CN203368328U - 一种级联式非隔离双向dc-dc变换器 - Google Patents

Abstract

本实用新型提供一种级联式非隔离双向DC-DC变换器，包括：第一滤波电容、第一级双向DC-DC电路和第二级双向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Buck/Boost模块；第一级双向DC-DC电路的输出端连接第二级双向DC-DC电路的输入端；第一级双向DC-DC电路的输出端连接第一滤波电容；第二级双向DC-DC电路为一个双向三电平模块。两级均实现升降压，两级电路升降压比相乘，总升降压比达10倍以上，解决了传统升降压比小的劣势，并且没有隔离变压器。第一级两个相同的双向Buck/Boost模块并联每路只承受一半的输入电流，降低开关管输入电流应力，利于功率开关管选型。

Description

一种级联式非隔离双向DC-DC变换器

技术领域

本实用新型涉及DC-DC变换器控制技术领域，特别涉及一种级联式非隔离双向DC-DC变换器。

背景技术

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双向DC-DC变换器示意图。

图1中的第一功率开关管Q1和第二功率开关管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。

实用新型内容

本实用新型要解决的技术问题是提供一种级联式非隔离双向DC-DC变换器，不利用隔离变压器而可以实现高的升降压比。

本实用新型提供一种级联式非隔离双向DC-DC变换器，包括：第一滤波电容、第一级双向DC-DC电路和第二级双向DC-DC电路；

所述第一级双向DC-DC电路包括两个相同的、并联连接的双向Buck/Boost模块；

所述第一级双向DC-DC电路的输出端连接所述第二级双向DC-DC电路的输入端；第一级双向DC-DC电路的输出端连接第一滤波电容；

所述第二级双向DC-DC电路为一个双向三电平模块。

优选地，两个相同的、并联连接的所述双向Buck/Boost模块分别为第一双向Buck/Boost模块和第二双向Buck/Boost模块；

所述第一双向Buck/Boost模块包括：第一电感、第三功率开关管和第四功率开关管；所述第二双向Buck/Boost模块包括：第二电感、第一功率开关管和第二功率开关管；

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第三功率开关管连接所述输入电源的负端；所述第一电感的另一端通过所述第四功率开关管连接所述第一滤波电容的第一端；

所述第二电感的一端连接输入电源的正端，所述第二电感的另一端通过第一功率开关管连接所述输入电源的负端；所述第二电感的另一端通过所述第二功率开关管连接所述第一滤波电容的第一端；

所述第一滤波电容的第二端连接所述输入电源的负端。

优选地，所述双向三电平模块包括：第五功率开关管、第六功率开关管、第七功率开关管、第八功率开关管、第三电感、第四电感、第二滤波电容和第三滤波电容；

所述第三电感的一端连接所述第一滤波电容的第一端；所述第三电感的另一端通过所述第七功率开关管连接级联式非隔离双向DC-DC变换器的正输出端；

所述第四电感的一端连接所述第一滤波电容的第二端；所述第四电感的另一端通过所述第八功率开关管连接级联式非隔离双向DC-DC变换器的负输出端；

所述第三电感的另一端通过依次串联的第五功率开关管和第六功率开关管连接所述第四电感的另一端；所述第五功率开关管和第六功率开关管的公共端连接中点；

所述第二滤波电容的两端分别连接所述级联式非隔离双向DC-DC变换器的正输出端和所述中点；

所述第三滤波电容的两端分别连接所述级联式非隔离双向DC-DC变换器的负输出端和所述中点；

所述第二滤波电容和所述第三滤波电容的容值相等。

优选地，还包括第一开关、第二开关和第三开关；

所述第一开关连接在所述输入电源的正端和所述第一电感之间；

所述第二开关连接在所述输入电源的正端和所述第二电感之间；

所述第三开关一端连接所述输入电源的正端，所述第三开关的另一端连接所述第一滤波电容的第一端。

优选地，还包括第一二极管、第一电阻和第四开关；

所述第四开关、第一二极管和第一电阻串联连接在所述输入电源的正端和所述级联式非隔离双向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四开关的一端，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式非隔离双向DC-DC变换器的正输出端。

优选地，

所述第一功率开关管、第二功率开关管、第三功率开关管、第四功率开关管、第五功率开关管、第六功率开关管、第七功率开关管和第八功率开关管为MOS管、IGBT管或者SiC-MOS中的一种或者几种的组合。

优选地，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。

与现有技术相比，本实用新型具有以下优点：

本实施例提供的双向DC-DC变换器的第一级采用两个相同的双向Buck/Boost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，并且没有隔离变压器。第一级采用两个相同的双向Buck/Boost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，利于功率开关管的选型。

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是本实用新型提供的级联式非隔离双向DC-DC变换器实施例一示意图；

图4是本实用新型提供的级联式非隔离双向DC-DC变换器实施例二电路图；

图5是本实用新型提供的级联式非隔离双向DC-DC变换器实施例三电路图。

具体实施方式

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图对本发明的具体实施方式做详细的说明。

参见图3，该图为本实用新型提供的级联式非隔离双向DC-DC变换器实施例一示意图。

本实施例提供的一种级联式非隔离双向DC-DC变换器，包括：第一滤波电容Cbus、第一级双向DC-DC电路300和第二级双向DC-DC电路400；

所述第一级双向DC-DC电路300包括两个相同的、并联连接的双向Buck/Boost模块；

所述第一级双向DC-DC电路300的输出端连接所述第二级双向DC-DC电路400的输入端；第一级双向DC-DC电路300的输出端连接第一滤波电容Cbus；

所述第二级双向DC-DC电路400为一个双向三电平模块。

本实施例提供的双向DC-DC变换器的第一级采用两个相同的双向Buck/Boost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，并且没有隔离变压器。第一级采用两个相同的双向Buck/Boost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，利于功率开关管的选型。

下面结合附图详细介绍本实用新型提供的双向DC-DC变换器的具体实现方式。

参见图4，该图为本实用新型提供的级联式非隔离双向DC-DC变换器实施例二电路图。

如图4所示，两个相同的所述双向Buck/Boost模块分别为第一双向Buck/Boost模块和第二双向Buck/Boost模块；

所述第一双向Buck/Boost模块包括：第一电感L1、第三功率开关管Q3和第四功率开关管Q4；所述第二双向Buck/Boost模块包括：第二电感L2、第一功率开关管Q1和第二功率开关管Q2；

所述第一电感L1的一端连接输入电源Vin的正端，所述第一电感L1的另一端通过第三功率开关管Q3连接所述输入电源Vin的负端；所述第一电感L1的另一端通过所述第四功率开关管Q4连接所述第一滤波电容Cbus的第一端；

所述第二电感L2的一端连接输入电源Vin的正端，所述第二电感L2的另一端通过第一功率开关管Q1连接所述输入电源Vin的负端；所述第二电感L2的另一端通过所述第二功率开关管Q2连接所述第一滤波电容Cbus的第一端；

所述第一滤波电容Cbus的第二端连接所述输入电源Vin的负端。

从图4可以看出，两个双向Buck/Boost模块是并联的关系，输入端均连接输入电源Vin的两端，输出端均连接第一滤波电容Cbus的两端。

所述双向三电平模块包括：第五功率开关管Q5、第六功率开关管Q6、第七功率开关管Q7、第八功率开关管Q8、第三电感L3、第四电感L4、第二滤波电容Cbus+和第三滤波电容Cbus-；

所述第三电感L3的一端连接所述第一滤波电容Cbus的第一端；所述第三电感L3的另一端通过所述第七功率开关管Q7连接级联式非隔离双向DC-DC变换器的正输出端Vout+；

所述第四电感L4的一端连接所述第一滤波电容Cbus的第二端；所述第四电感L4的另一端通过所述第八功率开关管Q8连接级联式非隔离双向DC-DC变换器的负输出端Vout-；

所述第三电感L3的另一端通过依次串联的第五功率开关管Q5和第六功率开关管Q6连接所述第四电感L4的另一端；所述第五功率开关管Q5和第六功率开关管Q6的公共端连接中点Vcom；

所述第二滤波电容Cbus+的两端分别连接所述级联式非隔离双向DC-DC变换器的正输出端Vout+和所述中点Vcom；

所述第三滤波电容Cbus-的两端分别连接所述级联式非隔离双向DC-DC变换器的负输出端Vout-和所述中点Vcom。

可以理解的是，所述第二滤波电容和第三滤波电容的容值相等。

另外，本实用新型还提供了基于图4的旁路模式。参见图5，该图为本实用新型提供的级联式非隔离双向DC-DC变换器实施例三电路图。

本实施例中还包括第一开关K1、第二开关K2、第三开关K3；

所述第一开关K1连接在所述输入电源Vin的正端和所述第一电感L1之间；

所述第二开关K2连接在所述输入电源Vin的正端和所述第二电感L2之间；

所述第三开关K3一端连接所述输入电源Vin的正端，所述第三开关K3的另一端连接所述第一滤波电容Cbus的第一端；

还包括第一二极管D1、第一电阻R1和第四开关K4；

其中D1和R1、K4组成的支路主要作为缓启电路，D1的作用是正向导通，反向截止，主要是防止反向电流；R1的作用是限流。

所述第四开关K4的一端连接所述输入电源Vin的正端，所述第四开关K4的另一端连接所述级联式非隔离双向DC-DC变换器的正输出端Vout+。

所述第一二极管D1和第一电阻R1串联连接在所述第四开关K4和所述级联式非隔离双向DC-DC变换器的正输出端Vout+之间。具体地，可以为：

所述第一二极管D1的阳极连接第四开关K4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式非隔离双向DC-DC变换器的正输出端Vout+。

需要说明的是，本实施例提供的级联式非隔离双向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。

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和第四开关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，断开第四开关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，本实用新型提供的双向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Cbus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Cbus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。

本实用新型提供的变换器，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断开时）：

首先闭合K4，输入电源通过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Cbus充电；

最后断开K4，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K4，输入电源通过D1和R1给Cbus+和Cbus-充电；

然后断开K4，闭合K3，第二级双向DC-DC电路工作于升压模式。

需要说明的是，本实施例提供的变换器中，所述第一功率开关管、第二功率开关管、第三功率开关管、第四功率开关管、第五功率开关管、第六功率开关管、第七功率开关管和第八功率开关管为MOS管、IGBT管或者SiC-MOS中的一种或者几种。

需要说明的是，本实用新型实施例提供的变换器是可以实现电流双向流动的，本实用新型描述中所用到的“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，仅是本实用新型的较佳实施例而已，并非对本实用新型作任何形式上的限制。虽然本实用新型已以较佳实施例揭露如上，然而并非用以限定本实用新型。任何熟悉本领域的技术人员，在不脱离本实用新型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实用新型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，凡是未脱离本实用新型技术方案的内容，依据本实用新型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，均仍属于本实用新型技术方案保护的范围内。

Claims (7)

1.一种级联式非隔离双向DC-DC变换器，其特征在于，包括：第一滤波电容、第一级双向DC-DC电路和第二级双向DC-DC电路；

所述第一级双向DC-DC电路包括两个相同的、并联连接的双向Buck/Boost模块；

所述第一级双向DC-DC电路的输出端连接所述第二级双向DC-DC电路的输入端；第一级双向DC-DC电路的输出端连接第一滤波电容；

所述第二级双向DC-DC电路为一个双向三电平模块。

2.根据权利要求1所述的级联式非隔离双向DC-DC变换器，其特征在于，两个相同的、并联连接的所述双向Buck/Boost模块分别为第一双向Buck/Boost模块和第二双向Buck/Boost模块；

所述第一双向Buck/Boost模块包括：第一电感、第三功率开关管和第四功率开关管；所述第二双向Buck/Boost模块包括：第二电感、第一功率开关管和第二功率开关管；

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第三功率开关管连接所述输入电源的负端；所述第一电感的另一端通过所述第四功率开关管连接所述第一滤波电容的第一端；

所述第二电感的一端连接输入电源的正端，所述第二电感的另一端通过第一功率开关管连接所述输入电源的负端；所述第二电感的另一端通过所述第二功率开关管连接所述第一滤波电容的第一端；

所述第一滤波电容的第二端连接所述输入电源的负端。

3.根据权利要求2所述的级联式非隔离双向DC-DC变换器，其特征在于，所述双向三电平模块包括：第五功率开关管、第六功率开关管、第七功率开关管、第八功率开关管、第三电感、第四电感、第二滤波电容和第三滤波电容；

所述第三电感的一端连接所述第一滤波电容的第一端；所述第三电感的另一端通过所述第七功率开关管连接级联式非隔离双向DC-DC变换器的正输出端；

所述第四电感的一端连接所述第一滤波电容的第二端；所述第四电感的另一端通过所述第八功率开关管连接级联式非隔离双向DC-DC变换器的负输出端；

所述第三电感的另一端通过依次串联的第五功率开关管和第六功率开关管连接所述第四电感的另一端；所述第五功率开关管和第六功率开关管的公共端连接中点；

所述第二滤波电容的两端分别连接所述级联式非隔离双向DC-DC变换器的正输出端和所述中点；

所述第三滤波电容的两端分别连接所述级联式非隔离双向DC-DC变换器的负输出端和所述中点；

所述第二滤波电容和所述第三滤波电容的容值相等。

4.根据权利要求3所述的级联式非隔离双向DC-DC变换器，其特征在于，还包括第一开关、第二开关和第三开关；

所述第一开关连接在所述输入电源的正端和所述第一电感之间；

所述第二开关连接在所述输入电源的正端和所述第二电感之间；

所述第三开关一端连接所述输入电源的正端，所述第三开关的另一端连接所述第一滤波电容的第一端。

5.根据权利要求4所述的级联式非隔离双向DC-DC变换器，其特征在于，还包括第一二极管、第一电阻和第四开关；

所述第四开关、第一二极管和第一电阻串联连接在所述输入电源的正端和所述级联式非隔离双向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四开关的一端，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式非隔离双向DC-DC变换器的正输出端。

6.根据权利要求3所述的级联式非隔离双向DC-DC变换器，其特征在于，

所述第一功率开关管、第二功率开关管、第三功率开关管、第四功率开关管、第五功率开关管、第六功率开关管、第七功率开关管和第八功率开关管为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2所述的级联式非隔离双向DC-DC变换器，其特征在于，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。

Images