复合能量源电动汽车用开关电容型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复合能量源电动汽车用开关电容型宽增益双向直流变换器，采用开关电容技术进行升降压，该变换器结构和控制简单、功率器件电压应力低、低压侧电压范围宽、输入输出共地。变换器可以有效避免极端占空比，且拓扑中所有功率器件的电压应力均为高压侧电压的一半。此外，拓扑中的功率器件全部采用低通态电阻的可控功率管提高变换器效率，使其适用于复合能量源电动汽车应用场合。

Switched capacitor type wide gain bidirectional DC / DC converter for electric vehicle with composite energy source

The invention discloses a switched capacitor type wide gain bidirectional DC converter for a composite energy source electric vehicle. The switch capacitor technology is used to carry out the lift and drop voltage. The converter has simple structure and control, low voltage stress of the power device, wide voltage range of the low voltage side, and the input and output common ground. The converter can effectively avoid the extreme duty cycle, and the voltage stress of all power devices in the topology is half of that of the high voltage side. In addition, all the power devices in the topology use the controllable power tube with low pass resistance to improve the efficiency of the converter, so that it is suitable for the application of the composite energy source electric vehicle.

【技术实现步骤摘要】
复合能量源电动汽车用开关电容型宽增益双向直流变换器
本专利技术涉及开关电容型宽增益双向直流变换器领域，尤其涉及一种复合能量源电动汽车用开关电容型宽增益双向直流变换器。
技术介绍
全球能源危机的加剧和环境污染恶化，使得新能源得到大力开发应用。电动汽车以蓄电池为动力源，清洁环保，在缓解能源危机和环境污染中发挥着重要作用。目前电动汽车的动力蓄电池仍无法在短时间内提供大功率输出，且在快速充放电或输出阶跃性电流的过程中容易缩短使用寿命。蓄电池和超级电容组成的复合能量源结构，是一种提高电动汽车的整体效率和蓄电池寿命的有效方案。高比功率的超级电容使用寿命长，充放电效率高，具备瞬时大功率输出能力，可以缓减蓄电池重载时的功率输出压力。复合能量源结构充分利用蓄电池和超级电容的性能，不仅满足电动汽车的能量和功率需求，还可以在减速制动时回馈储能，提高电动汽车的整车效率和续航里程。但是，超级电容端电压较低，且在快速充放电过程中端电压变化范围较大，必须通过高增益、宽电压范围双向直流变换器来接口至电动汽车的高压直流母线。传统的双向直流变换器功率器件电压应力高，且宽增益时运行在极端占空比，加之变压环节中变压器与耦合电感的漏感和电磁干扰易导致功率器件过高的电压应力。这些都制约该类双向直流变换器在复合能量源电动汽车中的应用。因此，需要研究结构和控制简单、功率器件电压应力低、宽增益且避免极端占空比的双向直流变换器，使其适用于复合能量源电动汽车。
技术实现思路
本专利技术提供了一种复合能量源电动汽车用开关电容型宽增益双向直流变换器，该变换器结构和控制简单、功率器件电压应力低、低压侧电压范围宽、输入输出共地，变换器可以有效避免极端占空比，详见下文描述：一种复合能量源电动汽车用开关电容型宽增益双向直流变换器，所述变换器采用开关电容技术进行升降压，通过升压、降压模式的切换，满足电动汽车复合能量源系统能量双向流动的需求，满足复合能量源系统低压能量源与高压直流母线间升、降压的应用场合；所述双向直流变换器的输入输出共地，且拓扑中的功率开关全部采用低通态电阻的可控功率管；所述双向直流变换器实现了宽电压范围的同时避免了高增益运行时的开关极端占空比问题。所述通过升压、降压模式的切换，满足电动汽车复合能量源系统能量双向流动的需求具体为：在升压状态，当功率开关Q1的开关信号S1＝1时，电容C1、C2并联，功率开关Q1导通、功率开关Q2关断，功率开关Q2的电压被箝位至电容C2电压；升压比为2/(1-dBoost)，电容C1和C2的电压、功率器件Q1和Q4的电压应力皆为输出电压一半；在降压状态，当功率开关Q2、Q3和Q4的开关信号S2S3S4＝010时，电容C1、C2并联，功率开关Q3关断、功率开关Q4开通时，功率开关Q3的电压被箝位至电容C1电压；降压比为dBuck/2，电容C1和C2的电压、功率器件Q1和Q4的电压应力皆为输入电压一半。所述功率开关Q2、Q3、Q4的电流应力小于功率开关Q1的电流应力。一种复合能量源电动汽车用开关电容型宽增益双向直流变换器，所述变换器采用开关电容技术进行升降压，在升压状态，当功率开关Q1的开关信号S1＝1时，电容C1、C2并联，功率开关Q1导通、功率开关Q2关断，功率开关Q2的电压被箝位至电容C2电压；升压比为2/(1-dBoost)，电容C1和C2的电压、功率器件Q1和Q4的电压应力皆为输出电压一半；在降压状态，当功率开关Q2、Q3和Q4的开关信号S2S3S4＝010时，电容C1、C2并联，功率开关Q3关断、功率开关Q4开通时，功率开关Q3的电压被箝位至电容C1电压；降压比为dBuck/2，电容C1和C2的电压、功率器件Q1和Q4的电压应力皆为输入电压一半。所述功率开关Q2、Q3、Q4的电流应力小于功率开关Q1的电流应力。本专利技术提供的技术方案的有益效果是：1、本专利技术利用开关电容技术进行升降压，实现了宽电压范围的同时避免了高增益运行时的开关极端占空比问题，且所有功率开关的电压应力均为高压侧电压的一半；2、该双向直流变换器结构和控制简单，输入输出共地，且拓扑中的功率开关全部采用低通态电阻的可控功率管；3、本专利技术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，非常适合复合能量源电动汽车中双向直流变换器应用场合。附图说明图1为一种复合能量源电动汽车用开关电容型宽增益双向直流变换器的结构示意图；图2为Boost模式运行驱动信号与死区示意图；图3为Buck模式运行驱动信号与死区示意图。附图中，各标号所代表的部件列表如下：Uhigh为开关电容型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为开关电容型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为开关电容型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为开关电容型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)；L为储能、滤波电感；Chigh、Clow分别为滤波电容；C1、C2分别为开关电容；Q1、Q2、Q3、Q4分别为变换器的功率开关；td为死区时间；uQ1、uQ2、uQ3、uQ4为功率开关Q1、Q2、Q3、Q4的电压应力；S1、S2、S3、S4为功率开关Q1、Q2、Q3、Q4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Q4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。针对传统双向直流变换器存在的缺点，以及复合能量源电动汽车对直流变换器的性能要求，本专利技术实施例提出一种开关电容型双向直流变换器。该变换器结构和控制简单、功率器件电压应力低、低压侧电压范围宽、输入输出共地。变换器可以有效避免极端占空比，且拓扑中所有功率器件的电压应力均为高压侧电压的一半。此外，拓扑中的功率器件全部采用低通态电阻的可控功率管提高变换器效率，使其适用于复合能量源电动汽车应用场合。实施例1一种复合能量源电动汽车用开关电容型宽增益双向直流变换器，参见图1-图3，详见下文描述：一、拓扑结构参见图1，通过开关电容技术实现大比例升降压。图2为开关电容型宽增益双向直流变换器Boost模式运行驱动信号与死区。图3为开关电容型宽增益双向直流变换器Buck模式运行驱动信号与死区。二、宽电压增益1、Boost模式开关电容型宽增益双向直流变换器运行在升压(Boost)状态，当S1＝1时电容C1、C2并联，电容电压UC1＝UC2。图2为Boost模式下的PWM调制策略，电感L伏秒平衡可得：推导可得：当功率开关Q1导通、功率开关Q2关断时，功率开关Q2的电压被箝位至电容C2电压。同理分析可得其它功率器件的电压应力如下：由电容C1，C2和Chigh安秒平衡，得Boost状态时功率器件的电流应力为：上述理论推导可得，本专利技术实施例提出的直流变换器升压比是传统Boost直流变换器的2倍，为2/(1-dBoost)，电容C1和C2的电压、功率器件Q1和Q4的电压应力皆为输出电压一半。功率开关本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种复合能量源电动汽车用开关电容型宽增益双向直流变换器，其特征在于，所述变换器采用开关电容技术进行升降压，通过升压、降压模式的切换，满足电动汽车复合能量源系统能量双向流动的需求，满足复合能量源系统低压能量源与高压直流母线间升、降压的应用场合；所述双向直流变换器的输入输出共地，且拓扑中的功率开关全部采用低通态电阻的可控功率管；拓扑中所有功率器件的电压应力均为高压侧电压的一半；所述双向直流变换器实现了宽电压范围的同时避免了高增益运行时的开关极端占空比问题。

【技术特征摘要】
1.一种复合能量源电动汽车用开关电容型宽增益双向直流变换器，其特征在于，所述变换器采用开关电容技术进行升降压，通过升压、降压模式的切换，满足电动汽车复合能量源系统能量双向流动的需求，满足复合能量源系统低压能量源与高压直流母线间升、降压的应用场合；所述双向直流变换器的输入输出共地，且拓扑中的功率开关全部采用低通态电阻的可控功率管；拓扑中所有功率器件的电压应力均为高压侧电压的一半；所述双向直流变换器实现了宽电压范围的同时避免了高增益运行时的开关极端占空比问题。2.根据权利要求1所述的一种复合能量源电动汽车用开关电容型宽增益双向直流变换器，其特征在于，所述通过升压、降压模式的切换，满足电动汽车复合能量源系统能量双向流动的需求具体为：在升压状态，当功率开关Q1的开关信号S1＝1时，电容C1、C2并联，功率开关Q1导通、功率开关Q2关断，功率开关Q2的电压被箝位至电容C2电压；升压比为2/(1-dBoost)，电容C1和C2的电压、功率器件Q1和Q4的电压应力皆为输出电压一半；在降压状态，当功率开关Q2、Q3和Q4的开关信号S2S3S4＝010时，电容C1、C2并联，功率开关Q3关断、功率开关Q4开通时，功率开关Q3的电压被箝位至电容C1电压；降压比为dBuck/2，电容C1和C2的电压、功率器件Q1和Q4的电压应...

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