CN114400894A - 一种双向dcdc变换电路及控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种双向DCDC变换电路及控制方法，属于电力电子领域，该电路包括第一母线电容支路；第二母线电容支路；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母线电容支路连接，另一端两极之间与第二母线电容支路连接，所述升降压单元包括第一开关桥臂、第二开关桥臂和耦合电容，所述第一开关桥臂包括第一电感、第一开关管、第二开关管、第三电感依次串联，第二开关桥臂包括第二电感、第三开关管、第四开关管、第四电感依次串联，所述耦合电容包括第三电容和第四电容，第一电感、第一开关管的公共端与第三电容一端连接，第二电感、第三开关管的公共端与第三电容另一端连接。该变换电路提高了功率器件的利用率，降低了系统成本。

Description

一种双向DCDC变换电路及控制方法

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变换电路及控制方法。

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量存储于蓄电池中，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所示电路中，由于单个开关管通流能力有限，无法满足大功率应用场合，且输入输出纹波电流大，导致输入输出母线电容容量大；在图2和图3所示电路中，采用多相交错并联技术，需要的开关管数量多，若采用如图3所示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。减小功率管数量和电流纹波，降低系统成本，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变换电路及控制方法。

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：

第一母线电容支路；

第二母线电容支路；

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母线电容支路连接，另一端两极之间与第二母线电容支路连接，所述升降压单元包括第一开关桥臂、第二开关桥臂和耦合电容，所述第一开关桥臂包括第一电感、第一开关管、第二开关管、第三电感依次串联，第二开关桥臂包括第二电感、第三开关管、第四开关管、第四电感依次串联，所述耦合电容包括第三电容和第四电容，第一电感、第一开关管的公共端与第三电容一端连接，第二电感、第三开关管的公共端与第三电容另一端连接。

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母线电容支路连接，交错并联后另一端两极之间与第二母线电容支路连接。

本电路的进一步改进在于：所述双向升降压单元为二个。

本电路的进一步改进在于：所述双向升降压单元为三个。

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变换电路控制方法，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第一开关桥臂导通、第二开关桥臂关断，其中，P个的双向升降压单元的第一开关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第一开关桥臂关断、第二开关桥臂导通，其中，P个的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的第一开关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第二开关桥臂导通、第一开关桥臂关断，其中，P个的双向升降压单元的第二开关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第二开关桥臂关断、第一开关桥臂导通，其中，P个的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第二开关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。

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变换电路及控制方法，该变换电路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变换电路的一种具体实施方式的拓扑示意图；

图6为本发明提出的双向DCDC变换电路的另一种具体实施方式的拓扑示意图；

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：第一母线电容支路、第二母线电容支路、双向升降压单元。

其中，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母线电容支路连接，另一端两极之间与第二母线电容支路连接，所述升降压单元包括第一开关桥臂、第二开关桥臂和耦合电容，所述第一开关桥臂包括第一电感、第一开关管、第二开关管、第三电感依次串联，第二开关桥臂包括第二电感、第三开关管、第四开关管、第四电感依次串联，所述耦合电容包括第三电容和第四电容，第一电感、第一开关管的公共端与第三电容一端连接，第二电感、第三开关管的公共端与第三电容另一端连接。

基于上述一种双向DCDC变换电路的控制方法，该方法包括正向过程和反向过程；

其中，正向过程：控制P个双向升降压单元的第一开关桥臂导通、第二开关桥臂关断，其中，P个的双向升降压单元的第一开关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第一开关桥臂关断、第二开关桥臂导通，其中，P个的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的第一开关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第二开关桥臂导通、第一开关桥臂关断，其中，P个的双向升降压单元的第二开关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第二开关桥臂关断、第一开关桥臂导通，其中，P个的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第二开关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。

上述电路、方法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。

第一实施例

请参考图5，一种双向DCDC变换电路，电路电路包括：母线电容C1、C2；

第一双向升降压单元、第二双向升降压单元，第一双向升降压单元、第二双向升降压单元两端分别与C1、C2两端相连。

所述双向升降压单元包括：

第一双向升降压单元，包括电感L1、电容C3、电感L2、IGBT管S1、IGBT管S2、IGBT管S3、IGBT管S4、电感L3、电容C4、电感L4；

第二双向升降压单元，包括电感L5、电容C5、电感L6、IGBT管S5、IGBT管S6、IGBT管S7、IGBT管S8、电感L7、电容C6、电感L8；

所述第一双向升降压单元，输入端的正极连接电感L1，随后由电感L1依次连接电容C3，电感L2，最后连接到输出端的负极；输入端的负极连接电感L3，随后由电感L3依次连接电容C4，电感L4，最后连接到输出端的正极；IGBT管S1和S2串联组成开关桥臂，两端分别连接于电感L1与电容C3的连接点和电感L3与电容C4的连接点；IGBT管S3和S4串联组成开关桥臂，两端分别连接于电感L2与电容C3的连接点和电感L4和电容C4的连接点；

所述第二双向升降压单元，输入端的正极连接电感L5，随后由电感L5依次连接电容C5，电感L6，最后连接到输出端的负极；输入端的负极连接电感L7，随后由电感L7依次连接电容C6，电感L8，最后连接到输出端的正极；IGBT管S5和S6串联组成开关桥臂，两端分别连接于电感L5与电容C5的连接点和电感L7与电容C6的连接点；IGBT管S7和S8串联组成开关桥臂，两端分别连接于电感L6与电容C5的连接点和电感L8和电容C6的连接点；

所述IGBT管S1和S3、S5和S7、S2和S4、S6和S8分别互补工作。

所述IGBT管S1和S2、S5和S6驱动分别两两相同，这二组驱动相位分别错开180度。

所述IGBT管S3和S4、S7和S8驱动也分别两两相同，这二组驱动相位分别错开180度。

控制上述电路的工作过程如下，以单相拓扑为例，如图7：

电路分为两种工作过程，正向工作过程即能量由a端口传递到b端口，反向工作过程即能量由b端口传递到a端口。

1、正向工作过程：

1)开关管S1、S2开通，开关S3、S4断开，等效拓扑图如图8所述。此时，电感L1和L3从输入电源汲取能量，建立电感电流；同时，电容C3经过开关S1和S2与电容C4串联，为负载提供能量，电感L4、L2和电容C2共同作为输出滤波器件，减小输出电流脉动。

2)开关管S1、S2断开，开关S3、S4开通,等效拓扑图如图9所示。此时，电感电流不能突变，电感L1、电容C3、开关管S3、S4、电容C4、电感L3形成回路，完成电感L1、L3续流和对电容C3、C4的充电；同时电感L2、L4经过开关S3和S4续流，为负载提供电能，当电感电流大于负载电流时电容C2充电，当电感电流小于负载电流时，电容C2放电。

3)下一个开关周期重复上述动作，将能量从输入侧变送到输出侧。

电压增益M(电感电流连续的工况下，忽略开关管压降):

开关闭合，根据等效电路图8可以得到等式：

开关断开，根据等效电路图9可以得到等式：

当系统处于稳态后，电感电流在一个开关周期内变化为零，且L1＝L3,L2＝L4,C3＝C4,据此可以到：

其中，M为电压增益，D为占空比。从上面分析可以看出，改变占空比可以让输出电压高于或低于输入电压。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。

2、反向工作过程：

反向工作时，只需要将S1、S2和S3、S4的控制信号对调即可。

第二实施例

请参考图4和图6，一种双向DCDC变换电路，所述电路电路包括：母线电容C1、C2；

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，所述第一双向升降压单、第二双向升降压单元和第三双向升降压单元的两端分别与C1、C2两端相连。

所述双向升降压单元包括：

第一双向升降压单元，包括电感L1、电容C3、电感L2、IGBT管S1、IGBT管S2、IGBT管S3、IGBT管S4、电感L3、电容C4、电感L4；

第二双向升降压单元，包括电感L5、电容C5、电感L6、IGBT管S5、IGBT管S6、IGBT管S7、IGBT管S8、电感L7、电容C6、电感L8；

第三双向升降压单元，包括电感L9、电容C7、电感L10、IGBT管S9、IGBT管S10、IGBT管S11、IGBT管S12、电感L11、电容C8、电感L12；

所述第一双向升降压单元，输入端的正极连接电感L1，随后由电感L1依次连接电容C3，电感L2，最后连接到输出端的负极；输入端的负极连接电感L3，随后由电感L3依次连接电容C4，电感L4，最后连接到输出端的正极；IGBT管S1和S2串联组成开关桥臂，两端分别连接于电感L1与电容C3的连接点和电感L3与电容C4的连接点；IGBT管S3和S4串联组成开关桥臂，两端分别连接于电感L2与电容C3的连接点和电感L4和电容C4的连接点；

所述第二双向升降压单元，输入端的正极连接电感L5，随后由电感L5依次连接电容C5，电感L6，最后连接到输出端的负极；输入端的负极连接电感L7，随后由电感L7依次连接电容C6，电感L8，最后连接到输出端的正极；IGBT管S5和S6串联组成开关桥臂，两端分别连接于电感L5与电容C5的连接点和电感L7与电容C6的连接点；IGBT管S7和S8串联组成开关桥臂，两端分别连接于电感L6与电容C5的连接点和电感L8和电容C6的连接点；

所述第三双向升降压单元，输入端的正极连接电感L9，随后由电感L9依次连接电容C7，电感L10，最后连接到输出端的负极；输入端的负极连接电感L11，随后由电感L11依次连接电容C8，电感L12，最后连接到输出端的正极；IGBT管S9和S10串联组成开关桥臂，两端分别连接于电感L9与电容C7的连接点和电感L11与电容C8的连接点；IGBT管S11和S12串联组成开关桥臂，两端分别连接于电感L10与电容C7的连接点和电感L12和电容C8的连接点；

所述IGBT管S1和S3、S5和S7、S9和S11、S2和S4、S6和S8、S10和S12分别互补工作。

所述IGBT管S1和S2、S5和S6、S9和S10驱动分别两两相同，这三组驱动相位分别错开120度。

所述IGBT管S3和S4、S7和S8、S11和S12驱动也分别两两相同，这三组驱动相位分别错开120度。

控制上述电路的工作过程如下，以单相拓扑为例，如图7：

电路分为两种工作过程，正向工作过程即能量由a端口传递到b端口，反向工作过程即能量由b端口传递到a端口。

1、正向工作过程：

1)开关管S1、S2开通，开关S3、S4断开，等效拓扑图如图8所述。此时，电感L1和L3从输入电源汲取能量，建立电感电流；同时，电容C3经过开关S1和S2与电容C4串联，为负载提供能量，电感L4、L2和电容C2共同作为输出滤波器件，减小输出电流脉动。

2)开关管S1、S2断开，开关S3、S4开通,等效拓扑图如图9所示。此时，电感电流不能突变，电感L1、电容C3、开关管S3、S4、电容C4、电感L3形成回路，完成电感L1、L3续流和对电容C3、C4的充电；同时电感L2、L4经过开关S3和S4续流，为负载提供电能，当电感电流大于负载电流时电容C2充电，当电感电流小于负载电流时，电容C2放电。

3)下一个开关周期重复上述动作，将能量从输入侧变送到输出侧。

电压增益M(电感电流连续的工况下，忽略开关管压降):

开关闭合，根据等效电路图8可以得到等式：

开关断开，根据等效电路图9可以得到等式：

当系统处于稳态后，电感电流在一个开关周期内变化为零，且L1＝L3,L2＝L4,C3＝C4,据此可以到：

其中，M为电压增益，D为占空比。从上面分析可以看出，改变占空比可以让输出电压高于或低于输入电压。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。

2、反向工作过程：

反向工作时，只需要将S1、S2和S3、S4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 (7)

1.一种双向DCDC变换电路，其特征在于，包括：

第一母线电容支路；

第二母线电容支路；

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母线电容支路连接，另一端两极之间与第二母线电容支路连接，所述升降压单元包括第一开关桥臂、第二开关桥臂和耦合电容，所述第一开关桥臂包括第一电感、第一开关管、第二开关管、第三电感依次串联，第二开关桥臂包括第二电感、第三开关管、第四开关管、第四电感依次串联，所述耦合电容包括第三电容和第四电容，第一电感、第一开关管的公共端与第三电容一端连接，第二电感、第三开关管的公共端与第三电容另一端连接。

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母线电容支路连接，交错并联后另一端两极之间与第二母线电容支路连接。

3.根据权利要求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为二个。

4.根据权利要求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为三个。

5.根据权利要求3或4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。

6.一种双向DCDC变换电路控制方法，其特征在于，应用于如权利要求1到5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第一开关桥臂导通、第二开关桥臂关断，其中，P个的双向升降压单元的第一开关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第一开关桥臂关断、第二开关桥臂导通，其中，P个的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的第一开关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.根据权利要求6所述的一种双向DCDC变换电路控制方法，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第二开关桥臂导通、第一开关桥臂关断，其中，P个的双向升降压单元的第二开关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第二开关桥臂关断、第一开关桥臂导通，其中，P个的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第二开关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。

Images