CN111786553A - 一种高效双向四管buck-boost变换器 - Google Patents

一种高效双向四管buck-boost变换器 Download PDF

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Abstract

本发明公开一种高效双向四管BUCK‑BOOST变换器，包括第一电感、第一开关管、第二开关管、第三开关管、第四开关管、第一二极管、第二二极管、第三二极管、第四二极管，还包括与第一开关管并联的第一继电器；还包括与第二开关管并联的第二继电器。与现有技术比较，本发明具有以下优点：在本发明高效双向四管BUCK‑BOOST变换器中，对于有导通需求的半导体器件，如开关管或二极管，在其两端并联相应的继电器，当需要导通半导体器件时，可吸合相应继电器，由于继电器吸合后其两端的阻抗变小，因此提高了该高效双向四管BUCK‑BOOST变换器的效率，且本发明使用的器件较少，成本低且电路结构简单。

Description

一种高效双向四管BUCK-BOOST变换器
技术领域
本发明为电力电子技术领域，具体涉及一种高效双向四管BUCK-BOOST变换器。
背景技术
伴随着电力电子技术在社会生产中的广泛应用，社会发展对电力电子产品或者装置功率密度、效率的要求进一步提高，通常认为，提高电能转换效率的方案大致分为以下两种：1.采用损耗更低的功率半导体器件，例如，低导通电阻的MOSFET/IGBT管、低损耗的磁芯等；2.采用软开关技术，例如，移向全桥、LLC等谐振技术。但是，方案1的引入导致成本增加，方案2的引入造成成本增加、变换器结构复杂及可靠性降低等不利因素。
发明内容
为解决上述成本高、效率低、结构复杂的缺陷等技术问题，本发明提供一种高效双向四管BUCK-BOOST变换器，包括第一电感、第一开关管、第二开关管、第三开关管、第四开关管、第一二极管、第二二极管、第三二极管、第四二极管，所述高效双向四管BUCK-BOOST变换器的输入电压的正端分别连接所述第一开关管的第一端以及第一二极管的第一端，所述高效双向四管BUCK-BOOST变换器的输出电压的正端分别连接第二开关管的第一端以及第二二极管的第一端，所述高效双向四管BUCK-BOOST变换器的输入电压的负端分别连接第三开关管的第二端及第三二极管的第二端，所述高效双向四管BUCK-BOOST变换器的输出电压的负端分别连接第四开关管的第二端及第四二极管的第二端；所述第一电感的第一端分别连接第一开关管的第二端、第一二极管的第二端、第三开关管的第一端和第三二极管的第一端；所述第一电感的第二端分别连接第二开关管的第二端、第二二极管的第二端、第四开关管的第一端和第四二极管的第一端；还包括与第一开关管并联，且用于在所述第一开关管或所述第一二极管导通情况下，对其进行旁路的第一继电器；还包括与第二开关管并联，且用于在所述第二开关管或所述第二二极管导通情况下，对其进行旁路的第二继电器。第一继电器和所述第二继电器分别在零电压工况下动作。
作为上述一种优选方式，本发明还包括第一电容和第二电容，所述第一电容分别连接在所述高效双向四管BUCK-BOOST变换器的输入电压的正端和负端之间；所述第二电容分别连接在所述高效双向四管BUCK-BOOST变换器的输出电压的正端和负端之间。
第一开关管、第二开关管、第三开关管和第四开关管为MOSFET管或IGBT管，或其他可控半导体器件。
与现有技术比较，本发明具有以下优点：在本发明高效双向四管BUCK-BOOST变换器中，对于有导通需求的半导体器件，如开关管或二极管，在其两端并联相应的继电器，当需要导通半导体器件时，可吸合相应继电器，由于继电器吸合后其两端的阻抗变小，因此提高了该高效双向四管BUCK-BOOST变换器的效率，且本发明使用的器件较少，成本低且电路结构简单。
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的附图；
图1为本发明高效双向四管BUCK-BOOST变换器实施例电路图；
图2为本发明高效双向四管BUCK-BOOST变换器实施例工作在正向BUCK模式下第一开关管导通模式的电路图；
图3为是本发明高效双向四管BUCK-BOOST变换器实施例工作在正向BUCK模式之第一开关管断开模式的电路图；
图4是本发明高效双向四管BUCK-BOOST变换器实施例工作在正向BOOST模式之第四开关管导通模式的电路图；
图5是本发明高效双向四管BUCK-BOOST变换器实施例工作在正向BOOST模式之第四开关管断开模式的电路图；
图6是本发明高效双向四管BUCK-BOOST变换器实施例工作在反向BUCK模式之第二开关管导通模式的电路图；
图7是本发明高效双向四管BUCK-BOOST变换器实施例工作在反向BUCK模式之第二开关管断开模式的电路图；
图8是本发明高效双向四管BUCK-BOOST变换器实施例工作在反向BOOST模式之第三开关管导通模式的电路图；
图9是本发明高效双向四管BUCK-BOOST变换器实施例工作在反向BOOST模式之第三开关管断开模式的电路图；
附图标记：Q1-第一开关管；Q2-第二开关管；Q3-第三开关管；Q4-第四开关管；D1-第一二极管；D2-第二二极管；D3-第三二极管；D4-第四二极管；L1-第一电感；C1-第一电容；C2第二电容。
具体实施方式
为了使本领域技术人员更好地理解本发明，从而对本发明要求保护的范围作出更清楚地限定，下面就本发明的某些具体实施例对本发明进行详细描述。需要说明的是，以下仅是本发明构思的某些具体实施方式仅是本发明的一部分实施例，其中对于相关结构的具体的直接的描述仅是为方便理解本发明，各具体特征并不当然、直接地限定本发明的实施范围。
参阅附图所示，本发明采用以下技术方案，如图1所示，高效双向四管BUCK-BOOST变换器用于对Vin进行降压或升压转换，转换后的电压为Vo，亦可对Vo进行降压或升压转换，转换后的电压为Vin。本实施例的高效双向四管BUCK-BOOST变换器，包括第一电感L1、第一开关管Q1、第二开关管Q2、第三开关管Q3、第四开关管Q4、第一二极管D1、第二二极管D2、第三二极管D3、第四二极管D4，所述高效双向四管BUCK-BOOST变换器的输入电压的正端分别连接所述第一开关管Q1的漏极以及第一二极管D1的阴极，所述高效双向四管BUCK-BOOST变换器的输出电压的正端分别连接第二开关管Q2的漏极以及第二二极管D2的阴极，所述高效双向四管BUCK-BOOST变换器的输入电压的负端分别连接第三开关管Q3的源极及第三二极管D3的阳极，所述高效双向四管BUCK-BOOST变换器的输出电压的负端分别连接第四开关管Q4的源极及第四二极管D4的阳极；所述第一电感L1的第一端分别连接第一开关管Q1的源极、第一二极管D1的阳极、第三开关管Q3的漏极和第三二极管D3的阴极；所述第一电感L1的第二端分别连接第二开关管Q2的源极、第二二极管D2的阳极、第四开关管Q4的漏极和第四二极管D4的阴极；还包括与第一开关管Q1并联，且用于在所述第一开关管Q1或所述第一二极管D1导通情况下，对第一开关管Q1(或第一二极管D1)进行旁路的第一继电器S1；还包括与第二开关管Q2并联，且用于在所述第二开关管Q2或所述第二二极管D2导通情况下，对第二开关管Q2(或第二二极管D2)进行旁路的第二继电器S2。第一继电器S1和所述第二继电器S2分别在零电压工况下动作。
本发明还包括第一电容C1和第二电容C2，所述第一电容C1分别连接在所述高效双向四管BUCK-BOOST变换器的输入电压的正端和负端之间；所述第二电容C2分别连接在所述高效双向四管BUCK-BOOST变换器的输出电压的正端和负端之间。
下面对本发明的工作模式进行介绍：
一、当所述高效双向四管BUCK-BOOST变换器工作在正向BUCK模式时，第四开关管Q4及第一继电器S1断开，第一开关管Q1实现PWM调制，第三二极管D3实现续流，第二二极管D2有导通需求，此时使用第二继电器S2对第二二极管D2进行旁路：
如图2所示，当第一开关管Q1导通时，电流从输入电压的正端依次通过第一开关管Q1、第一电感L1、第二继电器S2、后级等效负载(与输出电压相连)流向输入电压的负端，电流方向如图中箭头所示。
如图3所示，当第一开关管Q1关断时，第一电感L1上的电流从其第二端依次通过第二继电器S2、后级等效负载及第三二极管D3流向第一电感L1的第一端，电流方向如图中箭头所示。
二、当所述高效双向四管BUCK-BOOST变换器工作在正向BOOST模式时，第三二极管D3和第二继电器S2断开，第四开关管Q4实现PWM调制，第二二极管D2实现续流，第一开关管Q1有导通需求，此时使用第一继电器S1对第一开关管Q1进行旁路：
如图4所示，当第四开关管Q4导通时，电流从输入电压的正端依次通过第一继电器S1、第一电感L1、第四开关管Q4流向输入电压的负端，电流方向如图中箭头所示。
如图5所示，当第四开关管Q4断开时，第一电感L1上的电流从其第二端依次通过第二二极管D2、后级等效负载及第一继电器S1流向第一电感L1的第一端，电流方向如图中箭头所示。
三、当该高效双向四管BUCK-BOOST变换器工作在反向BUCK模式时，第三开关管Q3及第二继电器S2断开，第二开关管Q2实现PWM调制，第四二极管D4实现续流，第一二极管D1有导通需求，此时使用第一继电器S1对第一二极管D1进行旁路：
如图6所示：当第二开关管Q2导通时，电流从输出电压的正端依次通过第二开关管Q2、第一电感L1、第一继电器S1流向输入电压的正端，电流方向如图中箭头所示。
如图7所示：当第二开关管Q2关断时，第一电感L1上的电流从其第一端依次通过第一继电器S1、输入电源及第四二极管D4流向第一电感L1的第二端，电流方向如图中箭头所示。
四、当所述高效双向四管BUCK-BOOST变换器工作在反向BOOST模式时，第四二极管D4和第一继电器S1断开，第三开关管Q3实现PWM调制，第一二极管D1实现续流，第二开关管Q2有导通需求，此时使用第二继电器S2对第二开关管Q2进行旁路。
如图8所示，当第三开关管Q3导通时，电流从输出电压的正端依次通过第二继电器S2、第一电感L1、第三开关管Q3流向输出电压的负端，电流方向如图中箭头所示。
如图9所示，当第三开关管Q3断开时，第一电感L1上的电流从其第一端依次通过第一二极管D1、输入电源及第二继电器S2流向第一电感L1的第二端，电流方向如图中箭头所示。
在本发明高效双向四管BUCK-BOOST变换器中，对于有导通需求的半导体器件，如开关管或二极管，在其两端并联相应的继电器，当需要导通半导体器件时，可吸合相应继电器，由于继电器吸合后其两端的阻抗变小，因此提高了该高效双向四BUCK-BOOS变换器的效率，而且，本发明使用的器件较少，成本低且电路结构简单。此外，需要说明的是，继电器吸合后触点阻抗越低，变换器效率越高。
值得一提的是，由于继电器在高电压或大电流的情况下分合，有可能发生触点粘连，因此，第一继电器S1、第二继电器S2分别在零电压工况下动作，即第一继电器S1、第二继电器S2分别旁路的半导体器件导通后，相应继电器触点两端电压近似为0的情况下，吸合相应继电器，这样可保证继电器的可靠性，从而提高继电器的使用寿命。
如图2、3所示，在吸合第二继电器S2时，要保证先开启第二开关管Q2，因为：当第二开关管Q2，开启后，第二继电器S2两端的电压差几乎为零，即第二二极管D2的电压可忽略不计，此时再吸合第二继电器S2。在关断第二继电器S2时，要保证第二开关管Q2晚于第二继电器S2关断。
同样地，如图4、5所示，在吸合第一继电器S1时，要保证先开启第一开关管Q1，在关断第一继电器S1时，要保证第一开关管Q1晚于第一继电器S1关断。
同样地，如图6、7所示，在吸合第一继电器S1时，要保证先开启第一开关管Q1，因为：当第一开关管Q1开启后，第一继电器S1两端的电压差几乎为零，即第一二极管D1的电压可忽略不计，此时再吸合第一继电器S1。在关断第一继电器S1时，要保证第一开关管Q1晚于第一继电器S1关断。
同样地，如图8、9所示，在吸合第二继电器S2时，要保证先开启第二开关管Q2；在关断第二继电器S2时，要保证第二开关管Q2晚于第二继电器S2关断。
上述第一开关管Q1、第二开关管Q2、第三开关管Q3和第四开关管Q4为MOSFET管或IGBT管，或其他可控半导体器件。
上述说明并非是对本发明的限制，本发明也并不仅限于上述举例，本技术领域的技术人员在本发明的实质范围内所做出的变化、改型、添加或替换，也应属于本发明的保护范围。

Claims (4)

1.一种高效双向四管BUCK-BOOST变换器，包括第一电感、第一开关管、第二开关管、第三开关管、第四开关管、第一二极管、第二二极管、第三二极管、第四二极管，所述高效双向四管BUCK-BOOST变换器的输入电压的正端分别连接所述第一开关管的第一端以及第一二极管的第一端，所述高效双向四管BUCK-BOOST变换器的输出电压的正端分别连接第二开关管的第一端以及第二二极管的第一端，所述高效双向四管BUCK-BOOST变换器的输入电压的负端分别连接第三开关管的第二端及第三二极管的第二端，所述高效双向四管BUCK-BOOST变换器的输出电压的负端分别连接第四开关管的第二端及第四二极管的第二端；所述第一电感的第一端分别连接第一开关管的第二端、第一二极管的第二端、第三开关管的第一端和第三二极管的第一端；所述第一电感的第二端分别连接第二开关管的第二端、第二二极管的第二端、第四开关管的第一端和第四二极管的第一端；
其特征在于：还包括与第一开关管并联，且用于在所述第一开关管或所述第一二极管导通情况下，对其进行旁路的第一继电器；
还包括与第二开关管并联，且用于在所述第二开关管或所述第二二极管导通情况下，对其进行旁路的第二继电器。
2.根据权利要求1所述的高效双向四管BUCK-BOOST变换器，其特征在于：所述第一继电器和所述第二继电器分别在零电压工况下动作。
3.根据权利要求1或2所述的高效双向四管BUCK-BOOST变换器，其特征在于：还包括第一电容和第二电容，所述第一电容分别连接在所述高效双向四管BUCK-BOOST变换器的输入电压的正端和负端之间；所述第二电容分别连接在所述高效双向四管BUCK-BOOST变换器的输出电压的正端和负端之间。
4.根据权利要求1所述的高效双向四管BUCK-BOOST变换器，其特征在于：所述第一开关管、第二开关管、第三开关管和第四开关管为MOSFET管或IGBT管。
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