CN114362527A - 一种双向dcdc变换电路、驱动方法及双向直流变换器 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种双向DCDC变换电路、驱动方法及双向直流变换器，属于电力电子技术领域，该电路包括第一电源侧共用电容支路、第二电源侧共用电容支路、双向升降压单元，所述双向升降压单元一端两极之间与第一电源侧共用电容支路连接构成第一电压源接口，另一端两极之间与第二电源侧共用电容支路连接构成第二电压源接口；该方法包括正向过程和反向过程；该变换器包括上述的变换电路、采样单元、控制单元和驱动单元；该变换器采用多相交错并联形式，可以应用大功率变换场合。相比于现有的直流变换器，该变换器减少了功率器件数量，提高了功率器件的利用率，降低了系统成本。
Description
技术领域
本发明属于电力电子技术领域，尤其涉及一种双向DCDC变换电路、驱动方法及双向直流变换器。
背景技术
在新能源发电领域，可以利用双向直流变换器将新能源所发电能存储于蓄电池中，然后按计划将蓄电池中电能送入电网，这样可以解决新能源发电的间歇性、难以预测性，提高新能源发电的调度计划和跟踪能力，同时平抑风光出力的快速波动，减少由于大幅度的风光出力突变对电网造成的冲击；在用户侧，可以利用双向直流变换器在谷时对蓄电池充电，在峰时向电网放电，实现电网削峰填谷，获得峰谷差价利润。
目前，双向直流变换器通常采用图1所示的电路，其还可以继续衍生出图2和图3所示电路。
在图1～图3所示电路中，需要的开关管数量多，如图1所示的单相电路需要8个功率管，若采用如图3所示的3相交错并联拓扑，需要24个功率管。此外，在升压或是降压过程中，总会有部分功率管处于断开状态，造成了功率管使用率降低。功率管数量多，使用率低，进一步造成了系统成本升高。同时，该种拓扑存在桥臂直通风险，降低了系统的可靠性。减小功率管数量，降低系统成本，增加系统可靠性，成了双向直流变换器亟待解决的问题。
发明内容
本发明为了解决上述缺陷，提出一种双向DCDC变换电路、驱动方法及双向直流变换器。
为解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案是：
一种双向DCDC变换电路，包括：
第一电源侧共用电容支路；
第二电源侧共用电容支路；
双向升降压单元，所述双向升降压单元一端两极之间与第一电源侧共用电容支路连接构成第一电压源接口，另一端两极之间与第二电源侧共用电容支路连接构成第二电压源接口。
本电路的进一步改进在于：所述双向升降压单元为N个，N为大于1的正整数，N个双向升降压单元交错并联，交错并联后一端两极之间与第一电源侧共用电容支路连接，交错并联后另一端两极之间与第二电源侧共用电容支路连接。
本电路的进一步改进在于：所述双向升降压单元包括左桥臂和右桥臂，其中：
左桥臂包括第一开关管、第三开关管和电感，第一开关管的发射极与电感一端连接，电感另一端与第三开关集电极连接；
右桥臂包括第二开关管、第四开关管和电感，第二开关管的集电极与电感一端连接，第四开关管的发射极与电感另一端连接。
本电路的进一步改进在于：所述第一开关管、第二开关管、第三开关管和第四开关管为IGBT管或MOS管。
一种双向DCDC变换电路驱动方法，该方法包括：应用于上述的变换电路，该方法包括正向过程如下：
控制P个双向升降压单元的左桥臂导通、右桥臂关断，其中，P个双向升降压单元的左桥臂驱动信号之间相位差为360°/P，P为正整数；
控制P个双向升降压单元的左桥臂关断、右桥臂导通，其中，P个双向升降压单元的左桥臂驱动信号之间相位差为360°/P；
通过控制双向升降压单元左桥臂的占空比可以使变换器工作于升压或降压模式，占空比大于0.5，工作于降压模式；占空比小于0.5，工作于升压模式。
本方法的进一步改进在于：还包括反向过程如下：
控制P个双向升降压单元的右桥臂导通、左桥臂关断，向负载提供能量，其中，P个双向升降压单元的右桥臂驱动信号之间相位差为360°/P，P为正整数；
控制P个双向升降压单元的右桥臂关断、左桥臂导通，向负载提供能量，其中，P个双向升降压单元的右桥臂驱动信号之间相位差为360°/P；
通过控制双向升降压单元左桥臂的占空比可以使变换器工作于升压或降压模式，占空比大于0.5，工作于降压模式；占空比小于0.5，工作于升压模式。
一种双向直流变换器，包括：
上述的变换电路；
采样单元，用于对上述的变换电路状态进行采样，将采样数据送入控制单元；
控制单元，用于生成可执行上述的变换电路驱动方法的信号，还用于判断变换电路状态是否超过阈值，如果是，则封锁变换电路驱动方法的信号；
驱动单元，用于对变换电路驱动方法的信号进行功率放大，驱动上述的变换电路。
本变换器的进一步改进在于：还包括：
通信单元，用于与控制单元进行通信。
本变换器的进一步改进在于：所述变换电路状态为变换电路输出电压、输出电流其中至少一项。
由于采用了上述技术方案，本发明取得的技术进步是：
本发明提供了一种双向DCDC变换电路、驱动方法和双向直流变换器，该变换器采用多相交错并联形式，可以应用大功率变换场合。相比于现有的直流变换器，该变换器减少了功率器件数量，提高了功率器件的利用率，降低了系统成本。同时，该变换器开关桥臂中串入功率电感，降低了桥臂直通的风险，增强了系统可靠性。
附图说明
为了更清楚地说明本发明运行原理和使用的技术方案，下面将对运行原理和使用的技术所需要使用的附图做简单地介绍。显而易见，下面描述中的附图进仅是本发明的一些运行例子，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图。
图1为现有技术中的一种双向DCDC变换电路结构示意图；
图2为现有技术中的一种双向DCDC变换电路衍生结构示意图；
图3为现有技术中的另一种双向DCDC变换电路衍生结构示意图；
图4为本发明提出的双向DCDC变换电路的具体实施方式的结构示意图；
图5为本发明提出的双向DCDC变换电路的具体实施方式的电路拓扑示意图；
图6为本发明提出的一种双向直流变换器结构示意图；
图7为本发明提出的双向DCDC变换电路的单个双向升降压单元拓扑示意图；
图8为本发明提出的双向DCDC变换电路的单个双向升降压单元第一工作状态原理图；
图9为本发明提出的双向DCDC变换电路的单个双向升降压单元第二工作状态原理图。
具体实施方式
如图4所示，本发明提供了一种双向DCDC变换电路，包括：第一电源侧共用电容支路、第二电源侧共用电容支路、双向升降压单元。
其中，双向升降压单元一端两极之间与第一电源侧共用电容支路连接构成第一电压源接口，另一端两极之间与第二电源侧共用电容支路连接构成第二电压源接口。
进一步地，双向升降压单元为N个，N为大于1的正整数，N个双向升降压单元交错并联，交错并联后一端两极之间与第一电源侧共用电容支路连接，交错并联后另一端两极之间与第二电源侧共用电容支路连接。
基于上述一种双向DCDC变换电路的驱动方法，该方法包括正向过程和反向过程；
正向过程：控制P个双向升降压单元的左桥臂导通、右桥臂关断，其中，P个双向升降压单元的左桥臂驱动信号之间相位差为360°/P，P为正整数；
控制P个双向升降压单元的左桥臂关断、右桥臂导通，其中，P个双向升降压单元的左桥臂驱动信号之间相位差为360°/P；
通过控制双向升降压单元左桥臂的占空比可以使变换器工作于升压或降压模式，占空比大于0.5，工作于降压模式；占空比小于0.5，工作于升压模式。
反向过程：控制P个双向升降压单元的右桥臂导通、左桥臂关断，其中，P个双向升降压单元的右桥臂驱动信号之间相位差为360°/P，P为正整数；
控制P个双向升降压单元的右桥臂关断、左桥臂导通，其中，P个双向升降压单元的右桥臂驱动信号之间相位差为360°/P；
通过控制双向升降压单元左桥臂的占空比可以使变换器工作于升压或降压模式，占空比大于0.5，工作于降压模式；占空比小于0.5，工作于升压模式。
基于上述一种双向DCDC变换电路、驱动方法的双向直流变换器，包括上述的变换电路、采样单元、通信单元、控制单元和驱动单元。
其中，采样单元用于对上述的变换电路状态进行采样，将采样数据送入控制单元；控制单元用于生成可执行上述的变换电路驱动方法的信号，还用于判断变换电路状态是否超过阈值，如果是，则封锁变换电路驱动方法的信号；驱动单元用于对变换电路驱动方法的信号进行功率放大，驱动上述的变换电路，通信单元与控制单元进行通信。
上述电路、方法和变换器为本发明构思和处理思想，下面结合附图对本发明提出的驱动保护方法进行清楚、完整地描述，显然，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作出创造性劳动的前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。
请参考图4，一种双向DCDC变换电路，所述电路电路包括：
第一电压源接口、第二电压源接口；
第一电压源侧共用电容、第二电压源侧共用电容，所述第一电压源侧共用电容与第二电压源侧共用电容分别与所述第一电压源接口、第二电压源接口相连；
第一双向升降压单元、第二双向升降压单元、第三双向升降压单元，第一升降压单元、第二升降压单元和第三升降压单元均与第一电压源侧共用电容两端相连，并且均与第二电压源侧共用电容相连。
其中，第一双向升降压单元，包括IGBT管Q1、IGBT管Q2、IGBT管Q3、IGBT管Q4、电感L1；
第二双向升降压单元，包括IGBT管Q5、IGBT管Q6、IGBT管Q7、IGBT管Q8、电感L2；
第三双向升降压单元，包括IGBT管Q9、IGBT管Q10、IGBT管Q11、IGBT管Q12、电感L3；
第一双向升降压单元，IGBT管Q1的集电极与第一电压源接口正极相连，IGBT管Q1的发射极与IGBT管Q2的集电极相连，IGBT管Q2的发射极与第二电压源接口负极相连；IGBT管Q3的发射极与第一电压源接口的负极相连，IGBT管Q3的集电极与IGBT管Q4的发射极相连，IGBT管Q4的集电极与第二电压源接口的正极相连；IGBT管Q1和IGBT管Q2的连接点连接电感L1的一端，IGBT管Q3和IGBT管Q4的连接点连接电感L1的另一端。
第二双向升降压单元，IGBT管Q5的集电极与第一电压源接口正极相连，IGBT管Q5的发射极与IGBT管Q6的集电极相连，IGBT管Q6的发射极与第二电压源接口负极相连；IGBT管Q7的发射极与第一电压源接口的负极相连，IGBT管Q7的集电极与IGBT管Q8的发射极相连，IGBT管Q8的集电极与第二电压源接口的正极相连；IGBT管Q5和IGBT管Q6的连接点连接电感L2的一端，IGBT管Q7和IGBT管Q8的连接点连接电感L2的另一端。
第三双向升降压单元，IGBT管Q9的集电极与第一电压源接口正极相连，IGBT管Q9的发射极与IGBT管Q10的集电极相连，IGBT管Q10的发射极与第二电压源接口负极相连；IGBT管Q11的发射极与第一电压源接口的负极相连，IGBT管Q11的集电极与IGBT管Q12的发射极相连，IGBT管Q12的集电极与第二电压源接口的正极相连；IGBT管Q9和IGBT管Q10的连接点连接电感L1的一端，IGBT管Q11和IGBT管Q12的连接点连接电感L3的另一端。
IGBT管Q1和Q2、Q3和Q4、Q5和Q6、Q7和Q8、Q9和Q10、Q11和Q12分别互补工作。
IGBT管Q1和Q3、Q5和Q7、Q9和Q11驱动分别相同，相位错开120度。
所述IGBT管Q2和Q4、Q6和Q8、Q10和Q12驱动也分别相同，相位错开120度。
参考图5，本申请另一实施例提供一种双向直流变换器，包含：采样单元、驱动单元、控制单元、通信单元以及一个应用于上一实施例提供的双向DCDC变换电路；其中：
所述双向DCDC变换电路的一侧作为所述双向直流变换器的一侧，与电池设备或直流母线两级对应连接，所述双向DCDC变换电路的另一侧作为所述双向直流变换器的另一侧，与与电池设备或直流母线两级对应连接；
所述采样单元对所述三双向DCDC变换电路的各侧的电压电流进行检测，并将检测结果送入所述控制单元；
所述通信单元将外部控制信号等信息送入所述控制单元；
所述控制单元结合所述采样单元和所述通信单元上传的信息，综合判断所述双向直流变换器目前的工作状态，给出驱动信号到所述驱动单元；
所述驱动单元将所述控制单元输出的驱动信号进行功率放大，分别送入第一、第二、第三双向升降压单元的IGBT管，进行功率变换。
驱动上述电路的工作过程如下：
以某一相为例，说明该电路工作过程。电路分为两种工作过程，正向工作过程，即能量由C1传递到C2，和反向工作过程，即能量由C2传递到C1。
1.正向工作过程：
1)开关管Q1、Q3开通，Q2、Q4关断。电感L1储能，电容C2向负载提供能量。此时电路图如图8所示；
2)开关管Q1、Q3断开，Q2、Q4开通。电感L1释放能量，该能量一方面给电容C2充电，一方面为负载供电。此时电路原理图如图9所示。
电路变比：
由上述分析可以看出，控制Q1、Q3开通过关断时间就可以控制电感充放电的时间，即可控制升压比。根据电感的伏秒平衡，可以得到：
VinTon＝VoutToff
得到：
其中，Vout为输出电压，Vin为输入电压，D为占空比，当D大于0.5时，M大于1，电路表现为升压功能，当D小于0.5时，M小于1，电路表现为降压功能。
反向工作过程：
反向工作时，只需要将Q1、Q3和Q2、Q4的控制信号对调即可。
以上所述的实施例仅仅是对本发明的优选实施方式进行描述，并非对本发明的范围进行限定，在不脱离本发明设计精神的前提下，本领域普通技术人员对本发明的技术方案做出的各种变形和改进，均应落入本发明权利要求书确定的保护范围内。
Claims (9)
1.一种双向DCDC变换电路，其特征在于，包括：
第一电源侧共用电容支路；
第二电源侧共用电容支路；
双向升降压单元，所述双向升降压单元一端两极之间与第一电源侧共用电容支路连接构成第一电压源接口，另一端两极之间与第二电源侧共用电容支路连接构成第二电压源接口。
2.根据权利要求1所述的一种双向DCDC变换电路，其特征在于，所述双向升降压单元为N个，N为大于1的正整数，N个双向升降压单元交错并联，交错并联后一端两极之间与第一电源侧共用电容支路连接，交错并联后另一端两极之间与第二电源侧共用电容支路连接。
3.根据权利要求1或2所述的一种双向DCDC变换电路，其特征在于，所述双向升降压单元包括左桥臂和右桥臂，其中：
左桥臂包括第一开关管、第三开关管和电感，第一开关管的发射极与电感一端连接，电感另一端与第三开关集电极连接；
右桥臂包括第二开关管、第四开关管和电感，第二开关管的集电极与电感一端连接，第四开关管的发射极与电感另一端连接。
4.根据权利要求3所述的一种双向DCDC变换电路，其特征在于，所述第一开关管、第二开关管、第三开关管和第四开关管为IGBT管或MOS管。
5.一种双向DCDC变换电路驱动方法，其特征在于，应用于如权利要求1到4任一项的变换电路，该方法包括正向过程如下：
控制P个双向升降压单元的左桥臂导通、右桥臂关断，其中，P个双向升降压单元的左桥臂驱动信号之间相位差为360°/P，P为正整数；
控制P个双向升降压单元的左桥臂关断、右桥臂导通，其中，P个双向升降压单元的左桥臂驱动信号之间相位差为360°/P；
通过控制双向升降压单元左桥臂的占空比可以使变换器工作于升压或降压模式，占空比大于0.5，工作于降压模式；占空比小于0.5，工作于升压模式。
6.根据权利要求5所述的一种双向DCDC变换电路驱动方法，其特征在于，还包括反向过程如下：
控制P个双向升降压单元的右桥臂导通、左桥臂关断，其中，P个双向升降压单元的右桥臂驱动信号之间相位差为360°/P，P为正整数；
控制P个双向升降压单元的右桥臂关断、左桥臂导通，其中，P个双向升降压单元的右桥臂驱动信号之间相位差为360°/P；
通过控制双向升降压单元左桥臂的占空比可以使变换器工作于升压或降压模式，占空比大于0.5，工作于降压模式；占空比小于0.5，工作于升压模式。
7.一种双向直流变换器，其特征在于，包括：
如权利要求1到4任一项的变换电路；
采样单元，用于对如权利要求1到4任一项的变换电路状态进行采样，将采样数据送入控制单元；
控制单元，用于生成可执行如权利要求5或6的变换电路驱动方法的信号，还用于判断变换电路状态是否超过阈值，如果是，则封锁变换电路驱动方法的信号；
驱动单元，用于对变换电路驱动方法的信号进行功率放大，驱动如权利要求1到4任一项的变换电路。
8.根据权利要求7所述的一种双向直流变换器，其特征在于，还包括：
通信单元，用于与控制单元进行通信。
9.根据权利要求7或8所述的一种双向直流变换器，其特征在于，所述变换电路状态为变换电路输出电压、输出电流其中至少一项。
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