CN113014087A - 一种耦合电感型开关准z源双向直流变换器 - Google Patents

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吕冬翔
张云
高胜寒
孙子路
李钊
呼文韬
李钏
朱立宏
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CETC 18 Research Institute
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Abstract

一种耦合电感型开关准Z源双向直流变换器，包括：低压侧滤波电容Clow、高压侧滤波电容Chigh、储能电容C1、储能电容C2、功率开关管Q1、功率开关管Q2、功率开关管Q3、耦合电感的第一相电感L1和第二相电感L2。本申请提供的一种耦合电感型开关准Z源双向直流变换器，利用开关准Z源结构实现较宽的电压增益范围，以满足变换器输入与输出端的电压匹配需求；并且通过对开关准Z源网络中的电感进行耦合设计，减小电感的自感量与磁芯体积，从而提高系统功率密度，满足不同场景下的储能装置使用需求。

Description

一种耦合电感型开关准Z源双向直流变换器
技术领域
本发明属于电力电子技术领域，具体涉及一种耦合电感型开关准Z源双向直流变换器。
背景技术
在电动汽车的能量源系统以及直流微电网等应用背景中，通过双向直流变换器实现储能单元与直流母线间的双向功率传输，因此双向直流变换器的电压增益范围、功率密度等特性直接影响着系统的运行性能。双向直流变换器可分为隔离和非隔离型。隔离型双向直流变换器可以调节变压器的匝比实现较高的电压增益，但往往电路结构复杂，所需元器件数量较多，变换器体积、重量也相对较大。非隔离型双向直流变换器所含器件较少，成本较低，其拓扑结构与控制策略相对简单，根据电路结构可分为多电平型、开关电容型、开关电感型、耦合电感型、准Z源型等。
非隔离型双向直流变换器中，多电平型直流变换器能够实现较宽的电压增益范围，但是存在电压平衡的问题，需要额外的硬件回路进行平衡控制以确保变换器的稳定安全运行。开关电容型直流变换器中通过开关电容间的能量传递能够显著抬升输出电压，实现较高的电压增益。但是此类拓扑中开关电容充放电回路闭合瞬间，电容并联时电压差产生的冲击电流不仅会造成较大的损耗与电磁噪声，还可能损坏电路中的元器件。开关电感型直流变换器能够实现较高升压增益，但是由于所需要的功率开关和无源器件较多，限制了变换器功率密度与运行效率的提升。耦合电感型直流变换器中通过采用磁集成技术对电路中的电感进行耦合，通过合理设计耦合电感参数能够拓宽变换器的电压增益范围，或实现抑制电感电流纹波、减小磁元件体积的效果。并且将耦合电感与上述几种类型的拓扑相结合，可进一步提升变换器的综合性能。Z源直流变换器能够实现较宽的电压增益范围，但输入与输出端不共地的结构会带来电磁干扰问题。在此基础上衍生而来的准Z源型双向直流变换器输入输出共地，但高压侧功率开关的电压应力较高。开关准Z源双向直流变换器具有较低的元器件电压应力与宽电压增益的特性，但变换器中含有两个电感磁芯，总电感体积较大。
因此，为充分利用储能装置的容量，并且使能量源系统同时具有较好的运行性能与较小的系统体积和重量，需要提供一种具有宽电压增益范围、低电压电流应力、高功率密度的双向直流变换器。
发明内容
为解决上述问题，本发明提供了一种耦合电感型开关准Z源双向直流变换器，包括：低压侧滤波电容Clow、高压侧滤波电容Chigh、储能电容C1、储能电容C2、功率开关管Q1、功率开关管Q2、功率开关管Q3、耦合电感的第一相电感L1和第二相电感L2，其中，所述低压侧滤波电容Clow与低压侧电压Ulow并联，所述高压侧滤波电容Chigh与高压侧电压Uhigh并联，所述低压侧滤波电容Clow的负极分别与所述高压侧滤波电容Chigh的负极、所述储能电容C1的负极和所述功率开关管Q1的第一端连接，所述低压侧滤波电容Clow的正极与所述第一相电感L1的同名端连接，所述第一相电感L1的第二端分别与所述功率开关管Q1的第二端、所述功率开关管Q2的第一端和所述储能电容C2的负极连接，所述功率开关管Q2的第二端分别与所述储能电容C1的正极和所述第二相电感L2的同名端连接，所述功率开关管Q3的第一端分别与所述第二相电感L2的第二端和所述储能电容C2的正极连接而第二端与所述高压侧滤波电容Chigh的正极连接。
优选地，当变换器在升压模式下，且所述功率开关管Q1导通而所述功率开关管Q2和Q3关断时，所述第一相电感L1和所述第二相电感L2的电流满足：
Figure BDA0002973032820000031
其中，iLm和iLm分别为励磁电感Lm的电流与电压，iL1、iL2分别为电感L1、L2的瞬时电流，IL1、IL2为电感L1、L2的平均电流,Lm、Lk分别为耦合电感等效后的励磁电感与漏感，UC1、UC2分别为储能电容C1、储能电容C2的电压，n＝n2/n1，n1、n2分别为理想变压器原、副边的线圈数，t0和t为时刻，Ulow为低压侧电压。
优选地，当变换器在升压模式下，且所述功率开关管Q1关断而所述功率开关管Q2和Q3导通时，所述第一相电感L1和所述第二相电感L2的电流满足：
Figure BDA0002973032820000032
其中，iLm和iLm分别为励磁电感Lm的电流与电压，iL1、iL2分别为电感L1、L2的瞬时电流，IL1、IL2为电感L1、L2的平均电流,Lm、Lk分别为耦合电感等效后的励磁电感与漏感，UC1、UC2分别为储能电容C1、储能电容C2的电压，n＝n2/n1，n1、n2分别为理想变压器原、副边的线圈数，t1和t为时刻，Ulow为低压侧电压。
优选地，当变换器在升压模式下，且所述功率开关管Q2、Q3导通而所述功率开关管Q1关断，所述第一相电感L1和所述第二相电感L2的电流满足：
Figure BDA0002973032820000033
其中，iLm和iLm分别为励磁电感Lm的电流与电压，iL1、iL2分别为电感L1、L2的瞬时电流，IL1、IL2为电感L1、L2的平均电流,Lm、Lk分别为耦合电感等效后的励磁电感与漏感，UC1、UC2分别为储能电容C1、储能电容C2的电压，n＝n2/n1，n1、n2分别为理想变压器原、副边的线圈数，t0和t为时刻，Ulow为低压侧电压。
优选地，当变换器在升压模式下，且所述功率开关管Q2和Q3关断而所述功率开关管Q1导通时，所述第一相电感L1和所述第二相电感L2的电流满足：
Figure BDA0002973032820000041
其中，iLm和iLm分别为励磁电感Lm的电流与电压，iL1、iL2分别为电感L1、L2的瞬时电流，IL1、IL2为电感L1、L2的平均电流,Lm、Lk分别为耦合电感等效后的励磁电感与漏感，UC1、UC2分别为储能电容C1、储能电容C2的电压，n＝n2/n1，n1、n2分别为理想变压器原、副边的线圈数，t1和t为时刻，Ulow为低压侧电压。
优选地，当变换器在升压模式下时，所述储能电容C1、所述储能电容C2、所述功率开关管Q1、所述功率开关管Q2和所述功率开关管Q3的电压满足：
Figure BDA0002973032820000042
其中，UQ1、UQ2、UQ3分别为功率开关管Q1、Q2、Q3的电压，UC1、UC2分别为储能电容C1、储能电容C2的电压，Dboost为升压模式下理想变压器的占空比，Ulow为低压侧电压。
优选地，当变换器在升压模式下时，所述功率开关管Q1、所述功率开关管Q2和所述功率开关管Q3的平均电流和所述电感L1、L2的电流满足：
Figure BDA0002973032820000051
其中，IQ1、IQ2、IQ3分别为功率开关管Q1、Q2、Q3的电流，IL1、IL2为电感L1、L2的平均电流，Dboost为升压模式下理想变压器的占空比，Ihigh为高压侧电流。
优选地，当变换器在降压模式下时，所述储能电容C1、所述储能电容C2、所述功率开关管Q1、所述功率开关管Q2和所述功率开关管Q3的电压满足：
Figure BDA0002973032820000052
其中，UQ1、UQ2、UQ3分别为功率开关管Q1、Q2、Q3的电压，UC1、UC2分别为储能电容C1、储能电容C2的电压，Dbuck为降压模式下理想变压器的占空比，Uhigh为高压侧电压。
优选地，当变换器在降压模式下时，所述功率开关管Q1、所述功率开关管Q2和所述功率开关管Q3的平均电流和所述电感L1、L2的电流满足：
Figure BDA0002973032820000053
其中，IQ1、IQ2、IQ3分别为功率开关管Q1、Q2、Q3的电流，IL1、IL2为电感L1、L2的平均电流，Dbuck为降压模式下理想变压器的占空比，Ilow为低压侧电流。
优选地，所述变换器的升压增益Mboost为：
Figure BDA0002973032820000061
所述变换器的降压增益Mbuck为：
Figure BDA0002973032820000062
其中，Dboost为升压模式下理想变压器的占空比，Dbuck为降压模式下理想变压器的占空比。
本申请提供的一种耦合电感型开关准Z源双向直流变换器，利用开关准Z源结构实现较宽的电压增益范围，以满足变换器输入与输出端的电压匹配需求；并且通过对开关准Z源网络中的电感进行耦合设计，减小电感的自感量与磁芯体积，从而提高系统功率密度，满足不同场景下的储能装置使用需求。
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，下面将对实施例或现有技术描述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是本发明提供的一种耦合电感型开关准Z源双向直流变换器的示意图；
图2是本发明提供的一种耦合电感型开关准Z源双向直流变换器的等效电路示意图；
图3是本发明提供的一种耦合电感型开关准Z源双向直流变换器中变换器工作时的波形图；
图4是本发明提供的一种耦合电感型开关准Z源双向直流变换器中变换器在升压模式的电流路径示意图；
图5是本发明提供的一种耦合电感型开关准Z源双向直流变换器中变换器在降压模式的电流路径示意图；
图6是本发明提供的一种耦合电感型开关准Z源双向直流变换器中变换器中电感自感量与其耦合系数的关系曲线；
图7是本发明提供的一种耦合电感型开关准Z源双向直流变换器中变换器中电感耦合前后的效率对比曲线。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明了，下面结合具体实施方式并参照附图，对本发明进一步详细说明。应该理解，这些描述只是示例性的，而并非要限制本发明的范围。此外，在以下说明中，省略了对公知结构和技术的描述，以避免不必要地混淆本发明的概念。
如图1，在本申请实施例中，本发明提供了一种耦合电感型开关准Z源双向直流变换器，包括：低压侧滤波电容Clow、高压侧滤波电容Chigh、储能电容C1、储能电容C2、功率开关管Q1、功率开关管Q2、功率开关管Q3、耦合电感的第一相电感L1和第二相电感L2，其中，所述低压侧滤波电容Clow与低压侧电压Ulow并联，所述高压侧滤波电容Chigh与高压侧电压Uhigh并联，所述低压侧滤波电容Clow的负极分别与所述高压侧滤波电容Chigh的负极、所述储能电容C1的负极和所述功率开关管Q1的第一端连接，所述低压侧滤波电容Clow的正极与所述第一相电感L1的同名端连接，所述第一相电感L1的第二端分别与所述功率开关管Q1的第二端、所述功率开关管Q2的第一端和所述储能电容C2的负极连接，所述功率开关管Q2的第二端分别与所述储能电容C1的正极和所述第二相电感L2的同名端连接，所述功率开关管Q3的第一端分别与所述第二相电感L2的第二端和所述储能电容C2的正极连接而第二端与所述高压侧滤波电容Chigh的正极连接。
在本申请实施例中，S1、S2、S3分别为功率开关管Q1、功率开关管Q2、功率开关管Q3的门极信号，Ts为开关周期。
在本申请实施例中，变换器在升压模式下，功率开关管Q1作为主功率开关，功率开关管Q2、Q3作为同步整流开关工作；有两种工作模态：模态1中，功率开关管Q1导通，功率开关管Q2、Q3关断；高压侧负载由电容Chigh供能，电容C1放电，同时C2充电；电感L1、L2中的电流均增大；模态2中，功率开关管Q1关断，功率开关管Q2、Q3导通，电容C1充电，同时C2放电，电感L1、L2中的电流均减小。
在本申请实施例中，变换器在降压模式下，功率开关管Q2、Q3作为主功率开关，功率开关管Q1作为同步整流开关工作；有两种工作模态：模态1中，功率开关管Q2、Q3导通，功率开关管Q1关断；电容C2充电，同时C1向低压侧负载放电，电感L1、L2中的电流均增大；模态2中，功率开关管Q2、Q3关断，功率开关管Q1导通，电容C1充电，同时C2放电，电感L1、L2中的电流均减小。
在本申请实施例中，变换器在升压模式下，功率开关管Q1作为主功率开关，功率开关管Q2、Q3作为同步整流开关工作。此时，变换器有两种工作模态：模态1中，功率开关管Q1导通，功率开关管Q2、Q3关断，电流路径如图3(a)所示，此时，高压侧负载由电容Chigh供能，电容C1放电，同时C2充电。电感L1、L2中的电流均增大，所述第一相电感L1和所述第二相电感L2的电流满足：
Figure BDA0002973032820000081
其中，iLm和iLm分别为励磁电感Lm的电流与电压，iL1、iL2分别为电感L1、L2的瞬时电流，IL1、IL2为电感L1、L2的平均电流,Lm、Lk分别为耦合电感等效后的励磁电感与漏感，UC1、UC2分别为储能电容C1、储能电容C2的电压，n＝n2/n1，n1、n2分别为理想变压器原、副边的线圈数，t0和t为时刻，Ulow为低压侧电压。
在本申请实施例中，模态2中，当变换器在升压模式下，功率开关管Q1关断，功率开关管Q2、Q3导通，电流路径如图3(b)所示，此时，电容C1充电，同时C2放电。电感L1、L2中的电流均减小，所述第一相电感L1和所述第二相电感L2的电流满足：
Figure BDA0002973032820000091
其中，iLm和iLm分别为励磁电感Lm的电流与电压，iL1、iL2分别为电感L1、L2的瞬时电流，IL1、IL2为电感L1、L2的平均电流,Lm、Lk分别为耦合电感等效后的励磁电感与漏感，UC1、UC2分别为储能电容C1、储能电容C2的电压，n＝n2/n1，n1、n2分别为理想变压器原、副边的线圈数，t1和t为时刻，Ulow为低压侧电压。
在本申请实施例中，当变换器在降压模式下，功率开关管Q2、Q3作为主功率开关，功率开关管Q1作为同步整流开关工作。有两种工作模态：模态1中，功率开关管Q2、Q3导通，功率开关管Q1关断，电流路径如图4(a)所示，电容C2充电，同时C1向低压侧负载放电，电感L1、L2中的电流均增大，此时，所述第一相电感L1和所述第二相电感L2的电流满足：
Figure BDA0002973032820000092
其中，iLm和iLm分别为励磁电感Lm的电流与电压，iL1、iL2分别为电感L1、L2的瞬时电流，IL1、IL2为电感L1、L2的平均电流,Lm、Lk分别为耦合电感等效后的励磁电感与漏感，UC1、UC2分别为储能电容C1、储能电容C2的电压，n＝n2/n1，n1、n2分别为理想变压器原、副边的线圈数，t0和t为时刻，Ulow为低压侧电压。
在本申请实施例中，模态2中，当变换器在升压模式下，功率开关管Q2、Q3关断，功率开关管Q1导通，电流路径如图4(b)所示，此时，电容C1充电，同时C2放电。电感L1、L2中的电流均减小，所述第一相电感L1和所述第二相电感L2的电流满足：
Figure BDA0002973032820000101
其中，iLm和iLm分别为励磁电感Lm的电流与电压，iL1、iL2分别为电感L1、L2的瞬时电流，IL1、IL2为电感L1、L2的平均电流,Lm、Lk分别为耦合电感等效后的励磁电感与漏感，UC1、UC2分别为储能电容C1、储能电容C2的电压，n＝n2/n1，n1、n2分别为理想变压器原、副边的线圈数，t1和t为时刻，Ulow为低压侧电压。
在本申请实施例中，当变换器在升压模式下时，所述储能电容C1、所述储能电容C2、所述功率开关管Q1、所述功率开关管Q2和所述功率开关管Q3的电压满足：
Figure BDA0002973032820000102
其中，UQ1、UQ2、UQ3分别为功率开关管Q1、Q2、Q3的电压，UC1、UC2分别为储能电容C1、储能电容C2的电压，Dboost为升压模式下理想变压器的占空比，Ulow为低压侧电压。
在本申请实施例中，当变换器在升压模式下时，所述功率开关管Q1、所述功率开关管Q2和所述功率开关管Q3的平均电流和所述电感L1、L2的电流满足：
Figure BDA0002973032820000103
其中，IQ1、IQ2、IQ3分别为功率开关管Q1、Q2、Q3的电流，IL1、IL2为电感L1、L2的平均电流，Dboost为升压模式下理想变压器的占空比，Ihigh为高压侧电流。
在本申请实施例中，当变换器在降压模式下时，所述储能电容C1、所述储能电容C2、所述功率开关管Q1、所述功率开关管Q2和所述功率开关管Q3的电压满足：
Figure BDA0002973032820000111
其中，UQ1、UQ2、UQ3分别为功率开关管Q1、Q2、Q3的电压，UC1、UC2分别为储能电容C1、储能电容C2的电压，Dbuck为降压模式下理想变压器的占空比，Uhigh为高压侧电压。
在本申请实施例中，当变换器在降压模式下时，所述功率开关管Q1、所述功率开关管Q2和所述功率开关管Q3的平均电流和所述电感L1、L2的电流满足：
Figure BDA0002973032820000112
其中，IQ1、IQ2、IQ3分别为功率开关管Q1、Q2、Q3的电流，IL1、IL2为电感L1、L2的平均电流，Dbuck为降压模式下理想变压器的占空比，Ilow为低压侧电流。
在本申请实施例中，所述变换器的升压增益Mboost为：
Figure BDA0002973032820000113
所述变换器的降压增益Mbuck为：
Figure BDA0002973032820000121
其中，Dboost为升压模式下理想变压器的占空比，Dbuck为降压模式下理想变压器的占空比。
在本申请实施例中，当变换器的低压侧电压为120V，高压侧电压为240V，输出功率为300W，开关频率为80kHz时,使电感电流临界连续的电感自感量与耦合系数的关系曲线如图6所示。从图中可以看出，随着耦合程度的提升，耦合电感两相绕组的自感量均明显下降。低压侧电压为40V与120V时，电感耦合前后的变换器运行效率曲线如图7所示。因此所提变换器中通过对开关准Z源网络中的电感进行耦合设计，有效减小电感体积与重量，提升系统运行效率与功率密度。
本申请提供的一种耦合电感型开关准Z源双向直流变换器，利用开关准Z源结构实现较宽的电压增益范围，以满足变换器输入与输出端的电压匹配需求；并且通过对开关准Z源网络中的电感进行耦合设计，减小电感的自感量与磁芯体积，从而提高系统功率密度，满足不同场景下的储能装置使用需求。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
(1)电路拓扑结构简单，所需元器件少，仅含有3个功率开关管、4个电容与2个电感线圈，控制策略简单；
(2)所提的变换器中元器件的电压应力较低；
(3)所提的变换器能够实现较宽的电压增益范围；
(4)变换器中电感的总自感量较小，且仅含有1个电感磁芯，能够具有较高的功率密度；
(5)能够被广泛应用于电动汽车、直流微电网等场合中。
应当理解的是，本发明的上述具体实施方式仅仅用于示例性说明或解释本发明的原理，而不构成对本发明的限制。因此，在不偏离本发明的精神和范围的情况下所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。此外，本发明所附权利要求旨在涵盖落入所附权利要求范围和边界、或者这种范围和边界的等同形式内的全部变化和修改例。

Claims (10)

1.一种耦合电感型开关准Z源双向直流变换器，其特征在于，包括：低压侧滤波电容Clow、高压侧滤波电容Chigh、储能电容C1、储能电容C2、功率开关管Q1、功率开关管Q2、功率开关管Q3、耦合电感的第一相电感L1和第二相电感L2，其中，所述低压侧滤波电容Clow与低压侧电压Ulow并联，所述高压侧滤波电容Chigh与高压侧电压Uhigh并联，所述低压侧滤波电容Clow的负极分别与所述高压侧滤波电容Chigh的负极、所述储能电容C1的负极和所述功率开关管Q1的第一端连接，所述低压侧滤波电容Clow的正极与所述第一相电感L1的同名端连接，所述第一相电感L1的第二端分别与所述功率开关管Q1的第二端、所述功率开关管Q2的第一端和所述储能电容C2的负极连接，所述功率开关管Q2的第二端分别与所述储能电容C1的正极和所述第二相电感L2的同名端连接，所述功率开关管Q3的第一端分别与所述第二相电感L2的第二端和所述储能电容C2的正极连接而第二端与所述高压侧滤波电容Chigh的正极连接。
2.根据权利要求1所述的耦合电感型开关准Z源双向直流变换器，其特征在于，当变换器在升压模式下，且所述功率开关管Q1导通而所述功率开关管Q2和Q3关断时，所述第一相电感L1和所述第二相电感L2的电流满足：
Figure FDA0002973032810000011
其中，iLm和iLm分别为励磁电感Lm的电流与电压，iL1、iL2分别为电感L1、L2的瞬时电流，IL1、IL2为电感L1、L2的平均电流,Lm、Lk分别为耦合电感等效后的励磁电感与漏感，UC1、UC2分别为储能电容C1、储能电容C2的电压，n＝n2/n1，n1、n2分别为理想变压器原、副边的线圈数，t0和t为时刻，Ulow为低压侧电压。
3.根据权利要求1所述的耦合电感型开关准Z源双向直流变换器，其特征在于，当变换器在升压模式下，且所述功率开关管Q1关断而所述功率开关管Q2和Q3导通时，所述第一相电感L1和所述第二相电感L2的电流满足：
Figure FDA0002973032810000021
其中，iLm和iLm分别为励磁电感Lm的电流与电压，iL1、iL2分别为电感L1、L2的瞬时电流，IL1、IL2为电感L1、L2的平均电流,Lm、Lk分别为耦合电感等效后的励磁电感与漏感，UC1、UC2分别为储能电容C1、储能电容C2的电压，n＝n2/n1，n1、n2分别为理想变压器原、副边的线圈数，t1和t为时刻，Ulow为低压侧电压。
4.根据权利要求1所述的耦合电感型开关准Z源双向直流变换器，其特征在于，当变换器在升压模式下，且所述功率开关管Q2、Q3导通而所述功率开关管Q1关断，所述第一相电感L1和所述第二相电感L2的电流满足：
Figure FDA0002973032810000022
其中，iLm和iLm分别为励磁电感Lm的电流与电压，iL1、iL2分别为电感L1、L2的瞬时电流，IL1、IL2为电感L1、L2的平均电流,Lm、Lk分别为耦合电感等效后的励磁电感与漏感，UC1、UC2分别为储能电容C1、储能电容C2的电压，n＝n2/n1，n1、n2分别为理想变压器原、副边的线圈数，t0和t为时刻，Ulow为低压侧电压。
5.根据权利要求1所述的耦合电感型开关准Z源双向直流变换器，其特征在于，当变换器在升压模式下，且所述功率开关管Q2和Q3关断而所述功率开关管Q1导通时，所述第一相电感L1和所述第二相电感L2的电流满足：
Figure FDA0002973032810000031
其中，iLm和iLm分别为励磁电感Lm的电流与电压，iL1、iL2分别为电感L1、L2的瞬时电流，IL1、IL2为电感L1、L2的平均电流,Lm、Lk分别为耦合电感等效后的励磁电感与漏感，UC1、UC2分别为储能电容C1、储能电容C2的电压，n＝n2/n1，n1、n2分别为理想变压器原、副边的线圈数，t1和t为时刻，Ulow为低压侧电压。
6.根据权利要求1所述的耦合电感型开关准Z源双向直流变换器，其特征在于，当变换器在升压模式下时，所述储能电容C1、所述储能电容C2、所述功率开关管Q1、所述功率开关管Q2和所述功率开关管Q3的电压满足：
Figure FDA0002973032810000032
其中，UQ1、UQ2、UQ3分别为功率开关管Q1、Q2、Q3的电压，UC1、UC2分别为储能电容C1、储能电容C2的电压，Dboost为升压模式下理想变压器的占空比，Ulow为低压侧电压。
7.根据权利要求1所述的耦合电感型开关准Z源双向直流变换器，其特征在于，当变换器在升压模式下时，所述功率开关管Q1、所述功率开关管Q2和所述功率开关管Q3的平均电流和所述电感L1、L2的电流满足：
Figure FDA0002973032810000033
其中，IQ1、IQ2、IQ3分别为功率开关管Q1、Q2、Q3的电流，IL1、IL2为电感L1、L2的平均电流，Dboost为升压模式下理想变压器的占空比，Ihigh为高压侧电流。
8.根据权利要求1所述的耦合电感型开关准Z源双向直流变换器，其特征在于，当变换器在降压模式下时，所述储能电容C1、所述储能电容C2、所述功率开关管Q1、所述功率开关管Q2和所述功率开关管Q3的电压满足：
Figure FDA0002973032810000041
其中，UQ1、UQ2、UQ3分别为功率开关管Q1、Q2、Q3的电压，UC1、UC2分别为储能电容C1、储能电容C2的电压，Dbuck为降压模式下理想变压器的占空比，Uhigh为高压侧电压。
9.根据权利要求1所述的耦合电感型开关准Z源双向直流变换器，其特征在于，当变换器在降压模式下时，所述功率开关管Q1、所述功率开关管Q2和所述功率开关管Q3的平均电流和所述电感L1、L2的电流满足：
Figure FDA0002973032810000042
其中，IQ1、IQ2、IQ3分别为功率开关管Q1、Q2、Q3的电流，IL1、IL2为电感L1、L2的平均电流，Dbuck为降压模式下理想变压器的占空比，Ilow为低压侧电流。
10.根据权利要求1所述的耦合电感型开关准Z源双向直流变换器，其特征在于，所述变换器的升压增益Mboost为：
Figure FDA0002973032810000051
所述变换器的降压增益Mbuck为：
Figure FDA0002973032810000052
其中，Dboost为升压模式下理想变压器的占空比，Dbuck为降压模式下理想变压器的占空比。
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Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN114006530A (zh) * 2021-10-26 2022-02-01 国网电力科学研究院有限公司 一种耦合式准z源直流变换器

Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN107612325A (zh) * 2017-08-29 2018-01-19 天津大学 一种开关准z源宽增益双向直流变换器
CN110165915A (zh) * 2019-04-12 2019-08-23 青岛理工大学 一种新型倍压-z源逆变器
CN111371316A (zh) * 2020-04-14 2020-07-03 福州大学 一种基于耦合电感的零输入纹波高增益直流变换器

Patent Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN107612325A (zh) * 2017-08-29 2018-01-19 天津大学 一种开关准z源宽增益双向直流变换器
CN110165915A (zh) * 2019-04-12 2019-08-23 青岛理工大学 一种新型倍压-z源逆变器
CN111371316A (zh) * 2020-04-14 2020-07-03 福州大学 一种基于耦合电感的零输入纹波高增益直流变换器

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN114006530A (zh) * 2021-10-26 2022-02-01 国网电力科学研究院有限公司 一种耦合式准z源直流变换器
CN114006530B (zh) * 2021-10-26 2024-05-24 国网电力科学研究院有限公司 一种耦合式准z源直流变换器

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