带有耦合电感的三电平双向DC/DC变换器拓扑的制作方法

本发明属于电力电子变换器技术领域，广泛应用于光伏发电系统储能、电动汽车、不间断电源等领域。

背景技术：

双向直流变换器是实现两种直流电相互转换的电能变换器，是直流开关电源的重要组成部件，在功能上相当于两个单向直流变换器，在不间断电源供电，蓄电池充放电、航天系统上需要能量进行双向流动的场合，可以大幅度减少设备体积，具有重要研究意义。传统非隔离型双向直流变换器很难实现高的变换比，隔离型双向直流变换器的高频变压器绕组复杂，磁芯损耗比较大，效率比较低，隔离型和非隔离型变换器都存在高压侧开关管电压应力比较大的问题。

技术实现要素：

鉴于此，本发明提出一种双向直流变换器，实现了非隔离型变换器高的变换比，同时降低了高压侧开关管的电压应力。

为实现上述目的，本发明技术方案如下：本发明的三电平双向直流变换器包括高压侧电源U_H，低压侧电源U_L，高压侧录播电容C_H，低压侧滤波电容C_L，开关管S₁，S₂，S₃，S₄，耦合电感L₁，L₂，飞跨电容C_F；其中开关管S₁和S₃串联，高压侧电源经过滤波电容C_H，和开关管S₁相连接；开关管S₄和S₂串联，耦合电感通过同一个磁芯相耦合，L₁同名端和L₂异名端相连接，开关管S₄和耦合电感连接处相连；低压侧电源U_L通过低压侧滤波电容C_L和耦合电感L₂同名端相连接；开关管S₁和S₃连接处，S₄和S₂连接处通过飞快电容C_F连接在一起。

本发明的三电平双向直流变换器拓扑缓冲电路包括，二极管D₁、D₂，电容C₁、C₂，电阻R₁、R₂，其中电容C₁和R₁并联，再和二极管D₁的负极相连接组成缓冲电路，开关管D₁的正极和开关管S₁、S₃的连接点相连接，组成开关管S₃的缓冲电路；C₂和R₂并联，再和D₂的正极相连接，开关管D₂的负极和开关管S₄、S₂连接点相连接，组成开关管S₄的缓冲电路。

附图说明

图1为本发明实施的三电平双向直流变换器拓扑结构原理图。

图2为本发明实施的变换器降压模式D>0.5条件下，开关管逻辑顺序。

图3为本发明实施的变换器降压模式D<0.5条件下，开关管逻辑顺序。

具体实施方式

本发明三电平双向直流变换器拓扑结构如图1所示，相关内容参照背景技术部分。

本发明三电平双向直流变换器拓扑功率从高压侧流向低压侧工作原理如图2所示，工作原理：征程工作时飞跨电容C_F电压U_CF=U_H/2，开关管S₁和S₂、S₃和S₄互补导通，开关管S₁和S₃、S₂和S₄交错工作，驱动信号相差180°。工作状态又分为占空比D>0.5和D<0.5。

占空比D>0.5时分析工作状态：

状态1：开关管S₂和S₃同时导通，飞跨电容C_F向低压侧供电，耦合电感充电,存储能量，耦合电感原副边的激磁电流线性增加，磁芯中的磁通增加，同时向负载提供能量。

状态2：开关管S₁和S₃同时导通，耦合电感充电，耦合电感原副边的激磁电流继续线性增加,同时向负载提供能量，磁芯中的磁通增加。

状态3:开关管S₁和S₄同时开通，S₂和S₃同时关断耦合电感原边线圈瞬时变为零，耦合电感副边的激磁电流继续线性减小，磁芯中的磁通增加，开关管S₃通过缓冲电路，减小电压应力。

状态4：开关管S₁和S₃同时导通，耦合电感充电，耦合电感原副边的激磁电流线性增加,同时向负载提供能量，磁芯中的磁通增加。

占空比D<0.5时分析工作状态：

状态1：S₂和S₄同时导通，S₁和S₃同时关断，耦合电感原边线圈电流瞬时变为零，耦合电感L₁中的能量在S₃关断瞬间转移到副边L₂，通过S₂和S₄续流。

状态2：S₁和S₄同时导通，耦合电感副边线圈的激磁电流增加铁芯磁场能量，同时向负载供电。

状态3：S₂和S₄同时导通，S₁和S₃同时关断，通过S₂和S₄续流。

状态4：开关管S₂和S₃同时导通，飞跨电容通过S₃对整个耦合电感激磁，耦合电感原副边激磁电流线性增加，同时向负载提供能量。

Boost D>0.5和Buck D<0.5的工作模态完全一样，只是电感电流的方向相反；Boost D<0.5和Buck D>0.5的工作模态完全一样，只是电感电流的方向相反。Boost D>0.5和D<0.5的工作模态在此处不再赘述。