一种两相交错并联双向DC/DC变换器的制作方法

本实用新型涉及电力电子变换器技术领域，更具体地说，涉及一种两相交错并联双向DC/DC变换器。

背景技术：

随着双向直流-直流变换器在直流电机驱动、不间断电源、分布式发电和电动汽车等领域中受到人们越来越多的关注，其相关应用技术研究也有所提高。由于分布式能源自身并没有能量存储的功能，因此现今分布式发电系统大多含有辅助储能系统，在储能系统中，双向DC/DC变换器承担能量双向输送的任务，因而其作用在整个储能系统中占重要作用。双向DC/DC变换器在功能上相当于两个单向DC/DC变换器，能大幅度减小储能系统的体积、重量和成本，同时提高变换效率，实现“一机两用”的功能，具有重要的研究和应用价值。

关于并联变换器的结构设计，现有技术中已有相关的技术方案公开，如：中国专利号ZL201420113325.6，名称为：一种多路交错并联移相双向CUK变换器，它包括至少一CUK双向变换器单元，CUK双向变换器单元包括一由隔离变压器隔离驱动的主开关管Q1和续流管Q2形成的桥臂电路，主开关管Q1和续流管Q2由互补的PWM的信号驱动。该申请案虽然采用了多路并联结构，但变换器的电压变换比并没有得到提升。

此外，对于中国专利号ZL201310726086.1，名称为：一种隔离型双向DC-DC变换器，它包括初级侧变换器，初级侧变换器由四个第一至第四功率开关管、第一、第二电感构成，第一功率开关管经第一电感与第二功率开关管串联构成第一桥臂，第三功率开关管经第二电感与第四功率开关管串联构成第二桥臂；初级侧变换器正母线与负母线之间连接初级侧稳压电容，第一电感一端连接隔离变压器的初级绕组，另一端经第一二极管连接初级侧变换器的母线；第二电感一端也连接隔离变压器的初级绕组，另一端经第二二极管连接初级侧变换器的母线；隔离变压器的次级绕组连接次级侧变换器输入端，次级侧变换器的输出端正母线与负母线之间连接次级侧稳压电容。该申请方案由于变换器的存在，虽然能够实现高变换比，但其体积和成本较大，且易出现磁饱和现象。

技术实现要素：

1.要解决的问题

针对现有变换器实现高变换比较为困难的问题，本实用新型提供一种两相交错并联双向DC/DC变换器，提高输入输出电压的变换比，交错并联结构减小电流纹波，提高变换器的暂态响应速度，开关器件的电压、电流应力也得到了有效的降低，从而提高了变换器的性能。该变换器可适用于新能源发电储能系统、混合动力汽车、超级电容系统等能量需要双向流动的场合。

2.技术方案

为了解决上述问题，本实用新型所采用的技术方案如下：

本实用新型的一种两相交错并联双向DC/DC变换器，包括低压模块、高压模块和变换器，所述变换器与低压模块和高压模块串联，在升压模式时，低压模块向高压模块提供能量，低压侧的占空比大于0.5；在降压模式时，高压模块将能量回馈到低压模块，高压侧的占空比小于0.5。

于本实用新型一种可能的实施方式中，所述低压模块包括低压侧电源和低压侧电容，低压侧电源的正极与低压侧电容的正极连接。

于本实用新型一种可能的实施方式中，所述高压模块包括高压侧电源和高压侧电容，高压侧电源与高压侧电容并联。

于本实用新型一种可能的实施方式中，所述变换器包括带反并二极管的第一功率开关管、带反并二极管的第二功率开关管、带反并二极管的第三功率开关管、带反并二极管的第四功率开关管、第一独立电感、第二独立电感和开关电容，低压侧电源的正极与第一独立电感的一端及第二独立电感的一端相连，第一独立电感的另一端与带反并二极管的第一功率开关管的漏极及开关电容的正极相连，第二独立电感的另一端与带反并二极管的第二功率开关管的漏极及带反并二极管的第三功率开关管的源极相连，带反并二极管的第三功率开关管的漏极与高压侧电容的正极及高压侧电源的正极相连，低压侧电容两端接低压侧电源，低压侧电源的负极与带反并二极管的第一功率开关管的源极及带反并二极管的第二功率开关管的源极，带反并二极管的第四功率开关管的漏极与低压侧电源的负极相连，开关电容的负极与带反并二极管的第四功率开关管的源极及高压侧电源的负极相连。

于本实用新型一种可能的实施方式中，所述变换器工作在升压模式下，低压侧的第一功率开关管、第二功率开关管的控制信号交错180°，且占空比大于0.5；当变换器工作在降压模式下，高压侧的第三功率开关管、第四功率开关管的控制信号交错180°，且占空比小于0.5；低压侧的第一功率开关管、第二功率开关管与高压侧的第三功率开关管、第四功率开关管的控制信号为互补信号。

3.有益效果

相比于现有技术，本实用新型的有益效果为：

(1)本实用新型的两相交错并联双向DC/DC变换器电路结构简单，体积小，成本低，输入输出的电压变换比高，利用交错并联控制降低了输入电流的纹波，用在储能系统中，可以提高电池的使用寿命，开关器件的电压、电流应力低，不仅提高变换器的整体变换效率，同时有利于开关器件的选型；

(2)本实用新型采用移相交错控制和双向控制，既能很好利用两相交错并联双向DC/DC变换器拓扑结构特点，又能保证对能量双向流动控制；低压侧采用并联结构，并结合对功率开关管的移相交错控制，有效减小电流纹波和开关器件的电流应力，变换器中的开关电容作为能量吸收和释放的缓冲，并结合能量的双向控制，实现对变换器的稳压和限流，在双方供电时，可以对变换器的电流和电压进行控制。

附图说明

下面结合附图对本实用新型进一步说明。

图1为本实用新型的一种两相交错并联双向DC/DC变换器的拓扑结构图。

图中的标号说明：

1、低压模块；2、高压模块；3、变换器；U_L、低压侧电源；S₁、第一功率开关管；S₂、第二功率开关管；S₃、第三功率开关管；S₄、第四功率开关管；D₁、第一功率开关管的反并二极管；D₂、第二功率开关管的反并二极管；D₃、第三功率开关管的反并二极管；D₄、第四功率开关管的反并二极管；L₁、第一独立电感；L₂、第二独立电感；C₁、开关电容；C_L、低压侧电容；C_H、高压侧电容；U_H、高压侧电源。

具体实施方式

下文对本实用新型的示例性实施例的详细描述参考了附图，该附图形成描述的一部分，在该附图中作为示例示出了本实用新型可实施的示例性实施例。尽管这些示例性实施例被充分详细地描述以使得本领域技术人员能够实施本实用新型，但应当理解可实现其他实施例且可在不脱离本实用新型的精神和范围的情况下对本实用新型作各种改变。下文对本实用新型的实施例的更详细的描述并不用于限制所要求的本实用新型的范围，而仅仅为了进行举例说明且不限制对本实用新型的特点和特征的描述，以提出执行本实用新型的最佳方式，并足以使得本领域技术人员能够实施本实用新型。因此，本实用新型的范围仅由所附权利要求来限定。

下文对本实用新型的详细描述和示例实施例可结合附图来更好地理解，其中本实用新型的元件和特征由附图标记标识。

实施例1

如图1所示，本实施例的一种两相交错并联双向DC/DC变换器，包括低压模块1、高压模块2和变换器3。

本实施例的低压模块1包括低压侧电源U_L和低压侧电容C_L，低压侧电源U_L的正极与低压侧电容C_L的正极连接；高压模块2包括高压侧电源U_H和高压侧电容C_H，高压侧电源U_H与高压侧电容C_H并联；变换器3包括带反并二极管D₁的第一功率开关管S₁、带反并二极管D₂的第二功率开关管S₂、带反并二极管D₃的第三功率开关管S₃、带反并二极管D₄的第四功率开关管S₄、第一独立电感L₁、第二独立电感L₂和开关电容C₁，低压侧电源U_L的正极与第一独立电感L₁的一端及第二独立电感L₂的一端相连，第一独立电感L₁的另一端与带反并二极管D₁的第一功率开关管S₁的漏极及开关电容的正极相连，第二独立电感L₂的另一端与带反并二极管D₂的第二功率开关管S₂的漏极及带反并二极管D₃的第三功率开关管S₃的源极相连，带反并二极管D₄的第三功率开关管S₃的漏极与高压侧电容C_H的正极及高压侧电源U_H的正极相连，低压侧电容C_L两端接低压侧电源U_L，低压侧电源U_L的负极与带反并二极管D₁的第一功率开关管S₁的源极及带反并二极管D₂的第二功率开关管S₂的源极，带反并二极管D₄的第四功率开关管S₄的漏极与低压侧电源U_L的负极相连，开关电容C₁的负极与带反并二极管D₄的第四功率开关管S₄的源极及高压侧电源U_H的负极相连。

本实施例的两相交错并联双向DC/DC变换器主要工作于两种工作模式，即升压模式和降压模式，详细分析如下：

1、升压模式

当工作于升压模式时，低压侧电源向高压侧电源提供能量，此时，第一功率开关管S₁、第二功率开关管S₂及第三功率开关管S₃、第四功率开关管S₄的反并二极管D₃、D₄处于工作状态。假定电路工作于连续导通模式，且占空比大于0.5，在一个开关周期内，有四个工作模态，详细分析如下：

工作模态1)：

第一功率开关管S₁和第三功率开关管S₃的反并二极管D₃导通，第一功率开关管S₁的反并二极管D₁和第三功率开关管S₃关断，第二功率开关管S₂、第四功率开关管S₄及其反并二极管D₂、D₄关断。低压侧电源U_L对第一独立电感L₁充电，第一独立电感L₁的电流不断增大，低压侧电源U_L，第二独立电感L₂，第三功率开关管S₃的反并二极管D₃，开关电容C₁及高压侧电源U_H构成回路，向高压侧电源U_H提供能量，高压侧电容C_H处于充电状态，开关电容C₁的两端电压和第二独立电感L₂的电流均下降。

工作模态2)：

第一功率开关管S₁和第二功率开关管S₂导通，第一功率开关管S₁、第二功率开关管S₂的反并二极管D₁、D₂关断，第三功率开关管S₃、第四功率开关管S₄及其反并二极管D₃、D₄关断。低压侧电源U_L对第一独立电感L₁及第二独立电感L₂充电，第一独立电感L₁及第二独立电感L₂的电流不断增大。此时开关电容C₁的两端电压保持不变，处于保持状态。

工作模态3)：

第二功率开关管S₂和第四功率开关管S₄的反并二极管D₄导通，第二功率开关管S₂的反并二极管D₂和第四功率开关管S₄关断，第一功率开关管S₁、第三功率开关管S₃及其反并二极管D₁、D₃关断。低压侧电源U_L对第二独立电感L₂充电，第二独立电感L₂的电流不断增大，低压侧电源U_L，第一独立电感L₁，第四功率开关管S₄的反并二极管D₄，开关电容C₁构成回路，对开关电容C₁进行充电，开关电容C₁处于充电状态，开关电容C₁两端电压上升，第一独立电感L₁的电流下降。

工作模态4)：与工作模态2)相同。

2、降压模式

当工作于降压模式时，能量将由高压侧电源回馈到低压侧电源，此时，第三功率开关管S₃、第四功率开关管S₄及第一功率开关管S₁、第二功率开关管S₂的反并二极管D₁、D₂处于工作状态。假定电路工作于连续导通模式，且占空比小于0.5，在一个开关周期内，有四个工作模态，详细分析如下：

工作模态1)：

第三功率开关管S₃和第一功率开关管S₁的反并二极管D₁导通，第三功率开关管S₃的反并二极管D₃和第一功率开关管S₁关断，第二功率开关管S₂、第四功率开关管S₄及其反并二极管D₂、D₄关断。高压侧电源U_H对第二独立电感L₂充电，第二独立电感L₂的电流不断增大，第一独立电感L₁通过第一功率开关管S₁的反并二极管D₁续流，第一独立电感L₁的电流下降。

工作模态2)：

第二功率开关管S₂的反并二极管D₁、D₂导通，第三功率开关管S₃、第四功率开关管S₄及其反并二极管D₃、D₄关断，第一功率开关管S₁和第二功率开关管S₂关断，第一功率开关管S₁。第一独立电感L₁通过第一功率开关管S₁的反并二极管D₁续流，第二独立电感L₂通过第一功率开关管S₂的反并二极管D₂续流。。此时开关电容C₁的两端电压保持不变，处于保持状态。

工作模态3)：

第四功率开关管S₄和第二功率开关管S₂的反并二极管D₂导通，第四功率开关管S₄的反并二极管D₄和第二功率开关管S₂关断，第一功率开关管S₁、第三功率开关管S₃及其反并二极管D₁、D₃关断。开关电容C₁对第一独立电感L₁充电，第一独立电感L₁的电流不断增大，第二独立电感L₂通过第一功率开关管S₂的反并二极管D₂续流，第二独立电感L₂的电流下降。

工作模态4)：与工作模态2)相同。

本实施例的两相交错并联双向DC/DC变换器，在升压和降压两种模式下的四种工作模态下，完成能量的转换。该变换器具有高升压变比、开关电压应力低，且输入电流纹波低，控制方便的技术特点。

以上示意性的对本实用新型及其实施方式进行了描述，该描述没有限制性，附图中所示的也只是本实用新型的实施方式之一，实际的结构并不局限于此。所以，如果本领域的普通技术人员受其启示，在不脱离本实用新型创造宗旨的情况下，不经创造性的设计出与该技术方案相似的结构方式及实施例，均应属于本实用新型的保护范围。