CN111416521B - 隔离型升压双向dc-dc变换器拓扑结构 - Google Patents

隔离型升压双向dc-dc变换器拓扑结构 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种隔离型升压双向DC‑DC变换器拓扑结构，包括：前级Boost电路、集成变压器和后级H桥电路，其中，前级Boost电路包括第一两相交错并联的Boost变换器，集成变压器为耦合电感结构包括Boost电感部分和理想变压器结构，第一两相交错并联的Boost变换器与集成变压器的Boost电感部分串联，集成变压器的理想变压器结构与后级H桥电路串联。该拓扑结构选用器件少，电路简单且集成度高，能够较好地解决输入电流不连续的问题，并极大地抑制输入电流纹波和输出电压纹波，使其对电流纹波要求更高的锂电池应用场景。

Description

隔离型升压双向DC-DC变换器拓扑结构
技术领域
本发明涉及电工技术中的电力电子及电能变换技术领域，特别涉及一种隔离型升压双向DC-DC变换器新型拓扑。
背景技术
随着能源危机和全球变暖的加剧，锂电池、太阳能、风能等可再生能源越来越受人们的关注。和传统电池相比，锂电池具有续航里程长、可重复多次利用、清洁无污染、能量密度高等优点。隔离型升压双向DC-DC变换器由于能量可以双向流动，升压比高，变比可调等优点，在锂电池等可再生能源领域有着广泛应用。
隔离型升压双向DC-DC变换器一般采用一个Boost变换器和DAB电路来实现，这种电路的器件较多，且集成性较差。在传统的隔离型升压双向DC-DC变换器中，输入侧电感体积较大，且无法集成进变压器内，因此会导致电路庞大。对于单相耦合电感型Boost变换器，其正常工作时输入电流不连续，不适用于对电流纹波有着很高要求的锂电池应用场景。此外，传统的隔离型升压双向DC-DC变换器采用Boost变换器和DAB电路级联来实现高升压比，电路元件较多，电路复杂。
发明内容
本发明旨在至少在一定程度上解决相关技术中的技术问题之一。
为此，本发明的一个目的在于提出一种隔离型升压双向DC-DC变换器拓扑结构。
为达到上述目的，本发明实施例提出了隔离型升压双向DC-DC变换器拓扑结构，包括：包括：前级Boost电路、集成变压器和后级H桥电路，其中，所述前级Boost电路包括第一两相交错并联的Boost变换器，所述集成变压器为耦合电感结构包括Boost电感部分和理想变压器结构，所述第一两相交错并联的Boost变换器与所述集成变压器的Boost电感部分串联，所述集成变压器的理想变压器结构与所述后级H桥电路串联。
本发明实施例的隔离型升压双向DC-DC变换器拓扑结构，克服了传统隔离型双向升压变换器不能够实现集成、解决输入电流不连续的问题的缺点，可适用于对电流纹波有着很高要求的锂电池应用场景，另外，还加入了耦合电感结构，从而Boost升压变换器可以灵活地提高电压增益，极大地扩展了升压变换器的增益范围。
另外，根据本发明上述实施例的隔离型升压双向DC-DC变换器拓扑结构还可以具有以下附加的技术特征：
进一步地，在本发明的一个实施例中，所述第一两相交错并联的Boost变换器的每个桥臂上设有两个开关管。
进一步地，在本发明的一个实施例中，当桥臂上的两个开关同时导通时，所述第一两相交错并联的Boost变换器对所述Boost电感部分进行充电，处于剩余的任意组合开关状态时，所述Boost电感部分对后级H桥电路进行放电。
进一步地，在本发明的一个实施例中，所述前级Boost电路还包括第一电源和第一钳位电容，所述第一电源和所述第一钳位电容分别与所述第一两相交错并联的Boost变换器并联。
进一步地，在本发明的一个实施例中，所述第一钳位电容的电压可以表示为：
Figure BDA0002436466110000021
其中，
Figure BDA0002436466110000022
表示第一钳位电容的电压，U1表示前级Boost电路的电压，D表示前级Boost电路的占空比。
进一步地，在本发明的一个实施例中，所述前级Boost电路的电压与所述后级H桥电路的电压之间相差的相角与能量的流动方向相关。
进一步地，在本发明的一个实施例中，所述后级H桥电路包括第二两相交错并联的Boost变换器、第二钳位电容、第二电源、漏感和理想变压器部分的副边，其中，所述第二两相交错并联的Boost变换器与所述第二钳位电容并联，所述第二两相交错并联的Boost变换器与所述漏感串联，所述漏感与所述理想变压器部分的副边串联，所述第二钳位电容与所述第二电源并联。
本发明附加的方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。
附图说明
本发明上述的和/或附加的方面和优点从下面结合附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：
图1为根据本发明一个实施例的隔离型升压双向DC-DC变换器拓扑结构的结构示意图；
图2为根据本发明一个实施例的隔离型升压双向DC-DC变换器拓扑结构的等效电路图；
图3为本发明实施例在CMM模式下的电路工作波形图。
具体实施方式
下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。
下面参照附图描述根据本发明实施例提出的隔离型升压双向DC-DC变换器拓扑结构。
图1是本发明一个实施例的隔离型升压双向DC-DC变换器拓扑结构的结构示意图。
如图1所示，该隔离型升压双向DC-DC变换器拓扑结构包括：前级Boost电路100、集成变压器200和后级H桥电路300。
其中，前级Boost电路包括第一两相交错并联的Boost变换器，集成变压器为耦合电感结构包括Boost电感部分和理想变压器结构，第一两相交错并联的Boost变换器与集成变压器的Boost电感部分串联，集成变压器的理想变压器结构与后级H桥电路串联。
进一步地，在本发明的一个实施例中，第一两相交错并联的Boost变换器的每个桥臂上设有两个开关管。
进一步地，在本发明的一个实施例中，当桥臂上的两个开关同时导通时，第一两相交错并联的Boost变换器对Boost电感部分进行充电，处于剩余的任意组合开关状态时，Boost电感部分对后级H桥电路进行放电。
具体而言，如图1左侧所示，有两条并联的Boost变换器，每一条桥臂相当于一个Boost变换器，桥臂上的两个开关管同时导通时对Boost电感部分进行充电，其它开关状态时Boost电感部分对后级H桥电路进行放电，从而实现了较高的电压增益。
进一步地，前级Boost电路还包括第一电源和第一钳位电容，第一电源和第一钳位电容分别与第一两相交错并联的Boost变换器并联。
其中，Boost变换器中，第一钳位电容CS相当于负载，故第一钳位电容电压可以表示为：
Figure BDA0002436466110000031
其中，
Figure BDA0002436466110000032
表示第一钳位电容的电压，U1表示前级Boost电路的电压，D表示前级Boost电路的占空比。
根据第一钳位电容电压可以得到副边漏感两侧的电压：
Figure BDA0002436466110000033
Ucd＝U2
因此，该变换器的等效电路可以表示为图2，其工作原理与DAB变换器类似，控制方法为PWM控制+移相控制，即控制前级Boost电路、后级H桥电路的占空比和两个电路之间的移相角。
也就是说，前级Boost电路的电压与后级H桥电路的电压之间相差的相角与能量的流动方向相关，改变电压uab和电压ucd之间相差的相角即可改变能量的流动方向。
进一步地，如图1所示，本发明实施例中的集成变压器可以分成Boost电感部分和理想变压器部分。其中，Boost电感部分包括电感Lm1和电感Lm2，理想变压器部分包括原边和副边，电感Lm1和电感Lm2分别与理想变压器的两个原边并联，电感Lm1和电感Lm2的作用与普通boost电感作用相同，不同在于电感Lm1和Lm2不是单独的电感，而是集成进变压器内的电感，集成后的电感与副边没有电磁耦合关系，集成后的电感与原边并联后，与副边存在电磁耦合关系。
进一步地，在本发明的一个实施例中，后级H桥电路包括第二两相交错并联的Boost变换器、第二钳位电容、第二电源、漏感和理想变压器部分，其中，第二两相交错并联的Boost变换器与第二钳位电容并联，第二两相交错并联的Boost变换器与漏感串联，漏感与理想变压器部分的副边串联，第二钳位电容与第二电源并联。
下面结合图3对本发明实施例的隔离型升压双向DC-DC变换器拓扑结构的工作原理进行描述。
假设本发明实施例的拓扑结构工作在CCM模式下，左侧Boost变换器占空比D<0.5，右侧H桥占空比为0.5，且与左侧Boost变换器间的移相角为δ。
由之前的分析可以得到uab和ucd的幅值为：
Figure BDA0002436466110000041
Ucd＝U2
根据求得的漏感电流可以进一步推导原边电流。
原边电流由两部分组成，励磁电感电流im1、im2和耦合电感电流NiLs、-NiLs，即有
i1＝im1+NiLs
i2＝im2-NiLs
输入电流为流过两条支路上的励磁电感的电流之和
iin＝i1+i2＝im1+im2
如图3所示，励磁电流im1和im2由励磁电感两边所加的电压决定。两者相加即为输入电流波形。从而输入电流波形的频率为开关频率的2倍，上升斜率为励磁电流im1和im2斜率之差，下降斜率为励磁电流im1和im2斜率之和。
在[t0,t2]时间内,输入电流iin以
Figure BDA0002436466110000051
斜率上升；
在[t2,t3]时间内,输入电流iin以
Figure BDA0002436466110000052
斜率下降；
因此，输入电流的脉动值Δiin为
Figure BDA0002436466110000053
[0,t1]时间段内，Boost变换器中，开关管S1控制信号为高电平，开关管S4的控制信号为高电平，在后面的H桥中，开关管S6和S7的控制信号为高电平，因此
uab＝-Uab
ucb＝Ucd
uLs＝uab-ucd＝-(Uab+Ucd)
从而漏感电流iLs以斜率(Uab+Ucd)下降。
[t1,t2]时间段内，Boost变换器中，开关管S1控制信号为高电平，开关管S4的控制信号为高电平，在后面的H桥中，开关管S5和S8的控制信号为高电平，因此
uab＝-Uab
ucb＝-Ucd
uLs＝uab-ucd＝-(Uab-Ucd)
从而漏感电流iLs以斜率(Uab-Ucd)下降。
[t2,t3]时间段内，Boost变换器中，开关管S2控制信号为高电平，开关管S3的控制信号为高电平，在后面的H桥中，开关管S5和S8的控制信号为高电平，因此
uab＝0
ucb＝-Ucd
uLs＝uab-ucd＝Ucd
从而漏感电流iLs以斜率Ucd上升。
[t3,t4]时间段内，Boost变换器中，开关管S1控制信号为高电平，开关管S4的控制信号为高电平，在后面的H桥中，开关管S5和S8的控制信号为高电平，因此
uab＝Uab
ucb＝-Ucd
uLs＝uab-ucd＝Uab+Ucd
从而漏感电流iLs以斜率(Uab+Ucd)上升。
[t4,t5]时间段内，Boost变换器中，开关管S2控制信号为高电平，开关管S3的控制信号为高电平，在后面的H桥中，开关管S6和S7的控制信号为高电平，因此
uab＝Uab
ucb＝Ucd
uLs＝uab-ucd＝Uab-Ucd
从而漏感电流iLs以斜率(Uab-Ucd)上升。
[t5,t6]时间段内，Boost变换器中，开关管S2控制信号为高电平，开关管S4的控制信号为高电平，在后面的H桥中，开关管S6和S7的控制信号为高电平，因此
uab＝0
ucb＝Ucd
uLs＝uab-ucd＝-Ucd
从而漏感电流iLs以斜率Ucd下降。
[t6,t7]时间段又开始一个新的周期，工作原理与之前相同。
综上，根据本发明实施例提出的隔离型升压双向DC-DC变换器拓扑结构，通过加入了耦合电感结构，从而Boost升压变换器可以灵活地提高电压增益，极大地扩展了升压变换器的增益范围；通过前级由两相交错并联Boost变换器构成，且与耦合电感的Boost电感部分串联，因此能够更好地解决输入电流不连续的问题，极大地抑制输入电流纹波和输出电压纹波；通过将H桥中的电感集成进变压器中，使得电路集成度高；另外，本发明实施例可以实现能量的双向流动，进而可以实现双象限运行，实现了两个单相DC-DC变换器的功能，适用于锂电池该类需要频繁充放电应用场合。
此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。
在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。
尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。

Claims (6)

1.一种隔离型升压双向DC-DC变换器拓扑结构，其特征在于，包括：前级Boost电路、集成变压器和后级H桥电路，其中，
所述前级Boost电路包括第一两相交错并联的Boost变换器，所述集成变压器为耦合电感结构包括Boost电感部分和理想变压器结构，输入电源连接到集成变压器原边的中心 点处，所述集成变压器的理想变压器结构与所述后级H桥电路串联，其中，Boost电感部分包括电感Lm1和电感Lm2，理想变压器结构包括原边和副边，所述电感Lm1和电感Lm2先是串联连接，串联后的连接点又与原边绕组的中心点连接，串联后的非连接点分别与原边绕组的另外两个非中心点连接，并与所述副边存在电磁耦合关系；
其中，所述后级H桥电路包括第二两相交错并联的Boost变换器、第二钳位电容、第二电源、漏感和理想变压器部分的副边，其中，所述第二两相交错并联的Boost变换器与所述第二钳位电容并联，所述第二两相交错并联的Boost变换器与所述漏感串联，所述漏感与所述理想变压器部分的副边串联，所述第二钳位电容与所述第二电源并联。
2.根据权利要求1所述的隔离型升压双向DC-DC变换器拓扑结构，其特征在于，所述第一两相交错并联的Boost变换器的每个桥臂上设有两个开关管。
3.根据权利要求2所述的隔离型升压双向DC-DC变换器拓扑结构，其特征在于，当桥臂上的两个开关同时导通时，所述第一两相交错并联的Boost变换器对所述Boost电感部分进行充电，处于剩余的任意组合开关状态时，所述Boost电感部分对后级H桥电路进行放电。
4.根据权利要求1所述的隔离型升压双向DC-DC变换器拓扑结构，其特征在于，所述前级Boost电路还包括第一电源和第一钳位电容，所述第一电源和所述第一钳位电容分别与所述第一两相交错并联的Boost变换器并联。
5.根据权利要求4所述的隔离型升压双向DC-DC变换器拓扑结构，其特征在于，所述第一钳位电容的电压表示为：
Figure FDA0003423226720000011
其中，
Figure FDA0003423226720000012
表示第一钳位电容的电压，U1表示前级Boost电路的电压，D表示前级Boost电路的占空比。
6.根据权利要求1所述的隔离型升压双向DC-DC变换器拓扑结构，其特征在于，所述前级Boost电路的电压与所述后级H桥电路的电压之间相差的相角与能量的流动方向相关。
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