一种开关准Z源宽增益双向直流变换器制造技术

本发明专利技术公开了一种开关准Z源宽增益双向直流变换器，应用于复合能量源电动汽车，所述开关准Z源宽增益双向直流变换器包括：由电感L1、电感L2、开关电容C1、开关电容C2和功率开关Q2组成的开关准Z源网络；还包括，功率开关Q1、功率开关Q3、高压侧储能滤波电容Chigh、以及低压侧储能滤波电容Clow；功率开关Q2和Q3的驱动信号相同，并且与功率开关Q1的驱动信号互补；所述开关准Z源宽增益双向直流变换器既可运行在升压模式，也可运行在降压模式，从而实现高压侧与低压侧能量的双向流通；该拓扑结构不仅实现较宽的电压增益，而且降低功率开关的电压应力，同时具有结构简单和易于控制的特点，且输入与输出绝对共地。

A switched quasi Z source wide gain bidirectional DC converter

The invention discloses a switching quasi Z source wide gain bi-directional DC-DC converter, applied to the composite energy source of electric vehicle, the switch Z source wide gain bi-directional DC-DC converter comprises an inductor L1 and an inductor L2, switched capacitor C1, switch capacitor C2 and the power switch Q2 is composed of Z source network; include power switch Q1, power switch Q3, high voltage side storage filter capacitor Chigh, and the low voltage energy storage capacitor Clow; the power switch Q2 and Q3 drive signal and Q1 switch, the driving signal and the complementary power; switching quasi Z source wide gain bi-directional DC-DC converter can be operated in the boost mode, can also be run in Buck mode, so as to realize the two-way flow of high pressure and low pressure sides of energy; the structure can not only realize the voltage gain wider, and reduce the voltage stress of the power switch at the same time. It has the characteristics of simple structure and easy control, and the input and output are absolutely common.

【技术实现步骤摘要】
一种开关准Z源宽增益双向直流变换器
本专利技术涉及电力电子功率变换
，尤其涉及一种开关准Z源宽增益双向直流变换器，应用于复合能量源电动汽车。
技术介绍
随着世界人均汽车拥有量的提高，化石能源的使用量以及温室气体的排放量越来越多，使得全球的气候和环境问题日益严重。新能源汽车以可再生能源为动力源，可实现清洁零污染排放运行，被认为是有效缓解能源危机和环境污染的新型交通运输方式之一。复合能量源电动汽车作为全球新能源汽车领域的重要组成部分，其目前主流的动力源主要包括高比能量的动力蓄电池和高比功率的超级电容。其中低压蓄电池主要是维持车载高压直流母线上的稳态及低频波动的能量，而超级电容可在电动汽车启动或制动瞬间提供或吸收高频大功率，从而极大地削减电动汽车负载突变对动力蓄电池造成的冲击，并能提高整个系统的动态响应性能。目前电动汽车复合能量源的电压等级都相对较低，为了实现复合能量源与车载高压母线之间电压等级的匹配以及能量的双向流通，需要在这两者之间连接宽增益双向直流变换器。对于宽增益双向直流变换器，主要包括隔离和非隔离两种。隔离型的双向直流变换器主要有反激式直流变换器、正激式直流变换器、半桥式双向直流变换器和全桥式双向直流变换器。这些双向直流变换器的优点之一就是在升压和降压运行中具有较宽的电压增益。虽然反激式直流变换器结构简单，易于控制，但是高频变压器所产生的漏感损耗也使得变换器的效率得不到提高，而且漏感的存在也使得功率开关的电压应力较大。非隔离型双向转换器包括常规的两电平型、三电平型、多电平型、Cuk/Sepic/Zeta型、耦合电感型、Z源型、准Z源型、开关电容型以及开关电感型等。传统两电平直流变换器的功率开关电压应力高、增益范围窄，且效率和动态响应速度受到功率开关极端占空比的限制，已逐渐不适用于当前电动汽车复合能量源系统中。对于三电平型直流变换器，虽然大大降低了功率开关的电压应力，但是升压和降压模式下的电压增益还是都较低。多电平型直流变换器虽然能具有较宽的电压增益，但是却需要以较多的功率开关、额外的硬件电路、以及控制策略来保持功率开关应力的均衡为代价。Cuk/Sepic/Zeta型变换器虽然电压增益较宽，但是其级联结构决定其变换器效率较低。耦合电感型变换器通过调整耦合电感匝数比获得高电压增益，需要更多的功率开关，并且结构变得更加复杂，还需要解决漏感问题，变换器的功率转换和传输能力也受到耦合电感性能的限制。Z源型、准Z源型以及开关电容型变换器结构和控制简单、易于扩展，电容在充电和放电时通过不同的回路传递能量来获得高电压增益。开关电感型双向直流变换器能在避免极限占空比的情况下，实现较宽的电压增益以及较低的电气应力，但是采用较多的电感元件使得变换器的功率密度得不到提高。为了节约成本和减小变换器的体积，提高效率，需要一种功率器件电压电流应力低、宽增益且避免极端占空比的非隔离型双向直流变换器，使其适用于复合能量源电动汽车的电压变换场合。
技术实现思路
本专利技术提供了一种开关准Z源宽增益双向直流变换器，该拓扑在传统准Z源双向直流变换器的基础上，在改变其中一个功率开关的位置后，不仅实现较宽的电压增益，而且降低功率开关的电压应力，同时具有结构简单和易于控制的特点，绝对共地的优点也使其输入和输出端之间避免出现额外PWM电压问题，使所提变换器的应用范围更广，详见下文描述：一种开关准Z源宽增益双向直流变换器，所述开关准Z源宽增益双向直流变换器应用于复合能量源电动汽车，所述开关准Z源宽增益双向直流变换器包括：由电感L1、电感L2、开关电容C1、开关电容C2和功率开关Q2组成的开关准Z源网络；还包括，功率开关Q1、功率开关Q3、高压侧储能滤波电容Chigh、以及低压侧储能滤波电容Clow；功率开关Q2和Q3的驱动信号相同，并且与功率开关Q1的驱动信号互补；所述开关准Z源宽增益双向直流变换器既可运行在升压模式，也可运行在降压模式，从而实现高压侧与低压侧能量的双向流通；其中，升压比是传统两电平Boost直流变换器的(1+dBoost)倍，功率开关Q1-Q3的电压应力皆为传统准Z源直流变换器的1/(1+dBoost)，为高压侧输出电压Uhigh的1/(1+dBoost)；其中，降压比是传统两电平Buck直流变换器的1/(2-dBuck)倍，功率开关Q1-Q3的电压应力皆为传统准Z源直流变换器的1/(2-dBuck)，为高压侧输入电压Uhigh的1/(2-dBuck)。其中，所述功率开关全部采用低通态电阻的可控功率管。其中，所有功率开关的电压应力均低于高压侧电压。所述开关准Z源宽增益双向直流变换器的输入与输出绝对共地。本专利技术提供的技术方案的有益效果是：1、本专利技术设计的开关准Z源宽增益双向直流变换器利用开关准Z源技术进行升降压，实现了宽范围升降压的同时，避免了因增大增益而造成功率开关极端占空比运行的问题，且所有功率开关的电压应力均低于高压侧电压；2、该双向直流变换器输入与输出绝对共地的特点也避免了输入与输出端之间出现额外的PWM电压问题；3、该拓扑中的功率开关全部采用低通态电阻的可控功率管，在提高双向变换器的运行可靠性的同时，通过同步整流提高了能量转换效率，非常适合作为复合能量源电动汽车中低压储能设备与车载高压直流母线间电压变换的场合。附图说明图1为开关准Z源宽增益双向直流变换器的结构示意图；图2为所提拓扑主要特征波形的示意图；其中，(a)为Boost；(b)为Buck。图3为开关准Z源宽增益Boost直流变换器的等效回路图；其中，(a)为Q1开通，Q2、Q3关断时电流流通路径；(b)为Q2、Q3开通，Q1关断时电流流通路径。图4为开关准Z源宽增益Buck直流变换器等效回路图。其中，(a)为Q2、Q3开通，Q1关断时电流流通路径；(b)为Q1开通，Q2、Q3关断时电流流通路径。附图中，各部件的列表如下：Uhigh为开关准Z源宽增益双向直流变换器高压侧端口电压(Buck模式时的输入电压、Boost模式时的输出电压)；Ulow为开关准Z源宽增益双向直流变换器低压侧端口电压(Buck模式时的输出电压、Boost模式时的输入电压)；ihigh为开关准Z源宽增益双向直流变换器高压侧电流(Buck模式时的输入电流、Boost模式时的输出电流)；ilow为开关准Z源宽增益双向直流变换器低压侧电流(Buck模式时的输出电流、Boost模式时的输入电流)；L1、L2为储能、滤波电感；Chigh、Clow分别为滤波电容；Rload为输出负载；C1、C2分别为开关电容；Q1、Q2、Q3分别为变换器的功率开关；iL1、iL2为电感电流；S1、S2、S3为功率开关Q1、Q2、Q3的开关信号；uC1、uC2为电容C1、C2的电压；dBoost为Boost模式时功率开关Q1的占空比；dBuck为Buck模式时功率开关Q2、Q3的占空比。具体实施方式为使本专利技术的目的、技术方案和优点更加清楚，下面对本专利技术实施方式作进一步地详细描述。实施例1一、拓扑结构本专利技术实施例所提出的开关准Z源双向直流变换器的拓扑结构如图1所示。从图1可以看出，本专利技术实施例所提出的拓扑结构较为简单，主要包括一个开关准Z源网络(L1、L2、C1、C2和Q2)，功率开关Q1和Q3以及高/低压侧储能/滤波电本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种开关准Z源宽增益双向直流变换器，其特征在于，所述开关准Z源宽增益双向直流变换器应用于复合能量源电动汽车，所述开关准Z源宽增益双向直流变换器包括：由电感L1、电感L2、开关电容C1、开关电容C2和功率开关Q2组成的开关准Z源网络；还包括，功率开关Q1、功率开关Q3、高压侧储能滤波电容Chigh、以及低压侧储能滤波电容Clow；功率开关Q2和Q3的驱动信号相同，并且与功率开关Q1的驱动信号互补；所述开关准Z源宽增益双向直流变换器既可运行在升压模式，也可运行在降压模式，从而实现高压侧与低压侧能量的双向流通；其中，升压比是传统两电平Boost直流变换器的(1+dBoost)倍，功率开关Q1‑Q3的电压应力皆为传统准Z源直流变换器的1/(1+dBoost)，为高压侧输出电压Uhigh的1/(1+dBoost)；其中，降压比是传统两电平Buck直流变换器的1/(2‑dBuck)倍，功率开关Q1‑Q3的电压应力皆为传统准Z源直流变换器的1/(2‑dBuck)，为高压侧输入电压Uhigh的1/(2‑dBuck)。

【技术特征摘要】
1.一种开关准Z源宽增益双向直流变换器，其特征在于，所述开关准Z源宽增益双向直流变换器应用于复合能量源电动汽车，所述开关准Z源宽增益双向直流变换器包括：由电感L1、电感L2、开关电容C1、开关电容C2和功率开关Q2组成的开关准Z源网络；还包括，功率开关Q1、功率开关Q3、高压侧储能滤波电容Chigh、以及低压侧储能滤波电容Clow；功率开关Q2和Q3的驱动信号相同，并且与功率开关Q1的驱动信号互补；所述开关准Z源宽增益双向直流变换器既可运行在升压模式，也可运行在降压模式，从而实现高压侧与低压侧能量的双向流通；其中，升压比是传统两电平Boost直流变换器的(1+dBoost)倍，功率开关Q1-Q3的电压应力皆为传统准Z源直流变换器的1...

【专利技术属性】
技术研发人员：张云，刘强强，高永平，
申请(专利权)人：天津大学，
类型：发明
国别省市：天津,12