CN112366946A - 一种谐振型dc-dc变换器 - Google Patents

一种谐振型dc-dc变换器 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种谐振型DC‑DC变换器，包括：输入分压电容电路、三电平桥臂、两电平桥臂、串联谐振单元、变压器和桥式整流单元，采用三电平桥臂、两电平桥臂和桥式整流单元结构，将三电平桥式结构和传统桥式结构全桥/半桥模式切换相结合，根据超级电容侧电压动态调节变换器的工作模态，实现了同一电路切换三种工作模态的功能，从而在维持直流母线电压稳定的同时兼容宽范围波动的超级电容输入电压，保证了谐振型DC‑DC变换器的宽输入电压特性，拓宽了电压增益范围。

Description

一种谐振型DC-DC变换器
技术领域
本发明涉及变换器技术领域，特别是涉及一种谐振型DC-DC变换器。
背景技术
大规模开发和利用可再生能源为解决世界性能源和环境问题开辟了新途径。同时光伏、风机、燃料电池、储能等单元的输出均为直流电或者非工频的交流电，且目前很多用电设备如电动汽车、手机、LED照明和直流变频电机等都采用直流电驱动。因此，近年来直流微网的概念开始兴起。
直流微网内可再生能源输出以及负荷均具有较大的随机波动性，会对直流微网母线电压造成冲击，影响其安全稳定运行。为此，直流微网内多接入蓄电池、超级电容等储能单元平抑功率波动，实现维持直流母线电压波动的功能。由于超级电容输出电压波动范围大，要求DC-DC变换器必须能够在宽输入电压范围内高效工作。因此，研制一种宽输入电压双向DC-DC变换器显得尤为重要。
以往研究中超级电容多通过图1中双向Buck/Boost电路接入直流微网，该拓扑结构简单、成本低，但是仅能通过调节开关器件占空比调节增益，增益范围较窄，且不隔离，不能保证安全性。
发明内容
本发明的目的是提供一种谐振型DC-DC变换器，以在维持直流母线电压稳定的同时兼容宽范围波动的超级电容输入电压，拓宽电压增益范围。
为实现上述目的，本发明提供了如下方案：
一种谐振型DC-DC变换器，所述谐振型DC-DC变换器包括：输入分压电容电路、三电平桥臂、两电平桥臂、串联谐振单元、变压器和桥式整流单元；
超级电容的正极分别与所述输入分压电容电路的一端、所述三电平桥臂的第一输入端和所述两电平桥臂的第一输入端连接，所述超级电容的负极分别与所述输入分压电容电路的另一端、所述三电平桥臂的第二输入端和所述两电平桥臂的第二输入端连接；所述三电平桥臂的第三输入端与所述输入分压电容电路的分压端连接，所述三电平桥臂的输出端与所述串联谐振单元的一端连接；
所述变压器的原边线圈的两端分别与所述两电平桥臂的输出端和所述串联谐振单元的另一端连接，所述变压器的副边线圈的两端分别与所述桥式整流单元的第一输入端和第二输入端连接；所述桥式整流单元的输出端连接直流母线。
根据本发明提供的具体实施例，本发明公开了以下技术效果：
本发明提供了一种谐振型DC-DC变换器，采用三电平桥臂、两电平桥臂和桥式整流单元结构，将三电平桥式结构和传统桥式结构全桥/半桥模式切换相结合，根据超级电容侧电压动态调节变换器的工作模态，实现了同一电路切换三种工作模态的功能，从而在维持直流母线电压稳定的同时兼容宽范围波动的超级电容输入电压，保证了谐振型DC-DC变换器的宽输入电压特性，拓宽了电压增益范围。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为现有的双向DC/DC变换器拓扑结构图；
图2为本发明提供的一种谐振型DC-DC变换器的结构图；
图3为本发明提供的一种谐振型DC-DC变换器在中电压增益工作模式的原理图；
图4为本发明提供的一种谐振型DC-DC变换器在低电压增益工作模式的原理图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
本发明的目的是提供一种谐振型DC-DC变换器，以在维持直流母线电压稳定的同时兼容宽范围波动的超级电容输入电压，拓宽电压增益范围。
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
针对超级电容输入电压变化范围较宽的应用背景，本发明提出一种多模式切换宽输入电压的谐振型DC-DC变换器，如图2所示，谐振型DC-DC变换器包括：输入分压电容电路、三电平桥臂、两电平桥臂、串联谐振单元、变压器和桥式整流单元。
超级电容的正极分别与输入分压电容电路的一端、三电平桥臂的第一输入端和两电平桥臂的第一输入端连接，超级电容的负极分别与输入分压电容电路的另一端、三电平桥臂的第二输入端和两电平桥臂的第二输入端连接。三电平桥臂的第三输入端与输入分压电容电路的分压端连接，三电平桥臂的输出端与串联谐振单元的一端连接。
变压器的原边线圈的两端分别与两电平桥臂的输出端和串联谐振单元的另一端连接，变压器的副边线圈的两端分别与桥式整流单元的第一输入端和第二输入端连接。桥式整流单元的输出端连接直流母线。
谐振型DC-DC变换器还包括：滤波电容。桥式整流单元的输出端并联滤波电容后连接直流母线。
输入分压电容电路包括：电容C1和电容C2。
电容C1的一端分别与超级电容的正极、三电平桥臂的第一输入端和两电平桥臂的第一输入端连接，电容C1的另一端与电容C2的一端连接，电容C2的另一端分别与超级电容的负极、三电平桥臂的第二输入端和两电平桥臂的第二输入端连接。
电容C1的另一端与电容C2的一端的连接点作为输入分压电容电路的分压端。
三电平桥臂包括：功率开关管Q1、功率开关管Q2、功率开关管Q3、功率开关管Q4、续流二极管D1和续流二极管D2。
功率开关管Q1的漏极分别与超级电容的正极、输入分压电容电路的一端和两电平桥臂的第一输入端连接。功率开关管Q1的源极与功率开关管Q2的漏极连接。功率开关管Q2的源极与功率开关管Q3的漏极连接。功率开关管Q3的源极与功率开关管Q4的漏极连接。功率开关管Q4的源极与超级电容的负极、输入分压电容电路的另一端和两电平桥臂的第二输入端连接。
续流二极管D1的负极、功率开关管Q1的源极和功率开关管Q2的漏极共点连接。续流二极管D2的正极、功率开关管Q3的源极和功率开关管Q4的漏极共点连接。续流二极管D1的正极与续流二极管D2的负极连接。
功率开关管Q1的漏极作为三电平桥臂的第一输入端，功率开关管Q4的源极作为三电平桥臂的第二输入端，续流二极管D1的正极与续流二极管D2的负极的连接点作为三电平桥臂的第三输入端，功率开关管Q2的源极与功率开关管Q3的漏极的连接点作为三电平桥臂的输出端。
两电平桥臂包括：功率开关管Q5和功率开关管Q6。
功率开关管Q5的漏极分别与超级电容的正极、输入分压电容电路的一端和三电平桥臂的第一输入端连接。功率开关管Q5的源极与功率开关管Q6的漏极连接。功率开关管Q6的源极分别与超级电容的负极、输入分压电容电路的另一端和三电平桥臂的第二输入端连接。
功率开关管Q5的漏极作为两电平桥臂的第一输入端，功率开关管Q6的源极作为两电平桥臂的第二输入端，功率开关管Q5的源极与功率开关管Q6的漏极的连接点作为两电平桥臂的输出端。
串联谐振单元包括：电容CR和电感LR。电容CR的一端与三电平桥臂的输出端连接，电容CR的另一端与电感LR的一端连接，电感LR的另一端与变压器的原边线圈的一端连接。
变压器的变比为n:1。
桥式整流单元包括：功率开关管Q7、功率开关管Q8、功率开关管Q9和功率开关管Q10。
功率开关管Q7的漏极与直流母线的正极连接，功率开关管Q7的源极与功率开关管Q8的漏极连接。功率开关管Q8的源极与直流母线的负极连接。
功率开关管Q9的漏极与直流母线的正极连接，功率开关管Q9的源极与功率开关管Q10的漏极连接。功率开关管Q10的源极与直流母线的负极连接。
功率开关管Q7的源极与功率开关管Q8的漏极的连接点作为桥式整流单元的第一输入端，功率开关管Q9的源极与功率开关管Q10的漏极的连接点作为桥式整流单元的第二输入端，功率开关管Q9的漏极和功率开关管Q10的源极作为桥式整流单元的输出端。
三电平技术和全桥/半桥切换技术的结合拓宽了电压增益范围，通过移相控制使得变换器能够灵活的双向运行。同时，根据超级电容侧电压动态调节变换器工作模态，以获得宽增益特性，兼容大范围波动的超级电容电压。
本发明中主要参数如下：超级电容电压VSC、直流母线电压VBUS、直流母线电流IBUS、超级电容侧整流/逆变单元输出方波电压VT1、直流母线侧整流/逆变单元输出方波电压VT2、变压器T变比为n:1、变换器开关管驱动频率fs、串联谐振腔阻抗X、直流母线侧等效负载阻值RL。同时定义超级电容的额定电压为VN。
其中：
Figure BDA0002755538360000051
Figure BDA0002755538360000052
当超级电容电压变化时，通过调整开关管Q1-Q6的导通/关断组合方式，可以调整超级电容侧整流/逆变单元输出方波电压VT1的基波分量幅值，进而使变换器在高电压工作模式、中电压增益模式以及低电压增益模式三种运行模式下进行切换，保证本发明变换器的宽输入电压特性。
由于超级电容端电压VSC根据其充放电情况及剩余容量实时变化，电压波动范围较大，本发明的突出优势在于可根据超级电容电压实时调整变换器的增益模式，在维持直流母线电压稳定的同时兼容宽范围波动的超级电容输入电压。具体设计为：当VSC≥0.8VN时，电路工作在低电压增益模式；0.8VN>VSC≥0.4VN时，电路工作在中电压增益模式；VSC<0.4VN时，电路工作在高电压增益模式。
①高电压增益工作模式
当超级电容输入电压较低，VSC<0.4VN时，变换器工作在高电压增益模式。该模式下，电路中所有开关管均采用固定50％占空比导通。超级电容侧整流/逆变单元中Q1、Q2和Q6同时导通，Q3、Q4和Q5同时导通。Q1、Q2和Q6导通时VT1＝VSC，Q3、Q4和Q5导通时，VT1＝-VSC。两组开关管互补导通，其输出电压VT1为占空比50％的方波电压，幅值为±VSC。直流母线侧整流/逆变单元中Q7和Q10同时导通，Q8和Q9同时导通。Q7和Q10导通时，VT2＝VBUS，Q8和Q9导通时，VT2＝-VBUS。两组开关管互补导通，其输出电压VT2为占空比50％的方波电压，幅值为±VBUS。采用移相控制策略，通过控制VT1和VT2之间的移相角
Figure BDA0002755538360000061
来控制超级电容和直流母线侧的能量传输的大小和方向，当VT1超前VT2时，定义
Figure BDA0002755538360000062
为正，能量从超级电容侧传递到直流母线侧，反之
Figure BDA0002755538360000063
为负，能量从直流母线侧传递到超级电容侧。该工作模式下，直流母线电压VBUS与超级电容电压VSC的关系为：
Figure BDA0002755538360000064
传输的功率P为：
Figure BDA0002755538360000065
②中电压增益工作模式
当超级电容输入电压中等，0.8VN>VSC≥0.4VN时，变换器工作在中电压增益模式。该模式下，如图3所示，Q5一直关断，Q6一直导通，其余开关管均采用固定50％占空比导通。超级电容侧整流/逆变单元中Q1和Q2同时导通，Q3和Q4同时导通，Q1和Q2导通时，VT1＝VSC，Q3和Q4导通时，VT1＝0。两组开关管互补导通。两组开关管互补导通，其输出电压VT1为占空比50％的方波电压，幅值为VSC和0。直流母线侧整流/逆变单元中Q7和Q10同时导通，Q8和Q9同时导通，Q7和Q10导通时，VT2＝VBUS，Q8和Q9导通时，VT2＝-VBUS。两组开关管互补导通，其输出电压VT2为占空比50％的方波电压，幅值为±VBUS。采用移相控制策略，通过控制VT1和VT2之间的移相角
Figure BDA0002755538360000071
来控制超级电容和直流母线侧的能量传输的大小和方向，当VT1超前VT2时，定义
Figure BDA0002755538360000072
为正，能量从超级电容侧传递到直流母线侧，反之
Figure BDA0002755538360000073
为负，能量从直流母线侧传递到超级电容侧。该工作模式下，直流母线电压VBUS与超级电容电压VSC的关系为：
Figure BDA0002755538360000074
传输的功率P为：
Figure BDA0002755538360000075
③低电压增益工作模式
当超级电容输入电压较高，VSC≥0.8VN时，变换器工作在低电压增益模式。该模式下，Q1和Q5一直关断，Q6一直导通，其余开关管均采用固定50％占空比导通。超级电容侧整流/逆变单元中，Q3和Q4同时导通，并与开关管Q2互补导通，Q2导通时VT1＝0.5VSC，Q3和Q4导通时，VT1＝0。其输出电压VT1为占空比50％的方波电压，幅值为0.5VSC和0。直流母线侧整流/逆变单元中Q7和Q10同时导通，Q8和Q9同时导通，Q7和Q10导通时，VT2＝VBUS，Q8和Q9导通时，VT2＝-VBUS。两组开关管互补导通，其输出电压VT2为占空比50％的方波电压，幅值为±VBUS。采用移相控制策略，通过控制VT1和VT2之间的移相角
Figure BDA0002755538360000076
来控制超级电容和直流母线侧的能量传输的大小和方向，当VT1超前VT2时，定义
Figure BDA0002755538360000077
为正，能量从超级电容侧传递到直流母线侧，反之
Figure BDA0002755538360000078
为负，能量从直流母线侧传递到超级电容侧该工作模式下，直流母线电压VBUS与超级电容电压VSC的关系为：
Figure BDA0002755538360000079
传输的功率P为：
Figure BDA0002755538360000081
本发明具有以下优点：
①该变换器可根据超级电容电压，实时切换工作模态：当超级电容电压较低时，变换器工作在高增益模式；超级电容电压中等时，变换器工作在中增益模式；超级电容电压较高时，变换器工作在低增益模式，实现了变换器的宽输入电压特性。
②通过调整变换器的增益模式，可避免移相角
Figure BDA0002755538360000082
出现极大或极小情况，从而保证变换器中开关管的软开关特性，保证了变换器的高效率特性。
本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。
本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (8)

1.一种谐振型DC-DC变换器，其特征在于，所述谐振型DC-DC变换器包括：输入分压电容电路、三电平桥臂、两电平桥臂、串联谐振单元、变压器和桥式整流单元；
超级电容的正极分别与所述输入分压电容电路的一端、所述三电平桥臂的第一输入端和所述两电平桥臂的第一输入端连接，所述超级电容的负极分别与所述输入分压电容电路的另一端、所述三电平桥臂的第二输入端和所述两电平桥臂的第二输入端连接；所述三电平桥臂的第三输入端与所述输入分压电容电路的分压端连接，所述三电平桥臂的输出端与所述串联谐振单元的一端连接；
所述变压器的原边线圈的两端分别与所述两电平桥臂的输出端和所述串联谐振单元的另一端连接，所述变压器的副边线圈的两端分别与所述桥式整流单元的第一输入端和第二输入端连接；所述桥式整流单元的输出端连接直流母线。
2.根据权利要求1所述的谐振型DC-DC变换器，其特征在于，所述谐振型DC-DC变换器还包括：滤波电容；
所述桥式整流单元的输出端并联所述滤波电容后连接直流母线。
3.根据权利要求1所述的谐振型DC-DC变换器，其特征在于，所述输入分压电容电路包括：电容C1和电容C2；
所述电容C1的一端分别与所述超级电容的正极、所述三电平桥臂的第一输入端和所述两电平桥臂的第一输入端连接，所述电容C1的另一端与所述电容C2的一端连接，所述电容C2的另一端分别与所述超级电容的负极、所述三电平桥臂的第二输入端和所述两电平桥臂的第二输入端连接；
所述电容C1的另一端与所述电容C2的一端的连接点作为所述输入分压电容电路的分压端。
4.根据权利要求1所述的谐振型DC-DC变换器，其特征在于，所述三电平桥臂包括：功率开关管Q1、功率开关管Q2、功率开关管Q3、功率开关管Q4、续流二极管D1和续流二极管D2；
所述功率开关管Q1的漏极分别与所述超级电容的正极、所述输入分压电容电路的一端和所述两电平桥臂的第一输入端连接；所述功率开关管Q1的源极与所述功率开关管Q2的漏极连接；所述功率开关管Q2的源极与所述功率开关管Q3的漏极连接；所述功率开关管Q3的源极与所述功率开关管Q4的漏极连接；所述功率开关管Q4的源极与所述超级电容的负极、所述输入分压电容电路的另一端和所述两电平桥臂的第二输入端连接；
所述续流二极管D1的负极、所述功率开关管Q1的源极和所述功率开关管Q2的漏极共点连接；所述续流二极管D2的正极、所述功率开关管Q3的源极和所述功率开关管Q4的漏极共点连接；所述续流二极管D1的正极与所述续流二极管D2的负极连接；
所述功率开关管Q1的漏极作为所述三电平桥臂的第一输入端，所述功率开关管Q4的源极作为所述三电平桥臂的第二输入端，所述续流二极管D1的正极与所述续流二极管D2的负极的连接点作为所述三电平桥臂的第三输入端，所述功率开关管Q2的源极与所述功率开关管Q3的漏极的连接点作为所述三电平桥臂的输出端。
5.根据权利要求1所述的谐振型DC-DC变换器，其特征在于，所述两电平桥臂包括：功率开关管Q5和功率开关管Q6；
所述功率开关管Q5的漏极分别与所述超级电容的正极、所述输入分压电容电路的一端和所述三电平桥臂的第一输入端连接；所述功率开关管Q5的源极与所述功率开关管Q6的漏极连接；所述功率开关管Q6的源极分别与所述超级电容的负极、所述输入分压电容电路的另一端和所述三电平桥臂的第二输入端连接；
所述功率开关管Q5的漏极作为所述两电平桥臂的第一输入端，所述功率开关管Q6的源极作为所述两电平桥臂的第二输入端，所述功率开关管Q5的源极与所述功率开关管Q6的漏极的连接点作为所述两电平桥臂的输出端。
6.根据权利要求1所述的谐振型DC-DC变换器，其特征在于，所述串联谐振单元包括：电容CR和电感LR；
所述电容CR的一端与所述三电平桥臂的输出端连接，所述电容CR的另一端与所述电感LR的一端连接，所述电感LR的另一端与所述变压器的原边线圈的一端连接。
7.根据权利要求1所述的谐振型DC-DC变换器，其特征在于，所述变压器的变比为n:1。
8.根据权利要求1所述的谐振型DC-DC变换器，其特征在于，所述桥式整流单元包括：功率开关管Q7、功率开关管Q8、功率开关管Q9和功率开关管Q10；
所述功率开关管Q7的漏极与所述直流母线的正极连接，所述功率开关管Q7的源极与所述功率开关管Q8的漏极连接；所述功率开关管Q8的源极与所述直流母线的负极连接；
所述功率开关管Q9的漏极与所述直流母线的正极连接，所述功率开关管Q9的源极与所述功率开关管Q10的漏极连接；所述功率开关管Q10的源极与所述直流母线的负极连接；
所述功率开关管Q7的源极与所述功率开关管Q8的漏极的连接点作为所述桥式整流单元的第一输入端，所述功率开关管Q9的源极与所述功率开关管Q10的漏极的连接点作为所述桥式整流单元的第二输入端，所述功率开关管Q9的漏极和所述功率开关管Q10的源极作为所述桥式整流单元的输出端。
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