CN108155790A - 双向dc/dc变换器及双向电压变换系统 - Google Patents

双向dc/dc变换器及双向电压变换系统 Download PDF

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Abstract

本发明实施例公开了一种双向DC/DC变换器及双向电压变换系统。变换器包括：一个预充电电路单元、第一直流支撑电容单元、第二直流支撑电容单元和多个并联的双向DC/DC单元。预充电电路单元的一端与第一正直流母线相连；预充电电路单元的另一端分别与第一直流支撑电容单元的一端和每个双向DC/DC单元的第一端相连；每个双向DC/DC单元的第二端和第二直流支撑电容单元的一端分别与第二正直流母线相连；每个双向DC/DC单元的第三端、第一直流支撑电容单元的另一端和第二直流支撑电容单元的另一端分别与第一负直流母线和第二负直流母线相连。能够降低控制复杂度，提高系统可靠性，并且能够减少成本和DC/DC变换器体积。

Description

双向DC/DC变换器及双向电压变换系统
技术领域
本发明涉及电路电子技术领域，尤其涉及一种双向DC/DC变换器及双向电压变换系统。
背景技术
DC/DC变换器是将一种直流电变换为另一种形式直流电的技术，主要对电压、电流实现变换，它在可再生能源、电力系统、交通、航天航空、计算机和通讯、家用电器、国防军工、工业控制等领域得到广泛的应用。
通常DC/DC变换器都是单向工作的，主要原因是因为功率开关、等均为单向，并且主功率回路上都有单向导电的二极管，所以能量只能单向流动。然而在许多应用场合，诸如对二次电源充放电过程，通过DC/DC变换器的能量需要能够两个方向流动。如蓄电池或超级电容充电时，能量从电网流向电池或电容，电流由交流变换为一种直流，再由一种直流变换为另一种直流，放电时则正好相反，电流由一种直流变换为另一种直流，再由另一种直流变换为交流，在这些场合应用的变换器是双向变换器。
双向DC/DC变换器是指在保持变换器两端的直流电压极性不变的前提下，根据需要改变电流的方向，从而实现能量的双向流动的直流一直流变换器。一般做法是将单向DC/DC变换器中的单向开关和二极管改为双向开关，则所有的单向拓扑均变为双向拓扑，加上合理的控制就能实现能量的双向流动。
为了防止电源接通瞬间，DC/DC变换器中的元器件因并联在电源两端电容器瞬间的短路电流而损坏。在由多并联的双向DC/DC电路构成的DC/DC变换器中，通常为每一个双向DC/DC电路设置一与其对应的预充电电路。
双向DC/DC电路越多，预充电电路越多，成本越多，DC/DC变换器体积越大，并且电路控制复杂度越高，系统可靠性越差。
发明内容
本发明实施例提供一种双向DC/DC变换器及双向电压变换系统，能够降低控制复杂度，提高系统可靠性，并且能够减少成本和DC/DC变换器体积。
一方面，本发明实施例提供了一种双向DC/DC变换器，双向DC/DC变换器包括：一个预充电电路单元、第一直流支撑电容单元、第二直流支撑电容单元和多个并联的双向DC/DC单元。
预充电电路单元的一端与第一正直流母线相连；
预充电电路单元的另一端分别与第一直流支撑电容单元的一端和每个双向DC/DC单元的第一端相连；
每个双向DC/DC单元的第二端和第二直流支撑电容单元的一端分别与第二正直流母线相连；
每个双向DC/DC单元的第三端、第一直流支撑电容单元的另一端和第二直流支撑电容单元的另一端分别与第一负直流母线和第二负直流母线相连；使得直流电流能够从第一正直流母线流向第二正直流母线，也使得直流电流能够从第二正直流母线流向第一正直流母线。
在本发明的一个实施例中，预充电电路单元包括：预充电电阻和第一预充电接触器。
预充电电阻的一端与第一正直流母线相连，另一端分别与第一直流支撑电容单元的一端和每个双向DC/DC单元的第一端相连；
第一预充电接触器与预充电电阻并联。
在本发明的一个实施例中，预充电电路单元还包括：第二预充电接触器。
预充电电阻的一端通过第二预充电接触器与第一正直流母线相连。
在本发明的一个实施例中，双向DC/DC单元包括：电感、第一绝缘栅双极型晶体管、第一续流二极管、第二绝缘栅双极型晶体管和第二续流二极管。
电感的一端与预充电电路单元的另一端相连；
电感的另一端分别连接到第二绝缘栅双极型晶体管的集电极和第一绝缘栅双极型晶体管的发射极；
第一绝缘栅双极型晶体管的集电极连接到第二正直流母线；
第二绝缘栅双极型晶体管的发射极连接到第二负直流母线；
第一绝缘栅双极型晶体管与第一续流二极管反并联；
第二绝缘栅双极型晶体管与第二续流二极管反并联。
在本发明的一个实施例中，双向DC/DC变换器还包括：第一断路器。
第一断路器的一端与第一正直流母线相连，另一端与预充电电路单元的一端相连。
在本发明的一个实施例中，双向DC/DC变换器还包括：第二断路器。
第二断路器的一端与第二正直流母线相连，另一端与第二直流支撑电容单元的一端相连。
在本发明的一个实施例中，双向DC/DC变换器还包括：第三断路器。
第三断路器的一端分别与第一直流支撑电容单元的另一端、每个双向DC/DC单元的第三端以及第二直流支撑电容单元的另一端相连，另一端分别与第一负直流母线和第二负直流母线相连。
在本发明的一个实施例中，双向DC/DC变换器还包括：第一熔断器。
第一熔断器的一端与第一正直流母线相连，另一端与预充电电路单元的一端相连。
在本发明的一个实施例中，双向DC/DC变换器还包括：第二熔断器。
第二熔断器连接于第一负直流母线和第二负直流母线之间。
另一方面，本发明实施例提供一种双向电压变换系统，包括本发明实施例的双向DC/DC变换器。
本发明实施例提供的双向DC/DC变换器及双向电压变换系统，多个并联的双向DC/DC单元共用一个直流支撑电容单元，仅有一个预充电电路单元，降低了电路和控制的复杂度，提高了系统可靠性。由于多个并联的双向DC/DC单元共用一个直流支撑电容单元，并且仅有一个预充电电路单元，减少了成本和DC/DC变换器体积。另外，本发明实施例中的断路器的电流应力比现有的电流应力小，因此可以选用小容量的断路器。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对本发明实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1示出了本发明实施例提供的双向DC/DC变换器的第一种结构示意图；
图2示出了本发明实施例提供的预充电电路单元的第一种结构示意图；
图3示出了本发明实施例提供的预充电电路单元的第二种结构示意图；
图4示出了本发明实施例提供的双向DC/DC单元的结构示意图；
图5示出了本发明实施例提供的双向DC/DC变换器的第二种结构示意图；
图6示出了本发明实施例提供的双向DC/DC变换器的第三种结构示意图；
图7示出了本发明实施例提供的双向DC/DC变换器的控制逻辑图；
图8示出了现有的双向DC/DC变换器的结构示意图；
图9示出了现有的双向DC/DC变换器中的断路器的电流波形图；
图10示出了本发明实施例的双向DC/DC变换器中的断路器的电流波形图。
具体实施方式
下面将详细描述本发明的各个方面的特征和示例性实施例，为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细描述。应理解，此处所描述的具体实施例仅被配置为解释本发明，并不被配置为限定本发明。对于本领域技术人员来说，本发明可以在不需要这些具体细节中的一些细节的情况下实施。下面对实施例的描述仅仅是为了通过示出本发明的示例来提供对本发明更好的理解。
需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。
图1示出了本发明实施例提供的双向DC/DC变换器的第一种结构示意图。双向DC/DC变换器包括：一个预充电电路单元101、第一直流支撑电容单元102、第二直流支撑电容单元103和多个并联的双向DC/DC单元104。
预充电电路单元101的一端与第一正直流母线相连；
预充电电路单元101的另一端分别与第一直流支撑电容单元102的一端和每个双向DC/DC单元104的第一端相连；
每个双向DC/DC单元104的第二端和第二直流支撑电容单元103的一端分别与第二正直流母线相连；
每个双向DC/DC单元104的第三端、第一直流支撑电容单元102的另一端和第二直流支撑电容单元103的另一端分别与第一负直流母线和第二负直流母线相连；使得直流电流能够从第一正直流母线流向第二正直流母线，也使得直流电流能够从第二正直流母线流向第一正直流母线。
图2示出了本发明实施例提供的预充电电路单元的第一种结构示意图。预充电电路单元101包括：预充电电阻11和第一预充电接触器12。
预充电电阻11的一端与第一正直流母线相连，另一端分别与第一直流支撑电容单元102的一端和每个双向DC/DC单元104的第一端相连；
第一预充电接触器12与预充电电阻11并联。
图3示出了本发明实施例提供的预充电电路单元的第二种结构示意图。预充电电路单元101还可以包括：第二预充电接触器13。
预充电电阻11的一端通过第二预充电接触器13与第一正直流母线相连。
图4示出了本发明实施例提供的双向DC/DC单元的结构示意图。双向DC/DC单元104包括：电感41、第一绝缘栅双极型晶体管42、第一续流二极管43、第二绝缘栅双极型晶体管44和第二续流二极管45。
电感41的一端与预充电电路单元101的另一端相连；
电感41的另一端分别连接到第二绝缘栅双极型晶体管44的集电极和第一绝缘栅双极型晶体管42的发射极；
第一绝缘栅双极型晶体管42的集电极连接到第二正直流母线；
第二绝缘栅双极型晶体管44的发射极连接到第二负直流母线；
第一绝缘栅双极型晶体管42与第一续流二极管43反并联；
第二绝缘栅双极型晶体管44与第二续流二极管45反并联。
基于上述描述，本发明实施例提供的双向DC/DC变换器，具体如图5所示。图5示出了本发明实施例提供的双向DC/DC变换器的第二种结构示意图。图5示出的双向DC/DC变换器并联有三个双向DC/DC单元。
在本发明的一个实施例中，双向DC/DC变换器还可以包括：第一断路器105。第一断路器105的一端与第一正直流母线相连，另一端与预充电电路单元101的一端相连。
在本发明的一个实施例中，双向DC/DC变换器还可以包括：第二断路器106。第二断路器106的一端与第二正直流母线相连，另一端与第二直流支撑电容单元103的一端相连。
在本发明的一个实施例中，双向DC/DC变换器还可以包括：第三断路器107。第三断路器107的一端分别与第一直流支撑电容单元102的另一端、每个双向DC/DC单元104的第三端以及第二直流支撑电容单元103的另一端相连，另一端分别与第一负直流母线和第二负直流母线相连。
断路器是指能够关合、承载和开断正常回路条件下的电流并能关合、在规定的时间内承载和开断异常回路条件下的电流的开关装置。断路器能够对电路进行保护，当电路发生严重的过载或者短路及欠压等故障时能自动切断电路。
在本发明的一个实施例中，双向DC/DC变换器还可以包括：第一熔断器108。第一熔断器108的一端与第一正直流母线相连，另一端与预充电电路单元101的一端相连。
在本发明的一个实施例中，双向DC/DC变换器还可以包括：第二熔断器。第二熔断器109连接与第一负直流母线和第二负直流母线之间。
熔断器是指当电流超过规定值时，以本身产生的热量使熔体熔断，断开电路的一种电器。熔断器广泛应用于高低压配电系统和控制系统以及用电设备中，作为短路和过电流的保护器，是应用最普遍的保护器件之一。通过使用断路器能够对电路进行保护。
基于上述描述，本发明实施例提供的双向DC/DC变换器具体如图6所示。图6示出了本发明实施例提供的双向DC/DC变换器的第三种结构示意图。
基于图6所示的双向DC/DC变换器，图7示出了本发明实施例提供的双向DC/DC变换器的控制逻辑图。控制逻辑步骤如下：
闭合断路器105、断路器106和断路器107。
分别检测断路器105、断路器106和断路器107是否闭合，如果没有闭合，则断路器故障。
若断路器105、断路器106和断路器107均闭合，吸合第二预充电接触器13。
检测第二预充电接触器13是否吸合，如果没有吸合，则第二预充电接触器13故障。
若预充电接触器13吸合，实时检测第一正直流母线和第一负直流母线之间的电压V0与第一直流支撑电容单元102两端的电压V1的差值是否在预设范围内，即判断|V0-V1|<ε是否成立。
若|V0-V1|<ε成立，则V0与V1的差值在预设范围内，吸合第一预充电接触器12。
检测第一预充电接触器12是否吸合，如果没有吸合，则第一预充电接触器12故障。
若第一预充电接触器12吸合，则进入DC/DC正常逻辑，双向DC/DC变换器开始工作。
图8示出了现有的双向DC/DC变换器的结构示意图。图8所示的双向DC/DC变换器并联有三个双向DC/DC单元。F1至F4均为断路器；FU1和FU2为熔断器；K1至K6均为接触器；C1至C4均为电容；r1至r3均为电阻；L1至L3均为电感；S1至S6均为绝缘栅双极型晶体管；D1至D6均为续流二极管。
由图6和图8可以看出，本发明实施例的双向DC/DC变换器中的多个并联的双向DC/DC单元共用一个直流支撑电容单元，并且仅有一个预充电电路单元，降低了电路和控制的复杂度，提高了系统可靠性。由于多个并联的双向DC/DC单元共用一个直流支撑电容单元，并且仅有一个预充电电路单元，减少了成本和DC/DC变换器体积。
当双向DC/DC变换器输入电压为300V，输出电压为500V，功率为125KW时，现有的双向DC/DC变换器中的断路器的电流波形如图9所示，本发明实施例的双向DC/DC变换器中的断路器的电流波形如图10所示。图9示出了现有的双向DC/DC变换器中的断路器的电流波形图；图10示出了本发明实施例的双向DC/DC变换器中的断路器的电流波形图。
由图9可以看出，断路器F1、F2、F3和F4的电流应力分别为416A、250A、250A和416A。
由图10可以看出，断路器105、断路器106和断路器107的电流应力分别为416A、250A和116A。
由图9和图10可知，本发明实施例的双向DC/DC变换器在没有电池负极断路器F4的情况下，负载负极断路器107的电流应力为电池正极断路器105的电流应力和负载正极断路器106的电流应力之差，且小于现有的双向DC/DC变换器的负载负极断路器F3的电流应力。
本发明实施例提供的双向DC/DC变换器，多个并联的双向DC/DC单元共用一个直流支撑电容单元，仅有一个预充电电路单元，降低了电路和控制的复杂度，提高了系统可靠性。由于多个并联的双向DC/DC单元共用一个直流支撑电容单元，并且仅有一个预充电电路单元，减少了成本和DC/DC变换器体积。另外，本发明实施例的双向DC/DC变换器中的负载负极断路器的电流应力比现有的负载负极断路器的电流应力小，因此可以选用小容量的断路器。另外，本发明实施例的双向DC/DC变换器比现有的双向DC/DC变换器减少了一个大容量的电池负极断路器，进而又减少了成本。
本发明实施例还提供一种双向电压变换系统，包括本发明实施例的双向DC/DC变换器。
需要明确的是，本发明并不局限于上文所描述并在图中示出的特定配置和处理。为了简明起见，这里省略了对已知方法的详细描述。在上述实施例中，描述和示出了若干具体的步骤作为示例。但是，本发明的方法过程并不限于所描述和示出的具体步骤，本领域的技术人员可以在领会本发明的精神后，作出各种改变、修改和添加，或者改变步骤之间的顺序。
还需要说明的是，本发明中提及的示例性实施例，基于一系列的步骤或者装置描述一些方法或系统。但是，本发明不局限于上述步骤的顺序，也就是说，可以按照实施例中提及的顺序执行步骤，也可以不同于实施例中的顺序，或者若干步骤同时执行。
以上所述，仅为本发明的具体实施方式，所属领域的技术人员可以清楚地了解到，为了描述的方便和简洁，上述描述的系统、模块和单元的具体工作过程，可以参考前述方法实施例中的对应过程，在此不再赘述。应理解，本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到各种等效的修改或替换，这些修改或替换都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种双向DC/DC变换器，其特征在于，所述双向DC/DC变换器包括：一个预充电电路单元、第一直流支撑电容单元、第二直流支撑电容单元和多个并联的双向DC/DC单元；
所述预充电电路单元的一端与所述第一正直流母线相连；
所述预充电电路单元的另一端分别与所述第一直流支撑电容单元的一端和每个双向DC/DC单元的第一端相连；
所述每个双向DC/DC单元的第二端和所述第二直流支撑电容单元的一端分别与所述第二正直流母线相连；
所述每个双向DC/DC单元的第三端、所述第一直流支撑电容单元的另一端和所述第二直流支撑电容单元的另一端分别与所述第一负直流母线和所述第二负直流母线相连，使得直流电流能够从所述第一正直流母线流向所述第二正直流母线，也使得直流电流能够从所述第二正直流母线流向所述第一正直流母线。
2.根据权利要求1所述的双向DC/DC变换器，其特征在于，所述预充电电路单元包括：预充电电阻和第一预充电接触器；
所述预充电电阻的一端与所述第一正直流母线相连，另一端分别与所述第一直流支撑电容单元的一端和所述每个双向DC/DC单元的第一端相连；
所述第一预充电接触器与所述预充电电阻并联。
3.根据权利要求2所述的双向DC/DC变换器，其特征在于，所述预充电电路单元还包括：第二预充电接触器，
所述预充电电阻的一端通过所述第二预充电接触器与所述第一正直流母线相连。
4.根据权利要求1至3任一项所述的双向DC/DC变换器，其特征在于，所述双向DC/DC单元包括：电感、第一绝缘栅双极型晶体管、第一续流二极管、第二绝缘栅双极型晶体管和第二续流二极管；
所述电感的一端与所述预充电电路单元的另一端相连；
所述电感的另一端分别连接到所述第二绝缘栅双极型晶体管的集电极和所述第一绝缘栅双极型晶体管的发射极；
所述第一绝缘栅双极型晶体管的集电极连接到所述第二正直流母线；
所述第二绝缘栅双极型晶体管的发射极连接到所述第二负直流母线；
所述第一绝缘栅双极型晶体管与所述第一续流二极管反并联；
所述第二绝缘栅双极型晶体管与所述第二续流二极管反并联。
5.根据权利要求4所述的双向DC/DC变换器，其特征在于，所述双向DC/DC变换器还包括：第一断路器；
所述第一断路器的一端与所述第一正直流母线相连，另一端与所述预充电电路单元的一端相连。
6.根据权利要求4所述的双向DC/DC变换器，其特征在于，所述双向DC/DC变换器还包括：第二断路器；
所述第二断路器的一端与所述第二正直流母线相连，另一端与所述第二直流支撑电容单元的一端相连。
7.根据权利要求4所述的双向DC/DC变换器，其特征在于，所述双向DC/DC变换器还包括：第三断路器；
所述第三断路器的一端分别与所述第一直流支撑电容单元的另一端、每个双向DC/DC单元的第三端以及所述第二直流支撑电容单元的另一端相连，另一端分别与所述第一负直流母线和所述第二负直流母线相连。
8.根据权利要求4所述的双向DC/DC变换器，其特征在于，所述双向DC/DC变换器还包括：第一熔断器；
所述第一熔断器的一端与所述第一正直流母线相连，另一端与所述预充电电路单元的一端相连。
9.根据权利要求4所述的双向DC/DC变换器，其特征在于，所述双向DC/DC变换器还包括：第二熔断器；
所述第二熔断器连接于所述第一负直流母线和所述第二负直流母线之间。
10.一种双向电压变换系统，其特征在于，所述系统包括权利要求1至9任一项所述的双向DC/DC变换器。
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