一种高性能非隔离双向直流变换器及其控制方法技术

本发明专利技术公开了一种高性能非隔离双向直流变换器及其控制方法，其低压直流电源的正极与第一电感的一端、第四电容的正极连接；第一电感的另一端与第一开关管的漏极、第二开关管的源极、第二电容的负极连接；第一开关管的源极与低压直流电源的负极、第四电容的负极、第一电容的负极、第三电容的负极、高压直流电源的负极连接；第二开关管的漏极与第二电感的一端、第一电容的正极连接；第二电容的正极与第二电感的另一端、第三开关管的源极连接；第三开关管的漏极与第三电容的正极、高压直流电源的正极连接；其控制方法为第二开关管的驱动信号与第三开关管的驱动信号相同，与第一开关管的驱动信号互补。的驱动信号互补。的驱动信号互补。

【技术实现步骤摘要】
一种高性能非隔离双向直流变换器及其控制方法


[0001]本专利技术属于双向DC/DC变换器
，具体涉及一种高性能非隔离双向直流变换器及其控制方法。

技术介绍

[0002]双向DC/DC变换器可以充当直流母线和储能装置之间的接口，控制能量流动并提供所需的电压水平，近年来被广泛应用于燃料电池、光伏发电系统、不间断电源和电动汽车等各个领域。双向DC/DC变换器主要分为两大类：隔离型和非隔离型。在不需要电气隔离的应用中，由于非隔离型DC/DC变换器设计和结构简单、损耗低、体积小，因此更具有优势。
[0003]双向buck/boost变换器具有较少的无源和有源元件，是结构最简单的非隔离型双向DC/DC变换器。然而，其在boost模式下的升压能力有限。因此，近年来很多学者提出了各种具有高升压能力的双向buck/boost变换器，其大多具有多个电感和电容，因此体积较大，功率密度较低，成本较高。提高开关频率，可以改善功率密度和动态响应，然而开关损耗也随之增加，变换效率下降。引入软开关技术，可以克服这些问题。已有多种软开关高增益非隔离型双向DC/DC变换器。这些拓扑普遍存在以下问题：(1)器件数量较多，结构复杂；(2)部分功率管仍然工作在硬开关状态，效率难以进一步提升；(3)功率管电压应力较高，需要采用高耐压的半导体器件，导致通态损耗较大，成本较高；(4)输入、输出不共地，导致电压采样电路较复杂，还会引起EMI问题。

技术实现思路

[0004]有鉴于此，本专利技术目的在于提供一种高性能非隔离双向直流变换器及其控制方法，该高性能非隔离双向直流变换器结构简单，器件数量较少，成本较低，升/降压能力比较强，所有开关管可实现软开关，变换效率较高，电压应力较低，适用于不间断电源系统、光伏发电系统、燃料电池及电动汽车等场合。
[0005]为了实现上述目的，本专利技术提出的技术方案如下：
[0006]一种高性能非隔离双向直流变换器，包括低压侧直流电源U
L
、高压侧直流电源U
H
、第一电容C1、第二电容C2、第三电容C3、第四电容C4、第一电感L1、第二电感L2、第一开关管S1、第二开关管S2、第三开关管S3；
[0007]所述低压侧直流电源U
L
的正极与所述第一电感L1的一端、所述第四电容C4的正极连接；
[0008]所述第一电感L1的另一端与所述第一开关管S1的漏极、所述第二开关管S2的源极、所述第二电容C2的负极连接；
[0009]所述第一开关管S1的源极与所述低压侧直流电源U
L
的负极、所述第四电容C4的负极、所述第一电容C1的负极、所述第三电容C3的负极、所述高压侧直流电源U
H
的负极连接；
[0010]所述第二开关管S2的漏极与所述第二电感L2的一端、所述第一电容C1的正极连接；
[0011]所述第二电容C2的正极与所述第二电感L2的另一端、所述第三开关管S3的源极连
接；
[0012]所述第三开关管S3的漏极与所述第三电容C3的正极、所述高压侧直流电源U
H
的正极连接；
[0013]其中，所述第一开关管S1、所述第二开关管S2和所述第三开关管S3均为自带反向并联二极管的金氧半场效晶体管；
[0014]所述第一电感L1的电感值满足：
[0015]上式中，L1为第一电感L1的电感值，U
L
为低压侧直流电源电压，U
H
为高压侧直流电源电压，I
L,max
为低压侧电流的最大平均值，f
s
为开关频率，δ％为第一电感L1允许的最大电流脉动量与第一电感L1最大平均电流的百分比；
[0016]所述第二电感L2的电感值满足：
[0017]上式中，L2为第二电感L2的电感值，I
H,max
为高压侧电流的最大平均值；
[0018]本专利技术还提供了一种上述高性能非隔离双向直流变换器的控制方法，该控制方法用于对高压侧的电压、低压侧的电流进行双闭环控制，具体为：
[0019]对高压侧直流电源U
H
的端电压进行采样，得到高压侧电压采样值u
H,f
，将所述高压侧电压采样值u
H,f
与高压侧电压基准值u
H,ref
比较得第一误差信号；
[0020]所述第一误差信号依次经过电压控制器G
uH
(s)和限幅环节Lim处理后，得到低压侧电流基准值i
L,ref
；
[0021]对第一电感L1的电流进行采样得到低压侧电流采样值i
L,f
，将所述低压侧电流采样值i
L,f
与低压侧电流基准值i
L,ref
进行比较得第二误差信号，所述第二误差信号经电流控制器G
iL
(s)处理后与单极性三角载波u
c
交截，产生第一开关管S1的PWM驱动信号；
[0022]将所述第一开关管S1的PWM驱动信号取反，得到第二开关管S2和第三开关管S3的驱动信号。
[0023]优选的，所述高性能非隔离双向直流变换器boost模式下的理想电压增益为(1+D1)/(1
‑
D1)，buck模式下的理想电压增益为D2/(2
‑
D2)，其中，D1为第一开关管S1的驱动信号的占空比，D2为第二开关管S2和第三开关管S3的驱动信号的占空比。
[0024]优选的，所述第一开关管、第二开关管、第三开关管的电压应力均为(U
H
+U
L
)/2。
[0025]优选的，所述第一电感L1和第二电感L2均工作在电流连续模式。
[0026]与现有技术相比，本专利技术提出的高性能非隔离双向直流变换器，升/降压能力强；具有较少的器件数量，较低的成本，且第二电感L2电流双向线性变化，所需电感值小，进一步减小了系统的体积，提高了系统的功率密度；第一开关管、第二开关管、第三开关管的电压应力均为(U
H
+U
L
)/2，可以采用低耐压的器件，减小了系统成本和损耗；所有开关管均实现了ZVS软开关，变换效率较高；输入、输出共地，采样电路结构简单。
附图说明
[0027]图1为本专利技术提供的高性能非隔离双向直流变换器的电路结构示意图；
[0028]图2为本专利技术提供的高性能非隔离双向直流变换器的控制框图；
[0029]图3(a)
‑
图3(f)为图1所示变换器工作在boost模式下在一个开关周期内的6种工
作模态等效图；
[0030]图4(a)
‑
图4(f)为图1所示变换器工作在buck模式下在一个开关周期内的6种工作模态等效图；
[0031]图5(a)为图1所示变换器工作在boost模式下在一个开关周期T
s...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种高性能非隔离双向直流变换器，其特征在于，包括低压侧直流电源U
L
、高压侧直流电源U
H
、第一电容C1、第二电容C2、第三电容C3、第四电容C4、第一电感L1、第二电感L2、第一开关管S1、第二开关管S2、第三开关管S3；所述低压侧直流电源U
L
的正极与所述第一电感L1的一端、所述第四电容C4的正极连接；所述第一电感L1的另一端与所述第一开关管S1的漏极、所述第二开关管S2的源极、所述第二电容C2的负极连接；所述第一开关管S1的源极与所述低压侧直流电源U
L
的负极、所述第四电容C4的负极、所述第一电容C1的负极、所述第三电容C3的负极、所述高压侧直流电源U
H
的负极连接；所述第二开关管S2的漏极与所述第二电感L2的一端、所述第一电容C1的正极连接；所述第二电容C2的正极与所述第二电感L2的另一端、所述第三开关管S3的源极连接；所述第三开关管S3的漏极与所述第三电容C3的正极、所述高压侧直流电源U
H
的正极连接；其中，所述第一开关管S1、所述第二开关管S2和所述第三开关管S3均为自带反向并联二极管的金氧半场效晶体管；所述第一电感L1的电感值满足：上式中，L1为第一电感L1的电感值，U
L
为低压侧直流电源电压，U
H
为高压侧直流电源电压，I
L,max
为低压侧电流的最大平均值，f
s
为开关频率，δ％为第一电感L1允许的最大电流脉动量与第一电感L1最大平均电流的百分比；所述第二电感L2的电感值满足：上式中，L2为第二电感L2的电感值，I
H,max
为高压侧电...

【专利技术属性】
技术研发人员：秦岭，饶家齐，张雷，刘宇涵，周磊，王亚芳，
申请(专利权)人：南通大学，
类型：发明
国别省市：