CN221058196U - 一种无共模漏电流的升降压双向变换器 - Google Patents
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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
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uof进行第一次模数转换,获得第一数字信号uof;
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uof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。
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