CN220935027U - 一种新型双向dc/dc变换系统 - Google Patents
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Abstract
本实用新型公开了一种新型双向DC/DC变换系统，属于电源变换技术领域。包括第一桥式开关单元、第二桥式开关单元、开关电容单元、耦合电感单元、第一滤波电路、第二滤波电路、第一电压以及第二电压；所述第一滤波电路两端分别与所述第一电压的正负端连接；所述第一桥式开关单元的第一端和第二端分别与所述第二桥式开关单元的第一端和第二端连接，并与所述第一电压U1的正负端连接；本实用新型有效提高了双向功率传输范围；采用交错并联运行有效减小输出纹波；在极限占空比情况下仍能实现稳定电压输出，扩展了可获得输出电压范围；在开关电容单元中两个电容容值不等时仍能有效抑制超调量并实现两开关电容间的均压控制。
Description
技术领域
本实用新型涉及电源变换技术领域，特别涉及一种新型双向DC/DC变换系统。
背景技术
直流—直流变换器是电能变换领域的常用拓扑，实现从一种电压水平的直流电到另一种电压水平直流电的转换。其中双向直流变换器可实现直流电在高低两种电平间双向变换，在电源领域得到广泛的关注与应用，如储能系统与直流母线间的连接变换器、车载电源系统与混合动力汽车间的接口变换器等。
传统的LLC谐振双向变换器不太适合工作在宽范围能量双向传输的状态，应用场景受限。近年来，一种新型开关电容结合耦合电感变换器作为一种新式拓扑在一些文献中被提及。其中某些拓扑存在开关器件数目繁多而增加功率传输损耗以及使用两个耦合电感单元大大增加相应变换器的体积和重量等问题。
发明内容
针对现有技术存在的问题，本实用新型提供了一种新型双向DC/DC变换系统，增强了双向变换系统的带负载能力与变换电压范围，可以实现在极限占空比下电压的稳定输出，在开关电容单元中两电容容值不等时的均压，以及抑制电路启动过程中的严重超调量。解决了现存LLC双向谐振变换器与现存同类型变换器的开关管数目多与宽范围双向能量传输能力受限等问题。
为了达到上述目的，本实用新型提供了一种新型双向直流变换系统，包括：第一桥式开关单元12、第二桥式开关单元13、开关电容单元14、耦合电感单元15、第一滤波电路11、第二滤波电路16、第一电压U1以及第二电压U2；
所述第一滤波电路包括第三电容C3，其两端分别与所述第一电压U1的正负端连接；
所述第一桥式开关单元12的第一端和第二端分别与所述第二桥式开关单元13的第一端和第二端连接，并与所述第一电压U1的正负端连接；
所述第一桥式开关单元12包括第一开关管S1、第四开关管S4和第五开关管S5，所述第一开关管S1、第四开关管S4和第五开关管S5依次串联连接，所述第一开关管S1的阳极为所述第一桥式开关单元12的第一端，所述第五开关管S5的阴极为所述第一桥式开关单元12的第二端；
所述第二桥式开关单元13包括第二开关管S2、第三开关管S3和第六开关管S6，所述第二开关管S2、第三开关管S3和第六开关管S6依次串联连接，所述第二开关管S2的阳极为所述第二桥式开关单元13的第一端，所述第六开关管S6的阴极为所述第二桥式开关单元13的第二端；
所述开关电容单元14包括第一电容C1、第二电容C2、第二电感L2、第三电感L3；所述第一电容C1和第二电感L2串联，所述第一电容C1的另一端连接所述第一开关管S1的阴极，所述第二电感L2的另一端连接所述第三开关管S3的阴极；所述第二电容C2和第三电感L3串联，所述第二电容C2的另一端连接所述第二开关管S2的阴极，所述第三电感L3的另一端连接所述第四开关管S4的阴极；
所述耦合电感单元15包括一次侧绕组W1与二次侧绕组W2；所述一次侧绕组W1的同名端分别与所述第四开关管S4的阴极和第五开关管S5的阴极相连；所述一次侧绕组W1的异名端连接所述二次侧绕组W2的同名端并引出抽头连接所述第二滤波电路16；所述二次侧绕组W2的异名端分别连接所述第三开关管S3的阴极与第六开关管S6的阴极；
所述第一滤波电路包括第三电容C3，其作为第一外接端所述第一电压U1的稳压电容；所述第三电容C3的第一端分别与所述第一电压U1的正端、所述第一开关管S1的阳极和所述第二开关管S2的阳极相连，所述第三电容C3的第二端分别与所述第一电压U1的负端、所述第五开关管S5的阳极和所述第六开关管S6的阳极相连；
所述第二滤波电路16包括第一电感L1及第四电容C4；所述第四电容C4作为第二外接端即所述第二电压U2的稳压电容；所述第一电感L1的第一端连接所述一次侧绕组W1异名端与二次侧绕组W2同名端的引出抽头；所述第一电感L1的第二端连接所述第四电容C4的第一端，而所述第四电容C4的第二端分别连接所述第一电压U1与第二电压U2的负端。
进一步的，若所述第一外接端即所述第一电压U1端连接输入电源而所述第二外接端即所述第二电压U2端连接负载，则所述新型双向DC/DC变换系统运行于降压模式；若所述第二外接端即所述第二电压U2端连接输入电源而所述第一外接端即所述第一电压U1端连接负载，则所述新型双向DC/DC变换系统运行于升压模式。
进一步的，所述升压模式或降压模式下，均包括三种工作模式：
第一工作模式：所述第一桥式开关单元12中第一开关管S1与第五开关管S5开通、第四开关管S4关断，所述第二桥式开关单元13中第二开关管S2与第六开关管S6关断、第三开关管S3开通；
第二工作模式：第一桥式开关单元12中第一开关管S1与第五开关管S5关断、第四开关管S4开通，所述第二桥式开关单元13中第二开关管S2与第六开关管S6开通、第三开关管S3关断；
第三工作模式：所述第一桥式开关单元12和第二桥式开关单元13中所有开关管S1至S6均关断。
进一步的，所述第一至第六开关管S1至S6均并联有二极管；在所述降压模式中的第三工作模式下所述第五开关管S5体并联二极管与所述第六开关管S6的体并联二极管导通为所述耦合电感单元15提供续流通道，在所述升压模式中的第三工作模式下所述第一开关管S1体并联二极管与所述第二开关管S2体并联二极管导通为所述开关电容单元14提供续流通道。
进一步的，实现所述的新型双向DC/DC变换系统有两种控制方式：
第一种控制方式：在一个开关周期内所述第一工作模式与所述第二工作模式以相同占空比交替互补运行，即所述第一工作模式与所述第二工作模式各占一半开关周期；
第二种控制方式：在一个开关周期内所述第一工作模式与第二工作模式交替运行基础上在两者中间插入第三工作模式，即在一个开关周期内运行状态依次控制为所述第一工作模式、所述第三工作模式、所述第二工作模式、所述第三工作模式；且所述第一、第二工作模式以相同的占空比导通，均小于一半开关周期；而所述第三工作模式为在所述第一、第二工作模式交替中间的死区工作模式，其占比为一半开关周期减去所述第一工作模式占比或第二工作模式占比。
进一步的，所述第一至第六开关管S1至S6为金属氧化物半导体场效应晶体管或者绝缘栅双极性晶体管。
本实用新型的有益效果：
本实用新型有效提高了双向功率传输范围；采用交错并联运行有效减小输出纹波；在极限占空比情况下仍能实现稳定电压输出，扩展了可获得输出电压范围；在开关电容单元中两个电容容值不等时仍能有效抑制超调量并实现两开关电容间的均压控制。
附图说明
图1为本实用新型实施例新型双向DC/DC变换系统结构示意图。
图2为本实用新型实施例变换系统降压第一工作模式示意图。
图3为本实用新型实施例变换系统降压第二工作模式示意图。
图4为本实用新型实施例变换系统降压第三工作模式示意图。
图5为本实用新型实施例变换系统升压第一工作模式示意图。
图6为本实用新型实施例变换系统升压第二工作模式示意图。
图7为本实用新型实施例变换系统升压第三工作模式示意图。
具体实施方式
为了使本实用新型的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图作进一步地描述，所描述的实施例不应视为对本实用新型的限制。本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型的保护范围。
在以下的描述中，涉及到“一些实施例”、“一个或多个实施例”，其描述了所有可能实施例的子集，但是可以理解，“一些实施例”、“一个或多个实施例”可以是所有可能实施例的相同子集或不同子集，并且可以在不冲突的情况下相互组合。在以下的描述中，所涉及的术语“第一\第二\第三”仅仅用于分别类似的对象，不代表针对对象的特定排序，可以理解地，“第一\第二\第三”在允许的情况下可以互换特定的顺序或先后次序，以使这里描述的本申请实施例能够以除了在图示或描述的以外的顺序实施。除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本申请的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中所使用的术语只是为了描述本实用新型实施例的目的，不是旨在限制本申请。
本发明实施例提供了一种新型双向DC/DC变换系统，如图1所示，其中包括第一桥式开关单元12、第二桥式开关单元13、开关电容单元14、耦合电感单元15、第一滤波电路11、第二滤波电路16、第一电压U1以及第二电压U2。
第一滤波电路11包括第三电容C3，第三电容C3两端分别连接第一电压U1的正负端，以及第一桥式开关单元12和第二桥式开关单元13的两端，此外，第三电容C3作为第一外接端即第一电压U1的稳压电容。第一桥式开关单元12包括第一开关管S1、第四开关管S4和第五开关管S5，第一开关管S1、第四开关管S4和第五开关管S5依次串联连接。第二桥式开关单元13包括第二开关管S2、第三开关管S3和第六开关管S6，第二开关管S2、第三开关管S3和第六开关管S6依次串联连接。开关电容单元14包括第一电容C1、第二电容C2、第二电感L2、第三电感L3，第一电容C1第一端连接第一开关管S1的阴极(第四开关管S4的阳极)，第一电容C1第二端连接第二电感L2的第一端，而第二电感L2第二端连接第三开关管S3的阴极(第六开关管S6的阴极)，第二电容C2第一端连接第二开关管S2的阴极(第三开关管S3的阳极)，第二电容C2第二端连接第三电感L3的第一端，而第三电感L3第二端连接第四开关管S4的阴极(第五开关管S5的阴极)。耦合电感单元15包括一次侧绕组W1与二次侧绕组W2，一次侧绕组W1的同名端分别与第四开关管S4的阴极和第五开关管S5的阴极相连，一次侧绕组W1的异名端连接二次侧绕组W2的同名端且其引出抽头连接第二滤波电路16，二次侧绕组W2的异名端分别连接第三开关管S3的阴极与第六开关管S6的阴极。第二滤波电路16包括第一电感L1与第四电容C4，第一电感L1的第一端连接一次侧绕组W1异名端与二次侧绕组W2同名端的引出抽头，第一电感L1的第二端连接第四电容C4的第一端，第四电容C4的第二端分别连接第一电压U1与第二电压U2的负端，第四电容作为第二外接端侧即第二电压U2的稳压电容。
其中：开关管的阴阳极以其电流方向来定义；开关电容单元14的两个开关电容第一电容C1、第二电容C2，在实际应用过程中因为一些原因不能保持容值恒定相等时，此双向DC/DC变换系统仍能稳定运行，具有较好地抗元器件参数扰动能力，具有较好的应用价值；第一至第六开关管S1至S6为金属氧化物半导体场效应晶体管(Metal Oxide SemiconductorField Effect Transistor,MOSFET)或者绝缘栅双极性晶体管(Insulated Gate BipolarTransistor,IGBT)，但需强调的是若原始的开关管器件中无配置体并联二极管，需在相应开关管两端并联上二极管，在降压运行模式中的第三运行模式下第五开关管S5体并联二极管与第六开关管S6的体并联二极管导通为耦合电感单元15提供续流通道，在升压工作模式中的第三运行模式下第一开关管S1体并联二极管与第二开关管S2体并联二极管导通为开关电容单元14提供续流通道。
本发明实施例中，第一电压U1大于第二电压U2，故而正向直流变换(从第一电压到第二电压)为降压模式，反向直流变换(从第二电压到第一电压)为升压模式。
本发明实施例中，新型双向DC/DC变换系统包括三种工作模式，运行于两或三种工作模式交替的状态。
第一工作模式下，控制第一桥式开关单元12中第一开关管S1与第五开关管S5开通、第四开关管S4关断，第二桥式开关单元13中第二开关管S2与第六开关管S6关断、第三开关管S3开通；第二工作模式下，控制第一桥式开关单元12中第一开关管S1与第五开关管S5关断、第四开关管S4开通，第二桥式开关单元13中第二开关管S2与第六开关管S6开通、第三开关管S3关断；第三工作模式下，控制第一桥式开关单元12和第二桥式开关单元13中所有开关管S1至S6关断即不向任何开关管施加驱动信号，其第一桥式开关单元12中与第二桥式开关单元13中部分开关管的体并联二极管导通提供续流通道，即在降压运行模式下第五开关管S5体并联二极管与第六开关管S6的体并联二极管导通为耦合电感单元15提供续流通道，在升压工作模式下第一开关管S1体并联二极管与第二开关管S2体并联二极管导通为开关电容单元14提供续流通道。
第一工作模式与第二工作模式属于储能工作模式，第三工作模式属于续流工作模式。
降压模式下的第一工作模式原理阐述如下，如图2所示，开关电容单元14中的第一电容C1串联第二电感L2、耦合电感二次侧绕组W2与第二滤波电路16通过第一开关管S1并联在第一电压U1两端，实现第一电容C1的充电与耦合电感单元的反向励磁(等效励磁电感并联在一次侧绕组W1两端，且看同名端关系)；开关电容单元14第二电容C2串联第三电感L3通过第三开关管S3与第五开关管S5串联耦合电感二次侧绕组W2与第二滤波电路16构成第二电容C2的放电回路；耦合电感一次侧绕组W1通过第五开关管S5串联连接第二滤波电路16构成续流回路。
降压模式下的第二工作模式原理阐述如下，如图3所示，开关电容单元14第二电容C2串联第三电感L3、耦合电感一次侧绕组W1与第二滤波电路16通过第二开关管S2并联在第一电压U1两端，实现第二电容C2的充电与耦合电感单元的正向励磁；开关电容单元14第一电容C1串联第二电感L2通过第四开关管S4与第六开关管S6串联连接耦合电感一次侧绕组W1与第二滤波电路16构成第一电容C1的放电回路；耦合电感二次侧绕组W2通过第六开关管S6串联第二滤波电路16构成续流回路。
降压模式下的第三工作模式原理阐述如下，如图4所示，耦合电感一次侧绕组W1通过第五开关管S5的体并联二极管、耦合电感二次侧绕组W2通过第六开关管S6的体并联二极管分别与第二滤波电路16串联连接构成续流回路。
升压模式下的第一工作模式原理阐述如下，如图5所示，耦合电感一次侧绕组W1通过第五开关管S5串联第二滤波电路16连通第二外接端的输入电压源U2；开关电容单元第二电容C2串联第三电感L3通过第三开关管S3串联耦合电感二次侧绕组W2提供第二电容C2的充电回路也即耦合电感二次侧绕组W2续流回路，开关电容单元第一电容C1通过第一开关管S1放电。
升压模式下的第二工作模式原理阐述如下，如图6所示，耦合电感二次侧绕组W2通过第六开关管S6串联第二滤波电路16连通第二外接端的输入电压源U2；开关电容单元14中的第一电容C1串联第二电感L2通过第四开关管S4串联耦合电感一次侧绕组W1提供第一电容C1的充电回路也即耦合电感一次侧绕组W1续流回路，开关电容单元14中的第二电容C2通过第二开关管S2放电。
升压模式下的第三工作模式原理阐述如下，如图7所示，耦合电感一次侧绕组W1连接开关电容单元第二电容支路通过第一开关管S1体并联二极管向高压输出侧放电，耦合电感二次侧绕组W2连接开关电容单元第一电容支路通过第一开关管S2体并联二极管向高压输出侧放电。
本发明实施例中，实现DC/DC变换有两种控制方式：
其一为在一个开关周期内第一工作模式与第二工作模式交替互补运行控制，即第一工作模式与第二工作模式所占用时间均等，均为一个开关周期的一半。
其二为在一个开关周期内第一工作模式与第二工作模式交替运行基础上在两者中间插入第三工作模式，即在一个开关周期内运行状态依次控制为第一工作模式、第三工作模式、第二工作模式、第三工作模式，且第一、第二工作模式占用时间均等，均为小于一个开关周期的一半；在此基础上去调节第三工作模式占用时间，第三工作模式占比＝0.5-第一工作模式占比或第二工作模式占比，在此基础上可以使用控制器调节相应占空比获得不同的电压增益。
以上详细描述了本发明的较佳具体实施例。应当理解，本领域的普通技术人员无需创造性劳动就可以根据本发明的构思作出诸多修改和变化。因此，凡本技术领域中技术人员依本发明的构思在现有技术的基础上通过逻辑分析、推理或者有限的实验可以得到的技术方案，皆应在由权利要求书所确定的保护范围内。
Claims (6)
1.一种新型双向DC/DC变换系统，其特征在于，包括：第一桥式开关单元(12)、第二桥式开关单元(13)、开关电容单元(14)、耦合电感单元(15)、第一滤波电路(11)、第二滤波电路(16)、第一电压U1以及第二电压U2；
所述第一滤波电路包括第三电容C3，其两端分别与所述第一电压U1的正负端连接；
所述第一桥式开关单元(12)的第一端和第二端分别与所述第二桥式开关单元(13)的第一端和第二端连接，并与所述第一电压U1的正负端连接；
所述第一桥式开关单元(12)包括第一开关管S1、第四开关管S4和第五开关管S5，所述第一开关管S1、第四开关管S4和第五开关管S5依次串联连接，所述第一开关管S1的阳极为所述第一桥式开关单元(12)的第一端，所述第五开关管S5的阴极为所述第一桥式开关单元(12)的第二端；
所述第二桥式开关单元(13)包括第二开关管S2、第三开关管S3和第六开关管S6，所述第二开关管S2、第三开关管S3和第六开关管S6依次串联连接，所述第二开关管S2的阳极为所述第二桥式开关单元(13)的第一端，所述第六开关管S6的阴极为所述第二桥式开关单元(13)的第二端；
所述开关电容单元(14)包括第一电容C1、第二电容C2、第二电感L2、第三电感L3；所述第一电容C1和第二电感L2串联，所述第一电容C1的另一端连接所述第一开关管S1的阴极，所述第二电感L2的另一端连接所述第三开关管S3的阴极；所述第二电容C2和第三电感L3串联，所述第二电容C2的另一端连接所述第二开关管S2的阴极，所述第三电感L3的另一端连接所述第四开关管S4的阴极；
所述耦合电感单元(15)包括一次侧绕组W1与二次侧绕组W2；所述一次侧绕组W1的同名端分别与所述第四开关管S4的阴极和第五开关管S5的阴极相连；所述一次侧绕组W1的异名端连接所述二次侧绕组W2的同名端并引出抽头连接所述第二滤波电路(16)；所述二次侧绕组W2的异名端分别连接所述第三开关管S3的阴极与第六开关管S6的阴极；
所述第一滤波电路包括第三电容C3，其作为第一外接端所述第一电压U1的稳压电容；所述第三电容C3的第一端分别与所述第一电压U1的正端、所述第一开关管S1的阳极和所述第二开关管S2的阳极相连，所述第三电容C3的第二端分别与所述第一电压U1的负端、所述第五开关管S5的阳极和所述第六开关管S6的阳极相连；
所述第二滤波电路(16)包括第一电感L1及第四电容C4；所述第四电容C4作为第二外接端即所述第二电压U2的稳压电容；所述第一电感L1的第一端连接所述一次侧绕组W1异名端与二次侧绕组W2同名端的引出抽头；所述第一电感L1的第二端连接所述第四电容C4的第一端，而所述第四电容C4的第二端分别连接所述第一电压U1与第二电压U2的负端。
2.根据权利要求1所述的新型双向DC/DC变换系统，其特征在于：若所述第一外接端即所述第一电压U1端连接输入电源而所述第二外接端即所述第二电压U2端连接负载，则所述新型双向DC/DC变换系统运行于降压模式；若所述第二外接端即所述第二电压U2端连接输入电源而所述第一外接端即所述第一电压U1端连接负载，则所述新型双向DC/DC变换系统运行于升压模式。
3.根据权利要求2所述的新型双向DC/DC变换系统，其特征在于，所述升压模式或降压模式下，均包括三种工作模式：
第一工作模式：所述第一桥式开关单元(12)中第一开关管S1与第五开关管S5开通、第四开关管S4关断，所述第二桥式开关单元(13)中第二开关管S2与第六开关管S6关断、第三开关管S3开通；
第二工作模式：第一桥式开关单元(12)中第一开关管S1与第五开关管S5关断、第四开关管S4开通，所述第二桥式开关单元(13)中第二开关管S2与第六开关管S6开通、第三开关管S3关断；
第三工作模式：所述第一桥式开关单元(12)和第二桥式开关单元(13)中所有开关管S1至S6均关断。
4.根据权利要求3所述的新型双向DC/DC变换系统，其特征在于，所述第一至第六开关管S1至S6均并联有二极管；在所述降压模式中的第三工作模式下所述第五开关管S5体并联二极管与所述第六开关管S6的体并联二极管导通为所述耦合电感单元(15)提供续流通道，在所述升压模式中的第三工作模式下所述第一开关管S1体并联二极管与所述第二开关管S2体并联二极管导通为所述开关电容单元(14)提供续流通道。
5.根据权利要求3所述的新型双向DC/DC变换系统，其特征在于，实现所述的新型双向DC/DC变换系统有两种控制方式：
第一种控制方式：在一个开关周期内所述第一工作模式与所述第二工作模式以相同占空比交替互补运行，即所述第一工作模式与所述第二工作模式各占一半开关周期；
第二种控制方式：在一个开关周期内所述第一工作模式与第二工作模式交替运行基础上在两者中间插入第三工作模式，即在一个开关周期内运行状态依次控制为所述第一工作模式、所述第三工作模式、所述第二工作模式、所述第三工作模式；且所述第一、第二工作模式以相同的占空比导通，均小于一半开关周期；而所述第三工作模式为在所述第一、第二工作模式交替中间的死区工作模式，其占比为一半开关周期减去所述第一工作模式占比或第二工作模式占比。
6.根据权利要求1所述的新型双向DC/DC变换系统，其特征在于：所述第一至第六开关管S1至S6为金属氧化物半导体场效应晶体管或者绝缘栅双极性晶体管。
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| CN202322856545.XU Active CN220935027U (zh) | 2023-10-24 | 2023-10-24 | 一种新型双向dc/dc变换系统 |
Country Status (1)
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|---|---|
| CN (1) | CN220935027U (zh) |
-
2023
- 2023-10-24 CN CN202322856545.XU patent/CN220935027U/zh active Active
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| GR01 | Patent grant | ||
| GR01 | Patent grant |