CN107888077A - 一种双向直流‑直流变换器及其控制方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种双向直流‑直流变换器及其控制方法，所述双向直流‑直流变换器包括左桥臂、中间电容以及右桥臂；左桥臂的第一端和右桥臂的第一端与中间电容的正极连接；左桥臂的中点与直流输入端的正极连接，右桥臂的中点与直流输出端的正极连接；左桥臂的第二端、右桥臂的第二端、双向直流‑直流变换器的直流输入端的负极、中间电容的负极和直流输出端的负极短接在一起。本发明解决了现有的双向直流‑直流变换器，在输入电压V1和输出电压V2相等或者很接近时，不能有效进行电压变换的问题；拓宽了应用场合。
Description
技术领域
本发明涉及电力电子技术领域，尤其涉及一种双向直流-直流变换器及其控制方法。
背景技术
双向直流-直流变换器是指在维持变换器两侧的直流电压极性不变的情况下，能够根据需要改变能量传输方向的直流-直流变换器。与采用两套单向的直流-直流变换器来达到能量双向传输的方案相比，双向直流-直流变换器由同一个变换器实现能量的双向传输，使用的总体器件数目少，可以更加快速地进行两个方向功率变换的切换，同时具有效率高、体积小、动态性能好、成本低等优势。
如图1所示为一种现有的双向直流-直流变换器，该双向直流-直流变换器存在的问题是：输入电压V1和输出电压V2需要有一定的电压差，当V1和V2相等或者很接近时，由于上下管开关器件需要插入一定的死区导致占空比不能达到100％，从而不能有效进行电压变换。
发明内容
有鉴于此，本发明的目的在于提供一种双向直流-直流变换器及其控制方法，以解决现有的双向直流-直流变换器，在输入电压V1和输出电压V2相等或者很接近时，不能有效进行电压变换的问题。
本发明解决上述技术问题所采用的技术方案如下：
根据本发明的一个方面，提供的一种双向直流-直流变换器，所述双向直流-直流变换器包括左桥臂、中间电容以及右桥臂；
所述左桥臂的第一端和所述右桥臂的第一端与所述中间电容的正极连接；
所述左桥臂的中点与所述双向直流-直流变换器的直流输入端的正极连接，所述右桥臂的中点与所述双向直流-直流变换器的直流输出端的正极连接；
所述左桥臂的第二端、所述右桥臂的第二端、所述双向直流-直流变换器的直流输入端的负极、所述中间电容的负极和所述双向直流-直流变换器的直流输出端的负极短接在一起。
根据本发明的另一个方面，提供的一种双向直流-直流变换器的控制方法，所述方法包括步骤：
通过左桥臂和中间电容将直流输入端电压转换为中间电压；然后通过右桥臂将所述中间电压转换为直流输出端电压；所述中间电压值大于所述直流输入端电压值、且大于所述直流输出端电压值
本发明实施例的双向直流-直流变换器及其控制方法，解决了现有的双向直流-直流变换器，在输入电压V1和输出电压V2相等或者很接近时，不能有效进行电压变换的问题；拓宽了应用场合。
附图说明
图1为现有的双向直流-直流变换器结构示意图；
图2为本发明实施例的双向直流-直流变换器结构示意图；
图3为本发明实施例的单桥臂的双向直流-直流变换器结构示意图；
图4为本发明实施例的双桥臂的双向直流-直流变换器结构示意图；
图5为本发明实施例的三桥臂的双向直流-直流变换器结构示意图；
图6为本发明实施例的三桥臂的双向直流-直流变换器应用在锂电池的结构示意图；
图7为本发明实施例的三桥臂的双向直流-直流变换器应用在锂电池的三相交错发波结构示意图；
图8为本发明实施例的三桥臂的双向直流-直流变换器应用在锂电池的左桥臂控制结构示意图；
图9为本发明实施例的三桥臂的双向直流-直流变换器应用在锂电池的右桥臂控制结构示意图。
本发明目的的实现、功能特点及优点将结合实施例，参照附图做进一步说明。
具体实施方式
为了使本发明所要解决的技术问题、技术方案及有益效果更加清楚、明白，以下结合附图和实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
第一实施例
如图2所示，本发明第一实施例提供一种双向直流-直流变换器，所述双向直流-直流变换器包括输入电容11、左桥臂12、中间电容13、右桥臂14以及输出电容15；
所述左桥臂12的第一端和所述右桥臂14的第一端与所述中间电容13的正极连接；
所述左桥臂12的中点与所述双向直流-直流变换器的直流输入端V1的正极连接，所述右桥臂14的中点与所述双向直流-直流变换器的直流输出端V2的正极连接；
所述左桥臂12的第二端、所述右桥臂14的第二端、所述双向直流-直流变换器的直流输入端V1的负极、所述中间电容13的负极以及所述双向直流-直流变换器的直流输出端V2的负极短接在一起；其中直流输入端V1可以为可变或固定输入电压，直流输出端V2可以为可变或固定输出电压。
所述输入电容11连接在所述双向直流-直流变换器的直流输入端V1的正负极之间，用于减小直流输入端的纹波电流；所述输出电容15连接在所述双向直流-直流变换器的直流输出端V2的正负极之间，用于减小直流输出端的纹波电流。
当双向直流-直流变换器对纹波电流要求不高时，输入电容11和输出电容15可以省略。
本实施例的双向直流-直流变换器，工作过程大致如下：输入电压V1通过左桥臂12和中间电容13产生一个中间电压Vbus(图中未示出)，然后再将Vbus通过右桥臂14产生输出电压V2。由于中间电压Vbus可控，故可将Vbus控制为比V1和V2都高的一个电压值，从而有效解决了V1和V2相等或接近时，双向直流-直流变换器不能有效进行电压变换的问题。
请参考图3所示，在一种实施方式中，所述左桥臂12包括第一桥臂；所述第一桥臂包括串联的第一开关管Q1以及第二开关管Q2，所述第一桥臂的中点(图中的A所示)通过第一滤波电感L1与所述双向直流-直流变换器的直流输入端V1的正极连接；
所述右桥臂14包括第二桥臂；所述第二桥臂包括串联的第三开关管Q3以及第四开关管Q4，所述第二桥臂的中点(图中的A1所示)通过第二滤波电感L2与所述双向直流-直流变换器的直流输出端V2的正极连接。
在该实施方式中，所述第一开关管Q1、第二开关管Q2、第三开关管Q3以及第四开关管Q4包括但不限于MOSFET(Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor，金属氧化物半导体场效应晶体管)、BJT(Bipolar Junction Transistor，双极结型晶体管)和IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor，绝缘栅双极型晶体管)。
以所述第一开关管Q1、第二开关管Q2、第三开关管Q3以及第四开关管Q4均为IGBT为例，对图3的拓扑结构进行说明：
所述第一开关管Q1的集电极和所述第三开关管Q3的集电极与所述中间电容C的正极连接，所述第一开关管Q1的发射极和所述第二开关管Q2的集电极连接，所述第一开关管Q1的发射极还通过所述第一滤波电感L1与直流输入端V1的正极连接，所述第一开关管Q1的基极与第一控制信号连接(图中未示出)。
所述第二开关管Q2的基极与第二控制信号连接(图中未示出)，所述第二开关管Q2的发射极、直流输入端V1的负极、所述中间电容C的负极、所述第四开关管Q4的发射极以及直流输出端V2的负极短接在一起。
所述第三开关管Q3的发射极和所述第四开关管Q4的集电极连接，所述第第三开关管Q3的发射极还通过所述第二滤波电感L2与直流输出端V2的正极连接，所述第三开关管Q3的基极与第三控制信号连接(图中未示出)，所述第四开关管Q4的基极与第四控制信号连接(图中未示出)。
请参考图4所示，在一种实施方式中，所述左桥臂12包括并联连接的第一桥臂和第二桥臂；所述第一桥臂包括串联的第一开关管Q1以及第二开关管Q2，所述第一桥臂的中点通过第一滤波电感L1与所述双向直流-直流变换器的直流输入端V1的正极连接；所述第二桥臂包括串联的第三开关管Q3以及第四开关管Q4，所述第二桥臂的中点通过第二滤波电感L2与所述双向直流-直流变换器的直流输入端V1的正极连接；
所述右桥臂14包括并联连接的第三桥臂和第四桥臂；所述第三桥臂包括串联的第五开关管Q5以及第六开关管Q6，所述第三桥臂的中点通过第三滤波电感L3与所述双向直流-直流变换器的直流输出端V2的正极连接；所述第四桥臂包括串联的第七开关管Q7以及第八开关管Q8，所述第四桥臂的中点通过第四滤波电感L2与所述双向直流-直流变换器的直流输出端V2的正极连接。
通过该实施方式，可减少输入电容C1和输出电容C2上的纹波电流。另外，在该实施方式中，所述第一桥臂和所述第二桥臂按照180度交错发波方式进行控制；所述第三桥臂和所述第四桥臂按照180度交错发波方式进行控制。
可以理解地，参照前述实施方式，在该实施方式中，所述第一开关管Q1、第二开关管Q2、第三开关管Q3、第四开关管Q4、第五开关管Q5、第六开关管Q6、第七开关管Q7以及第八开关管Q8包括但不限于MOSFET、BJT和IGBT。
请参考图5所示，在一种实施方式中，所述左桥臂12包括并联连接的第一桥臂、第二桥臂以及第三桥臂；所述第一桥臂包括串联的第一开关管Q1以及第二开关管Q2，所述第一桥臂的中点通过第一滤波电感L1与所述双向直流-直流变换器的直流输入端V1的正极连接；所述第二桥臂包括串联的第三开关管Q3以及第四开关管Q4，所述第二桥臂的中点通过第二滤波电感L2与所述双向直流-直流变换器的直流输入端V1的正极连接；所述第三桥臂包括串联的第五开关管Q5以及第六开关管Q6，所述第三桥臂的中点通过第三滤波电感L3与所述双向直流-直流变换器的直流输入端V1的正极连接；
所述右桥臂14包括并联连接的第四桥臂、第五桥臂以及第六桥臂；所述第四桥臂包括串联的第七开关管Q7以及第八开关管Q8，所述第四桥臂的中点通过第四滤波电感L4与所述双向直流-直流变换器的直流输出端V2的正极连接；所述第五桥臂包括串联的第九开关管Q9以及第十开关管Q10，所述第五桥臂的中点通过第五滤波电感L5与所述双向直流-直流变换器的直流输出端V2的正极连接；所述第六桥臂包括串联的第十一开关管Q11以及第十二开关管Q12，所述第六桥臂的中点通过第六滤波电感L6与所述双向直流-直流变换器的直流输出端V2的正极连接。
通过该实施方式，可进一步地减少直流输入端V1和直流输出端V2上的纹波电流。另外，在该实施方式中，所述第一桥臂、第二桥臂以及第三桥臂按照120度交错发波方式进行控制；所述第四桥臂、第五桥臂以及第六桥臂按照120度交错发波方式进行控制。
可以理解地，参照前述实施方式，在该实施方式中，所述第一开关管Q1、第二开关管Q2、第三开关管Q3、第四开关管Q4、第五开关管Q5、第六开关管Q6、第七开关管Q7、第八开关管Q8、第九开关管Q9、第十开关管Q10、第十一开关管Q11以及第十二开关管Q12包括但不限于MOSFET、BJT和IGBT。
请参照图6所示的双向直流-直流变换器应用场景，所述双向直流-直流变换器的直流输入端V1的正负极之间连接直流源，所述双向直流-直流变换器的直流输出端V2的正负极之间连接充放电储能器件。
需要说明的是，直流源包括但不限于PV电池等，充放电储能器件包括但不限于锂电池、蓄电池、超级电容等。为了便于叙述，图6以PV电池和锂电池BAT进行说明。
请参考图7所示，在图6的应用场景下，左桥臂12和右桥壁14均采用三相交错发波方式进行控制。如图7所示，通过一个特定比较值和三角载波比较，输出三相上管开关管的驱动波形，驱动波形彼此相差120度(或1/3个周期)。每相下管驱动波形，在和上管驱动插入死区外，其他为互补状态。
请参考图8所示，在图6的应用场景下，所述双向直流-直流变换器的左桥臂12通过以下方式对中间电压值进行控制：
根据给定的中间电压值Vref，实际检测的中间电压值Vbus，实际检测的电感电流ILsum＝(I1a+I1b+I1c)值和实际的输入电压Vpv进行中间电压外环和电感电流内环双闭环控制，从而实现稳定中间电压Vbus的目的。
请参考图9所示，在图6的应用场景下，所述双向直流-直流变换器的右桥臂可对锂电池进行恒功率、恒压和恒流充放电控制。恒流控制时采用电感电流闭环控制，如图9(a)所示；恒压控制时，采用电压外环和电感电流内环双闭环控制，如图9(b)所示；恒功率控制时，采用功率外环和电感电流内环双闭环控制，如图9(c)所示。在输出电压V2为恒定电压时称为恒压控制，在输出电压V2不恒定但输出电流恒定时称为恒流控制。
需要说明的是，在图6的应用场景下，输入电容C1和输出电容C2可以省略掉。
在另一种实施方式中(附图未示出)，所述左桥臂12包括并联连接的第一桥臂以及第二桥臂；所述第一桥臂包括串联的第一开关管以及第二开关管，所述第一桥臂的中点通过第一滤波电感与所述双向直流-直流变换器的直流输入端的正极连接；所述第二桥臂包括串联的第三开关管以及第四开关管，所述第二桥臂的中点通过第二滤波电感与所述双向直流-直流变换器的直流输入端的正极连接；
所述右桥臂14包括并联连接的第三桥臂、第四桥臂以及第五桥臂；所述第三桥臂包括串联的第五开关管以及第六开关管，所述第六桥臂的中点通过第三滤波电感与所述双向直流-直流变换器的直流输出端的正极连接；所述第四桥臂包括串联的第七开关管以及第八开关管，所述第四桥臂的中点通过第四滤波电感与所述双向直流-直流变换器的直流输出端的正极连接；所述第五桥臂包括串联的第九开关管以及第十开关管，所述第五桥臂的中点通过第五滤波电感与所述双向直流-直流变换器的直流输出端的正极连接。
在该实施方式中，所述左桥臂12为双桥臂，与图4中的左桥臂12类似；所述右桥臂14为三桥臂，与图5中的右桥臂14类似。即，左桥臂和右桥臂不完全对称的情况下，也可以实现双向直流-直流变换器有效进行电压变换的问题。
可以理解地，参照前述实施方式，在该实施方式中，所述第一开关管、第二开关管、第三开关管、第四开关管、第五开关管、第六开关管、第七开关管、第八开关管、第九开关管以及第十开关管包括但不限于MOSFET、BJT和IGBT。
本发明实施例的双向直流-直流变换器，解决了现有的双向直流-直流变换器，在输入电压V1和输出电压V2相等或者很接近时，不能有效进行电压变换的问题；拓宽了应用场合。
第二实施例
基于第一实施例的双向直流-直流变换器，本发明第二实施例提供一种双向直流-直流变换器的控制方法，所述方法包括步骤：
通过左桥臂和中间电容将直流输入端电压V1转换为中间电压Vbus；然后通过右桥臂将所述中间电压转换为直流输出端电压V2；所述中间电压值Vbus大于所述直流输入端电压值V1、且大于所述直流输出端电压值V2。
在一种实施方式中，所述中间电压Vbus为所述直流输入端电压V1和所述直流输出端电压V2中最大值的1.1倍。
在本实施例中，当左桥臂和右桥臂为至少两桥臂时，所述左桥臂和所述右桥臂均按照交错发波方式进行控制。
本发明实施例的双向直流-直流变换器的控制方法，解决了现有的双向直流-直流变换器，在输入电压V1和输出电压V2相等或者很接近时，不能有效进行电压变换的问题；拓宽了应用场合。
通过以上的实施方式的描述，本领域的技术人员可以清楚地了解到上述实施例方法可借助软件加必需的通用硬件平台的方式来实现，当然也可以通过硬件来实现，但很多情况下前者是更佳的实施方式。基于这样的理解，本发明的技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品存储在一个存储介质(如ROM/RAM、磁碟、光盘)中，包括若干指令用以使得一台终端设备(可以是手机，计算机，服务器，空调器，或者网络设备等)执行本发明各个实施例所述的方法。
以上参照附图说明了本发明的优选实施例，并非因此局限本发明的权利范围。本领域技术人员不脱离本发明的范围和实质，可以有多种变型方案实现本发明，比如作为一个实施例的特征可用于另一实施例而得到又一实施例。凡在运用本发明的技术构思之内所作的任何修改、等同替换和改进，均应在本发明的权利范围之内。
Claims (12)
1.一种双向直流-直流变换器，其特征在于，所述双向直流-直流变换器包括左桥臂、中间电容以及右桥臂；
所述左桥臂的第一端和所述右桥臂的第一端与所述中间电容的正极连接；
所述左桥臂的中点与所述双向直流-直流变换器的直流输入端的正极连接，所述右桥臂的中点与所述双向直流-直流变换器的直流输出端的正极连接；
所述左桥臂的第二端、所述右桥臂的第二端、所述双向直流-直流变换器的直流输入端的负极、所述中间电容的负极和所述双向直流-直流变换器的直流输出端的负极短接在一起。
2.根据权利要求1所述的一种双向直流-直流变换器，其特征在于，所述左桥臂包括第一桥臂；所述第一桥臂包括串联的第一开关管以及第二开关管，所述第一桥臂的中点通过第一滤波电感与所述双向直流-直流变换器的直流输入端的正极连接；
所述右桥臂包括第二桥臂；所述第二桥臂包括串联的第三开关管以及第四开关管，所述第二桥臂的中点通过第二滤波电感与所述双向直流-直流变换器的直流输出端的正极连接。
3.根据权利要求1所述的一种双向直流-直流变换器，其特征在于，所述左桥臂包括并联连接的第一桥臂和第二桥臂；所述第一桥臂包括串联的第一开关管以及第二开关管，所述第一桥臂的中点通过第一滤波电感与所述双向直流-直流变换器的直流输入端的正极连接；所述第二桥臂包括串联的第三开关管以及第四开关管，所述第二桥臂的中点通过第二滤波电感与所述双向直流-直流变换器的直流输入端的正极连接；
所述右桥臂包括并联连接的第三桥臂和第四桥臂；所述第三桥臂包括串联的第五开关管以及第六开关管，所述第三桥臂的中点通过第三滤波电感与所述双向直流-直流变换器的直流输出端的正极连接；所述第四桥臂包括串联的第七开关管以及第八开关管，所述第四桥臂的中点通过第四滤波电感与所述双向直流-直流变换器的直流输出端的正极连接。
4.根据权利要求3所述的一种双向直流-直流变换器，其特征在于，所述第一桥臂和所述第二桥臂按照180度交错发波方式进行控制；所述第三桥臂和所述第四桥臂按照180度交错发波方式进行控制。
5.根据权利要求1所述的一种双向直流-直流变换器，其特征在于，所述左桥臂包括并联连接的第一桥臂、第二桥臂以及第三桥臂；所述第一桥臂包括串联的第一开关管以及第二开关管，所述第一桥臂的中点通过第一滤波电感与所述双向直流-直流变换器的直流输入端的正极连接；所述第二桥臂包括串联的第三开关管以及第四开关管，所述第二桥臂的中点通过第二滤波电感与所述双向直流-直流变换器的直流输入端的正极连接；所述第三桥臂包括串联的第五开关管以及第六开关管，所述第三桥臂的中点通过第三滤波电感与所述双向直流-直流变换器的直流输入端的正极连接；
所述右桥臂包括并联连接的第四桥臂、第五桥臂以及第六桥臂；所述第四桥臂包括串联的第七开关管以及第八开关管，所述第四桥臂的中点通过第四滤波电感与所述双向直流-直流变换器的直流输出端的正极连接；所述第五桥臂包括串联的第九开关管以及第十开关管，所述第五桥臂的中点通过第五滤波电感与所述双向直流-直流变换器的直流输出端的正极连接；所述第六桥臂包括串联的第十一开关管以及第十二开关管，所述第六桥臂的中点通过第六滤波电感与所述双向直流-直流变换器的直流输出端的正极连接。
6.根据权利要求5所述的一种双向直流-直流变换器，其特征在于，所述第一桥臂、第二桥臂以及第三桥臂按照120度交错发波方式进行控制；所述第四桥臂、第五桥臂以及第六桥臂按照120度交错发波方式进行控制。
7.根据权利要求5所述的一种双向直流-直流变换器，其特征在于，所述双向直流-直流变换器的直流输入端的正负极之间连接直流源，所述双向直流-直流变换器的直流输出端的正负极之间连接充放电储能器件。
8.根据权利要求1所述的一种双向直流-直流变换器，其特征在于，所述左桥臂包括并联连接的第一桥臂以及第二桥臂；所述第一桥臂包括串联的第一开关管以及第二开关管，所述第一桥臂的中点通过第一滤波电感与所述双向直流-直流变换器的直流输入端的正极连接；所述第二桥臂包括串联的第三开关管以及第四开关管，所述第二桥臂的中点通过第二滤波电感与所述双向直流-直流变换器的直流输入端的正极连接；
所述右桥臂包括并联连接的第三桥臂、第四桥臂以及第五桥臂；所述第三桥臂包括串联的第五开关管以及第六开关管，所述第六桥臂的中点通过第三滤波电感与所述双向直流-直流变换器的直流输出端的正极连接；所述第四桥臂包括串联的第七开关管以及第八开关管，所述第四桥臂的中点通过第四滤波电感与所述双向直流-直流变换器的直流输出端的正极连接；所述第五桥臂包括串联的第九开关管以及第十开关管，所述第五桥臂的中点通过第五滤波电感与所述双向直流-直流变换器的直流输出端的正极连接。
9.根据权利要求1-8任一所述的一种双向直流-直流变换器，其特征在于，所述双向直流-直流变换器还包括输入电容和输出电容；
所述输入电容连接在所述双向直流-直流变换器的直流输入端的正负极之间，所述输出电容连接在所述双向直流-直流变换器的直流输出端的正负极之间。
10.一种基于权利要求1-9任一所述的双向直流-直流变换器的控制方法，其特征在于，所述方法包括步骤：
通过左桥臂和中间电容将直流输入端电压转换为中间电压；然后通过右桥臂将所述中间电压转换为直流输出端电压；所述中间电压值大于所述直流输入端电压值、且大于所述直流输出端电压值。
11.根据权利要求10所述的一种双向直流-直流变换器的控制方法，其特征在于，所述中间电压为所述直流输入端电压和所述直流输出端电压中最大值的1.1倍。
12.根据权利要求10所述的一种双向直流-直流变换器的控制方法，其特征在于，所述左桥臂和所述右桥臂均按照交错发波方式进行控制。
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| CN (1) | CN107888077A (zh) |
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN111211693A (zh) * | 2020-02-25 | 2020-05-29 | 东莞市恒信第三代半导体研究院 | 软开关双向直流变换器的控制方法 |
| CN111650516A (zh) * | 2020-07-08 | 2020-09-11 | 湖南银河天涛科技有限公司 | 一种电机模拟装置 |
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2017
- 2017-12-07 CN CN201711289432.9A patent/CN107888077A/zh active Pending
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN111211693A (zh) * | 2020-02-25 | 2020-05-29 | 东莞市恒信第三代半导体研究院 | 软开关双向直流变换器的控制方法 |
| CN111650516A (zh) * | 2020-07-08 | 2020-09-11 | 湖南银河天涛科技有限公司 | 一种电机模拟装置 |
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