CN112993971B - 一种具有抑制直流电压不平衡功能的双极性双向dc-dc变流器 - Google Patents
一种具有抑制直流电压不平衡功能的双极性双向dc-dc变流器 Download PDFInfo
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Abstract
本发明公开了一种具有抑制直流电压不平衡功能的双极性双向DC‑DC变流器，属于电力电子领域。所述双极性双向DC‑DC变流器主要包括：第一变流电路、第二变流电路、检测电路和控制电路；控制电路根据检测电路检测到的第一至第四直流电压、两个直流电感中的电流发送开关控制信号控制第一变流电路和第二变流电路的工作状态。本发明采用双输入双输出双极性结构，对功率具有双向调节的功能，尤其是具有抑制直流电压不平衡功能，适用于直流微电网和储能等系统中。
Description
技术领域
本发明涉及一种双极性双向DC-DC变流器，特别涉及一种具有抑制直流电压不平衡功能的四端口DC-DC变流器。
背景技术
近年来，随着直流负载的增多和电力电子技术的成熟，直流微电网以及利用直流微电网的低压直流(low voltage direct current，LVDC) 供电方式得到了越来越多的关注。相比交流系统保护已经建立了完善的理论体系与技术规范，直流微电网保护当前还缺乏相关的技术标准规范、执行准则和实际操作经验。
直流系统接地型式对系统电气安全的重要指标——电击防护性能具有决定作用。目前，直流微电网一般采用双线制传输电能，不存在电压为0V的中线。为了提高系统的安全性，必须要在直流微电网接入末端系统的前端构造中线，形成直流双极性三线制供电方式。与两线制直流供电结构相比，双极性三线制直流供电结构除了可以提供系统安全地线外，还可以降低母线对地电压等级，提高直流系统供电灵活性和可靠性，同时可以适应不同电压等级分布式电源、储能系统及负荷的接入。所以，双极性三线制直流供电结构具有很大的发展前景。
为了提高系统的稳定性和可靠性，直流微电网中通常配有储能单元。根据中线的出线形式不同，双极性三线制供电系统与储能单元主要有三种连接方式。第一种连接方式如图1所示，两个储能单元通过两个双向DC-DC变流器与直流系统相连，两个双向DC-DC变流器共用一极直流母线，直流系统内部为两个独立供电回路，可靠性较高，但需要两套全功率电力电子变流装置，成本较高。第二种连接方式如图2所示，DC-DC变流器的一侧连接储能单元，另一侧通过直流母线电容中点引出中线。该结构的不足之处是在正、负极间分布式电源或负荷不平衡的情况下，对于常规两电平变流器或独立直流微电网来说，则无法实现直流正负极母线电压对称。为解决上述问题，可以在DC-DC 变流器的直流微电网侧通过如图3所示的电压平衡器构成双极性三线制系统。电压平衡器虽然可以对正、负直流母线电压进行调节，但同时会增加系统的成本和体积。
针对现有双极性三线制供电系统与储能单元之间接口的不足之处，有必要提出一种具有抑制直流电压不平衡功能的双极性双向 DC-DC变流器。
发明内容
本发明的目的在于提出一种具有抑制直流电压不平衡功能的双极性双向DC-DC变流器；本发明的DC-DC变流器将两个两端口的双向 buck/boost变流器集成为一个共用地线的四端口双向buck/boost变流器，同时将两个直流电感换成一个耦合电感，不仅有助于降低变流器的成本与体积，提高系统功率密度，还可以对端口之间的能量进行灵活调节，有效抑制直流电压的不平衡。
本发明提供了一种具有抑制直流电压不平衡功能的双极性双向 DC-DC变流器，包括：第一变流电路、第二变流电路、检测电路和控制电路；
所述第一变流电路包括第一直流电源、第一平波电容、第一电感、第一功率开关、第二功率开关、第三功率开关、第四功率开关、第三平波电容和第三直流电源；所述第一平波电容的第一端分别与第一直流电源的正极和第一电感的第一端相连，第一电感的第二端分别与第一功率开关的第一端和第三功率开关的第一端相连，第一功率开关的第二端与第二功率开关的第二端相连，第三功率开关的第二端与第四功率开关的第二端相连，第四功率开关的第一端分别与第三平波电容的第一端和第三直流电源的正极相连，第一直流电源的负极分别与第一平波电容的第二端、第二功率开关的第一端、第三平波电容的第二端和第三直流电源的负极相连且接地；
所述第二变流电路包括第二直流电源、第二平波电容、第二电感、第五功率开关、第六功率开关、第七功率开关、第八功率开关、第四平波电容和第四直流电源；所述第二平波电容的第二端分别与第二直流电源的负极和第二电感的第一端相连，第二电感的第二端分别与第六功率开关的第一端和第七功率开关的第一端相连，第六功率开关的第二端与第五功率开关的第二端相连，第七功率开关的第二端与第八功率开关的第二端相连，第八功率开关的第一端分别与第四平波电容的第二端和第四直流电源的负极相连，第二直流电源的正极分别与第二平波电容的第一端、第五功率开关的第一端、第四平波电容的第一端和第四直流电源的正极相连且接地；
所述第一电感与第二电感互相耦合，并且存在两种耦合方式，即第一电感的第一端与第二电感的第二端为同名端，或者第一电感的第一端与第二电感的第一端为同名端；
所述检测电路用于检测第一变流电路的第一直流电压、第三直流电压、第一电感中的电流、第二变流电路的第二直流电压、第四直流电压和第二电感中的电流，并反馈给控制电路；
所述控制电路用于根据所述第一至第四直流电压和第一、第二电感中的电流发送开关控制信号给第一至第八功率开关的受控端；
若第一电感的第一端与第二电感的第二端为同名端，所述控制电路当确定第三直流电源和第四直流电源需要功率支持时：控制第一、第二变流电路工作在升压状态，且第一直流电源向第三直流电源提供功率，第二直流电源向第四直流电源提供功率。
若第一电感的第一端与第二电感的第二端为同名端，所述控制电路当确定第一直流电源和第二直流电源需要功率支持时：控制第一、第二变流电路工作在降压状态，且第三直流电源向第一直流电源提供功率，第四直流电源向第二直流电源提供功率。
若第一电感的第一端与第二电感的第二端为同名端，所述控制电路当确定第三直流电压和第四直流电压不平衡需要调节，且第三直流电压大于第四直流电压时，则第三直流电源向第一直流电源提供功率，并且第三直流电源通过第一电感储能，然后以反激的方式向第二直流电源提供功率。
若第一电感的第一端与第二电感的第二端为同名端，所述控制电路当确定第三直流电压和第四直流电压不平衡需要调节，且第三直流电压小于第四直流电压时，则第四直流电源向第二直流电源提供功率，并且第四直流电源通过第二电感储能，然后以反激的方式向第一直流电源提供功率。
若第一电感的第一端与第二电感的第一端为同名端，所述控制电路当确定第三直流电源和第四直流电源需要功率支持时：控制第一、第二变流电路工作在升压状态，且第一直流电源向第三直流电源提供功率，第二直流电源向第四直流电源提供功率。
若第一电感的第一端与第二电感的第一端为同名端，所述控制电路当确定第一直流电源和第二直流电源需要功率支持时：控制第一、第二变流电路工作在降压状态，且第三直流电源向第一直流电源提供功率，第四直流电源向第二直流电源提供功率。
若第一电感的第一端与第二电感的第一端为同名端，所述控制电路当确定第一直流电压和第二直流电压不平衡需要调节，且第一直流电压大于第二直流电压时，则第一直流电源通过第一电感储能，然后以反激的方式向第二直流电源提供功率。
若第一电感的第一端与第二电感的第一端为同名端，所述控制电路当确定第一直流电压和第二直流电压不平衡需要调节，且第一直流电压小于第二直流电压时，则第二直流电源通过第二电感储能，然后以反激的方式向第一直流电源提供功率。
优选的，所述的具有抑制直流电压不平衡功能的双极性双向DC-DC变流器，且第一电感的第一端与第二电感的第二端为同名端，所述控制电路当确定第三直流电源和第四直流电源需要功率支持时：
第一直流电源向第三直流电源提供功率，使第一功率开关高频工作，第二功率开关和第三功率开关闭合，第四功率开关断开；
第二直流电源向第四直流电源提供功率，使第五功率开关高频工作，第六功率开关和第八功率开关闭合，第七功率开关断开。
优选的，所述的具有抑制直流电压不平衡功能的双极性双向 DC-DC变流器，且第一电感的第一端与第二电感的第二端为同名端，所述控制电路当确定第一直流电源和第二直流电源需要功率支持时：
第三直流电源向第一直流电源提供功率，使第四功率开关高频工作，第二功率开关和第三功率开关闭合，第一功率开关断开；
第四直流电源向第二直流电源提供功率，使第七功率开关高频工作，第六功率开关和第八功率开关闭合，第五功率开关断开。
优选的，所述的具有抑制直流电压不平衡功能的双极性双向 DC-DC变流器，且第一电感的第一端与第二电感的第二端为同名端，所述控制电路当确定第三直流电压和第四直流电压不平衡需要调节，且第三直流电压大于第四直流电压时：
第三直流电源向第一直流电源提供功率，使第四功率开关高频工作，第二功率开关和第三功率开关闭合，第一功率开关断开；
第三直流电源向第二直流电源提供功率，使第四功率开关高频工作，第三功率开关闭合，第一、第二功率开关断开。第六功率开关闭合，第五、第七、第八功率开关断开。其中在第四功率开关闭合时间内，第三直流电源给第一电感和第一直流电源提供电能，第一电感进行储能；在第四功率开关断开时间内，储存在第一电感中的能量通过反激的方式提供给第二直流电源。
优选的，所述的具有抑制直流电压不平衡功能的双极性双向 DC-DC变流器，且第一电感的第一端与第二电感的第二端为同名端，所述控制电路当确定第三直流电压和第四直流电压不平衡需要调节，且第三直流电压小于第四直流电压时：
第四直流电源向第一直流电源提供功率，使第七功率开关高频工作，第八功率开关闭合，第五、六功率开关断开。第二功率开关闭合，第一、第三、第四功率开关断开。其中在第七功率开关闭合时间内，第四直流电源给第二电感和第二直流电源提供电能，第二电感进行储能；在第七功率开关断开时间内，储存在第二电感中的能量通过反激的方式提供给第一直流电源；
第四直流电源向第二直流电源提供功率，使第七功率开关高频工作，第六功率开关和第八功率开关闭合，第五功率开关断开。
优选的，所述的具有抑制直流电压不平衡功能的双极性双向 DC-DC变流器，且第一电感的第一端与第二电感的第一端为同名端，所述控制电路当确定第三直流电源和第四直流电源需要功率支持时：
第一直流电源向第三直流电源提供功率，使第一功率开关高频工作，第二功率开关和第三功率开关闭合，第四功率开关断开；
第二直流电源向第四直流电源提供功率，使第五功率开关高频工作，第六功率开关和第八功率开关闭合，第七功率开关断开。
优选的，所述的具有抑制直流电压不平衡功能的双极性双向 DC-DC变流器，且第一电感的第一端与第二电感的第一端为同名端，所述控制电路当确定第一直流电源和第二直流电源需要功率支持时：
第三直流电源向第一直流电源提供功率，使第四功率开关高频工作，第二功率开关和第三功率开关闭合，第一功率开关断开；
第四直流电源向第二直流电源提供功率，使第七功率开关高频工作，第六功率开关和第八功率开关闭合，第五功率开关断开。
优选的，所述的具有抑制直流电压不平衡功能的双极性双向 DC-DC变流器，且第一电感的第一端与第二电感的第一端为同名端，所述控制电路当确定第一直流电压和第二直流电压不平衡需要调节，且第一直流电压大于第二直流电压时：
第一直流电源向第二直流电源提供功率，使第一功率开关高频工作，第二功率开关闭合，第三、第四功率开关断开。第六功率开关闭合，第五、第七、第八功率开关断开。其中在第一功率开关闭合时间内，第一直流电源给第一电感提供电能，第一电感进行储能；在第一功率开关断开时间内，储存在第一电感中的能量通过反激的方式提供给第二直流电源。
优选的，所述的具有抑制直流电压不平衡功能的双极性双向 DC-DC变流器，且第一电感的第一端与第二电感的第一端为同名端，所述控制电路当确定第一直流电压和第二直流电压不平衡需要调节，且第一直流电压小于第二直流电压时：
第二直流电源向第一直流电源提供功率，使第五功率开关高频工作，第六功率开关闭合，第七、第八功率开关断开。第二功率开关闭合，第一、第三、第四功率开关断开。其中在第五功率开关闭合时间内，第二直流电源给第二电感提供电能，第二电感进行储能；在第五功率开关断开时间内，储存在第二电感中的能量通过反激的方式提供给第一直流电源。
优选的，当第一直流电源给第三直流电源提供功率时，控制第一变流电路工作于升压状态；当第三直流电源给第一直流电源提供功率时，控制第一变流电路工作于降压状态。
优选的，当第二直流电源给第四直流电源提供功率时，控制第二变流电路工作于升压状态；当第四直流电源给第二直流电源提供功率时，控制第二变流电路工作于降压状态。
优选的，当第一直流电源和第二直流电源、或者第三直流电源和第四直流电源之间存在电压不平衡需要进行调节时，控制双极性双向 DC-DC变流器工作于均压状态。
优选的，第一功率开关至第八功率开关为MOS型场效应管、绝缘栅双极型晶体管或集成门极换流晶闸管。
优选的，第一电感的第一端与第二电感的第二端为同名端时，第三功率开关和第八功率开关可以省略。
优选的，第一电感的第一端与第二电感的第一端为同名端时，第二功率开关和第六功率开关可以省略。
优选的，在电压平衡调节能力要求不高的场合，第二功率开关、第三功率开关、第六功率开关和第八功率开关可以省略；
优选的，第一功率开关和第二功率开关、第三功率开关和第四功率开关、第五功率开关和第六功率开关、第七功率开关和第八功率开关分别可以集成为一个整体。
本发明的具有抑制直流电压不平衡功能的四端口双极性双向 DC-DC变流器，将第一电感与第二电感进行耦合，并由控制电路根据第一至第四直流电压、第一电感中的电流和第二电感中的电流，对第一至第八功率开关的状态进行控制，从而控制第一至第四直流电源之间的能量流动；并且本发明的DC-DC变流器第一电感与第二电感共用磁芯，可以节省成本与体积；耦合电感的耦合方式确定以后，可以省去两个功率开关，可以进一步降低成本；另外，本发明的DC-DC变流器通过耦合电感为第一变流电路和第二变流电路提供了能量交换通道，可以用来调节第一直流电压与第二直流电压的平衡，或者第三直流电压与第四直流电压的平衡，不需要额外的电压平衡装置。
附图说明
通过以下参照附图而提供的具体实施方式部分，本发明的特征和优点将变得更加容易理解，在附图中：
图1为现有技术基于两个DC-DC变流器的双极性三线制直流供电结构；
图2为现有技术基于分裂母线电容的双极性三线制直流供电结构；
图3为现有技术基于电压平衡器的双极性三线制直流供电结构；
图4为本发明实施例的具有抑制直流电压不平衡功能的双极性双向DC-DC变流器，且第一电感的第一端与第二电感的第二端为同名端的部分电路示意图；
图5为本发明实施例的具有抑制直流电压不平衡功能的双极性双向DC-DC变流器，且第一电感的第一端与第二电感的第一端为同名端的部分电路示意图；
图6为本发明实施例的具有抑制直流电压不平衡功能的双极性双向DC-DC变流器的控制电路和检测电路的示意图；
100、第一变流电路；200、第二变流电路；300、检测电路；400、控制电路；E1、第一直流电源；C1、第一平波电容；LP、第一电感； S1、第一功率开关；S2、第二功率开关；S3、第三功率开关；S4、第四功率开关；C3、第三平波电容；E3、第三直流电源；E2、第二直流电源；C2、第二平波电容；LN、第二电感；S5、第五功率开关；S6、第六功率开关；S7、第七功率开关；S8、第八功率开关；C4、第四平波电容； E4、第四直流电源。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，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，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，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的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。
针对现有技术中双极性三线制供电系统与储能单元之间接口存在的缺陷，本发明提供了一种具有抑制直流电压不平衡功能的双极性双向DC-DC变流器。本发明的主要思路是，将第一变流电路中的第一电感和第二变流电路中的第二电感进行耦合，并且第一电感的第一端与第二电感的第二端为同名端，或者第一电感的第一端与第二电感的第一端为同名端；然后，控制电路根据检测电路检测获得的第一至第四直流电压和第一、第二电感中的电流，对第一至第八功率开关的状态进行控制，调节四个直流端口之间的功率流动与分配，从而既具有传统双向DC-DC变流器的功能，又可以控制DC-DC变流器的第一、第二直流电压的平衡，或者第三、第四直流电压的平衡。
下面结合附图4-6对本发明的实施例进行详细说明。图4-6分别示出了本发明实施例的具有抑制直流电压不平衡功能的双极性双向 DC-DC变流器的部分结构示意图。本发明实施例的DC-DC变流器包括：第一变流电路100、第二变流电路200、检测电路300和控制电路400。
第一变流电路100包括第一直流电源E1、第一平波电容C1、第一电感LP、第一功率开关S1、第二功率开关S2、第三功率开关S3、第四功率开关S4、第三平波电容C3和第三直流电源E3。第一平波电容C1的第一端分别与第一直流电源E1的正极和第一电感LP的第一端相连，第一电感LP的第二端分别与第一功率开关S1的第一端和第三功率开关 S3的第一端相连，第一功率开关S1的第二端与第二功率开关S2的第二端相连，第三功率开关S3的第二端与第四功率开关S4的第二端相连，第四功率开关S4的第一端分别与第三平波电容C3的第一端和第三直流电源E3的正极相连，第一直流电源E1的负极分别与第一平波电容C1的第二端、第二功率开关S2的第一端、第三平波电容C3的第二端和第三直流电源E3的负极相连且接地。
第二变流电路200包括第二直流电源E2、第二平波电容C2、第二电感LN、第五功率开关S5、第六功率开关S6、第七功率开关S7、第八功率开关S8、第四平波电容C4和第四直流电源E4。第二平波电容C2的第二端分别与第二直流电源E2的负极和第二电感LN的第一端相连，第二电感LN的第二端分别与第六功率开关S6的第一端和第七功率开关 S7的第一端相连，第六功率开关S6的第二端与第五功率开关S5的第二端相连，第七功率开关S7的第二端与第八功率开关S8的第二端相连，第八功率开关S8的第一端分别与第四平波电容C4的第二端和第四直流电源E4的负极相连，第二直流电源E2的正极分别与第二平波电容C2的第一端、第五功率开关S5的第一端、第四平波电容C4的第一端和第四直流电源E4的正极相连且接地。
第一电感LP与第二电感LN互相耦合，并且存在两种耦合方式，即第一电感LP的第一端与第二电感LN的第二端为同名端，或者第一电感 LP的第一端与第二电感LN的第一端为同名端。
检测电路300用于检测第一变流电路100的第一直流电压E1、第二直流电压E2、第一电感中的电流iLP、第二变流电路200的第三直流电压E3和第四直流电压E4、第二电感中的电流iLN，并将检测的第一直流电压E1、第二直流电压E2、第一电感中的电流iLP、第三直流电压E3、第四直流电压E4、第二电感中的电流iLN发送至控制电路400。
控制电路400用于根据检测电路300检测的第一直流电压E1、第二直流电压E2、第一电感中的电流iLP、第三直流电压E3、第四直流电压E4、第二电感中的电流iLN发送开关控制信号给第一至第八功率开关的受控端。其中，包括以下工作模式：升压模式、降压模式和均压模式。
优选的，控制电路400在发送开关控制信号时，还用于根据电路参数确定开关控制信号的占空比。具体地：
升压模式下，第一电感的第一端与第二电感的第二端为同名端，或第一电感的第一端与第二电感的第一端为同名端，控制电路400用于将第三直流电压E3与参考直流电压Ehigh_ref进行比较，将其误差送给第一变流电路的升压-电压外环控制器；第一变流电路的升压-电压外环控制器的输出结果乘以一个系数再和反馈回的第一电感中的电流iLP进行比较，将其误差送给第一变流电路的升压-电流内环控制器；最后控制电路400根据第一变流电路的升压-电流内环控制器的输出结果确定第一变流电路中开关控制信号的占空比。
控制电路400用于将第四直流电压E4与参考直流电压Ehigh_ref进行比较，将其误差送给第二变流电路的升压-电压外环控制器；第二变流电路的升压-电压外环控制器的输出结果乘以一个系数再和反馈回的第二电感中的电流iLN进行比较，将其误差送给第二变流电路的升压-电流内环控制器；最后控制电路400根据第二变流电路的升压-电流内环控制器的输出结果确定第二变流电路中开关控制信号的占空比。
降压模式下，第一电感的第一端与第二电感的第二端为同名端，或第一电感的第一端与第二电感的第一端为同名端，控制电路400用于将第一直流电压E1与参考直流电压Elow_ref进行比较，将其误差送给第一变流电路的降压-电压外环控制器；第一变流电路的降压-电压外环控制器的输出结果乘以一个系数再和反馈回的第一电感中的电流iLP进行比较，将其误差送给第一变流电路的降压-电流内环控制器；最后控制电路400根据第一变流电路的降压-电流内环控制器的输出结果确定第一变流电路中开关控制信号的占空比。
控制电路400用于将第二直流电压E2与参考直流电压Elow_ref进行比较，将其误差送给第二变流电路的降压-电压外环控制器；第二变流电路的降压-电压外环控制器的输出结果乘以一个系数再和反馈回的第二电感中的电流iLN进行比较，将其误差送给第二变流电路的降压-电流内环控制器；最后控制电路400根据第二变流电路的降压-电流内环控制器的输出结果确定第二变流电路中开关控制信号的占空比。
均压模式下，若第一电感的第一端与第二电感的第二端为同名端，当确定第三直流电压和第四直流电压不平衡需要调节，且第三直流电压大于第四直流电压时，在降压模式条件下，控制电路400用来控制第三直流电源向第一直流电源提供功率，并且第三直流电源通过第一电感储能，然后以反激的方式向第二直流电源提供功率。
均压模式下，若第一电感的第一端与第二电感的第二端为同名端，当确定第三直流电压和第四直流电压不平衡需要调节，且第三直流电压小于第四直流电压时，在降压模式条件下，控制电路400用来控制第四直流电源向第二直流电源提供功率，并且第四直流电源通过第二电感储能，然后以反激的方式向第一直流电源提供功率。
均压模式下，若第一电感的第一端与第二电感的第一端为同名端，当确定第一直流电压和第二直流电压不平衡需要调节，且第一直流电压大于第二直流电压时，控制电路400用于将第二直流电压E2与参考直流电压Elow_ref进行比较，将其误差送给第二变流电路的均压-电压外环控制器；第二变流电路的均压-电压外环控制器的输出结果乘以一个系数再和反馈回的第一电感中的电流iLP进行比较，将其误差送给第一变流电路的均压-电流内环控制器；最后控制电路400根据第一变流电路的均压-电流内环控制器的输出结果确定第一变流电路中开关控制信号的占空比。
均压模式下，若第一电感的第一端与第二电感的第一端为同名端，所述控制电路当确定第一直流电压和第二直流电压不平衡需要调节，且第一直流电压小于第二直流电压时，控制电路400用于将第一直流电压E1与参考直流电压Elow_ref进行比较，将其误差送给第一变流电路的均压-电压外环控制器；第一变流电路的均压-电压外环控制器的输出结果乘以一个系数再和反馈回的第二电感中的电流iLN进行比较，将其误差送给第二变流电路的均压-电流内环控制器；最后控制电路400根据第二变流电路的均压-电流内环控制器的输出结果确定第二变流电路中开关控制信号的占空比。
下面对本发明的各种模式进行详细介绍。
一、升压模式
优选的，第一电感的第一端与第二电感的第二端为同名端，或第一电感的第一端与第二电感的第一端为同名端，控制电路400当确定第三直流电源E3和第四直流电源E4需要功率支持时进行以下操作：
第一直流电源E1向第三直流电源E3提供功率，使第一功率开关 S1高频工作，第二功率开关S2和第三功率开关S3闭合，第四功率开关 S4断开。
第二直流电源E2向第四直流电源E4提供功率，使第五功率开关 S5高频工作，第六功率开关S6和第八功率开关S8闭合，第七功率开关 S7断开。
二、降压模式
优选的，第一电感的第一端与第二电感的第二端为同名端，或第一电感的第一端与第二电感的第一端为同名端，控制电路400当确定第一直流电源E1和第二直流电源E2需要功率支持时进行以下操作：
第三直流电源E3向第一直流电源E1提供功率，使第四功率开关 S4高频工作，第二功率开关S2和第三功率开关S3闭合，第一功率开关 S1断开。
第四直流电源E4向第二直流电源E2提供功率，使第七功率开关 S7高频工作，第六功率开关S6和第八功率开关S8闭合，第五功率开关 S5断开。
三、均压模式
优选的，若第一电感LP的第一端与第二电感LN的第二端为同名端，控制电路400当确定第三直流电压E3和第四直流电压E4不平衡需要调节，且第三直流电压E3大于第四直流电压E4时进行以下操作：
第三直流电源E3向第一直流电源E1提供功率，使第四功率开关 S4高频工作，第二功率开关S2和第三功率开关S3闭合，第一功率开关 S1断开。
第三直流电源E3向第二直流电源E2提供功率，使第四功率开关 S4高频工作，第三功率开关S3闭合，第一、第二功率开关S1、S2断开。第六功率开关S6闭合，第五、第七、第八功率开关S5、S7、S8断开。其中在第四功率开关S4闭合时间内，第三直流电源E3给第一电感LP和第一直流电源E1提供电能，第一电感LP进行储能；在第四功率开关 S4断开时间内，储存在第一电感LP中的能量通过反激的方式提供给第二直流电源E2。
优选的，若第一电感LP的第一端与第二电感LN的第二端为同名端，控制电路400当确定第三直流电压E3和第四直流电压E4不平衡需要调节，且第三直流电压E3小于第四直流电压E4时进行以下操作：
第四直流电源E4向第一直流电源E1提供功率，使第七功率开关 S7高频工作，第八功率开关S8闭合，第五、六功率开关S5、S6断开。第二功率开关S2闭合，第一、第三、第四功率开关S1、S3、S4断开。其中在第七功率开关S7闭合时间内，第四直流电源E4给第二电感LN和第二直流电源E2提供电能，第二电感LN进行储能；在第七功率开关 S7断开时间内，储存在第二电感LN中的能量通过反激的方式提供给第一直流电源E1；
第四直流电源E4向第二直流电源E2提供功率，使第七功率开关 S7高频工作，第六功率开关S6和第八功率开关S8闭合，第五功率开关 S5断开。
优选的，若第一电感LP的第一端与第二电感LN的第一端为同名端，控制电路400当确定第一直流电压E1和第二直流电压E2不平衡需要调节，且第一直流电压E1大于第二直流电压E2时进行以下操作：
第一直流电源E1向第二直流电源E2提供功率，使第一功率开关 S1高频工作，第二功率开关S2闭合，第三、第四功率开关S3、S4断开。第六功率开关S6闭合，第五、第七、第八功率开关S5、S7、S8断开。其中在第一功率开关S1闭合时间内，第一直流电源E1给第一电感LP提供电能，第一电感LP进行储能；在第一功率开关S1断开时间内，储存在第一电感LP中的能量通过反激的方式提供给第二直流电源E2。
优选的，若第一电感LP的第一端与第二电感LN的第一端为同名端，控制电路400当确定第一直流电压E1和第二直流电压E2不平衡需要调节，且第一直流电压E1小于第二直流电压E2时进行以下操作：
第二直流电源E2向第一直流电源E1提供功率，使第五功率开关 S5高频工作，第六功率开关S6闭合，第七、第八功率开关S7、S8断开。第二功率开关S2闭合，第一、第三、第四功率开关S1、S3、S4断开。其中在第五功率开关S5闭合时间内，第二直流电源E2给第二电感LN提供电能，第二电感LN进行储能；在第五功率开关S5断开时间内，储存在第二电感LN中的能量通过反激的方式提供给第一直流电源E1。
本发明实施例中，第一至第八功率开关可以为MOS型场效应管 (MOSFET)、绝缘栅双极型晶体管(IGBT)或集成门极换流晶闸管(IGCT)等。优选的，第一功率开关至第八功率开关为N沟道MOS 型场效应管(MOSFET)。通过采用MOS型场效应管作为开关器件，可以进一步降低导通损耗。优选的，第一电感的第一端与第二电感的第二端为同名端时，第三功率开关和第八功率开关可以省略。优选的，第一电感的第一端与第二电感的第一端为同名端时，第二功率开关和第六功率开关可以省略。优选的，在电压平衡调节能力要求不高的场合，第二功率开关、第三功率开关、第六功率开关和第八功率开关可以省略；优选的，第一功率开关和第二功率开关、第三功率开关和第四功率开关、第五功率开关和第六功率开关、第七功率开关和第八功率开关分别可以集成为一个整体。
本发明实施例中，通过将第一电感与第二电感进行耦合，通过检测电路检测获得第一变流电路的第一直流电压、第三直流电压、第一电感中的电流、第二变流电路的第二直流电压、第四直流电压和第二电感中的电流，然后通过控制电路控制第一至第八功率开关的状态，从而可以在各种工况下保障DC-DC变流器的正常运行，尤其是耦合电感为第一变流电路和第二变流电路提供了能量交换通道，可以用来调节第一直流电压与第二直流电压的平衡，或者第三直流电压与第四直流电压的平衡，不需要额外的电压平衡装置，非常适合作为双极性三线制直流电接口。
最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。
Claims (11)
1.一种具有抑制直流电压不平衡功能的双极性双向DC-DC变流器，其特征在于，所述双极性双向DC-DC变流器主要包括：第一变流电路、第二变流电路、检测电路和控制电路；
所述第一变流电路包括第一直流电源、第一平波电容、第一电感、第一功率开关、第二功率开关、第三功率开关、第四功率开关第三平波电容和第三直流电源；所述第一平波电容的第一端分别与第一直流电源的正极和第一电感的第一端相连，第一电感的第二端分别与第一功率开关的第一端和第三功率开关的第一端相连，第一功率开关的第二端与第二功率开关的第二端相连，第三功率开关的第二端与第四功率开关的第二端相连，第四功率开关的第一端分别与第三平波电容的第一端和第三直流电源的正极相连，第一直流电源的负极分别与第一平波电容的第二端、第二功率开关的第一端、第三平波电容的第二端和第三直流电源的负极相连且接地；
所述第二变流电路包括第二直流电源、第二平波电容、第二电感、第五功率开关、第六功率开关、第七功率开关、第八功率开关、第四平波电容和第四直流电源；所述第二平波电容的第二端分别与第二直流电源的负极和第二电感的第一端相连，第二电感的第二端分别与第六功率开关的第一端和第七功率开关的第一端相连，第六功率开关的第二端与第五功率开关的第二端相连，第七功率开关的第二端与第八功率开关的第二端相连，第八功率开关的第一端分别与第四平波电容的第二端和第四直流电源的负极相连，第二直流电源的正极分别与第二平波电容的第一端、第五功率开关的第一端、第四平波电容的第一端和第四直流电源的正极相连且接地；
所述第一电感与第二电感互相耦合，并且存在两种耦合方式，即第一电感的第一端与第二电感的第二端为同名端，或者第一电感的第一端与第二电感的第一端为同名端；
所述检测电路用于检测第一变流电路的第一直流电压、第三直流电压、第一电感中的电流、第二变流电路的第二直流电压、第四直流电压和第二电感中的电流，并反馈给控制电路；
所述控制电路用于根据所述第一至第四直流电压和第一、第二电感中的电流发送开关控制信号给第一至第八功率开关的受控端；
若第一电感的第一端与第二电感的第二端为同名端，所述控制电路当确定第三直流电源和第四直流电源需要功率支持时：控制第一、第二变流电路工作在升压状态，且第一直流电源向第三直流电源提供功率，第二直流电源向第四直流电源提供功率；
若第一电感的第一端与第二电感的第二端为同名端，所述控制电路当确定第一直流电源和第二直流电源需要功率支持时：控制第一、第二变流电路工作在降压状态，且第三直流电源向第一直流电源提供功率，第四直流电源向第二直流电源提供功率；
若第一电感的第一端与第二电感的第二端为同名端，所述控制电路当确定第三直流电压和第四直流电压不平衡需要调节，且第三直流电压大于第四直流电压时，则第三直流电源向第一直流电源提供功率，并且第三直流电源通过第一电感储能，然后以反激的方式向第二直流电源提供功率；
若第一电感的第一端与第二电感的第二端为同名端，所述控制电路当确定第三直流电压和第四直流电压不平衡需要调节，且第三直流电压小于第四直流电压时，则第四直流电源向第二直流电源提供功率，并且第四直流电源通过第二电感储能，然后以反激的方式向第一直流电源提供功率；
若第一电感的第一端与第二电感的第一端为同名端，所述控制电路当确定第三直流电源和第四直流电源需要功率支持时：控制第一、第二变流电路工作在升压状态，且第一直流电源向第三直流电源提供功率，第二直流电源向第四直流电源提供功率；
若第一电感的第一端与第二电感的第一端为同名端，所述控制电路当确定第一直流电源和第二直流电源需要功率支持时：控制第一、第二变流电路工作在降压状态，且第三直流电源向第一直流电源提供功率，第四直流电源向第二直流电源提供功率；
若第一电感的第一端与第二电感的第一端为同名端，所述控制电路当确定第一直流电压和第二直流电压不平衡需要调节，且第一直流电压大于第二直流电压时，则第一直流电源通过第一电感储能，然后以反激的方式向第二直流电源提供功率；
若第一电感的第一端与第二电感的第一端为同名端，所述控制电路当确定第一直流电压和第二直流电压不平衡需要调节，且第一直流电压小于第二直流电压时，则第二直流电源通过第二电感储能，然后以反激的方式向第一直流电源提供功率。
2.根据权利要求1所述的具有抑制直流电压不平衡功能的双极性双向DC-DC变流器，且第一电感的第一端与第二电感的第二端为同名端，其特征在于，所述控制电路当确定第三直流电源和第四直流电源需要功率支持时：
第一直流电源向第三直流电源提供功率，使第一功率开关高频工作，第二功率开关和第三功率开关闭合，第四功率开关断开；
第二直流电源向第四直流电源提供功率，使第五功率开关高频工作，第六功率开关和第八功率开关闭合，第七功率开关断开。
3.根据权利要求1所述的具有抑制直流电压不平衡功能的双极性双向DC-DC变流器，且第一电感的第一端与第二电感的第二端为同名端，其特征在于，所述控制电路当确定第一直流电源和第二直流电源需要功率支持时：
第三直流电源向第一直流电源提供功率，使第四功率开关高频工作，第二功率开关和第三功率开关闭合，第一功率开关断开；
第四直流电源向第二直流电源提供功率，使第七功率开关高频工作，第六功率开关和第八功率开关闭合，第五功率开关断开。
4.根据权利要求1所述的具有抑制直流电压不平衡功能的双极性双向DC-DC变流器，且第一电感的第一端与第二电感的第二端为同名端，其特征在于，所述控制电路当确定第三直流电压和第四直流电压不平衡需要调节，且第三直流电压大于第四直流电压时：
第三直流电源向第一直流电源提供功率，使第四功率开关高频工作，第二功率开关和第三功率开关闭合，第一功率开关断开；
第三直流电源向第二直流电源提供功率，使第四功率开关高频工作，第三功率开关闭合，第一、第二功率开关断开；第六功率开关闭合，第五、第七、第八功率开关断开；其中在第四功率开关闭合时间内，第三直流电源给第一电感和第一直流电源提供电能，第一电感进行储能；在第四功率开关断开时间内，储存在第一电感中的能量通过反激的方式提供给第二直流电源。
5.根据权利要求1所述的具有抑制直流电压不平衡功能的双极性双向DC-DC变流器，且第一电感的第一端与第二电感的第二端为同名端，其特征在于，所述控制电路当确定第三直流电压和第四直流电压不平衡需要调节，且第三直流电压小于第四直流电压时：
第四直流电源向第一直流电源提供功率，使第七功率开关高频工作，第八功率开关闭合，第五、六功率开关断开；第二功率开关闭合，第一、第三、第四功率开关断开；其中在第七功率开关闭合时间内，第四直流电源给第二电感和第二直流电源提供电能，第二电感进行储能；在第七功率开关断开时间内，储存在第二电感中的能量通过反激的方式提供给第一直流电源；
第四直流电源向第二直流电源提供功率，使第七功率开关高频工作，第六功率开关和第八功率开关闭合，第五功率开关断开。
6.根据权利要求1所述的具有抑制直流电压不平衡功能的双极性双向DC-DC变流器，且第一电感的第一端与第二电感的第一端为同名端，其特征在于，所述控制电路当确定第三直流电源和第四直流电源需要功率支持时：
第一直流电源向第三直流电源提供功率，使第一功率开关高频工作，第二功率开关和第三功率开关闭合，第四功率开关断开；
第二直流电源向第四直流电源提供功率，使第五功率开关高频工作，第六功率开关和第八功率开关闭合，第七功率开关断开。
7.根据权利要求1所述的具有抑制直流电压不平衡功能的双极性双向DC-DC变流器，且第一电感的第一端与第二电感的第一端为同名端，其特征在于，所述控制电路当确定第一直流电源和第二直流电源需要功率支持时：
第三直流电源向第一直流电源提供功率，使第四功率开关高频工作，第二功率开关和第三功率开关闭合，第一功率开关断开；
第四直流电源向第二直流电源提供功率，使第七功率开关高频工作，第六功率开关和第八功率开关闭合，第五功率开关断开。
8.根据权利要求1所述的具有抑制直流电压不平衡功能的双极性双向DC-DC变流器，且第一电感的第一端与第二电感的第一端为同名端，其特征在于，所述控制电路当确定第一直流电压和第二直流电压不平衡需要调节，且第一直流电压大于第二直流电压时：
第一直流电源向第二直流电源提供功率，使第一功率开关高频工作，第二功率开关闭合，第三、第四功率开关断开；第六功率开关闭合，第五、第七、第八功率开关断开；其中在第一功率开关闭合时间内，第一直流电源给第一电感提供电能，第一电感进行储能；在第一功率开关断开时间内，储存在第一电感中的能量通过反激的方式提供给第二直流电源。
9.根据权利要求1所述的具有抑制直流电压不平衡功能的双极性双向DC-DC变流器，且第一电感的第一端与第二电感的第一端为同名端，其特征在于，所述控制电路当确定第一直流电压和第二直流电压不平衡需要调节，且第一直流电压小于第二直流电压时：
第二直流电源向第一直流电源提供功率，使第五功率开关高频工作，第六功率开关闭合，第七、第八功率开关断开；第二功率开关闭合，第一、第三、第四功率开关断开；其中在第五功率开关闭合时间内，第二直流电源给第二电感提供电能，第二电感进行储能；在第五功率开关断开时间内，储存在第二电感中的能量通过反激的方式提供给第一直流电源。
10.根据权利要求1～9中任一项所述的具有抑制直流电压不平衡功能的双极性双向DC-DC变流器，其特征在于：
控制第一变流电路工作于升压状态和降压状态具体为：当第一直流电源给第三直流电源提供功率时，控制第一变流电路工作于升压状态；当第三直流电源给第一直流电源提供功率时，控制第一变流电路工作于降压状态；
控制第二变流电路工作于升压状态和降压状态具体为：当第二直流电源给第四直流电源提供功率时，控制第二变流电路工作于升压状态；当第四直流电源给第二直流电源提供功率时，控制第二变流电路工作于降压状态；
控制所述双极性双向DC-DC变流器工作于均压状态具体为：当第一直流电源和第二直流电源、或者第三直流电源和第四直流电源之间存在电压不平衡需要进行调节时，控制双极性双向DC-DC变流器工作于均压状态。
11.根据权利要求1～9中任一项所述的有抑制直流电压不平衡功能的双极性双向DC-DC变流器，其特征在于：
所述第一功率开关至第八功率开关为MOS型场效应管、绝缘栅双极型晶体管或集成门极换流晶闸管；和/或，第一电感的第一端与第二电感的第二端为同名端时，第三功率开关和第八功率开关可以省略；和/或，第一电感的第一端与第二电感的第一端为同名端时，第二功率开关和第六功率开关可以省略；和/或，在电压平衡调节能力要求不高的场合，第二功率开关、第三功率开关、第六功率开关和第八功率开关可以省略；和/或，第一功率开关和第二功率开关、第三功率开关和第四功率开关、第五功率开关和第六功率开关、第七功率开关和第八功率开关分别可以集成为一个整体。
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Legal Events
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|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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