CN108183613A - 一种dcdc双向变换器 - Google Patents

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CN108183613A CN201711407633.4A CN201711407633A CN108183613A CN 108183613 A CN108183613 A CN 108183613A CN 201711407633 A CN201711407633 A CN 201711407633A CN 108183613 A CN108183613 A CN 108183613A
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吴金荣
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Abstract

本发明公开了一种DCDC双向变换器，包括4组桥臂，和与每组桥臂连接的电容，每组桥臂包括第一开关管和第二开关管，第一开关管的第二端与第二开关管的第一端连接，并作为桥臂的公共端，第一开关管的第一端作为桥臂的第一端与电容的第一端连接，第二开关管的第二端作为桥臂的第二端与电容的第二端连接。第一桥臂的公共端通过第一电感与第三桥臂的公共端连接，第二桥臂的公共端通过第二电感与第四桥臂的公共端连接，第一桥臂的第一端和第二桥臂的第二端分别用于与第一电源的正负极连接，第三桥臂的第一端和第四桥臂的第二端分别用于与第二电源的正负极连接。通过驱动电路控制各桥臂中的开关管的状态能够支持双向升降或降压功能。

Description

一种DCDC双向变换器
技术领域
本发明涉及电子技术领域，特别是涉及一种DCDC双向变换器。
背景技术
直流-直流变换器，简称DC-DC变换器或DCDC变换器，是一种将直流基础电源转变为其他电压种类的直流变换装置，广泛应用于太阳能发电等领域。其工作原理是将直流电变换成另一种直流电压(升压或降压)。
现有技术中，DCDC变换器只能是单向升压或降压，即如果是升压型DCDC变换器，则一端输入直流电后，另一端输出更高电压的直流电，如果是降压型DCDC变换器的话，则一端输入直流电后，另一端输出较低电压的直流电。
在具体实施中，上述类型的DCDC变换器虽然能够实现直流电的转换，但是转换方式单一，且当电压较高时，如超过1000V，须选用耐压较高的开关器件，可选器件较少、成本昂贵，故无法适应更多的应用场景，具有很大的局限性。
发明内容
本发明的目的是提供一种DCDC双向变换器，用于实现直流电的转换，并且变换方式多样，能够实现双向变换。
为解决上述技术问题，本发明提供一种DCDC双向变换器，包括4组桥臂，和与每组所述桥臂连接的电容，每组所述桥臂包括第一开关管和第二开关管，所述第一开关管的第二端与所述第二开关管的第一端连接，并作为所述桥臂的公共端，所述第一开关管的第一端作为所述桥臂的第一端与所述电容的第一端连接，所述第二开关管的第二端作为所述桥臂的第二端与所述电容的第二端连接，
其中，第一桥臂的公共端通过第一电感与第三桥臂的公共端连接，第二桥臂的公共端通过第二电感与第四桥臂的公共端连接，
所述第一桥臂对应的电容的第二端与所述第二桥臂对应的电容的第一端连接，所述第三桥臂对应的电容的第二端与所述第四桥臂对应的电容的第一端连接，
所述第一桥臂的第一端和所述第二桥臂的第二端分别用于与第一电源的正负极连接，所述第三桥臂的第一端和所述第四桥臂的第二端分别用于与第二电源的正负极连接。
优选地，所述第一开关管和所述第二开关管为IGBT或MOS管。
优选地，所述第一桥臂对应的电容和所述第二桥臂对应的电容的参数均相同，所述第三桥臂对应的电容和所述第四桥臂对应的电容的参数均相同。
优选地，所述第一电源为储能电池组，所述第二电源为光伏系统。
本发明所提供的DCDC双向变换器，包括4组桥臂，和与每组桥臂连接的电容，每组桥臂包括第一开关管和第二开关管，第一开关管的第二端与第二开关管的第一端连接，并作为桥臂的公共端，第一开关管的第一端作为桥臂的第一端与电容的第一端连接，第二开关管的第二端作为桥臂的第二端与电容的第二端连接，其中，第一桥臂的公共端通过第一电感与第三桥臂的公共端连接，第二桥臂的公共端通过第二电感与第四桥臂的公共端连接，第一桥臂对应的电容的第二端与第二桥臂对应的电容的第一端连接，第三桥臂对应的电容的第二端与第四桥臂对应的电容的第一端连接，第一桥臂的第一端和第二桥臂的第二端分别用于与第一电源的正负极连接，第三桥臂的第一端和第四桥臂的第二端分别用于与第二电源的正负极连接。通过驱动电路控制各桥臂中的开关管的状态能够支持双向升降或降压功能。相对于现有技术而言，本DCDC双向变换器可根据接入的第一电源和第二电源的状态进行Buck模式和Boost模式转换，也可根据第一电源的充电和放电需求进行双向变换，并且第一电源和/或第二电源为高压状态时，对开关器件的耐压要求较低，器件选择范围较大、成本较低，使其应用范围更广，适用于多种场合。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例，下面将对实施例中所需要使用的附图做简单的介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，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为本发明实施例提供的一种DCDC双向变换器的拓扑图；
图2为本发明实施例提供的一种电池组对光伏系统放电，且为Boost模式时对应的储能模式的等效模型；
图3为本发明实施例提供的一种电池组对光伏系统放电，且为Boost模式时对应的续流模式的等效模型；
图4为本发明实施例提供的一种电池组对光伏系统放电，且为Buck模式时对应的储能模式的等效模型；
图5为本发明实施例提供的一种光伏系统对电池组充电，且为Boost模式时对应的储能模式的等效模型；
图6为本发明实施例提供的一种光伏系统对电池组充电，且为Boost模式时对应的续流模式的等效模型；
图7为本发明实施例提供的一种光伏系统对电池组充电，且为Buck模式时对应的储能模式的等效模型；
图8为本发明实施例提供的另一种DCDC双向变换器的拓扑图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下，所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护范围。
本发明的核心是提供一种DCDC双向变换器，用于实现直流电的变换，并且变换方式多样，能够实现双向变换，适用于高压场合。
为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步的详细说明。
图1为本发明实施例提供的一种DCDC双向变换器的拓扑图。如图1所示，该DCDC双向变换器包括4组桥臂(分别为第一桥臂、第二桥臂、第三桥臂和第四桥臂)，和与每组桥臂连接的电容(分别为第一桥臂对应的电容C1、第二桥臂对应的电容C2、第三桥臂对应的电容C3和第四桥臂对应的电容C4)。
每组桥臂包括第一开关管和第二开关管，如图1所示，第一开关管和第二开关管以IGBT(N沟道)为例说明。当然除了IGBT也可以为MOS管。当第一开关管和第二开关管为IGBT时，则第一开关管的第一端为集电极，第一开关管的第二端为发射极；如果为MOS管的话，则第一开关管的第一端为漏极，第一开关管的第二端为源极。
在具体实施中，每组桥臂中的第一开关管和第二开关管可以为单独的器件，或者为了提高集成度，每个桥臂可以选用IGBT模块(包括两个IGBT)。
第一桥臂中包括第一开关管M1-Q1，第二开关管M1-Q2，第二桥臂中包括第一开关管M2-Q1，第二开关管M2-Q2、第三桥臂中包括第一开关管M3-Q1，第二开关管M1-Q2以及第四桥臂中包括第一开关管M4-Q1，第二开关管M4-Q2。
具体连接关系如下：
1)第一桥臂的连接关系：第一桥臂的第一开关管M1-Q1的发射极与第一桥臂中的第二开关管M1-Q2的集电极连接，并作为第一桥臂的公共端，第一开关管M1-Q1的集电极作为第一桥臂的第一端与电容C1的第一端连接，第二开关管M1-Q2的发射极作为第一桥臂的第二端与电容C1的第二端连接。需要说明的是，电容C1是有极性的，电容C1的第一端为正极，电容C1的第二端为负极。
2)第二桥臂的连接关系：第二桥臂的第一开关管M2-Q1的发射极与第二桥臂中的第二开关管M2-Q2的集电极连接，并作为第二桥臂的公共端，第一开关管M2-Q1的集电极作为第二桥臂的第一端与电容C2的第一端连接，第二开关管M2-Q2的发射极作为第二桥臂的第二端与电容C2的第二端连接。需要说明的是，电容C2是有极性的，电容C2的第一端为正极，电容C2的第二端为负极。
3)第三桥臂的连接关系：第三桥臂的第一开关管M3-Q1的发射极与第三桥臂中的第二开关管M3-Q2的集电极连接，并作为第三桥臂的公共端，第一开关管M3-Q1的集电极作为第三桥臂的第一端与电容C3的第一端连接，第二开关管M3-Q2的发射极作为第三桥臂的第二端与电容C3的第二端连接。需要说明的是，电容C3是有极性的，电容C3的第一端为正极，电容C3的第二端为负极。
4)第四桥臂的连接关系：第四桥臂的第一开关管M4-Q1的发射极与第四桥臂中的第二开关管M4-Q2的集电极连接，并作为第四桥臂的公共端，第一开关管M4-Q1的作为第四桥臂的第一端与电容C4的第一端连接，第二开关管M4-Q2的发射极作为第四桥臂的第二端与电容C4的第二端连接。需要说明的是，电容C4是有极性的，电容C4的第一端为正极，电容C4的第二端为负极。
其中，第一桥臂的公共端通过第一电感L1与第三桥臂的公共端连接，第二桥臂的公共端通过第二电感L2与第四桥臂的公共端连接。
第一桥臂对应的电容C1的第二端与第二桥臂对应的电容C2的第一端连接，第三桥臂对应的电容C3的第二端与第四桥臂对应的电容C4的第一端连接。
第一桥臂的第一端和第二桥臂的第二端分别用于与第一电源(电池组Bat)的正负极连接，第三桥臂的第一端和第四桥臂的第二端分别用于与第二电源(光伏系统，即PV)的正负极连接。
需要说明的是，图1只是一种具体的拓扑结构，该拓扑结构中第一电源为电池组，第二电源为光伏系统，但是在具体实施中，第一电源和第二电源可以具体情况选取，并不一定只有图1所示的场景，例如，第一电源可以为光伏系统，第二电源为电池组等。另外，每组桥臂中的第一开关管和第二开关管可以为MOS，也可以为IGBT，如图1所示，具体为N沟道IGBT。
为了让本领域技术人员更加清楚本发明所提供的DCDC双向变换器的工作原理，下文中从控制开关管的角度进行说明。图1所示的拓扑结构包括但不限于以下四种控制模式，具体模式如下。
1、电池组对光伏系统放电，且为Boost模式
图2为本发明实施例提供的一种电池组对光伏系统放电，且为Boost模式时对应的储能模式的等效模型。
驱动电路控制第一桥臂中的第一开关管M1-Q1导通、第三桥臂中的第二开关管M3-Q2导通、第四桥臂中的第一开关管M4-Q1导通，以及第二桥臂中的第二开关管M2-Q2导通。如图2所示，此时，电池组Bat+(即电容C1的第一端)通过第一桥臂中的第一开关管M1-Q1、第一电感L1、第三桥臂中的第二开关管M3-Q2、第四桥臂中的第一开关管M4-Q1、第二电感L2、第二桥臂中的第二开关管M2-Q2回至电池组BAT-(电容C2的第二端)。在该过程中，电容C1、电容C2均放电，第一电感L1和第二电感L2均储能。电容C1和电容C2串联后连接于电池组Bat+和Bat-之间，电容C1和电容C2放电即为电池组放电。
图3为本发明实施例提供的一种电池组对光伏系统放电，且为Boost模式时对应的续流模式的等效模型。
驱动电路控制第一桥臂中的第一开关管M1-Q1关断、第三桥臂中的第二开关管M3-Q2关断、第四桥臂中的第一开关管M4-Q1关断，以及第二桥臂中的第二开关管M2-Q2关断。如图3所示，此时，第一电感L1通过第三桥臂中的第一开关管M3-Q1的体二极管、电容C3(即光伏系统正极)、电容C4(即光伏系统负极)、第四桥臂中的第二开关管M4-Q2的体二极管、第二电感L2、第二桥臂中的第一开关管M2-Q1的体二极管、第一桥臂中的第二开关管M1-Q2的体二极管回至第一电感L1。在该过程中，第一电感L1和第二电感L2均释能，电容C3、电容C4均充电。电容C3和电容C4串联后与光伏系统并联，电容C3和电容C4充电即为光伏系统充电。
由此可见，图2和图3所示的等效模型能够实现电容C1、电容C2对电容C3、电容C4放电，即电池组对光伏系统放电，且为Boost模式，即升压模式。
2、电池组对光伏系统放电，且为Buck模式
图4为本发明实施例提供的一种电池组对光伏系统放电，且为Buck模式时对应的储能模式的等效模型。
驱动电路控制第一桥臂中的第一开关管M1-Q1导通、第三桥臂中的第二开关管M3-Q2关断、第四桥臂中的第一开关管M4-Q1关断，以及第二桥臂中的第二开关管M2-Q2导通。如图4所示，此时，电池组Bat+(即电容C1的第一端)通过第一桥臂中的第一开关管M1-Q1、第一电感L1、第三桥臂中的第一开关管M3-Q1的体二极管、电容C3(即光伏系统正极)、电容C4(即光伏系统负极)、第四桥臂中的第二开关管M4-Q2的体二极管、第二电感L2、第二桥臂中的第二开关管M2-Q2回至电池组BAT-(即电容C2的第二端)。在该过程中，电容C1、电容C2均放电，电容C3、电容C4均充电，第一电感L1和第二电感L2均储能。电容C1和电容C2串联后连接于电池组Bat+和Bat-之间，电容C1和电容C2放电即为电池组放电；电容C3和电容C4串联后与光伏系统并联，电容C3和电容C4充电即为光伏系统充电。
如图3所示，通过如下控制，还能够提供的一种电池组对光伏系统放电，且为Buck模式时对应的续流模式的等效模型。
驱动电路控制第一桥臂中的第一开关管M1-Q1关断、第三桥臂中的第二开关管M3-Q2关断、第四桥臂中的第一开关管M4-Q1关断，以及第二桥臂中的第二开关管M2-Q2关断。如图3所示，此时，第一电感L1通过第三桥臂中的第一开关管M3-Q1的体二极管、电容C3(即光伏系统正极)、电容C4(即光伏系统负极)、第四桥臂中的第二开关管M4-Q2的体二极管、第二电感L2、第二桥臂中的第一开关管M2-Q1的体二极管、第一桥臂的第二开关管M1-Q2的体二极管回至第一电感L1。在该过程中，第一电感L1和第二电感L2均释能，电容C3、电容C4均充电。电容C3和电容C4串联后与光伏系统并联，电容C3和电容C4充电即为光伏系统充电。
由此可见，图3和图4所示的等效模型能够实现电容C1、电容C2对电容C3、电容C4放电，即电池组对光伏系统放电，且为Buck模式，即降压模式。
3、光伏系统对电池组对充电，且为Boost模式
图5为本发明实施例提供的一种光伏系统对电池组充电，且为Boost模式时对应的储能模式的等效模型。
驱动电路控制第三桥臂中的第一开关管M3-Q1导通、第一桥臂中的第二开关管M1-Q2导通、第二桥臂中的第一开关管M2-Q1导通，以及第四桥臂中的第二开关管M4-Q2导通。如图5所示，此时，电容C3(即光伏系统正极)通过第三桥臂中的第一开关管M3-Q1、第一电感L1、第一桥臂中的第二开关管M1-Q2、第二桥臂中的第一开关管M2-Q1、第二电感L2、第四桥臂中的第二开关管M4-Q2回至电容C4(即光伏系统负极)。在该过程中，电容C3、电容C4均放电，第一电感L1和第二电感L2均储能。在该过程中，电容C3、电容C4均放电，第一电感L1和第二电感L2均储能。电容C3和电容C4串联后与光伏系统的两端并联，电容C3和电容C4放电即为光伏系统放电。
图6为本发明实施例提供的一种光伏系统对电池组充电，且为Boost模式时对应的续流模式的等效模型。
驱动电路控制第三桥臂中的第一开关管M3-Q1关断、第一桥臂中的第二开关管M1-Q2关断、第二桥臂中的第一开关管M2-Q1关断，以及第四桥臂中的第二开关管M4-Q2关断。如图6所示，此时，第一电感L1通过第一桥臂中的第一开关管M1-Q1的体二极管、电容C1(即电池组Bat+)、电容C2(即电池组Bat-)、第二桥臂中的第二开关管M2-Q2的体二极管、第二电感L2、第四桥臂中的第一开关管M4-Q1的体二极管、第三桥臂中的第二开关管M3-Q2的体二极管回至第一电感L1。在该过程中，第一电感L1和第二电感L2均释能，电容C1、电容C2均充电。电容C1和电容C2串联后与电池组并联，电容C1和电容C2充电即为电池组充电。
由此可见，图5和图6所示的等效模型能够实现电容C3、电容C4对电容C1、电容C2充电，即光伏系统对电池组充电，且为Boost模式，即升压模式。
4、光伏系统对电池组对充电，且为Buck模式
图7为本发明实施例提供的一种光伏系统对电池组充电，且为Buck模式时对应的储能模式的等效模型。
驱动电路控制第三桥臂中的第一开关管M3-Q1导通、第一桥臂中的第二开关管M1-Q2关断、第二桥臂中的第一开关管M2-Q1关断，以及第四桥臂中的第二开关管M4-Q2导通。如图7所示，此时，电容C3(即光伏系统正极)通过第三桥臂中的第一开关管M3-Q1、第一电感L1、第一桥臂中的第一开关管M1-Q1的体二极管、电容C1(即电池组Bat+)、电容C2(即电池组Bat-)、第二桥臂中的第二开关管M2-Q2的体二极管、第二电感L2、第四桥臂中的第二开关管M4-Q2回至电容C4(即光伏系统负极)。在该过程中，电容C3、电容C4均放电，电容C1、电容C2均充电，第一电感L1和第二电感L2均储能。电容C1和电容C2串联后连接于电池组Bat+和Bat-之间，电容C1和电容C2充电即为电池组充电；电容C3和电容C4串联后与光伏系统并联，电容C3和电容C4放电即为光伏系统放电。
如图6所示，通过如下控制，能够提供的一种光伏系统对电池组充电，且为Buck模式时对应的续流模式的等效模型。
驱动电路控制第三桥臂中的第一开关管M3-Q1关断、第一桥臂中的第二开关管M1-Q2关断、第二桥臂中的第一开关管M2-Q1关断，以及第四桥臂中的第二开关管M4-Q2关断。如图6所示，此时，第一电感L1通过第一桥臂中的第一开关管M1-Q1的体二极管、电容C1(即电池组Bat+)、电容C2(即电池组Bat-)、第二桥臂中的第二开关管M2-Q2的体二极管、第二电感L2、第四桥臂中的第一开关管M4-Q1的体二极管、第三桥臂的第二开关管M3-Q2的体二极管回至第一电感L1。在该过程中，第一电感L1和第二电感L2均释能，电容C1、电容C2均充电。电容C1和电容C2串联后与电池组并联，电容C1和电容C2充电即为电池组充电。
由此可见，图6和图7所示的等效模型能够实现电容C1、电容C2对电容C3、电容C4放电，即光伏系统对电池组充电，且为Buck模式，即降压模式。
本实施例提供的DCDC双向变换器，通过驱动电路控制第一桥臂、第二桥臂、第三桥臂以及第四桥臂中的开关管的状态能够支持双向升降或降压功能。相对于现有技术而言，本DCDC双向变换器可根据接入的第一电源和第二电源的状态进行Buck模式和Boost模式转换，也可根据第一电源的充电和放电需求进行双向变换，其应用范围更广，适用于多种场合，特别是高压场合。
图8为本发明实施例提供的另一种DCDC双向变换器的拓扑图。在上述实施例的基础上，本实施例中桥臂对应的电容的数量为两个且并联连接。
如图8所示，第一桥臂中对应的电容为两个，分别为电容C11和电容C12，电容C11和电容C12并联，相当于图1中的电容C1。第二桥臂中对应的电容为两个，分别为电容C21和电容C22，电容C21和电容C22并联，相当于图1中的电容C2。第三桥臂中对应的电容为两个，分别为电容C31和电容C32，电容C31和电容C32并联，相当于图1中的电容C3。第四桥臂中对应的电容为两个，分别为电容C41和电容C42，电容C41和电容C42并联，相当于图1中的电容C4。
作为优选地实施方式，第一桥臂对应的电容C1和第二桥臂对应的电容C2的参数相同，第三桥臂对应的电容C3和第四桥臂对应的电容C4的参数相同。
以上对本发明所提供的DCDC双向变换器进行了详细介绍。说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。对于实施例公开的装置而言，由于其与实施例公开的方法相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以对本发明进行若干改进和修饰，这些改进和修饰也落入本发明权利要求的保护范围内。
还需要说明的是，在本说明书中，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“包括一个……”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。

Claims (4)

1.一种DCDC双向变换器，其特征在于，包括4组桥臂，和与每组所述桥臂连接的电容，每组所述桥臂包括第一开关管和第二开关管，所述第一开关管的第二端与所述第二开关管的第一端连接，并作为所述桥臂的公共端，所述第一开关管的第一端作为所述桥臂的第一端与所述电容的第一端连接，所述第二开关管的第二端作为所述桥臂的第二端与所述电容的第二端连接，
其中，第一桥臂的公共端通过第一电感与第三桥臂的公共端连接，第二桥臂的公共端通过第二电感与第四桥臂的公共端连接，
所述第一桥臂对应的电容的第二端与所述第二桥臂对应的电容的第一端连接，所述第三桥臂对应的电容的第二端与所述第四桥臂对应的电容的第一端连接，
所述第一桥臂的第一端和所述第二桥臂的第二端分别用于与第一电源的正负极连接，所述第三桥臂的第一端和所述第四桥臂的第二端分别用于与第二电源的正负极连接。
2.根据权利要求1所述的DCDC双向变换器，其特征在于，所述第一开关管和所述第二开关管为IGBT或MOS管。
3.根据权利要求1所述的DCDC双向变换器，其特征在于，所述第一桥臂对应的电容和所述第二桥臂对应的电容的参数均相同，所述第三桥臂对应的电容和所述第四桥臂对应的电容的参数均相同。
4.根据权利要求1-3任意一项所述的DCDC双向变换器，其特征在于，所述第一电源为储能电池组，所述第二电源为光伏系统。
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