CN212063839U - 一种三电平双向dc-dc转换电路和变换器 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及电路设计技术领域，具体涉及一种三电平双向DC‑DC转换电路和DC‑DC变换器，该转换电路包括BAT侧、双半桥及输出LC滤波器，其采用第一晶体管T1、第二晶体管T2、第三晶体管T3和第四晶体管T4的互补导通，T1与T4、T2与T3交错180度的PWM控制方式,在硬件电路设计同一工况下使三电平双向DC/DC变换器的电感的感量的设计只有两电平双向DC/DC变换器的1/4；四个晶体管上的应力只有母线电压的一半，晶体管上的开关频率可大大降低，同时电路的动态响应速度快。

Description

一种三电平双向DC-DC转换电路和变换器

技术领域

本实用新型涉及电路设计技术领域，具体涉及一种三电平双向DC-DC转换电路和DC-DC变换器。

背景技术

由于光伏发电存在输出随机性、波动性和不可预测性等缺点，因此在光伏发电系统中配置相应的储能单元显得尤为重要。如果蓄电池直接连接到直流母线上，其充放电电流无法有效控制，可能导致蓄电池过充或过放电，从而影响蓄电池的使用寿命。在直流母线和蓄电池之间加入双向DC-DC变换器或者变换电路，可以有效地解决蓄电池充放电电流不可控的问题。两电平双向DC-DC变换器虽然结构简单，直接能量转换，但其软件控制上具有双闭环控制动态响应慢、PI控制参数选择困难等缺点，硬件上滤波电路的体积大，开关管的电压应力也大。

实用新型内容

本实用新型主要解决的技术问题是现有的双向DC-DC变换器动态响应慢、开关管的电压应力大。

一种三电平双向DC-DC转换电路,所述电路包括：第一接入端、第二接入端、第一电感L1、第二电感L2、第一电容C1、第二电容C2、第三电容C3、第一晶体管T1、第二晶体管T2、第三晶体管T3和第四晶体管T4；

所述第一接入端和第二接入端均包括接入正极端和接入负极端，所述第一晶体管T1、第二晶体管T2、第三晶体管T3和第四晶体管T4均包括第一极、第二极和控制极，所述控制极用于连接PWM控制器；

所述第一电感L1的一端与所述第一接入端的正极端连接，另一端与所述第一晶体管T1的第二极连接，所述第一晶体管T1的第一极与所述第二接入端的正极端连接；所述第二晶体管T2的第一极与所述第一电感L1的另一端连接，其第二极与所述第三晶体管T3的第一极连接，所述第三晶体管T3的第二极与所述第二电感L2的一端连接，所述第二电感L2的另一端与所述第一接入端的负极端连接，所述第一电容C1一端与所述第一电感L1的一端连接，另一端与所述第二电感L2的另一端连接；所述第四晶体管T4的第一极与所述第二电感L2的一端，其第二极与所述第二接入端的负极端连接；所述第二电容C2的一端与所述第一晶体管T1的第一极连接，另一端与节点N连接，所述节点N与所述第二晶体管T2的第二极连接，所述第三电容C3的一端与所述节点N连接，另一端与所述第四晶体管T4的第二端连接。

在一种实施例中，还包括第三接入端，所述第三接入端的一端与所述节点N连接。

在一种实施例中，所述第一晶体管T1、第二晶体管T2、第三晶体管T3和第四晶体管T4均为开关管。

在一种实施例中，所述第一晶体管T1、第二晶体管T2、第三晶体管T3和第四晶体管T4均为三极管。

在一种实施例中，还包括PWM控制器，所述PWM控制器与所述第一晶体管T1、第二晶体管T2、第三晶体管T3和第四晶体管T4的控制极连接，用于向其输入PWM控制信号。

一种DC-DC变换器，包括如上所述的三电平双向DC-DC转换电路。

依据上述实施例的三电平双向DC-DC转换电路，其采用第一晶体管T1、第二晶体管T2、第三晶体管T3和第四晶体管T4的互补导通，T1与T4、T2与T3交错180度的PWM控制方式,在硬件电路设计同一工况下使三电平双向DC/DC变换器的电感感量的设计只有两电平双向DC/DC变换器的1/4；四个晶体管上的应力只有母线电压的一半，晶体管上的开关频率可大大降低，同时电路的动态响应速度快。

附图说明

图1为本申请的三电平双向DC-DC转换电路结构示意图；

图2为back模式下D＞0.5时各晶体管的驱动波形示意图；

图3为back模式下D＜0.5时各晶体管的驱动波形示意图；

图4为一种状态下电路中电流流向示意图；

图5为另一种状态下电路中电流流向示意图；

图6为另一种状态下电路中电流流向示意图；

图7为另一种状态下电路中电流流向示意图。

具体实施方式

下面通过具体实施方式结合附图对本实用新型作进一步详细说明。其中不同实施方式中类似元件采用了相关联的类似的元件标号。在以下的实施方式中，很多细节描述是为了使得本申请能被更好的理解。然而，本领域技术人员可以毫不费力的认识到，其中部分特征在不同情况下是可以省略的，或者可以由其他元件、材料、方法所替代。在某些情况下，本申请相关的一些操作并没有在说明书中显示或者描述，这是为了避免本申请的核心部分被过多的描述所淹没，而对于本领域技术人员而言，详细描述这些相关操作并不是必要的，他们根据说明书中的描述以及本领域的一般技术知识即可完整了解相关操作。

另外，说明书中所描述的特点、操作或者特征可以以任意适当的方式结合形成各种实施方式。同时，方法描述中的各步骤或者动作也可以按照本领域技术人员所能显而易见的方式进行顺序调换或调整。因此，说明书和附图中的各种顺序只是为了清楚描述某一个实施例，并不意味着是必须的顺序，除非另有说明其中某个顺序是必须遵循的。

本文中为部件所编序号本身，例如“第一”、“第二”等，仅用于区分所描述的对象，不具有任何顺序或技术含义。

本实施例的三电平双向DC/DC电路，电路主要由BAT侧、双半桥及输出LC滤波器组成。在该电路中，输出BUS电压作用在两个电容C2、C3上，电压分别为U1,U2，每个电容对应一个半桥，半桥的中点N输出接LC滤波器，忽略线路阻抗，为阻性负载，Ubat为恒压源表示电池组端电压。该电路既可以实现充电工况下的Buck模式，也可以实现放电工况下的Boost模式。该电路采用第一晶体管T1、第二晶体管T2、第三晶体管T3和第四晶体管T4的互补导通，T1与T4、T2与T3交错180度的PWM控制方式,在硬件电路设计同一工况下使三电平双向DC/DC变换器的电感的感量的设计只有两电平双向DC/DC变换器的1/4；四个晶体管上的应力只有母线电压的一半，晶体管上的开关频率可大大降低，同时电路的动态响应速度快。

本申请中的晶体管为三端子晶体管，其三个端子为控制极、第一极和第二极。晶体管可以为双极型晶体管或场效应晶体管等。例如当晶体管为双极型晶体管时，其控制极是指双极型晶体管的基极，第一极可以为双极型晶体管的集电极或发射极，对应的第二极可以为双极型晶体管的发射极或集电极；当晶体管为场效应晶体管时，其控制极是指场效应晶体管的栅极，第一极可以为场效应晶体管的漏极或源极，对应的第二极可以为场效应晶体管的源极或漏极。

实施例一：

请参考图1，本实施例提供一种三电平双向DC-DC转换电路,该电路包括：第一接入端、第二接入端、第一电感L1、第二电感L2、第一电容C1、第二电容C2、第三电容C3、第一晶体管T1、第二晶体管T2、第三晶体管T3和第四晶体管T4。

其中，第一接入端包括接入正极端BAT+和接入负极端BAT-，第二接入端均包括接入正极端BUS+和接入负极端BUS-，第一晶体管T1、第二晶体管T2、第三晶体管T3和第四晶体管T4均包括第一极、第二极和控制极，控制极用于输入PWM控制信号；本实施例中四个晶体管均为开关管，例如本实施例以NPN型的三级管为例，其第一极为集电极、第二极为发射极、控制极为基极。

其中，第一电感L1的一端与第一接入端的正极端BAT+连接，另一端与第一晶体管T1的第二极连接，第一晶体管T1的第一极与第二接入端的正极端BAT+连接；第二晶体管T2的第一极与第一电感L1的另一端连接，其第二极与第三晶体管T3的第一极连接，第三晶体管T3的第二极与第二电感L2的一端连接，第二电感L2的另一端与第一接入端的负极端BAT-连接，第一电容C1一端与第一电感L1的一端连接，另一端与第二电感L2的另一端连接；第四晶体管T4的第一极与第二电感L2的一端，其第二极与第二接入端的负极端BUS-连接；第二电容C2的一端与第一晶体管T1的第一极连接，另一端与节点N连接，节点N与第二晶体管T2的第二极连接，第三电容C3的一端与节点N连接，另一端与第四晶体管T4的第二端连接。

其中，四个晶体管T1、T2、T3和T4的控制极均与PWM控制器连接，PWM控制器用于向四个晶体管输入不同的PWM控制波形，其中，T1和T4的波形相差180度，T2和T3的波形相位相差180度。

本实施例的三电平双向DC-DC转换电路，它将传统的BOOST和Buck电路相结合，依靠四个晶体管之间的切换实现能量双向流动。该三电平双向DC-DC的开关管采用T1和T2、T3和T4互补导通，T1与T4、T2与T3交错180度的PWM控制方式。

本实施例中，接入正极端BAT+和接入负极端BAT-之间的输入的电压为Ubus，接入正极端BUS+和接入负极端BUS-之间理论输出的电压Ubus，接入正极端BUS+和接入负极端BUS-之间实际输出电压为UAB。

其中，该电路还包括第三接入端BUSN，第三接入端BUSN的一端与节点N连接。工作时，接入正极端BUS+与第三接入端BUSN之间的电压、第三接入端BUSN与接入负极端BUS-之间的电压为接入正极端BUS+和接入负极端BUS-之间电压的一半。

(1)在占空比D大于0.5时，如图2为T1和T2、T3和T4的PWM信号实际BUCK控制驱动波形，在此驱动波形下：

①在t0-t1时刻：T1、T4导通，T2、T3关断，此时的电流流向如图4所示，输出电压UAB＝Ubus，由于UAB>Ubat，此时电感L1和L2上的电流为iL-buck线性增加。

②t1-t2时刻：T1、T3导通，T2、T4关断，此时的电流流线如图5所示，实际输出电压UAB＝Ubus/2，由于UAB<Ubat，此时电感电流线性减少。

③t2-t3时刻：T1、T4导通，T2、T3关断，此时的电流流向如图4所示，输出电压UAB＝Ubus，由于UAB>Ubat，此时电感电流线性增加。

④t3-t4时刻：T2、T4导通，T1、T3关断，此时的电流留下如图6所示，输出电压UAB＝Ubus/2，由于UAB<Ubat，此时电感电流线性减少。

(2)在占空比D小于0.5时，如图3T1和T2、T3和T4的PWM信号实际BUCK控制驱动波形，在此驱动波形下：

①t0-t1时刻：T1、T3导通，T2、T4关断，此时的电流流向如图5所示，输出电压UAB＝Ubus/2，由于UAB>Ubat，此时电感电流线性增加；

②t1-t2时刻：T2、T3导通，T1、T4关断，此时的电流流向如图7所示，输出电压UAB＝0，由于UAB<Ubat，此时电感电流线性减少；

③t2-t3时刻：T2、T4导通，T1、T3关断，此时的电流流向如图6所示，输出电压UAB＝Ubus/2，由于UAB>Ubat，此时电感电流线性增加；

④t3-t4时刻：T2、T3导通，T1、T4关断，此时的电流流向如图7所示，输出电压UAB＝0，由于UAB<Ubat，此时电感电流线性减少。

需要说明的是，本实施例的电路在Boost模式下，当D>0.5时PWM的驱动波形以及电流流向与Buck模式下D<0.5时相同，当在Boost模式下，D<0.5时PWM的驱动波形以及电流流向与上述Buck模式下D>0.5的工作模态是一样，区别在于电感L1和L2的充放电流方向相反，此处不再赘述。

另外需要说明的是，本实施例的电路的双向的，例如在另一种实施例中，第二接入端为输入端，第一接入端为输出端。

本实施例的使三电平双向DC/DC变换电路，电感的感量的只有两电平双向DC/DC变换器的1/4；四个晶体管上的应力只有母线电压的一半，晶体管上的开关频率可大大降低，同时电路的动态响应速度快。

实施例二：

一种DC-DC变换器，该DC-DC变换器包括如上实施例一提供的三电平双向DC-DC转换电路。

以上应用了具体个例对本实用新型进行阐述，只是用于帮助理解本实用新型，并不用以限制本实用新型。对于本实用新型所属技术领域的技术人员，依据本实用新型的思想，还可以做出若干简单推演、变形或替换。

Claims (6)

1.一种三电平双向DC-DC转换电路,其特征在于，所述电路包括：第一接入端、第二接入端、第一电感L1、第二电感L2、第一电容C1、第二电容C2、第三电容C3、第一晶体管T1、第二晶体管T2、第三晶体管T3和第四晶体管T4；

所述第一接入端和第二接入端均包括接入正极端和接入负极端，所述第一晶体管T1、第二晶体管T2、第三晶体管T3和第四晶体管T4均包括第一极、第二极和控制极，所述控制极用于连接PWM控制器；

所述第一电感L1的一端与所述第一接入端的正极端连接，另一端与所述第一晶体管T1的第二极连接，所述第一晶体管T1的第一极与所述第二接入端的正极端连接；所述第二晶体管T2的第一极与所述第一电感L1的另一端连接，其第二极与所述第三晶体管T3的第一极连接，所述第三晶体管T3的第二极与所述第二电感L2的一端连接，所述第二电感L2的另一端与所述第一接入端的负极端连接，所述第一电容C1一端与所述第一电感L1的一端连接，另一端与所述第二电感L2的另一端连接；所述第四晶体管T4的第一极与所述第二电感L2的一端，其第二极与所述第二接入端的负极端连接；所述第二电容C2的一端与所述第一晶体管T1的第一极连接，另一端与节点N连接，所述节点N与所述第二晶体管T2的第二极连接，所述第三电容C3的一端与所述节点N连接，另一端与所述第四晶体管T4的第二端连接。

2.如权利要求1所述的三电平双向DC-DC转换电路,其特征在于，还包括第三接入端，所述第三接入端的一端与所述节点N连接。

3.如权利要求1所述的三电平双向DC-DC转换电路,其特征在于，所述第一晶体管T1、第二晶体管T2、第三晶体管T3和第四晶体管T4均为开关管。

4.如权利要求1所述的三电平双向DC-DC转换电路,其特征在于，所述第一晶体管T1、第二晶体管T2、第三晶体管T3和第四晶体管T4均为三极管。

5.如权利要求1所述的三电平双向DC-DC转换电路,其特征在于，还包括PWM控制器，所述PWM控制器与所述第一晶体管T1、第二晶体管T2、第三晶体管T3和第四晶体管T4的控制极连接，用于向其输入PWM控制信号。

6.一种DC-DC变换器，其特征在于，包括如权利要求1-5任一项所述的三电平双向DC-DC转换电路。

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