CN111293884A - 一种面向能源应用的非隔离双向直流变换器 - Google Patents

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Abstract

一种面向能源应用的非隔离双向直流变换器，主要由五个电力开关S1‑S5、四个电容C1‑C4和两个电感L1‑L2组成，在升压模型中，其中两个开关用作电源开关，而在降压模型中，其余三个开关用作电源开关。本发明不需要变压器和耦合电感，理论上可以实现无穷的变压范围，在占空比为0.5时可以达到5倍的电压变化范围，并且开关电压张力小于最大输出电压的二分之一。

Description

一种面向能源应用的非隔离双向直流变换器
技术领域
本发明属于新能源技术领域，应用于光伏并网和直流微电网，特别涉及一种面向能源应用的非隔离双向直流变换器。
背景技术
由于环境的污染和化石燃料的减少，新能源如风能光伏太阳能应用越来越广泛，直流微电网技术也是得到了很大的发展。由此直流双向变换器得到广泛的关注和发展。双向直流变换器主要应用在储能装置，耗能装置和直流母线之间或者直流母线与电源之间进行升降压。目前对于双向直流变换器的研究主要在两个方面：1.隔离型，2.非隔离型。对于隔离型的变换器，主要类型包括全桥，半桥，反激变换器等几种类型，这几种类型拓扑结构中需要耦合电感和变压器。非隔离双向直流转换器包括三电平型，多电平型和开关电容型等类型，主要由电力开关pwm波控制升降压。
现有技术的缺陷和不足：
1.对于隔离型双向直流变换器可以实现高电压转换比，但是由于其具有耦合电感和变压器不可避免的会产生漏磁，从而降低的电能传输效率增加了电能损耗，
2.非隔离型直流变换器目前提出的与传统buck，boost电路相比具有较高的电压增益，但是目前所提出的变换器中开关电容型双向直流变换器需要复杂的电路结构控制麻烦，三电平型拓扑结构的电压增益较低，多电平型电路结构复杂所需要的电力开关较多，损耗大。对于其他类型的拓扑结构会出现电压增益高但是开关电压应力大的缺点；
发明内容
针对上述双向直流直流变换器所遇到的问题，为了克服电压转换高不能同时开关电压低的缺点，本发明的目的在于提供一种面向能源应用的非隔离双向直流变换器，可以实现高电压增益和低开关电压应力。
为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是：
一种面向能源应用的非隔离双向直流变换器，主要由五个电力开关S1-S5、四个电容C1-C4和两个电感L1-L2组成，不需要变压器和耦合电感，在升压模型中，其中两个开关用作电源开关，而在降压模型中，其余三个开关用作电源开关。
其中，高压端通过依次串接的电力开关S5、电力开关S3和电容C1连接低压端，电容C4一端接在电力开关S5和电力开关S3之间，电容C2一端和电力开关S2一端均接在电力开关S3和电容C1之间，电容C2另一端接电感L2一端以及电力开关S1一端，电力开关S2另一端接电感L2另一端以及电容C3一端，电容C4另一端、电力开关S1另一端和电容C3另一端均接电感L1一端以及电力开关S4一端，电力开关S4另一端接地，电感L1另一端接所述低压端。
在升压状态下，电力开关S3和电力开关S4用作电源开关，同时电力开关S1，电力开关S2和电力开关S5用作同步整流器。包括两种模式：模式I：在此模式中，电力开关S3和电力开关S4接通，而电力开关S1，电力开关S2和电力开关S5断开。电压UL的能量被传递到电感L1。电压UL和电容C1放电到电容C2，电容C3和电感L2。另外，电压UL和电容C1对电容C4充电。负载电容CH放电到负载。模式II：在此模式中，电力开关S3和电力开关S4关闭，而电力开关S1，电力开关S2和电力开关S5打开。从图中可以看出，电压UL和电容C4的能量被释放到负载和负载电容CH。同时，电容C3放电到电容C1和电感L1。而且，电感L2和电容C2同步地充电和放电。达到升压的目的。
在降压状态下，电力开关S3和电力开关S4用作同步整流器，同时电力开关S1，电力开关S2和电力开关S5用作电源开关。包括两种模式：模式I：在此模式中，电力开关S3和电力开关S4断开，而电力开关S1，电力开关S2和电力开关S5接通。从图中可以看出，电压UH的能量被释放到电容C4和负载电容CL。而且，电容C1放电到电容C3和电感L1。此外，电容C2被充电至电感L2。模式II：在此模型中，电力开关S3和电力开关S4接通，而电力开关S1，电力开关S2和电力开关S5断开。电感L1的能量被传递到负载电容CL。电容C2和电容C3放电到电容C1，负载电容CL和电感L2。另外，电容C1被放电到电容C4和负载电容CL。在电容CL两端得到降低的输出电压。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
1.本次提出的非隔离型双向直流变换器避免了使用变压器和耦合电感，降低了损耗，提高了效率。
2.所需要的器件包括五个电力开关和四个电容两个电感，电路的拓扑结构简单，元件少，控制方便简单。
3.可以实现较高的电压转换比和较低的开关电压应力，理论上电压增益变化范围无穷，升降压增益分别为：
Figure BDA0002424974170000031
在占空比为0.5时可以达到5倍的电压增益，并且开关电压张力小于最大输出电压的二分之一性能优于目前提出的变换器。
4.应用广泛，可以用于电动汽车，直流微电网，蓄电池光伏并网等方面。
附图说明
图1为本发明的双向非隔离直流变换器的拓扑图。
图2为本发明的升压状态下的模式I原理图。
图3为本发明的升压状态下的模式II原理图。
图4为本发明的降压状态下的模式I原理图。
图5为本发明的降压状态下的模式II原理图。
图6为本发明在占空比0.5，输入电压为40V的升压状态的仿真结果。其中，(a)是升压的输入输出电压波形，(b)是四个电容的电压，分别为40V，80V，120V，(c)是电感电流，(d)-(h)是五个开关的电压张力。
图7为本发明在占空比0.5，输入电压为200V的降压状态的仿真结果。其中，(a)是降压的输入输出电压波形，(b)是四个电容的电压，分别为40V，80V，120V，(c)是电感电流，(d)-(h)是五个开关的电压张力。
具体实施方式
下面结合附图和实施例详细说明本发明的实施方式。
请参阅图1所示，本发明一种面向能源应用的非隔离双向直流变换器，主要由五个电力开关S1-S5，四个电容C1-C4,两个电感L1-L2组成，在升压模型中，其中两个开关用作电源开关，而在降压模型中，其余三个开关用作电源开关。本发明不需要变压器和耦合电感，理论上可以实现无穷的变压范围，在占空比为0.5时可以达到5倍的电压变化范围，并且开关电压张力小于最大输出电压的二分之一。
(1)建议转换器在升压状态下，电力开关S3和电力开关S4用作电源开关，同时电力开关S1，电力开关S2和电力开关S5用作同步整流器。包括两种模式：模式I：在此模式中，电力开关S3和电力开关S4接通，而电力开关S1，电力开关S2和电力开关S5断开。电流路径如图2所示，电压UL的能量被传递到电感L1。电压UL和电容C1放电到电容C2，电容C3和电感L2。另外，电压UL和电容C1对电容C4充电。电容CH放电到负载。模式II：在此模式中，电力开关S3和电力开关S4关闭，而电力开关S1，电力开关S2和电力开关S5打开。电流路径如图3所示，电压UL和电容C4的能量被释放到负载和电容CH。同时，电容C3放电到电容C1和电感L1。而且，电感L2和电容C2同步地充电和放电。达到升压的目的。
(2)建议转换器在降压状态下，电力开关S3和电力开关S4用作同步整流器，同时电力开关S1，电力开关S2和电力开关S5用作电源开关。包括两种模式：模式I：在此模式中，电力开关S3和电力开关S4断开，而电力开关S1，电力开关S2和电力开关S5接通。电流路径如图4所示，电压UH的能量被释放到电容C4和负载电容CL。而且，电容C1放电到电容C3和电感L1。此外，电容C2被充电至电感L2。模式II：在此模型中，电力开关S3和电力开关S4接通，而电力开关S1，电力开关S2和电力开关S5断开。电感L1的能量被传递到负载电容CL。电流路径如图5所示，电容C2和C3放电到电容C1，负载电容CL和电感L2。另外，电容C1被放电到电容C4和负载电容CL。在电容CL两端得到降低的输出电压。
参考图6，其中图(a)是升压的输入输出电压波形，可以看出输入40V,输出结果为200V。(b)是四个电容的电压，分别为40V，80V，120V，(c)是电感电流，(d)-(h)是五个开关的电压张力，从图中可以看出电压张力为80V远小于VH电压。
参考图7，其中图(a)是降压的输入输出电压波形，可以看出输入200V,输出结果为40V。(b)是四个电容的电压，分别为40V，80V，120V，(c)是电感电流，(d)-(h)是五个开关的电压张力，从图中可以看出电压张力为80V远小于VH电压。

Claims (3)

1.一种面向能源应用的非隔离双向直流变换器，其特征在于，主要由五个电力开关S1-S5、四个电容C1-C4和两个电感L1-L2组成，不需要变压器和耦合电感，其中，高压端通过依次串接的电力开关S5、电力开关S3和电容C1连接低压端，电容C4一端接在电力开关S5和电力开关S3之间，电容C2一端和电力开关S2一端均接在电力开关S3和电容C1之间，电容C2另一端接电感L2一端以及电力开关S1一端，电力开关S2另一端接电感L2另一端以及电容C3一端，电容C4另一端、电力开关S1另一端和电容C3另一端均接电感L1一端以及电力开关S4一端，电力开关S4另一端接地，电感L1另一端接所述低压端。
2.根据权利要求1所述面向能源应用的非隔离双向直流变换器，其特征在于，在升压状态下，电力开关S3和电力开关S4用作电源开关，同时电力开关S1，电力开关S2和电力开关S5用作同步整流器，包括两种模式：模式I：电力开关S3和电力开关S4接通，而电力开关S1，电力开关S2和电力开关S5断开，电压UL的能量被传递到电感L1，电压UL和电容C1放电到电容C2，电容C3和电感L2；并且，电压UL和电容C1对电容C4充电，负载电容CH放电到负载；模式II：电力开关S3和电力开关S4关闭，而电力开关S1，电力开关S2和电力开关S5打开，电压UL和电容C4的能量被释放到负载和负载电容CH，同时，电容C3放电到电容C1和电感L1，并且，电感L2和电容C2同步地充电和放电，达到升压的目的。
3.根据权利要求1所述面向能源应用的非隔离双向直流变换器，其特征在于，在降压状态下，电力开关S3和电力开关S4用作同步整流器，同时电力开关S1，电力开关S2和电力开关S5用作电源开关，包括两种模式：模式I：电力开关S3和电力开关S4断开，而电力开关S1，电力开关S2和电力开关S5接通，电压UH的能量被释放到电容C4和负载电容CL，并且，电容C1放电到电容C3和电感L1，电容C2被充电至电感L2；模式II：电力开关S3和电力开关S4接通，而电力开关S1，电力开关S2和电力开关S5断开，电感L1的能量被传递到负载电容CL，电容C2和电容C3放电到电容C1，负载电容CL和电感L2，电容C1被放电到电容C4和负载电容CL，在负载电容CL两端得到降低的输出电压。
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