一种基于耦合电感的两相交错飞跨电容双向直流变换器制造技术

本发明专利技术公开了一种基于耦合电感的两相交错飞跨电容双向直流变换器，涉及电力电子技术领域，该直流变换器为两相交错并联，两相之间的电感进行磁耦合；包括四组桥臂、四个飞跨电容、一对耦合电感和两个滤波电容，其中耦合电感为反向耦合，每组桥臂由四个功率开关管串联组成，共十六个功率开关管；本发明专利技术的特点是可以进行双向升降压，每个功率开关管的电压应力为电压母线的一半，交错并联可以减小输出电流的纹波的同时，增大变换器的转换效率，磁集成技术在进一步减小电感和变换器体积的同时，减小了每一相电感的相电流纹波，同时提升了变换器的动态性能。对于光、风等新能源分布发电系统的储能环节，具有良好的应用和发展前景。具有良好的应用和发展前景。具有良好的应用和发展前景。

A bi-directional DC converter with two intersecting staggered flying capacitors based on coupled inductors

【技术实现步骤摘要】
一种基于耦合电感的两相交错飞跨电容双向直流变换器


[0001]本专利技术涉及电力电子
，尤其是一种基于耦合电感的两相交错飞跨电容双向直流变换器。

技术介绍

[0002]储能是光伏和风力发电系统中的重要环节，储能电池与可再生能源配合使用，能够使可再生能源发电在时间、强度等方面与电网需求相匹配，减少可再生能源发电的随机性，减小直流微电网的电压波动，改善发电质量。储能介质通常通过双向DC/DC变换器与高压母线相连接，可以实现储能介质与直流母线之间能量的双向流动，可以实现对系统中能量的控制和高效利用。
[0003]目前，常用的双向DC/DC功率变换器装置根据输入与输出是否存在电气隔离可以分为隔离型拓扑和非隔离型拓扑两种结构。由于有变压器的存在，隔离型拓扑的安全性更高，但是变压器的存在会导致系统效率降低，且体积庞大，不适用于大功率储能系统中。非隔离型双向功率变换器常用于储能系统中，并且克服了以上缺点。同时由于高压大容量变换器的需求越来越多，传统变换器的器件电压应力受到挑战，因此，多电平拓扑受到了关注。然而现有的多电平拓扑的直流变换器的电流纹波依然较大，使得变换器的性能大大降低。

技术实现思路

[0004]本专利技术人针对上述问题及技术需求，提出了一种基于耦合电感的两相交错飞跨电容双向直流变换器，本专利技术的技术方案如下：
[0005]一种基于耦合电感的两相交错飞跨电容双向直流变换器，包括顺序排列的第一至第四桥臂、一对耦合电感和四个飞跨电容，第一桥臂与第四桥臂的中部通过第一耦合电感相连，形成a相H桥，第二桥臂与第三桥臂的中部通过第二耦合电感相连，形成b相H桥，且第一和第二耦合电感反向耦合；其中，每组桥臂包括顺序串联的第一至第四功率开关管，且第二和第三功率开关管的相连端作为桥臂的中部；飞跨电容的两端分别接在第一和第二功率开关管的相连端以及第三和第四功率开关管的相连端；第一与第二桥臂的第一功率开关管相连形成第一端，第一与第二桥臂的第四功率开关管相连形成第二端，第一端与第二端之间并联有直流电源，第三与第四桥臂的第一功率开关管相连形成第三端，第三与第四桥臂的第四功率开关管相连形成第四端，第三端与第四端之间并联有负载，且第二端与第四端相连；采用交错的单独PWM控制各个功率开关管实现直流变换器的双向升降压。
[0006]其进一步的技术方案为，采用交错的单独PWM控制各个功率开关管实现直流变换器的双向升降压，包括：
[0007]直流变换器工作在升降压模式下的升压和降压两种模式时，第一桥臂的第一功率开关管与第二功率开关管的驱动信号相差180
°
，第一桥臂的第一功率开关管与第四功率开关管、第二功率开关管与第三功率开关管的驱动信号互补；第一桥臂的第一功率开关管与
第二桥臂的第一功率开关管、第一桥臂的第二功率开关管与第二桥臂的第二功率开关管的驱动信号相差90
°
；第一桥臂的第一功率开关管与第四桥臂的第四功率开关管、第一桥臂的第二功率开关管与第四桥臂的第三功率开关管、第一桥臂的第三功率开关管与第四桥臂的第二功率开关管、第一桥臂的第四功率开关管与第四桥臂的第一功率开关管的驱动信号相同；第二桥臂的第一功率开关管与第三桥臂的第四功率开关管、第二桥臂的第二功率开关管与第三桥臂的第三功率开关管、第二桥臂的第三功率开关管与第三桥臂的第二功率开关管、第二桥臂的第四功率开关管与第三桥臂的第一功率开关管的驱动信号相同。
[0008]其进一步的技术方案为，直流变换器工作在升降压模式下的降压模式时占空比包括0<D<0.25、0.25≤D<0.5两种情况，其中D表示占空比；
[0009]当处于降压模式下且占空比为0<D<0.25时，整个工作周期内直流变换器的a、b相H桥的工作状态相同，其中a相H桥的工作状态分别为：
[0010]状态一：第一桥臂的第一功率开关管与第三功率开关管、第四桥臂的第二功率开关管与第四功率开关管同时导通，其余功率开关管关断；
[0011]状态二：第一桥臂的第二功率开关管与第四功率开关管、第四桥臂的第一功率开关管与第三功率开关管同时导通，其余功率开关管关断；
[0012]状态三：第一桥臂的第三功率开关管与第四功率开关管、第四桥臂的第一功率开关管与第二功率开关管同时导通，其余功率开关管关断；
[0013]当处于降压模式下且占空比为0.25≤D<0.5时，整个工作周期内直流变换器的a、b相H桥的工作状态均与上述三种状态相同，区别是状态一和状态三的工作时间不同，使得最终输出发生变化。
[0014]其进一步的技术方案为，直流变换器工作在升降压模式下的升压模式时占空比包括0.5≤D<0.75、0.75≤D<1两种情况；
[0015]当处于升压模式下且占空比为0.5≤D<0.75时，整个工作周期内直流变换器的a、b相H桥的工作状态相同，其中a相H桥的工作状态分别为：
[0016]状态一：第一桥臂的第一功率开关管与第三功率开关管、第四桥臂的第二功率开关管与第四功率开关管同时导通，其余功率开关管关断；
[0017]状态二：第一桥臂的第二功率开关管与第四功率开关管、第四桥臂的第一功率开关管与第三功率开关管同时导通，其余功率开关管关断；
[0018]状态三：第一桥臂的第一功率开关管与第二功率开关管、第四桥臂的第三功率开关管与第四功率开关管同时导通，其余功率开关管关断；
[0019]当处于升压模式下且占空比为0.75≤D<1时，整个工作周期内直流变换器的a、b相H桥的工作状态均与上述三种状态相同，区别是状态一和状态三的工作时间不同，使得最终输出发生变化。
[0020]其进一步的技术方案为，第一和第二耦合电感的电压为：
[0021][0022]其中，U
La
为第一耦合电感两端电压，U
Lb
为第二耦合电感两端电压；La、 Lb分别为
第一、第二耦合电感的自感值；i
La
、i
Lb
分别为第一、第二耦合电感电流；M为第一、第二耦合电感的互感值；
[0023]导通线路上的两个飞跨电容电压分别稳定为输入、输出电压的一半，表示为：
[0024][0025]其中，U
Cfly1
为输入侧桥臂的飞跨电容电压，U
Cfly2
为输出侧桥臂的飞跨电容电压；U
i
为输入电压，U
o
为输出电压；
[0026]输入、输出电压的关系为：
[0027][0028]其中，D为直流变换器当前工作状态下的占空比；
[0029]根据直流变换器当前工作状态下的功率开关管状态，依据式(1)
‑
(3)推导出第一和第二耦合电感的电压与电感及电流变化之间的关系为：
[0030][0031]当采用两个独立电感时，独立电本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于耦合电感的两相交错飞跨电容双向直流变换器，其特征在于，包括顺序排列的第一至第四桥臂、一对耦合电感和四个飞跨电容，第一桥臂与第四桥臂的中部通过第一耦合电感相连，形成a相H桥，第二桥臂与第三桥臂的中部通过第二耦合电感相连，形成b相H桥，且第一和第二耦合电感反向耦合；其中，每组桥臂包括顺序串联的第一至第四功率开关管，且第二和第三功率开关管的相连端作为桥臂的中部；所述飞跨电容的两端分别接在第一和第二功率开关管的相连端以及第三和第四功率开关管的相连端；第一与第二桥臂的第一功率开关管相连形成第一端，第一与第二桥臂的第四功率开关管相连形成第二端，所述第一端与第二端之间并联有直流电源，第三与第四桥臂的第一功率开关管相连形成第三端，第三与第四桥臂的第四功率开关管相连形成第四端，所述第三端与第四端之间并联有负载，且所述第二端与第四端相连；采用交错的单独PWM控制各个功率开关管实现直流变换器的双向升降压。2.根据权利要求1所述的基于耦合电感的两相交错飞跨电容双向直流变换器，其特征在于，所述采用交错的单独PWM控制各个功率开关管实现直流变换器的双向升降压，包括：所述直流变换器工作在升降压模式下的升压和降压两种模式时，所述第一桥臂的第一功率开关管与第二功率开关管的驱动信号相差180
°
，所述第一桥臂的第一功率开关管与第四功率开关管、第二功率开关管与第三功率开关管的驱动信号互补；所述第一桥臂的第一功率开关管与所述第二桥臂的第一功率开关管、所述第一桥臂的第二功率开关管与所述第二桥臂的第二功率开关管的驱动信号相差90
°
；所述第一桥臂的第一功率开关管与所述第四桥臂的第四功率开关管、所述第一桥臂的第二功率开关管与所述第四桥臂的第三功率开关管、所述第一桥臂的第三功率开关管与所述第四桥臂的第二功率开关管、所述第一桥臂的第四功率开关管与所述第四桥臂的第一功率开关管的驱动信号相同；所述第二桥臂的第一功率开关管与所述第三桥臂的第四功率开关管、所述第二桥臂的第二功率开关管与所述第三桥臂的第三功率开关管、所述第二桥臂的第三功率开关管与所述第三桥臂的第二功率开关管、所述第二桥臂的第四功率开关管与所述第三桥臂的第一功率开关管的驱动信号相同。3.根据权利要求2所述的基于耦合电感的两相交错飞跨电容双向直流变换器，其特征在于，所述直流变换器工作在升降压模式下的降压模式时占空比包括0<D<0.25、0.25≤D<0.5两种情况，其中D表示占空比；当处于降压模式下且占空比为0<D<0.25时，整个工作周期内所述直流变换器的a、b相H桥的工作状态相同，其中所述a相H桥的工作状态分别为：状态一：所述第一桥臂的第一功率开关管与第三功率开关管、所述第四桥臂的第二功率开关管与第四功率开关管同时导通，其余功率开关管关断；状态二：所述第一桥臂的第二功率开关管与第四功率开关管、所述第四桥臂的第一功率开关管与第三功率开关管同时导通，其余功率开关管关断；状态三：所述第一桥臂的第三功率开关管与第四功率开关管、所述第四桥臂的第一功率开关管与第二功率开关管同时导通，其余功率开关管关断；当处于降压模式下且占空比为0.25≤...

【专利技术属性】
技术研发人员：毕恺韬，刘柳，李安龙，朱一昕，艾建，樊启高，
申请(专利权)人：江南大学，
类型：发明
国别省市：