基于開關電容和耦合電感的高電壓增益雙向dc-dc變換器的制造方法

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基于開關電容和耦合電感的高電壓增益雙向dc-dc變換器的制造方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種基于開關電容和耦合電感的高電壓增益雙向DC-DC變換器，由交錯并聯(lián)Boost變換器和耦合電感以及開關電容組合而成；其電路包括N/2個耦合電感[L”L2]，T2[L3、L4]......TwIXm、Ln];2N個高頻功率開關SPS2……8?及QPQ2……Qn;N-1個高頻開關電容CPC2......C^;兩個輸入、輸出濾波電容CjPCH?？捎行У亟档偷蛪簜裙β势骷碾娏鲬透邏簜裙β势骷碾妷簯?，采用耦合電感進一步降低輸入電流紋波和電感體積，提高變換器效率，實現(xiàn)了高效率、高電壓增益的雙向DC-DC能量變換。本發(fā)明交錯并聯(lián)、磁集成和開關電容技術的結合，使得本發(fā)明中的新型拓撲不僅具備了交錯并聯(lián)變換器的特性，如低輸入電流紋波、易于EMI設計等特點，還達到了輸入輸出電壓大變比及更低的開關電壓應力的目的。
【專利說明】基于開關電容和耦合電感的高電壓增益雙向DC-DC變換器

【技術領域】
[0001] 本發(fā)明涉及高電壓增益和雙向直流-直流變換器【技術領域】，是一種新型的具有電路結構簡單、開關器件電壓/電流應力低、較高效率、可以實現(xiàn)升壓比靈活拓展的電路。

【背景技術】
[0002] 隨著傳統(tǒng)化石能源（如石油、煤炭、天然氣等）的迅速消耗，以及由此帶來的世界能源危機和環(huán)境污染等問題的日益加劇，合理開發(fā)和利用綠色可再生能源已成為人類的迫切需要。隨著傳統(tǒng)化石能源（如石油、煤炭、天然氣等）的迅速消耗，以及由此帶來的世界能源危機和環(huán)境污染等問題的日益加劇，合理開發(fā)和利用綠色可再生能源已成為人類的迫切需要。對于可再生能源而言，太陽能光伏發(fā)電、風力發(fā)電和燃料電池動力系統(tǒng)受到了人們越來越多的重視，而如何將這些新能源并網(wǎng)發(fā)電，變換為用戶可以直接利用的電能，是分布式發(fā)電領域主要的研究方向。儲能裝置在分布式可再生能源并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)中扮演至關重要的角色，為了解決儲能裝置并聯(lián)時的低電壓和并網(wǎng)所需高電壓之間的電壓水平不匹配問題，需要用到高電壓增益型雙向DC-DC儲能變換器。
[0003] 正是上述需求使得高電壓增益、高效率及較大功率雙向DC-DC變換器研究工作變得緊迫，并具有重要的工業(yè)實用價值。近年來，國內(nèi)外的許多學者和專家就如何實現(xiàn)高增益、高效率、較大功率的能量變換，在隔離型和非隔離型DC-DC變換器領域進行了大量的研究工作，并取得了一定的研究成果。其主要的相關研究成果分別敘述如下：
[0004] 傳統(tǒng)的高電壓增益電路拓撲主要包括高頻隔離拓撲，開關電容或開關電感拓撲，耦合電感拓撲和基于電容-二極管的倍壓拓撲等。其中，有研究針對隔離型雙向DC-DC變換器的結構特點分別提出了一種新型零電壓開關雙向DC-DC變換器和單端正激帶同步整流技術的雙向DC-DC變換器，此類隔離型雙向DC-DC變換器由于拓撲結構中變壓器的存在，雖然能夠實現(xiàn)大變換比的功能，但其體積和成本較大，且易出現(xiàn)磁飽和現(xiàn)象，因而在一些儲能系統(tǒng)中并不適用；針對非隔離拓撲，有研究提出了一種非隔離雙向直流變換器，該電路在引入了一個耦合電感后，消除了開關器件寄生體二極管的反向恢復問題，但該變換器并沒有解決輸入/輸出電流紋波大的問題。同時，在非隔離變換器拓撲中，開關電容變換器由于具有重量輕、功率密度高等優(yōu)點而被廣泛采用。然而，開關電容充/放電過程中各功率器件上存在較大的電流沖擊，為了解決這個問題，研究人員提出了一類升壓型開關電容諧振變換器，后來又提出了一種基于開關電容的雙向諧振變換器。上述方案，可以實現(xiàn)高電壓增益和零電流軟開關，但是，極大的輸入電流紋波，使得這些拓撲僅適用于小功率應用場合。
[0005] 近年來，低壓、大功率電源系統(tǒng)的廣泛使用使得交錯并聯(lián)技術得到了快速的發(fā)展。交錯并聯(lián)技術因其具有低電流紋波、易于電磁干擾設計、動態(tài)響應快等特點而常被應用于一些電流較大的場合。目前已有較多研究在燃料電池和電動汽車等不同領域應用了交錯并聯(lián)技術，其主要原因是因為交錯并聯(lián)技術應用于雙向DC-DC變換器中不僅可以有效地降低變換器開關器件的開關電流應力與輸入/輸出電流的紋波，還有益于提高變換器的動態(tài)響應及變換器的效率。從諸多文獻來看，傳統(tǒng)的交錯并聯(lián)結構雙向DC-DC變換器雖然具有結構簡單，可靠性高等特點，但該電路存在以下缺點：
[0006] ①開關器件電壓應力為高壓側電壓VH，當VH較高時不利于開關器件的選??；
[0007] ②各模塊電感電流不能自動均流，需進行均流處理；
[0008] ③在一些輸入輸出電壓變換比大的場合，開關器件需要工作在極端占空比狀態(tài)，不利于變換器效率的提高，且限制了開關器件工作頻率的提升。
[0009] 2013年重慶大學提出了一種帶開關電容網(wǎng)絡的兩相交錯并聯(lián)型高增益Boost變換器，并對其工作原理和各功率開關器件電壓應力進行了分析。在此基礎上提出了一種基于開關電容的2相交錯并聯(lián)雙向變換器，能夠減小輸入電流紋波和開關器件電壓應力，并實現(xiàn)能量的雙向流動。但較大的電感量和輸入、輸出濾波電容導致其自動均流的動態(tài)特性較差，變換器易出現(xiàn)電流尖峰甚至失穩(wěn)，另外其升壓/降壓模式下其最高效率僅91%和 90%。
[0010] 根據(jù)上述問題，高電壓增益雙向DC-DC變換器還需進一步提高變換器的電壓增益、效率和功率密度，減小功率器件的電壓/電流應力。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0011] 本發(fā)明針對現(xiàn)有技術存在的上述不足，提出了一種基于開關電容和耦合電感的高電壓增益雙向DC-DC變換器，可有效地降低低壓側功率器件的電流應力和高壓側功率器件的電壓應力，采用耦合電感進一步降低輸入電流紋波和電感體積，提高變換器效率，實現(xiàn)了高效率、高電壓增益的雙向DC-DC能量變換。本發(fā)明高電壓增益雙向DC-DC變換器的電路結構雖然與傳統(tǒng)的交錯并聯(lián)雙向DC-DC變換器的電路結構類似，但拓撲增加了串聯(lián)的開關電容，并變換了其中懸浮開關器件的位置。高電壓增益雙向DC-DC變換器可從2 相并聯(lián)擴展至N相并聯(lián)（N為正的偶數(shù)），以4相并聯(lián)為例，1，3相與2, 4相的驅動信號完全相同，1，2相和3, 4相分別共用一個耦合電感。交錯并聯(lián)、磁集成和開關電容技術的結合，使得本發(fā)明中的新型拓撲不僅具備了交錯并聯(lián)變換器的特性，如低輸入電流紋波、易于 EMI (Electro-Magnetic Interference)設計等特點，還達到了輸入輸出電壓大變比及更低的開關電壓應力的目的。
[0012] 為了解決上述技術問題，本發(fā)明基于開關電容和耦合電感的高電壓增益雙向 DC-DC變換器由交錯并聯(lián)Boost變換器和耦合電感以及開關電容組合而成；該高電壓增益雙向DC-DC變換器的電路包括N/2個耦合電感[Lp L2]，T2 [L3、LJ……T(n/2) [L(n_D、Ln] ;2N 個高頻功率開S2……Sn&Qi，Q2……Qn;N-l個高頻開關電容(^，C 2……;兩個輸入、輸出濾波電容Q和CH;
[0013] 耦合電感?\，T2……Τ(Ν/2)的一端與低壓側濾波電容Q相連，連接節(jié)點記為低壓側輸入/輸出節(jié)點L，低壓側輸入/輸出節(jié)點電壓為 '，濾波電容CL的另外一端與輸入/輸出端的負極相連，連接節(jié)點記為G ;
[0014] 第一高頻功率開關器件Si，其具有源極、漏極和柵極，其漏極與第一耦合電感1\的一邊U的一端連接，連接節(jié)點記為N1 ;其源極與變換器輸入/輸出端的負極相連，連接節(jié)點記為G ;其柵極接控制器發(fā)出的控制信號GS1 ;
[0015] 第二高頻功率開關器件&，其具有源極、漏極和柵極，其漏極與第一耦合電感1\的一邊L 2的一端連接，連接節(jié)點記為N2 ;其源極與變換器輸入/輸出端的負極相連，連接節(jié)點記為G ;其柵極接控制器發(fā)出的控制信號GS2 ;
[0016] 第三高頻功率開關器件&，其具有源極、漏極和柵極，其漏極與第一耦合電感1~2的一邊L 3的一端連接，連接節(jié)點記為N3 ;其源極與變換器輸入/輸出端的負極相連，連接節(jié)點記為G ;其柵極接控制器發(fā)出的控制信號GS3 ;
[0017] 第四高頻功率開關器件&，其具有源極、漏極和柵極，其漏極與第一耦合電感1~2的一邊L 4的一端連接，連接節(jié)點記為Μ ;其源極與變換器輸入/輸出端的負極相連，連接節(jié)點記為G ;其柵極接控制器發(fā)出的控制信號GS4 ;
[0018] 以此類推：
[0019] 第N個高頻功率開關器件Sn，其具有源極、漏極和柵極，其漏極與第一耦合電感 T(n/2)的一邊Ln的一端連接，連接節(jié)點記為Nn ;其源極與變換器輸入/輸出端的負極相連，連接節(jié)點記為G ;其柵極接控制器發(fā)出的控制信號Gsn ;
[0020] 第（N+1)個高頻功率開關器件Qi，其具有源極、漏極和柵極，其漏極與第一開關電容Q的一端連接，連接節(jié)點記為Ml ;其源極與第一高頻功率開關器件Si的漏極相連，連接節(jié)點記為N1 ;其柵極接控制器發(fā)出的控制信號GQ1 ;
[0021] 第（N+2)個高頻功率開關器件Q2，其具有源極、漏極和柵極，其漏極與第二開關電容C 2的一端連接，連接節(jié)點記為M2 ;其源極與第一開關電容Q的一端相連，連接節(jié)點記為 Ml ;其柵極接控制器發(fā)出的控制信號GQ2 ;
[0022] 第（N+3)個高頻功率開關器件Q3，其具有源極、漏極和柵極，其漏極與第三開關電容C 3的一端連接，連接節(jié)點記為M3 ;其源極與第二開關電容C2的一端相連，連接節(jié)點記為 M2 ;其柵極接控制器發(fā)出的控制信號GQ3 ;
[0023] 以此類推：
[0024] 第2N個高頻功率開關器件Qn，其具有源極、漏極和柵極，其漏極與高壓側濾波電容 CH的一端連接，連接節(jié)點記為H，該高壓側輸入/輸出節(jié)點電壓為VH ;第2N個高頻功率開關器件Qn的源極與第N-1個開關電容的一端相連，連接節(jié)點記為M(n-l);其柵極接控制器發(fā) 出的控制信號G Qn;
[0025] 第一開關電容Q的兩端分別連接至節(jié)點N2和Ml ;
[0026] 第二開關電容C2的兩端分別連接至節(jié)點N3和M2 ;
[0027] 第三開關電容C3的兩端分別連接至節(jié)點Μ和M3 ;
[0028] 以此類推：
[0029] 第Ν-1個開關電容C(Iri)的兩端分別連接至節(jié)點Nn和M(n-l);
[0030] 輸出濾波電容CH的兩端分別連接至變換器高壓側輸入/輸出節(jié)點Η和變換器輸入/輸出端的負極G。
[0031] 進一步講，低壓側輸入/輸出端電壓八小于高壓側輸入/輸出端電壓VH。
[0032] 更進一步地，上述高電壓增益雙向DC-DC變換器電路的前級電路可以是較低電壓 (例如12V至48V)的儲能裝置，或者其他低壓直流電源等；后級電路可以是較高電壓（例如380V至650V)的直流母線或其他形式的直流變換器。
[0033] 與現(xiàn)有技術相比，本發(fā)明的有益效果是：
[0034] 1.本發(fā)明由交錯并聯(lián)Boost變換器和耦合電感以及開關電容組合而成。由于輸入端交錯并聯(lián)電感的存在使得輸入電流紋波小，由于每個耦合電感分為兩相，各相之間功率開關器件的驅動信號相位相差180度，使得輸入電流的紋波互補，紋波頻率加倍，并且多路輸入通道使得每通道的平均電流為總輸入電流的1/N，電感體積可明顯減小。
[0035] 2.本發(fā)明中各開關電容的電流應力較低。純粹的開關電容電路中電容充放電電流脈動大，會影響開關電容的使用壽命，而本發(fā)明中各開關電容與濾波電感串聯(lián)，各開關電容上的電流等于流過相應電感上的電流，由于電感電流脈動較小，使得所要求的開關電容容量減小，且有利于開關電容使用壽命的延長。
[0036] 3.本發(fā)明中由于開關電容的存在使得電感電流可實現(xiàn)自動均流，這樣就避免了交錯并聯(lián)拓撲中各電感量差異所造成的均流問題，理論上，該類電路無需額外的均流控制或均流電路。
[0037] 4.本發(fā)明中各功率開關器件的電壓應力較低，理論上各功率開關器件的最大電壓應力為VH/2。
[0038] 5.本發(fā)明中各功率開關器件的控制時序簡單，只要求同一耦合電感兩個繞組對應通道的驅動信號相位相差180度，并且升壓模式（' - VH)時每相驅動占空比大于50%，或者降壓模式- 時每相驅動占空比小于50%即可。
[0039] 6.本發(fā)明的高電壓增益雙向DC-DC變換器拓撲具有較強的可拓展性和實用性，其驅動信號最少為四路，一般的單片機或DSP數(shù)字控制器均可滿足要求，使用者可根據(jù)需要靈活選擇對拓撲的通道數(shù)進行縮減或增加。
[0040] 7.本發(fā)明具有通用性，可以應用到分布式發(fā)電中的蓄電池儲能裝置、電動汽車中的蓄電池充放電控制器、以及開關電源等多種需要高電壓增益和雙向功率流的場合。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0041] 圖1本發(fā)明基于開關電容和耦合電感的N相交錯并聯(lián)型高電壓增益雙向DC-DC變換器電路結構圖；
[0042] 圖2本發(fā)明基于開關電容和耦合電感的4相交錯并聯(lián)型高電壓增益雙向DC-DC變換器電路結構圖；
[0043] 圖3是圖2所示高電壓增益雙向DC-DC變換器在連續(xù)電感電流且升壓模式下的穩(wěn) 態(tài)工作波形圖；
[0044] 圖4是圖2所示高電壓增益雙向DC-DC變換器在連續(xù)電感電流且降壓模式下的穩(wěn) 態(tài)工作波形圖。

【具體實施方式】
[0045] 下面結合附圖和具體實施例對本發(fā)明技術方案作進一步詳細描述。
[0046] 如圖1所示，本發(fā)明基于開關電容和耦合電感的高電壓增益雙向DC-DC變換器，其電路的結構是：包括N/2個耦合電感
[0047] TjLp L2]，T2[L3、LJ ……T(n/2) [L(n_D、Ln] ;2N 個高頻功率開關 Sp S2……SI^Q1， Q2……Qn;N-l個高頻開關電容心，C2……C(Iri);以及兩個輸入、輸出濾波電容Q和C H;
[0048] 耦合電感?\，T2……Τ_的一端與低壓側濾波電容Q相連，連接節(jié)點記為低壓側輸入/輸出節(jié)點L，低壓側輸入/輸出節(jié)點電壓為 '，濾波電容Q的另外一端與輸入/輸出端的負極相連，連接節(jié)點記為G ;
[0049] 第一高頻功率開關器件Si，其具有源極、漏極和柵極，其漏極與第一耦合電感1\的一邊U的一端連接，連接節(jié)點記為N1 ;其源極與變換器輸入/輸出端的負極相連，連接節(jié)點記為G ;其柵極接控制器發(fā)出的控制信號GS1 ;
[0050] 第二高頻功率開關器件&，其具有源極、漏極和柵極，其漏極與第一耦合電感1\的一邊L 2的一端連接，連接節(jié)點記為N2 ;其源極與變換器輸入/輸出端的負極相連，連接節(jié)點記為G ;其柵極接控制器發(fā)出的控制信號GS2 ;
[0051] 第三高頻功率開關器件&，其具有源極、漏極和柵極，其漏極與第一耦合電感1~2的一邊L 3的一端連接，連接節(jié)點記為N3 ;其源極與變換器輸入/輸出端的負極相連，連接節(jié)點記為G ;其柵極接控制器發(fā)出的控制信號GS3 ;
[0052] 第四高頻功率開關器件&，其具有源極、漏極和柵極，其漏極與第一耦合電感1~2的一邊L 4的一端連接，連接節(jié)點記為Μ ;其源極與變換器輸入/輸出端的負極相連，連接節(jié)點記為G ;其柵極接控制器發(fā)出的控制信號GS4 ;
[0053] 以此類推：
[0054] 第N個高頻功率開關器件Sn，其具有源極、漏極和柵極，其漏極與第一耦合電感 T(n/2)的一邊Ln的一端連接，連接節(jié)點記為Nn ;其源極與變換器輸入/輸出端的負極相連，連接節(jié)點記為G ;其柵極接控制器發(fā)出的控制信號Gsn ;
[0055] 第（N+1)個高頻功率開關器件％，其具有源極、漏極和柵極，其漏極與第一開關電容Q的一端連接，連接節(jié)點記為Ml ;其源極與第一高頻功率開關器件Si的漏極相連，連接節(jié)點記為N1 ;其柵極接控制器發(fā)出的控制信號GQ1 ;
[0056] 第（N+2)個高頻功率開關器件Q2，其具有源極、漏極和柵極，其漏極與第二開關電容(： 2的一端連接，連接節(jié)點記為M2 ;其源極與第一開關電容(^的一端相連，連接節(jié)點記為 Ml ;其柵極接控制器發(fā)出的控制信號GQ2 ;
[0057] 第（N+3)個高頻功率開關器件Q3，其具有源極、漏極和柵極，其漏極與第三開關電容C 3的一端連接，連接節(jié)點記為M3 ;其源極與第二開關電容C2的一端相連，連接節(jié)點記為 M2 ;其柵極接控制器發(fā)出的控制信號GQ3 ;
[0058] 以此類推：
[0059] 第2N個高頻功率開關器件Qn，其具有源極、漏極和柵極，其漏極與高壓側濾波電容 CH的一端連接，連接節(jié)點記為H，該高壓側輸入/輸出節(jié)點電壓為VH ;其源極與第N-1個開關電容的一端相連，連接節(jié)點記為M(n-l);其柵極接控制器發(fā)出的控制信號GQn ;
[0060] 第一開關電容Ci的兩端分別連接至節(jié)點N2和Ml ;
[0061] 第二開關電容C2的兩端分別連接至節(jié)點N3和M2 ;
[0062] 第三開關電容C3的兩端分別連接至節(jié)點Μ和M3 ;
[0063] 以此類推：
[0064] 第Ν-1個開關電容C(Iri)的兩端分別連接至節(jié)點Nn和M(n-l);
[0065] 輸出濾波電容CH的兩端分別連接至變換器高壓側輸入/輸出節(jié)點Η和變換器輸入/輸出端的負極G。
[0066] 進一步地，所述的低壓側輸入/輸出端電壓 '小于高壓側輸入/輸出端電壓VH。
[0067] 本發(fā)明基于開關電容和耦合電感的高電壓增益雙向DC-DC變換器的工作原理在于：通過對第一、第二……和第2N個高頻功率開關Si、S2……Sn，Qp Q2……和Qn的控制，實現(xiàn)本發(fā)明的兩種工作模式，具體如下：
[0068] (1)升壓模式：此時，第一、第二……第N個高頻功率開*Si、S2……和S nS主控開關且控制信號占空比大于50%，第n+l、n+2……和第2N個高頻功率開關％、Q2……和Q n的控制信號與SpS2……和Sn的控制信號分別互補。第一、第三……和第n-1個高頻功率開關的驅動控制信號相同，第二、第四……和第η個高頻功率開關的驅動控制信號相同，且兩者相位相差180度。當控制器控制高頻功率開關Sp S2……和Sn*部導通，則各電感Li、L2…… 、均儲能；當控制器控制第一、第三……和第N-1個高頻功率開關Sp S3……和S(Iri)導通，而第二、第四……第η個高頻功率開關S2、S 4……Sn關斷時，則電感Li、L3……和L(Iri)儲能，而電感L 2、L4……和Ln則通過對應的開關電容Q、C2……、Cn-1和輸出濾波電容C H放電，功率經(jīng)由低壓輸入/輸出端 '變換至高壓輸入/輸出端VH，實現(xiàn)低壓直流能量的升壓變換；
[0069] (2)降壓模式：此時，第n+l、n+2……和第2N個高頻功率開關……和Qn為主控開關且控制信號占空比小于50%，第n+1、第n+2……第2N個高頻功率開關％、Q 2……和 Qn的控制信號與Sp S2……和Sn的控制信號分別互補。第n+1、第n+3……和第2n_l個高頻功率開關的驅動控制信號相同，第n+2、第n+4……和第2n個高頻功率開關的驅動控制信號相同，且兩者相位相差180度。當控制器控制高頻功率開關(^、〇 2……和仏全部關斷，則各電感U、L2……Ln均工作在續(xù)流狀態(tài)；當控制器控制第n+2、第n+4……和第2N個高頻功率開關Q 2、Q4……和Qn導通，而第n+1、第n+3……和第2N-1個高頻功率開關％、Q 3……和 Q(rf關斷時，則電感1^山……和1^〇續(xù)流，而電感L2、L4……和、則通過對應的開關電容 Q、C2……、Cn_i和低壓側濾波電容Q儲能，功率經(jīng)由高壓輸入/輸出端VH變換至低壓輸入 /輸出端 '，實現(xiàn)高壓直流能量的降壓變換；
[0070] 本發(fā)明提出的高電壓增益雙向DC-DC變換器可以具有任意大于2的偶數(shù)通道，為了使本【技術領域】的人員更好地理解本發(fā)明方案，如圖2所示，以4相交錯并聯(lián)型高電壓增益雙向DC-DC變換器為例，結合圖3和圖4具體分析其穩(wěn)態(tài)工作過程。
[0071] 如圖2,該4相交錯并聯(lián)型高電壓增益雙向DC-DC變換器的電路中，包括2個耦合電感TjLpIJ，T2[L3、L4] ;8個高頻功率開關Sp Q2、Q3、Q4 ;3個高頻開關電容Q，C2和C3 ;以及兩個輸入、輸出濾波電容Q和CH ;
[0072] 耦合電感1\，T2的一端與低壓側濾波電容Q相連，連接節(jié)點記為低壓側輸入/輸出節(jié)點L，濾波電容Q的另外一端與輸入/輸出端的負極相連，連接節(jié)點記為G ;
[0073] 第一高頻功率開關器件Si，其具有源極、漏極和柵極，其漏極與第一耦合電感1\的一邊U的一端連接，連接節(jié)點記為N1 ;其源極與變換器輸入/輸出端的負極相連，連接節(jié)點記為G ;其柵極接控制器發(fā)出的控制信號GS1 ;
[0074] 第二高頻功率開關器件&，其具有源極、漏極和柵極，其漏極與第一耦合電感1\的一邊L 2的一端連接，連接節(jié)點記為N2 ;其源極與變換器輸入/輸出端的負極相連，連接節(jié)點記為G ;其柵極接控制器發(fā)出的控制信號GS2 ;
[0075] 第三高頻功率開關器件&，其具有源極、漏極和柵極，其漏極與第一耦合電感1~2的一邊L 3的一端連接，連接節(jié)點記為N3 ;其源極與變換器輸入/輸出端的負極相連，連接節(jié)點記為G ;其柵極接控制器發(fā)出的控制信號GS3 ;
[0076] 第四高頻功率開關器件&，其具有源極、漏極和柵極，其漏極與第一耦合電感1~2的一邊L 4的一端連接，連接節(jié)點記為Μ ;其源極與變換器輸入/輸出端的負極相連，連接節(jié)點記為G ;其柵極接控制器發(fā)出的控制信號GS4 ;
[0077] 第五個高頻功率開關器件Qi，其具有源極、漏極和柵極，其漏極與第一開關電容Ci 的一端連接，連接節(jié)點記為Ml ;其源極與第一高頻功率開關器件Si的漏極相連，連接節(jié)點記為N1 ;其柵極接控制器發(fā)出的控制信號GQ1 ;
[0078] 第六個高頻功率開關器件Q2，其具有源極、漏極和柵極，其漏極與第二開關電容C 2 的一端連接，連接節(jié)點記為M2 ;其源極與第一開關電容(^的一端相連，連接節(jié)點記為Ml ;其柵極接控制器發(fā)出的控制信號GQ2 ;
[0079] 第七個高頻功率開關器件Q3，其具有源極、漏極和柵極，其漏極與第三開關電容C 3 的一端連接，連接節(jié)點記為M3 ;其源極與第二開關電容C2的一端相連，連接節(jié)點記為M2 ;其柵極接控制器發(fā)出的控制信號GQ3 ;
[0080] 第八個高頻功率開關器件Q4，其具有源極、漏極和柵極，其漏極與高壓側濾波電容 CH的一端連接，連接節(jié)點記為Η ;其源極與第三開關電容C3的一端相連，連接節(jié)點記為M3 ; 其柵極接控制器發(fā)出的控制信號GQ4 ;
[0081] 第一開關電容Ci的兩端分別連接至節(jié)點N2和Ml ;
[0082] 第二開關電容C2的兩端分別連接至節(jié)點N3和M2 ;
[0083] 第三開關電容C3的兩端分別連接至節(jié)點Μ和M3 ;
[0084] 輸出濾波電容CH的兩端分別連接至變換器高壓側輸入/輸出節(jié)點Η和變換器輸入/輸出端的負極G。
[0085] 如圖3,在連續(xù)電感電流且升壓模式下，將電路分為四個工作模態(tài)：
[0086] 模態(tài)&(、?&):第一、第三高頻功率開關器件Sp S3導通，第二、第四高頻功率開關器件s2, S4關斷。電感Lp L3由低壓側電源八充電，電感電流iu，L線性上升，耦合電感的作用使得i u，iu上升斜率變緩。電感L2和第一開關電容Q釋放能量給第二開關電容C2 充電。電感L4和第三開關電容(：3則在釋放能量給高壓側濾波電容CH充電。電感電流L，線性下降，耦合電感的作用使得L，下降斜率變陡。此模態(tài)下，第一、第三開關電容 Q，C3放電。第二電容C2，高壓側濾波電容CH充電。
[0087] 模態(tài)b(ti?t2):第一、二、三和第四高頻功率開關器件51，5 2,53,54導通，電感1^1， L2, L3, L4由低壓側電源八充電，電感電流iu，i。，iu，線性上升，耦合電感的作用使得i u， L，iu，沁上升斜率變陡。第五、六、七和第八高頻功率開關器件％、Q2、Q3、A因為承受反向壓降而自然關斷，第一、二和第三開關電容上電流為0。負載由高壓側濾波電容(^供電。
[0088] 模態(tài)c(t2?t3):第一、第三高頻功率開關器件Sp S3關斷，第二、第四高頻功率開關器件s2, S4導通。電感L2, L4由低壓側電源 '通過第二、第四高頻功率開關器件s2, s4充電，電流L，線性上升，耦合電感的作用使得L，上升斜率變緩。U通過第五高頻功率開關器件％釋放能量給第一開關電容q充電。電感L 3與第二開關電容C2，以及低壓側電源'串聯(lián)，通過第七高頻功率開關器件仏共同給第三開關電容C 3充電，電感L3，第二開關電容(：2釋放能量。電感電流iu，込線性下降，耦合電感的作用使得^，下降斜率變陡。第一、第三開關電容(^，(： 3充電。第二開關電容(：2放電。第六、第八高頻功率開關器件 Q2，Q4因為承受反向壓降而截止，負載由高壓側濾波電容CH提供能量。
[0089] 模態(tài)d(t3?t4):電路工作狀態(tài)與模態(tài)2相同，第一、二、三和第四高頻功率開關器件Sp S2, SjPS4導通。電感Lp L2, L3, L4由低壓側電源八充電，電感電流iu，iw iu，線性上升，耦合電感的作用使得iu，込，iu，上升斜率變陡。
[0090] 所述的4相交錯并聯(lián)型高電壓增益雙向DC-DC變換器相比于基本的交錯并聯(lián) Boost升壓DC變換器具有4倍的增益比，且該變換器的4相輸入電流在第一、二、三和第四功率開關器件控制信號占空比相等時具有自動的電流均衡能力。在升壓模式下，該變換器輸入端 '連接電壓供給裝置（如鋰電池、超級電容等），輸出端VH則為電壓可控的高壓直流電。
[0091] 如圖4,在連續(xù)電感電流且降壓模式下，將電路分為四個工作模態(tài)：
[0092] 模態(tài):第六、第八高頻功率開關器件Q2, Q4導通，第五、第七高頻功率開關器件％，Q3關斷。電感U，L3分別通過第一、第三高頻功率開關器件Sp S3續(xù)流，向低壓側負載'釋放能量，電感電流iu，込線性下降，耦合電感的作用使得、，込下降斜率變緩。第二開關電容C 2釋放能量給電感L2和第一開關電容q充電。高壓側濾波電容(^釋放能量給電感L4和第三開關電容(： 3充電。電感電流込，、線性上升，耦合電感的作用使得L，上升斜率變陡。此模態(tài)下，第一、第三開關電容(^，（：3充電。第二電容C2，高壓側濾波電容心放電。
[0093] I旲態(tài)b (h?t2):第五、7K、七和第八商頻功率開關器件Qp Q2, (?和％關斷。電感 Li，L2, L3, L4續(xù)流，分別通過第一、二、三和第四高頻功率開關器件51，S2, S3, S4向低壓側負載Vi^供電，電感電流iu，L，iu，L線性下降，稱合電感的作用使得iu，L，iu，L下降斜率變陡。第一、二和第三開關電容上電流為〇,電壓保持恒定。
[0094] 模態(tài)c(t2?t3):第六、第八高頻功率開關器件Q 2, Q4關斷，第五、第七高頻功率開關器件Qi、Q3導通。電感L2, L4分別通過第二、第四功率開關器件S2, S4續(xù)流，向低壓側負載 '釋放能量，電流L，、線性下降，耦合電感的作用使得L，下降斜率變陡。第一開關電容Q通過第五高頻功率開關器件％釋放能量給U和低壓側負載 '。第三開關電容C3通過第七高頻功率開關器件Q3釋放能量，給電感L3與第二開關電容C 2，以及低壓側負載 '及 Q充電。電感電流iu，線性上升，耦合電感的作用使得iu，上升斜率變緩。第一、第三開關電容Ci，C 3放電。第二開關電容(：2充電。第一、第三高頻功率開關器件Si，S3承受反向壓降截止。
[0095] 模態(tài)d(t3?t4):電路工作狀態(tài)與模態(tài)2相同，第五、六、七和第八高頻功率開關器件％，Q 2, Q3和Q4關斷。電感U，L2, L3, L4分別通過第一、二、三和第四高頻功率開關器件Sp S2, S3, S4續(xù)流，向低壓側負載釋放能量，電感電流iu，i。，iu，線性下降，稱合電感的作用使得i u，L，iu，L下降斜率變陡。
[0096] 所述的4相交錯并聯(lián)型高電壓增益雙向DC-DC變換器工作于降壓模式時相比于基本的交錯并聯(lián)Buck降壓DC變換器具有四倍的降壓傳輸比，且該變換器的4相輸出電流在第五、六、七和第八功率開關器件控制信號占空比相等時具有自動的電流均衡能力。在降壓模式下，該變換器輸入端V H連接直流母線等高壓直流電，輸出端 '則為能量儲存裝置（如鋰電池、超級電容等）。
[0097] 其中的第一、第二耦合電感^和^的作用是減小通道內(nèi)電流紋波，因此，電路設計中可通過調(diào)整耦合系數(shù)或互感Μ來達到最優(yōu)的紋波抑制效果。
[0098] 實施例僅是為了工作原理闡述簡單而采用了 4相交錯并聯(lián)型高電壓增益雙向 DC-DC變換器，在實際的應用中，能夠根據(jù)實際應用情況合理選擇并聯(lián)通道的個數(shù)，以達到優(yōu)化電壓增益、效率和成本的目的。
[0099] 綜上所述，本發(fā)明高電壓增益雙向DC-DC變換器，通過并聯(lián)通道數(shù)量的增加，可顯著的降低各功率器件的電壓和電流應力，同時，采用耦合系數(shù)優(yōu)化設計后的耦合電感，進一步減小了電感量和電感體積，降低了通道內(nèi)電感電流紋波，改善了變換器自動均流時的動態(tài)性能。總之，無論對于交直流微網(wǎng)系統(tǒng)、分布式可再生能源發(fā)電系統(tǒng)，還是其他諸如燃料電池汽車等需要高電壓增益的直流功率變換場合，本發(fā)明都具有積極的推廣應用價值。
[0100] 盡管上面結合附圖對本發(fā)明進行了描述，但是本發(fā)明并不局限于上述的具體實施方式，上述的【具體實施方式】僅僅是示意性的，而不是限制性的，本領域的普通技術人員在本發(fā)明的啟示下，在不脫離本發(fā)明宗旨的情況下，還可以做出很多變形，凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)，所做的任何修改、等同替換、改進等，這些均屬于本發(fā)明的保護之內(nèi)。
【權利要求】
1. 一種基于開關電容和f禹合電感的高電壓增益雙向DC-DC變換器，其特征在于，由交錯并聯(lián)Boost變換器和耦合電感以及開關電容組合而成；該高電壓增益雙向DC-DC變換器的電路包括N/2個耦合電感L 2]，T2[L3、LJ……Ln] ;2N個高頻功率開關 Si, S2……3"及％，Q2……Qn ;N-1個高頻開關電容Q，C2……C(Iri);兩個輸入、輸出濾波電容 CL 和 CH; 耦合電感!\，T2……Τ(Ν/2)的一端與低壓側濾波電容Q相連，連接節(jié)點記為低壓側輸入 /輸出節(jié)點L，該低壓側輸入/輸出節(jié)點電壓為\ ;濾波電容Q的另外一端與輸入/輸出端的負極相連，連接節(jié)點記為G ; 第一高頻功率開關器件Si，其具有源極、漏極和柵極，其漏極與第一耦合電感?\的一邊 U的一端連接，連接節(jié)點記為Ν1 ;其源極與變換器輸入/輸出端的負極相連，連接節(jié)點記為 G ;其柵極接控制器發(fā)出的控制信號GS1 ; 第二高頻功率開關器件S2，其具有源極、漏極和柵極，其漏極與第一耦合電感?\的一邊 L2的一端連接，連接節(jié)點記為Ν2 ;其源極與變換器輸入/輸出端的負極相連，連接節(jié)點記為 G ;其柵極接控制器發(fā)出的控制信號GS2 ; 第三高頻功率開關器件S3，其具有源極、漏極和柵極，其漏極與第一耦合電感T2的一邊 L3的一端連接，連接節(jié)點記為Ν3 ;其源極與變換器輸入/輸出端的負極相連，連接節(jié)點記為 G ;其柵極接控制器發(fā)出的控制信號GS3 ; 第四高頻功率開關器件&，其具有源極、漏極和柵極，其漏極與第一耦合電感T2的一邊 L4的一端連接，連接節(jié)點記為Μ ;其源極與變換器輸入/輸出端的負極相連，連接節(jié)點記為 G ;其柵極接控制器發(fā)出的控制信號GS4 ; 以此類推：第N個高頻功率開關器件Sn，其具有源極、漏極和柵極，其漏極與第一耦合電感T (n/2) 的一邊Ln的一端連接，連接節(jié)點記為Nn ;其源極與變換器輸入/輸出端的負極相連，連接節(jié) 點記為G ;其柵極接控制器發(fā)出的控制信號Gsn ; 第（N+1)個高頻功率開關器件％，其具有源極、漏極和柵極，其漏極與第一開關電容q 的一端連接，連接節(jié)點記為Ml ;其源極與第一高頻功率開關器件Si的漏極相連，連接節(jié)點記為N1 ;其柵極接控制器發(fā)出的控制信號GQ1 ; 第（N+2)個高頻功率開關器件Q2，其具有源極、漏極和柵極，其漏極與第二開關電容C2 的一端連接，連接節(jié)點記為M2 ;其源極與第一開關電容(^的一端相連，連接節(jié)點記為Ml ;其柵極接控制器發(fā)出的控制信號GQ2 ; 第（N+3)個高頻功率開關器件Q3，其具有源極、漏極和柵極，其漏極與第三開關電容C3 的一端連接，連接節(jié)點記為M3 ;其源極與第二開關電容C2的一端相連，連接節(jié)點記為M2 ;其柵極接控制器發(fā)出的控制信號GQ3 ; 以此類推：第2N個高頻功率開關器件Qn，其具有源極、漏極和柵極，其漏極與高壓側濾波電容(^的一端連接，連接節(jié)點記為H，該高壓側輸入/輸出節(jié)點電壓為VH ;第2N個高頻功率開關器件 Qn的源極與第N-1個開關電容的一端相連，連接節(jié)點記為M(n-l);其柵極接控制器發(fā)出的控制信號G Qn ; 第一開關電容Q的兩端分別連接至節(jié)點N2和Ml ; 第二開關電容c2的兩端分別連接至節(jié)點N3和M2 ; 第三開關電容C3的兩端分別連接至節(jié)點Μ和M3 ; 以此類推：第Ν-1個開關電容的兩端分別連接至節(jié)點Νη和M(n-l); 輸出濾波電容CH的兩端分別連接至變換器高壓側輸入/輸出節(jié)點Η和變換器輸入/輸出端的負極G。
2. 根據(jù)權利要求1所述基于開關電容和耦合電感的高電壓增益雙向DC-DC變換器，其特征在于，低壓側輸入/輸出電壓' 小于高壓側輸入/輸出電壓VH。
3. 根據(jù)權利要求1或2所述基于開關電容和耦合電感的高電壓增益雙向DC-DC變換器，其特征在于，高電壓增益雙向DC-DC變換器的前級電路是一電壓為12V至48V的儲能裝置或直流電源，高電壓增益雙向DC-DC變換器的后級電路是一電壓為380V至650V的直流母線或直流變換器。
【文檔編號】H02M3/155GK104218798SQ201410477603
【公開日】2014年12月17日申請日期:2014年9月18日優(yōu)先權日:2014年9月18日
【發(fā)明者】王議鋒, 薛利坤, 王成山, 王萍申請人:天津大學

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