CN108471235A - 三电平双向dc/dc电路 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种三电平双向DC/DC电路，连包括MOSFET管M1、MOSFET管M2、MOSFET管M3、MOSFET管M4、飞跨电容和二极管、电感，MOSFET管M1的漏极与电池的正极相连接，MOSFET管M2的漏极与MOSFET管M1的源极相连接，MOSFET管M2的源极与电池的负极相连接，MOSFET管M3的源极与MOSFET管M1的漏极相连接，MOSFET管M4的源极与MOSFET管M3的漏极相连接，MOSFET管M4的漏极与直流母线的一端相连接，飞跨电容的一端与MOSFET管M3的漏极相连接，飞跨电容的另一端与MOSFET管M1的源极相连接，MOSFET管M1的源极经电感和二极管与直流母线的中点相连接，直流母线的另一端与MOSFET管M2的源极相连接。本发明可以采用低电压等级MOSFET替代高电压等级MOSFET，克服高压MOSFET器件性能参数较差的劣势，能够减小开关管的开关损耗，避免损坏开关管。
Description
技术领域
本发明属于电力电子变换器技术领域，涉及一种三电平双向DC/DC电路，适用于需要能量双向流动的电力电子设备中，如光伏储能逆变器、充电桩等。
背景技术
目前大功率电池充放电的应用需求变得更多，使用三相电对电池充电和使用高压电池储能成为较好的解决方案。这对光伏储能逆变器来说意味着更高的电池输入电压和更高的母线电压。为了兼容主流三相并网逆变器，母线电压最高需要达到1000V。使用传统的Buck-Boost电路需要选用耐压等级1200V的半导体开关管器件。而为了尽可能将设备做到小型化，需要尽可能地提升半导体开关器件的工作频率。因此半导体开关器件需要选用MOSFET。
受限于半导体技术的发展，1200V的MOSFET器件参数特性比较差。双向的Buck-Boost电路，Buck管子和Boost管子驱动工作于互补的状态，可以让半导体器件在电感续流时反向流过电流，实现电感续流时的同步整流，从而发挥MOSFET导通电阻小的优势，提升转换效率。但是当电感换流时，同步整流的MOSFET由于体二极管特性很差，以及结电容很大，造成同步整流的MOSFET在关断的情况下有反向电流流过。此反向电流会引起较大损耗，更为严重的是会在MOSFET的漏源极引起很大的电压尖峰，会造成MOSFET过压损坏。
因此，需要研发高电压等级MOSFET的替代电路，并保证电路性能。
发明内容
本发明的目的是提供一种能够提升参数性能，减小损耗和电压尖峰而避免MOSFET损坏，用于替代含有高电压等级MOSFET的DC/DC电路的三电平双向DC/DC电路。
为达到上述目的，本发明采用的技术方案是：
一种三电平双向DC/DC电路，连接于电池和直流母线之间，所述三电平双向DC/DC电路包括MOSFET管M1、MOSFET管M2、MOSFET管M3、MOSFET管M4和飞跨电容，所述MOSFET管M1的漏极与所述电池的正极相连接，所述MOSFET管M2的漏极与所述MOSFET管M1的源极相连接，所述MOSFET管M2的源极与所述电池的负极相连接，所述MOSFET管M3的源极与所述MOSFET管M1的漏极相连接，所述MOSFET管M4的源极与所述MOSFET管M3的漏极相连接，所述MOSFET管M4的漏极与所述直流母线的一端相连接，所述飞跨电容的一端与所述MOSFET管M3的漏极相连接，所述飞跨电容的另一端与所述MOSFET管M1的源极相连接，所述MOSFET管M1的源极还与所述直流母线的中点相连接，所述直流母线的另一端与所述MOSFET管M2的源极相连接。
优选的，所述三电平双向DC/DC电路还包括二极管，所述MOSFET管M1的源极通过所述二极管与所述直流母线的中点相连接，所述二极管的正极与所述MOSFET管M1的源极相连接，所述二极管的负极与所述直流母线的中点相连接。
优选的，所述三电平双向DC/DC电路还包括电感，所述MOSFET管M1的源极通过所述电感与所述二极管的正极相连接。
优选的，当所述电池电压大于所述直流母线电压的一半时，正常工作的所述三电平双向DC/DC电路在状态1、状态2、状态3和状态4中依次循环；当处于所述状态1时，所述MOSFET管M1开通，所述MOSFET管M2关断，所述MOSFET管M3关断，所述MOSFET管M4开通；当处于所述状态2时，所述MOSFET管M1关断，所述MOSFET管M2关断，所述MOSFET管M3开通，所述MOSFET管M4开通；当处于所述状态3时，所述MOSFET管M1关断，所述MOSFET管M2开通，所述MOSFET管M3开通，所述MOSFET管M4关断；当处于所述状态4时，所述MOSFET管M1关断，所述MOSFET管M2关断，所述MOSFET管M3开通，所述MOSFET管M4开通；
当所述电池电压小于所述直流母线电压的一半时，正常工作的所述三电平双向DC/DC电路在状态5、状态6、状态7和状态8中依次循环；当处于所述状态5时，所述MOSFET管M1开通，所述MOSFET管M2开通，所述MOSFET管M3关断，所述MOSFET管M4关断；当处于所述状态6时，所述MOSFET管M1开通，所述MOSFET管M2关断，所述MOSFET管M3关断，所述MOSFET管M4开通；当处于所述状态7时，所述MOSFET管M1开通，所述MOSFET管M2开通，所述MOSFET管M3关断，所述MOSFET管M4关断；当处于所述状态8时，所述MOSFET管M1关断，所述MOSFET管M2开通，所述MOSFET管M3开通，所述MOSFET管M4关断。
优选的，所述三电平双向DC/DC电路还包括正常工作前的预充电状态，所述预充电状态分为两个阶段，第一阶段时，所述MOSFET管M1和所述MOSFET管M2开通，第二阶段时，所述MOSFET管M1和所述MOSFET管M2关断，所述MOSFET管M3开通。
由于上述技术方案运用，本发明与现有技术相比具有下列优点：本发明可以采用低电压等级MOSFET替代高电压等级MOSFET，克服高压MOSFET器件性能参数较差的劣势，能够减小开关管的开关损耗，避免损坏开关管。
附图说明
附图1为本发明的三电平双向DC/DC电路的电路图。
附图2为本发明中当电池电压大于直流母线电压的一半时各MOSFET管的驱动信号示意图。
附图3为本发明中当电池电压小于直流母线电压的一半时各MOSFET管的驱动信号示意图。
附图4为本发明在状态1时的功率流向示意图。
附图5为本发明在状态2时的功率流向示意图。
附图6为本发明在状态3时的功率流向示意图。
附图7为本发明在状态4时的功率流向示意图。
附图8为本发明在状态5时的功率流向示意图。
附图9为本发明在状态6时的功率流向示意图。
附图10为本发明在状态7时的功率流向示意图。
附图11为本发明在状态8时的功率流向示意图。
附图12为本发明中池电压大于直流母线电压的一半时电感电压和电流示意图。
附图13为本发明中池电压小于直流母线电压的一半时电感电压和电流示意图。
附图14为本发明中预充电状态的第一阶段的功率流向示意图。
附图15为本发明中预充电状态的第二阶段的功率流向示意图。
附图16为本发明正常工作时直流母线给飞跨电容充电的功率流向示意图。
附图17为本发明正常工作时直流母线给飞跨电容充电续流的功率流向示意图。
具体实施方式
下面结合附图所示的实施例对本发明作进一步描述。
实施例一：一种三电平双向DC/DC电路，连接于电池Bat和直流母线Bus之间。如附图1所示，该三电平双向DC/DC电路包括MOSFET管M1、MOSFET管M2、MOSFET管M3、MOSFET管M4和飞跨电容Cf。MOSFET管M1的漏极与电池Bat的正极相连接，MOSFET管M2的漏极与MOSFET管M1的源极相连接，MOSFET管M2的源极与电池Bat的负极相连接，MOSFET管M3的源极与MOSFET管M1的漏极相连接，MOSFET管M4的源极与MOSFET管M3的漏极相连接，MOSFET管M4的漏极与直流母线Bus的一端相连接，飞跨电容Cf的一端与MOSFET管M3的漏极相连接，飞跨电容Cf的另一端与MOSFET管M1的源极相连接，MOSFET管M1的源极还与直流母线Bus的中点相连接，直流母线Bus的另一端与MOSFET管M2的源极相连接。
上述三电平双向DC/DC电路还包括二极管D1，MOSFET管M1的源极通过二极管D1与直流母线Bus的中点相连接，二极管D1的正极与MOSFET管M1的源极相连接，二极管D1的负极与直流母线Bus的中点相连接。该三电平双向DC/DC电路还包括电感L1，MOSFET管M1的源极通过电感L1与二极管D1的正极相连接。
上述三电平双向DC/DC电路中，通过特定的控制算法，给出MOSFET管M1、MOSFET管M2、MOSFET管M3和MOSFET管M4的驱动信号，使得MOSFET管M1和MOSFET管M2驱动信号交错180°，MOSFET管M3和MOSFET管M4驱动信号交错180°，同时保证MOSFET管M1和MOSFET管M3驱动信号互补，MOSFET管M2和MOSFET管M4驱动信号互补，如附图2和附图3所示。这样电感的工作频率是MOSFET工作频率的两倍。能量管理单元根据采集到的能量信息，给出电感电流的参考信号，实现能量的双向流动。电路运行稳态时，飞跨电容Cf两端电压为直流母线电压的一半。根据电池电压和母线电压的等级，本方案电路可以分为电池电压大于直流母线电压一半的情况和电池电压小于直流母线电压一半的情况，MOSFET管M1、MOSFET管M2、MOSFET管M3和MOSFET管M4的驱动信号分别如附图2和附图3所示。
当电池Bat向直流母线Bus放电时，具体的工作方式如下：
当电池电压大于直流母线电压的一半时，正常工作的三电平双向DC/DC电路在状态1、状态2、状态3和状态4中依次循环。当处于状态1时，MOSFET管M1开通，MOSFET管M2关断，MOSFET管M3关断，MOSFET管M4开通，功率流向如附图4所示。当处于状态2时，MOSFET管M1关断，MOSFET管M2关断，MOSFET管M3开通，MOSFET管M4开通，功率流向如附图5所示。当处于状态3时，MOSFET管M1关断，MOSFET管M2开通，MOSFET管M3开通，MOSFET管M4关断，功率流向如附图6所示。当处于状态4时，MOSFET管M1关断，MOSFET管M2关断，MOSFET管M3开通，MOSFET管M4开通，功率流向如附图7所示。期间电感电压和电流如附图12所示。
当电池电压小于直流母线电压的一半时，正常工作的三电平双向DC/DC电路在状态5、状态6、状态7和状态8中依次循环。当处于状态5时，MOSFET管M1开通，MOSFET管M2开通，MOSFET管M3关断，MOSFET管M4关断，功率流向如附图8所示。当处于状态6时，MOSFET管M1开通，MOSFET管M2关断，MOSFET管M3关断，MOSFET管M4开通，功率流向如附图9所示。当处于状态7时，MOSFET管M1开通，MOSFET管M2开通，MOSFET管M3关断，MOSFET管M4关断，功率流向如附图10所示。当处于状态8时，MOSFET管M1关断，MOSFET管M2开通，MOSFET管M3开通，MOSFET管M4关断，功率流向如附图11所示。期间电感电压和电流如附图13所示。
直流母线Bus向电池Bat充电的情况和电池Bat向直流母线Bus放电的驱动是一致的，工作状态也是一致，但功率流向相反。
当母线电压较高时，本发明电路工作于双向流动任一方向状态时，如果没有二极管D1的存在，在初始时刻，飞跨电容Cf没有电压，MOSFET管M2和MOSFET管M4需要承担直流母线电压，MOSFET管M1和MOSFET管M3无法起到分担电压的作用，会导致MOSFET管M2和MOSFET管M4过压损坏。而加入二极管D1可以在初始时刻给飞跨电容Cf提供充电回路，使得飞跨电容Cf电压在电路正常工作之前达到直流母线电压一半，防止MOSFET管M2和MOSFET管M4过压损坏。从而，该三电平双向DC/DC电路还包括正常工作前的预充电状态。预充电状态分为两个阶段，第一阶段时，MOSFET管M1和MOSFET管M2同时以较小占空比开通，电感L1储存能量，如附图14所示；而第二阶段时，MOSFET管M1和MOSFET管M2同时关断，MOSFET管M3开通，电感L1的电流通过MOSFET管M3，二极管D1而给飞跨电容Cf充电，如附图15所示。当飞跨电容Cf电压达到母线电压一半时，结束预充电程序，电路开始正常工作。
在正常工作过程中，如果飞跨电容Cf电压值低于0.5倍直流母线电压，在MOSFET管M4开通的时候，直流母线电容可以通过MOSFET管M4、飞跨电容Cf电感L1、二极管D1的回路给飞跨电容Cf充电，如附图16所示。电感L1的存在抑制回路中可能的电流尖峰，保护半导体开关器件。在MOSFET管M4关断时，电感L1的续流路径如附图17所示。
本方案为了降低电路中使用的MOSFET耐压等级，使用三电平的方案，引入直流母线中点电压，因此可以使用两个600V耐压等级的MOSFET串联替代背景技术中提到的1200V耐压等级的MOSFET，即以采用低电压等级MOSFET的电路替代高电压等级的MOSFET。而600V的MOSFET的参数特性要比1200V耐压等级的MOSFET优秀，可以大大减小电感换流时，由于同步整流的MOSFET体二极管特性和结电容引起的反向电流，进而减小MOSFET的损耗和漏源极电压尖峰。
另外，本方案使用的飞跨电容Cf可以提供功率流通路径，改变原有的工作模式，配合交错的PWM调制方式，可以实现磁性元件的工作频率加倍，使得磁性元件得以小型化。而本方案中在飞跨电容Cf下端到直流母线Bus中点增加了二极管D1，可以在初始时刻提供充电回路，使得飞跨电容Cf得以被充电到直流母线电压一半，防止串联分压的MOSFET承受的电压不均衡而造成分压较多的器件过压损坏。
综上所述，采用本方案，可以使用600V耐压等级的MOSFET实现1200V输入输出电压等级的双向DC/DC变换器，克服高压MOSFET器件性能参数较差的劣势。引入了零电压、母线电压之外的第三电平——母线中点电压，降低了电路中的dv/dt，减小了开关管的开关损耗，且能够实现双向能量流动的同步整流，进一步发挥MOSFET导通阻抗低的优势，还能够实现功率电感工作频率的加倍，使得功率电感能够实现小型化，轻量化。另外，加入二极管D1和电感L1解决了飞跨电容电压小于0.5倍母线电压时造成的MOSFET管M2和MOSFET管M4承担较高电压的问题。
上述实施例只为说明本发明的技术构思及特点，其目的在于让熟悉此项技术的人士能够了解本发明的内容并据以实施，并不能以此限制本发明的保护范围。凡根据本发明精神实质所作的等效变化或修饰，都应涵盖在本发明的保护范围之内。
Claims (5)
1.一种三电平双向DC/DC电路，连接于电池和直流母线之间，其特征在于：所述三电平双向DC/DC电路包括MOSFET管M1、MOSFET管M2、MOSFET管M3、MOSFET管M4和飞跨电容，所述MOSFET管M1的漏极与所述电池的正极相连接，所述MOSFET管M2的漏极与所述MOSFET管M1的源极相连接，所述MOSFET管M2的源极与所述电池的负极相连接，所述MOSFET管M3的源极与所述MOSFET管M1的漏极相连接，所述MOSFET管M4的源极与所述MOSFET管M3的漏极相连接，所述MOSFET管M4的漏极与所述直流母线的一端相连接，所述飞跨电容的一端与所述MOSFET管M3的漏极相连接，所述飞跨电容的另一端与所述MOSFET管M1的源极相连接，所述MOSFET管M1的源极还与所述直流母线的中点相连接，所述直流母线的另一端与所述MOSFET管M2的源极相连接。
2.根据权利要求1所述的三电平双向DC/DC电路，其特征在于：所述三电平双向DC/DC电路还包括二极管，所述MOSFET管M1的源极通过所述二极管与所述直流母线的中点相连接，所述二极管的正极与所述MOSFET管M1的源极相连接，所述二极管的负极与所述直流母线的中点相连接。
3.根据权利要求2所述的三电平双向DC/DC电路，其特征在于：所述三电平双向DC/DC电路还包括电感，所述MOSFET管M1的源极通过所述电感与所述二极管的正极相连接。
4.根据权利要求1或2或3所述的三电平双向DC/DC电路，其特征在于：当所述电池电压大于所述直流母线电压的一半时，正常工作的所述三电平双向DC/DC电路在状态1、状态2、状态3和状态4中依次循环；当处于所述状态1时，所述MOSFET管M1开通，所述MOSFET管M2关断，所述MOSFET管M3关断，所述MOSFET管M4开通；当处于所述状态2时，所述MOSFET管M1关断，所述MOSFET管M2关断，所述MOSFET管M3开通，所述MOSFET管M4开通；当处于所述状态3时，所述MOSFET管M1关断，所述MOSFET管M2开通，所述MOSFET管M3开通，所述MOSFET管M4关断；当处于所述状态4时，所述MOSFET管M1关断，所述MOSFET管M2关断，所述MOSFET管M3开通，所述MOSFET管M4开通；
当所述电池电压小于所述直流母线电压的一半时，正常工作的所述三电平双向DC/DC电路在状态5、状态6、状态7和状态8中依次循环；当处于所述状态5时，所述MOSFET管M1开通，所述MOSFET管M2开通，所述MOSFET管M3关断，所述MOSFET管M4关断；当处于所述状态6时，所述MOSFET管M1开通，所述MOSFET管M2关断，所述MOSFET管M3关断，所述MOSFET管M4开通；当处于所述状态7时，所述MOSFET管M1开通，所述MOSFET管M2开通，所述MOSFET管M3关断，所述MOSFET管M4关断；当处于所述状态8时，所述MOSFET管M1关断，所述MOSFET管M2开通，所述MOSFET管M3开通，所述MOSFET管M4关断。
5.根据权利要求4所述的三电平双向DC/DC电路，其特征在于：所述三电平双向DC/DC电路还包括正常工作前的预充电状态，所述预充电状态分为两个阶段，第一阶段时，所述MOSFET管M1和所述MOSFET管M2开通，第二阶段时，所述MOSFET管M1和所述MOSFET管M2关断，所述MOSFET管M3开通。
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