CN204993064U - 一种带耦合电感的Buck-Boost型大功率双向DC/DC变换器 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开一种带耦合电感的Buck-Boost型大功率双向DC/DC变换器，其特征在于由N路双向Buck-Boost电路并联组成，N≥2，且N为自然数，各双向Buck-Boost电路的电感采用磁耦合电感。本实用新型采用耦合电感，该电感在相同并联共模电感的条件下，具有差模均流电感大、均流效果好，装置体积小、噪声小及效率高等诸多优点，可提高等效开关频率，降低工作噪声和电感体积，提高转换效率。本实用新型DC/DC变换器在单一方向上即可升压也可降压，故应用范围很广泛。

Description

一种带耦合电感的Buck-Boost型大功率双向DC/DC变换器

技术领域

本实用新型涉及电动汽车、超级电容和电池储能等领域，尤其涉及一种带耦合电感的Buck-Boost型双向DC/DC变换器。

背景技术

在能源枯竭与环境污染日益严重的今天，越来越多的纯电动汽车和混合动力式汽车进入市场。但是由于动力电池技术的发展瓶颈，使得汽车用动力电池的端电压通常被设计在180V~720V之间，而逆变器最佳直流母线电压通常在600V左右，为了匹配动力电池电压和直流母线电压，减少动力电池的纹波电流，改善整个电驱动***的运行性能，现如今的纯电动和混合动力式汽车均在直流母线和动力电池之间加一级双向DC/DC变换器。

动力电池电压等级与直流母线电压等级相当（电压比不超过3.5）且无需电气隔离时，通常选用单相非隔离双向DC/DC变换器来完成动力电池电压和直流母线电压的匹配和两者之间能量的相互传递，实现电池的充放电功能，以提高***的整体效率。现如今主流的电动和混合动力汽车大部分采用Boost型双向DC/DC变换器或者Buck－Boost型DC/DC变换器来匹配电压等级。

现有技术一

单相非隔离Boost型变换器，如图1所示。通常将超级电容或者化学电池接到DC1侧，DC2侧接电动汽车逆变器的直流侧或者充电整流后的直流侧，或者双源无轨汽车的直流输入侧，如果DC2侧的电压低于DC1侧，则无法完成DC2侧对DC1侧充电功能，并且此时DC1侧对DC2侧的放电不可控。

现有技术二

单相非隔离Buck－Boost型DC/DC变换器，其结构图如图2所示。由于该结构两边对称，DC1侧既可接超级电容，也可接电动汽车逆变器的直流侧。该结构虽然可以解决Boost型的上述问题，但该变换器只能在中小功率场合应用。

发明内容

本实用新型的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种带耦合电感的多路并联Buck-Boost型大功率双向DC/DC变换器，电压双向可升可降，使该变换器应用场合广泛。

本实用新型具体采用如下技术方案：

一种带耦合电感的Buck-Boost型双向DC/DC变换器，其特征在于由N路双向Buck-Boost电路并联组成，N≥2，且N为自然数，各双向Buck-Boost电路的电感采用磁耦合电感。

优选地，变换器两直流侧电路结构对称。

另一优选地，所述磁耦合电感采用正向耦合方式。

本实用新型的多相可升可降的Buck－Boost型DC/DC变换器，主要用在超级电容或者化学电池的充放电等储能及电动汽车领域，如果超级电容或者化学电池的电压超过逆变器的直流电压，则采用降压电路（即反向升压电路）实现超级电容的充放电功能；如果超级电容或者化学电池的电压低于逆变器的直流电压，则采用升压电路（即反向降压电路）实现超级电容的充放电功能。如果此DC/DC电路所需功率较大时，需要采用多路（相）DC/DC单元并联来提高容量。现有的DC/DC单元内往往采用独立的电抗器进行滤波，这样造成整个DC/DC体积大，电抗器噪声大，即使各DC/DC单元之间采用交错并联控制，也不能使各电抗器的噪声降低，如果提高各DC/DC单元的开关频率来降低噪声，则损耗变大，效率降低。而本实用新型采用耦合电感，该电感在相同并联共模电感的条件下，具有差模均流电感大、均流效果好，装置体积小、噪声小及效率高等诸多优点，可提高等效开关频率，降低工作噪声和电感体积，提高转换效率。

本实用新型采用Buck-Boost两级调整电路，使得该变换器可以在很宽的输入电压和输出电压范围内工作，还可根据负载所需功率，来调整并联工作的模块数量，以提高***的整体效率。

本实用新型方便通过多相交错并联技术的引入来提高DC/DC的容量，同时可以减小输入输出纹波，从而减小输入输出滤波器的尺寸，降低功率器件的电流应力，可以通过多种算法的引入来优化设计，以提高变换器效率。

本实用新型DC/DC变换器在单一方向上即可升压也可降压，故应用范围很广泛。

附图说明

图1是单相Boost型双向DC/DC变换器。

图2是单相Buck-Boost型双向DC/DC变换器。

图3是本实用新型Buck-Boost型双向DC/DC变换器。

图4是三相Buck-Boost型双向DC/DC变换器。

图5是三相耦合电感结构示意图。

图6是多相耦合电感结构示意图。

图7是三相耦合电感等效磁路。

图8三相耦合电感独立工作磁通图。

图9多相耦合电感等效磁路。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本实用新型进行进一步的说明。

实施例一

从图3中可以看出本实用新型电路由N路（N≥2）双向Buck-Boost电路并联而成，电路中采用的是N路耦合电感，且两直流侧DC1侧与DC2侧电路结构完全对称，即DC1侧的电压既可以比DC2侧的高，也可以比DC2侧的电压低。故本实用新型直流变换器应用领域广泛（如电动汽车，电池储能领域）。下面简要分析本实用新型电路工作过程。

三相Buck-Boost型双向DC/DC变换器电路拓扑结构如图4所示。三相电路可以引入交错式控制方式，它主要指各相模块载波工作频率相同，相位角互相错开的运行方式，三相每相错开时间为周期的三分之一（N相则为N分之一）。即A相电路模组的驱动信号延时三分之一周期即为B相电路模组的驱动信号，C相驱动信号也延时B相三分之一周期。故三相DC变换器的工作过程可看成是三个单相变换器交错工作，Buck-Boost双向DC/DC变换器的拓扑结构如图2所示。

单相Buck-Boost电路的工作模式由DC1和DC2侧所接设备类型（如蓄电池，超级电容，电机）决定的，大致可以分为四种工作状态。1.正向降压状态。该状态下DC1侧的电压高于DC2侧，电流方向为DC1侧流向DC2侧。此时S1工作于开关状态，S3的反并二极管工作；2.正向升压状态。该状态下DC1侧的电压低于DC2侧，电流方向为DC1侧流向DC2侧。此时S1一直处于导通状态，S3保持前一过程的状态不变，S4处于开关状态；3.反向降压状态。该状态下DC1侧的电压高于DC2侧，电流方向为DC2侧流向DC1侧。该状态下S3处于开关状态，S1的反并二极管工作。S3的占空比由两者电压比值决定；4.反向升压转态。该状态下DC2侧的电压高于DC1侧，电流方向为DC2侧流向DC1侧。当前状态下S3一直导通，S2处于开关状态，S1保持前一过程状态不变。

三相电路的升/降压电感并未采用独立式结构，而是采用耦合电感。即将多组线圈绕制在同一磁芯上。由于采用交错式控制，故可知耦合电感上的等效频率为开关频率的三倍（N相为N倍）。三相耦合电感的结构示意图如图5所示，多相耦合电感的结构示意图如图6所示。由于采取的是正向耦合的方式，所以线圈中产生的磁动势的方向是相同的，其等效磁路如图7所示，三相耦合电感独立工作磁路示意图如图8所示。从图8中可以看出边柱处的磁通是叠加的，而三中心柱的磁通是相互抵消的。若三相磁动势值相等，则图中R1、R5处的磁通为R2、R3、R4的1.5倍，等效磁通值小于分立式磁通值，从而降低磁芯的尺寸。多相耦合电感的等效磁路如图9所示。

Claims (3)

1.一种带耦合电感的Buck-Boost型大功率双向DC/DC变换器，其特征在于由N路双向Buck-Boost电路并联组成，N≥2，且N为自然数，各双向Buck-Boost电路的电感采用磁耦合电感。

2.如权利要求1所述带耦合电感的Buck-Boost型大功率双向DC/DC变换器，其特征在于变换器两直流侧电路结构对称。

3.如权利要求1所述带耦合电感的Buck-Boost型大功率双向DC/DC变换器，其特征在于所述磁耦合电感采用正向耦合方式。