CN111082662B - 一种基于全耦合电感的高增益双向软开关dc/dc变换器 - Google Patents

一种基于全耦合电感的高增益双向软开关dc/dc变换器 Download PDF

Info

Publication number
CN111082662B
CN111082662B CN201911264567.9A CN201911264567A CN111082662B CN 111082662 B CN111082662 B CN 111082662B CN 201911264567 A CN201911264567 A CN 201911264567A CN 111082662 B CN111082662 B CN 111082662B
Authority
CN
China
Prior art keywords
inductor
switch tube
output
input
mode
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Active
Application number
CN201911264567.9A
Other languages
English (en)
Other versions
CN111082662A (zh
Inventor
付永升
李翰山
闫克丁
雷鸣
高俊钗
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Xian Technological University
Original Assignee
Xian Technological University
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Xian Technological University filed Critical Xian Technological University
Priority to CN201911264567.9A priority Critical patent/CN111082662B/zh
Publication of CN111082662A publication Critical patent/CN111082662A/zh
Application granted granted Critical
Publication of CN111082662B publication Critical patent/CN111082662B/zh
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Images

Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02M—APPARATUS FOR CONVERSION BETWEEN AC AND AC, BETWEEN AC AND DC, OR BETWEEN DC AND DC, AND FOR USE WITH MAINS OR SIMILAR POWER SUPPLY SYSTEMS; CONVERSION OF DC OR AC INPUT POWER INTO SURGE OUTPUT POWER; CONTROL OR REGULATION THEREOF
    • H02M3/00—Conversion of dc power input into dc power output
    • H02M3/02—Conversion of dc power input into dc power output without intermediate conversion into ac
    • H02M3/04—Conversion of dc power input into dc power output without intermediate conversion into ac by static converters
    • H02M3/10—Conversion of dc power input into dc power output without intermediate conversion into ac by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode
    • H02M3/145—Conversion of dc power input into dc power output without intermediate conversion into ac by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode using devices of a triode or transistor type requiring continuous application of a control signal
    • H02M3/155—Conversion of dc power input into dc power output without intermediate conversion into ac by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode using devices of a triode or transistor type requiring continuous application of a control signal using semiconductor devices only
    • H02M3/156—Conversion of dc power input into dc power output without intermediate conversion into ac by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode using devices of a triode or transistor type requiring continuous application of a control signal using semiconductor devices only with automatic control of output voltage or current, e.g. switching regulators
    • H02M3/158—Conversion of dc power input into dc power output without intermediate conversion into ac by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode using devices of a triode or transistor type requiring continuous application of a control signal using semiconductor devices only with automatic control of output voltage or current, e.g. switching regulators including plural semiconductor devices as final control devices for a single load
    • H02M3/1584—Conversion of dc power input into dc power output without intermediate conversion into ac by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode using devices of a triode or transistor type requiring continuous application of a control signal using semiconductor devices only with automatic control of output voltage or current, e.g. switching regulators including plural semiconductor devices as final control devices for a single load with a plurality of power processing stages connected in parallel
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02M—APPARATUS FOR CONVERSION BETWEEN AC AND AC, BETWEEN AC AND DC, OR BETWEEN DC AND DC, AND FOR USE WITH MAINS OR SIMILAR POWER SUPPLY SYSTEMS; CONVERSION OF DC OR AC INPUT POWER INTO SURGE OUTPUT POWER; CONTROL OR REGULATION THEREOF
    • H02M1/00—Details of apparatus for conversion
    • H02M1/0048—Circuits or arrangements for reducing losses
    • H02M1/0054—Transistor switching losses
    • H02M1/0058—Transistor switching losses by employing soft switching techniques, i.e. commutation of transistors when applied voltage is zero or when current flow is zero
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02B—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES RELATED TO BUILDINGS, e.g. HOUSING, HOUSE APPLIANCES OR RELATED END-USER APPLICATIONS
    • Y02B70/00—Technologies for an efficient end-user side electric power management and consumption
    • Y02B70/10—Technologies improving the efficiency by using switched-mode power supplies [SMPS], i.e. efficient power electronics conversion e.g. power factor correction or reduction of losses in power supplies or efficient standby modes

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Power Engineering (AREA)
  • Dc-Dc Converters (AREA)

Abstract

本发明涉及一种基于全耦合电感的高增益双向软开关DC/DC变换器，包括6个开关管：S1、S2、S3、S4、S5、S6；2个耦合电感L1，L2与L3，L4，及独立的电感Ls，Cin为输入电容、Cout为输出电容；由于其对称性，本发明两边均可以作为输入或者输出。本发明结构任意一端均可以作为输入端或输出端，任意一端作为输入端均可以实现升压或者降压的目的；该结构在实现双向能量流动时均可以实现软开关技术；该结构控制方法简单，输出电压控制思想与传统的Buck/Boost控制思想一样。

Description

一种基于全耦合电感的高增益双向软开关DC/DC变换器
技术领域
本发明涉及电力能源转换技术领域，特别是涉及一种基于全耦合电感的高增益双向软开关DC/DC变换器。
背景技术
在低压分布式能源***中需要一个升压的DC/DC变换器将低压源转换为高压源进而连接负载。其首先需要将低电压升高以便来产生所需的交流市电电压，即：在实际应用中需要有较高升压比的DC/DC转换器。其次由于多数动力***中启动与制动都会有能量流动，即：能量能在变换器中双向流动。因此高增益、高效率、高功率密度的双向DC/DC变换器是多数电压变换***的需求。
部分研究学者添加额外的***电路实现了Boost软开关，但需要的二极管及谐振电容、电感较多，且其只能完成能量的单向的传输。也有学者采用谐振的方法实现软开关技术，但控制方法复杂，器件参数对***影响太大，且只能实现升压或者降压的目的。而对于既能实现能量双向传输且同时满足软开关技术的升压和降压变换器未曾发现。
发明内容
本发明提供一种基于全耦合电感的高增益双向软开关DC/DC变换器，解决现有技术中DC/DC转换***的输入与输出端不能随意调换的问题。
为了达到上述目的，本发明的技术方案如下：
一种基于全耦合电感的高增益双向软开关DC/DC变换器：包括六个开关管S1、S2、S3、S4、S5、S6，四个电感L1、L2、L3、L4，电感Ls，输入电容Cin、输出电容Cout；
所述输入电容Cin外接输入端Uin，输出电容Cout外接输出端Cout；
所述输入电容Cin的一端分别连接电感L1、电感L2，电感L1和电感L2构成耦合电感；
所述输出电容Cout的一端分别连接电感L3、电感L4，电感L3和电感L4构成耦合电感；
所述电感L1连接开关管S3，开关管S3连接开关管S5，开关管S5连接电感L3；
所述电感L2连接开关管S4，开关管S4连接开关管S6，开关管S6连接电感L4；
所述开关管S3和开关管S5之间连接开关管S2，开关管S4和开关管S6之间连接开关管S1，开关管S1和开关管S2的一端通过电感Ls相连接，开关管S2和开关管S1的另一端相连接并分别连接输入电容Cin和输出电容Cout的另一端。
与现有技术相比，本发明的有益效果如下：
本发明结构任意一端均可以作为输入端或输出端，任意一端作为输入端均可以实现升压或者降压的目的；该结构在实现双向能量流动时均可以实现软开关技术；该结构控制方法简单，控制思想与传统的Buck/Boost控制思想一样。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他实施例的附图。
图1是本发明在工作模式一时的整体电路拓扑图；
图2是本发明在工作模式一时的控制策略及主要波形图；
图3是本发明工作模式一时一个周期内工作状态图，其中，图3(a)-图3(h)分别为模式(a)-模式(h)的工作状态；
图4是本发明在工作模式二时的控制策略及主要波形图；
图5是本发明工作模式二时一个周期内工作状态图，其中，图5(a)-图5(h)分别为模式(a′)-模式(h′)的工作状态。
具体实施方式
为了便于理解本发明，下面将参照相关附图对本发明进行更全面的描述。附图中给出了本发明的较佳实施方式。但是，本发明可以以许多不同的形式来实现，并不限于本文所描述的实施方式。相反地，提供这些实施方式的目的是使对本发明的公开内容理解的更加透彻全面。
现有双向DC/DC转换***中，其输入与输出端不能随意调换，即：升压或者降压时必须特定一端作为输出，而另一端作为输出。该类DC/DC组成的能量传输***中对输入或者输出电压有一定的局限性。本发明所设计的DC/DC变换器任意一端作为输入时，都可以实现升压或者降压的目的，可完成低压向高压传输能量或者高压向低压传输能量的功能。
参见图1所示的一种基于全耦合电感的高增益双向软开关DC/DC变换器，包括六个开关管S1、S2、S3、S4、S5、S6，四个电感L1、L2、L3、L4，电感Ls，输入电容Cin、输出电容Cout；
输入电容Cin外接输入端Uin，输出电容Cout外接输出端Cout；
输入电容Cin的一端分别连接电感L1、电感L2，电感L1和电感L2构成耦合电感；
输出电容Cout的一端分别连接电感L3、电感L4，电感L3和电感L4构成耦合电感；
电感L1连接开关管S3，开关管S3连接开关管S5，开关管S5连接电感L3；
电感L2连接开关管S4，开关管S4连接开关管S6，开关管S6连接电感L4；
开关管S3和开关管S5之间连接开关管S2，开关管S4和开关管S6之间连接开关管S1，开关管S1和开关管S2的一端通过电感Ls相连接，开关管S2和开关管S1的另一端相连接并分别连接输入电容Cin和输出电容Cout的另一端。
由于其对称性，其两边均可以作为输入或者输出。
本发明电路拓扑结构的控制方法及主要波形如图2所示，T为开关管的工作周期，D为开关管PWM控制信号的占空比：D>0.5。Ii1、Ii2分别为耦合电感上L1与L2上流过的电流，Iis为流过电感Ls的电流；Ii3、Ii4分别为耦合电感上L3与L4上流过的电流；Iis1、Iis2分别为流过开关管S1与S2的电流。
如图1所示当能量从输入端Uin流向输出端Uout时，即：在工作模式一时，电源Uout由电阻负载代替，其控制策略及主要波形如图2所示，在一个周期内工作状态如图3所示，由模式(a)转换至(h)为一个工作周期。
模式a(t0<t<t1)
参见图3(a),在时间t0<t<t1时，开关管S1、S3、S4导通，此时流过开关管S1的电流Iis1按比例上升，而流过开关管S2的电流Iis2为0。流过开关管S5的电流Ii3从最大按比列逐渐减小为0。同时独立电感的电流Iis逐渐减小并实现反向流动，穿过开关管S1。由于此时开关管S2仍处于关断状态，输入电压源Uin通过电感L1向其结电容充电，因此开关管S2两端的电压vs2开始由最大值下降，并由此进入模式b。
模式b(t1<t<t2)
参见图3(b),模式b中，开关管S5体内二极管截止导通。流过开关管S1的电流Iis1逐渐增大至最大值，开关管S2的反向电流逐渐增大之最大值，与之相对应的S2两端的电压vs2降至0V时。随之进入到模式c。
模式c(t2<t<t3)
参见图3(c),在时间(t1<t<t2)时，由于开关管S2的电流反向流动经过其体内二极管，管压降为0V，因此在此期间打开开关管S2时为ZVS开启。且流过开关管S1与S2的电流、独立电感Ls的电流(Is1、Is2、Iis)均保持恒定进入到模式d。
模式d(t3<t<t4)
参见图3(d),在t3时刻开关管S1关断，结电容被充电，其两端的电压vs1从0逐渐增大之最大值，相应的电流减小至0A。流过开关管S2的电流Iis2由负值逐渐增大值至0A，开关管S6的体内二极管处于预导通状态进入模式e。
模式e(t4<t<t5)
参见图3(e),在时间t4<t<t5时，其工作状态与模式a相似。开关管S2处于导通状态，其电流Iis2从0会逐渐增大，而开关管S1的电流Iis1保持为0。且开关管S6的体内二极管处于导通状态，完成能量从输入端Uin到负载Uout，同时流过独立电感的电流Iis从负值增大至正值。电流Ii4从最大值会逐渐减小，当其减小至0时进入模式f。
模式f(t5<t<t6)
参见图3(f),在t5时刻，电流Ii4减小至0A，因此开关管S6的体内二极管截止。流过独立电感Ls的电流Iis继续增大至最大值，流过开关管S1的电流会从0A减小至负值而反向流动，同时结电容会被充电，其两端电压从最大值逐渐减小至0V，进入模式g。
模式g(t6<t<t7)
参见图3(g),在t6时刻，开关管S2的电流Iis2、独立电感的电流Iis均已达到正的最大值。而开关管S1的电流亦达到负的最大值，且其通过开关管的体内二极管，开关管S1两端的电压为0V，在此期间打开开关管S1的状态为ZVS。在t7时刻，开关管S2关断，各部分电压电流开始发生变换进入模式h。
模式h(t7<t<t8)
参见图3(h),在t7时刻，流过开关管S1的电流从负值逐渐增大，完成对电感L2的充电储能。并且在此时开关S2关断，其结电容开始被充电，相应的端电压vs2开始从0V增大之至最大值，电流Iis2开始减小。当Iis2减小至0A时，电压vs2亦增大至最大值，开关管S5体内二极管导通实现能量的传递，从而再次进入模式a开始一个新的周期。
如图1所示当能量从输出端Uout流向输入端Uin时，即：在工作模式二时，电源Uin由电阻负载代替，其控制策略及主要波形如图4所示，在一个周期内工作状态如图5所示，图5(a)-图5(h)为在模式二时，由模式(a′)转换至(h′)为的工作周期。
该双向DC/DC拓扑结构模式二与模式一相比，工作状态均由八个状态循环切换完成。开关管S1与S2的开关状态在模式一与模式二状态相同，在模式一中开关管S3与S4处于常导通状态，开关管S5与S6处于常关闭状态。而在模式二中开关管S5与S6处于常导通状态，开关管S3与S4处于常关闭状态。
以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (1)

1.一种基于全耦合电感的高增益双向软开关DC/DC变换器，其特征在于：包括六个开关管S1、S2、S3、S4、S5、S6，四个电感L1、L2、L3、L4，电感Ls，输入电容Cin、输出电容Cout；
所述输入电容Cin外接输入端Uin，输出电容Cout外接输出端Uout；
所述输入电容Cin的一端分别连接电感L1的一端、电感L2的一端，电感L1和电感L2构成耦合电感；
所述输出电容Cout的一端分别连接电感L3的一端、电感L4的一端，电感L3和电感L4构成耦合电感；
所述电感L1的另一端连接开关管S3的一端，开关管S3的另一端连接开关管S2的一端和开关管S5的一端，开关管S5的另一端连接电感L3的另一端；
所述电感L2的另一端连接开关管S4的一端，开关管S4的另一端连接开关管S1的一端和开关管S6的一端，开关管S6的另一端连接电感L4的另一端；
所述开关管S1与开关管S4连接的那一端还和所述开关管S2与开关管S3连接的那一端之间通过电感Ls相连接，开关管S1和开关管S2的另一端连接并分别连接输入电容Cin和输出电容Cout的另一端。
CN201911264567.9A 2019-12-11 2019-12-11 一种基于全耦合电感的高增益双向软开关dc/dc变换器 Active CN111082662B (zh)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN201911264567.9A CN111082662B (zh) 2019-12-11 2019-12-11 一种基于全耦合电感的高增益双向软开关dc/dc变换器

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN201911264567.9A CN111082662B (zh) 2019-12-11 2019-12-11 一种基于全耦合电感的高增益双向软开关dc/dc变换器

Publications (2)

Publication Number Publication Date
CN111082662A CN111082662A (zh) 2020-04-28
CN111082662B true CN111082662B (zh) 2022-11-08

Family

ID=70313736

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN201911264567.9A Active CN111082662B (zh) 2019-12-11 2019-12-11 一种基于全耦合电感的高增益双向软开关dc/dc变换器

Country Status (1)

Country Link
CN (1) CN111082662B (zh)

Citations (9)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US5734258A (en) * 1996-06-03 1998-03-31 General Electric Company Bidirectional buck boost converter
CN201797440U (zh) * 2010-09-17 2011-04-13 浙江大学 一种耦合电感实现隔离型双向直流-直流变换器
CN203942447U (zh) * 2014-07-02 2014-11-12 三峡大学 一种zvt交错并联高增益式dc/dc变换器
CN105119486A (zh) * 2015-09-23 2015-12-02 三峡大学 一种低电压应力双向dc/dc变换器
CN106100333A (zh) * 2016-06-21 2016-11-09 国海峰 大功率软开关双向dc‑dc变换器电路
CN106329914A (zh) * 2015-06-15 2017-01-11 伊顿公司 一种交错并联dc-dc变换器及其控制方法
CN107517003A (zh) * 2017-08-31 2017-12-26 江苏大学 一种输出浮地输入并联高增益Boost变换电路及切换方法
CN108365746A (zh) * 2018-03-15 2018-08-03 山东大学 一种基于耦合电感的高增益双向四相dc-dc变换器及控制方法
CN110086340A (zh) * 2019-04-30 2019-08-02 福州大学 一种新型耦合电感双向大变比dc-dc变换器

Family Cites Families (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US9705411B2 (en) * 2015-12-08 2017-07-11 Delta Electronics, Inc. Soft-switched bidirectional buck-boost converters
JP6665821B2 (ja) * 2017-03-30 2020-03-13 オムロン株式会社 双方向ｄｃ−ｄｃコンバータ

Patent Citations (9)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US5734258A (en) * 1996-06-03 1998-03-31 General Electric Company Bidirectional buck boost converter
CN201797440U (zh) * 2010-09-17 2011-04-13 浙江大学 一种耦合电感实现隔离型双向直流-直流变换器
CN203942447U (zh) * 2014-07-02 2014-11-12 三峡大学 一种zvt交错并联高增益式dc/dc变换器
CN106329914A (zh) * 2015-06-15 2017-01-11 伊顿公司 一种交错并联dc-dc变换器及其控制方法
CN105119486A (zh) * 2015-09-23 2015-12-02 三峡大学 一种低电压应力双向dc/dc变换器
CN106100333A (zh) * 2016-06-21 2016-11-09 国海峰 大功率软开关双向dc‑dc变换器电路
CN107517003A (zh) * 2017-08-31 2017-12-26 江苏大学 一种输出浮地输入并联高增益Boost变换电路及切换方法
CN108365746A (zh) * 2018-03-15 2018-08-03 山东大学 一种基于耦合电感的高增益双向四相dc-dc变换器及控制方法
CN110086340A (zh) * 2019-04-30 2019-08-02 福州大学 一种新型耦合电感双向大变比dc-dc变换器

Non-Patent Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
A New Coupled-Inductor Structure for Interleaving Bidirectional DC-DC Converters;Yugang Yang等;《IEEE JOURNAL OF EMERGING AND SELECTED TOPICS IN POWER ELECTRONICS》;20150228;第3卷(第3期);第841-849页 *
Nonisolated Bidirectional DC-DC Converters With Negative-Coupled Inductor;Hongfei Wu等;《IEEE TRANSACIONS ON POWER ELECTRONICS》;20120531;第27卷(第5期);第2231-2235页 *
星载双向耦合电感型升降压变换器研究;杨双景等;《航天器工程》;20180430;第27卷(第2期);第74-80页 *

Also Published As

Publication number Publication date
CN111082662A (zh) 2020-04-28

Similar Documents

Publication Publication Date Title
CN106936319B (zh) 一种隔离型三端口双向dc-dc变换器
CN110190751B (zh) 一种恒增益双向dc-dc谐振变换器及其控制方法
TWI596880B (zh) 準諧振半橋轉換器及其控制方法
CN105356734A (zh) 一种基于COT控制含纹波补偿的Buck电路电源管理芯片
TWI672898B (zh) 雙向ｄｃ－ｄｃ轉換器
CN111064369A (zh) 开关电源电路
WO2017012328A1 (zh) 一种单级功率因数校正的移相全桥拓扑电路
CN108988634B (zh) 一种三相交错式双向大变比dcdc变换器及其控制方法
CN105703627A (zh) 副边单绕组自复位正激变换电路的设计方法
CN103647448B (zh) 集成降压-反激式高功率因数恒流电路及装置
CN104009645A (zh) 一种串并联混合式双输出llc谐振变换器
CN107919797A (zh) 燃料电池用宽输入范围交错并联型高效升压直流变换器
CN203617902U (zh) 集成降压-反激式高功率因数恒流电路及装置
CN105680699A (zh) 适用于新能源直流并网的高效直流变换器及其控制方法
CN211701861U (zh) 开关电源电路
CN109194143A (zh) 一种数字开关电源中远程开关信号的隔离检测线路
CN111181411B (zh) 变/定母线电压超宽增益范围双向dc/dc变换器
CN116169875B (zh) 一种三绕组高电压变比的双向dc-dc变换器
CN205847090U (zh) 一种混合型准开关升压dc‑dc变换器
CN109818494B (zh) 一种高增益电压型准y源直流-直流变换器
CN111082662B (zh) 一种基于全耦合电感的高增益双向软开关dc/dc变换器
CN110829841A (zh) 一种多端口变换器以及多端口变换器的控制***
EP2680418B1 (en) A common-core power factor correction resonant converter
CN111987913B (zh) 可实现有源功率解耦的准单级ac/dc变换器电路
CN211266788U (zh) 一种开关电源电路

Legal Events

Date Code Title Description
PB01 Publication
PB01 Publication
SE01 Entry into force of request for substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination
GR01 Patent grant
GR01 Patent grant