CN108400709A - 一种交错并联磁集成双极性三电平双向dc/dc变换器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种交错并联磁集成双极性三电平双向DC/DC变换器，变换器为两相交错并联，两相之间的电感进行磁耦合，具有正负高压直流母线。包括两个电源，两对耦合升压电感，八个功率开关管，两个滤波电容。本发明的特点是高压直流侧实现了正负母线的结构，开关管电压应力为高压侧一半，交错并联可以在减小低压侧电流纹波的同时，增大变换器的转换功率，磁集成技术进一步减小了升压电感的大小和变换器的体积。对于风、光等新能源分布式发电系统的储能环节，具有良好的应用和发展前景。

Description

一种交错并联磁集成双极性三电平双向DC/DC变换器

技术领域

本发明涉及电力电子领域，尤其是一种直流-直流(DC-DC)变换器及其应用。

背景技术

储能是光伏和风力发电系统中的重要环节，它可平抑光伏和风力发电的波动性，改善发电质量^[1]。储能介质通常通过双向DC/DC变换器接入系统，实现储能介质与高压直流母线之间的能量双向流动，从而实现对系统中能量的控制和管理。常见的隔离型双向DC/DC变换器实现了电源与负载之间的电气隔离，然而由于加入了高频变压器，使得整个变换器的体积大，成本高，且受高频变压器的制约难以实现大功率。非隔离型双向DC/DC变换器则克服了上述缺点。由于高压大容量变换器的需求越来越多，传统双向DC/DC变换器的器件电压应力难以满足要求，多电平拓扑受到越来越多的关注；交错并联可以扩大变换器的容量，减小电流纹波，但同时使得变换器的体积很大，磁集成技术的应用表现出了很好的发展态势。

发明内容

本发明目的在于提供一种低开关应力、低电流纹波、结构简单的具有正负母线的交错并联磁集成双极性三电平双向DC/DC变换器。

为实现上述目的，采用了以下技术方案：本发明所述变换器包括八个功率开关管S₁₁、S₁₂、S₁₃、S₁₄、S₂₁、S₂₂、S₂₃、S₂₄，两对耦合电感L₁₁和L₁₂、L₂₁和L₂₂，滤波电容C_L1、C_L2、C_H1、C_H2，电源E_bat1、E_bat2、V_H1、V_H2，负载R_H1、R_H2、R_L1、R_L2；

所述变换器包括升压和降压两种模式；

升压模式的连接方式如下：低压侧电源E_bat1、E_bat2串联；升压电感L₁₁和L₁₂正向耦合，低压侧电源E_bat1的正极分别与电感L₁₁一端和电感L₁₂一端相连，电感L₁₁的另一端与功率开关管S₁₁的发射极和功率开关管S₁₂的集电极相连；电感L₁₂的另一端与功率开关管S₂₁的发射极和功率开关管S₂₂的集电极相连；滤波电容C_H1的一端与功率开关管S₁₁的集电极和功率开关管S₂₁的集电极以及负载R_H1的一端连接，滤波电容C_H1另一端与功率开关管S₁₂的发射极、功率开关管S₂₂的发射极、功率开关管S₁₃的集电极、功率开关管S₂₃的集电极、低压侧电源E_bat1的负极(即低压侧电源E_bat2的正极)以及负载R_H1的另一端连接；升压电感L₂₁和L₂₂正向耦合，低压侧电源E_bat2的负极分别与电感L₂₁一端和电感L₂₂一端相连，电感L₂₁另一端分别与功率开关管S₁₃的发射极和功率开关管S₁₄的集电极相连；电感L₂₂的另一端分别与功率开关管S₂₃的发射极和功率开关管S₂₄的集电极相连；滤波电容C_H2的一端与功率开关管S₂₃的集电极以及负载R_H2的一端连接，滤波电容C_H2的另一端与功率开关管S₁₄的发射极、功率开关管S₂₄的发射极以及负载R_H2的另一端连接；

降压模式的连接方式如下：

滤波电容C_L1和负载R_L1并联，升压电感L₁₁和L₁₂正向耦合，滤波电容C_L1一端分别与电感L₁₁一端和电感L₁₂一端相连，电感L₁₁的另一端与功率开关管S₁₁的发射极和功率开关管S₁₂的集电极相连；电感L₁₂的另一端与功率开关管S₂₁的发射极和功率开关管S₂₂的集电极相连；电源V_H1的正极分别与功率开关管S₁₁的集电极和功率开关管S₂₁的集电极连接，电源V_H1的负极与功率开关管S₁₂的发射极、功率开关管S₂₂的发射极、功率开关管S₁₃的集电极、功率开关管S₂₃的集电极、滤波电容C_L1另一端、负载R_L1另一端、滤波电容C_L2一端、负载R_L2一端连接；滤波电容C_L2和负载R_L2并联，升压电感L₂₁和L₂₂正向耦合，滤波电容C_L2的另一端分别与电感L₂₁一端和电感L₂₂一端相连，电感L₂₁另一端分别与功率开关管S₁₃的发射极和功率开关管S₁₄的集电极相连；电感L₂₂的另一端分别与功率开关管S₂₃的发射极和功率开关管S₂₄的集电极相连；电源V_H2的正极与功率开关管S₂₃的集电极连接，电源V_H2的负极分别与功率开关管S₁₄的发射极、功率开关管S₂₄的发射极连接。

进一步的，升压模式下，功率开关管S₁₁、S₁₄、S₂₁和S₂₄驱动封锁，功率开关管S₁₂与S₁₃和S₂₂的驱动信号交错180°，功率开关管S₂₂与S₂₃的驱动信号交错180°，功率开关管S₁₂与S₂₃驱动信号相同，功率开关管S₁₃与S₂₂驱动信号相同；降压模式下，功率开关管S₁₂、S₁₃、S₂₂和S₂₃驱动封锁，功率开关管S₁₁与S₂₁和S₁₄的驱动信号交错180°，功率开关管S₂₁与S₂₄的驱动信号交错180°，功率开关管S₁₁与S₂₄驱动信号相同，功率开关管S₁₄与S₂₁驱动信号相同。

进一步的，所述变换器的升降压模式分为占空比大于0.5和小于0.5两种情况；

升压模式下占空比大于0.5时，变换器工作在三种状态下：功率开关管S₁₂、S₁₃、S₂₂和S₂₃同时导通；功率开关管S₁₂和S₂₃导通，S₁₃和S₂₂关断；功率开关管S₁₃和S₂₂导通，S₁₂和S₂₃关断；

升压模式下占空比小于0.5时，变换器工作在以下三种状态：功率开关管S₁₂和S₂₃导通，S₁₃和S₂₂关断；功率开关管S₁₂、S₁₃，S₂₂和S₂₃同时关断；功率开关管S₁₃和S₂₂导通，S₁₂和S₂₃关断；

降压模式下占空比大于0.5时，变换器工作在三种状态下：功率开关管S₁₁、S₁₄、S₂₁和S₂₄同时导通；功率开关管S₁₁和S₂₄导通，S₁₄和S₂₁关断；功率开关管S₁₄和S₂₁导通，S₁₁和S₂₄关断；

降压模式下占空比小于0.5时，变换器工作在以下三种状态：功率开关管S₁₁和S₂₄导通，S₁₄和S₂₁关断；功率开关管S₁₁、S₁₄、S₂₁和S₂₄同时关断；功率开关管S₁₄和S₂₁导通，S₁₁和S₂₄关断。

与现有技术相比，本发明具有如下优点：

1、三电平结构使得开关管电压应力为高压侧电压的一半，降低了对开关管的要求，减小了成本。

2、交错并联结构使得变换器的变换功率增加，同时低压侧总电流纹波大大减小，磁集成技术使得升压电感的大小和体积进一步减小，从而使得变换器的体积进一步减小。

3、正负母线的结构使得其对于有高压大功率需求的双极性的直流系统有突出的优势。

附图说明

图1是本发明变换器的升压模式拓扑结构图。

图2是本发明变换器的降压模式拓扑结构图。

图3是本发明变换器升压模式下且占空比D>0.5时主开关管的驱动波形图。

图4是本发明变换器降压模式下且占空比D<0.5时主开关管的驱动波形图。

图5是本发明变换器升压模式下各开关状态的等效电路图。

图6是本发明变换器降压模式下各开关状态的等效电路图。

图7是本发明变换器升压模式下的仿真波形图。其中，图7(a)为电感电流波形，图7(b)为其中一对耦合电感电流的细节放大波形。

图8是本发明变换器降压模式下的仿真波形图。其中，图8(a)为电感电流波形，图8(b)为其中一对耦合电感电流的细节放大波形。

图9是本发明变换器升降压模式切换的闭环仿真电流波形图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步说明：

本发明所述变换器包括八个功率开关管S₁₁、S₁₂、S₁₃、S₁₄、S₂₁、S₂₂、S₂₃、S₂₄，两对耦合电感L₁₁和L₁₂、L₂₁和L₂₂，滤波电容C_L1、C_L2、C_H1、C_H2，电源E_bat1、E_bat2、V_H1、V_H2，负载R_H1、R_H2、R_L1、R_L2；

所述变换器包括升压和降压两种模式；

如图1所示，升压模式的连接方式如下：低压侧电源E_bat1、E_bat2串联；升压电感L₁₁和L₁₂正向耦合，低压侧电源E_bat1的正极分别与电感L₁₁一端和电感L₁₂一端相连，电感L₁₁的另一端与功率开关管S₁₁的发射极和功率开关管S₁₂的集电极相连；电感L₁₂的另一端与功率开关管S₂₁的发射极和功率开关管S₂₂的集电极相连；滤波电容C_H1的一端与功率开关管S₁₁的集电极和功率开关管S₂₁的集电极以及负载R_H1的一端连接，滤波电容C_H1另一端与功率开关管S₁₂的发射极、功率开关管S₂₂的发射极、功率开关管S₁₃的集电极、功率开关管S₂₃的集电极、低压侧电源E_bat1的负极(即低压侧电源E_bat2的正极)以及负载R_H1的另一端连接；升压电感L₂₁和L₂₂正向耦合，低压侧电源E_bat2的负极分别与电感L₂₁一端和电感L₂₂一端相连，电感L₂₁另一端分别与功率开关管S₁₃的发射极和功率开关管S₁₄的集电极相连；电感L₂₂的另一端分别与功率开关管S₂₃的发射极和功率开关管S₂₄的集电极相连；滤波电容C_H2的一端与功率开关管S₂₃的集电极以及负载R_H2的一端连接，滤波电容C_H2的另一端与功率开关管S₁₄的发射极、功率开关管S₂₄的发射极以及负载R_H2的另一端连接；

如图2所示，降压模式的连接方式如下：

滤波电容C_L1和负载R_L1并联，升压电感L₁₁和L₁₂正向耦合，滤波电容C_L1一端分别与电感L₁₁一端和电感L₁₂一端相连，电感L₁₁的另一端与功率开关管S₁₁的发射极和功率开关管S₁₂的集电极相连；电感L₁₂的另一端与功率开关管S₂₁的发射极和功率开关管S₂₂的集电极相连；电源V_H1的正极分别与功率开关管S₁₁的集电极和功率开关管S₂₁的集电极连接，电源V_H1的负极与功率开关管S₁₂的发射极、功率开关管S₂₂的发射极、功率开关管S₁₃的集电极、功率开关管S₂₃的集电极、滤波电容C_L1另一端、负载R_L1另一端、滤波电容C_L2一端、负载R_L2一端连接；滤波电容C_L2和负载R_L2并联，升压电感L₂₁和L₂₂正向耦合，滤波电容C_L2的另一端分别与电感L₂₁一端和电感L₂₂一端相连，电感L₂₁另一端分别与功率开关管S₁₃的发射极和功率开关管S₁₄的集电极相连；电感L₂₂的另一端分别与功率开关管S₂₃的发射极和功率开关管S₂₄的集电极相连；电源V_H2的正极与功率开关管S₂₃的集电极连接，电源V_H2的负极分别与功率开关管S₁₄的发射极、功率开关管S₂₄的发射极连接。

升压模式下，功率开关管S₁₁、S₁₄、S₂₁和S₂₄驱动封锁，功率开关管S₁₂与S₁₃和S₂₂的驱动信号交错180°，功率开关管S₂₂与S₂₃的驱动信号交错180°，功率开关管S₁₂与S₂₃驱动信号相同，功率开关管S₁₃与S₂₂驱动信号相同；降压模式下，功率开关管S₁₂、S₁₃、S₂₂和S₂₃驱动封锁，功率开关管S₁₁与S₂₁和S₁₄的驱动信号交错180°，功率开关管S₂₁与S₂₄的驱动信号交错180°，功率开关管S₁₁与S₂₄驱动信号相同，功率开关管S₁₄与S₂₁驱动信号相同。

下面对本发明采用交错的独立PWM控制时，在升压模式且占空比大于0.5和在降压模式且占空比小于0.5两种情况下进行详细的工作分析。

升压模式且占空比大于0.5时，变换器有三种工作状态。如图3、5所示：

工作状态1(如图5(a))：S₁₂，S₁₃，S₂₂和S₂₃同时导通。第一相，低压侧电源E_bat1分别对电感L₁₁和L₂₁充电，电感电流都增大；第二相低压侧电源E_bat2分别对电感L₁₂和L₂₂充电，电感电流都增大。

工作状态2(如图5(b))：开关管S₁₂和S₂₃继续导通，S₁₃和S₂₂关断。低压侧电源E_bat1继续对L₁₁充电，其电感电流增加，而电感L₂₁的电流i_L21则通过S₁₄的反并联二极管D₁₄续流并减小。低压侧电源E_bat2继续对L₂₂充电，其电感电流增加，而电感L₁₂的电流i_L12则通过S₂₁的反并联二极管D₂₁续流并减小。

工作状态3(如图5(c))。开关管S₁₃和S₂₂导通，S₁₂和S₂₃关断。低压侧电源E_bat2对L₂₁充电，其电感电流增加，而流经电感L₁₁的电流i_L11则通过S₁₁的反并联二极管D₁₁续流并减小。低压侧E_bat1对L₁₂充电，其电感电流增加，而电感L₂₂的电流则i_L22通过S₂₄的反并联二极管D₂₄续流并减小。

降压模式且占空比小于0.5时，变换器也有三种工作状态。如图4、6所示：

工作状态1(如图6(a))：开关管S₁₁和S₂₄导通，S₁₄和S₂₁关断。高压侧电源V_H1和V_H2分别通过电感L₁₁和L₂₂对相应的负载R_L1和R_L2放电，L₁₁和L₂₂的电感电流都增大；电感L₁₂的电流则通过S₂₂的反并联二极管D₂₂续流对负载R_L1供电，电感L₂₁的电流通过S₁₃的反并联二极管D₁₃续流对负载R_L2供电，L₁₂和L₂₁的电流都减小。

工作状态2(如图6(b))：开关管S₁₁，S₁₄，S₂₁和S₂₄同时关断。电感L₁₁和L₁₂的电流分别通过S₁₂和S₂₂的反并联二极管D₁₂和D₂₂续流，对负载R_L1供电；电感L₂₁和L₂₂的电流分别通过S₁₃和S₂₃的反并联二极管D₁₃和D₂₃续流，对负载R_L2供电，所有电感电流都减小。

工作状态3(如图6(c))。开关管S₁₄和S₂₁导通，S₁₁和S₂₄关断。高压侧电源V_H1和V_H2分别通过电感L₁₂和L₂₁分别对负载R_L1和R_L2放电，L₁₂和L₂₁的电感电流增加；流经电感L₁₁的电流i_L11则通过S₁₂的反并联二极管D₁₂续流并减小，电感L₂₂的电流则i_L22通过S₂₃的反并联二极管D₂₃续流并减小。

本发明的实施例中，低压侧电压为±160V，高压侧电压为±400V，开关频率为20KHz。图7为升压模式下的仿真波形，图8为降压模式下的仿真波形，图9为变换器升降压模式切换的闭环仿真电流波形。

仿真结果与理论分析完全一致，本发明提出的变换器可以实现稳定的正反向运行并且通过控制完成自动双向功率的模式切换，说明了本发明的交错并联磁集成双极性三电平双向DC/DC变换器及其控制方案的可行性和有效性。本发明的交错并联磁集成双极性三电平双向DC/DC变换器既有较低的开关管的电压应力和电流应力，还能大大降低低压侧电流纹波，且能量可以双向流动，是一种性能优越的DC/DC变换器。

以上所述的实施例仅仅是对本发明的优选实施方式进行描述，并非对本发明的范围进行限定，在不脱离本发明设计精神的前提下，本领域普通技术人员对本发明的技术方案做出的各种变形和改进，均应落入本发明权利要求书确定的保护范围内。

Claims (3)

1.一种交错并联磁集成双极性三电平双向DC/DC变换器，其特征在于：所述变换器包括八个功率开关管S₁₁、S₁₂、S₁₃、S₁₄、S₂₁、S₂₂、S₂₃、S₂₄，两对耦合电感L₁₁和L₁₂、L₂₁和L₂₂，滤波电容C_L1、C_L2、C_H1、C_H2，电源E_bat1、E_bat2、V_H1、V_H2，负载R_H1、R_H2、R_L1、R_L2；

所述变换器包括升压和降压两种模式；

升压模式的连接方式如下：低压侧电源E_bat1、E_bat2串联；升压电感L₁₁和L₁₂正向耦合，低压侧电源E_bat1的正极分别与电感L₁₁一端和电感L₁₂一端相连，电感L₁₁的另一端与功率开关管S₁₁的发射极和功率开关管S₁₂的集电极相连；电感L₁₂的另一端与功率开关管S₂₁的发射极和功率开关管S₂₂的集电极相连；滤波电容C_H1的一端与功率开关管S₁₁的集电极和功率开关管S₂₁的集电极以及负载R_H1的一端连接，滤波电容C_H1另一端与功率开关管S₁₂的发射极、功率开关管S₂₂的发射极、功率开关管S₁₃的集电极、功率开关管S₂₃的集电极、低压侧电源E_bat1的负极(即低压侧电源E_bat2的正极)以及负载R_H1的另一端连接；升压电感L₂₁和L₂₂正向耦合，低压侧电源E_bat2的负极分别与电感L₂₁一端和电感L₂₂一端相连，电感L₂₁另一端分别与功率开关管S₁₃的发射极和功率开关管S₁₄的集电极相连；电感L₂₂的另一端分别与功率开关管S₂₃的发射极和功率开关管S₂₄的集电极相连；滤波电容C_H2的一端与功率开关管S₂₃的集电极以及负载R_H2的一端连接，滤波电容C_H2的另一端与功率开关管S₁₄的发射极、功率开关管S₂₄的发射极以及负载R_H2的另一端连接；

降压模式的连接方式如下：

滤波电容C_L1和负载R_L1并联，升压电感L₁₁和L₁₂正向耦合，滤波电容C_L1一端分别与电感L₁₁一端和电感L₁₂一端相连，电感L₁₁的另一端与功率开关管S₁₁的发射极和功率开关管S₁₂的集电极相连；电感L₁₂的另一端与功率开关管S₂₁的发射极和功率开关管S₂₂的集电极相连；电源V_H1的正极分别与功率开关管S₁₁的集电极和功率开关管S₂₁的集电极连接，电源V_H1的负极与功率开关管S₁₂的发射极、功率开关管S₂₂的发射极、功率开关管S₁₃的集电极、功率开关管S₂₃的集电极、滤波电容C_L1另一端、负载R_L1另一端、滤波电容C_L2一端、负载R_L2一端连接；滤波电容C_L2和负载R_L2并联，升压电感L₂₁和L₂₂正向耦合，滤波电容C_L2的另一端分别与电感L₂₁一端和电感L₂₂一端相连，电感L₂₁另一端分别与功率开关管S₁₃的发射极和功率开关管S₁₄的集电极相连；电感L₂₂的另一端分别与功率开关管S₂₃的发射极和功率开关管S₂₄的集电极相连；电源V_H2的正极与功率开关管S₂₃的集电极连接，电源V_H2的负极分别与功率开关管S₁₄的发射极、功率开关管S₂₄的发射极连接。

2.根据权利要求1所述的一种交错并联磁集成双极性三电平双向DC/DC变换器，其特征在于：升压模式下，功率开关管S₁₁、S₁₄、S₂₁和S₂₄驱动封锁，功率开关管S₁₂与S₁₃和S₂₂的驱动信号交错180°，功率开关管S₂₂与S₂₃的驱动信号交错180°，功率开关管S₁₂与S₂₃驱动信号相同，功率开关管S₁₃与S₂₂驱动信号相同；降压模式下，功率开关管S₁₂、S₁₃、S₂₂和S₂₃驱动封锁，功率开关管S₁₁与S₂₁和S₁₄的驱动信号交错180°，功率开关管S₂₁与S₂₄的驱动信号交错180°，功率开关管S₁₁与S₂₄驱动信号相同，功率开关管S₁₄与S₂₁驱动信号相同。

3.根据权利要求1所述的一种交错并联磁集成双极性三电平双向DC/DC变换器，其特征在于：所述变换器的升降压模式分为占空比大于0.5和小于0.5两种情况；

升压模式下占空比大于0.5时，变换器工作在三种状态下：功率开关管S₁₂、S₁₃、S₂₂和S₂₃同时导通；功率开关管S₁₂和S₂₃导通，S₁₃和S₂₂关断；功率开关管S₁₃和S₂₂导通，S₁₂和S₂₃关断；

升压模式下占空比小于0.5时，变换器工作在以下三种状态：功率开关管S₁₂和S₂₃导通，S₁₃和S₂₂关断；功率开关管S₁₂、S₁₃，S₂₂和S₂₃同时关断；功率开关管S₁₃和S₂₂导通，S₁₂和S₂₃关断；

降压模式下占空比大于0.5时，变换器工作在三种状态下：功率开关管S₁₁、S₁₄、S₂₁和S₂₄同时导通；功率开关管S₁₁和S₂₄导通，S₁₄和S₂₁关断；功率开关管S₁₄和S₂₁导通，S₁₁和S₂₄关断；

降压模式下占空比小于0.5时，变换器工作在以下三种状态：功率开关管S₁₁和S₂₄导通，S₁₄和S₂₁关断；功率开关管S₁₁、S₁₄、S₂₁和S₂₄同时关断；功率开关管S₁₄和S₂₁导通，S₁₁和S₂₄关断。