CN107482910A - 双向开关电容直流变换器 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种双向开关电容直流变换器，其技术特点是：包括输入直流电压Vi、四个MOSFET开关管、电感L1、电容C1、电容C2、输出电容Co和输出负载Ro；四个MOSFET开关管、电感L1、电感L2、电容C1、电容C2连接在一起，输入直流电压Vi及输出电容Co和输出负载Ro分别安装在上述电路的两端。本发明将输入直流电压Vi通过电感和开关电容充放电来实现正向升压高增益，反向降压高增益，满足了工业应用中正向高升压，反向高降压的要求；由于MOSFET开关管的电压应力小，可提高双向直流变换器的工作效率，并且电感电流尖波较低，降低了输出直流电压Vo的纹波，可广泛地应用于双向直流变换技术领域。

Description

双向开关电容直流变换器
技术领域
本发明属于双向直流变换器技术领域，尤其是一种双向开关电容直流变换器。
背景技术
由于储能系统能够为各类交直流微电网系统稳定、可靠运行的保证，因此储能系统在微电网中的应用越来越广泛。储能系统能够及时吸收发电装置发出的峰值功率、补充负载所需的不足功率，从而保证直流母线电压的稳定。双向直流变换器是衔接蓄电池和直流母线的关键装置，不仅用于实现能量的双向传输与控制，而且肩负蓄电池和直流母线电压能量管理与调度的重任。以蓄电池为代表的储能装置端电压通常较低，而微电网直流母线为了与交流电网或交流负载连接，其电压通常较高。
如何在蓄电池和直流母线电压相差悬殊的情况下实现能量高效双向变换是其中的关键问题。研究学者致力于研究新型的双向DC/DC变换器,为储能系统的发展提供更多的条件。双向Buck-Boost变换器是最基本的非隔离型双向直流变换器，具有结构简单、控制方便等优点。当其开关管工作时，升压和降压能力有限，应用于高升压和高降压场合时，只有当占空比达到最大值，它的升压电压增益才可以达到最大，降压电压增益才可以达到最小，然而开关管极限占空比工作会导致效率大幅降低。通过在传统双向Buck-Boost变换器中引入耦合电感或者开关电容可以有效提高变换器升压和降的增益，伴随着工业应用市场所对高升压和高降压的需求越来越高，如何在实现正向高升压，反向高降压的同时进一步提供工作效率是行业内迫切需要解决的技术难题。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种设计合理、开关管电压应力小、能够实现正向高升压且反向高降压的双向开关电容直流变换器。
本发明解决其技术问题是采取以下技术方案实现的：
一种双向开关电容直流变换器，包括输入直流电压Vi、四个MOSFET开关管、电感L1、电容C1、电容C2、输出电容Co和输出负载Ro；所述输入直流电压Vi的正极与电感L1的一端相连接，电感L1的另一端分别与MOSFET开关管S1的一端、MOSFET开关管S2的一端和电容C2的一端相连接；MOSFET开关管S1的另一端分别与电容C1的一端、输入直流电压Vi的负极和MOSFET开关管S3的一端相连接；MOSFET开关管S2的另一端与电容C1的另一端和MOSFET开关管S4的一端相连接；MOSFET开关管S4的另一端分别与输出电容Co的正极和输出负载Ro的正极相连接；电容C2的另一端与MOSFET开关管S3的另一端、输出电容Co的负极和输出负载Ro的负极相连接。
在双向开关电容直流变换器的占空比D＝0.5时，正向输出直流电压Vo为输入直流电压Vi的4倍。
一种双向开关电容直流变换器，包括输入直流电压Vi、四个MOSFET开关管、电感L1、电容C1、电容C2、输出电容Co和输出负载Ro；所述输入直流电压Vi的正极与MOSFET开关管S4的一端相连接；MOSFET开关管S4的另一端分别与MOSFET开关管S2的一端和电容C1的一端相连接；MOSFET开关管S2的另一端分别与电感L1的一端、电容C2的一端和MOSFET开关管S1的一端；电感L1的另一端分别与输出电容Co的正极和输出负载Ro的正极相连接；电容C1的另一端分别与MOSFET开关管S1的另一端、MOSFET开关管S3的一端、输出电容Co的负极和输出负载Ro的负极相连接；MOSFET开关管S3的另一端分别与电容C2的另一端和输入直流电压Vi的负极相连接。
在双向开关电容直流变换器的占空比D＝0.5时，反向输出直流电压Vo为输入直流电压Vi的0.25。
本发明的优点和积极效果是：
1、本发明将输入直流电压Vi通过电感和开关电容充放电来实现正向升压高增益，反向降压高增益，满足了工业应用中正向高升压，反向高降压的要求。
2、本发明的MOSFET开关管的电压应力小，可提高双向直流变换器的工作效率；且电感电流尖波较低，降低了输出直流电压Vo的纹波，可广泛地应用于双向直流变换技术领域。
附图说明
图1是本发明的第一种电路图；
图2是本发明的第二种电路图；
图3是四个MOSFET开关管S1、S2、S3、S4、S5的驱动信号Vgs图。
具体实施方式
以下结合附图对本发明实施例作进一步详述：
实施例1
一种双向开关电容直流变换器，如图1所示，包括输入直流电压Vi、四个MOSFET开关管、电感L1、电容C1、电容C2、输出电容Co和输出负载Ro。所述输入直流电压Vi的正极与电感L1的一端相连接，电感L1的另一端分别与MOSFET开关管S1的一端、MOSFET开关管S2的一端和电容C2的一端相连接；MOSFET开关管S1的另一端分别与电容C1的一端、输入直流电压Vi的负极和MOSFET开关管S3的一端相连接；MOSFET开关管S2的另一端与电容C1的另一端和MOSFET开关管S4的一端相连接；MOSFET开关管S4的另一端分别与输出电容Co的正极(输出直流电压Vo的正极)和输出负载Ro的正极(输出直流电压Vo的正极)相连接；电容C2的另一端与MOSFET开关管S3的另一端、输出电容Co的负极(输出直流电压Vo的负极)和输出负载Ro的负极(输出直流电压Vo的负极)相连接。
本实施例的工作原理为：当MOSFET开关管S1、S4处于图3所示的Ton时间段内，MOSFET开关管S2、S3处于图3所示的Toff时间段内时，输入直流电压Vi经MOSFET开关管S1给电感L1充电；经MOSFET开关管S1、MOSFET开关管S4，电容C1、C2给输出电容Co和输出负载Ro供电。当MOSFET开关管S1、S4处于图3所示的Toff时间段内，MOSFET开关管S2、S3处于图3所示的Ton时间段内时，输入直流电压Vi和电感L1经MOSFET开关管S2给电容C1充电，经MOSFET开关管S3给电容C2充电，输出电容Co给输出负载Ro供电。
实施例2
一种双向开关电容直流变换器，如图2所示，包括输入直流电压Vi、四个MOSFET开关管、电感L1、电容C1、电容C2、输出电容Co和输出负载Ro。所述输入直流电压Vi的正极与MOSFET开关管S4的一端相连接；MOSFET开关管S4的另一端分别与MOSFET开关管S2的一端和电容C1的一端相连接；MOSFET开关管S2的另一端分别与电感L1的一端、电容C2的一端和MOSFET开关管S1的一端；电感L1的另一端分别与输出电容Co的正极(输出直流电压Vo的正极)和输出负载Ro的正极(输出直流电压Vo的正极)相连接；电容C1的另一端分别与MOSFET开关管S1的另一端、MOSFET开关管S3的一端、输出电容Co的负极(输出直流电压Vo的负极)和输出负载Ro的负极(输出直流电压Vo的负极)相连接；MOSFET开关管S3的另一端分别与电容C2的另一端和输入直流电压Vi的负极相连接。
本实施例的工作原理为：当MOSFET开关管S1、S4处于图3所示的Ton时间段内，MOSFET开关管S2、S3处于图3所示的Toff时间段内时，输入直流电压Vi经MOSFET开关管S1、S4给电容C1、C2充电；经MOSFET开关管S1，电感L1给输出电容Co和输出负载Ro供电。当MOSFET开关管S1、S4处于图3所示的Toff时间段内，MOSFET开关管S2、S3处于图3所示的Ton时间段内时，电容C1、C2分别经MOSFET开关管S2、S3给电感L1、输出电容Co和输出负载Ro供电。
图3给出了四个MOSFET开关管S1、S2、S3、S4的驱动信号Vgs图，在本上述实施例中，MOSFET开关管S1、S4导通的同时，MOSFET开关管S2、S3关断，MOSFET开关管S1、S4关断的同时，MOSFET开关管S2、S3导通。一个周期Ts分为开关导通时间段Ton和开关关断时间段Toff，开关导通时间段Ton为t0-t1，用占空比D表示，则为DTs；开关关断时间段Toff为t1-t2，用占空比D表示，则为(1-D)Ts。
经理论推导，本发明提出的双向开关电容直流变换器在占空比为D＝0.5时，正向输出直流电压Vo为输入直流电压Vi的4倍，反向输出直流电压Vo为输入直流电压Vi的0.25，满足了工业应用中正向高升压，反向高降压的要求。
需要强调的是，本发明所述的实施例是说明性的，而不是限定性的，因此本发明包括并不限于具体实施方式中所述的实施例，凡是由本领域技术人员根据本发明的技术方案得出的其他实施方式，同样属于本发明保护的范围。

Claims (4)

1.一种双向开关电容直流变换器，其特征在于：包括输入直流电压Vi、四个MOSFET开关管、电感L1、电容C1、电容C2、输出电容Co和输出负载Ro；所述输入直流电压Vi的正极与电感L1的一端相连接，电感L1的另一端分别与MOSFET开关管S1的一端、MOSFET开关管S2的一端和电容C2的一端相连接；MOSFET开关管S1的另一端分别与电容C1的一端、输入直流电压Vi的负极和MOSFET开关管S3的一端相连接；MOSFET开关管S2的另一端与电容C1的另一端和MOSFET开关管S4的一端相连接；MOSFET开关管S4的另一端分别与输出电容Co的正极和输出负载Ro的正极相连接；电容C2的另一端与MOSFET开关管S3的另一端、输出电容Co的负极和输出负载Ro的负极相连接。
2.根据权利要求1所述的双向开关电容直流变换器，其特征在于：在双向开关电容直流变换器的占空比D＝0.5时，正向输出直流电压Vo为输入直流电压Vi的4倍。
3.一种双向开关电容直流变换器，其特征在于：包括输入直流电压Vi、四个MOSFET开关管、电感L1、电容C1、电容C2、输出电容Co和输出负载Ro；所述输入直流电压Vi的正极与MOSFET开关管S4的一端相连接；MOSFET开关管S4的另一端分别与MOSFET开关管S2的一端和电容C1的一端相连接；MOSFET开关管S2的另一端分别与电感L1的一端、电容C2的一端和MOSFET开关管S1的一端；电感L1的另一端分别与输出电容Co的正极和输出负载Ro的正极相连接；电容C1的另一端分别与MOSFET开关管S1的另一端、MOSFET开关管S3的一端、输出电容Co的负极和输出负载Ro的负极相连接；MOSFET开关管S3的另一端分别与电容C2的另一端和输入直流电压Vi的负极相连接。
4.根据权利要求3所述的双向开关电容直流变换器，其特征在于：在双向开关电容直流变换器的占空比D＝0.5时，反向输出直流电压Vo为输入直流电压Vi的0.25。
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