CN114301292A - 一种软开关型双向buck-boost变换器 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种软开关型双向BUCK－BOOST变换器，包括主电路，用于实现功率的双向流动；辅助电路，连接于主电路，用于使主电路的开关管和辅助电路的开关管实现软开关。本发明提供的软开关型双向BUCK－BOOST变换器中通过设计辅助电路，能够使所有半导体器件均实现软开关，降低半导体器件的损耗；进一步可以允许使用更低载流量的开关管和散热系统，同时可以提高工作频率以降低功率电感的感量和滤波电容的容值。相较于传统双向BUCK－BOOST变换器，本发明所提供的软开关型双向BUCK－BOOST变换器的损耗更低，系统成本更低。
Description
技术领域
本发明属于BUCK-BOOST变换器技术领域，尤其涉及一种软开关型双向BUCK-BOOST变换器。
背景技术
随着光伏技术和储能技术的发展，双向BUCK-BOOST变换器技术的研究得到了广泛的关注。双向BUCK-BOOST变换器可用于直流电压与直流电压的双向变换，能够实现不同直流侧功率流的双向流动。
双向BUCK-BOOST变换器在升压或降压过程中需要对开关管的通断进行控制，开关管工作状态有两种：断开状态和导通状态。断开状态时，流过开关的电流为0，虽然开关两端电压不为0，但P＝UI＝0，所以不消耗功率。导通状态时，开关上流过电流，但开关两端电压接近0，因此会有导通损耗。但实际上开关器件开关时还会有一个过渡状态，这会导致开关损耗。而且开关损耗与开关频率成正比。开关损耗包括开通损耗和关断损耗。开通损耗产生的原因：开关管开通瞬间开关器件两端的电压在降低的同时，流过开关管的电流从0开始上升，因此在开关管上产生电压电流交叠现象，从而产生开通功率损耗；关断损耗产生的原因：开关管关断瞬间流过开关器件两端的电流在降低的同时，开关管两端的电压开始上升，因此在开关管上产生电压电流交叠现象，从而产生关断功率损耗。
因此，在实际应用当中，开关器件的开关损耗成为限制功率变换器提升功率密度和降低损耗的主要原因。
发明内容
本发明所要解决的技术问题在于：提供一种软开关型双向BUCK-BOOST变换器，旨在解决现有技术中非隔离型双向BUCK-BOOST变换器的开关管均工作在硬开关状态，具有较大开关损耗的问题，同时也限制了功率变换器的功率密度的提升和成本的降低。
为解决上述技术问题，本发明提供了一种软开关型双向BUCK-BOOST变换器，包括：主电路和辅助电路；其中，
所述主电路包括第一端口、第二端口、第一开关管、第二开关管和第一电感；所述第一开关管的第一端连接于所述第一端口的正极，所述第二开关管的第二端连接于所述第一端口的负极、以及所述第二端口的负极，所述第一电感的第一端连接于所述第一开关管的第二端、以及所述第二开关管的第一端；所述辅助电路包括第一电容、第二电容、第三开关管、第四开关管、二极管、变压器和第二电感；所述第一电容并联连接于所述第一开关管的第一端和第二端之间，所述第二电容并联连接于所述第二开关管的第一端和第二端之间，所述第一开关管的第二端、所述第二开关管的第一端连接于所述第二电感的第一端，所述第二电感的第二端连接于变压器，所述第三开关管的第一端、以及所述二极管的负极连接于所述第一端口的正极，所述第三开关管的第二端、以及所述二极管的正极连接于所述变压器，所述第四开关管的第一端连接于所述变压器，所述第四开关管的第二端连接于所述第一端口的负极、以及所述第二端口的负极。
进一步地，所述第一开关管的第一端和第二端之间、所述第二开关管的第一端和第二端之间、所述第三开关管的第一端和第二端之间、以及所述第四开关管的第一端和第二端之间均连接有反并联二极管。
进一步地，所述变压器包括原边绕组和副边绕组；其中，
所述第二电感的第二端连接于所述原边绕组的第二端，所述原边绕组的第一端连接于所述第三开关管的第二端，所述原边绕组的第三端连接于所述第四开关管的第一端，所述副边绕组的第一端连接于所述二极管的正极，所述副边绕组的第二端连接于所述第一端口的负极、以及所述第二端口的负极。
进一步地，所述原边绕组包括第一原边绕组以及与所述第一原边绕组串联连接的第二原边绕组，所述第一原边绕组与所述第二原边绕组的连接节点形成所述原边绕组的第二端。
进一步地，所述第一原边绕组与所述第二原边绕组以及与所述副边绕组的匝数比为n：n：1。
进一步地，所述主电路还包括第三电容和第四电容，所述第三电容并联连接于所述第一端口的正极和负极之间，所述第四电容并联连接于所述第二端口的正极和负极之间。
进一步地，所述第一开关管、所述第二开关管、所述第三开关管和所述第四开关管均为MOSFET管或IGBT管。
进一步地，所述第一电容和所述第二电容为独立电容，或由对应于开关管的结电容组成。
与现有技术相比，本发明提供的软开关型双向BUCK-BOOST变换器的有益效果在于：相较于传统双向BUCK-BOOST变换器，本发明提供的软开关型双向BUCK-BOOST变换器中通过设计辅助电路，能够使所有半导体器件均实现软开关，降低半导体器件的损耗；进一步可以允许使用更低载流量的开关管和散热系统，同时可以提高工作频率以降低功率电感的感量和滤波电容的容值。本发明所提供的新型软开关双向BUCK-BOOST变换器的损耗更低，系统成本更低。
附图说明
图1是传统非隔离型双向BUCK-BOOST变换器的拓扑结构示意图；
图2是本发明实施例中提供的软开关型双向BUCK-BOOST变换器的电路结构示意图；
图3是本发明实施例提供的变换器在Buck模式下各阶段的理论波形图；
图4是本发明实施例提供的变换器在Boost模式下各阶段的理论波形图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
在相关技术中，软开关型双向BUCK-BOOST变换器拓扑结构如图1。其工作原理为：当工作在降压模式时，即电流从DC1侧流向DC2侧，开始工作时Q1管先导通，由于DC1侧的电压高于DC2侧的电压，电感L上的电流开始上升，其电感电流上升斜率为
，设定开关管Q1导通时间为DT(其中T为开关管Q1和开关管Q2的工作周期)，开关管Q1关断后电感电流通过开关管Q2的反并联二级管续流，并经过死区时间Td，开关管Q2导通，则开关管Q2的导通时间为(1-D)*T-Td，此过程电感L上的电流开始下降，其电感电流下降斜率为
；当工作在升压模式时，即电流从DC2侧流向DC1侧，开始工作时开关管Q1管先导通，由于DC1侧的电压高于DC2侧的电压，电感L上的电流开始下降，其电感电流下降斜率为
，设定开关管Q1导通时间为DT，开关管Q1关断后电感电流经过开关管Q1管的反并联二极管续流，并经过死区时间Td，开关管Q2导通，则开关管Q2的导通时间为(1-D)*T-Td，此时电感L上的电流开始上升，其电感电流上升斜率为
；不考虑死区时间则DC1侧与DC2侧的关系为：
由此可见通过调节开关管的工作占空比D，可以调节对应的DC1侧或DC2侧电压。
从上述传统的非隔离型双向BUCK-BOOST变换器拓扑结构及工作逻辑过程可以看出，工作在降压模式时开关管Q1管为硬开关，开关管Q2管虽然在开通前和关断后由于其反并联二极管已提前续流导通和延后关断，其为零电压开关，但其反并联二极管为硬关断；工作在升压模式时开关管Q2管为硬开关，开关管Q1管虽然在开通前和关断后由于其反并联二极管已提前续流导通和延后关断，其为零电压开关，但其反并联二极管为硬关断。
综上所述，传统的非隔离型双向BUCK-BOOST变换器的开关管有可观的开关损耗，对提升开关频率以降低系统成本和降低系统损耗有很大的限制。
为此，本发明实施例提供了一种软开关型双向BUCK-BOOST变换器，该软开关型双向BUCK-BOOST变换器包括主电路和辅助电路，其中
主电路，用于实现功率的双向流动；
辅助电路，连接于主电路，用于使主电路的开关管和辅助电路的开关管实现软开关。
在一些实施方式中，该主电路为标准的BUCK-BOOST变换器电路，包括第一端口DC1、第二端口DC2、第一开关管Q1、第二开关管Q2和第一电感L1；其中，第一开关管Q1的第一端连接于第一端口DC1的正极，第二开关管Q2的第二端连接于第一端口DC1的负极、以及第二端口DC2的负极，第一电感L1的第一端连接于第一开关管Q1的第二端、以及第二开关管Q2的第一端；
该辅助电路包括第一电容C1、第二电容C2、第三开关管Q3、第四开关管Q4、二极管D1、变压器T1和第二电感L2；第一电容C1并联连接于第一开关管Q1的第一端和第二端之间，第二电容C2并联连接于第二开关管Q2的第一端和第二端之间，第一开关管Q1的第二端、以及第二开关管Q2的第一端连接于第二电感L2的第一端，第二电感L2的第二端连接于变压器T1，第三开关管Q3的第一端、以及二极管的负极连接于第一端口DC1的正极，第三开关管Q3的第二端、以及二极管D1的正极连接于变压器T1，第四开关管Q4的第一端连接于变压器T1，第四开关管Q4的第二端连接于第一端口DC1的负极、以及第二端口DC2的负极。
在一些实施方式中，原边绕组包括第一原边绕组以及与该第一原边绕组串联连接的第二原边绕组，其中，第一原边绕组与所述第二原边绕组的连接节点形成原边绕组的第二端。
在一些实施方式中，第一原边绕组与第二原边绕组以及与副边绕组的匝数比为n：n：1。在一些实施方式中，第一开关管Q1的第一端和第二端之间、第二开关管Q2的第一端和第二端之间、第三开关管Q3的第一端和第二端之间、以及第四开关管Q4的第一端和第二端之间均连接有反并联二极管。
在一些实施方式中，变压器T1包括原边绕组和副边绕组；其中，
第二电感L2的第二端连接于原边绕组的第二端，原边绕组的第一端连接于第三开关管Q3的第二端，原边绕组的第三端连接于第四开关管Q4的第一端，副边绕组N＿p的第一端连接于二极管的正极，副边绕组N＿p的第二端连接于第一端口DC1的负极、以及第二端口DC2的负极。
在一些实施方式中，主电路还包括第三电容C3和第四电容C4，第三电容C3并联连接于第一端口DC1的正极和负极之间，第四电容C4并联连接于第二端口DC2的正极和负极之间。
在一些实施方式中，第一开关管Q1、第二开关管Q2、第三开关管Q3和第四开关管Q4为MOSFET管或IGBT管。
在一些实施例中，第一电容C1和第二电容C2为独立电容，或由对应于开关管的结电容组成；即，第一电容C1由对应于第一开关管Q1的结电容组成，第二电容C2由对应于第二开关管Q2的结电容组成。
如图2所示为本发明提供的软开关型双向BUCK-BOOST变换器的电路结构示意图。软开关型BUCK-BOOST变换器根据不同的功率流向存在Boost和Buck两种运行模式。当变换器工作在Buck模式下，第一开关管Q1、第二开关管Q2和第三开关管Q3工作在开关状态，第四开关管Q4常关；当变换器工作在Boost模式下，主开关管第一开关管Q1、第二开关管Q2和第四开关管Q4工作在开关状态，第三开关管Q3常关。具体工作原理如下所示：
Buck工作模式：
电流由第一端口DC1流向第二端口DC2，设流入DC2侧的电感电流方向为正，图3所示为电路在Buck模式下，一个开关周期内6个不同工作阶段的原理图。
t0-t1阶段：to时刻，第一开关管Q1驱动置低，由于第一开关管Q1的DS极并联了第一电容C1，第一电容C1两端的电压不会瞬变约为0，在第一开关管Q1关断过程中，流过第一开关管Q1的电流Ids＿Q1(电流方向从Q1管的D极流向S极)逐渐换流到第一电容C1，流过第一电容C1的电流逐渐增大，此过程实现第一开关管Q1的零电压关断；当第一开关管Q1关断后，流过第一电容C1的电流I＿C1逐渐减少并使Vds＿Q1两端的电压逐渐升高，同时流过第二电容C2的电流逐渐增加(电流方向从Q2管的S极流向D极)并使得第二开关管Q2的DS两端电压逐渐下降，直至第二开关管Q2的反并联二极管导通。
t1-t2阶段：t1时刻，第二开关管Q2的驱动置高，由于在t0-t1阶段，第二开关管Q2的反并联二极管已经导通，所以第二开关管Q2实现零电压开通；第二开关管Q2开通后，DC2侧的电压加在第一电感L1两端，电感电流开始逐渐下降，此阶段第一电感L1电流通过第二开关管Q2续流，经第四电容C4滤波后给电源DC2侧提供电流。
t2-t3阶段：第三开关管Q3的驱动置高，此时由于叠加在第二电感L2上的电压使得第二电感L2上的电流逐渐增加，此电流经过第三开关管Q3(电流方向从第三开关管的D极流向S极)和变压器T1，在此过程第三开关管Q3实现零电流开通，同时由于变压器T1的耦合作用，二极管D1导通，并将变压器T1的副边绕组N＿p两端电压钳位至约DC1电压，假设变压器变比为n：n：1，则变压器T1的第一原边绕组N＿s1两端电压为n＊V＿DC1，因此第二电感L2两端的电压约为(1-n)＊V＿DC1，第二电感L2两端的电压使得其流过的电流迅速增加。
t3-t4阶段：第二开关管Q2的驱动置低，流过第二开关管Q2的电流换流至其反并联二极管，第二开关管Q2实现零电压关断，同时流过第二电感L2的电流继续增加直至其电流大小等于流过第一电感L1的电流，此时流过第二开关管Q2的反并联二极管的电流为0，此过程第二开关管Q2的反并联二极管实现零电流关断；同时流过第二电感L2的电流继续增加，由于第一电感L1的感量远大于第二电感L2，这里我们可以认为在此过程中流过第一电感L1的电流基本保持不变，此过程中流过第二电感L2的电流除提供给第一电感L1同时给第一电容C1放电，以及给第二电容C2充电，这使得第二开关管Q2的DS极电压逐渐升高，第一开关管Q1的DS电压逐渐降低，在此过程中，第一开关管Q1和第二开关管Q2的公共端电位逐渐上升，直至第一开关管Q1的反并联二极管导通。
t4-t5阶段：由于在t3-t4阶段第一开关管Q1的反并联二极管已导通，在t4时刻将第一开关管Q1的驱动置高，使得第一开关管Q1实现零电压开通，第一开关管Q1和第二开关管Q2的公共端电位被钳位至约DC1+，此时第二电感L2两端的电压为n＊V＿DC1，方向与电感电流增加的方向相反，流过第二电感L2的电流开始迅速下降至0，流过二极管D的感生电流也迅速降低至0，二极管D实现零电流关断，变压器T1的副边绕组N＿p两端电压不在被钳位，第一原边绕组N＿s1两端电压为0，第二电感L2的电流降低到0后由于其两端电压为反向电压所以流过二极管的电流继续保持为0。
t5-t6阶段：由于在t4至t5时刻流过第三开关管Q3的电流为0，在t5时刻将第三开关管Q3的驱动置低，使得第三开关管Q3实现零电流关断。同时在此阶段，第一电感L1两端的电压为(V＿DC1-V＿DC2)，流过第一电感L1的电流持续增加并经过第四电容C4滤波后提供给DC2侧。t6时刻结束后再次循环进入t0时刻。
Boost工作模式：
电流由第二端口DC2流向第一端口DC1，设流入DC2侧的电感电流方向为正，图4所示为电路在Boost模式下，一个开关周期内6个不同工作阶段的原理图。
t0-t1阶段：to时刻，第二开关管Q2驱动置低，由于第二开关管Q2的DS极间并联了第二电容C2，第二电容C2两端的电压不会瞬变，在第二开关管Q2关断过程中，流过第二开关管Q2的电流Ids＿Q2(电流方向从第二开关管Q2的D极流向S极)逐渐换流到第二电容C2，流过第二电容C2的电流逐渐增大，此过程实现第二开关管Q2的零电压关断；当第二开关管Q2管关断后，流过第二电容C2的电流I＿C2逐渐减少并使Vds＿Q2两端的电压逐渐升高，同时流过第一电容C1的电流逐渐增加(电流方向从Q1管的S极流向D极)并使得Q1管DS两端得电压逐渐下降，直至第一开关管Q1管的反并联二极管导通。
t1-t2阶段：t1时刻，第一开关管Q1的驱动置高，由于在t0-t1阶段，第一开关管Q1的反并联二极管已经导通，所以第一开关管Q1实现零电压开通；第一开关管Q1开通后，DC2侧的电压加在第一电感L1两端，电感电流开始逐渐下降，此阶段第一电感L1电流通过第一开关管Q1续流，经第三电容C3滤波后给电源DC1侧提供电流。
t2-t3阶段：第四开关管Q4的驱动置高，此时由于叠加在第二电感L2上的电压使得第二电感L2上的电流逐渐增加，此电流经过第四开关管Q4(电流方向从Q4管的D极流向S极)和变压器T1，在此过程第四开关管Q4实现零电流开通，同时由于变压器T1的耦合作用，二极管D1导通，并将变压器T1的副边绕组N＿p两端电压钳位至约DC1电压，假设变压器变比为n：n：1，则变压器T1的第二原边绕组N＿s2两端电压为n＊V＿DC1，因此第二电感L2两端的电压约为(1-n)＊V＿DC1，第二电感L2两端的电压使得其流过的电流迅速增加。
t3-t4阶段：第一开关管Q1的驱动置低，流过第一开关管Q1的电流换流至其反并联二极管，第一开关管Q1实现零电压关断，同时流过第二电感L2的电流继续增加直至其电流大小等于流过第一电感L1电流，此时流过第一开关管Q1的反并联二极管的电流为0，此过程第一开关管Q1的反并联二极管实现零电流关断；同时流过第二电感L2的电流继续增加，由于第一电感L1的感量远大于第二电感L2，这里我们可以认为在此过程中流过第一电感L1的电流基本保持不变，此过程中流过第二电感L2的电流除提供给第一电感L1同时给第二电容C2放电，第一电容C1充电，这使得第一开关管Q1的DS极电压逐渐升高，第二开关管Q2的DS电压逐渐降低，在此过程中，第一开关管Q1和第二开关管Q2的公共端电位逐渐下降，直至第二开关管Q2的反并联二极管导通。
t4-t5阶段：由于在t3-t4阶段第二开关管Q2的反并联二极管已导通，在t4时刻将第二开关管Q2的驱动置高，使得第二开关管Q2实现零电压开通，第二开关管Q2和第一开关管Q1的公共端电位被钳位至约DC-，此时第二电感L2两端的电压为n＊V＿DC1，方向与电感电流增加的方向相反，流过第二电感L2的电流开始迅速下降至0，流过二极管D的感生电流也迅速降低至0，二极管D实现零电流关断，变压器T1的副边N＿p两端电压不在被钳位，第二原边绕组N＿s2两端电压为0，第二电感L2的电流降低到0后由于其两端反向电压的作用，其流过的电流继续保持为0。
t5-t6阶段：由于在t4至t5时刻流过第四开关管Q4的电流为0，在t5时刻将第四开关管Q4的驱动置低，使得第四开关管Q4实现零电流关断。同时在此阶段，第一电感L1两端的电压为(V＿DC2)，流过第一电感L1的电流持续增加并经过第三电容C3滤波后提供给DC1侧。t6时刻结束后再次循环进入t0时刻。
本发明提供的软开关型双向BUCK-BOOST变换器的有益效果在于：相较于传统双向BUCK-BOOST变换器，本发明提供的软开关双向BUCK-BOOST变换器中通过提供设计辅助电路，能够使所有半导体器件均实现软开关，降低半导体器件的损耗；进一步可以允许使用更低载流量的开关管和散热系统，同时可以提高工作频率以降低功率电感的感量和滤波电容的容值。本发明所提供的新型软开关双向BUCK-BOOST变换器的损耗更低，系统成本更低。
在本发明的描述中，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (7)
1.一种软开关型双向BUCK－BOOST变换器，其特征在于，包括：主电路和辅助电路；其中，
所述主电路包括第一端口、第二端口、第一开关管、第二开关管和第一电感；所述第一开关管的第一端连接于所述第一端口的正极，所述第二开关管的第二端连接于所述第一端口的负极、以及所述第二端口的负极，所述第一电感的第一端连接于所述第一开关管的第二端、以及所述第二开关管的第一端；
所述辅助电路包括第一电容、第二电容、第三开关管、第四开关管、二极管、变压器和第二电感；所述第一电容并联连接于所述第一开关管的第一端和第二端之间，所述第二电容并联连接于所述第二开关管的第一端和第二端之间，所述第一开关管的第二端、所述第二开关管的第一端连接于所述第二电感的第一端，所述第二电感的第二端连接于所述变压器，所述第三开关管的第一端、以及所述二极管的负极连接于所述第一端口的正极，所述第三开关管的第二端、以及所述二极管的正极连接于所述变压器，所述第四开关管的第一端连接于所述变压器，所述第四开关管的第二端连接于所述第一端口的负极、以及所述第二端口的负极。
2.根据权利要求1所述的软开关型双向BUCK－BOOST变换器，其特征在于，所述第一开关管的第一端和第二端之间、所述第二开关管的第一端和第二端之间、所述第三开关管的第一端和第二端之间、以及所述第四开关管的第一端和第二端之间均连接有反并联二极管。
3.根据权利要求2所述的软开关型双向BUCK－BOOST变换器，其特征在于，所述变压器包括原边绕组和副边绕组；其中，
所述第二电感的第二端连接于所述原边绕组的第二端，所述原边绕组的第一端连接于所述第三开关管的第二端，所述原边绕组的第三端连接于所述第四开关管的第一端，所述副边绕组的第一端连接于所述二极管的正极，所述副边绕组的第二端连接于所述第一端口的负极、以及所述第二端口的负极。
4.根据权利要求3所述的软开关型双向BUCK－BOOST变换器，其特征在于，所述原边绕组包括第一原边绕组以及与所述第一原边绕组串联连接的第二原边绕组，所述第一原边绕组与所述第二原边绕组的连接节点形成所述原边绕组的第二端。
5.根据权利要求1所述的软开关型双向BUCK－BOOST变换器，其特征在于，所述主电路还包括第三电容和第四电容，所述第三电容并联连接于所述第一端口的正极和负极之间，所述第四电容并联连接于所述第二端口的正极和负极之间。
6.根据权利要求1所述的软开关型双向BUCK－BOOST变换器，其特征在于，所述第一开关管、所述第二开关管、所述第三开关管和所述第四开关管均为MOSFET管或IGBT管。
7.根据权利要求1所述的软开关型双向BUCK－BOOST变换器，其特征在于，所述第一电容和所述第二电容为独立电容，或由对应于开关管的结电容组成。
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