CN109088542A - 一种组合式双向直流变换电路 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种组合式双向直流变换电路，属于能量双向流动直流—直流变换技术，当需要能量从第一端滤波电容端向第二端滤波电容端流动时，本发明能够自动实现降压桥臂电路工作，升压桥臂电路不工作；当需要能量从第二端滤波电容端向第一端滤波电容端流动时，本发明能够自动实现升压桥臂电路工作，降压桥臂电路不工作。本发明中降压和升压桥臂电路之间存在两个电感串联，所以不存在两个桥臂电路中两个功率开关管直通问题，大大地提高了变换电路的可靠性；同时，采用独立二极管作为续流二极管，有利于优化功率器件的设计，提高变换器效率。本发明适用于需要能量双向流动的电动汽车、燃料电池、光伏发电和风力发电等新能源供电系统等场合。

Description

一种组合式双向直流变换电路
技术领域
本发明涉及一种电能变换装置中的直流非隔离变换装置，更具体地说，它涉及一种直流功率双向流动变换器。
背景技术
为了减轻系统的体积重量、节约成本，在电池的充放电、电动汽车、UPS系统、新能源发电系统、微型直流电网等应用场合，双向直流变换电路获得了越来越广泛的应用。双向直流变换器输入、输出电流的方向可以改变，在功率传输上相当于两个单向直流变换器，是典型的“一机两用”设备，可以大幅减轻系统的体积重量和成本，有着重要的研究价值。
目前，非隔离半桥结构双向直流变换电路得到了广泛的应用。但是，由于存在开关管的直通问题影响其可靠性，并且续流二极管为开关管的体二极管，其反向恢复时间较长，导致较大的反向恢复损耗，存在启动冲击问题。特别是在轻载时，由于电感电流在开关周期内是双极性的(其平均值为正时功率向一个方向流动；反之，向另外一个方向流动)，存在无功能量回馈问题，从而增加变换器的损耗，即轻载时效率较低。为了解决这个问题，双向直流变换器(专利号:ZL201010102548.9)给出一种带耦合电感双向直流变换器。虽然，它利用耦合电感避免了开关管的体二极管带来的缺陷，但是却带来了：在开关管的每一个导通和关断过程中，由于耦合电感的谐振和耦合电感内部环流，而引起损耗额外增加的问题；同时，耦合电感还增加绕制难度。
本发明的目的在于解决上述现有技术中存在的问题，发明一种组合双向直流变换电路及控制方法，该变换器适用于需要能量双向流动的电动汽车、燃料电池、直流微网、光伏发电和风力发电等新能源供电系统等场合。
发明内容
针对现有技术存在的不足，本发明的目的在于提供一种组合式双向直流变换电路，本发明提供了如下技术方案：
一种组合式双向直流变换电路，包括第一端滤波电容、一个降压桥臂电路、第二端滤波电容和一个升压桥臂电路，所述第一端滤波电容包括第一端滤波电容C1，第一功率开关管S1的漏极与第二续流二极管D2的阴极相连接，两者连接头处连接第一端滤波电容C1的一端，第一续流二极管D1的阳极与第二功率开关管S2的源极相连，两者连接头处连接第一端滤波电容C1的另一端；所述降压桥臂电路包括第一功率开关管S1、第一续流二极管D1、第一电感L1，第一功率开关管S1的源极连接第一续流二极管D1的阴极，两者接头处连接第一电感L1的一端；所述第二端滤波电容包括第二端滤波电容C2，第一电感L1的另一端连接第二电感L2的一端，两者接头处连接第二端滤波电容C2的一端，第二端滤波电容C2的另一端连接第一续流二极管D1的阳极与第二功率开关管S2的源极连接处；所述升压桥臂电路包括第二功率开关管S2、第二续流二极管D2、第二电感L2，第二功率开关管S2的漏极连接第二续流二极管D2的阳极，两者接头处连接第二电感L2的另一端。
进一步地，还包括第一总电压环控制器、第一总电流环控制器和第一总PWM发生器。
进一步地，还包括第二总电压环控制器、第二总电流环控制器和第二总PWM发生器。
进一步地，以权利要求2中的第二端滤波电容C2端电压U2为控制对象进行控制，其步骤如下所述：
S1:第二端滤波电容C2端电压U2的基准信号U2ref与第二端滤波电容C2端电压U2的差值经第一总电压环控制器中的第一分电压调节器得到偏差信号Ue1；
S2：偏差信号Ue1作为第一总电流环控制器中的第一分电流调节器中的第一电感电流iL1参考值与第一电感电流iL1的差值经第一总电流环控制器中的第一分电流调节器得到控制信号；
S3：将控制信号送入第一总PWM发生器中的第一分PWM发生器，产生第一功率开关管S1驱动信号Driver1；
S4：偏差信号Ue1取反-Ue1后，作为第一总电流环控制器中的第二分电流调节器的第二电感电流iL2参考值与第二电感电流iL2的差值经第一总电流环控制器中的第二分电流环调节器得到控制信号；
S5：将控制信号送入第一总PWM发生器中的第二分PWM发生器，产生第二功率开关管S2驱动信号Driver2。
进一步地，以权利要求1中的第一端滤波电容C1端电压U1为控制对象进行控制，其步骤如下所述：
S1：第二总电压环控制器中的第一端滤波电容C1端电压U1基准信号U1ref与第一端滤波电容C1端电压Uin的差值经第二总电压环控制器中的第二分电压调节器得到偏差信号Ue2；
S2：偏差信号Ue2作为第二总电流环控制器中的第三分电流调节器的第二电感电流iL2参考值与第二电感电流iL2的差值经第二总电流环控制器中的第三分电流调节器得到控制信号；
S3：将控制信号送入第二总PWM发生器中的第三分PWM发生器，产生第二功率开关管S2驱动信号Driver2；
S4：偏差信号Ue2取反-Ue2后，作为第二总电流环控制器中的第四分电流调节器中的第一电感电流iL1参考值与第一电感电流iL1的差值经第二总电流环控制器中的第四分电流调节器得到控制信号；
S5：将控制信号送入第二总PWM发生器中的第四分PWM发生器，产生第二功率开关管S1驱动信号Driver1。
综上所述，本发明具有以下有益效果：一种组合式双向直流变换电路及其控制方法，由于两个功率开关管之间串联两个电感并且采用独立的二极管作为续流二极管，不但避免了半桥结构中开关管直通问题以及借用开关管体内二极管作为续流二极管带来的缺陷，而且不存在环流和轻载时电感电流双极性带来的效率降低问题；同时，在两个模式切换过程中能够自动实现开关管的软启动，不存在启动冲击问题。一种组合式双向直流变换电路及其控制方法采用PWM控制、变换电路的效率高、控制方案简单、易于实现。
附图说明
图1为本发明一种组合式双向直流变换电路及其控制方法的电路图；
图2为本发明一种组合式双向直流变换电路及其控制方法以第二端滤波电容端电压U2为控制对象时控制方法原理图；
图3为本发明一种组合式双向直流变换电路及其控制方法以第一端滤波电容端电压U1为控制对象时控制方法原理图；
图4为本发明一种组合式双向直流变换电路及其控制方法各个开关模态等效电路图；
图4(a)为本发明一种组合式双向直流变换电路及其控制方法能量从第一端滤波电容端向第二端滤波电容端流动时工作模态I示意图；
图4(b)为本发明一种组合式双向直流变换电路及其控制方法能量从第一端滤波电容端向第二端滤波电容端流动时工作模态II示意图；
图5为本发明一种组合式双向直流变换电路及其控制方法各个开关模态等效电路图；
图5(a)为本发明一种组合式双向直流变换电路及其控制方法能量从第二端滤波电容端向第一端滤波电容端流动时工作模态I示意图；
图5(b)为本发明一种组合式双向直流变换电路及其控制方法能量从第二端滤波电容端向第一端滤波电容端流动时工作模态II示意图；
图6为本发明一种组合式双向直流变换电路及其控制方法以第二端滤波电容C2端电压U2为控制对象时仿真原理电路图；
图7为本发明一种组合式双向直流变换电路及其控制方法以第一端滤波电容C1端电压U1为控制对象时仿真原理电路图；
图8为本发明一种组合式双向直流变换电路及其控制方法以第二端滤波电容C2端电压U2为控制对象时能量从第一端滤波电容C1端向第二端滤波电容C2端流动时主要波形仿真图；
图9是本发明一种组合式双向直流变换电路及其控制方法以第二端滤波电容C2端电压U2为控制对象时能量从第二端滤波电容C2端向第一端滤波电容C1端流动时主要波形仿真图；
图10是本发明一种组合式双向直流变换电路及其控制方法以第二端滤波电容C2端电压U2为控制对象时能量双向流动变化过程主要波形仿真图；
图11是本发明一种组合式双向直流变换电路及其控制方法以第一端滤波电容C1端电压U1为控制对象时能量从第一端滤波电容C1端向第二端滤波电容C2端流动时主要波形仿真图；
图12是本发明一种组合式双向直流变换电路及其控制方法以第一端滤波电容C1端电压U1为控制对象时能量从第二端滤波电容C2端向第一端滤波电容C1端流动时主要波形仿真图；
图13是本发明一种组合式双向直流变换电路及其控制方法以第一端滤波电容C1端电压U1为控制对象时能量双向流动变化过程主要波形仿真图。
图中：1、第一端滤波电容；2、降压桥臂电路；3、第二端滤波电容；4、升压桥臂电路；5、第一总电压环控制器；51、第一分电压环控制器；6、第一总电流环控制器；61、第一分电流调节器；62、第二分电流调节器；7、第一总PWM发生器；71、第一分PWM发生器；72、第二分PWM发生器；8、第二总电压环控制器；82、第二分电压调节器；9、第二总电流环控制器；93、第三分电流调节器；94、第四分电流调节器；10、第二总PWM发生器；103、第三分PWM发生器；104、第四分PWM发生器。
具体实施方式
实施例：
以下结合附图1-13对本发明作进一步详细说明。
实施例1
参照图1-3，一种组合式双向直流变换电路及其控制方法，它包括第一端滤波电容1、一个降压桥臂电路2、第二端滤波电容3、一个升压桥臂电路4、第一总电压环控制器5、第一总电流环控制器6、第一总PWM发生器7、第二总电压环控制器8、第二总电流环控制器9、第二总PWM发生器10；第一端滤波电容1包括：第一端滤波电容C1，其中第一功率开关管S1的漏极与第二续流二极管D2的阴极相连接，两者连接头处连接第一端滤波电容C1的一端，第一续流二极管D1的阳极与第二功率开关管S2的源极相连，两者连接头处连接第一端滤波电容C1的另一端；降压桥臂电路2包括：第一功率开关管S1、第一续流二极管D1、第一电感L1，其中第一功率开关管S1的源极连接第一续流二极管D1的阴极，两者接头处连接第一电感L1的一端；第二端滤波电容3包括：第二端滤波电容C2，其中第一电感L1的另一端连接第二电感L2的一端，两者接头处连接第二端滤波电容C2的一端，第二端滤波电容C2的另一端连接第一续流二极管D1的阳极与第二功率开关管S2的源极连接处；升压桥臂电路4包括：第二功率开关管S2、第二续流二极管D2、第二电感L2，其中第二功率开关管S2的漏极连接第二续流二极管D2的阳极，两者接头处连接第二电感L2的另一端；第一总电压环控制器5包括：第二端滤波电容C2端电压U2，第一分电压调节器51，第二端滤波电容C2端电压U2基准信号U2ref，两者差值送入第一分电压调节器51；第二总电流环控制器6包括：第一电感L1电流iL1，第二电感L2电流iL2，第一分电流调节器61，第二分电流调节器62，其中第一分电压调节器51输出偏差信号Ue1及其取反-Ue1分别作为第一电感L1电流iL1参考值和第二电感L2电流iL2参考值，并分别被送入第一分电流调节器61和第二分电流调节器62；第一总PWM发生器7包括：锯齿载波信号，第一分PWM发生器71，第二分PWM发生器72，其中第一分电流调节器61和第二分电流调节器62的输出分别送入第一分PWM发生器71和第二分PWM发生器72，与锯齿载波信号产生第一功率开关管S1和第二功率开关管S2驱动信号Driver1和Driver2；第二总电压环控制器8包括：第一端滤波电容C1端电压U1，第二分电压调节器82，第一端滤波电容C1端电压U1基准信号U1ref，两者差值送入第二分电压调节器82；第二总电流环控制器9包括：第一电感L1电流iL1，第二电感L2电流iL2，第三分电流调节器93，第四分电流调节器94，其中第二分电压调节器82输出偏差信号Ue2及其取反-Ue2分别作为第二电感L2电流iL2参考值和第一电感L1电流iL1参考值，并分别被送入第三分电流调节器93和第四分电流调节器94；第二总PWM发生器10包括：锯齿载波信号，第三分PWM发生器103，第四分PWM发生器104，其中第三分电流环调节器93和第四分电流环调节器94的输出分别送入第三分PWM发生器103和第四分PWM发生器104，与锯齿载波信号产生第二功率开关管S2和第一功率开关管S1驱动信号Driver2和Driver1。
实施例2
参照图4-5，实施例1所述的一种组合式双向直流变换电路及其控制方法的工作原理分为两个部分。分述如下：
一、降压桥臂电路工作部分
当需要电能从第一端滤波电容C1端向第二端滤波电容C2端，流动时，降压桥臂电路2工作，升压桥臂电路4不工作，通过第一电感L1将电能向第二端滤波电容C2端输送。此部分电路有二个工作模态：
1.工作模态I
如图4(a)所示，第一开关管S1导通，将第一端滤波电容C1端电能向第二端滤波电容C2端输送，第一续流二极管D1、第二功率开关管S2、第二续流二极管D2截止，第一电感L1电流iL1线性上升，并存储电能；第二电感L2电流iL2为零。
2.工作模态II
如图4(b)所示，关断第一开关管S1，第一续流二极管D1导通续流，第二功率开关管S2、第二续流二极管D2截止，第一电感L1电流iL1线性下降，并将其存储的电能继续向第二端滤波电容C2端输送；第二电感L2电流iL2仍然为零。
二、升压桥臂电路工作部分
当需要电能从第二端滤波电容C2端向第一端滤波电容C1端流动时，升压桥臂电路4工作，降压桥臂电路2不工作，通过第二电感L2将电能向第一端滤波电容C1端输送。此部分电路有二个工作模态：
1.工作模态I
如图5(a)所示，第二开关管S2导通，第一续流二极管D1、第一功率开关管S2、第二续流二极管D2截止，第二电感L2电流iL2线性上升，并存储电能；第一电感L1电流iL1为零。
2.工作模态II
如图5(b)所示，关断第二开关管S2，第二续流二极管D2导通续流，第一功率开关管S1、第一续流二极管D1仍然截止，第二电感L2电流iL2线性下降，并将其存储的电能和第二端滤波电容C2端的电能同时向第一端滤波电容C1端输送；第一电感L1电流iL1仍然为零。
实施例3
参照图6-13。用实施例1、实施例2所述的一种组合式双向直流变换电路及其控制方法所做的主要仿真实验。
仿真参数如下：开关频率为50kHz，第一电感L1电感量和第二电感L2电感量分别为100μH，第一端滤波电容C1和第二端滤波电容C2分别为1000μF，负载R为2Ω阻性负载。
图8、图9和图10给出了以第二端滤波电容C2端电压U2为控制对象时本发明实例的一些主要仿真波形。第一端滤波电容C1端电压U1为48V电压源，第二端滤波电容C2端电压U2被控制在24V。
从图8、图10可以看出：当注入的电流(Ipusle1＝3A)较小时，降压桥臂电路2工作，通过第一电感L1将电能从第一端滤波电容C1端传送到第二端滤波电容C2端，从而保证第二端滤波电容C2端电压U2稳定在24V；而升压桥臂电路4不工作，第二电感L2电流iL2为零。
从图9、图10可以看出：当注入的电流(Ipusle1＝25A)过多时，升压桥臂电路4工作，通过第二电感L2将电能从第二端滤波电容C2端输传送到第一端滤波电容C1端，从而保证第二滤波电容C2端电压U2稳定在24V，而降压桥臂电路2不工作，第一电感L1电流iL1为零。
从图10中可以看出：当注入电流Ipulse1变化时，第二端滤波电容C2端电压U2存在轻微变化，这主要有控制系统响应时间造成的。
图11、图12和图13给出了以第一端滤波电容C1端电压U1为控制对象时本发明实例的一些主要仿真波形。第二端滤波电容C2端电压U2为24V电压源，第一端滤波电容C1端电压Uin被控制在48V。
从图11、图13可以看出：当注入的电流(Ipusle2＝12A)较小时，升压桥臂电路4工作，通过第二电感L2将电能从第二端滤波电容C2端传送到第一端滤波电容C1端，从而保证第一端滤波电容C1端电压U1稳定在48V；而降压桥臂电路2不工作，第一电感L1电流iL1为零。
从图12、图13可以看出：当注入的电流(Ipusle2＝36A)过多时，降压桥臂电路2工作，通过第一电感L1将电能从第一端滤波电容C1端传送到第二端滤波电容C1端，从而保证第一端滤波电容C1端电压U1稳定在48V；而升压桥臂电路4不工作，第二电感L2电流iL2为零。
从图13中可以看出：当注入电流Ipulse2变化时，输入端电压Uin存在变化，这主要有控制系统响应时间造成的。
仿真结果表明：本发明一种组合式双向直流变换电路及其控制方法能够很好地实现能量双向流动和对第一端滤波电容C1端或第二端滤波电容C2端电压的控制，并且不存在两个桥臂电路中的两个功率开关管直通问题，大大地提高了变换电路的可靠性；同时，电感电流单向流动、通过对立的续流二极管续流，提高了效率。
本具体实施例仅仅是对本发明的解释，其并不是对本发明的限制，本领域技术人员在阅读完本说明书后可以根据需要对本实施例做出没有创造性贡献的修改，但只要在本发明的权利要求范围内都受到专利法的保护。

Claims (5)

1.一种组合式双向直流变换电路，包括第一端滤波电容(1)、一个降压桥臂电路(2)、第二端滤波电容(3)和一个升压桥臂电路(4)，其特征在于：所述第一端滤波电容(1)包括第一端滤波电容C1，第一功率开关管S1的漏极与第二续流二极管D2的阴极相连接，两者连接头处连接第一端滤波电容C1的一端，第一续流二极管D1的阳极与第二功率开关管S2的源极相连，两者连接头处连接第一端滤波电容C1的另一端；
所述降压桥臂电路(2)包括第一功率开关管S1、第一续流二极管D1、第一电感L1，第一功率开关管S1的源极连接第一续流二极管D1的阴极，两者接头处连接第一电感L1的一端；
所述第二端滤波电容(3)包括第二端滤波电容C2，第一电感L1的另一端连接第二电感L2的一端，两者接头处连接第二端滤波电容C2的一端，第二端滤波电容C2的另一端连接第一续流二极管D1的阳极与第二功率开关管S2的源极连接处；
所述升压桥臂电路(4)包括第二功率开关管S2、第二续流二极管D2、第二电感L2，第二功率开关管S2的漏极连接第二续流二极管D2的阳极，两者接头处连接第二电感L2的另一端。
2.根据权利要求1所述的一种组合式双向直流变换电路，其特征在于：还包括第一总电压环控制器(5)、第一总电流环控制器(6)和第一总PWM发生器(7)。
3.根据权利要求2所述的一种组合式双向直流变换电路，其特征在于：还包括第二总电压环控制器(8)、第二总电流环控制器(9)和第二总PWM发生器(10)。
4.一种组合式双向直流变换电路的控制方法，其特征在于：是以权利要求2中的第二端滤波电容C2端电压U2为控制对象进行控制的，其步骤如下所述：
S1:第二端滤波电容C2端电压U2的基准信号U2ref与第二端滤波电容C2端电压U2的差值经第一总电压环控制器(5)中的第一分电压调节器(51)得到偏差信号Ue1；
S2：偏差信号Ue1作为第一总电流环控制器(6)中的第一分电流调节器(61)中的第一电感电流iL1参考值与第一电感电流iL1的差值经第一总电流环控制器(6)中的第一分电流调节器(61)得到控制信号；
S3：将控制信号送入第一总PWM发生器(7)中的第一分PWM发生器(71)，产生第一功率开关管S1驱动信号Driver1；
S4：偏差信号Ue1取反-Ue1后，作为第一总电流环控制器(6)中的第二分电流调节器(62)的第二电感电流iL2参考值与第二电感电流iL2的差值经第一总电流环控制器(6)中的第二分电流环调节器(62)得到控制信号；
S5：将控制信号送入第一总PWM发生器(7)中的第二分PWM发生器(72)，产生第二功率开关管S2驱动信号Driver2。
5.一种组合式双向直流变换电路的控制方法，其特征在于：是以权利要求1中的第一端滤波电容C1端电压U1为控制对象进行控制的，其步骤如下所述：
S1：第二总电压环控制器(8)中的第一端滤波电容C1端电压U1基准信号U1ref与第一端滤波电容C1端电压Uin的差值经第二总电压环控制器(8)中的第二分电压调节器(82)得到偏差信号Ue2；
S2：偏差信号Ue2作为第二总电流环控制器(9)中的第三分电流调节器(93)的第二电感电流iL2参考值与第二电感电流iL2的差值经第二总电流环控制器(9)中的第三分电流调节器(93)得到控制信号；
S3：将控制信号送入第二总PWM发生器(10)中的第三分PWM发生器(103)，产生第二功率开关管S2驱动信号Driver2；
S4：偏差信号Ue2取反-Ue2后，作为第二总电流环控制器(9)中的第四分电流调节器(94)中的第一电感电流iL1参考值与第一电感电流iL1的差值经第二总电流环控制器(9)中的第四分电流调节器(94)得到控制信号；
S5：将控制信号送入第二总PWM发生器(10)中的第四分PWM发生器(104)，产生第二功率开关管S1驱动信号Driver1。
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