CN221058196U - 一种无共模漏电流的升降压双向变换器 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种无共模漏电流的升降压双向变换器，包括处理器、开关切换驱动器、拓扑切换电路，所述拓扑切换电路的一端连接直流侧，另一端连接交流侧，且所述直流侧的负极与交流侧的负极共同接地；所述处理器下发控制信号至开关切换驱动器，所述开关切换驱动器接收控制指令，控制拓扑切换电路中各个开关的导通和关断，改变拓扑切换电路的拓扑结构，以使升降压双向变换器处于整流工作模式或者逆变工作模式。解决了传统变换器共模漏电流现象，摒弃直流侧的大电解电容，延长逆变器的使用寿命；扩大变换器的升降压变化能力；实现单级控制，提高系统效率；实现双向功率传输。

Description

一种无共模漏电流的升降压双向变换器

技术领域

本实用新型涉及变换器的技术领域，具体来说，是一种无共模漏电流的升降压双向变换器。

背景技术

逆变器是能量变换的重要环节，与传统的隔离型逆变器相比，非隔离型逆变器具有体积小、重量轻、效率高等优点，但由于直流侧与交流侧缺少有效隔离存在共模漏电流，增加了系统损耗，甚至会造成安全问题。传统单相逆变器一般通过改进拓扑结构来减小光伏系统对地漏电流，即在电路中加入旁路，如H5、H6、HERIC等拓扑，但是这种改进方式都或多或少增加了元件，提高了成本，降低了逆变器的功率密度和稳定性。

同时，电压型逆变器需要在直流侧并联一个很大的电解电容进行储能，为的是缓冲交流侧反馈回来得到低频无功分量，平滑直流侧电压，但是电解电容的寿命低，使用较大的电解电容增加系统体积、提高了成本，降低了系统的可靠性和效率。

单个蓄电池的输出范围有限，虽然为了得到更多的电量可以将两个或更多的蓄电池串联，但是只要其中一个蓄电池出现问题，蓄电池组的电压就会下降。串联在一起的蓄电池越多，出现串联问题的几率就越高。因此需要研究具有高电压增益的变换器，扩大输出电压范围以满足用户需求。

随着电动汽车充电技术的快速发展，用于汽车充电的变换器拓扑由单向变换器向着双向变换器发展，双向变换器是研究电动汽车充放电的关键。现有的双向变换器一般采用两级式结构，虽然实现了逆变/整流功能，但是变换器结构复杂，器件数目较多，且存在级联系统稳定性问题，效率也较单级电路差。

因此，有必要研究能彻底消除共模漏电流、直流侧无电解电容、能实现高效率单级升降压变换的双向变换器拓扑及其控制方法结构。

实用新型内容

本实用新型提供一种无共模漏电流的升降压双向变换器，旨在解决传统变换器共模漏电流现象，摒弃直流侧的大电解电容，延长逆变器的使用寿命；扩大变换器的升降压变化能力；实现单级控制，提高变换效率；实现双向功率传输。

本实用新型可以通过以下技术方案实现：

一种无共模漏电流的升降压双向变换器，包括处理器、开关切换驱动器、拓扑切换电路，所述拓扑切换电路的一端连接直流侧，另一端连接交流侧，且所述直流侧的负极与交流侧的负极共同接地；

所述处理器下发控制信号至开关切换驱动器，所述开关切换驱动器接收控制指令，控制拓扑切换电路中各个开关的导通和关断，改变拓扑切换电路的拓扑结构，以使升降压双向变换器处于整流工作模式或者逆变工作模式。

进一步，所述拓扑切换电路包括依次并联在直流侧和交流侧之间的第四电容、第一开关、第一电容、第三开关、第三电容，在所述第四电容和第一开关之间串联有第一电感、在所述第一开关和第一电容之间串联有第四开关，在所述第一电容和第三开关之间串联有第二电感，在所述第三开关和第三电容之间串联有第二电容和第三电感，在所述第二电感和第二电容的两端并联有第二开关。

进一步，所述开关控制驱动器设置有四个驱动电路，分别对应控制第一开关、第二开关、第三开关和第四开关，所述处理器同时下发的两路控制信号，它们分别控制第一开关、第二开关以及第三开关、第四开关，且两路控制信号相反。

进一步，所述拓扑切换电路的第三开关、第四开关导通，第二开关、第一开关关断，使之形成三个续流回路，分别为第一续流回路、第二续流回路和第三续流回路，

所述第一续流回路设置为第四电容、第一电感、第四开关和第一电容组成的回路；

所述第二续流回路设置为第二电感、第三开关、第四电容、第一电感和第四开关组成的回路；

所述第三续流回路设置为第三电感、第三电容、第三开关和第二电容组成的回路；

所述拓扑切换电路的第三开关、第四开关关断，第二开关、第一开关导通，使之形成三个闭合回路，分别为第一闭合回路、第二闭合回路和第三闭合回路，

所述第一闭合回路设置为第四电容、第一电感和第一开关组成的回路；

所述第二闭合回路设置为第二电感、第二开关和第二电容组成的回路；

所述第三闭合回路设置为第三电感、第三电容、第一电容和第二开关组成的回路。

进一步，所述第二开关和第三开关均为MOS管和/或IGBT，所述第一开关和第四开关均为MOS管。

进一步，还包括采集模块，所述采集模块与处理器相连，用于采集输出的电压信号，所述处理器接收电压信号，通过开关切换驱动器控制拓扑切换电路中各个开关的导通和关断，改变拓扑切换电路的拓扑结构，以使升降压双向变换器处于整流工作模式或者逆变工作模式。

本实用新型有益的技术效果在于：

1、将直流侧与交流侧共同接地，可有效消除变换器系统的共模漏电流。

2、在直流侧和输出端均串联有电感，电流脉动较小，因此可用小薄膜电容代替大容量电解电容，可延长变换器的使用寿命。

3、本发明提供的变换器工作于逆变模式时，电压增益与占空比的关系为(1-2D)/[D(1-D)]；变换器工作于整流模式时，电压增益与占空比的关系为D(1-D)/(1-2D)；占空比即第三开关/第四开关的导通时间与一个开关周期的比值。由图2逆变模式下的增益曲线可知，其升降压范围较大，能够满足不同的用户需求；

4、本发明提供的变换器的电压增益曲线是仅关于占空比的函数，给定一个输入，可以通过直接控制占空比而达到控制输出电压的目的，因此其控制可采用单级变换，提高了变换器的系统效率。

5、本发明提供的逆变器中的元器件都是双向器件，可以实现双向功率传输，是研究电动汽车充放电的关键组成部件，为电动汽车的充放电研究提供了可靠的物理基础。

附图说明

图1为本发明实施例的整体电路结构示意图；

图2为本发明实施例在逆变模式下输出电压增益曲线；

图3为本发明实施例提供的控制驱动单元的电路结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本实用新型作进一步详细说明。

参见附图1和3，本实用新型公开了一种无共模漏电流的升降压双向变换器，包括处理器、开关切换驱动器、拓扑切换电路，该拓扑切换电路的一端连接直流侧，另一端连接交流侧，且该直流侧的负极与交流侧的负极共同接地；该处理器下发控制信号至开关切换驱动器，该开关切换驱动器接收控制指令，控制拓扑切换电路中各个开关的导通和关断，改变拓扑切换电路的拓扑结构，以使升降压双向变换器处于整流工作模式或者逆变工作模式。该拓扑切换电路包括依次并联在直流侧和交流侧之间的第四电容C4、第一开关S1、第一电容C1、第三开关S3、第三电容C3，在第四电容C4和第一开关S1之间串联有第一电感L1、在第一开关S1和第一电容C1之间串联有第四开关C4，在第一电容C1和第三开关S3之间串联有第二电感L2，在第三开关S3和第三电容C3之间串联有第二电容C2和第三电感L3，在第二电感L2和第二电容C2的两端并联有第二开关S2。这样，通过将直流侧和交流侧共同接地，可有效消除变换器系统的共模漏电流，同时在直流侧和交流侧均串联有电感，电流脉动较小，因此可用小薄膜电容代替大容量电解电容，可延长变换器的使用寿命，扩大变换器的应用范围，实用性更强。

如图3所示，该处理器、开关切换驱动器以及后续的采集模块共同组成控制驱动单元，该开关切换驱动器设置有四个驱动电路，分别对应控制第一开关S1、第二开关S2、第三开关S3和第四开关S4，均可以通过光耦或者变压器隔离驱动，该处理器同时下发的两路控制信号，它们分别控制第一开关S1、第二开关S2以及第三开关S3、第四开关S4，且两路控制信号相反，从而实现对四个开关的导通和关断控制。

该第二开关和第三开关均为MOS管和/或IGBT，该第一开关和第四开关均为MOS管。

该处理器可以采用数字信号处理器DSP2包括：

参考信号：变换器工作于逆变模式下时，内部产生正弦波信号；变换器工作于整流模式下时，内部产生直流电压信号；

载波模块：内部产生定频定压的三角波信号；

第一模数转换模块AD1，输入端与输出电压传感器101的输出端连接，对输出电压反馈信号u_of进行第一次模数转换，获得第一数字信号u_of；

第一比较器201：第一输入端与参考信号模块的输出端连接，第二输入端与第一数模转换模块AD1输出端连接，将参考信号与所述第一数字信号u_of进行作差，获得差值信号；

电压调节器203：输入端与第一比较器201的输出端连接，将差值信号进行调节获得控制信号；

第二比较器202：第一输入端与电压调节器203的输出端连接，第二输入端与载波模块的输出端连接，将控制信号与载波信号进行比较，获得第一开关选择信号；

PWM1：输入端与第二比较器202的第一输出端连接，对第一开关选择信号进行输出，输出第一开关模式参考信号即第一路控制信号；

反相器204：输入端与第二比较器202的第二输出端连接，输出第二开关选择信号；

PWM2：输入端与反相器204的输出端连接，对第二开关选择信号进行输出，获得第二开关模式参考信号即第二路控制信号。

开关切换驱动器3包括第一驱动电路301、第二驱动电路302、第三驱动电路303和第四驱动电路304，第一驱动电路301，其输入端与DSP2的第一输出端连接，其输出端连接第三开关S3；第二驱动电路302，其输入端与DSP2的第一输出端连接，其输出端连接第四开关S4；第三驱动电路303，其输入端与DSP2的第二输出端连接，其输出端连接第一开关S1；第四驱动电路304，其输入端与DSP2的第二输出端连接，其输出端连接第二开关S2。

在开关切换驱动器的控制下，当拓扑切换电路的第三开关、第四开关导通，第二开关、第一开关关断时，使之形成三个续流回路，分别为第一续流回路、第二续流回路和第三续流回路，

该第一续流回路设置为第四电容、第一电感、第四开关和第一电容组成的回路；该第二续流回路设置为第二电感、第三开关和第一电容组成的回路；该第三续流回路设置为第三电感、第三电容、第三开关和第二电容组成的回路；

当拓扑切换电路的第三开关、第四开关关断，第二开关、第一开关导通时，使之形成三个闭合回路，分别为第一闭合回路、第二闭合回路和第三闭合回路，

该第一闭合回路设置为第四电容、第一电感和第一开关组成的回路；该第二闭合回路设置为第二电感、第二开关和第二电容组成的回路；该第三闭合回路设置为第三电感、第三电容、第一电容和第二开关组成的回路。

本实用新型的升降压双向变换器还包括采集模块1，该采集模块1与处理器相连，用于采集输出的电压信号，可以设置为电压传感器构成的传感器系统，这样，处理器接收电压信号，通过开关切换驱动器控制拓扑切换电路中各个开关的导通和关断，改变拓扑切换电路的拓扑结构，以使升降压双向变换器处于整流工作模式或者逆变工作模式。

本实用新型的升降压双向变换器的工作过程如下：

在进行逆变时，可将交流侧连接至交流电源或者电网，直流侧连接蓄电池等负载，以执行对负载供电等操作，具体地，

传感器系统实时监测输出交流电压信号，借助处理器对输出电压信号进行第一次电压信号处理，将输出交流电压信号与参考信号进行做差，得到差值信号；对差值信号进行第二次电压信号处理，得到控制信号；对控制信号和载波信号进行第三次电压信号处理，当控制信号大于载波信号时，控制开关切换驱动器调控该变换器的第三开关和第四开关导通，第二开关和第一开关关断，以导通第一续流回路、第二续流回路和第三续流回路，此时蓄电池和第一电感放电并同时给第一电容充电储能，蓄电池和第一电感放电并同时为第二电感充电储能，第二电容和第三电感放电并同时为第三电容充电储能，使得变换器输出相应的电压信号，以完成交流电源的逆变过程；

当控制信号小于载波信号时，控制开关切换驱动器调控变换器的第一开关和第二开关导通，第三开关和第四开关关断，以导通第一闭合回路、第二闭合回路和第三闭合回路，此时蓄电池放电并给第一电感充电储能，第二电感放电并为第二电容充电储能，第一电容和第三电容放电并同时为第三电感充电储能，使得变换器输出相应的电压信号；以完成交流电源的逆变过程；

在进行整流时，可将交流侧连接至交流电源，直流侧连接蓄电池等负载，以执行对蓄电池充电等操作，具体地，

传感器系统实时监测输出直流电压信号，借助处理器对输出电压信号进行第一次电压信号处理，将输出直流电压信号与参考信号进行做差，得到差值信号；对差值信号进行第二次电压信号处理，得到控制信号；对控制信号和载波信号进行第三次电压信号处理，当控制信号大于载波信号时，控制开关切换驱动器调控该变换器的第三开关和第四开关导通，第二开关和第一开关关断，以导通第一续流回路、第二续流回路和第三续流回路，此时第一电容和第四电容放电并给第一电感充电储能，第二电感放电并给第一电感和第四电容充电储能，交流电源和第三电容放电并给第三电感和第二电容充电储能，使得变换器输出相应的电压信号，以完成交流电源的整流过程；

当控制信号小于载波信号时，控制开关切换驱动器调控变换器的第一开关和第二开关导通，第三开关和第四开关关断，以导通第一闭合回路、第二闭合回路和第三闭合回路，此时第一电感放电并给第四电容充电储能，第二电容放电并给第二电感充电储能，交流电源和第三电感放电并给第一电容充电储能，使得变换器输出相应的电压信号，以完成交流电源的整流过程。

虽然以上描述了本实用新型的具体实施方式，但是本领域的技术人员应当理解，这些仅是举例说明，在不背离本实用新型的原理和实质的前提下，可以对这些实施方式做出多种变更或修改，因此，本实用新型的保护范围由所附权利要求书限定。

Claims (4)

1.一种无共模漏电流的升降压双向变换器，其特征在于：包括处理器、开关切换驱动器、拓扑切换电路，所述拓扑切换电路的一端连接直流侧，另一端连接交流侧，且所述直流侧的负极与交流侧的负极共同接地；

所述处理器下发控制信号至开关切换驱动器，所述开关切换驱动器接收控制指令，控制拓扑切换电路中各个开关的导通和关断，改变拓扑切换电路的拓扑结构，以使升降压双向变换器处于整流工作模式或者逆变工作模式；

所述拓扑切换电路包括依次并联在直流侧和交流侧之间的第四电容、第一开关、第一电容、第三开关、第三电容，在所述第四电容和第一开关之间串联有第一电感、在所述第一开关和第一电容之间串联有第四开关，在所述第一电容和第三开关之间串联有第二电感，在所述第三开关和第三电容之间串联有第二电容和第三电感，在所述第二电感和第二电容的两端并联有第二开关；

所述开关控制驱动器设置有四个驱动电路，分别对应控制第一开关、第二开关、第三开关和第四开关，所述处理器同时下发的两路控制信号，它们分别控制第一开关、第二开关以及第三开关、第四开关，且两路控制信号相反。

2.根据权利要求1所述的无共模漏电流的升降压双向变换器，其特征在于：所述拓扑切换电路的第三开关、第四开关导通，第二开关、第一开关关断，使之形成三个续流回路，分别为第一续流回路、第二续流回路和第三续流回路，

所述第一续流回路设置为第四电容、第一电感、第四开关和第一电容组成的回路；

所述第二续流回路设置为第二电感、第三开关、第四电容、第一电感和第四开关组成的回路；

所述第三续流回路设置为第三电感、第三电容、第三开关和第二电容组成的回路；

所述拓扑切换电路的第三开关、第四开关关断，第二开关、第一开关导通，使之形成三个闭合回路，分别为第一闭合回路、第二闭合回路和第三闭合回路，所述第一闭合回路设置为第四电容、第一电感和第一开关组成的回路；

所述第二闭合回路设置为第二电感、第二开关和第二电容组成的回路；

所述第三闭合回路设置为第三电感、第三电容、第一电容和第二开关组成的回路。

3.根据权利要求1所述的无共模漏电流的升降压双向变换器，其特征在于：所述第二开关和第三开关均为MOS管和/或IGBT，所述第一开关和第四开关均为MOS管。

4.根据权利要求1所述的无共模漏电流的升降压双向变换器，其特征在于：还包括采集模块，所述采集模块与处理器相连，用于采集输出的电压信号，所述处理器接收电压信号，通过开关切换驱动器控制拓扑切换电路中各个开关的导通和关断，改变拓扑切换电路的拓扑结构，以使升降压双向变换器处于整流工作模式或者逆变工作模式。