CN204538966U - 一种大功率直流输入/输出双向变换器 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及一种大功率直流输入/输出双向变换器，属于新能源技术领域。该双向变换器由第一开关臂、第二开关臂、第三开关臂和第四开关臂串联组成，第一开关臂并联在双向变换器的输入端电压上，第四开关臂与双向变换器的输出端电压上，第一开关臂2和第三开关臂之间，通过一个储能电感串联。本变换器可以在输入、输出两个方向上同时实现升压或降压。采用开关模块级联组合，降低开关管的电压应力，增大电路的输入电压范围，可以应用在电压较高或功率较大的场合。以耐压值低的电力电子器件代替耐压值高的电力电子器件去完成大功率高压下的工作，降低了设备成本。并且通过交错开关方式，减小了开关损耗，降低了装置的电磁干扰，提高了效率。

Description

一种大功率直流输入/输出双向变换器

技术领域

本实用新型涉及一种直流输入和输出电压可以双向变化的装置，属于新能源技术领域。

背景技术

目前，传统的直流输入/输出双向变换器多采用两电平降压/升压结构，每个开关管承受的电压应力均为输入或输出电压，受开关管的限制，很难实现大电压下的应用，并且目前这种采用两电平降压/升压的结构对稳定输出电压的效果不明显。随着直流双向变换器逐渐在电动汽车、电力系统、国防军工、工业控制等领域的广泛应用，要求直流双向变换器能够处理越来越高的电压等级和容量等级。

发明内容

本实用新型的目的是提出一种直流输入和输出电压可以双向变化的装置，运用拓扑综合方法，对开关臂进行扩展，构建一个由开关管、二极管、钳位电容组成的开关臂，建立直流双向变换器的拓扑，以得到更大的电压或电流范围，使其能够用于电动汽车、新能源发电、以及储能系统等中高压大容量场合。

本实用新型提出的大功率直流输入/输出双向变换器，由第一开关臂1、第二开关臂2、第三开关臂3和第四开关臂4串联组成，所述的第一开关臂1并联在双向变换器的输入端电压U1上，第四开关臂4并联在双向变换器的输出端电压U2上，所述的第一开关臂2和第三开关臂3之间，通过一个储能电感L串联；

所述的第一开关臂1包括第一开关管S11、第二开关管S12、第三开关管S13、第四开关管S14、第一二极管、第二二极管、第三二极管、第四二极管、第一箝位电容C11和第二箝位电容C12，所述的第一开关管S11、第二开关管S12、第三开关管S13和第四开关管S14相互串联，所述的第一二极管、第二二极管、第三二极管和第四二极管分别与相应的第一开关管S11、第二开关管S12、第三开关管S13和第四开关管S14并联，第一箝位电容C11与串联后的第一开关管S11和第二开关管S12并联，第二箝位电容C12与串联后的第三开关管S13和第四开关管S14并联；

所述的第二开关臂2包括第五开关管S21、第六开关管S22、第五二极管、第六二极管和第三箝位电容C21，第五开关管S21和第六开关管S22相互串联，所述的第五二极管和第六二极管分别与第五开关管S21和第六开关管S22相互并联，所述的第三箝位电容C21与串联后的第五开关管S21和第六开关管S22并联；

所述的第三开关臂3包括第七开关管S31、第八开关管S32、第七二极管、第八二极管和第四箝位电容C31，所述的第七开关管S31和第八开关管S32相互串联，所述的第七二极管和第八二极管分别与第七开关管S31和第八开关管S32相互并联，所述的第四箝位电容C31与串联后的第七开关管S31和第八开关管S32并联；

所述的第四开关臂4包括第九开关管41、第十开关管42、第十一开关管43、第十二开关管44、第九二极管、第十二极管、第十一二极管、第十二二极管、第五箝位电容C41和第六箝位电容C42，所述的第九开关管41、第十开关管42、第十一开关管43和第十二开关管44相互串联，所述的第九二极管、第十二极管、第十一二极管和第十二二极管分别与第九开关管41、第十开关管42、第十一开关管43和第十二开关管44并联，所述的第五箝位电容C41与串联后的第九开关管41和第十开关管42并联，所述的第六箝位电容C42与串联后的第十一开关管43和第十二开关管44并联。

本实用新型提出的大功率直流输入/输出双向变换器，其优点是：当本实用新型的大功率直流输入/输出双向变换器用于大功率高压场合时，可以降低开关管的承受电压水平，因此可以以耐压值低的电力电子器件代替耐压值高的电力电子器件去完成大功率高压下的工作，从而降低设备成本。本变换器中，每个开关管承受的电压水平仅为母线电压的1/(n-1)(n为电平数)，从而增大电路的输入电压范围，使变换器可以工作在电压较高或功率较大的场合。通过调整变换器中左侧、右侧桥臂的占空比，可以在两个方向上，同时实现升压或降压，控制策略更为灵活，应用领域更广，而且无需变压器就能够实现大变压比变换，有利于降低设备成本，减小设备体积。

附图说明

图1是本实用新型提出的大功率直流输入/输出双向变换器的电路原理图。

图2(a)是占空比D₁<0.5时直流双向变换器的脉宽调制PWM控制信号时序图，图2(b)是占空比D₁≥0.5时的脉宽调制PWM控制信号时序图。

具体实施方式

本实用新型提出的大功率直流输入/输出双向变换器，其电路原理图如图1所示，由第一开关臂1、第二开关臂2、第三开关臂3和第四开关臂4串联组成，所述的第一开关臂1并联在双向变换器的输入端电压U1上，第四开关臂4并联在双向变换器的输出端电压U2上，所述的第一开关臂2和第三开关臂3之间，通过一个储能电感L串联；

所述的第一开关臂1包括第一开关管S11、第二开关管S12、第三开关管S13、第四开关管S14、第一二极管、第二二极管、第三二极管、第四二极管、第一箝位电容C11和第二箝位电容C12，所述的第一开关管S11、第二开关管S12、第三开关管S13和第四开关管S14相互串联，所述的第一二极管、第二二极管、第三二极管和第四二极管分别与相应的第一开关管S11、第二开关管S12、第三开关管S13和第四开关管S14并联，第一箝位电容C11与串联后的第一开关管S11和第二开关管S12并联，第二箝位电容C12与串联后的第三开关管S13和第四开关管S14并联；

所述的第二开关臂2包括第五开关管S21、第六开关管S22、第五二极管、第六二极管和第三箝位电容C21，第五开关管S21和第六开关管S22相互串联，所述的第五二极管和第六二极管分别与第五开关管S21和第六开关管S22相互并联，所述的第三箝位电容C21与串联后的第五开关管S21和第六开关管S22并联；

所述的第三开关臂3包括第七开关管S31、第八开关管S32、第七二极管、第八二极管和第四箝位电容C31，所述的第七开关管S31和第八开关管S32相互串联，所述的第七二极管和第八二极管分别与第七开关管S31和第八开关管S32相互并联，所述的第四箝位电容C31与串联后的第七开关管S31和第八开关管S32并联；

所述的第四开关臂4包括第九开关管41、第十开关管42、第十一开关管43、第十二开关管44、第九二极管、第十二极管、第十一二极管、第十二二极管、第五箝位电容C41和第六箝位电容C42，所述的第九开关管41、第十开关管42、第十一开关管43和第十二开关管44相互串联，所述的第九二极管、第十二极管、第十一二极管和第十二二极管分别与第九开关管41、第十开关管42、第十一开关管43和第十二开关管44并联，所述的第五箝位电容C41与串联后的第九开关管41和第十开关管42并联，所述的第六箝位电容C42与串联后的第十一开关管43和第十二开关管44并联。

上述变换器中，箝位电容C11，C12、C21、C31、C41、C42的作用是，在开关管截止时将其电压箝位在一个恒定值，从而保证输出电压的稳定。

以下结合附图，详细介绍本实用新型提出的大功率直流输入/输出双向变换器的工作原理和工作过程：

当能量从图1所示的直流输入U1向直流输出U2转换时，U1侧的功率开关管S11、S13、S21工作在图2所示开关臂1和开关臂2的脉宽调制PWM方式，S12、S14、S22截止。U2侧的功率开关管S32、S42、S44工作在图2所示开关臂3和开关臂4的脉宽调制PWM方式下，S31、S41、S43截止。在U1侧S11、S13、S21导通时，如果U2侧的S32、S42、S44导通，输入电压U1全部加到电感L上，电能以磁场能的形式存储在电感L中，负载由C41、C42供电。在U1侧S11、S13、S21导通时，如果U2侧的S32、S42、S44关断，输入电压U1和电感L的储能，向电容C31、C41、C42和负载转移。从而实现从输入端U1向输出端U2方向流动。

当能量从图1所示的直流输出U2向直流输入U1转换时，U1侧的功率开关管S11、S13、S21截止，S12、S14、S22工作在图2所示开关臂1和开关臂2的脉宽调制PWM方式。U2侧的功率开关管S32、S42、S44截止，S31、S41、S43工作在图2所示开关臂3和开关臂4的脉宽调制PWM方式。在U2侧S31、S41、S43导通时，如果U1侧的S12、S14、S22导通，输出电压U2全部加到电感L上，电能以磁场能的形式存储在电感L中，输入侧由C11、C12供电。在U2侧S31、S41、S43导通时，如果U1侧的S12、S14、S22关断，输出电压U2和电感L的储能，向电容C21、C11、C12和输入侧转移。从而实现从输出端U2向输入端U1方向流动。

通过调整开关管的导通和关断时间，就可以改变电压和电流的大小。当变换器要将能量从U1向U2正向流动时，对开关臂1和开关臂2施加频率都为1/T1，占空比为D1的脉宽调制PWM信号，对开关臂3和开关臂4施以频率都为1/T2，占空比为D2的脉宽调制PWM信号，如图所示，图2(a)是占空比D₁<0.5时直流双向变换器的脉宽调制PWM控制信号时序图，图2(b)是占空比D₁≥0.5时的脉宽调制PWM控制信号时序图。可以推导出，变换器输出电压和输入电压间的关系为：U2/U1＝D1/D2。当输入电压一定时，输出电压的大小不仅跟左侧桥臂开关管的占空比有关，也与右侧桥臂的占空比有关。输入输出电压始终与左、右侧桥臂的占空比比例大小成反比。通过调整占空比D1、D2，就能实现不同的电压、电流输出。

由于结构的完全对称性，上述关系也适用于从U2向U1流动时的情况。

Claims (1)

1.一种大功率直流输入/输出双向变换器，其特征在于该双向变换器由第一开关臂、第二开关臂、第三开关臂和第四开关臂串联组成，所述的第一开关臂并联在双向变换器的输入端电压U1上，第四开关臂并联在双向变换器的输出端电压U2上，所述的第一开关臂和第三开关臂之间，通过一个储能电感L串联；

所述的第一开关臂包括第一开关管、第二开关管、第三开关管、第四开关管、第一二极管、第二二极管、第三二极管、第四二极管、第一箝位电容和第二箝位电容，所述的第一开关管、第二开关管、第三开关管和第四开关管相互串联，所述的第一二极管、第二二极管、第三二极管和第四二极管分别与相应的第一开关管、第二开关管、第三开关管和第四开关管并联，第一箝位电容与串联后的第一开关管和第二开关管并联，第二箝位电容与串联后的第三开关管和第四开关管并联；

所述的第二开关臂包括第五开关管、第六开关管、第五二极管、第六二极管和第三箝位电容，第五开关管和第六开关管相互串联，所述的第五二极管和第六二极管分别与第五开关管和第六开关管相互并联，所述的第三箝位电容与串联后的第五开关管和第六开关管并联；

所述的第三开关臂包括第七开关管、第八开关管、第七二极管、第八二极管和第四箝位电容，所述的第七开关管和第八开关管相互串联，所述的第七二极管和第八二极管分别与第七开关管和第八开关管相互并联，所述的第四箝位电容与串联后的第七开关管和第八开关管并联；

所述的第四开关臂包括第九开关管、第十开关管、第十一开关管、第十二开关管、第九二极管、第十二极管、第十一二极管、第十二二极管、第五箝位电容和第六箝位电容，所述的第九开关管、第十开关管、第十一开关管和第十二开关管相互串联，所述的第九二极管、第十二极管、第十一二极管和第十二二极管分别与第九开关管、第十开关管、第十一开关管和第十二开关管并联，所述的第五箝位电容与串联后的第九开关管和第十开关管并联，所述的第六箝位电容与串联后的第十一开关管和第十二开关管并联。