CN115276401A - 一种非隔离型部分功率双向直流变换器 - Google Patents

一种非隔离型部分功率双向直流变换器 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种非隔离型部分功率双向直流变换器，其包括：全功率半桥双向直流‑直流变换器、功率直通通路；全功率半桥双向直流‑直流变换器包括：输入端、输入端电容、输出端、输出端电容、电感、第一开关管、第二开关管；功率直通通路包括：第一电源、第二电源。本发明的一部分功率从电源经非隔离型部分功率双向直流变换器传送到负载端，另一部分功率经直通通路输送到负载端而无需变换器进行处理，不仅提高了能量转换效率，而且具有能量密度高、设计简单、体积小、重量轻、电磁干扰少等突出优点，可用于光伏、燃料电池、超级电容储能等多种双向能量管理场合。

Description

一种非隔离型部分功率双向直流变换器
技术领域
本发明属于直流电流变换器领域，特别涉及一种非隔离型部分功率双向直流变换器。
背景技术
随着大量直流电源和直流负载的出现以及直流配电技术的成熟，直流微网***应运而生，由于分布式能源、电池储能***以及燃料电池等负载不能直接连到直流微电网，需要通过直流-直流变换器连接至直流母线，所以对双向直流-直流变换器的研究一直是目前的重要问题。
早前已有学者提出用双向Buck/Boost变换器代替蓄电池充电器和放电器，然后在双向直流变换器(BDC)研究领域也产生了诸多成果，非隔离型双向直流变换器有双向Buck/Boost变换器、双向Buck-Boost变换器、双向Cuk变换器和双向Zeta-Sepic变换器。后来有基于双向桥式的新型谐振式BDC、开关零电压双向半桥型BDC、具有耦合电感的高增益双向直流直流变换器等。这些双向变换器都是采用全功率能量处理电路，也即在电能变换过程中，所有的功率都必须由功率级电路进行传送和转化，因此，电路中功率器件和有源器件效率问题成为电源发展的瓶颈问题。
发明内容
本发明的目的在于提供一种非隔离型部分功率双向直流变换器，以解决分布式能源、电池储能***以及燃料电池等负载不能直接连到直流微电网且电路中功率器件和有源器件功率的问题。
为了解决上述的问题，本发明提供如下的技术方案：
一种非隔离型部分功率双向直流变换器，其特征在于，包括：全功率半桥双向直流-直流变换器、功率直通通路；
所述全功率半桥双向直流-直流变换器包括：输入端、输入端电容、输出端、输出端电容、电感、第一开关管、第二开关管；
所述全功率半桥双向直流-直流变换器包括：输入端、输入端电容、输出端、输出端电容、电感、第一开关管、第二开关管；
所述功率直通通路包括：第一电源、第二电源；
所述输入端电容第一端连接所述电感的第一端，所述电感的第二端连接所述第一开关管的漏极和所述第二开关管的源极，所述第二开关管的漏极连接所述输出端电容的第一端，所述输出端电容的第二端连接所述第一开关管的源极，所述第一开关管的源极连接所述输入电容的第二端，所述输入端正端连接所述输入端电容的第一端，所述输入端负端连接所述输入端电容的第二端，所述输出端负端接地；
所述第一电源的正端连接所述输出端的正端，所述第一电源的负端连接所述输入端的正端，第一电源的正端连接第二电源的正端，第二电源的负端连接所述输入端的负端，第二电源的负端接地；
所述输出端电容的第一端连接所述第二开关管的漏极，所述输出端电容的第二端连接所述第一开关管的源极。
进一步地，所述非隔离型部分功率双向直流变换器实现电流之间的双向流动。
进一步地，所述全功率半桥双向直流-直流变换器的工作模式包括：正向传输模式和反向传输模式；所述非隔离型部分功率双向直流变换器的工作模式包括：正向传输模式和反向传输模式。
进一步地，当所述全功率半桥双向直流-直流变换器处于反向传输模式时，所述非隔离型部分功率双向直流变换器处于反向传输模式；当所述全功率半桥双向直流-直流变换器处于正向传输模式时，所述非隔离型部分功率双向直流变换器处于正向传输模式。
进一步地，当所述非隔离型部分功率双向直流变换器处于反向传输模式，实现对输入电压的升压；述非隔离型部分功率双向直流变换器处于正向传输模式，实现对输入电压的降压。
进一步地，所述非隔离型部分功率双向直流变换器的正向传输模式和反向传输模式分别有两种工作模式，分别是工作模式1和工作模式2。
进一步地，所述工作模式1和所述工作模式2为一个周期。
进一步地，所述非隔离型部分功率双向直流变换器通过检测电感电流平均值的极性来判断其工作方式。
进一步地，所述非隔离型部分功率双向直流变换器设有两个功率开关且功率开关互补导通。
进一步地，所述非隔离型部分功率双向直流变换器的反向传输模式、正向传输模式是在电压反馈控制下调制。
本发明提供的非隔离型部分功率双向直流变换器，其有益效果包括：
(1)可用于直流微网中光伏、燃料电池与直流母线之间电能的双向流动；
(2)因为去掉了功率变压器，***效率、功率密度、自动化生产工序都有相应提高。该变换器由功率直通通路和半桥双向变换器构成，其中直通通路功率转换效率为100％，从整体上提高了整个变换器***的效率。
附图说明
利用附图对本发明作进一步说明，但附图中的实施例不构成对本发明的任何限制，对于本领域的普通技术人员，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据以下附图获得其它的附图。
图1是本发明非隔离型部分功率双向直流变换器的结构示意图；
图2是非隔离型部分功率双向直流变换器反向传输模式的结构图。
图3是非隔离型部分功率双向直流变换器正向传输模式的结构图。
图4是非隔离型部分功率双向直流变换器反向传输模式拓扑结构
图5是非隔离型部分功率双向直流变换器反向传输模式一个周期内的工作模态1。
图6是非隔离型部分功率双向直流变换器反向传输模式一个周期内的工作模态2。
图7是非隔离型部分功率双向直流-变换器正向传输模式拓扑结构。
图8是非隔离型部分功率双向直流变换器正向传输模式一个周期内的工作模态1。
图9是非隔离型部分功率双向直流变换器正向传输模式一个周期内的工作模态2。
图10是非隔离型部分功率双向直流变换器反向传输模式不同工作模式下的波形示意图。
图11是非隔离型部分功率双向直流变换器正向传输模式不同工作模式下的波形示意图。
图12是非隔离型部分功率双向直流变换器的控制框图。
图13是非隔离型部分功率双向直流变换器处于反向传输模式时，在电压反馈控制调制下的原理图。
图14是非隔离型部分功率双向直流变换器处于正向传输模式时，在电压反馈控制调制下的原理图。
图15是非隔离型部分功率双向直流变换器处于反向传输模式时的仿真波形。
图16是非隔离型部分功率双向直流变换器处于反向传输模式时的实验波形。
图17是非隔离型部分功率双向直流变换器处于正向传输模式时的仿真波形。
图18是非隔离型部分功率双向直流变换器处于正向传输模式时的实验波形。
图19是非隔离型部分功率双向直流变换器处于反向传输模式时在0.03s时负载从8Ω跳变至4Ω时的仿真波形。
图20是非隔离型部分功率双向直流变换器处于反向传输模式时负载从8Ω跳变至4Ω时的实验波形。
图21是非隔离型部分功率双向直流变换器处于正向传输模式时在0.03s时负载从8Ω跳变至4Ω时的暂态波形。
图22是非隔离型部分功率双向直流变换器处于正向传输模式时负载从8Ω跳变至4Ω时的实验波形。
具体实施方式
下面对本发明的实施例作详细说明，下述的实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。
实施例
本发明实施例提供的非隔离型部分功率双向直流电流变换器，参见图1，其为该非隔离型部分功率双向直流电流变换器的结构示意图，UP、US分别为第一电源和第二电源，SH、SL分别为第一开关管和第二开关管，CH、CL分别为输入端电容和输出端电容。
一种非隔离型部分功率双向直流电流变换器，包括：第一电源、第二电源、输入侧、输入侧电容、电感、第一开关管、第二开关管、输出侧、输出侧电容。
其中，第一电源的正端连接第二电源的正端，第一电源的正端连接输出侧的正端，第二电源的负端接地，第二电源的负端连接输入侧的负端，输入侧的正端连接电感第一端。
输入侧的正端连接输入侧电容第一端，输入侧的负端连接输入侧电容第二端，电感第二端连接第一开关管的漏极，电感第二端连接第二开关管的源极。
第二开关管的漏极连接输出侧电容第一端，第一开关管的源极连接输出侧电容的第二段，输出侧正端连接输出侧电容的第一端，输出侧负端连接输出侧电容第二端，输出侧负端接地。
设电感L工作在电流连续模式，且功率开关SH、SL互补导通，当UP为电源时，电感电流iL＞0，一部分功率经直流通路直接供给负载US，一部分功率经半桥变换器转换给负载US，此时的全功率半桥双向直流-直流变换器处于反向传输模式，则部分功率变换器处于反向传输模式且实现对输入电压的升压；当US为电源时，电感电流iL＜0，一部分功率经直流通路直接供给负载UP，一部分功率经全功率半桥变换器转换给负载UP，此时的全功率半桥双向直流-直流变换器处于正向传输模式，则部分功率变换器处于正向传输模式，实现对输入电压的降压。
图2、图3是非隔离型部分功率双向直流变换器反向传输模式和正向传输模式的结构图，iP为第一电源和全功率半桥双向直流-直流变换器之间的电流，iS为第二电源和全功率半桥双向直流-直流变换器之间的电流，iA为功率直通通路流向全功率半桥双向直流-直流变换器的电流，ηc是全功率半桥双向直流-直流变换器的能量转换效率，η是第一电源和第二电源之间的转换效率。
在反向传输模式时，UP为输入电压，将PPC(非隔离型部分功率双向直流变换器)的负载用RS进行等效，则负载两端电压为US，具体拓扑结构如图4所示，其中iL为电感电流，UL为电容CL两端电压，RH为负载电阻。
一个周期内分为两个工作模式：
工作模式1：在t0时刻，SH关断，SL导通，此时UP一部分电流直接流向RS，另一部分电流经电感L流向电阻RH，电感电流iL反向流动且逐渐下，具体拓扑和工作波形分别如图5和图10中黄色阴影部分，其中UH为电阻RH两端的电压。
工作模式2：在t1时刻，SH导通，SL关断，此时UP一部分电流直接流向RS，另一部分电流经CL流向地，电感电流iL流向电阻RH并逐渐上升，具体拓扑和工作波形如图6和图10中蓝色阴影部分。
电感电流连续和断续的临界条件为：
Figure BDA0003732182210000051
其中LC1是反向传输模式电感值，d1是反向传输模式的控制波占空比，f1是反向传输模式电路工作频率。
全功率半桥双向直流-直流变换器处于降压模式，其电压增益为：
Figure BDA0003732182210000052
则非隔离型部分功率双向直流变换器处于升压模式，电压增益为：
Figure BDA0003732182210000053
在正向传输模式时，Us是为输入电压，将PPC(非隔离型部分功率双向直流变换器)的负载用RP进行等效，则负载两端电压为UP，具体拓扑结构如图7所示，其中RL为负载电阻，UL为电阻RL两端电压。
一个周期内分为两个工作模式：
工作模式1：在t0时刻，SH关断，SL导通，此时Us一部分电流直接流向RP，另一部分电流流向电感L，电感电流iL正向流动且逐渐下降，具体拓扑和工作波形分别如图8和图11中黄色阴影部分。
工作模式2：在t1时刻，SH导通，SL关断，此时US一部分电流直接流向RP，另一部分电流经L流向负载RL且逐渐上升，具体拓扑和工作波形分别如图9和图11中蓝色阴影部分。
电感电流连续和断续的临界条件为：
Figure BDA0003732182210000054
其中LC2是正向传输模式电感值，d2是正向传输模式的控制波占空比，f2是正向传输模式电路工作频率。
全功率半桥双向直流-直流变换器处于升压模式，其电压增益为：
Figure BDA0003732182210000061
则非隔离型部分功率双向直流变换器处于降压模式，电压增益为：
Figure BDA0003732182210000062
图12给出了本发明实施例的非隔离型部分功率双向直流变换器具体控制框图。该变换器通过检测电感电流平均值IL的极性来判断其工作方式，若IL小于零，则***运行于反向传输的升压模式，Enable信号为0，UH与Uref的差值经PI调节器后与锯齿波进行比较，即可得到PWM信号PWMH与PWML，由于反向传输模式时SH为主开关管，因此主信号PWMH驱动SH；若IL大于零，则***运行于正向传输的降压模式，Enable信号为1，由于正向传输模式时SL为主开关管，因此主信号PWMH驱动SL。
图13、14是非隔离型部分功率双向直流变换器处于反向传输模式、正向传输模式时，在电压反馈控制调制下的原理图。
在设计中，为确保非隔离型部分功率双向直流变换器在两种工作模式时都处于电感电流连续状态，需要L＞LC1和L＞LC2同时满足，也即L＞max(LC1，LC2)。
下表是仿真的电路参数：
Figure BDA0003732182210000063
PPC分别处于反向传输模式和正向传输模式时，电感的临界值分别为：LC1＝53μH，LC1＝19.08μH，则当L＝0.48mH时，电感电流时连续的。在满负载的时候，半桥DC-DC变换器工作于反向、正向传输模式的实际输出功率分别为***额定功率的35％和85％，因此PPC的成本低、体积小。
图15-22是利用仿真波形与实验波形，可见，仿真、实验结果与理论分析完全一致。
本发明上述实施例的一部分功率从电源经非隔离型部分功率双向直流变换器传送到负载端，另一部分功率经直通通路输送到负载端而无需变换器进行处理，不仅提高了能量转换效率，而且具有能量密度高、设计简单、体积小、重量轻、电磁干扰少等突出优点，可用于光伏、燃料电池、超级电容储能等多种双向能量管理场合。
综上所述：本发明实施例通过将全功率半桥双向直流-直流变换器与直通通路并联的方式，两个开关管互补导通，可以实现第一电源和第二电源在供电和负载之间相互转换，能量转换率大大提高。
以上详细描述了本发明的较佳具体实施例。应当理解，本领域的普通技术无需创造性劳动就可以根据本发明的构思作出诸多修改和变化。因此，凡本技术领域中技术人员依本发明的构思在现有技术的基础上通过逻辑分析、推理或者有限的试验可以得到的技术方案，皆应在由权利要求书所确定的保护范围内。

Claims (10)

1.一种非隔离型部分功率双向直流变换器，其特征在于，包括：全功率半桥双向直流-直流变换器、功率直通通路；
所述全功率半桥双向直流-直流变换器包括：输入端、输入端电容、输出端、输出端电容、电感、第一开关管、第二开关管；
所述功率直通通路包括：第一电源、第二电源；
所述输入端电容第一端连接所述电感的第一端，所述电感的第二端连接所述第一开关管的漏极和所述第二开关管的源极，所述第二开关管的漏极连接所述输出端电容的第一端，所述输出端电容的第二端连接所述第一开关管的源极，所述第一开关管的源极连接所述输入电容的第二端，所述输入端正端连接所述输入端电容的第一端，所述输入端负端连接所述输入端电容的第二端，所述输出端负端接地；
所述第一电源的正端连接所述输出端的正端，所述第一电源的负端连接所述输入端的正端，第一电源的正端连接第二电源的正端，第二电源的负端连接所述输入端的负端，第二电源的负端接地；
所述输出端电容的第一端连接所述第二开关管的漏极，所述输出端电容的第二端连接所述第一开关管的源极。
2.根据权利要求1所述非隔离型部分功率双向直流变换器，其特征在于，所述非隔离型部分功率双向直流变换器用于实现电流之间的双向流动。
3.根据权利要求1所述非隔离型部分功率双向直流变换器，其特征在于，所述全功率半桥双向直流-直流变换器的工作模式包括：正向传输模式和反向传输模式；所述非隔离型部分功率双向直流变换器的工作模式包括：正向传输模式和反向传输模式。
4.根据权利要求3所述非隔离型部分功率双向直流变换器，其特征在于，当所述全功率半桥双向直流-直流变换器处于反向传输模式时，所述非隔离型部分功率双向直流变换器处于反向传输模式；当所述全功率半桥双向直流-直流变换器处于正向传输模式时，所述非隔离型部分功率双向直流变换器处于正向传输模式。
5.根据权利要求4所述非隔离型部分功率双向直流变换器，其特征在于，当所述非隔离型部分功率双向直流变换器处于反向传输模式，实现对输入电压的升压；所述非隔离型部分功率双向直流变换器处于正向传输模式，实现对输入电压的降压。
6.根据权利要求3所述的非隔离型部分功率双向直流变换器，其特征在于，所述非隔离型部分功率双向直流变换器的正向传输模式和反向传输模式分别有两种工作模式，分别是工作模式1和工作模式2。
7.根据权利要求6所述的非隔离型部分功率双向直流变换器，其特征在于，所述工作模式1和所述工作模式2为一个周期。
8.根据权利要求1所述的非隔离型部分功率双向直流变换器，其特征在于，所述非隔离型部分功率双向直流变换器通过检测电感电流平均值的极性来判断其工作方式。
9.根据权利要求1所述的非隔离型部分功率双向直流变换器，其特征在于，所述非隔离型部分功率双向直流变换器设有两个功率开关且功率开关互补导通。
10.根据权利要求5所述的非隔离型部分功率双向直流变换器，其特征在于，所述非隔离型部分功率双向直流变换器的反向传输模式、正向传输模式是在电压反馈控制下调制。
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