CN113783422B - 一种双向型直流变换器拓扑结构及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种双向型直流变换器拓扑结构及方法，其结构包括开关管T1和开关管T2构成输入半桥、储能电感L1、开关管T3和开关管T4构成输出半桥、电流传感器IL、滤波电容CA和滤波电容CB；所述输入半桥输入端并联滤波电容CA，输出端与储能电感L1一端相连接；所述输出半桥输入端并联滤波电容CA，输出端与储能电感储能电感L1另一端相连接；所述电流传感器IL串联在输出半桥与储能电感L1之间。本发明所用的拓扑相较于传统BUCK、BOOST拓扑，在检出故障时可立即关断开关管，在一个采样周期内切除电源，避免发生故障后电源继续为故障点提供持续能量。相较于LLC拓扑结构，本发明使用开关数量少，控制方法灵活，可靠性和经济适用性更高。
Description
技术领域
本发明涉及电力电子领域，尤其涉及一种双向型直流变换器拓扑结构及方法。
背景技术
随着中国经济腾飞，现代工业迅速崛起，工业用电量和民用电量与日俱增，电力电子技术也相应快速发展，而今，用电设备在我们生活中无处不见，在过去交流输电应用更为广泛，主要是因为交流变输配电方式接入简单，在发电侧可直接电机定子和转子相连，发电功率直接输出至电网，发电效率高，并使用成本相对低廉的工频变压器即可实现高低电压等级转换，在用户侧也容易通过工频变压器的进行各种电压等级的转换，但交流系统存在无功、同步机制复杂问题等缺陷，随着时代进步，大家开始关注更加高效的直流变换方案，在生活应用中直流使用已经非常广泛，如充电器，各种电池、充电桩、通信设备都是使用直流电源，常规实现是将交流电进行不可控整流后在变换换为所需直流电，因存在多级变换，效率较低，直流变换器技术开始成为电力领域研究的方向。
相对于交流系统，直流系统中应用的电压等级较多，不同类型的设备往往会使用不同的电压等级，如比较常用的直流充电桩200V-750V，电动车电池72V/60V/48V，通信设备电源12V/9V，照明灯具12V/6V，手机充电器9V/5V，可见直流技术应用广泛，但多种电压等级都被使用，需要各种直流变换器进行电压变换，随着直流变换器的使用越来越多，很快安全等问题也开始凸显，目前最为显著的问题是电池充电事故频发，因缺乏快速有效的故障保护机制，容易故障失控扩大事故。一般变换器通用性较差，针对不同应用场合需要进行重新设计。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供了一种双向型直流变换器拓扑结构及方法，并且具有故障快速分断能力，可以适配宽泛的电压等级，具有高可靠性，高适用性，更并且有利于系统扩展
本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：
一种双向型直流变换器拓扑结构，包括开关管T1和开关管T2构成输入半桥、储能电感L1、开关管T3和开关管T4构成输出半桥、电流传感器IL、滤波电容CA和滤波电容CB；所述输入半桥输入端并联滤波电容CA，输出端与储能电感L1一端相连接；所述输出半桥输入端并联滤波电容CA，输出端与储能电感储能电感L1另一端相连接；所述电流传感器IL串联在输出半桥与储能电感L1之间。
一种双向型直流变换器拓扑结构，还包括电容C1、电容C2、电容C3和电容C4；电容C1和开关管T1并联，电容C2和开关管T2并联，电容C3和开关管T3并联，电容C4和开关管T4并联。
一种双向型直流变换器拓扑方法，具体包括以下步骤：
开关管T1和开关管T2构成输入半桥，并且开关管T1和T2为互补方式驱动；
开关管T3和开关管T4构成输出半桥，并且开关管T3和T4为互补方式驱动；
输入半桥输出端和输出半桥输出端分别与储能电感L1两端相连接，储能电感L1左右两侧对等，两端可以反过来接入使用；
电容C1和开关管T1并联，电容C2和开关管T2并联，电容C3和开关管T3并联，电容C4和开关管T4并联，当开关管关断时，电流经电容充电，为开关管T1和T2关断提供ZVS条件；
电流传感器IL串联在输出半桥与储能电感L1之间，通过控制电感电流控制能量传递大小和方向，并且对电感电流进行检测，当电流传感器IL检测到短路故障后则需立即封锁开关管，切除电源输入。
所述电流传感器IL实现电感电流控制具体方法为：
储能电感L1两端电压固定，调节电压持续时间控制电流大小及方向，如公式1所示：
其中，Idc为电感电流直流初始值，UL为电感侧施加电压，UT为开关管管降压，L1为电感量，Ton为电压持续时间，IL为电感电流。
所述电压持续时间调节方法具体为：
根据电感电流反馈对当前电流进行PI调节，得到控制占空比，从而控制电感电压的持续时间，如公式2所示：
其中，KP为比例调节系数，Ki为积分调节系数，Iref为电流参考指令，IL为电感电流，Dff为控制前馈量，Dout为控制输出量。
所述控制前馈量计算公式为：
U1*t＝U2*(1-D)t，
Dff＝1-U1/U2，
其中，U1和U2为储能电感两端输入电压，t为开关周期，D为占空比，Dff为前馈控制量。
本发明的有益效果：
本发明所用的拓扑相较于传统BUCK、BOOST拓扑，在检出故障时可立即关断开关管，在一个采样周期内切除电源，避免发生故障后电源继续为故障点提供持续能量，故障后电感能量将经续流二极管进行释放至负荷或回馈至输入源。
相较于LLC拓扑结构，本发明使用开关数量少，控制方法灵活，可靠性和经济适用性更高。
本发明拓扑容易实现系统并联扩容，横向可多机并联扩增载流量，纵向可串联扩增更多的可调电压源输出，适应不同电压等级的输出要求，易于实现扩展。
附图说明
图1是本发明的结构示意图；
图2是传统BUCK拓扑结构示意图；
图3是传统BOOST拓扑结构示意图；
图4是本发明波形分析示意图；
图5是本发明工况一仿真波形图；
图6是本发明工况二仿真波形图；
图7是本发明工况三仿真波形图；
图8是本发明工况四仿真波形图；
图9是本发明横向多机并联扩容结构示意图；
图10是本发明纵向串级可调输出拓扑结构示意图。
具体实施方式
应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
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作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。
如图1所示，一种双向型直流变换器拓扑结构，包括开关管T1和开关管T2构成输入半桥、储能电感L1、开关管T3和开关管T4构成输出半桥、电流传感器IL、滤波电容CA和滤波电容CB；所述输入半桥输入端并联滤波电容CA，输出端与储能电感L1一端相连接；所述输出半桥输入端并联滤波电容CA，输出端与储能电感储能电感L1另一端相连接；所述电流传感器IL串联在输出半桥与储能电感L1之间。
一种双向型直流变换器拓扑结构，还包括电容C1、电容C2、电容C3和电容C4；电容C1和开关管T1并联，电容C2和开关管T2并联，电容C3和开关管T3并联，电容C4和开关管T4并联。
一种双向型直流变换器拓扑方法，具体包括以下步骤：
开关管T1和开关管T2构成输入半桥，并且开关管T1和T2为互补方式驱动；，采样互补方式可有效降低导通损耗，提高变换效率。
开关管T3和开关管T4构成输出半桥，并且开关管T3和T4为互补方式驱动；
输入半桥输出端和输出半桥输出端分别与储能电感L1两端相连接，储能电感L1左右两侧对等，两端可以反过来接入使用；
电容C1和开关管T1并联，电容C2和开关管T2并联，电容C3和开关管T3并联，电容C4和开关管T4并联，当开关管关断时，电流经电容充电，为开关管T1和T2关断提供ZVS条件，可降低开关管关断损耗，提升变换器的转换效率。
电流传感器IL串联在输出半桥与储能电感L1之间，通过控制电感电流控制能量传递大小和方向，并且对电感电流进行检测，当电流传感器IL检测到短路故障后则需立即封锁开关管，切除电源输入，防止短路故障进一步扩大。
所述电流传感器IL实现电感电流控制具体方法为：
储能电感L1两端电压固定，调节电压持续时间控制电流大小及方向，如公式1所示：
其中，Idc为电感电流直流初始值，UL为电感侧施加电压，UT为开关管管降压，L1为电感量，Ton为电压持续时间，IL为电感电流。
通过公式1，可根据当前电感电流的反馈值以及下个周期作用时间，对电感电流峰值进行预测，并根据电流预测值限定作用时间，避免电感进入饱和区，提高设备的可靠性。
所述电压持续时间调节方法具体为：
根据电感电流反馈对当前电流进行PI调节，得到控制占空比，从而控制电感电压的持续时间，实现电流的精准控制。如公式2所示：
其中，KP为比例调节系数，Ki为积分调节系数，Iref为电流参考指令，IL为电感电流，Dff为控制前馈量，Dout为控制输出量。
所述控制前馈量计算公式为：
U1*t＝U2*(1-D)t，
Dff＝1-U1/U2，
其中，U1和U2为储能电感两端输入电压，t为开关周期，D为占空比，Dff为前馈控制量。为了避免启动时初始状态不平衡，产生启动冲击电流，控制引入前馈量，从平衡点开始进行控制，可明显降低启动电流，同时可以大大提升设备动态响应特性。
如图2、图3所示，目前的常用技术方案有以下：
(1)BUCK/BOOST拓扑
传统BUCK、BOOST电流不具备双向流动，本发明可实现能量双向流动，功率传输能力取决于开关管电流能力和电感饱和电能力，运行过程中根据负荷量或者电压指令调节电流正向输出或反向输入。
传统BUCK、BOOST区分了高压侧或低压侧，因二极管的存在，低压侧只能接入低压源，否则输出不可控，造成在一些需要电压宽变化的场合不能应用，或者采样复杂的电路方法实现。本发明实现简单可靠，两侧对等接入，不分区高低压侧。
传统BOOST电路中，如果发生高压侧短路故障，只能通过继电器方式切除故障，但这种切除方式需要几十ms甚至上百ms分断时间，容易扩大故障，本发明所用的拓扑在检出故障时可立即关断开关管，在一个采样周期内切除电源，避免发生故障后电源继续为故障点提供持续能量，故障后电感能量将经续流二极管进行释放至负荷或回馈至输入源。
(2)LLC拓扑
LLC拓扑增益非常狭窄，主要通过变压器增益和变频微调增益，在要求宽输入输出的场合难以应用，本拓扑具有高增益输出，可适配宽范围电压范围输入输出。
LLC拓扑相对复杂，实现大功率传输，需两侧驱动，中间加高频变压器进行电压变换，使用器件数量较多，本方法使用开关数量少，控制方法灵活，可靠性和经济适用性更高。
LLC拓扑双向控制比较复杂，为了实现ZCS，副边需二极管阻断电流，而二极管损耗比较大，不利于效率提升。本方案采用了ZVS提升效率，并且还可通过变频控制方法获得最佳的增益效果和最佳的输出效率。
如图9所示，本发明可以方便的横向多机并联扩容，模块内电流驱动控制完全独立，不存在buck或boost类型电流开通不一致而形成的模块间环流问题，模块内故障可快速切除故障模块单元，不影响其他模块运行，为输出侧提供高可靠的电源支撑，在一些场合随着电需求增加可以通过增加模块单元实现容量扩增，系统扩增实现简单可靠。
如图10所示，在一些场合因涉及电压等级较多，或者电压需求需要变换，本发明可以很好的解决此类问题，常规buck或boost类型对电压接入有硬性要求(buck电路输入必须比输出高，boost电路输入必须比输出低)，因此使用范围存在限制，需根据实际工况选择设备，由于本拓扑不区分高低压侧，高压或低压均可接入输入侧，可以方便实现直接串行连接，输出侧电压可调，可应对需求电压变化工况
本发明拓扑容易实现系统并联扩容，横向可多机并联扩增载流量，纵向可串联扩增更多的可调电压源输出，适应不同电压等级的输出要求，易于实现扩展。
实施例1
如图4所示，t1-t2时刻，A侧电压输出+400v,B侧电压输出0V，电感两端叠加为正电压为400V，电感电流IL上升，
t2-t3时刻，A侧电压输出0V,B侧电压输出-100V，电感两端叠加为负电压为-100V，电感电流IL下降。
通过调节电感电流上升、下降时间(即电压作用周期时间)调节电流方向和大小。
实施例2
本发明适合在不同输入电压工况下，均可实现两侧功率双向流动，应用范围更广。
工况一：如图5所示，UA>UB侧电压时，功率正向输出，A电压输入400V，B侧电压输出100V，电流给定50A，附图上方为电感电压，下方为电感电流；
工况二：如图6所示，UA>UB侧电压时，功率负向输入，A电压输入400V，B侧电压输出100V，电流给定-50A，附图上方为电感电压，下方为电感电流；
工况三：如图7所示，UA<UB侧电压时，功率正向输出，A电压输入100V，B侧电压输出400V，电流给定50A，附图上方为电感电压，下方为电感电流；
工况四：如图8所示，UA<UB侧电压时，功率负向输入，A电压输入100V，B侧电压输出400V，电流给定-50A，附图上方为电感电压，下方为电感电流。
以上显示和描述了本发明的基本原理和主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护的范围由所附的权利要求书及其等效物界定。
Claims (2)
1.一种双向型直流变换器拓扑方法，其特征在于，具体包括以下步骤：
开关管T1和开关管T2构成输入半桥，并且开关管T1和T2为互补方式驱动；
开关管T3和开关管T4构成输出半桥，并且开关管T3和T4为互补方式驱动；
输入半桥输出端和输出半桥输出端分别与储能电感L1两端相连接，储能电感L1左右两侧对等，两端可以反过来接入使用；
电容C1和开关管T1并联，电容C2和开关管T2并联，电容C3和开关管T3并联，电容C4和开关管T4并联，当开关管关断时，电流经电容充电，为开关管T1和T2关断提供ZVS条件；
电流传感器IL串联在输出半桥与储能电感L1之间，通过控制电感电流控制能量传递大小和方向，并且对电感电流进行检测，当电流传感器IL检测到短路故障后则需立即封锁开关管，切除电源输入；
所述电流传感器IL实现电感电流控制具体方法为：
储能电感L1两端电压固定，调节电压持续时间控制电流大小及方向，如公式1所示：
其中，Idc为电感电流直流初始值，UL为电感侧施加电压，UT为开关管管降压，L1为电感量，Ton为电压持续时间，IL为电感电流；
所述电压持续时间调节方法具体为：
根据电感电流反馈对当前电流进行PI调节，得到控制占空比，从而控制电感电压的持续时间，如公式2所示：
其中，KP为比例调节系数，Ki为积分调节系数，Iref为电流参考指令，IL为电感电流，Dff为控制前馈量，Dout为控制输出量。
2.根据权利要求1所述的一种双向型直流变换器拓扑方法，其特征在于，所述控制前馈量计算公式为：
U1*t＝U2*(1-D)t，
Dff＝1-U1/U2，
其中，U1和U2为储能电感两端输入电压，t为开关周期，D为占空比，Dff为前馈控制量。
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