CN107659154A - 双向dc‑dc变换电路 - Google Patents

双向dc‑dc变换电路 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种双向DC‑DC变换电路，包括：交错并联变换模块、开关电容网络模块、第一耦合电感L1、第二耦合电感L2、低压侧滤波电容CL、高压侧滤波电容CH，所述交错并联变换模块和开关电容网络模块中的开关管根据外接的控制信号在开启和断开两种状态间切换，以使低压侧滤波电容CL的两侧根据高压侧滤波电容CH的两端连接的电压源输出相应的低电压值；或者高压侧滤波电容CH的两侧根据低压侧滤波电容CL的两端连接的电压源输出相应的高电压值。本发明可有效提高变换电路的变压比以及降低低压侧功率器件的电流应力和高压侧功率器件的电压应力，提高变换器的效率，实现了高变压比、高效率的双向DC‑DC变换。

Description

双向DC-DC变换电路
技术领域
本发明涉及电力电子技术领域，具体地，涉及双向直流到直流DC-DC变换电路。
背景技术
双向直流到直流(Bi-directional DC-DC)变换电路，是一种将直流电能转换成另一种形式直流电能的技术，主要对电影、电流实现变换。它在可再生能源、电力系统、交通、航天航空、计算机等等控制领域得到广泛的应用。
以可再生能源中的应用为例，如何将这些可再生能源并网发电，变换为用户可以直接利用的电能，是分布式发电领域主要的研究方向。储能装置在分布式可再生能源并网发电系统中扮演至关重要的角色，为了解决储能装置并联时的低电压和并网所需高电压之间的电压水平不匹配问题，需要用到高电压增益型双向DC-DC储能变换器。传统的高电压增益电路拓扑主要包括高频隔离拓扑，开关电容或开关电感拓扑，耦合电感拓扑和基于电容、二极管的倍压拓扑等。
目前，针对隔离型双向DC-DC变换器的结构特点分别提出了一种新型零电压开关双向DC-DC变换器和单端正激带同步整流技术的双向DC-DC变换器，此类隔离型双向DC-DC变换器由于拓扑结构中变压器的存在，虽然能够实现大变换比的功能，但其体积和成本较大，且易出现磁饱和现象，因而在一些储能系统中并不适用。针对非隔离拓扑，提出一种非隔离双向直流变换器，该电路布引入了一个耦合电感后，消除了开关器件寄生体二极管的反向恢复问题，但改变换器并没有解决输入/输出电流纹波大的问题。同时，在非隔离变换器拓扑中，开关电容变换器由于具有重量轻、功率密度高等优点而被广泛采用。然而，开关电容充/放电过程中各功率器件上存在较大的电流冲击，为了解决这个问题，提出了一类升压型开关电容谐振变换器，以及基于开关电容的双向谐振变换器。上述方案，可以实现高电压增益和零电流软开关，但是，极大的输入电流纹波，使得这些拓扑仅适用于小功率应用场合。
发明内容
针对现有技术中的缺陷，本发明的目的是提供一种双向DC-DC变换电路。
根据本发明提供的双向DC-DC变换电路，包括：交错并联变换模块、开关电容网络模块、第一耦合电感L1、第二耦合电感L2、低压侧滤波电容CL、高压侧滤波电容CH，所述第一耦合电感L1、第二耦合电感L2、低压侧滤波电容CL的一端构成低压侧电源的正连接端，或者低电压的正输出端；所述低压侧滤波电容CL的另一端构成低压侧电源的负连接端，或者低电压的负输出端；所述第一耦合电感L1的另一端连接所述交错并联变换模块的第一端口的一端M1，所述第二耦合电感L2的另一端连接所述交错并联变换模块的第二端口的一端M2；所述交错并联变换模块的第三端口与所述开关电容网络模块的第一端口相连，且所述交错并联变换模块的第一端口的另一端、所述交错并联变换模块的第二端口的另一端均接地；所述开关电容网络模块的第二端口的两端分别与高压侧滤波电容CH的两端相连，且所述高压侧滤波电容CH的两端构成高压侧电源的正、负连接端，或者构成高电压的正、负输出端；
其中：所述交错并联变换模块和开关电容网络模块中的开关管根据外接的控制信号在开启和断开两种状态间切换，以使低压侧滤波电容CL的两侧根据高压侧滤波电容CH的两端连接的电压源输出相应的低电压值；或者高压侧滤波电容CH的两侧根据低压侧滤波电容CL的两端连接的电压源输出相应的高电压值。
可选地，所述交错并联变换模块，包括：第一功率开关管Q1、第二功率开关管Q2、第三功率开关管Q3、第四功率开关管Q4，所述第一功率开关管Q1的漏极与所述第三功率开关管Q3的漏极相连并构成所述交错并联变换模块的第三端口的一端M；所述第一功率开关管Q1的源极与第二功率开关管Q2的漏极相连并构成所述交错并联变换模块的第一端口的一端M1，所述第三功率开关管Q3的源极与第四功率开关管Q4的漏极相连并构成所述交错并联变换模块的第二端口的一端M2；所述第二功率开关管Q2的源极和第四功率开关管Q4的源极相连，并构成所述交错并联变换模块的第一端口的另一端、所述交错并联变换模块的第二端口的另一端；所述第一功率开关管Q1、第二功率开关管Q2、第三功率开关管Q3、第四功率开关管Q4的栅极构成所述控制信号的输入端。
可选地，所述开关电容网络模块，包括：第五功率开关管Q5、第六功率开关管Q6、第七功率开关管Q7、第八功率开关管Q8、第一电容C1、第二电容C2；所述第五功率开关管Q5的漏极与第二电容C2的一端、第八功率开关管Q8的源极相连，并构成所述开关电容网络模块的第一端口的一端；所述第五功率开关管Q5的源极与第一电容C1的一端、第六功率开关管Q6的源极相连，所述第六功率开关管Q6的漏极分别与第二电容C2的另一端、第七功率开关管Q7的漏极连接；所述第一电容C1的另一端与第七功率开关管Q7的源极相连，并构成所述开关电容网络模块的第一端口的另一端；所述第八功率开关管Q8的漏极与所述高压侧滤波电容CH的一端相连，所述高压侧滤波电容CH的另一端与所述第一电容C1的另一端相连并接地；所述第五功率开关管Q5、第六功率开关管Q6、第七功率开关管Q7、第八功率开关管Q8的栅极构成所述控制信号的输入端。
可选地，低压侧滤波电容CL两端的电压小于高压侧滤波电容CH两端的电压。
与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：
1、本发明提供的双向DC-DC变换电路，通过将交错并联变换模块和开关电容网络模块结合，从而可以有效地降低低压侧功率器件的电流应力和高压侧功率器件的电压应力，提高DC-DC变换的效率，实现了高效率、高变压比的双向DC-DC能量变换。
2、本发明提供的双向DC-DC变换电路，通过在输入端设置交错并联电感，降低输入电流纹波，由于耦合电感分为两相，两相功率开关器件的驱动信号相位相差180度，使得输入电流的纹波互补，纹波频率加倍，并且两路输入通道使得每通道的平均电流为总输入电流的1/2，电感体积可明显减小。使得发明提供的双向DC-DC变换电路不仅具备了交错并联变换器的特性，如低输入电流纹波、易于电磁干扰EMI(Electro-Magnetic Interference)设计等特点，还达到了输入输出电压大变比及更低的开关电压应力的目的。
3、本发明提供的双向DC-DC变换电路中的开关电容可以使得电感电流实现自动均流，这样就避免了交错并联拓扑中各电感量差异所造成的均流问题，从而无需额外的均流控制或均流电路。
附图说明
通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：
图1为本发明提供的双向DC-DC变换电路的结构示意图；
图2为本发明提供的双向DC-DC变换电路在升压模式时实施例一的等效电路图；
图3为本发明提供的双向DC-DC变换电路在升压模式时实施例二的等效电路图；
图4为本发明提供的双向DC-DC变换电路在升压模式时实施例三的等效电路图；
图5为本发明提供的双向DC-DC变换电路在升压模式时的控制信号示意图；
图6为本发明提供的双向DC-DC变换电路在降压模式时实施例一的等效电路图；
图7为本发明提供的双向DC-DC变换电路在降压模式时实施例二的等效电路图；
图8为本发明提供的双向DC-DC变换电路在降压模式时实施例三的等效电路图；
图9为本发明提供的双向DC-DC变换电路在降压模式时的控制信号示意图。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变化和改进。这些都属于本发明的保护范围。
根据本发明提供的双向DC-DC变换电路，包括：交错并联变换模块、开关电容网络模块、第一耦合电感L1、第二耦合电感L2、低压侧滤波电容CL、高压侧滤波电容CH，所述第一耦合电感L1、第二耦合电感L2、低压侧滤波电容CL的一端构成低压侧电源的正连接端，或者低电压的正输出端；所述低压侧滤波电容CL的另一端构成低压侧电源的负连接端，或者低电压的负输出端；所述第一耦合电感L1的另一端连接所述交错并联变换模块的第一端口的一端M1，所述第二耦合电感L2的另一端连接所述交错并联变换模块的第二端口的一端M2；所述交错并联变换模块的第三端口与所述开关电容网络模块的第一端口相连，且所述交错并联变换模块的第一端口的另一端、所述交错并联变换模块的第二端口的另一端均接地；所述开关电容网络模块的第二端口的两端分别与高压侧滤波电容CH的两端相连，且所述高压侧滤波电容CH的两端构成高压侧电源的正、负连接端，或者构成高电压的正、负输出端；
其中：所述交错并联变换模块和开关电容网络模块中的开关管根据外接的控制信号在开启和断开两种状态间切换，以使低压侧滤波电容CL的两侧根据高压侧滤波电容CH的两端连接的电压源输出相应的低电压值；或者高压侧滤波电容CH的两侧根据低压侧滤波电容CL的两端连接的电压源输出相应的高电压值。
所述交错并联变换模块，包括：第一功率开关管Q1、第二功率开关管Q2、第三功率开关管Q3、第四功率开关管Q4，所述第一功率开关管Q1的漏极与所述第三功率开关管Q3的漏极相连并构成所述交错并联变换模块的第三端口的一端M；所述第一功率开关管Q1的源极与第二功率开关管Q2的漏极相连并构成所述交错并联变换模块的第一端口的一端M1，所述第三功率开关管Q3的源极与第四功率开关管Q4的漏极相连并构成所述交错并联变换模块的第二端口的一端M2；所述第二功率开关管Q2的源极和第四功率开关管Q4的源极相连，并构成所述交错并联变换模块的第一端口的另一端、所述交错并联变换模块的第二端口的另一端；所述第一功率开关管Q1、第二功率开关管Q2、第三功率开关管Q3、第四功率开关管Q4的栅极构成所述控制信号的输入端。
所述开关电容网络模块，包括：第五功率开关管Q5、第六功率开关管Q6、第七功率开关管Q7、第八功率开关管Q8、第一电容C1、第二电容C2；所述第五功率开关管Q5的漏极与第二电容C2的一端、第八功率开关管Q8的源极相连，并构成所述开关电容网络模块的第一端口的一端；所述第五功率开关管Q5的源极与第一电容C1的一端、第六功率开关管Q6的源极相连，所述第六功率开关管Q6的漏极分别与第二电容C2的另一端、第七功率开关管Q7的漏极连接；所述第一电容C1的另一端与第七功率开关管Q7的源极相连，并构成所述开关电容网络模块的第一端口的另一端；所述第八功率开关管Q8的漏极与所述高压侧滤波电容CH的一端相连，所述高压侧滤波电容CH的另一端与所述第一电容C1的另一端相连并接地；所述第五功率开关管Q5、第六功率开关管Q6、第七功率开关管Q7、第八功率开关管Q8的栅极构成所述控制信号的输入端。
可选地，低压侧滤波电容CL两端的电压小于高压侧滤波电容CH两端的电压。低压侧滤波电容CL两端可以连接电压为12V至24V的储能装置或直流电源，高压侧滤波电容CH两端可以连接电压为40V至72V的直流母线或直流变换器。
图1为本发明提供的双向DC-DC变换电路的结构示意图，如图1所示，可以包括：交错并联变换模块、开关电容网络模块、第一耦合电感L1、第二耦合电感L2、低压侧滤波电容CL、高压侧滤波电容CH，所述交错并联变换模块与所述开关电容网络模块级联。交错并联变换模块包括：4个功率开关管Q1、Q2、Q3、Q4，开关电容网络模块包括：4个功率开关管Q1、Q2、Q3、Q4，第一电容C1、第二电容C2。
本实施例，通过将交错并联变换模块和开关电容网络模块结合，从而可以有效地降低低压侧功率器件的电流应力和高压侧功率器件的电压应力，提高DC-DC变换的效率，实现了高效率、高变压比的双向DC-DC能量变换。通过在输入端设置交错并联电感，降低输入电流纹波，由于耦合电感分为两相，两相功率开关器件的驱动信号相位相差180度，使得输入电流的纹波互补，纹波频率加倍，并且两路输入通道使得每通道的平均电流为总输入电流的1/2，电感体积可明显减小。使得发明提供的双向DC-DC变换电路不仅具备了交错并联变换器的特性，如低输入电流纹波、易于电磁干扰EMI(Electro-Magnetic Interference)设计等特点，还达到了输入输出电压大变比及更低的开关电压应力的目的。可以使得电感电流实现自动均流，这样就避免了交错并联拓扑中各电感量差异所造成的均流问题，理论上，该类电路无需额外的均流控制或均流电路。能够应用到分布式发电中的蓄电池储能装置、电动汽车的蓄电池充放电控制器等多种需要高变压比和双向功率流的场合。
图5为本发明提供的双向DC-DC变换电路在升压模式时的控制信号示意图；在图5所示控制信号作用下，功率开关管Q1，Q3一直处于关断状态，Q2、Q4、Q5、Q6、Q7、Q8处于工作状态。此时，本实施例包含三个工作模式，三个工作模式下的等效电路图分别如图2-图4所示。升压模式主要是为储能系统右侧的高电压端提供能量，以维持高电压端电压的稳定。
图2为本发明提供的双向DC-DC变换电路在升压模式时实施例一的等效电路图；此时，功率开关管Q2、Q4、Q6、Q8处于导通状态，电源对电感L1、L2充电，电容C1、C2对CH及负载串联放电。其中，C1、C2的放电电压为2VL。
图3为本发明提供的双向DC-DC变换电路在升压模式时实施例二的等效电路图；此时，功率开关管Q4、Q5、Q7处于导通状态，电源对电感L1充电，电容C1、C2并联充电。
图4为本发明提供的双向DC-DC变换电路在升压模式时实施例三的等效电路图；此时，功率开关管Q2、Q5、Q7处于导通状态，电源对电感L2充电，电容C1、C2并联充电。
图9为本发明提供的双向DC-DC变换电路在降压模式时的控制信号示意图，在图9所示控制信号作用下，功率开关管Q2，Q4一直处于关断状态，Q1、Q3、Q5、Q6、Q7、Q8处于工作状态。此时，本实施例包含三个工作模式，三个工作模式下的等效电路图分别如图6-图8所示。
图6为本发明提供的双向DC-DC变换电路在降压模式时实施例一的等效电路图，此时，功率开关管Q1、Q3、Q5、Q7处于关断状态，开关管Q6、Q8处于导通状态，电源对电容C1、C2充电，电感L1、L2对CL及低压端放电。其中，C1、C2的串联充电电压为VH。
图7为本发明提供的双向DC-DC变换电路在降压模式时实施例二的等效电路图，此时，功率开关管Q1、Q6、Q8处于关断状态，开关管Q3、Q5、Q7处于导通状态，电容C1、C2对低压端放电，电容C1、C2放电电压为1/2VH。
图8为本发明提供的双向DC-DC变换电路在降压模式时实施例三的等效电路图，此时，功率开关管Q3、Q6、Q8处于关断状态，开关管Q1、Q5、Q7处于导通状态，电容C1、C2对低压端放电，电容C1、C2放电电压为1/2VH。
本实施例，通过增加并联通道数量，可显著的降低各功率器件的电压和电流应力，同时，采用耦合系数优化设计后的耦合电感，进一步减小了电感量和电感体积，降低了通道内电感电流纹波，改善了变换器自动均流时的动态性能。总之，无论对于交直流微网系统、分布式可再生能源发电系统，还是其他诸如燃料电池汽车等需要高变压比的直流功率变换场合，本发明都具有积极的推广应用价值。
以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变化或修改，这并不影响本发明的实质内容。在不冲突的情况下，本申请的实施例和实施例中的特征可以任意相互组合。

Claims (4)

1.一种双向DC-DC变换电路，其特征在于，包括：交错并联变换模块、开关电容网络模块、第一耦合电感L1、第二耦合电感L2、低压侧滤波电容CL、高压侧滤波电容CH，所述第一耦合电感L1、第二耦合电感L2、低压侧滤波电容CL的一端构成低压侧电源的正连接端，或者低电压的正输出端；所述低压侧滤波电容CL的另一端构成低压侧电源的负连接端，或者低电压的负输出端；所述第一耦合电感L1的另一端连接所述交错并联变换模块的第一端口的一端M1，所述第二耦合电感L2的另一端连接所述交错并联变换模块的第二端口的一端M2；所述交错并联变换模块的第三端口与所述开关电容网络模块的第一端口相连，且所述交错并联变换模块的第一端口的另一端、所述交错并联变换模块的第二端口的另一端均接地；所述开关电容网络模块的第二端口的两端分别与高压侧滤波电容CH的两端相连，且所述高压侧滤波电容CH的两端构成高压侧电源的正、负连接端，或者构成高电压的正、负输出端；
其中：所述交错并联变换模块和开关电容网络模块中的开关管根据外接的控制信号在开启和断开两种状态间切换，以使低压侧滤波电容CL的两侧根据高压侧滤波电容CH的两端连接的电压源输出相应的低电压值；或者高压侧滤波电容CH的两侧根据低压侧滤波电容CL的两端连接的电压源输出相应的高电压值。
2.根据权利要求1所述的双向DC-DC变换电路，其特征在于，所述交错并联变换模块，包括：第一功率开关管Q1、第二功率开关管Q2、第三功率开关管Q3、第四功率开关管Q4，所述第一功率开关管Q1的漏极与所述第三功率开关管Q3的漏极相连并构成所述交错并联变换模块的第三端口的一端M；所述第一功率开关管Q1的源极与第二功率开关管Q2的漏极相连并构成所述交错并联变换模块的第一端口的一端M1，所述第三功率开关管Q3的源极与第四功率开关管Q4的漏极相连并构成所述交错并联变换模块的第二端口的一端M2；所述第二功率开关管Q2的源极和第四功率开关管Q4的源极相连，并构成所述交错并联变换模块的第一端口的另一端、所述交错并联变换模块的第二端口的另一端；所述第一功率开关管Q1、第二功率开关管Q2、第三功率开关管Q3、第四功率开关管Q4的栅极构成所述控制信号的输入端。
3.根据权利要求1所述的双向DC-DC变换电路，其特征在于，所述开关电容网络模块，包括：第五功率开关管Q5、第六功率开关管Q6、第七功率开关管Q7、第八功率开关管Q8、第一电容C1、第二电容C2；所述第五功率开关管Q5的漏极与第二电容C2的一端、第八功率开关管Q8的源极相连，并构成所述开关电容网络模块的第一端口的一端；所述第五功率开关管Q5的源极与第一电容C1的一端、第六功率开关管Q6的源极相连，所述第六功率开关管Q6的漏极分别与第二电容C2的另一端、第七功率开关管Q7的漏极连接；所述第一电容C1的另一端与第七功率开关管Q7的源极相连，并构成所述开关电容网络模块的第一端口的另一端；所述第八功率开关管Q8的漏极与所述高压侧滤波电容CH的一端相连，所述高压侧滤波电容CH的另一端与所述第一电容C1的另一端相连并接地；所述第五功率开关管Q5、第六功率开关管Q6、第七功率开关管Q7、第八功率开关管Q8的栅极构成所述控制信号的输入端。
4.根据权利要求1-3中任一项所述的双向DC-DC变换电路，其特征在于，低压侧滤波电容CL两端的电压小于高压侧滤波电容CH两端的电压。
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