增益共地非对称H桥双向直流变换器，其特征在于，所述大比例的升降压为：

式中，m_a、m_b、m_c、m_d均为调制度；U_h为高压侧端口电压；U_l为低压侧端口电压。