CN108736704A - 基于准谐振双向dc-dc cuk变换器的总线式储能元件均衡电路、***及方法 - Google Patents

基于准谐振双向dc-dc cuk变换器的总线式储能元件均衡电路、***及方法 Download PDF

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Abstract

本发明提出了一种基于准谐振双向DC‑DC CUK变换器的总线式储能元件均衡电路、***及方法，包括：第一均衡电路正极输出端连接均衡总线正极端，第一均衡电路负极输出端连接均衡总线负极端，第二均衡电路正极输出端连接均衡总线正极端，第二均衡电路负极输出端连接均衡总线负极端，第N均衡电路正极输出端连接均衡总线正极端，第N均衡电路负极输出端连接均衡总线负极端，所述N为正整数。通过在均衡总线中使用均衡电路，实现了能量在总线中的平衡，使均衡总线***运行更加稳定、更加流畅，能量损耗更小。

Description

基于准谐振双向DC-DC CUK变换器的总线式储能元件均衡电 路、***及方法
技术领域
本发明涉及自动化控制领域，尤其涉及一种基于准谐振双向DC-DC CUK变换器的总线式储能元件均衡电路、***及方法。
背景技术
直流变换器电路一般采用PWM控制方式，开关管工作在硬开关状态。双向DC-DCCuk变换器是一种典型的直流变换器，其结构如图8所示。由于开关管不是理想器件，在开通时开关的电压不是立即下降到零，而是有一个下降时间，同时它的电流也不是立即上升到负载电流，也有一个上升时间。在这段时间里，电流和电压有一个交叠区，产生损耗，我们称之为开通损耗。当开关管关断时，开关管的电压不是立即从零上升到电源电压，而是有一个上升时间，同时它的电流也不是立即下降到零，也有一个下降时间。在这段时间里，电流和电压也有一个交叠区，产生损耗，我们称之为关断损耗。在一定条件下，开关管在每个开关周期中的开关损耗是恒定的，变换器总的开关损耗与开关频率成正比，开关频率越高，总的开关损耗就越大，变换器的效率就越低。开关的存在限制了变换器开关频率的提高，从而限制了变换器的小型化和轻量化。
发明内容
本发明旨在至少解决现有技术中存在的技术问题，特别创新地提出了一种基于准谐振双向DC-DC CUK变换器的总线式储能元件均衡电路、***及方法。
为了实现本发明的上述目的，本发明提供了一种基于准谐振双向DC-DC CUK变换器的总线式储能元件均衡电路，包括：第一电感、第四电感、第一a电容、第一b电容、第二电容、第一功率开关、第二功率开关、第一谐振电感、第二谐振电感、第一谐振电容、第二谐振电容；
第一电感一端连接储能元件正极，所述第一电感另一端连接第一谐振电感一端，所述第一电感另一端还连接第一谐振电容一端，所述第一电感另一端还连接第一a电容一端，所述第一谐振电感另一端连接第一功率开关漏极，所述第一功率开关源极连接储能元件负极，所述第一谐振电容另一端连接第一功率开关源极，所述第一谐振电容另一端还连接第一b电容一端，所述第一a电容另一端连接第二功率开关源极，所述第一a电容另一端还连接第二谐振电容一端，所述第二谐振电容另一端连接第一b电容另一端，所述第二谐振电容另一端还连接第二谐振电感一端，所述第二谐振电容另一端还连接第四电感，所述第二谐振电感另一端连接第二功率开关漏极，所述第四电感另一端连接第二电容一端，所述第二电容另一端连接第二功率开关源极。
所述的基于准谐振双向DC-DC CUK变换器的总线式储能元件均衡电路，优选的，其特征在于，还包括：第二电感；所述第二电感一端连接电源负极，所述第二电感另一端连接第一功率开关源极。
所述的基于准谐振双向DC-DC CUK变换器的总线式储能元件均衡电路，优选的，其特征在于，还包括：第三电感，
所述第三电感一端连接第二功率开关源极，所述第三电感另一端连接第二电容另一端。
所述的基于准谐振双向DC-DC CUK变换器的总线式储能元件均衡电路，优选的，还包括：第一二极管和第二二极管；所述第一二极管正极连接第一功率开关源极，所述第一二极管负极连接第一功率开关漏极，所述第二二极管正极连接第二功率开关源极，所述第二二极管负极连接第二二极管漏极。
5、根据权利要求1所述的基于准谐振双向DC-DC CUK变换器的总线式储能元件均衡电路，其特征在于，还包括
第一二极管和第二二极管；所述第一二极管正极连接第一功率开关源极，所述第一二极管负极连接第一功率开关漏极，所述第二二极管正极连接第二功率开关源极，所述第二二极管负极连接第二二极管漏极。
6、根据权利要求1所述的基于准谐振双向DC-DC CUK变换器的总线式储能元件均衡电路，其特征在于，所述储能元件包括电池或者超级电容。
7、一种基于准谐振双向DC-DC CUK变换器的总线式储能元件均衡***，其特征在于，包括：第一均衡电路正极输出端连接均衡总线正极端，第一均衡电路负极输出端连接均衡总线负极端，第二均衡电路正极输出端连接均衡总线正极端，第二均衡电路负极输出端连接均衡总线负极端，第N均衡电路正极输出端连接均衡总线正极端，第N均衡电路负极输出端连接均衡总线负极端，所述N为正整数。
本发明公开一种基于准谐振双向DC-DC CUK变换器的总线式储能元件均衡方法，包括如下步骤：
该均衡电路包含四个阶段，
S1，该阶段分为两个回路，粗实线回路和虚线回路，储能元件和第一a电容，第一b电容给第一谐振电感和第一谐振电容充电；
S2，此阶段，第一谐振电感和第一谐振电容以及第一功率开关构成谐振电路，
其中Cr1为第一谐振电容值，表示第一谐振电容端电压，Lr1为第一谐振电感值，为流过第一谐振电感的电流，Ii为输入电流，谐振电感和谐振电容的能量相互转换。当时，电流流过第一功率开关管，当时，电流通过第一功率开关续流二极管续流，此时如果关断第一功率开关，实现第一功率开关的零电流关断。
S3，此阶段第一电感，储能元件向第一a电容，第一b电容第二谐振电感充电，然后储能元件也向第一谐振电容、第二谐振电容充电；
S4，此阶段，第二谐振电感、第二谐振电容、第二功率开关形成谐振电路，同理
其中Cr2为第二谐振电容值表示第二谐振电容端电压，Lr2为第二谐振电感值，为流过第二谐振电感的电流，Io为输出电流。谐振电感和谐振电容的能量相互转换。当时，电流流过第二功率开关管，当时，电流通过第二功率开关管续流二极管续流，此时如果关断开关管，可以实现第二功率开关的零电流关断，dt为在一定时间间隔的时间导数。
上述技术方案的有益效果为：该电路添加谐振电路，实现开关管的软开关，该电路完全对称，能量双向流动分析一致。
综上所述，由于采用了上述技术方案，本发明的有益效果是：
1该电路引入谐振电路可以实现开关管的软开关，降低开关损耗；
2该电路可以应用更高频率开关管，实现变换器的小型化和轻量化；
3该电路完全对称，能量双向流动分析一致；
4该电路可用于均衡网络中，各均衡电路可以实现独立工作，相互干扰很小。
本发明的附加方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。
附图说明
本发明的上述和/或附加的方面和优点从结合下面附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：
图1是本发明均衡***连接示意图；
图2是本发明均衡电路连接示意图；
图3是本发明电路工作第一阶段；
图4是本发明电路工作第二阶段；
图5是本发明电路工作第三阶段；
图6是本发明电路工作第四阶段；
图7是本发明电路连接示意图；
图8是本发明电路连接示意图；
图9是本发明电路连接示意图；
图10是本发明电路连接示意图；
图11是本发明电路连接示意图；
图12是本发明电路连接示意图；
图13是本发明电路连接示意图；
图14是本发明电路连接示意图。
具体实施方式
下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。
如图1所示，本发明公开一种基于准谐振双向DC-DC CUK变换器的总线式储能元件均衡***，包括：第一均衡电路正极输出端连接均衡总线正极端，第一均衡电路负极输出端连接均衡总线负极端，第二均衡电路正极输出端连接均衡总线正极端，第二均衡电路负极输出端连接均衡总线负极端，第N均衡电路正极输出端连接均衡总线正极端，第N均衡电路负极输出端连接均衡总线负极端，所述N为正整数。
通过在均衡总线中使用均衡电路，实现了能量在总线中的平衡，使均衡总线***运行更加稳定、更加流畅，能量损耗更小。
如图2和7所示，本发明公开一种基于准谐振双向DC-DC CUK变换器的总线式储能元件均衡电路及方法，包括第一电感、第四电感、第一a电容、第一b电容、第二电容、第一功率开关、第二功率开关、第一谐振电感、第二谐振电感、第一谐振电容、第二谐振电容；
第一电感一端连接储能元件正极，所述第一电感另一端连接第一谐振电感一端，所述第一电感另一端还连接第一谐振电容一端，第一功率开关、第一谐振电感和第一谐振电容形成第一软开关，所述第一电感另一端还连接第一a电容一端，所述第一谐振电感另一端连接第一功率开关漏极，所述第一功率开关源极连接储能元件负极，所述第一谐振电容另一端连接第一功率开关源极，所述第一谐振电容另一端还连接第一b电容一端，所述第一a电容另一端连接第二功率开关源极，所述第一a电容另一端还连接第二谐振电容，所述第二谐振电容另一端连接第一b电容另一端，所述第二谐振电容另一端还连接第二谐振电感一端，所述第二谐振电容另一端还连接第四电感，所述第二谐振电感另一端连接第二功率开关漏极，所述第四电感另一端连接第二电容一端，所述第二电容另一端连接第二功率开关源极，第二功率开关、第二谐振电感和第二谐振电容形成第二软开关，第一软开关和第二软开关完全对称，工作更加稳定。
上述技术方案的有益效果为：该电路添加谐振电路，实现开关管的软开关，该电路完全对称，能量双向流动分析一致。
所述的基于准谐振双向DC-DC CUK变换器的总线式储能元件均衡电路，优选的，还包括：第一二极管和第二二极管；所述第一二极管正极连接第一功率开关源极，所述第一二极管负极连接第一功率开关漏极，所述第二二极管正极连接第二功率开关源极，所述第二二极管负极连接第二二极管漏极，所述二极管和功率开关的连接还可以进行变换；
例如：所述第一二极管正极连接第一功率开关漏极，所述第一二极管负极连接第一功率开关源极，所述第二二极管正极连接第二功率开关漏极，所述第二二极管负极连接第二二极管源极。
上述技术方案的有益效果为：所述第一二极管和第二二极管能够提高相应功率开关的开关速度。
所述的基于准谐振双向DC-DC CUK变换器的总线式储能元件均衡电路，优选的，还包括：第二电感，
所述第二电感一端连接电源负极，所述第二电感另一端连接第一功率开关源极。
上述技术方案的有益效果为：该电路可应用于均衡网络中，各均衡电路可以实现独立工作，相互干扰很小。
所述的基于准谐振双向DC-DC CUK变换器的总线式储能元件均衡电路，优选的，还包括：第三电感，
所述第三电感一端连接第二功率开关源极，所述第三电感另一端连接第三电容另一端。
上述技术方案的有益效果为：该电路可应用于均衡网络中，各均衡电路可以实现独立工作，相互干扰很小。
零电流开关准谐振双向DC-DC Cuk变换器电路工作时分为四个阶段，图3为第一阶段；
该阶段分为两个回路，粗实线回路和虚线回路，电源和第一a电容，第一b电容给第一谐振电感和第一谐振电容充电；
图4为变换器工作的第二阶段；
此阶段，第一谐振电感和第一谐振电容以及第一功率开关构成谐振电路，
其中Cr1为第一谐振电容值表示第一谐振电容端电压，Lr1为第一谐振电感值，为流过第一谐振电感的电流，Ii为输入电流。谐振电感和谐振电容的能量相互转换。当时，电流流过第一功率开关管，当时，电流通过第一功率开关管续流二极管续流，此时如果关断开关管，可以实现第一功率开关的零电流关断。
图5为变换器工作的第三阶段；
此阶段第一电感，电源向第一a电容，第一b电容第二谐振电感充电，除此之为电源也向第一谐振电容、第二谐振电容充电；
图6为变换器工作的第四阶段；
此阶段，第二谐振电感、第二谐振电容、第二功率开关形成谐振电路，同理
其中Cr2为第二谐振电容值表示第二谐振电容端电压，Lr2为第二谐振电感值，为流过第二谐振电感的电流，Io为输出电流。谐振电感和谐振电容的能量相互转换。当时，电流流过第二功率开关管，当时，电流通过第二功率开关管续流二极管续流，此时如果关断开关管，可以实现第二功率开关的零电流关断。
图8是本发明具体实施方式基于零电流开关准谐振双向DC-DC Cuk变换器电路连接示意图；
第二电感一端连接储能元件负极，所述第二电感另一端连接第一谐振电容一端，所述第二电感另一端还连接第一功率开关源极，所述第二电感另一端还连接第一b电容一端，所述第一谐振电感一端连接储能元件正极，第一谐振电感另一端连接第一功率开关漏极，所述第一谐振电容另一端连接第一a电容一端，所述第一谐振电容一端还连接第一b电容一端，所述第一a电容另一端连接第二功率开关源极，所述第一a电容另一端还连接第二谐振电容一端，所述第二谐振电容另一端连接第一b电容另一端，所述第二谐振电容另一端还连接第二谐振电感一端，所述第二谐振电感另一端连接第二功率开关漏极，第二功率开关源极连接第三电感一端，第三电感一端还连接第二谐振电容一端，第三电感另一端连接第二电容一端，第二电容另一端连接第二谐振电感一端。
图9是本发明具体实施方式基于零电流开关准谐振双向DC-DC Cuk变换器电路连接示意图；
第一电感一端连接储能元件正极，所述第一电感另一端连接第一谐振电感一端，所述第一电感另一端还连接第一谐振电容一端，所述第一电感另一端还连接第一a电容一端，所述第一谐振电感另一端连接第一功率开关漏极，所述第一功率开关源极连接储能元件负极，所述第一谐振电容另一端连接第一功率开关源极，所述第一谐振电容另一端还连接第一b电容一端，所述第一a电容另一端连接第二功率开关源极，所述第一a电容另一端还连接第二谐振电容，所述第二谐振电容另一端连接第一b电容另一端，所述第二谐振电容另一端还连接第二谐振电感一端，所述第二谐振电感另一端连接第二功率开关漏极，第二功率开关源极连接第三电感一端，第三电感一端还连接第二谐振电容一端，第三电感另一端连接第二电容一端，第二电容另一端连接第二谐振电感一端。
图10是本发明具体实施方式基于零电流开关准谐振双向DC-DC Cuk变换器电路连接示意图；
第二电感一端连接储能元件负极，所述第二电感另一端连接第一谐振电容一端，所述第二电感另一端还连接第一功率开关源极，所述第二电感另一端还连接第一b电容一端，所述第一谐振电感一端连接储能元件正极，第一谐振电感另一端连接第一功率开关漏极，所述第一谐振电容另一端连接第一a电容一端，所述第一谐振电容一端还连接第一b电容一端，所述第一a电容另一端连接第二功率开关源极，所述第一a电容另一端还连接第二谐振电容一端，所述第二谐振电容另一端连接第一b电容另一端，所述第二谐振电容另一端还连接第二谐振电感一端，所述第二谐振电感另一端连接第二功率开关漏极，所述第二谐振电容另一端还连接第四电感，所述第四电感另一端连接第二电容一端，所述第二电容另一端连接第二功率开关源极。
图11是本发明具体实施方式基于零电流开关准谐振双向DC-DC Cuk变换器电路连接示意图；
第一电感一端连接储能元件正极，所述第一电感另一端连接第一谐振电感一端，所述第一电感另一端还连接第一谐振电容一端，所述第一电感另一端还连接第一a电容一端，所述第一谐振电感另一端连接第一功率开关漏极，所述第一功率开关源极连接第二电感一端，第二电感另一端连接储能元件负极，所述第一谐振电容另一端连接第一功率开关源极，所述第一谐振电容另一端还连接第一b电容一端，所述第一a电容另一端连接第二功率开关源极，所述第一a电容另一端还连接第二谐振电容，所述第二谐振电容另一端连接第一b电容另一端，所述第二谐振电容另一端还连接第二谐振电感一端，所述第二谐振电感另一端连接第二功率开关漏极，第二功率开关源极连接第三电感一端，第三电感一端还连接第二谐振电容一端，第三电感另一端连接第二电容一端，第二电容另一端连接第二谐振电感一端。
图12是本发明具体实施方式基于零电流开关准谐振双向DC-DC Cuk变换器电路连接示意图；
第一电感一端连接储能元件正极，所述第一电感另一端连接第一谐振电感一端，第二电感一端连接储能元件负极，所述第二电感另一端连接第一谐振电容一端，所述第二电感另一端还连接第一功率开关源极，所述第二电感另一端还连接第一b电容一端，所述第一谐振电感一端连接储能元件正极，第一谐振电感另一端连接第一功率开关漏极，所述第一谐振电容另一端连接第一a电容一端，所述第一谐振电容一端还连接第一b电容一端，所述第一a电容另一端连接第二功率开关源极，所述第一a电容另一端还连接第二谐振电容一端，所述第二谐振电容另一端连接第一b电容另一端，所述第二谐振电容另一端还连接第二谐振电感一端，所述第二谐振电感另一端连接第二功率开关漏极，所述第二谐振电容另一端还连接第四电感，所述第四电感另一端连接第二电容一端，所述第二电容另一端连接第二功率开关源极。
图13所示，是本发明具体实施方式基于零电流开关准谐振双向DC-DC Cuk变换器电路连接示意图；
第一电感一端连接储能元件正极，所述第一电感另一端连接第一谐振电感一端，所述第一电感另一端还连接第一谐振电容一端，所述第一电感另一端还连接第一a电容一端，所述第一谐振电感另一端连接第一功率开关漏极，所述第一功率开关源极连接储能元件负极，所述第一谐振电容另一端连接第一功率开关源极，所述第一谐振电容另一端还连接第一b电容一端，所述第一a电容另一端连接第二功率开关源极，所述第一a电容另一端还连接第二谐振电容，所述第二谐振电容另一端连接第一b电容另一端，所述第二谐振电容另一端还连接第二谐振电感一端，所述第二谐振电感另一端连接第二功率开关漏极，第二功率开关源极连接第三电感一端，第三电感一端还连接第二谐振电容一端，第三电感另一端连接第二电容一端，第二电容另一端连接第四电感一端，第四电感另一端连接第二谐振电感一端。
图14所示，是本发明具体实施方式基于零电流开关准谐振双向DC-DC Cuk变换器电路连接示意图；
第一谐振电感一端连接储能元件正极，第一谐振电感一端还连接第一谐振电容一端，所述第一谐振电感一端还连接第一a电容一端，所述第一谐振电感另一端连接第一功率开关漏极，所述第一功率开关源极连接第二电感一端，第二电感另一端连接储能元件负极，所述第一谐振电容另一端连接第一功率开关源极，所述第一谐振电容另一端还连接第一b电容一端，所述第一a电容另一端连接第二功率开关源极，所述第一a电容另一端还连接第二谐振电容，所述第二谐振电容另一端连接第一b电容另一端，所述第二谐振电容另一端还连接第二谐振电感一端，所述第二谐振电感另一端连接第二功率开关漏极，第二功率开关源极连接第三电感一端，第三电感一端还连接第二谐振电容一端，第三电感另一端连接第二电容一端，第二电容另一端连接第四电感一端，第四电感另一端连接第二谐振电感一端。
尽管已经示出和描述了本发明的实施例，本领域的普通技术人员可以理解：在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由权利要求及其等同物限定。

Claims (8)

1.一种基于准谐振双向DC-DC CUK变换器的总线式储能元件均衡电路，其特征在于，包括：第一电感、第四电感、第一a电容、第一b电容、第二电容、第一功率开关、第二功率开关、第一谐振电感、第二谐振电感、第一谐振电容、第二谐振电容；
第一电感一端连接储能元件正极，所述第一电感另一端连接第一谐振电感一端，所述第一电感另一端还连接第一谐振电容一端，所述第一电感另一端还连接第一a电容一端，所述第一谐振电感另一端连接第一功率开关漏极，所述第一功率开关源极连接储能元件负极，所述第一谐振电容另一端连接第一功率开关源极，所述第一谐振电容另一端还连接第一b电容一端，所述第一a电容另一端连接第二功率开关源极，所述第一a电容另一端还连接第二谐振电容一端，所述第二谐振电容另一端连接第一b电容另一端，所述第二谐振电容另一端还连接第二谐振电感一端，所述第二谐振电容另一端还连接第四电感，所述第二谐振电感另一端连接第二功率开关漏极，所述第四电感另一端连接第二电容一端，所述第二电容另一端连接第二功率开关源极。
2.根据权利要求1所述的基于准谐振双向DC-DC CUK变换器的总线式储能元件均衡电路，其特征在于，还包括：第二电感；所述第二电感一端连接电源负极，所述第二电感另一端连接第一功率开关源极。
3.根据权利要求1所述的基于准谐振双向DC-DC CUK变换器的总线式储能元件均衡电路，其特征在于，还包括：第三电感，
所述第三电感一端连接第二功率开关源极，所述第三电感另一端连接第二电容另一端。
4.根据权利要求1所述的基于准谐振双向DC-DC CUK变换器的总线式储能元件均衡电路，其特征在于，还包括：第一二极管和第二二极管；所述第一二极管正极连接第一功率开关源极，所述第一二极管负极连接第一功率开关漏极，所述第二二极管正极连接第二功率开关源极，所述第二二极管负极连接第二二极管漏极。
5.根据权利要求1所述的基于准谐振双向DC-DC CUK变换器的总线式储能元件均衡电路，其特征在于，还包括
第一二极管和第二二极管；所述第一二极管正极连接第一功率开关源极，所述第一二极管负极连接第一功率开关漏极，所述第二二极管正极连接第二功率开关源极，所述第二二极管负极连接第二二极管漏极。
6.根据权利要求1所述的基于准谐振双向DC-DC CUK变换器的总线式储能元件均衡电路，其特征在于，所述储能元件包括电池或者超级电容。
7.一种基于准谐振双向DC-DC CUK变换器的总线式储能元件均衡***，其特征在于，包括：第一均衡电路正极输出端连接均衡总线正极端，第一均衡电路负极输出端连接均衡总线负极端，第二均衡电路正极输出端连接均衡总线正极端，第二均衡电路负极输出端连接均衡总线负极端，第N均衡电路正极输出端连接均衡总线正极端，第N均衡电路负极输出端连接均衡总线负极端，所述N为正整数。
8.一种基于准谐振双向DC-DC CUK变换器的总线式储能元件均衡方法，其特征在于，包括如下步骤：
该均衡电路包含四个阶段，
S1，该阶段分为两个回路，粗实线回路和虚线回路，储能元件和第一a电容，第一b电容给第一谐振电感和第一谐振电容充电；
S2，此阶段，第一谐振电感和第一谐振电容以及第一功率开关构成谐振电路，
其中Cr1为第一谐振电容值，表示第一谐振电容端电压，Lr1为第一谐振电感值，为流过第一谐振电感的电流，Ii为输入电流，谐振电感和谐振电容的能量相互转换。当时，电流流过第一功率开关管，当时，电流通过第一功率开关续流二极管续流，此时如果关断第一功率开关，实现第一功率开关的零电流关断。
S3，此阶段第一电感，储能元件向第一a电容，第一b电容第二谐振电感充电，然后储能元件也向第一谐振电容、第二谐振电容充电；
S4，此阶段，第二谐振电感、第二谐振电容、第二功率开关形成谐振电路，同理
其中Cr2为第二谐振电容值表示第二谐振电容端电压，Lr2为第二谐振电感值，为流过第二谐振电感的电流，Io为输出电流。谐振电感和谐振电容的能量相互转换。当时，电流流过第二功率开关管，当时，电流通过第二功率开关管续流二极管续流，此时如果关断开关管，可以实现第二功率开关的零电流关断，dt为在一定时间间隔的时间导数。
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