CN101741259B - 双向直流变换器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了两种双向直流变换器，属于电力电子变换器技术领域。这两种双向直流变换器分别为升压-降压式和升降压式，其电路结构均包括第一和第二电源(V₁、V₂)、第一和第二滤波电容(C₁、C₂)、第一和第二二极管(D₁、D₂)、第一和第二开关管(Q₁、Q₂)、第一和第二耦合电感(L_c1、L_c2)及滤波电感(L)，两个耦合电感通过共用一个电感磁芯相互耦合在一起。本发明两个方向功率变换的开关管相互独立，避免了传统双向变换器开关管复用时由于开关管寄生体二极管反向恢复所导致的变换效率降低，同时提高了变换器的可靠性，当其中一个方向的开关管故障时，另一个方向的功率变换不会受影响。本发明变换器特别适用于对变换效率及可靠性具有较高要求的高压大功率变换场合。

Description

双向直流变换器

技术领域

本发明涉及两种变换器，尤其涉及升压降压式和升降压式两种双向直流变换器，属于电力电子变换器技术领域。

背景技术

双向直流变换器通过直流变换器的双象限运行，可实现能量的双向传输，在功能上相当于两个单向直流变换器，是典型的“一机两用”设备，在不间断电源供电、蓄电池充放电、新能源发电及航空航天供电***等需要双向能量流动的场合，可大幅度减少***的体积重量，具有较高的研究价值。

传统的升压-降压式双向直流变换器如图1所示。开关管Q₁和Q₂一般采用带有寄生体二极管的开关器件，如MOSFET，当能量从高压侧向低压侧变换时，Q₁作为主开关管，Q₂作为Q₁的同步整流管，在开关管的死区时间内，电流从Q₂的寄生体二极管中流过；当能量从低压侧向高压侧变换时，Q₂作为主开关管，Q₁作为Q₂的同步整流管，在开关管的死区时间内，电流从Q₁的寄生体二极管中流过。一般开关管寄生体二极管的开关及导通特性远不如专用的二极管，特别是开关管寄生体二极管的反向恢复电荷明显大于专用的二极管，由此造成开关损耗非常大，从而导致变换器的变换效率降低。为了克服寄生体二极管反向恢复造成的损耗问题，一般采取合理设计电路参数，使得电感电流在每个开关周期内都能自动反向，从而避免了寄生体二极管导通造成的反向恢复损耗问题。但是在大功率大电流应用场合，如果仍采用上述方案，由此造成的开关管导通损耗明显增加，仍会造成变换效率的下降。

为了克服开关管寄生体二极管造成的问题，可以通过二极管阻断开关管的寄生体二极管，再额外并联续流二极管的方式，二极管阻断式升压-降压式双向直流变换器的电路结构如图2所示。采用图2所示的二极管阻断式升压降压式双向直流变换器时，一方面开关管串联的二极管引入了导通损耗而导致效率下降，另一方面使用的二极管数量成倍增加，增加了成本。

此外，在对双向变换器的可靠性具有更高要求的使用场合，当其中一个方向的功率变换发生故障时要求另一个方向不受影响，在这种情况下一般采取两个单向变换器组合成双向变换器使用，但是由于电感、电容等无源器件的增加而导致了变换器重量和体积的增加。

发明内容

技术问题：

本发明针对背景技术中双向直流变换器存在的缺陷，而提出两种适用于高压大功率变换场合的、变换效率和可靠性高的双向直流变换器。

技术方案：

本发明的升压-降压式双向直流变换器，包括第一和第二电源，第一和第二滤波电容，第一和第二二极管，第一和第二开关管，第一和第二耦合电感及滤波电感，其中：第一电源的正输出端连接第一滤波电容的一端，第二电源的正输出端连接第二滤波电容的一端，第一电源的负输出端分别连接第一滤波电容的另一端、第二滤波电容的另一端和第二电源的负输出端，第一开关管的漏极和第二二极管的阴极均连接第一电源的正输出端，第一开关管的源极分别连接第一二极管的阴极和第一耦合电感的非同名端，第一耦合电感的同名端分别连接滤波电感的一端和第二耦合电感的非同名端，第二耦合电感的同名端分别连接第二开关管的漏极和第二二极管的阳极，滤波电感连接第二电源的正输出端，第一二极管的阳极分别连接第二开关管的源极及第一和第二电源的负输出端。

本发明的升降压式双向直流变换器，包括第一和第二电源，第一和第二滤波电容，第一和第二二极管，第一和第二开关管，第一和第二耦合电感及滤波电感，其中：第一电源的正输出端连接第一滤波电容的一端，第二电源的负输出端连接第二滤波电容的一端，第一电源的负输出端分别连接第一滤波电容的另一端、第二滤波电容的另一端和第二电源的正输出端，第一开关管的漏极和第二二极管的阴极均连接第一电源的正输出端，第一开关管的源极分别连接第一二极管的阴极和第一耦合电感的非同名端，第一二极管的阳极分别连接第二开关管的源极和第二电源的负输出端，第二开关管的漏极分别连接第二耦合电感的同名端和第二二极管的阳极，第二耦合电感的非同名端分别连接第一耦合电感的同名端和滤波电感的一端，滤波电感的另一端分别连接第一电源的负输出端和第二电源的正输出端。

以上两种双向直流变换器中的第一和第二耦合电感通过共用一个电感磁芯而相互耦合在一起。

技术效果：

本发明升压-降压式双向直流变换器适用于一端电源电压始终高于另一端电源电压且两端电源共地的应用场合；升降压式双向直流变换器适用于一端电源电压可以高于、低于或者等于另一端电源电压且两端电源电压极性相反的应用场合。具体有益效果如下：

1)结构简单，体积和重量较小，成本较低；

2)利用耦合电感反向耦合关系，实现两个方向功率流的独立分开进行；

3)通过将两个方向功率变换的开关管相互独立，避免了传统双向变换器开关管复用时由于开关管寄生体二极管反向恢复所导致的变换效率降低；

4)当其中一个方向的开关管故障时，另一个方向的功率变换可以不受影响，提高了变换器的可靠性和容错能力。

附图说明

图1为传统升压降压式双向直流变换器的电路图。

图2为二极管阻断式升压降压式双向直流变换器的电路图。

图3为本发明升压-降压式双向直流变换器的电路图。

图4为本发明升降压式双向直流变换器的电路图。

图5为本发明升压降压式双向直流变换器工作在降压模式时的主要波形图。

图6、图7分别为本发明升压-降压式双向直流变换器工作在降压模式时不同工作模态的等效电路图。

图8为本发明升压-降压式双向直流变换器工作在升压模式时的主要波形图。

图9、图10分别为本发明升压-降压式双向直流变换器工作在升压模式时不同工作模态的等效电路。

图1～图10中符号名称：V₁、V₂分别为第一和第二电源；C₁、C₂分别为第一和第二滤波电容；Q₁、Q₂分别为第一和第二开关管；D₁、D₂分别为第一和第二二极管；L_c1、L_c2分别为第一和第二耦合电感；L为滤波电感；v_GS1、v_GS2分别为第一、第二开关管的驱动信号；i_L为电感L的电流，以从高压侧到低压侧的方向为正；v_DS1、v_DS2分别为第一、第二开关管的漏-源极电压；v_D1、v_D2分别为第一、第二二极管阴极与阳极之间的电压；t₀、t₁、t₂表示时间。

具体实施方式

图1与图2为背景技术中提到的两种变换器的电路图，相关内容参见背景技术部分。

本发明升压-降压式双向直流变换器的电路结构如图3所示。包括第一和第二电源V₁、V₂，第一和第二滤波电容C₁、C₂，第一和第二二极管D₁、D₂，第一和第二开关管Q₁、Q₂，第一和第二耦合电感L_c1、L_c2及滤波电感L，其中：第一电源V₁的正输出端连接第一滤波电容C₁的一端，第二电源V₂的正输出端连接第二滤波电容C₂的一端，第一电源V₁的负输出端分别连接第一滤波电容C₁的另一端、第二滤波电容C₂的另一端和第二电源V₂的负输出端，第一开关管Q₁的漏极和第二二极管D₂的阴极均连接第一电源V₁的正输出端，第一开关管Q₁的源极分别连接第一二极管D₁的阴极和第一耦合电感L_c1的非同名端，第一耦合电感L_c1的同名端分别连接滤波电感L的一端和第二耦合电感L_c2的非同名端，第二耦合电感L_c2的同名端分别连接第二开关管Q₂的漏极和第二二极管D₂的阳极，滤波电感L连接第二电源V₂的正输出端，第一二极管D₁的阳极分别连接第二开关管Q₂的源极及第一和第二电源V₁、V₂的负输出端。

本发明升降压式双向直流变换器的电路结构如图4所示。包括第一和第二电源V₁、V₂，第一和第二滤波电容C₁、C₂，第一和第二二极管D₁、D₂，第一和第二开关管Q₁、Q₂，第一和第二耦合电感L_c1、L_c2及滤波电感L，其中：第一电源V₁的正输出端连接第一滤波电容C₁的一端，第二电源V₂的负输出端连接第二滤波电容C₂的一端，第一电源V₁的负输出端分别连接第一滤波电容C₁的另一端、第二滤波电容C₂的另一端和第二电源V₂的正输出端，第一开关管Q₁的漏极和第二二极管D₂的阴极均连接第一电源V₁的正输出端，第一开关管Q₁的源极分别连接第一二极管D₁的阴极和第一耦合电感L_c1的非同名端，第一二极管D₁的阳极分别连接第二开关管Q₂的源极和第二电源V₂的负输出端，第二开关管Q₂的漏极分别连接第二耦合电感L_c2的同名端和第二二极管D₂的阳极，第二耦合电感L_c2的非同名端分别连接第一耦合电感L_c1的同名端和滤波电感L的一端，滤波电感L的另一端分别连接第一电源V₁的负输出端和第二电源V₂的正输出端。

在具体实施时，开关管可以选用MOSFET或者IGBT等具有寄生体二极管的开关器件，也可以选用不具有寄生体二极管的逆阻型开关器件。耦合电感L_c1和L_c2通过一个共用的磁芯相互耦合在一起，该磁芯的体积相对于滤波电感L的体积可以很小，耦合电感L_c1和L_c2的电感值相对于滤波电感L的电感值也可以很小，同时耦合电感也可以作为变换器滤波电感的一部分，因此滤波电感L的电感值可以相对减小，相应的电感磁芯也可以有所减小，因此耦合电感的引入不会造成变换器体积重量的明显增加。

下面以本发明升压-降压式双向直流变换器为例，并结合附图5～图10来说明本发明双向直流变换器的工作原理。

在分析之前做如下假设：(1)开关管、二极管、电感、电容都为理想器件；(2)耦合电感L_c1＝L_c2＝L_c，且滤波电感L＝(n-1)·L_c，n取大于1的实数；(3)变换器已经工作在稳态。(一)降压模式(从高压侧向低压侧传输能量)时的工作模态分析：

模态1：如图6所示，t₀时刻，开关管Q₁导通，除Q₁外，其它开关管及二极管均关断，加在电感L及耦合电感L_c1之间的电压为V₁-V₂，电感电流线性增加，二极管D₂两端的电压为

开关管Q₂两端电压为

模态2：如图7所示，t₁时刻，开关管Q₁关断，电感L通过二极管D₁续流，电感电流线性减小，此时，开关管Q₂两端的电压为二极管D₂两端的电压为

直到t₂时刻，开关管Q₁导通。

降压模式时变换器的主要工作波形如图5所示。

(二)升压模式(从低压侧向高压侧传输能量)时的工作模态分析：

模态1：如图9所示，t₀时刻，开关管Q₂导通，除Q₂外，其它开关管及二极管均关断，加在电感L及耦合电感L_c1之间的电压为-V₂，电感电流负向线性增加，二极管D₁两端的电压为

开关管Q₁两端电压为

模态2：如图10所示，t₁时刻，开关管Q₂关断，电感L通过二极管D₂续流，电感电流绝对值线性减小，此时，开关管Q₁两端的电压为

二极管D₁两端的电压为

直到t₂时刻，开关管Q₂导通。

升压模式时变换器的主要工作波形如图8所示。

Claims (3)

1.一种双向直流变换器，包括第一和第二电源(V₁、V₂)、第一和第二滤波电容(C₁、C₂)，第一电源(V₁)的正输出端连接第一滤波电容(C₁)的一端，第二电源(V₂)的正输出端连接第二滤波电容(C₂)的一端，第一电源(V₁)的负输出端分别连接第一滤波电容(C₁)的另一端、第二滤波电容(C₂)的另一端和第二电源(V₂)的负输出端，其特征在于：还包括第一和第二二极管(D₁、D₂)、第一和第二开关管(Q₁、Q₂)、第一和第二耦合电感(L_c1、L_c2)及滤波电感(L)，第一开关管(Q₁)的漏极和第二二极管(D₂)的阴极均连接第一电源(V₁)的正输出端，第一开关管(Q₁)的源极分别连接第一二极管(D₁)的阴极和第一耦合电感(L_c1)的非同名端，第一耦合电感(L_c1)的同名端分别连接滤波电感(L)的一端和第二耦合电感(L_c2)的非同名端，第二耦合电感(L_c2)的同名端分别连接第二开关管(Q₂)的漏极和第二二极管(D₂)的阳极，滤波电感(L)连接第二电源(V₂)的正输出端，第一二极管(D₁)的阳极分别连接第二开关管(Q₂)的源极及第一和第二电源(V₁、V₂)的负输出端。

2.一种双向直流变换器，包括第一和第二电源(V₁、V₂)、第一和第二滤波电容(C₁、C₂)，第一电源(V₁)的正输出端连接第一滤波电容(C₁)的一端，第二电源(V₂)的负输出端连接第二滤波电容(C₂)的一端，第一电源(V₁)的负输出端分别连接第一滤波电容(C₁)的另一端、第二滤波电容(C₂)的另一端和第二电源(V₂)的正输出端，其特征在于：还包括第一和第二二极管(D₁、D₂)、第一和第二开关管(Q₁、Q₂)、第一和第二耦合电感(L_c1、L_c2)及滤波电感(L)，第一开关管(Q₁)的漏极和第二二极管(D₂)的阴极均连接第一电源(V₁)的正输出端，第一开关管(Q₁)的源极分别连接第一二极管(D₁)的阴极和第一耦合电感(L_c1)的非同名端，第一二极管(D₁)的阳极分别连接第二开关管(Q₂)的源极和第二电源(V₂)的负输出端，第二开关管(Q₂)的漏极分别连接第二耦合电感(L_c2)的同名端和第二二极管(D₂)的阳极，第二耦合电感(L_c2)的非同名端分别连接第一耦合电感(L_c1)的同名端和滤波电感(L)的一端，滤波电感(L)的另一端分别连接第一电源(V₁)的负输出端和第二电源(V₂)的正输出端。

3.根据权利要求1或2所述的双向直流变换器，其特征在于：所述第一和第二耦合电感(L_c1、L_c2)通过共用一个电感磁芯而相互耦合在一起。

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