CN207542996U - 一种双向升降压dc/dc变换器及其主电路 - Google Patents
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Abstract
本实用新型提供一种双向升降压DC/DC变换器及其主电路，由两个桥臂单元及设置在两个桥臂单元之间的2N个电感构成，拓扑结构对称，能够实现双向升降压控制。且其桥臂单元中设置有两个串联的支撑电容，与该双向升降压DC/DC变换器的一侧端口相连，使得桥臂单元内的各个开关器件所承受的电压应力仅为对应母线电压的一半，有效降低了开关器件的电压应力；同时使得每个桥臂单元的耐压水平均提升为现有技术的两倍，使该双向升降压DC/DC变换器能够应用于高压变换场合，也即，该双向升降压DC/DC变换器的功率水平能够兼容高低压直流母线系统，解决了现有技术中双向升降压DC/DC变换器的功率水平受限于开关器件耐压水平的问题。
Description
技术领域
本实用新型涉及电力电子技术领域，特别涉及一种双向升降压DC/DC变换器及其主电路。
背景技术
随着新能源的发展，储能装置得到大量应用，双向DC/DC变换器作为共直流母线系统与储能装置蓄电池之间的器件，有着巨大的应用前景。
双向DC/DC变换器具有多种变换类型，虽然均能实现双向变换，但是有些双向DC/DC变换器只能实现单向升降压控制，很大程度上局限了双向DC/DC变换器的应用场景。图1所示为一种现有的能够实现双向升降压的DC/DC变换，其主电路拓扑结构对称，利于实现双向升降压控制。
然而随着新能源以及储能行业的发展，为了实现高功率、大容量的最优配置，串联蓄电池及光伏组件的数量不断增加，直流电压和电流也不断攀升，使得双向DC/DC变换器越来越多的需要应用于高压变换场合；但是目前开关器件本身的制造工艺技术发展相对缓慢，其耐压水平不能同步提升，因此限制了双向DC/DC变换器的功率水平。
实用新型内容
本实用新型提供一种双向升降压DC/DC变换器及其主电路，以解决现有技术中双向升降压DC/DC变换器的功率水平受限于开关器件耐压水平的问题。
为实现上述目的，本申请提供的技术方案如下：
一种双向升降压DC/DC变换器的主电路，包括：2N个电感和两个桥臂单元，N大于等于1，两个所述桥臂单元分别与所述双向升降压DC/DC变换器的两侧端口相连；
每个所述桥臂单元均包括：两个支撑电容和N个桥臂；所述桥臂包括上桥臂和下桥臂；所述上桥臂和所述下桥臂均包括两个串联的开关器件；
每个所述桥臂单元中，两个所述支撑电容串联，串联后的两端和所述桥臂的两端均与所述双向升降压DC/DC变换器相应的一侧端口相连；两个所述支撑电容的连接点与所述桥臂的中点相连；所述上桥臂的中点通过一个电感与另一桥臂单元中相应上桥臂的中点相连；所述下桥臂的中点通过另一电感与另一桥臂单元中相应下桥臂的中点相连。
优选的，一个桥臂单元中各个开关器件的控制端所接收的开关信号为固定占空比的开关信号，另一个桥臂单元中各个开关器件的控制端所接收的开关信号为脉冲宽度调制PWM开关信号。
优选的，N大于1时，连接电感相同的两个桥臂为一组桥臂，各组桥臂之间，相同位置的开关器件的控制端所接收开关信号的相位差均为2π/N。
优选的，所述开关器件为：带反向并联二极管的绝缘栅双极型晶体管IGBT、带反向并联二极管的全氧半场效晶体管MOSFET、双向晶闸管、两个反向并联的IGBT或者两个反向并联的MOSFET中的任意一种。
一种双向升降压DC/DC变换器，包括：主电路、检测电路及控制器；其中：
所述主电路包括2N个电感和两个桥臂单元，N大于等于1，两个所述桥臂单元分别与所述双向升降压DC/DC变换器的两侧端口相连；
每个所述桥臂单元均包括：两个支撑电容和N个桥臂；所述桥臂包括上桥臂和下桥臂；所述上桥臂和所述下桥臂均包括两个串联的开关器件；
每个所述桥臂单元中，两个所述支撑电容串联，串联后的两端和所述桥臂的两端均与所述双向升降压DC/DC变换器相应的一侧端口相连；两个所述支撑电容的连接点与所述桥臂的中点相连；所述上桥臂的中点通过一个电感与另一桥臂单元中相应上桥臂的中点相连；所述下桥臂的中点通过另一电感与另一桥臂单元中相应下桥臂的中点相连；
所述检测电路的输出端与所述控制器相连；
所述控制器输出开关信号至所述开关器件的控制端。
优选的，所述控制器输出至一个桥臂单元的开关信号为固定占空比的开关信号，所述控制器输出至另一个桥臂单元的开关信号为PWM开关信号。
优选的，N大于1时，连接电感相同的两个桥臂为一组桥臂，各组桥臂之间，相同位置的开关器件所接收开关信号的相位差均为2π/N。
优选的，所述开关器件为：带反向并联二极管的IGBT、带反向并联二极管的MOSFET、双向晶闸管、两个反向并联的IGBT或者两个反向并联的MOSFET中的任意一种。
本实用新型提供的双向升降压DC/DC变换器的主电路，由两个桥臂单元及设置在两个桥臂单元之间的2N个电感构成，其拓扑结构对称，能够实现双向升降压控制。并且，其桥臂单元中设置有两个串联的支撑电容，与该双向升降压DC/DC变换器的一侧端口相连，使得桥臂单元内的各个开关器件所承受的电压应力仅为对应母线电压的一半，有效降低了开关器件的电压应力；同时使得每个桥臂单元的耐压水平均提升为现有技术的两倍，使该双向升降压DC/DC变换器能够应用于高压变换场合，也即，该双向升降压DC/DC变换器的功率水平能够兼容高低压直流母线系统，解决了现有技术中双向升降压DC/DC变换器的功率水平受限于开关器件耐压水平的问题。
附图说明
为了更清楚地说明本实用新型实施例或现有技术内的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述内的附图仅仅是本实用新型的一些实施例，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他的附图。
图1是现有技术提供的双向升降压DC/DC变换器的主电路的电路图；
图2是本实用新型实施例提供的双向升降压DC/DC变换器的主电路的电路图；
图3是本实用新型实施例提供的双向升降压DC/DC变换器的主电路的另一电路图；
图4是本实用新型实施例提供的双向升降压DC/DC变换器的主电路的另一电路图；
图5a-5h是本实用新型实施例提供的双向升降压DC/DC变换器的主电路的电流流经示意图；
图6是本实用新型另一实施例提供的双向升降压DC/DC变换器的主电路的电流波形示意图。
具体实施方式
下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，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，都属于本申请保护的范围。
本实用新型提供一种双向升降压DC/DC变换器的主电路，以解决现有技术中双向升降压DC/DC变换器的功率水平受限于开关器件耐压水平的问题。
具体的，参见图2至图4，该双向升降压DC/DC变换器的主电路，包括：2N个电感和两个桥臂单元，N大于等于1，两个桥臂单元分别与双向升降压DC/DC变换器的两侧端口相连；
每个桥臂单元均包括：两个支撑电容和N个桥臂；桥臂包括上桥臂和下桥臂；上桥臂和下桥臂串联，连接点为桥臂的中点；上桥臂和下桥臂均包括两个串联的开关器件；且上桥臂内两个开关器件的连接点为上桥臂的中点，下桥臂内两个开关器件的连接点为下桥臂的中点；
每个桥臂单元中，两个支撑电容串联，串联后的两端和桥臂的两端均与双向升降压DC/DC变换器相应的一侧端口相连；两个支撑电容的连接点与桥臂的中点相连；上桥臂的中点通过一个电感与另一桥臂单元中相应上桥臂的中点相连；下桥臂的中点通过另一电感与另一桥臂单元中相应下桥臂的中点相连。
优选的，各个开关器件为：带反向并联二极管的IGBT(Insulated Gate BipolarTransistor，绝缘栅双极型晶体管)、带反向并联二极管的MOSFET(Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor，全氧半场效晶体管)、双向晶闸管、两个反向并联的IGBT或者两个反向并联的MOSFET中的任意一种。
图2所示为N＝1的主电路拓扑结构示意图，图3所示为N＝2的主电路拓扑结构示意图，图4所示为N>＝3的主电路拓扑结构示意图。下面以图2所示主电路拓扑结构为例，对双向升降压控制进行说明：
各个开关器件根据其控制端接收到的开关信号实现导通或者关断，根据各个开关器件的状态，形成不同的导通组合，使该主电路实现相应的电压变换；如图5a、5b、5c及5d所示，均为右侧向左侧进行升压变换输出时的电流路径，如图5e、5f、5g及5h所示，均为左侧向右侧进行降压变换输出时的电流路径；由于该主电路拓扑结构左右完全对称，因此，其左侧向右侧进行升压变换输出时以及右侧向左侧进行降压变换输出时的电流路径示意图与上述附图所示情况对称，且N大于1时的原理相同，此处不再一一展示。由此可见，该主电路可以实现双向升降压及能量双向流动；也即，由于该主电路拓扑由两个桥臂单元及设置在两个桥臂单元之间的2N个电感构成，拓扑结构对称，因此能够实现双向升降压控制。
优选的，一个桥臂单元中各个开关器件的控制端所接收的开关信号为固定占空比的开关信号，另一个桥臂单元中各个开关器件的控制端所接收的开关信号为脉冲宽度调制PWM(Pulse Width Modulation)开关信号。
在具体的实际应用中，由于该主电路拓扑左右对称，其两侧电压乘以各自桥臂单元内开关器件的占空比的积应当相等，当一侧桥臂单元内开关器件的占空比固定时，调节另一侧桥臂单元内开关器件的占空比，即可调节两侧电压的比值；因此，通过对一个桥臂单元采用固定占空比控制、另一个桥臂单元采用PWM控制策略，使得该主电路拓扑的变压比能够根据需要的功率进行任意调整，从而满足拓扑两侧的电压配置需要。
值得说明的是，通过开关信号的控制，还可以控制该主电路实现多电平输出，进而有效降低输出的直流电压纹波。
另外，由图2至图4所示可得，该主电路拓扑结构中，各个桥臂单元均中设置有两个串联的支撑电容，与该双向升降压DC/DC变换器的一侧端口相连，使得桥臂单元内的各个开关器件所承受的电压应力仅为对应母线电压的一半，有效降低了开关器件的电压应力及开关损耗；同时使得每个桥臂单元的耐压水平均提升为现有技术的两倍，使该双向升降压DC/DC变换器能够应用于高压变换场合，也即，该双向升降压DC/DC变换器的功率水平能够兼容高低压直流母线系统，且由于结构对称，其两侧均可接入高直流电压系统；解决了现有技术中双向升降压DC/DC变换器的功率水平受限于开关器件耐压水平的问题。
本实施例提供的该双向升降压DC/DC变换器的主电路，不仅能够实现双向升降压变换，还能够根据具体的应用环境实现合适的变压比，并且还能够兼容高低压直流母线系统，适用范围广。
值得说明的是，在具体的实际应用中，该双向升降压DC/DC变换器的两侧，既可接光伏电池组件、超级电容，也可接铅酸、锂电池等多种类型蓄电池，此处不做具体限定，可以视其具体应用环境而定，均在本申请的保护范围内。
本实用新型另一实施例还提供了另外一种双向升降压DC/DC变换器的主电路，在上述实施例及图2至图5h的基础之上，优选的，当N大于1时，连接电感相同的两个桥臂为一组桥臂，各组桥臂之间，相同位置的开关器件的控制端所接收开关信号的相位差均为2π/N。
以图3所示N＝2的情况为例进行说明，假设其左侧电压V1＝800V，右侧电压V2＝1300V，功率为200KW，其左侧桥臂单元101内的开关器件Q11、Q12、Q13及Q14与右侧桥臂单元102内的开关器件Q15、Q16、Q17及Q18为第一组桥臂，采用同一套控制逻辑；其左侧桥臂单元101内的开关器件Q21、Q22、Q23及Q24与右侧桥臂单元102内的开关器件Q25、Q26、Q27及Q28为第二组桥臂，采用同一套控制逻辑；在运行时，第一组桥臂内各个开关器件的开关信号均与第二组桥臂内相应位置开关器件的开关信号相差180°，即2π/2。图6为交错后的电感电流(I1，I2)及总电流(I3)的仿真结果，由图6可知，I1_pp＝150A，I2_pp＝150A，I3_pp＝50A，即交错后的总电流输出波动减小到原来的1/3，这样可以减少后面的滤波电容值和变换器输出电压及电流纹波。
由图3所示两组桥臂交错控制运行后的结论，以此类推多组桥臂交错控制时，N组桥臂内的开关器件分别接收N路相位差为2π/N的周期控制信号，进而控制每一组桥臂内8个开关器件实现交错控制的目的。
本实施例提供的该双向升降压DC/DC变换器的主电路，在上述实施例的基础之上，通过多组桥臂交错控制，有效减少输出滤波电容的容量，减小输出电压及电流纹波，并且相同条件下能相应降低成本，利于应用。
本实用新型另一实施例还提供了一种双向升降压DC/DC变换器，包括：主电路、检测电路及控制器；其中：
参见图2至图4，该主电路包括2N个电感和两个桥臂单元，N大于等于1，两个桥臂单元分别与双向升降压DC/DC变换器的两侧端口相连；
每个桥臂单元均包括：两个支撑电容和N个桥臂；桥臂包括上桥臂和下桥臂；上桥臂和下桥臂串联，连接点为桥臂的中点；上桥臂和下桥臂均包括两个串联的开关器件；且上桥臂内两个开关器件的连接点为上桥臂的中点，下桥臂内两个开关器件的连接点为下桥臂的中点；
每个桥臂单元中，两个支撑电容串联，串联后的两端和桥臂的两端均与双向升降压DC/DC变换器相应的一侧端口相连；两个支撑电容的连接点与桥臂的中点相连；上桥臂的中点通过一个电感与另一桥臂单元中相应上桥臂的中点相连；下桥臂的中点通过另一电感与另一桥臂单元中相应下桥臂的中点相连；
检测电路的输出端与控制器相连；
控制器输出开关信号至开关器件的控制端。
优选的，控制器输出至一个桥臂单元的开关信号为固定占空比的开关信号，控制器输出至另一个桥臂单元的开关信号为PWM开关信号。
优选的，N大于1时，连接电感相同的两个桥臂为一组桥臂，各组桥臂之间，相同位置的开关器件所接收开关信号的相位差均为2π/N。
优选的，开关器件为：带反向并联二极管的IGBT、带反向并联二极管的MOSFET、双向晶闸管、两个反向并联的IGBT或者两个反向并联的MOSFET中的任意一种。
具体的工作原理与上述实施例相同，此处不再一一赘述。
本实用新型中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。
以上所述，仅是本实用新型的较佳实施例而已，并非对本实用新型作任何形式上的限制。虽然本实用新型已以较佳实施例揭露如上，然而并非用以限定本实用新型。任何熟悉本领域的技术人员，在不脱离本实用新型技术方案范围情况下，都可利用上述揭示的方法和技术内容对本实用新型技术方案做出许多可能的变动和修饰，或修改为等同变化的等效实施例。因此，凡是未脱离本实用新型技术方案的内容，依据本实用新型的技术实质对以上实施例所做的任何简单修改、等同变化及修饰，均仍属于本实用新型技术方案保护的范围内。
Claims (8)
1.一种双向升降压DC/DC变换器的主电路，其特征在于，包括：2N个电感和两个桥臂单元，N大于等于1，两个所述桥臂单元分别与所述双向升降压DC/DC变换器的两侧端口相连；
每个所述桥臂单元均包括：两个支撑电容和N个桥臂；所述桥臂包括上桥臂和下桥臂；所述上桥臂和所述下桥臂均包括两个串联的开关器件；
每个所述桥臂单元中，两个所述支撑电容串联，串联后的两端和所述桥臂的两端均与所述双向升降压DC/DC变换器相应的一侧端口相连；两个所述支撑电容的连接点与所述桥臂的中点相连；所述上桥臂的中点通过一个电感与另一桥臂单元中相应上桥臂的中点相连；所述下桥臂的中点通过另一电感与另一桥臂单元中相应下桥臂的中点相连。
2.根据权利要求1所述的双向升降压DC/DC变换器的主电路，其特征在于，一个桥臂单元中各个开关器件的控制端所接收的开关信号为固定占空比的开关信号，另一个桥臂单元中各个开关器件的控制端所接收的开关信号为脉冲宽度调制PWM开关信号。
3.根据权利要求1所述的双向升降压DC/DC变换器的主电路，其特征在于，N大于1时，连接电感相同的两个桥臂为一组桥臂，各组桥臂之间，相同位置的开关器件的控制端所接收开关信号的相位差均为2π/N。
4.根据权利要求1至3任一所述的双向升降压DC/DC变换器的主电路，其特征在于，所述开关器件为：带反向并联二极管的绝缘栅双极型晶体管IGBT、带反向并联二极管的全氧半场效晶体管MOSFET、双向晶闸管、两个反向并联的IGBT或者两个反向并联的MOSFET中的任意一种。
5.一种双向升降压DC/DC变换器，其特征在于，包括：主电路、检测电路及控制器；其中：
所述主电路包括2N个电感和两个桥臂单元，N大于等于1，两个所述桥臂单元分别与所述双向升降压DC/DC变换器的两侧端口相连；
每个所述桥臂单元均包括：两个支撑电容和N个桥臂；所述桥臂包括上桥臂和下桥臂；所述上桥臂和所述下桥臂均包括两个串联的开关器件；
每个所述桥臂单元中，两个所述支撑电容串联，串联后的两端和所述桥臂的两端均与所述双向升降压DC/DC变换器相应的一侧端口相连；两个所述支撑电容的连接点与所述桥臂的中点相连；所述上桥臂的中点通过一个电感与另一桥臂单元中相应上桥臂的中点相连；所述下桥臂的中点通过另一电感与另一桥臂单元中相应下桥臂的中点相连；
所述检测电路的输出端与所述控制器相连；
所述控制器输出开关信号至所述开关器件的控制端。
6.根据权利要求5所述的双向升降压DC/DC变换器，其特征在于，所述控制器输出至一个桥臂单元的开关信号为固定占空比的开关信号，所述控制器输出至另一个桥臂单元的开关信号为PWM开关信号。
7.根据权利要求5所述的双向升降压DC/DC变换器，其特征在于，N大于1时，连接电感相同的两个桥臂为一组桥臂，各组桥臂之间，相同位置的开关器件所接收开关信号的相位差均为2π/N。
8.根据权利要求5至7任一所述的双向升降压DC/DC变换器，其特征在于，所述开关器件为：带反向并联二极管的IGBT、带反向并联二极管的MOSFET、双向晶闸管、两个反向并联的IGBT或者两个反向并联的MOSFET中的任意一种。
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2017
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