CN112202344A - 一种宽电压范围自适应切换的双向直流变换器 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种宽电压范围自适应切换的双向直流变换器,该变换器包括输入直流电源网络、输入均压控制网络、输入高低压切换网络、输入滤波网络、输入开关网络、电感器、隔直电容器、变压器、输出开关网络、输出滤波网络、输出高低压切换网络、输出均压控制网络、输出直流电源网络。本发明通过高低压切换网络,提高电压输入、输出范围;通过变压器交错串联,实现自均流;通过控制均压电路开关管,实现均压。本发明主要应用于新能源储能发电技术领域,如光储充并网系统、新能源汽车电池管理系统V2G(Vehicle‑to‑grid)等。

Description

一种宽电压范围自适应切换的双向直流变换器
技术领域
本发明属于电力电子技术领域,更具体地说,涉及电力电子电路,尤其涉及一种宽电压范围自适应切换的双向直流变换器。
背景技术
随着能源危机的日益加剧和环保意识的提高,绿色高效利用能源成为各国研究应用的重点,而高频隔离型双向直流变换器的研究更是重中之重。目前,在工程应用中,传统的双向直流变换器拓扑结构受制于电力电子开关器件,在兼顾功率的情况下,很难提升输入、输出电压等级。
发明内容
为了解决上述技术问题,本发明提供一种宽电压范围自适应切换的双向直流变换器,在解决开关器件耐压问题的同时,提升功率等级。
本发明的技术方案为:一种宽电压范围自适应切换的双向直流变换器,包括:依次连接的输入直流电源网络、输入均压控制网络、输入高低压切换网络、输入滤波网络、输入开关网络、变压器网络、输出开关网络、输出滤波网络、输出高低压切换网络、输出均压控制网络、输出直流电源网络;所述变压器网络包括第一变压器网络、第二变压器网络、第三变压器网络、第四变压器网络;
所述第一变压器网络与第三变压器网络原边串联,连接所述第一输入开关网络;第二变压器网络与第四变压器网络原边串联,连接所述第二输入开关网络;
所述第一变压器网络与第二变压器网络副边串联,连接所述第一输出开关网络;第三变压器网络与第四变压器网络副边串联,连接所述第二输出开关网络。所述变压器网络原边交错串联、副边直接串联,实现第一输入开关网络与第二输入开关网络的自动均流以及第一输出开关网络与第二输出开关网络的自动均流。
进一步的,所述开关电路基于功率半导体开关组成。
进一步的,其特征在于,所述输入直流电压源网络和所述输出直流电压源网络为电池模块、单相有源功率因数校正电路、三相有源功率因数校正电路。
进一步的,所述输入均压控制网络和所述输出均压控制网络分别包括两个串联的开关器件以及一个充电电阻,所述充电电阻的一端接在两个串联的开关器件之间。
进一步的,所述输入高低压模式切换网络包括两个双刀双掷开关,即第一输入切换开关Kin1、第二输入切换开关Kin2;所述第一输入切换开关Kin1闭合且所述第二输入换开关Kin2断开,输入直流电源网络端串联高压且连接输入均压控制网络;所述第一输入切换开关Kin1断开且所述第二输入切换开关Kin2闭合,输入直流电源网络端并联低压且断开输入均压控制网络。
进一步的,所述输出高低压模式切换网络包括第一输出切换开关Kout1、第二输出切换开关Kout2;所述第一输出切换开关Kout1闭合且所述第二输出切换开关Kout2断开,输出直流电源网络端串联高压且连接输出均压控制网络;所述第一输出切换开关Kout1断开且所述第二输出切换开关Kout2闭合,输出直流电源网络端并联低压且断开输出均压控制网络。
进一步的,所述变压器网络包括第一变压器网络、第二变压器网络、第三变压器网络、第四变压器网络;所述第一变压器网络与第三变压器网络原边串联,连接所述第一输入开关网络;第二变压器网络与第四变压器网络原边串联,连接所述第二输入开关网络;所述第一变压器网络与第二变压器网络副边串联,连接所述第一输出开关网络;第三变压器网络与第四变压器网络副边串联,连接所述第二输出开关网络。
进一步的,所述功率半导体开关是金属-氧化物半导体场效应晶体管、绝缘栅双极晶体管、电力晶体管、绝缘栅场效应管、门极可关断晶闸管或晶闸管。
进一步的,所述第一输入切换开关Kin1、第二输入切换开关Kin2动作条件为:若输入电压大于550V,第一输入切换开关Kin1闭合且所述第二输入切换开关Kin2断开;若输入电压小于500V,第一输入切换开关Kin1断开且所述第二输入切换开关Kin2闭合;所述输入高低压模式切换依据输入电压的幅值,并设置50V的回差;所述第一输出切换开关Kout1、第二输出切换开关Kout2动作条件为:若输出电压大于550V,第一输出切换开关Kout1闭合且所述第二输入切换开关Kout1断开;若输出电压小于500V,第一输出切换开关Kout1断开且所述第二输出切换开关Kout2闭合;所述输出高低压模式切换依据输出电压的幅值,并设置50V的回差。
进一步的,所述输入均压控制网络与输出均压控制网络工作相同,当第一输入滤波网络与第二输入滤波网络串联时:输入均压控制网络开始工作,否则,关闭输入均压控制网络相对应的开关管;当第一输出滤波网络与第二输出滤波网络串联时:输出均压控制网络开始工作,否则,关闭输出均压控制网络相对应的开关管。
进一步的,本发明设计的双向直流变换器拓扑结构中,所述变压器原边输入开关网络、变压器副边输出开关网络为开关管全桥单元。
有益效果
(1) 通过控制输入高低压模式切换网络的空气开关Kin1与Kin2,可以实现200V~1000V宽范围输入电压,且不需要更换耐高压的开关器件;
(2) 通过控制输出高低压模式切换网络的空气开关Kout1与Kout2,可以实现200V~1000V宽范围输出电压,且不需要更换耐高压的开关器件;
(3) 通过控制输入、输出高低压模式切换网络的空气开关Kin1、Kin2与Kout1、Kout2,在确定变压器变比n情况下,可以相应减小电压变换范围,有利于变压器原副边开关网络的控制,类似于移相全桥控制;
(4) 通过均压控制网络,可以解决因器件参数差异导致的电压严重不均衡的问题;
(5) 直流变换器能量可以双向流动。
附图说明
图1是本发明的一种宽电压范围自适应切换的双向直流变换器电路图;
图2是本发明的一种宽电压范围自适应切换的双向直流变换器示意图;
图3是传统的双向直流变换器拓扑结构;
图4是发明的一种宽电压范围自适应切换的双向直流变换器;
图5是发明的一种宽电压范围自适应切换的双向直流变换器均压电路图控制示意图1;
图6是发明的一种宽电压范围自适应切换的双向直流变换器均压电路图控制示意图2。
具体实施方式
为更深刻了解本发明内容,结合附图和实施例对本发明做更为详细描述。
本发明涉及双向直流变换器拓扑结构电路如图1所示。本发明的一种宽电压范围自适应切换的双向直流变换器,包括依次连接的输入直流电源网络100、输入均压控制网络200、输入高低压切换网络300、输入滤波网络400、输入开关网络500、变压器网络600、输出开关网络700、输出滤波网络800、输出高低压切换网络900、输出均压控制网络1000、输出直流电源网络1100,如图2所示。
更进一步地,所述变压器网络600包括第一变压器网络611、第二变压器网络612、第三变压器网络613、第四变压器网络613;所述第一变压器网络611与第三变压器网络613原边串联,连接所述第一输入开关网络511;第二变压器网络612与第四变压器网络614原边串联,连接所述第二输入开关网络512;所述第一变压器网络611与第二变压器网络612副边串联,连接所述第一输出开关网络711;第三变压器网络613与第四变压器网络614副边串联,连接所述第二输出开关网络712。所述变压器网络600原边交错串联、副边直接串联,实现第一输入开关网络511与第二输入开关网络512的自动均流以及第一输出开关网络711与第二输出开关网络712的自动均流。
更进一步地,所述输入高低压模式切换网络300包括2个双刀双掷开关,即第一输入切换开关Kin1、第二输入切换开关Kin2;所述第一输入切换开关Kin1闭合且所述第二输入切换开关Kin2断开,输入直流电源网络100端串联且连接输入均压控制网络200;此时,所述第一输入滤波网络411(电容Cin1)与第二输入滤波网络412(电容Cin2)串联。所述第一输入切换开关Kin1断开且所述第二输入切换开关Kin2闭合,输入直流电源网络100端并联且连接输入均压控制网络200;此时,所述第一输入滤波网络411(电容Cin1)与第二输入滤波网络412(电容Cin2)并联。
更进一步地,所述第一输入切换开关Kin1、第二输入切换开关Kin2动作条件为:若输入电压大于550V,第一输入切换开关Kin1闭合且所述第二输入切换开关Kin2断开;若输入电压小于500V,第一输入切换开关Kin1断开且所述第二输入切换开关Kin2闭合;所述输入高低压模式切换依据输入电压的幅值,并设置50V的回差。在本发明的该实施例中,通过控制输入高低压模式切换网络的空气开关Kin1与Kin2,可以实现200V~1000V宽范围输入电压,且不需要更换耐高压的开关器件;
更进一步地,所述输出高低压模式切换网络900包括2个双刀双掷开关,即第一输出切换开关Kout1、第二输出切换开关Kout2;所述第一输出切换开关Kout1闭合且所述第二输出切换开关Kout2断开,输出直流电源网络1100端串联且连接输出均压控制网络1000;此时,所述第一输出滤波网络811(电容Cout1)与第二输出滤波网络812(电容Cout2)串联。所述第一输出切换开关Kout1断开且所述第二输出切换开关Kout2闭合,输出直流电源网络1100端并联且连接输出均压控制网络1000;此时,所述第一输出滤波网络811(电容Cout1)与第二输出滤波网络812(电容Cout2)并联。
更进一步地,所述第一输出切换开关Kout1、第二输出切换开关Kout2动作条件为:若输出电压大于550V,第一输出切换开关Kout1闭合且所述第二输入切换开关Kout2断开;若输出电压小于500V,第一输出切换开关Kout1断开且所述第二输出切换开关Kout2闭合;所述输出高低压模式切换依据输出电压的幅值,并设置50V的回差。在该实施例中,通过控制输出高低压模式切换网络的空气开关Kout1与Kout2,可以实现200V~1000V宽范围输出电压,且不需要更换耐高压的开关器件;
更进一步地,所述输入开关网络500与输出开关网络700控制方式与传统的双向直流拓扑类似,如图3所示。
更进一步地,所述输入均压控制网络200与输出均压控制网络1000工作原理类似,控制原理如图4所示,当第一输入滤波网络411(电容Cin1)与第二输入滤波网络412(电容Cin2)串联时:输入均压控制网络200开始工作,否则,关闭输入均压控制网络200相对应的开关管;当第一输出滤波网络811(电容Cout1)与第二输出滤波网络812(电容Cout2)串联时:输出均压控制网络1000开始工作,否则,关闭输出均压控制网络1000相对应的开关管。
更进一步地,对所述均压控制进行分析:当电容C1端电压大于C2时,开关管Q1导通、Q2关断,开关管Q1、电阻R、电容C2形成回路(电容C2充电),如图5所示;当电容C1端电压小于C2时,开关管Q1关断、Q2导通,电容C1、电阻R、开关管Q2形成回路(电容C1充电),如图6所示;当电容C1与电容C2端电压小于设定误差值时,关断开关管Q1与Q2,实现均压控制;即:第一输入滤波网络411(电容Cin1)与第二输入滤波网络412(电容Cin2)实现均压控制(或第一输出滤波网络811(电容Cout1)与第二输出滤波网络812(电容Cout2)实现均压控制)。
以上示意性的对本发明及其实施方式进行了描述,该描述没有限制性,实际的结构并不局限于此。所以,如果本领域的技术人员受其启示,在不脱离本发明创造宗旨的情况下,不经创造性的设计出与该技术方案相似的结构方式及实施例,均应属于本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种宽电压范围自适应切换的双向直流变换器,其特征在于,包括:
依次连接的输入直流电源网络、输入均压控制网络、输入高低压切换网络、输入滤波网络、输入开关网络、变压器网络、输出开关网络、输出滤波网络、输出高低压切换网络、输出均压控制网络、输出直流电源网络;所述变压器网络包括第一变压器网络、第二变压器网络、第三变压器网络、第四变压器网络;
所述第一变压器网络与第三变压器网络原边串联,连接第一输入开关网络;第二变压器网络与第四变压器网络原边串联,连接第二输入开关网络;
所述第一变压器网络与第二变压器网络副边串联,连接所述第一输出开关网络;第三变压器网络与第四变压器网络副边串联,连接所述第二输出开关网络;
所述变压器网络原边交错串联、副边直接串联,实现第一输入开关网络与第二输入开关网络的自动均流以及第一输出开关网络与第二输出开关网络的自动均流。
2.根据权利要求1所述的一种宽电压范围自适应切换的双向直流变换器,其特征在于,所述开关电路基于功率半导体开关组成。
3.根据权利要求1所述的一种宽电压范围自适应切换的双向直流变换器,其特征在于,所述输入直流电压源网络和所述输出直流电压源网络为电池模块、单相有源功率因数校正电路、三相有源功率因数校正电路。
4.根据权利要求1所述的一种宽电压范围自适应切换的双向直流变换器,其特征在于,所述输入均压控制网络和所述输出均压控制网络分别包括两个串联的开关器件以及一个充电电阻,所述充电电阻的一端接在两个串联的开关器件之间。
5.根据权利要求1所述的一种宽电压范围自适应切换的双向直流变换器,其特征在于,所述输入高低压模式切换网络包括两个双刀双掷开关,即第一输入切换开关Kin1、第二输入切换开关Kin2;所述第一输入切换开关Kin1闭合且所述第二输入切换开关Kin2断开,输入直流电源网络端串联高压且连接输入均压控制网络;所述第一输入切换开关Kin1断开且所述第二输入切换开关Kin2闭合,输入直流电源网络端并联低压且断开输入均压控制网络。
6.根据权利要求1所述的一种宽电压范围自适应切换的双向直流变换器,其特征在于,所述输出高低压模式切换网络包括第一输出切换开关Kout1、第二输出切换开关Kout2;所述第一输出切换开关Kout1闭合且所述第二输出切换开关Kout2断开,输出直流电源网络端串联高压且连接输出均压控制网络;所述第一输出切换开关Kout1断开且所述第二输出切换开关Kout2闭合,输出直流电源网络端并联低压且断开输出均压控制网络。
7.根据权利要求1所述的一种宽电压范围自适应切换的双向直流变换器,其特征在于,所述变压器网络包括第一变压器网络、第二变压器网络、第三变压器网络、第四变压器网络;所述第一变压器网络与第三变压器网络原边串联,连接所述第一输入开关网络;第二变压器网络与第四变压器网络原边串联,连接所述第二输入开关网络;所述第一变压器网络与第二变压器网络副边串联,连接所述第一输出开关网络;第三变压器网络与第四变压器网络副边串联,连接所述第二输出开关网络。
8.根据权利要求2所述的一种宽电压范围自适应切换的双向直流变换器,其特征在于,所述功率半导体开关是金属-氧化物半导体场效应晶体管、绝缘栅双极晶体管、电力晶体管、绝缘栅场效应管、门极可关断晶闸管或晶闸管。
9.根据权利要求5或6所述的一种宽电压范围自适应切换的双向直流变换器,其特征在于,所述第一输入切换开关Kin1、第二输入切换开关Kin2动作条件为:若输入电压大于550V,第一输入切换开关Kin1闭合且所述第二输入切换开关Kin2断开;若输入电压小于500V,第一输入切换开关Kin1断开且所述第二输入切换开关Kin2闭合;所述输入高低压模式切换依据输入电压的幅值,并设置50V的回差;
所述第一输出切换开关Kout1、第二输出切换开关Kout2动作条件为:若输出电压大于550V,第一输出切换开关Kout1闭合且所述第二输入切换开关Kout1断开;若输出电压小于500V,第一输出切换开关Kout1断开且所述第二输出切换开关Kout2闭合;所述输出高低压模式切换依据输出电压的幅值,并设置50V的回差。
10.根据权利要求1所述的一种宽电压范围自适应切换的双向直流变换器,其特征在于,所述输入均压控制网络与输出均压控制网络原理相同,当第一输入滤波网络与第二输入滤波网络串联时:输入均压控制网络开始工作,否则,关闭输入均压控制网络相对应的开关管;当第一输出滤波网络与第二输出滤波网络串联时:输出均压控制网络开始工作,否则,关闭输出均压控制网络相对应的开关管。
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