CN203368327U - 一种级联双向dc-dc变换器 - Google Patents
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Abstract
本申请提供了一种级联双向DC-DC变换器，包括依次连接的第一级双向DC-DC电路、储能滤波单元、第二级双向DC-DC电路，第一级双向DC-DC电路包括两个相同的、并联连接的双向三电平模块，第一级采用两个相同的双向三电平模块模块并联，第二级采用双向三电平模块，这两级均可以实现升降压，两级电路升降压比相乘，级联电路总升降压比可达10倍以上，解决了传统非隔离型双向DC-DC变换器升降压比小的劣势，并且无需采用隔离变压器就可实现较高的升降压比；并且，第一级采用两个相同的双向三电平模块并联，每一路只承受一半的输入电流，有益于降低开关管输入电流应力，利于开关管的选型。
Description
技术领域
本申请涉及一种DC-DC变换器，特别涉及一种级联双向DC-DC变换器。
背景技术
级联双向DC-DC变换器目前在光储***、燃料电池***、电动汽车以及不间断电源***中已经有广泛的应用。
参见图1，该图为现有技术中的一种典型的非隔离级联双向DC-DC变换器示意图。
图1中的第一开关管Q1和第二开关管Q2可以分别采用MOS管或者IGBT管。
但是拓扑升降压比最大只能做到4倍左右，无法满足高升降压比的要求。
针对传统的非隔离式级联双向DC-DC变换器，现有技术中还提供了一种隔离式的级联双向DC-DC变换器（BDC，Bi-directional DC-DC Converter）。
参见图2，该图为现有技术中提供的隔离式级联双向DC-DC变换器示意图。
如图2所示，第一级为不隔离BDC100，第二级为直流变压器（DCT，DirectCurrent Transformer）200；
图2这种结构的级联双向DC-DC变换器主要利用第二级DCT200来实现高的升压比。
但是，这种结构的缺点是还要增加隔离变压器。
综上所述，如何提供一种级联双向DC-DC变换器不利用隔离变压器而可以实现高的升降压比，是本领域技术人员需要解决的技术问题。
发明内容
本申请要解决的技术问题是提供一种级联双向DC-DC变换器，不利用隔离变压器而可以实现高的升降压比。
本申请提供的一种级联双向DC-DC变换器，包括依次连接的第一级双向DC-DC电路、储能滤波单元、第二级双向DC-DC电路，第一级双向DC-DC电路包括两个相同的、并联连接的双向三电平模块，分别为第一双向三电平模块和第二双向三电平模块；
第二级双向DC-DC电路包括第三双向三电平模块。
进一步地，所述储能滤波单元包括串联连接的、相同的第一滤波电容和第二滤波电容。
进一步地，所述第一双向三电平模块包括：第一电感、第一开关管、第三开关管、第二电感、第二开关管和第四开关管；所述第一电感的一端连接输入电源的正端，所述第一电感的另一端通过所述第三开关管与所述第一滤波电容的第一端相连；所述第一电感的另一端通过所述第一开关管、第二开关管、第二电感连接输入电源的负端；第一开关管和第二开关管的连接点与第一滤波电容的第二端和第二滤波电容的第一端相连，第二滤波电容的第二端通过第四开关管与第二电感和第二开关管的连接点相连；所述第二双向三电平模块包括：第三电感、第五开关管、第六开关管、第四电感、第七开关管和第八开关管；所述第三电感的一端连接输入电源的正端，所述第三电感的另一端通过所述第七开关管与所述第一滤波电容的第一端相连；所述第三电感的另一端通过所述第五开关管、第六开关管、第四电感连接输入电源的负端；第五开关管和第六开关管的连接点与第一滤波电容的第二端和第二滤波电容的第一端相连，第二滤波电容的第二端通过第八开关管与第四电感和第六开关管的连接点相连。
进一步地，所述第三双向三电平模块包括第五电感、第九开关管、第十开关管、第六电感、第十一开关管和第十二开关管，以及第三滤波电容和第四滤波电容；所述第五电感的第一端与所述第一滤波电容的第一端相连，所述第六电感的第一端与所述第二滤波电容的第二端相连，第五电感的第二端通过第九开关管和第十开关管与所述第六电感的第二端相连，第五电感的第二端通过第十一开关管与所述级联双向DC-DC变换器的正输出端相连，第六电感的第二端通过第十二开关管与所述级联双向DC-DC变换器的负输出端相连，第九开关管和第十开关管的连接点与所述级联双向DC-DC变换器的中点电压输出端相连；所述第三滤波电容和第四滤波电容串联连接在所述级联双向DC-DC变换器的正输出端和负输出端之间，第三滤波电容和第四滤波电容的连接点与所述级联双向DC-DC变换器的中点电压输出端相连；所述第三滤波电容和第四滤波电容的电气参数相同。
进一步地，所述级联双向DC-DC变换器还包括第一开关、第二开关、第三开关和第四开关；所述第一开关连接在所述第一电感的第一端与输入电源的正端之间；所述第二开关连接在所述第三电感的第一端与输入电源的正端之间；所述第三开关连接在所述第一滤波电容的第一端与输入电源的正端之间；所述第四开关连接在所述第二滤波电容的第二端与输入电源的负端之间。
进一步地，所述级联双向DC-DC变换器还包括第五开关、第一二极管、第一电阻；所述第五开关连接在所述输入电源的正端和所述级联双向DC-DC变换器的正输出端之间；所述第一二极管和第一电阻串联连接在所述第五开关和所述级联双向DC-DC变换器的正输出端之间；所述第一二极管的阳极连接第五开关的一端，所述第一二极管的阴极连接所述第一电阻的一端；或者，所述第一二极管的阳极连接所述第一电阻的一端，所述第一二极管的阴极连接所述级联双向DC-DC变换器的正输出端。
进一步地，所述第一开关管、第二开关管、第三开关管、第四开关管、第五开关管、第六开关管、第七开关管、第八开关管、第九开关管、第十开关管、第十一开关管和第十二开关管为MOS管、IGBT管或者SiC-MOS中的一种或者几种的组合。
进一步地，所述级联双向DC-DC变换器还包括输入滤波电容；所述输入滤波电容并联在所述输入电源的两端。
需要说明的是，本申请提供的变换器是可以实现电流双向流动的，本申请描述中所用到的“输入”和“输出”，例如输入电源、输出端等仅仅是为了描述方便，并非限定的作用。
与现有技术相比，本申请具有以下优点：
本申请提供的一种级联双向DC-DC变换器，包括依次连接的第一级双向DC-DC电路、储能滤波单元、第二级双向DC-DC电路，第一级双向DC-DC电路包括两个相同的、并联连接的双向三电平模块，第一级采用两个相同的双向三电平模块模块并联，第二级采用双向三电平模块，这两级均可以实现升降压，两级电路升降压比相乘，级联电路总升降压比可达10倍以上，解决了传统非隔离型双向DC-DC变换器升降压比小的劣势，并且无需采用隔离变压器就可实现较高的升降压比；并且，第一级采用两个相同的双向三电平模块并联，每一路只承受一半的输入电流，有益于降低开关管输入电流应力，利于开关管的选型。
附图说明
图1是现有技术中提供的一种典型的非隔离级联双向DC-DC变换器示意图；
图2是现有技术中提供的一种隔离式的级联双向DC-DC变换器示意图；
图3是本申请提供的级联双向DC-DC变换器实施例一示意图；
图4是本申请提供的级联双向DC-DC变换器实施例二电路图；
图5是本申请提供的级联双向DC-DC变换器实施例三电路图。
具体实施方式
为使本申请的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图对本申请的具体实施方式做详细的说明。
相对比现有技术，本申请提供了一种级联双向DC-DC变换器，不利用隔离变压器而可以实现高的升降压比。
请参见图3，为本申请提供的级联双向DC-DC变换器实施例一示意图，本实施例提供的一种级联双向DC-DC变换器，包括依次连接的第一级双向DC-DC电路300、储能滤波单元Cbus、第二级双向DC-DC电路400，第一级双向DC-DC电路300包括两个相同的、并联连接的双向三电平模块，分别为第一双向三电平模块和第二双向三电平模块；
第二级双向DC-DC电路400包括第三双向三电平模块。
本实施例提供的级联双向DC-DC变换器，第一级采用两个相同的双向三电平模块模块并联，第二级采用双向三电平模块，这两级均可以实现升降压，两级电路升降压比相乘，级联电路总升降压比可达10倍以上，解决了传统非隔离型双向DC-DC变换器升降压比小的劣势，并且无需采用隔离变压器就可实现较高的升降压比；并且，第一级采用两个相同的双向三电平模块并联，每一路只承受一半的输入电流，有益于降低开关管输入电流应力，利于开关管的选型。
请参见图4，为本申请提供的级联双向DC-DC变换器实施例二电路图。
如图4所示，所述储能滤波单元Cbus包括串联连接的、相同的第一滤波电容Cbus1+和第二滤波电容Cbus1-。
第一双向三电平模块包括：第一电感L1、第一开关管Q1、第三开关管Q3、第二电感、第二开关管Q2和第四开关管Q4；
所述第一电感L1的一端连接输入电源的正端，所述第一电感L1的另一端通过所述第三开关管Q3与所述第一滤波电容Cbus1+的第一端相连；所述第一电感L1的另一端通过所述第一开关管Q1、第二开关管Q2、第二电感连接输入电源Vin的负端；第一开关管Q1和第二开关管Q2的连接点与第一滤波电容Cbus1+的第二端和第二滤波电容Cbus1-的第一端相连，第二滤波电容Cbus1-的第二端通过第四开关管Q4与第二电感和第二开关管Q2的连接点相连；
所述第二双向三电平模块包括：第三电感L3、第五开关管Q5、第六开关管Q6、第四电感L4、第七开关管Q7和第八开关管Q8；
所述第三电感L3的一端连接输入电源Vin的正端，所述第三电感L3的另一端通过所述第七开关管Q7与所述第一滤波电容Cbus1+的第一端相连；所述第三电感L3的另一端通过所述第五开关管Q5、第六开关管Q6、第四电感L4连接输入电源Vin的负端；第五开关管Q5和第六开关管Q6的连接点与第一滤波电容Cbus1+的第二端和第二滤波电容Cbus1-的第一端相连，第二滤波电容Cbus1-的第二端通过第八开关管Q8与第四电感L4和第六开关管Q6的连接点相连。
从图4可以看出，第一双向三电平模块和第二双向三电平模块是并联的关系，输入端均连接输入电源Vin的两端，输出端均连接储能滤波单元Cbus的两端。
所述第三双向三电平模块包括第五电感L5、第九开关管Q9、第十开关管Q10、第六电感L6、第十一开关管Q11和第十二开关管Q12，以及第三滤波电容Cbus+和第四滤波电容Cbus-；
所述第五电感L5的第一端与所述第一滤波电容Cbus1+的第一端相连，所述第六电感L6的第一端与所述第二滤波电容Cbus1-的第二端相连，第五电感L5的第二端通过第九开关管Q9和第十开关管Q10与所述第六电感L6的第二端相连，第五电感L5的第二端通过第十一开关管Q11与所述级联双向DC-DC变换器的正输出端Vout+相连，第六电感L6的第二端通过第十二开关管Q12与所述级联双向DC-DC变换器的负输出端Vout-相连，第九开关管Q9和第十开关管Q10的连接点与所述级联双向DC-DC变换器的中点电压输出端Vcom相连；
所述第三滤波电容Cbus+和第四滤波电容Cbus-串联连接在所述级联双向DC-DC变换器的正输出端Vout+和负输出端Vout-之间，第三滤波电容Cbus+和第四滤波电容Cbus-的连接点与所述级联双向DC-DC变换器的中点电压输出端Vcom相连。
所述第三滤波电容Cbus+和第四滤波电容Cbus-的电气参数相同。
请参见图5，为本申请提供的级联双向DC-DC变换器实施例三电路图。相比于图4所示的实施例二，图5所述的电路实施例三电路图还包括第一开关K1、第二开关K2、第三开关K3和第四开关K4，可以实现旁路功能。
所述第一开关K1连接在所述第一电感L1的第一端与输入电源Vin的正端之间；
所述第二开关K2连接在所述第三电感L3的第一端与输入电源Vin的正端之间；
所述第三开关K3连接在所述第一滤波电容Cbus1+的第一端与输入电源Vin的正端之间；
所述第四开关K4连接在所述第二滤波电容Cbus1-的第二端与输入电源Vin的负端之间。
输入电源Vin的电压为较低电压例如48V时，闭合第一开关K1和第二开关K2，断开第三开关K3、第四开关K4；此时第一级双向DC-DC电路和第二级双向DC-DC电路按照***要求工作于升压模式或降压模式。
当输入电源Vin的电压为较高电压例如200V时，断开第一开关K1和第二开关K2，闭合第三开关K3和第四开关K4；第一级双向DC-DC电路被旁路（不工作），第二级双向DC-DC电路按照***要求工作于升压模式或降压模式，此时，本申请提供的双向DC-DC变换器工作于所谓的旁路模式。
首先介绍升压模式：
在升压模式（Boost模式），两级双向DC-DC电路工作于升压模式且分开独立控制，即第一级双向DC-DC电路工作，待Cbus1+和Cbus1-上的电压稳定后将第一级双向DC-DC电路看作是输入电源，其开关状态不影响第二级双向DC-DC电路，此时第二级双向DC-DC电路才开始工作。
下面介绍降压模式：
在降压模式（Buck模式），两级双向DC-DC电路工作于降压模式且分开独立控制，即第二级双向DC-DC电路工作，待Cbus1+和Cbus1-稳定后将第二级双向DC-DC电路看作是输入电源，其开关状态不影响第一级双向DC-DC电路，此时第一级双向DC-DC电路开始工作。
本申请实施例通过增加由第一开关K1、第二开关K2、第三开关K3和第四开关K4构成的旁路电路，可以应用于多种输入电压的场合，应用范围宽，并且效率更高。
进一步地，还包括，第五开关K5、第一二极管D1、第一电阻R1；
所述第五开关K5连接在所述输入电源Vin的正端和所述级联双向DC-DC变换器的正输出端Vout+之间；
所述第一二极管D1和第一电阻R1串联连接在所述第五开关K5和所述级联双向DC-DC变换器的正输出端Vout+之间；
所述第一二极管D1的阳极连接第五开关K5的一端，所述第一二极管D1的阴极连接所述第一电阻R1的一端；
或者，
所述第一二极管D1的阳极连接所述第一电阻R1的一端，所述第一二极管D1的阴极连接所述级联双向DC-DC变换器的正输出端Vout+。
其中第五开关K5、第一二极管D1、第一电阻R1组成的支路主要作为缓启电路，第一二极管D1的作用是正向导通，反向截止，主要是防止反向电流；第一电阻R1的作用是限流。
本申请提供的变换器，为了避免初始时的大电流冲击，还设置了电路缓起时序。
当输入电源Vin为蓄电池、超级电容等储能装置，电路工作在升压模式时，初始会有很大的电流冲击。
非旁路模式下（K3和K4断开时）：
首先闭合K5，输入电源Vin通过D1和R1给Cbus+和Cbus-充电；
然后第二级双向DC-DC电路工作于降压模式，给Cbus1+和Cbus1-充电；
最后断开K5，闭合K1和K2，两级双向DC-DC电路均工作于升压模式。
旁路模式下（K1和K2断开时）：
首先闭合K5，输入电源Vin通过D1和R1给Cbus+和Cbus-充电；
然后断开K5，闭合K3和K4，第二级双向DC-DC电路工作于升压模式。
需要说明的是，本申请实施例提供的级联双向DC-DC变换器，还包括输入滤波电容Cin；
所述输入滤波电容Cin并联在所述输入电源Vin的两端。
需要说明的是，本申请提供的变换器中，所述第一开关管Q1、第二开关管Q2、第三开关管Q3、第四开关管Q4、第五开关管Q5、第六开关管Q6、第七开关管Q7、第八开关管Q8、第九开关管Q9、第十开关管Q10、第十一开关管Q11和第十二开关管Q12为MOS管、IGBT管或者SiC-MOS中的一种或者几种。
需要说明的是，本申请提供的变换器是可以实现电流双向流动的，本申请描述中所用到的“输入”和“输出”，例如输入电源、输出端等仅仅是为了描述方便，并非限定的作用。
以上所述，仅是本申请的较佳实施例而已，并非对本申请作任何形式上的限制。虽然本申请已以较佳实施例揭露如上，然而并非用以限定本申请。任何熟悉本领域的技术人员，在不脱离本申请技术方案范围情况下，都可利用上述揭示的方法和技术内容对本申请技术方案做出许多可能的变动和修饰，或修改为等同变化的等效实施例。因此，凡是未脱离本申请技术方案的内容，依据本申请的技术实质对以上实施例所做的任何简单修改、等同变化及修饰，均仍属于本申请技术方案保护的范围内。
Claims (9)
1.一种级联双向DC-DC变换器，其特征在于，包括依次连接的第一级双向DC-DC电路、储能滤波单元、第二级双向DC-DC电路，第一级双向DC-DC电路包括两个相同的、并联连接的双向三电平模块，分别为第一双向三电平模块和第二双向三电平模块；
第二级双向DC-DC电路包括第三双向三电平模块。
2.根据权利要求1所述的级联双向DC-DC变换器，其特征在于，
所述储能滤波单元包括串联连接的、相同的第一滤波电容和第二滤波电容。
3.根据权利要求2所述的级联双向DC-DC变换器，其特征在于，所述第一双向三电平模块包括：第一电感、第一开关管、第三开关管、第二电感、第二开关管和第四开关管；
所述第一电感的一端连接输入电源的正端，所述第一电感的另一端通过所述第三开关管与所述第一滤波电容的第一端相连；所述第一电感的另一端通过所述第一开关管、第二开关管、第二电感连接输入电源的负端；第一开关管和第二开关管的连接点与第一滤波电容的第二端和第二滤波电容的第一端相连，第二滤波电容的第二端通过第四开关管与第二电感和第二开关管的连接点相连；
所述第二双向三电平模块包括：第三电感、第五开关管、第六开关管、第四电感、第七开关管和第八开关管；
所述第三电感的一端连接输入电源的正端，所述第三电感的另一端通过所述第七开关管与所述第一滤波电容的第一端相连；所述第三电感的另一端通过所述第五开关管、第六开关管、第四电感连接输入电源的负端；第五开关管和第六开关管的连接点与第一滤波电容的第二端和第二滤波电容的第一端相连，第二滤波电容的第二端通过第八开关管与第四电感和第六开关管的连接点相连。
4.根据权利要求3所述的级联双向DC-DC变换器，其特征在于，所述第三双向三电平模块包括第五电感、第九开关管、第十开关管、第六电感、第十一开关管和第十二开关管，以及第三滤波电容和第四滤波电容；
所述第五电感的第一端与所述第一滤波电容的第一端相连，所述第六电感的第一端与所述第二滤波电容的第二端相连，第五电感的第二端通过第九开关管和第十开关管与所述第六电感的第二端相连，第五电感的第二端通过第十一开关管与所述级联双向DC-DC变换器的正输出端相连，第六电感的第二端通过第十二开关管与所述级联双向DC-DC变换器的负输出端相连，第九开关管和第十开关管的连接点与所述级联双向DC-DC变换器的中点电压输出端相连；
所述第三滤波电容和第四滤波电容串联连接在所述级联双向DC-DC变换器的正输出端和负输出端之间，第三滤波电容和第四滤波电容的连接点与所述级联双向DC-DC变换器的中点电压输出端相连；
所述第三滤波电容和第四滤波电容的电气参数相同。
5.根据权利要求4所述的级联双向DC-DC变换器，其特征在于，
所述级联双向DC-DC变换器还包括第一开关、第二开关、第三开关和第四开关；
所述第一开关连接在所述第一电感的第一端与输入电源的正端之间；
所述第二开关连接在所述第三电感的第一端与输入电源的正端之间；
所述第三开关连接在所述第一滤波电容的第一端与输入电源的正端之间；
所述第四开关连接在所述第二滤波电容的第二端与输入电源的负端之间。
6.根据权利要求4所述的级联双向DC-DC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、第四开关管、第五开关管、第六开关管、第七开关管、第八开关管、第九开关管、第十开关管、第十一开关管和第十二开关管为MOS管、IGBT管或者SiC-MOS中的一种或者几种的组合。
7.根据权利要求4或5所述的级联双向DC-DC变换器，其特征在于，所述级联双向DC-DC变换器还包括第五开关、第一二极管、第一电阻；
所述第五开关连接在所述输入电源的正端和所述级联双向DC-DC变换器的正输出端之间；
所述第一二极管和第一电阻串联连接在所述第五开关和所述级联双向DC-DC变换器的正输出端之间；
所述第一二极管的阳极连接第五开关的一端，所述第一二极管的阴极连接所述第一电阻的一端；
或者，
所述第一二极管的阳极连接所述第一电阻的一端，所述第一二极管的阴极连接所述级联双向DC-DC变换器的正输出端。
8.根据权利要求1至6任一项所述的级联双向DC-DC变换器，其特征在于，
所述级联双向DC-DC变换器还包括输入滤波电容；所述输入滤波电容并联在所述输入电源的两端。
9.根据权利要求7所述的级联双向DC-DC变换器，其特征在于，
所述级联双向DC-DC变换器还包括输入滤波电容；所述输入滤波电容并联在所述输入电源的两端。
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| CN 201320460001 CN203368327U (zh) | 2013-07-30 | 2013-07-30 | 一种级联双向dc-dc变换器 |
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