双向直流变换器拓扑的制作方法
【专利摘要】本发明实现了一种直流电与另一种直流电的电能双向变换，可以广泛应用于电源系统、储能、电机驱动和制动等系统中。本发明是在直流输入输出端一端的正负极上各串联一个开关管(称与正极连接的开关管为S11，称与负极连接的开关管为S12)，开关管S11和S12后面各连接一个电感(称与开关S11连接的电感为L1，称与开关S12连接的电感为L2)，电感L1和L2与开关S11和S12的连接一侧之间连接有升续电路，电感L1和L2的另一侧连接连接另一个直流输入输出端。本发明的拓扑结构的开关管的电压应力低，共模噪声小，从而实现了低成本、高可靠的双向直流变换器，可以广泛应用与电池管理、新能源、电动汽车等领域。
【专利说明】双向直流变换器拓扑
【技术领域】
[0001] 本发明属于电力变流领域，实现了一种直流电与另一种直流电的电能双向变换， 可以广泛应用于电源系统、储能、电机驱动和制动等系统中。
【背景技术】
[0002] 直流变换器将一种直流电转换成另一种或多种直流电的电能变换器是直流开关 电源的主要部件，双向直流变换器则可实现能量的双向传输，广泛应用在新能源储能系统、 智能微网系统、电机变频驱动和制动等领域。双向直流变换器相对其他电力电源拓扑还相 对较新，发展时间相对较低，虽然当前有许多种拓扑结构，但随着需求的功率容量要求越来 越大，尤其是双向直流变换器的两端电压越来越高，传统的这些拓扑结构有可靠性低、效率 低、成本高等缺点。所以如果能发现更高可靠性、更高效率、更低成本的双向直流变换器拓 扑，将非常有意义。
【发明内容】
[0003] 本发明提出了一种双向直流变换器拓扑，创新的实现了高可靠、高效率、低成本的 对两种电能的双向变换。
[0004] 本发明的技术方案（对照附图）是：
[0005] 直流输入输出端一端（VI端）的正负极上各串联一个开关管（与正极连接的开关 管为S11，与负极连接的开关管为S12)，开关管S11和S12后面各连接一个电感（与开关 S11连接的电感为L1，与开关S12连接的电感为L2)，电感L1和L2与开关S11和S12的连 接一侧之间连接有升续电路（升续电路为升压和续流电路的简称），电感L1和L2的另一侧 连接连接另一个直流输入输出端（V2端），与L1连接的是正极，与L2连接的是负极；开关 管S11和S12是双向的，或并联有反向二极管（图中的D11和D12)，或开关管内部集成了反 向二极管；升续电路有两种实现拓扑，一种是无箝位升续电路（如图1中所示），一种是中 点箝位升续电路（如图2中所示）；无箝位升续电路是直接在电感L1和L2与开关S11和 S12连接点之间连接一个开关管（S10)，开关管S10是双向的，或并联有反向二极管（D10)， 或开关管内部集成了反向二极管；中点箝位升续电路是在直流输入输出端VI正负极之间 串联两个电容（C11和C12)，在电感L1和L2与开关S11和S12连接点之间连接串联两个 开关管（S13和S14)，电容C11和C12之间的中点与开关管S13和S14之间的中点相连，开 关管S13和S14是双向的，或并联有反向二极管（D13和D14)，或开关管内部集成了反向二 极管；在直流输入输出端V2正负极之间串联两个电容（C21和C22)，它们的中点与VI端的 C11和C22中点相连，这样可以提高性能。
[0006] 本发明的有益效果是：
[0007] 用简单的拓扑电路实现了功率的双向变换，本发明的拓扑上下对称，所以对开关 管的耐压要求降低了 50%，从而降低了最终产品的成本，并且提高了变换效率，提高了系统 可靠性。
【专利附图】
【附图说明】
[0008] 本说明书有五个附图：
[0009] 图1，采用无箝位升续电路的双向直流变换拓扑；
[0010] 图2,采用中点箝位升续电路的双向直流变换拓扑；
[0011] 图3,直流端两侧中点相连提商性能的连接图不例；
[0012] 图4,功率从VI侧流向V2侧的工作示意图；
[0013] 图5,功率从V2侧流向VI侧的工作示意图；
【具体实施方式】
[0014] 图4、图5是使用本发明的双向直流变换器拓扑的工作示意图。
[0015] 图4所示的是功率从直流输入输出端VI流向V2的工作原理：这时开关S11和S12 处于高频斩波开关状态，S11和S12同时开通或关断；当S11和S12处于开通状态时，对电 感L1和L2充电，升续电路处于关断状态；当S11和S12处于关断状态时，电感L1和L2的 电流通过升续电路续流；升续电路可以采用二极管续流方式，即续流电流从升续电路中的 二极管流过，也可以采用同步续流方式，即续流电流从升续电路中的开关管；二极管续流的 方式，续流不需要控制，所以控制策略简单，同步续流的方式控制较为复杂，但在合理的设 计下可以实现更高的效率；通过控制S11和S12的高频斩波的占空比控制V2侧输出的电压 幅值和功率。
[0016] 图5所示的是功率从直流输入输出端V2流向VI的工作原理：这时升续电路中的 开关管（图5中的S10)处于商频升压开关状态；当S10开通时对电感L1和L2进行充电， S11、D11和S12、D12处于关断状态，当S10关断时电感L1和L2的电流通过S11/D11和S12/ D12续流，向VI直流侧输电；电感L1和L2的电流续流也有两种方式，二极管续流方式和同 步续流方式，二极管续流方式需要在S11和S12上并联续流二极管，但控制比较简单，同步 续流方式控制较复杂，但在设计合理的情况下可以实现更高的效率；通过控制升续电路的 开关管的高频升压开关占空比控制直流VI侧的输出电压和功率。
[0017] 上述两种功率的流动方向控制通过控制时序实现动态的变化，从而实现功率的双 向流动，可以广泛应用于储能、电池管理、电机驱动和制动等领域。
【权利要求】
1. 双向直流变换器拓扑，实现两种直流电的互相转换，其特征在于直流输入输出端一 端（VI端）的正负极上各串联一个开关管（与正极连接的开关管为S11，与负极连接的开关 管为S12)，开关管S11和S12后面各连接一个电感（与开关S11连接的电感为L1，与开关 S12连接的电感为L2)，电感L1和L2与开关S11和S12的连接一侧之间连接有升续电路， 电感L1和L2的另一侧连接连接另一个直流输入输出端（V2端），与L1连接的是正极，与 L2连接的是负极。
2. 根据权利要求1所述的双向直流变换器拓扑，其特征在于所述的开关管S11和S12 是双向的，或并联有反向二极管，或开关管内部集成了反向二极管。
3. 根据权利要求1所述的双向直流变换器拓扑，其特征在于所述的升续电路有两种实 现拓扑，一种是无箝位升续电路，一种是中点箝位升续电路。
4. 根据权利要求1和权力要求3所述的双向直流变换器拓扑，其特征在于所述的无箝 位升续电路是直接在电感L1和L2与开关S11和S12连接点之间连接一个开关管（S10)，开 关管S10是双向的，或并联有反向二极管（D10)，或开关管内部集成了反向二极管。
5. 根据权利要求1和权力要求3所述的双向直流变换器拓扑，其特征在于所述的中点 箝位升续电路是在直流输入输出端VI正负极之间串联两个电容（Cl 1和C12)，在电感L1和 L2与开关S11和S12连接点之间连接串联两个开关管（S13和S14)，电容C11和C12之间 的中点与开关管S13和S14之间的中点相连，开关管S13和S14是双向的，或并联有反向二 极管（D13和D14)，或开关管内部集成了反向二极管。
6. 根据权利要求1和权力要求5所述的双向直流变换器拓扑，其特征在于在直流输入 输出端V2正负极之间串联两个电容（C21和C22)，它们的中点与VI端的C11和C22中点相 连。
【文档编号】H02M3/10GK104124867SQ201310170215
【公开日】2014年10月29日 申请日期:2013年4月26日 优先权日:2013年4月26日
【发明者】齐丽娜 申请人:丰郅(上海)新能源科技有限公司