专利名称：一种大功率双向dc/dc变换器拓扑结构的制作方法
技术领域：
本发明涉及DC/DC变换器，特别是涉及一种大功率双向DC/DC变换器拓扑 结构。
背景技术：
采用能量回收系统是解决节能减排问题的有效手段，最早被用于电动汽车中， 这些车辆通常采用蓄电池，如铅酸、镍氢以及锂离子电池作为能源与其主能量元件 组合共同作为动力源。但车辆启动、加速和爬坡时，蓄电池要经常遭受大充放电电 流冲击，电池寿命急剧衰减，且刹车、制动时产生能量也不能有效回收，这是传统 蓄电池所存在的重大缺点。超级电容能量回收系统是近几年来探索出的一种更加符 合环境要求的新型能量存储技术。由于超级电容器具有快速存储释放能量、适用温 度范围宽、寿命长和易于管理等优点，如和其它能量元件(发动机、蓄电池、燃料 电池)组成联合体共同工作，可使系统同时满足动力性和经济性要求，与其它储能 元件(如蓄电池、超导、飞轮、压縮空气等)单独使用相比，具有明显优势，是实 现能量回收利用、降低污染的一种有效途径。
目前，随着能量回收系统应用范围进一步的拓宽，在城市轨道交通领域也有应 用，这不仅对能量存储器件提出了高要求，对能量回收系统本身也提出了高可靠、 双向大功率、低成本等要求，而这些要求的实现离不开合适的主电路拓扑。
目前大功率双向DC/DC变换器拓扑分为隔离与非隔离型变换器，但考虑到前 者结构的复杂性和成本问题， 一般选用非隔离型变换器。
非隔离型变换器主要分为四种基本拓扑，即Buck， Boost, Buck-Boost与Cuk 电路，但其共有缺点是能量不能双向流动，需要在其原有基础上进行改进。目前已
有能量可以双向流动的拓扑主要分为两类
(1)单桥臂拓扑这是一种一二象限复合结构DC/DC变换器，是基本Buck
和Boost拓扑衍生物。其特点为拓扑简单，但当高压侧电压故障跌落(电压小于低
压侧)时，IGBT1的反并联二极管会故障导通，故存在电流失控危险，必须额外 添加高速保护设备，如图1所示。
(2)双桥臂拓扑这是采用两套单桥臂拓扑级联而成的拓扑，由于两单桥臂
之间有一个比电网与能量存储单元电压都高的高压电容环节，故双桥臂拓扑不存在
电流失控危险，但是其拓扑及控制复杂、成本翻倍，如图2所示。
发明内容
本发明所要解决的技术问题就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一 种大功率双向DC/DC变换器拓扑结构。
本发明的目的可以通过以下技术方案来实现 一种大功率双向DC/DC变换器 拓扑结构，包括高压侧滤波单元、桥臂单元、储能及低压侧滤波单元、能量存储单 元，所述的高压侧滤波单元、桥臂单元、储能及低压侧滤波单元、能量存储单元依 次连接，其特征在于，所述的桥臂单元包括开关管IGBT1，以及由开关管IGBT2、 开关管IGBT3构成的单桥臂电路，所述的开关管IGBT1、开关管IGBT2和开关管 IGBT3均带有反并联二极管，所述的开关管IGBT1的集电极与开关管IGBT2的集 电极连接，开关管IGBT2的发射极与开关管IGBT3的集电极连接，所述的开关管 IGBT1的发射极以及开关管IGBT3的发射极与高压侧滤波单元连接。
所述的能量存储单元为蓄电池、超级电容器组或其它类型电储能器件。
所述的高压侧滤波单元包括电感Lin、电容C1，所述的电感Lin的一端与电容 Cl的正极连接。
所述的开关管IGBT1的发射极与电容C1的正极连接，所述的开关管IGBT3 的发射极与电容C1的负极连接。
所述的储能及低压侧滤波单元包括电感L、电容C2，所述的电感L的一端与 开关管IGBT3的集电极连接，该电感L的另一端与电容C2的正极连接，该电容 C2的负极与开关管IGBT3的发射极连接。
所述的能量存储单元与电容C2的两极连接。
与现有技术相比，本发明具有如下优点
1) 与普通单桥臂拓扑相比，其不存在电流失控危险，可靠性高；
2) 与双桥臂拓扑相比，其结构简单，控制容易，且成本要低很多。
图1为现有的DC/DC变换器单桥臂拓扑结构示意图； 图2为现有的DC/DC变换器双桥臂拓扑结构示意图； 图3为本发明的结构示意其中1-高压侧滤波单元，2-桥臂单元，3-储能及低压侧滤波单元，4-能量存
储单元。
具体实施例方式
如图3所示， 一种大功率双向DC/DC变换器拓扑结构，包括高压侧滤波单元 1、桥臂单元2、储能及低压侧滤波单元3、能量存储单元4，所述的高压侧滤波单 元l、桥臂单元2、储能及低压侧滤波单元3、能量存储单元依次连接4，所述的桥 臂单元2包括开关管IGBT1，以及由开关管IGBT2、开关管IGBT3构成的单桥臂 电路，所述的开关管IGBT1、开关管IGBT2和开关管IGBT3均带有反并联二极管， 所述的开关管IGBT1的集电极与开关管IGBT2的集电极连接，开关管IGBT2的发 射极与开关管IGBT3的集电极连接，所述的开关管IGBT1的发射极以及开关管 IGBT3的发射极与高压侧滤波单元连接。
所述的能量存储单元4为蓄电池、超级电容器组或其它类型电储能器件；所述 的高压侧滤波单元包括电感Lin、电容C1，所述的电感Lin的一端与电容Cl的正 极连接;所述的开关管IGBT1的发射极与电容C1的正极连接，所述的开关管IGBT3 的发射极与电容C1的负极连接；所述的储能及低压侧滤波单元包括电感L、电容 C2，所述的电感L的一端与开关管IGBT3的集电极连接，该电感L的另一端与电 容C2的正极连接，该电容C2的负极与开关管IGBT3的发射极连接；所述的能量 存储单元4与电容C2的两极连接。
本发明的桥臂单元是由 一个单桥臂和一个保护开关管组成。单桥臂主要完成对 功率流的控制作用；当高压侧VI发生电压跌落故障时，会导致IGBT2的反并联 二极管故障导通，导致电流失控，此时，独立开关管IGBT1迅速动作，切断失控 电流。
权利要求
1.一种大功率双向DC/DC变换器拓扑结构，包括高压侧滤波单元、桥臂单元、储能及低压侧滤波单元、能量存储单元，所述的高压侧滤波单元、桥臂单元、储能及低压侧滤波单元、能量存储单元依次连接，其特征在于，所述的桥臂单元包括开关管(IGBT1)，以及由开关管(IGBT2)、开关管(IGBT3)构成的单桥臂电路，所述的开关管(IGBT1)、开关管(IGBT2)和开关管(IGBT3)均带有反并联二极管，所述的开关管(IGBT1)的集电极与开关管(IGBT2)的集电极连接，开关管(IGBT2)的发射极与开关管(IGBT3)的集电极连接，所述的开关管(IGBT1)的发射极以及开关管(IGBT3)的发射极与高压侧滤波单元连接。
2. 根据权利要求1所述的一种大功率双向DC/DC变换器拓扑结构，其特征 在于，所述的能量存储单元为蓄电池、超级电容器组或其它类型电储能器件。
3. 根据权利要求1所述的一种大功率双向DC/DC变换器拓扑结构，其特征 在于，所述的高压侧滤波单元包括电感(Lin)、电容(C1)，所述的电感(Lin)的一端与 电容(C1)的正极连接。
4. 根据权利要求3所述的一种大功率双向DC/DC变换器拓扑结构，其特征 在于，所述的开关管(IGBT1)的发射极与电容(C1)的正极连接，所述的开关管(IGBT3) 的发射极与电容(C1)的负极连接。
5. 根据权利要求1所述的一种大功率双向DC/DC变换器拓扑结构，其特征 在于，所述的储能及低压侧滤波单元包括电感(L)、电容(C2)，所述的电感(L)的一 端与开关管(IGBT3)的集电极连接，该电感(L)的另一端与电容(C2)的正极连接，该 电容(C2)的负极与开关管(IGBT3)的发射极连接。
6. 根据权利要求5所述的一种大功率双向DC/DC变换器拓扑结构，其特征 在于，所述的能量存储单元与电容(C2)的两极连接。
全文摘要
本发明涉及一种大功率双向DC/DC变换器拓扑结构，包括高压侧滤波单元、桥臂单元、储能及低压侧滤波单元、能量存储单元，所述的高压侧滤波单元、桥臂单元、储能及低压侧滤波单元、能量存储单元依次连接，所述的桥臂单元包括开关管IGBT1，以及由开关管IGBT2、开关管IGBT3构成的单桥臂电路。与现有技术相比，本发明是一种用于直流大功率能量回收及再利用场合的节能设备拓扑，能有效防止故障情况下电流失控、迅速完成过电流保护，具有功率能级高、结构简单、控制容易、可靠性高、成本低的特点，本发明的拓扑结构更加适合于高可靠性双向大功率工程应用场合。
文档编号H02M3/155GK101350555SQ200810040359
公开日2009年1月21日 申请日期2008年7月8日 优先权日2008年7月8日
发明者吴璐璐, 姚勇涛, 张逸成, 朱学军, 梁海泉, 沈玉琢, 波 王, 王灵艳 申请人:同济大学