CN111211686A - Dc-dc变换器和双向dc-dc变换器及包括其的不间断电源 - Google Patents

Dc-dc变换器和双向dc-dc变换器及包括其的不间断电源 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种DC‑DC变换器和双向DC‑DC变换器及包括其的不间断电源，所述DC‑DC变换器包括：依次连接的第一电感、第一开关管和第二电感；依次连接的第三电感、第一二极管和第四电感；第一电容和第二电容，其中所述第一电容的一端连接至所述第一电感和第一开关管相连接形成的节点，另一端连接至所述第一二极管和第三电感相连接形成的节点；所述第二电容的一端连接至所述第一开关管和第二电感连接形成的节点，另一端连接至所述第一二极管和第四电感相连接形成的节点。本发明的DC‑DC变换器能够对可充电电池进行降压或升压充电，或使得可充电电池降压或升压放电，且能够应用于不间断电源并联。

Description

DC-DC变换器和双向DC-DC变换器及包括其的不间断电源
技术领域
本发明涉及电子电路领域，具体涉及一种DC-DC变换器和双向DC-DC变换器及包括其的不间断电源。
背景技术
DC-DC变换器是一种广泛应用于不间断电源中的电气装置。DC-DC变换器的输入端连接至可充电电池，其输出端连接至不间断电源中的正、负直流母线上。当市电出现故障时，DC-DC变换器将可充电电池中的直流电升压后输出至正、负直流母线上。
图1是现有技术中的第一种DC-DC变换器连接在不间断电源的直流母线和可充电电池之间且处于充电模式下的电路图。如图1所示，DC-DC变换器1包括在正直流母线11和可充电电池B的负极之间依次连接的电感L11、电容C11和电感L13，以及绝缘栅双极型晶体管T11和二极管D12，电感L11和电容C11相连接形成的节点连接至绝缘栅双极型晶体管T11的集电极，电容C11和电感L13相连接形成的节点连接至二极管D12的阳极，且绝缘栅双极型晶体管T11的发射极和二极管D12的阴极都连接至负直流母线12和可充电电池B的正极。
图1所示的DC-DC变换器1只能被控制为将正、负直流母线之间的电容上的电能传输至可充电电池B中，而不能实现将可充电电池B中的电能传输至正、负直流母线之间的电容上，因此无法实现能量的双向传输。为了实现能量的双向传输，将增加不间断电源的电路模块的成本。
在不间断电源的实际应用中，为了提高功率密度，常常需要将多个不间断电源功率模块并联连接。
图2是将两个包含图1所示DC-DC变换器的不间断电源进行并联的电路图，如图2所示，可充电电池B的正极同时连接至两个不间断电源的负直流母线121、122，因此每一个控制装置(图2未示出)无法独立地控制对应的不间断电源的负直流母线上的电压。由此可知，图1所示的DC-DC变换器1无法应用于多个不间断电源并联。
图3是现有技术的第二种DC-DC变换器连接在不间断电源的直流母线和可充电电池之间且处于放电模式下的电路图，如图3所示，DC-DC变换器2包括在正直流母线21和可充电电池B的负极之间依次连接的电感L21、电容C21和电感L23，以及绝缘栅双极型晶体管T22和二极管D21，电感L21和电容C21相连接形成的节点连接至二极管D21的阴极，电容C21和电感L23相连接形成的节点连接至绝缘栅双极型晶体管T22的发射极，二极管D21的阳极和绝缘栅双极型晶体管T22的集电极都连接至负直流母线22和可充电电池B的正极。
图3所示的DC-DC变换器2只能被控制为将可充电电池B中的电能传输至正、负直流母线之间的电容上，而不能实现将正、负直流母线之间的电容上的电能传输至可充电电池B中，无法实现能量的双向传输。为了实现能量的双向传输，将增加不间断电源的电路模块的成本。
图4是将两个包含图3所示DC-DC变换器的不间断电源进行并联的电路图，如图4所示，可充电电池B的正极同时连接至两个不间断电源的负直流母线221、222，每一个控制装置(图4未示出)同样无法独立地控制对应的不间断电源的负直流母线上的电压。由此可知，图3所示的DC-DC变换器2无法应用于多个不间断电源并联。
发明内容
针对现有技术存在的上述技术问题，本发明提供了一种DC-DC变换器，包括：
依次连接的第一电感、第一开关管和第二电感；
依次连接的第三电感、第一二极管和第四电感；
第一电容，其一端连接至所述第一电感和第一开关管相连接形成的节点，另一端连接至所述第一二极管和第三电感相连接形成的节点；以及
第二电容，其一端连接至所述第一开关管和第二电感连接形成的节点，另一端连接至所述第一二极管和第四电感相连接形成的节点。
优选的，当所述第一开关管导通时，所述第一电感、第一开关管和第二电感形成第一电流路径，且所述第三电感、第一电容、第一开关管、第二电容和第四电感形成第二电流路径；当所述第一开关管截止时，所述第一电感、第一电容、第一二极管、第二电容和第二电感形成第三电流路径，且所述第三电感、第一二极管和第四电感形成第四电流路径。
优选的，所述第一开关管为第一绝缘栅双极型晶体管，其集电极连接至所述第一电感的一端和第一电容相连接形成的节点，其发射极连接至所述第二电感的一端和第二电容相连接形成的节点，其中所述第一电感的另一端和所述第二电感的另一端分别用于连接至第一直流供电装置的正极和负极，所述第三电感和第四电感分别用于连接至第二直流供电装置的负极和正极。
优选的，所述DC-DC变换器还包括与所述第一开关管反向并联的第二二极管，以及与所述第一二极管反向并联的第二开关管。
优选的，还包括控制装置，其用于给所述第一开关管提供脉宽调制信号使其交替导通和截止。
优选的，还包括控制装置，其用于
控制所述第二开关管截止，给所述第一开关管提供脉宽调制信号使其交替导通和截止；或
控制所述第一开关管截止，给所述第二开关管提供脉宽调制信号使其交替导通和截止。
本发明还提供了一种双向DC-DC变换器，包括：
依次连接的第一电感、第一电容和第二电感；
具有反向并联的第一二极管的第一开关管，所述第一二极管的阴极连接至所述第一电感和第一电容相连接形成的节点；
具有反向并联的第二二极管的第二开关管，所述第二二极管的阳极连接至所述第一电容和第二电感相连接形成的节点；
其中所述第一二极管的阳极连接至所述第二二极管的阴极。
优选的，所述第一开关管为第一绝缘栅双极型晶体管，其集电极连接至所述第一电感的一端和所述第一电容相连接形成的节点，其发射极和所述第一电感的另一端分别用于连接至第一直流供电装置的负极和正极；所述第二开关管为第二绝缘栅双极型晶体管，其发射极连接至所述第一电容和所述第二电感的一端相连接形成的节点，其集电极和所述第二电感的另一端分别用于连接至第二直流供电装置的正极和负极。
优选的，所述双向DC-DC变换器还包括：
连接在所述第一二极管的阳极和第二二极管的阴极之间的第二电容；
与所述第一二极管的阳极相连接的第三电感；
与所述第二二极管的阴极相连接的第四电感。
优选的，所述双向DC-DC变换器还包括控制装置，其用于
控制所述第二开关管截止，且给所述第一开关管提供脉宽调制信号使其交替地导通和截止；或
控制所述第一开关管截止，且给所述第二开关管提供脉宽调制信号使其交替地导通和截止。
本发明还提供了一种不间断电源，包括：
如上所述的DC-DC变换器或如上所述的双向DC-DC变换器，所述DC-DC变换器或双向DC-DC变换器连接在正、负直流母线和可充电电池之间；
功率因数校正电路，其输入端用于连接至交流电源，其输出端连接至所述正、负直流母线；以及
逆变器，其输入端连接至所述正、负直流母线，其输出端用于提供交流电。
本发明的DC-DC变换器能够对可充电电池进行降压或升压充电，或使得可充电电池降压或升压放电，且能够应用于不间断电源并联。本发明的双向DC-DC变换器还能够实现能量的双向传输。
附图说明
以下参照附图对本发明实施例作进一步说明，其中：
图1是现有技术中的第一种DC-DC变换器连接在不间断电源的直流母线和可充电电池之间且处于充电模式下的电路图。
图2是将两个包含图1所示DC-DC变换器的不间断电源进行并联的电路图。
图3是现有技术的第二种DC-DC变换器连接在不间断电源的直流母线和可充电电池之间且处于放电模式下的电路图。
图4是将两个包含图3所示DC-DC变换器的不间断电源进行并联的电路图。
图5是根据本发明第一个实施例的DC-DC变换器的电路图。
图6和图7是图5所示的DC-DC变换器连接在不间断电源的直流母线和可充电电池之间且处于充电模式下的电路图。
图8和图9是图5所示的DC-DC变换器连接在不间断电源的直流母线和可充电电池之间且处于放电模式下的电路图。
图10是将两个包含图6所示的DC-DC变换器的不间断电源进行并联的电路图。
图11是将两个包含图8所示的DC-DC变换器的不间断电源进行并联的电路图。
图12是根据本发明第二个实施例的DC-DC变换器的电路图。
图13是图12所示的DC-DC变换器连接在不间断电源的直流母线和可充电电池之间的电路图。
图14是图13所示的DC-DC变换器在充电模式下的等效电路图。
图15是图13所示的DC-DC变换器在放电模式下的等效电路图
图16是将两个包含图12所示的DC-DC变换器的不间断电源进行并联的电路图。
图17是根据本发明第三个实施例的双向DC-DC变换器的电路图。
图18是图17所示的双向DC-DC变换器连接至不间断电源的直流母线和可充电电池之间的电路图。
图19和图20是图18所示的DC-DC变换器在充电模式下的等效电路图。
图21和图22是图18所示的DC-DC变换器在放电模式下的等效电路图。
图23是根据本发明第四个实施例的双向DC-DC变换器的电路图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图通过具体实施例对本发明进一步详细说明。
图5是根据本发明第一个实施例的DC-DC变换器的电路图。DC-DC变换器3包括依次连接的电感L31、绝缘栅双极型晶体管T31和电感L32，依次连接的电感L33、二极管D32和电感L34，以及电容C31和电容C32，其中电容C31的一端连接至电感L31和绝缘栅双极型晶体管T31的集电极相连接形成的节点，另一端连接至二极管D32的阳极；电容C32的一端连接至电感L32和绝缘栅双极型晶体管T31的发射极相连接形成的节点，另一端连接至二极管D32的阴极。
其中，电感L31的一端和电感L32的一端分别用于连接至直流供电装置(例如电容或可充电电池)的正极和负极，且电感L34的一端和电感L33的一端分别作为DC-DC变换器3的正极输出端子和负极输出端子，用于连接至另一个直流供电装置(例如电容或可充电电池)的正极和负极。
结合图1和图5可知，DC-DC变换器3与图1所示的DC-DC变换器1的区别在于，其还包括与绝缘栅双极型晶体管T31的发射极相连接的电感L32，连接在绝缘栅双极型晶体管T31的发射极和二极管D32的阴极之间的电容C32，以及与二极管D32的阴极连接的电感L34。
另外，结合图3和图5可知，DC-DC变换器3与图3所示的DC-DC变换器2的区别在于，其还包括与绝缘栅双极型晶体管T31的集电极相连接的电感L31，连接在绝缘栅双极型晶体管T31的集电极和二极管D32的阳极之间的电容C31，以及与二极管D32的阳极连接的电感L33。
以下将结合DC-DC变换器3在充电模式和放电模式下的电路图来说明其工作原理。
图6和图7是图5所示的DC-DC变换器连接在不间断电源的直流母线和可充电电池之间且处于充电模式下的电路图。如图6和图7所示，电感L31的另一端和电感L32的另一端分别连接至正直流母线31和负直流母线32，电感L33的另一端和电感L34的另一端分别连接至可充电电池B的负极和正极。
在充电模式下，给绝缘栅双极型晶体管T31的门极(即其控制端)提供脉宽调制信号，使其交替导通和截止。
当绝缘栅双极型晶体管T31导通时，如图6所示，正直流母线31、电感L31、绝缘栅双极型晶体管T31、电感L32和负直流母线32形成一个电流路径，其中的电流方向如图6中的虚线单箭头所示，此时电感L31和电感L32储能。同时电感L33、电容C31、绝缘栅双极型晶体管T31、电容C32、电感L34和可充电电池B形成了另一个电流路径，其中的电流方向如图6中的虚线双箭头所示，此时电容C31和电容C32释能，并储存至电感L34、可充电电池B和电感L33中。
当绝缘栅双极型晶体管T31截止时，正直流母线31、电感L31、电容C31、二极管D32、电容C32、电感L32和负直流母线32形成一个电流路径，其电流方向如图7中的虚线单箭头所示，电感L31和电感L32释能，并储存至电容C31和电容C32中。同时电感L33、二极管D32、电感L34和可充电电池B形成另一个电流路径，其电流方向如图7中的虚线双箭头所示，此时电感L33和电感L34释能并储存至可充电电池B中。
结合图6和图7可知，正直流母线31和负直流母线32之间的电容上的电能最终储存至可充电电池B中，实现了对可充电电池B进行充电。
假定正、负直流母线之间的电压值为Udc，可充电电池的电压值为Uo，电感L31和电容C31连接形成的节点处的电压为UB1，电感L32和电容C32连接形成的节点处的电压为UB2，电感L33和电容C31连接形成的节点处的电压为UA1，电感L34和电容C32连接形成的节点处的电压为UA2。电容C31两端的电压为UC1，电容C32两端的电压为UC2。脉宽调制信号的周期为T，脉宽调制信号的占空比为d，绝缘栅双极型晶体管T31在一个脉宽调制信号周期内的导通时间和截止时间分别为Ton和Toff。以脉宽调制信号的一个周期为例进行说明。
当绝缘栅双极型晶体管T31导通时，满足如下方程式：
UB1＝UB2且UA1＝UA2-UC1-UC2
则UB1-UB2＝0且UA1-UA2＝-UC1-UC2
当绝缘栅双极型晶体管T31截止时，满足如下方程式：
UB1＝UB2+UC1+UC2且UA1＝UA2
则UB1-UB2＝UC1+UC2且UA1-UA2＝0
在一个开关周期T内，满足如下方程式：
Figure BDA0001873959000000071
Figure BDA0001873959000000072
电感L31、L32、L33、L34在一个开关周期内的平均电压为0，因此，
(UB1-UB2)的平均值＝Udc
(UA1-UA2)的平均值＝-Uo
则
Figure BDA0001873959000000081
Figure BDA0001873959000000082
则
Figure BDA0001873959000000083
由此可知Uo/Udc＝d/(1-d)。当占空比d＜0.5时，对可充电电池B实现降压充电。当占空比d＞0.5时，对可充电电池B实现升压充电。
图8和图9是图5所示的DC-DC变换器连接在不间断电源的直流母线和可充电电池之间且处于放电模式下的电路图。其中将图6和图7所示的电感L31和电感L32分别连接至可充电电池B的正极和负极，且将图6和图7所示的电感L33和电感L34分别连接至负直流母线32和正直流母线31即可得到图8和图9所示的电路。
在放电模式下，给绝缘栅双极型晶体管T32’的门极提供脉宽调制信号，使其交替地导通和截止。
当绝缘栅双极型晶体管T32’导通时，如图8所示，可充电电池B、电感L34’、绝缘栅双极型晶体管T32’和电感L33’形成一个电流路径，其电流方向如图8中的虚线单箭头所示，此时可充电电池B中的电能储存至电感L33’和电感L34’中。同时负直流母线32、电感L32’、电容C32’、绝缘栅双极型晶体管T32’、电容C31’、电感L31’和正直流母线31形成一个电流路径，其电流方向如图8中的虚线双箭头所示，此时电容C31’和电容C32’释能并储存至电感L31’和电感L32’，以及正直流母线31和负直流母线32之间的电容上。
当绝缘栅双极型晶体管T32’截止时，如图9所示，可充电电池B、电感L34’、电容C32’、二极管D32’、电容C31’、电感L33’形成一个电流路径，其电流方向如图9中的虚线单箭头所示，此时电感L34’和电感L33’释能，并储存至电容C32’和电容C31’中。同时负直流母线32、电感L32’、二极管D32’、电感L31’和正直流母线31形成另一个电流路径，其电流方向如图9中的虚线双箭头所示，电感L32’和电感L31’释能，并储存至正直流母线31和负直流母线32之间的电容上。
结合图8和图9可知，可充电电池B中的电能最终储存至正、负直流母线之间的电容上。
假定正、负直流母线之间的电压值为Udc，可充电电池的电压值为Uo，电感L31’和电容C31’连接形成的节点处的电压为UB1，电感L32’和电容C32’连接形成的节点处的电压为UB2，电感L33’和电容C31’连接形成的节点处的电压为UA1，电感L34’和电容C32’连接形成的节点处的电压为UA2。电容C31’两端的电压为UC1，电容C32’两端的电压为UC2。脉宽调制信号的周期为T，脉宽调制信号的占空比为d，绝缘栅双极型晶体管T32’在一个脉宽调制信号周期内的导通时间和截止时间分别为Ton和Toff。以脉宽调制信号的一个周期为例进行说明。
当绝缘栅双极型晶体管T32’导通时，满足如下方程式
UA1＝UA2且UB1＝UB2+UC1+UC2
则UA1-UA2＝0且UB1-UB2＝UC1+UC2
当绝缘栅双极型晶体管T32’截止时，满足如下方程式：
UA1＝UA2-UC1-UC2且UB1＝UB2
则UA1-UA2＝-UC1-UC2且UB1-UB2＝0
在一个开关周期T内，满足如下方程式：
Figure BDA0001873959000000091
Figure BDA0001873959000000092
电感L31’、L32’、L33’、L34’在一个开关周期内的平均电压为0，因此，
(UB1-UB2)的平均值＝Udc
(UA1-UA2)的平均值＝-Uo
则
Figure BDA0001873959000000093
Figure BDA0001873959000000094
Figure BDA0001873959000000095
由此可知Udc/Uo＝d/(1-d)。当占空比d＜0.5时，对可充电电池B实现降压放电。当占空比d＞0.5时，对可充电电池B实现升压放电。
图10是将两个包含图6所示的DC-DC变换器的不间断电源进行并联的电路图，如图10所示，每一个不间断电源的负直流母线依次通过电感、电容和电感连接至可充电电池B的正极，多个不间断电源的负直流母线之间相互隔离，每一个控制装置(图10未示出)都能独立地控制相应的不间断电源的负直流母线上的电压，由此实现利用不间断电源的正、负直流母线之间的电容上的电能对可充电电池B进行充电。
图11是将两个包含图8所示的DC-DC变换器的不间断电源进行并联的电路图，如图11所示，每一个不间断电源的负直流母线依次通过电感、电容和电感连接至可充电电池B的正极，多个不间断电源的负直流母线之间相互隔离，每一个控制装置(图11未示出)都能独立地控制相应的不间断电源的负直流母线上的电压，由此实现使得可充电电池B放电并存储至对应的不间断电源的正、负直流母线之间的电容中。
图12是根据本发明第二个实施例的DC-DC变换器的电路图。如图12所示，DC-DC变换器4与图5所示的DC-DC变换器3的区别在于，其还包括与绝缘栅双极型晶体管T41反向并联的二极管D41，与二极管D42反向并联的绝缘栅双极型晶体管T42。
其中，电感L41的一端和电感L42的一端分别用于连接至直流供电装置(例如电容或可充电电池)的正极和负极，且电感L44的一端和电感L43的一端分别作为DC-DC变换器4的正极输出端子和负极输出端子，用于连接至另一个直流供电装置(例如电容或可充电电池)的正极和负极。或电感L44的一端和电感L43的一端分别用于连接至直流供电装置(例如电容或可充电电池)的正极和负极，且电感L41的一端和电感L42的一端分别作为DC-DC变换器4的正极输出端子和负极输出端子，用于连接至另一个直流供电装置(例如电容或可充电电池)的正极和负极。
图13是图12所示的DC-DC变换器连接在不间断电源的直流母线和可充电电池之间的电路图。如图13所示，电感L41、L42分别连接至正直流母线41和负直流母线42，电感L43、L44分别连接至可充电电池B的负极和正极。
以下结合DC-DC变换器4在充电模式和放电模式下的等效电路图来说明其工作原理。
在充电模式下，控制装置(图13未示出)控制绝缘栅双极型晶体管T42截止，给绝缘栅双极型晶体管T41的门极提供脉宽调制信号，使其交替导通和截止。图14是图13所示的DC-DC变换器在充电模式下的等效电路图，其与图6和图7所示的电路相同，其具体控制过程在此不再赘述，同样可以实现对可充电电池B进行降压充电或升压充电。
在放电模式下，控制装置(图13未示出)控制绝缘栅双极型晶体管T41截止，给绝缘栅双极型晶体管T42的门极提供脉宽调制信号，使其交替导通和截止。图15是图13所示的DC-DC变换器在放电模式下的等效电路图，其与图8和图9所示的电路相同，其具体控制过程在此不再赘述，同样可以使得可充电电池B实现升压放电或降压放电。
结合图14和图15可知，DC-DC变换器4是一种双向DC-DC变换器，无需再额外连接充电器或直流变换器，节省了成本。能够使得可充电电池B实现升压放电或降压放电，还能实现对可充电电池B进行降压充电或升压充电。在对可充电电池进行充电过程中，通过改变脉宽调制信号的占空比d，正、负直流母线之间的电容可以深度放电，从其电压接近0伏给可充电电池B进行充电而不会产生冲击电流。
图16是将两个包含图12所示的DC-DC变换器的不间断电源进行并联的电路图，每一个控制装置(图16未示出)都能单独地控制对应的不间断电源中的DC-DC变换器，由此独立地控制每一个不间断电源的负直流母线上的电压。
图17是根据本发明第三个实施例的双向DC-DC变换器的电路图。如图17所示，双向DC-DC变换器5包括依次连接的电感L51、电容C51和电感L53，具有反向并联二极管D51的绝缘栅双极型晶体管T51，以及具有反向并联二极管D52的绝缘栅双极型晶体管T52，其中二极管D51的阴极连接至电感L51和电容C51相连接形成的节点处，二极管D52的阳极连接至电容C51和电感L53相连接形成的节点处，二极管D51的阳极连接至二极管D52的阴极。
其中，电感L51的一端和绝缘栅双极型晶体管T51的发射极(即二极管D51的阳极)分别用于连接至直流供电装置(例如电容或可充电电池)的正极和负极，且绝缘栅双极型晶体管T51的集电极(即二极管D52的阴极)和电感L53的一端分别作为双向DC-DC变换器5的正极输出端子和负极输出端子，用于连接至另一个直流供电装置(例如电容或可充电电池)的正极和负极。或二极管D52的阴极和电感L53的一端分别用于连接至直流供电装置(例如电容或可充电电池)的正极和负极，且电感L51的一端和二极管D51的阳极分别作为双向DC-DC变换器5的正极输出端子和负极输出端子，用于连接至另一个直流供电装置(例如电容或可充电电池)的正极和负极。
结合图1和图17可知，双向DC-DC变换器5与图1所示的DC-DC变换器1的区别在于，其还包括与绝缘栅双极型晶体管T11反向并联的二极管，以及与二极管D12反向并联的绝缘栅双极型晶体管。
另外，结合图3和图17可知，双向DC-DC变换器5与图3所示的DC-DC变换器2的区别在于，其还包括与二极管D21反向并联的绝缘栅双极型晶体管，以及与绝缘栅双极型晶体管T22反向并联的二极管。
图18是图17所示的双向DC-DC变换器连接至不间断电源的直流母线和可充电电池之间的电路图，其中电感L51连接至正直流母线51，电感L53连接至可充电电池B的负极，可充电电池B的正极、绝缘栅双极型晶体管T51的发射极、二极管D51的阳极、二极管D52的阴极、绝缘栅双极型晶体管T52的集电极都连接至负直流母线52。
以下将结合双向DC-DC变换器5在充电模式和放电模式下的等效电路图来说明其工作原理。
在充电模式下，控制装置(图18未示出)控制绝缘栅双极型晶体管T52截止，给绝缘栅双极型晶体管T51的门极提供脉宽调制信号，使其交替地导通和截止。图19和图20是图18所示的DC-DC变换器在充电模式下的等效电路图。
如图19所示，当绝缘栅双极型晶体管T51导通时，正直流母线51、电感L51、绝缘栅双极型晶体管T51和负直流母线52形成一个电流路径，其中的电流方向如图19中的虚线单箭头所示，此时电感L51储能。同时电感L53、电容C51、绝缘栅双极型晶体管T51和可充电电池B形成另一个电流路径，其中电流方向如图19中的虚线双箭头所示，此时电容C51释能，并储存至可充电电池B和电感L53中。
如图20所示，当绝缘栅双极型晶体管T51截止时，正直流母线51、电感L51、电容C51、二极管D52和负直流母线52形成一个电流路径，电流方向如图20中的虚线单箭头所示，此时电感L51释能并储存至电容C51中。同时电感L53、二极管D52和可充电电池B形成另一个电流路径，其电流方向如图20中的虚线双箭头所示，此时电感L53释能并储存至可充电电池B中。
结合图19和图20可知，正直流母线51和负直流母线52之间的电容上的电能最终储存至可充电电池B中，实现了对可充电电池B进行充电。
假定正直流母线51和负直流母线52之间的电压值为Udc，可充电电池B的电压值为Uo，电感L51和电容C51连接形成的节点处的电压为UB1，电感L53和电容C51连接形成的节点处的电压为UA1，绝缘栅双极型晶体管T51的发射极和二极管D52的阴极的电压为U2。电容C51两端的电压为UC1，脉宽调制信号的周期为T，脉宽调制信号的占空比为d，绝缘栅双极型晶体管T51在一个脉宽调制信号周期内的导通时间和截止时间分别为Ton和Toff。以脉宽调制信号的一个周期为例进行说明。
当绝缘栅双极型晶体管T51导通时，满足如下方程式：
UB1＝U2且UA1＝U2-UC1
则UB1-U2＝0且UA1-U2＝-UC1
当绝缘栅双极型晶体管T51截止时，满足如下方程式：
UB1＝U2+UC1且UA1＝U2
则UB1-U2＝UC1且UA1-U2＝0
在一个开关周期T内，满足如下方程式：
Figure BDA0001873959000000131
Figure BDA0001873959000000132
电感L51和电感L53在一个开关周期内的平均电压为0，因此，
(UB1-U2)的平均值＝Udc
(UA1-U2)的平均值＝Uo
Figure BDA0001873959000000133
Figure BDA0001873959000000134
Figure BDA0001873959000000135
由此可知，Uo/Udc＝-d/(1-d)。当占空比d＜0.5时，实现对可充电电池B降压充电。当占空比d＞0.5时，实现对可充电电池B升压充电。
在放电模式下，控制装置(图18未示出)控制绝缘栅双极型晶体管T51截止，给绝缘栅双极型晶体管T52的门极提供脉宽调制信号，使其交替地导通和截止。图21和图22是图18所示的DC-DC变换器在放电模式下的等效电路图。
如图21所示，当绝缘栅双极型晶体管T52导通时，可充电电池B、绝缘栅双极型晶体管T52和电感L53形成一个电流路径，其中的电流方向如图21中的虚线单箭头所示，此时电感L53储能。同时负直流母线52、绝缘栅双极型晶体管T52、电容C51、电感L51和正直流母线51形成另一个电流路径，其中的电流方向如图21中的虚线双箭头所示，此时电容C51释能，并储存至电感L51以及正直流母线51和负直流母线52之间的电容中。
如图22所示，当绝缘栅双极型晶体管T52截止时，可充电电池B、二极管D51、电容C51和电感L53形成一个电流路径，其中的电流方向如图22中的虚线单箭头所示，可充电电池B和电感L53释能并储存至电容C51中。同时负直流母线52、二极管D51、电感L51和正直流母线51形成另一个电流路径，其中的电流方向如图22中的虚线双箭头所示，此时电感L51释能并储存至正直流母线51和负直流母线52之间的电容中。
结合图21和图22可知，实现了可充电电池B放电，且其电能最终储存至正直流母线51和负直流母线52之间的电容中。
假定正直流母线51和负直流母线52之间的电压值为Udc，可充电电池的电压值为Uo，电感L51和电容C51连接形成的节点处的电压为UB1，电感L53和电容C51连接形成的节点处的电压为UA1，二极管D51和绝缘栅双极型晶体管T52的集电极的电压为U2。电容C51两端的电压为UC1，脉宽调制信号的周期为T，脉宽调制信号的占空比为d，绝缘栅双极型晶体管T52在一个脉宽调制信号周期内的导通时间和截止时间分别为Ton和Toff。以脉宽调制信号的一个周期为例进行说明。
当绝缘栅双极型晶体管T52导通时，满足如下方程式：
UA1＝U2且UB1＝U2+UC1
则UA1-U2＝0且UB1-U2＝UC1
当绝缘栅双极型晶体管T52截止时，满足如下方程式：
UA1＝U2-UC1且UB1＝U2
则UA1-U2＝-UC1且UB1-U2＝0
在一个开关周期内，满足如下方程式：
Figure BDA0001873959000000151
Figure BDA0001873959000000152
电感L51和电感L53在一个开关周期内的平均电压为0，因此，
(UB1-U2)的平均值＝Udc
(UA1-U2)的平均值＝-Uo
则
Figure BDA0001873959000000153
Figure BDA0001873959000000154
则
Figure BDA0001873959000000155
由此可知，Udc/Uo＝d/(1-d)。当占空比d＜0.5时，可充电电池B实现降压放电。当占空比d＞0.5时，可充电电池B实现升压放电。
本发明的双向DC-DC变换器5能够可控地实现直流母线之间的电容中的电能传输至可充电电池B中，以及实现可充电电池B中的电能传输至直流母线之间的电容中，实现能量的双向传输。
图23是根据本发明第四个实施例的双向DC-DC变换器的电路图。如图17所示，双向DC-DC变换器6与图17的双向DC-DC变换器5的区别在于，其还包括与二极管D61的阳极相连接的电感L62，连接在二极管D61的阳极和二极管D62的阴极之间的电容C62，以及与二极管D62的阴极相连接的电感L64。
结合图12所示的DC-DC变换器4可知，本实施例的双向DC-DC变换器6与图12所示的DC-DC变换器4具有相同的拓扑结构，其工作原理在此不再赘述，由此可知双向DC-DC变换器6同样可以应用于多个不间断电源并联。
在本发明的其他实施例中，采用金氧半场效应晶体管(MOSFET)等开关管代替上述实施例中的绝缘栅双极型晶体管。
本发明还提供了一种不间断电源，其包括本发明的上述实施例的DC-DC变换器或双向DC-DC变换器，以及功率因数校正电路(PFC)和逆变器；其中DC-DC变换器或双向DC-DC变换器连接在正、负直流母线和可充电电池之间，PFC的输入端连接至交流电源(例如市电)，其输出端连接至正、负直流母线，逆变器的输入端连接至正、负直流母线，其输出端用于给负载提供交流电。
虽然本发明已经通过优选实施例进行了描述，然而本发明并非局限于这里所描述的实施例，在不脱离本发明范围的情况下还包括所作出的各种改变以及变化。

Claims (11)

1.一种DC-DC变换器，其特征在于，包括：
依次连接的第一电感、第一开关管和第二电感；
依次连接的第三电感、第一二极管和第四电感；
第一电容，其一端连接至所述第一电感和第一开关管相连接形成的节点，另一端连接至所述第一二极管和第三电感相连接形成的节点；以及
第二电容，其一端连接至所述第一开关管和第二电感连接形成的节点，另一端连接至所述第一二极管和第四电感相连接形成的节点。
2.根据权利要求1所述的DC-DC变换器，其特征在于，当所述第一开关管导通时，所述第一电感、第一开关管和第二电感形成第一电流路径，且所述第三电感、第一电容、第一开关管、第二电容和第四电感形成第二电流路径；当所述第一开关管截止时，所述第一电感、第一电容、第一二极管、第二电容和第二电感形成第三电流路径，且所述第三电感、第一二极管和第四电感形成第四电流路径。
3.根据权利要求2所述的DC-DC变换器，其特征在于，所述第一开关管为第一绝缘栅双极型晶体管，其集电极连接至所述第一电感的一端和第一电容相连接形成的节点，其发射极连接至所述第二电感的一端和第二电容相连接形成的节点，其中所述第一电感的另一端和所述第二电感的另一端分别用于连接至第一直流供电装置的正极和负极，所述第三电感和第四电感分别用于连接至第二直流供电装置的负极和正极。
4.根据权利要求1至3中任一项所述的DC-DC变换器，其特征在于，所述DC-DC变换器还包括与所述第一开关管反向并联的第二二极管，以及与所述第一二极管反向并联的第二开关管。
5.根据权利要求1至3中任一项所述的DC-DC变换器，其特征在于，还包括控制装置，其用于给所述第一开关管提供脉宽调制信号使其交替导通和截止。
6.根据权利要求4所述的DC-DC变换器，其特征在于，还包括控制装置，其用于
控制所述第二开关管截止，给所述第一开关管提供脉宽调制信号使其交替导通和截止；或
控制所述第一开关管截止，给所述第二开关管提供脉宽调制信号使其交替导通和截止。
7.一种双向DC-DC变换器，其特征在于，包括：
依次连接的第一电感、第一电容和第二电感；
具有反向并联的第一二极管的第一开关管，所述第一二极管的阴极连接至所述第一电感和第一电容相连接形成的节点；
具有反向并联的第二二极管的第二开关管，所述第二二极管的阳极连接至所述第一电容和第二电感相连接形成的节点；
其中所述第一二极管的阳极连接至所述第二二极管的阴极。
8.根据权利要求7所述的双向DC-DC变换器，其特征在于，
所述第一开关管为第一绝缘栅双极型晶体管，其集电极连接至所述第一电感的一端和所述第一电容相连接形成的节点，其发射极和所述第一电感的另一端分别用于连接至第一直流供电装置的负极和正极；
所述第二开关管为第二绝缘栅双极型晶体管，其发射极连接至所述第一电容和所述第二电感的一端相连接形成的节点，其集电极和所述第二电感的另一端分别用于连接至第二直流供电装置的正极和负极。
9.根据权利要求7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：
连接在所述第一二极管的阳极和第二二极管的阴极之间的第二电容；
与所述第一二极管的阳极相连接的第三电感；
与所述第二二极管的阴极相连接的第四电感。
10.根据权利要求7-9中任一项所述的双向DC-DC变换器，其特征在于，还包括控制装置，其用于
控制所述第二开关管截止，且给所述第一开关管提供脉宽调制信号使其交替地导通和截止；或
控制所述第一开关管截止，且给所述第二开关管提供脉宽调制信号使其交替地导通和截止。
11.一种不间断电源，其特征在于，包括：
如权利要求1-6中任一项所述的DC-DC变换器或如权利要求7-10中任一项所述的双向DC-DC变换器，所述DC-DC变换器或双向DC-DC变换器连接在正、负直流母线和可充电电池之间；
功率因数校正电路，其输入端用于连接至交流电源，其输出端连接至所述正、负直流母线；以及
逆变器，其输入端连接至所述正、负直流母线，其输出端用于提供交流电。
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