非隔离双向高增益DC/DC变换器及变频控制方法技术

技术编号:14915530 阅读:172 留言:0更新日期:2017-03-30 04:30
本发明专利技术公开的一种非隔离双向高增益DC/DC变换器及变频控制方法,属于电力电子领域的非隔离高频功率变换方向。本发明专利技术公开的一种非隔离双向高增益DC/DC变换器,包括主电路和控制电路。所述的主电路主要由低压端VL、高压端VH、两个电感(L1,L2),n+2个MOS管(S1,S2,Q1~Qn)和n个电容(C1~Cn)组成。其中,n为级联数量。本发明专利技术还公开一种用于非隔离双向高增益DC/DC变换器的变频控制方法,利用上述的变频控制方法调节MOS管的开关频率,使得变换器主电路每个MOS管都在保证实现软开关的前提下,减小电流脉动和环流损耗。本发明专利技术可广泛用于蓄电池储能或新能源汽车电机驱动系统。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种非隔离双向功率流高增益DC/DC变换器及其变频控制方法,属于电力电子领域的非隔离高频功率变换方向。
技术介绍
蓄电池如今广泛应用于各类工业和电子产品中,例如不间断电源(UPS),交直流微电网的储能系统以及混合动力或电动汽车等。对于较大功率的应用,所需的直流电压一般较高,然而蓄电池单体电压却较低,为了得到高压,需要将电池大量的串联。但这样很难保证各电池电压均衡,长时间工作后可能会出现某些电池过充或过放问题,严重时甚至会出现起火爆炸等危险。因此一般需要采用均压电路保证每个电池电压均衡,但是这样做会使系统变得复杂,体积增大,效率降低。如果可将低压蓄电池直接升至高压即可避免这些问题。对于双向隔离式拓扑,双有源桥式(DAB)变换器可以实现这个功能,然而对于电压源型DAB来说,为了实现软开关和高效率转换,其电压范围很难宽范围调节,并不适宜蓄电池这种应用。而对于电流源型DAB而言,尽管其工作电压范围宽,但是需要大量的磁性元件,降低了变换器的功率密度。在很多应用场合中,非隔离变换器具有更优异的特性。由于没有变压器,效率和功率密度都有了很大的提高。理论上传统的Buck/Boost变换器可以实现双向高增益的电能转换,然而实际中由于电感寄生电阻的存在,很难将升压比提高到4倍以上。文献中提出了几种相关的非隔离双向高增益变换器拓扑:方法一:IEEETransactionsonPowerElectronics【电力电子期刊】于2016年发表的“ComparisonofaBuckConverterandaSeriesCapacitorBuckConverterforHigh-Frequency,High-Conversion-RatioVoltageRegulators”,采用了串联电容的方法将电压转换比升高至2/(1-D),然而仍旧无法适用于需要更高比例的场合。方法二:IEEETransactionsonPowerElectronics【电力电子期刊】于2016年发表的“InterleavedHigh-Conversion-RatioBidirectionalDC–DCConverterforDistributedEnergy-StorageSystems—CircuitGeneration,Analysis,andDesign”【应用于分布式储能系统中的交错高电压转换比双向DC-DC变换器】采用了2n个MOS管,n个电感和电容,实现了n/(1-D)倍的升压比,但不能实现所有MOS管的软开关,降低了转换效率,而且电磁噪声较大。另外对于类似Buck/Boost的非隔离双向变换器,处于同步整流的开关管总能实现软开通,而主开关管却不能。如果要使主开关管也实现软开关,则电感值需设计的较小,使得电感电流脉动足够大,保证即使在满载的情况下也有反向的电流为开关管的结电容放电。因此在轻载下会有很大的反向电感电流,导致较大的环流损耗,降低了效率。为了解决轻载下环流损耗大的问题,有文献提出相关方法。IEEETransactionsonPowerElectronics【电力电子期刊】于2016年发表的“DCM-BasedZero-VoltageSwitchingControlofaBidirectionalDC–DCConverterWithVariableSwitchingFrequency”【基于DCM的双向DC-DC软开关的变频控制】采用改变开关频率的方法减小传统Buck/Boost变换器轻载下的电流脉动的和环流损耗,然而该方法需要同时采样低压端和高压端电压以及低压端总电流进行数字变频控制,成本高,计算较复杂,且精度较低,动态响应慢。
技术实现思路
针对传统非隔离双向Buck/Boost变换器低压端和高压端电压转换比例有限以及无法实现软开关的技术问题,本专利技术公开一种非隔离双向高增益DC/DC变换器,还公开一种用于非隔离双向高增益DC/DC变换器的变频控制方法,要解决的技术问题是实现对非隔离双向高增益DC/DC变换器的软开关控制,减小轻载下的电流脉动和环流损耗,提高转换效率。本专利技术的核心思想是提出一种非隔离双向高增益DC/DC变换器,通过合理选择参数,使得所有MOS管实现全范围软开关。同时提出一种用于非隔离双向高增益DC/DC变换器的变频控制方法,通过调节开关频率使得负载无论如何变化,反向电流均能保持在刚好实现所有MOS管软开通的水平,提高轻载下变换器的效率。本专利技术的目的是通过下述技术方案实现的。本专利技术公开的一种非隔离双向高增益DC/DC变换器,包括主电路和控制电路。所述的主电路主要由低压端VL、高压端VH、两个电感(L1,L2),n+2个MOS管(S1,S2,Q1~Qn)和n个电容(C1~Cn)组成。其中,n为级联数量。两个电感(L1,L2)和两个MOS管S1,S2构成交错并联结构。n个电容(C1~Cn)和n个MOS管(Q1~Qn)组成开关电容倍压电路,用于进一步提高高压端电压VH。主电路的连接关系为:低压端的正极通过两个电感(L1,L2)分别在A点和B点与MOS管S1和S2的漏极相连,MOS管S1和S2的源极与低压端负极和高压端负极均连在一起。电容Cn与高压端并联。除了电容Cn以外,编号为奇数的电容(C1,C3,…,C2k-1)(k=1,2,…)的负极均与A点相连,而编号为偶数的电容(C2,C4,…,C2k)的负极与B点相连。MOS管(Q1,Q2…Qn)依次串联,即MOS管Q1的漏极与MOS管Q2的源极相连,MOS管Q2的漏极与MOS管Q3的源极相连,以此类推。而MOS管Q1的源极与B点相连,MOS管Qn的漏极与高压端的正极相连。电容C1的正极与MOS管Q1的漏极相连,电容C2的正极与MOS管Q2的漏极相连,以此类推,电容Cn的正极与MOS管Qn的漏极相连。所述的MOS管(S1,S2,Qn)的耐压应高于VH/n,MOS管(Q1,Q2…Qn-1)耐压应高于2VH/n。电容(C1,C2…Cn)稳态工作时的电压为VCk=kVH/n。所述的两个电感(L1,L2)的电感值相同。所述的控制电路主要由控制器和驱动电路构成。控制器采用数字控制,通过传感器对高压端电压VL和低压端总电流Iavg进行采样,并依据电压电流双闭环的方法调节调制波。将调制波与载波进行比较得到占空比信号D,范围需限制在0.5~0.8,并通过逻辑转换得到所有n+2个MOS管(S1,S2,Q1~Qn)的占空比信号,经过驱动电路放大,控制所有MOS管的开通和关断,进而调节主电路的高压端VH与低压端VL的比例。所述的对占空比信号D的逻辑转换是指设置MOS管S1和S2的占空比为D,S1与S2之间移相180°,MOS管Q1~Qn的占空比为1-D,S1与Q2k互补,S2与Q2k-1互补。所述的级联数量n根据低压端电压VL和高压端电压VH的电压范围确定,即级联数量n需使得低压端电压VL和高压端电压VH的电压范围满足公式VH/4VL<n<VH/2VL,变换器的增益为VH/VL=n/(1-D)。当级联数量n为偶数时,两个电感(L1,L2)平均电流相同,当级联数量n为奇数时,两个电感电流比例为(n+1)/(n-1),故所述的级联数量n优选为偶本文档来自技高网
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【技术保护点】
一种非隔离双向高增益DC/DC变换器,其特征在于:包括主电路和控制电路;所述的主电路主要由低压端VL、高压端VH、两个电感(L1,L2),n+2个MOS管(S1,S2,Q1~Qn)和n个电容(C1~Cn)组成;其中,n为级联数量;两个电感(L1,L2)和两个MOS管S1,S2构成交错并联结构;n个电容(C1~Cn)和n个MOS管(Q1~Qn)组成开关电容倍压电路,用于进一步提高高压端电压VH;低压端的正极通过两个电感(L1,L2)分别在A点和B点与MOS管S1和S2的漏极相连,MOS管S1和S2的源极与低压端负极和高压端负极均连在一起;电容Cn与高压端并联;除了电容Cn以外,编号为奇数的电容(C1,C3,…,C2k‑1)(k=1,2,…)的负极均与A点相连,而编号为偶数的电容(C2,C4,…,C2k)的负极与B点相连;MOS管(Q1,Q2…Qn)依次串联,即MOS管Q1的漏极与MOS管Q2的源极相连,MOS管Q2的漏极与MOS管Q3的源极相连,以此类推;而MOS管Q1的源极与B点相连,MOS管Qn的漏极与高压端的正极相连;电容C1的正极与MOS管Q1的漏极相连,电容C2的正极与MOS管Q2的漏极相连,以此类推,电容Cn的正极与MOS管Qn的漏极相连;所述的MOS管(S1,S2,Qn)的耐压应高于VH/n,MOS管(Q1,Q2…Qn‑1)耐压应高于2VH/n;电容(C1,C2…Cn)稳态工作时的电压为VCk=kVH/n;所述的两个电感(L1,L2)的电感值相同;所述的控制电路主要由控制器和驱动电路构成;控制器采用数字控制,通过传感器对高压端电压VL和低压端总电流Iavg进行采样,并依据电压电流双闭环的方法调节调制波;将调制波与载波进行比较得到占空比信号D,范围需限制在0.5~0.8,并通过逻辑转换得到所有n+2个MOS管(S1,S2,Q1~Qn)的占空比信号,经过驱动电路放大,控制所有MOS管的开通和关断,进而调节主电路的高压端VH与低压端VL的比例。...

【技术特征摘要】
1.一种非隔离双向高增益DC/DC变换器,其特征在于:包括主电路和控制电路;所述的主电路主要由低压端VL、高压端VH、两个电感(L1,L2),n+2个MOS管(S1,S2,Q1~Qn)和n个电容(C1~Cn)组成;其中,n为级联数量;两个电感(L1,L2)和两个MOS管S1,S2构成交错并联结构;n个电容(C1~Cn)和n个MOS管(Q1~Qn)组成开关电容倍压电路,用于进一步提高高压端电压VH;低压端的正极通过两个电感(L1,L2)分别在A点和B点与MOS管S1和S2的漏极相连,MOS管S1和S2的源极与低压端负极和高压端负极均连在一起;电容Cn与高压端并联;除了电容Cn以外,编号为奇数的电容(C1,C3,…,C2k-1)(k=1,2,…)的负极均与A点相连,而编号为偶数的电容(C2,C4,…,C2k)的负极与B点相连;MOS管(Q1,Q2…Qn)依次串联,即MOS管Q1的漏极与MOS管Q2的源极相连,MOS管Q2的漏极与MOS管Q3的源极相连,以此类推;而MOS管Q1的源极与B点相连,MOS管Qn的漏极与高压端的正极相连;电容C1的正极与MOS管Q1的漏极相连,电容C2的正极与MOS管Q2的漏极相连,以此类推,电容Cn的正极与MOS管Qn的漏极相连;所述的MOS管(S1,S2,Qn)的耐压应高于VH/n,MOS管(Q1,Q2…Qn-1)耐压应高于2VH/n;电容(C1,C2…Cn)稳态工作时的电压为VCk=kVH/n;所述的两个电感(L1,L2)的电感值相同;所述的控制电路主要由控制器和驱动电路构成;控制器采用数字控制,通过传感器对高压端电压VL和低压端总电流Iavg进行采样,并依据电压电流双闭环的方法调节调制波;将调制波与载波进行比较得到占空比信号D,范围需限制在0.5~0.8,并通过逻辑转换得到所有n+2个MOS管(S1,S2,Q1~Qn)的占空比信号,经过驱动电路放大,控制所有MOS管的开通和关断,进而调节主电路的高压端VH与低压端VL的比例。2.根据权利要求1所述的一种非隔离双向高增益DC/DC变换器,其特征在于:所述的对占空比信号D的逻辑转换是指设置MOS管S1和S2的占空比为D,S1与S2之间移相180°,MOS管Q1~Qn的占空比为1-D,S1与Q2k互补,S2与Q2k-1互补。3.根据权利要求1或2所述的一种非隔离双向高增益DC/DC变换器,其特征在于:所述的级联数量n根据低压端电压VL和高压端电压VH的电压范围确定,即级联数量n需使得低压端电压VL和高压端电压VH的电压范围满足公式VH/4VL<n<VH/2VL,变换器的增益为VH/VL=n/(1-D);当级联数量n...

【专利技术属性】
技术研发人员:沙德尚陈建良焉禹
申请(专利权)人:北京理工大学
类型:发明
国别省市:北京;11

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