双向l型dc-dc变换器的拓扑结构的制作方法

专利名称：双向l型dc-dc变换器的拓扑结构的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种电力电子双向DC-DC变换器的电路拓扑结构，特别涉及双向L型DC-DC 变换器，可实现升压或降压功能。
背景技术：
随着技术发展，在传统的DC-DC升压电路中，当升/降压的变比较髙时，常采用变压器结 构的变换器，或多级升/降压的结构。由于升压倍数较高，控制精度难以得到保证，同时系统 串联结构导致了系统可靠性低及稳定性不足等。 发明内容本发明所要解决的技术问题是解决DC-DC变换器的升/降压倍数较高时的控制精度，提 出了一种采用多个输出电容串联，并对各个输出级联电容分别进行升/降压控制的拓扑结构， 实现高性能的变换。为了达到上述目的，本发明的技术方案如下一种L型升/降压变换器的拓扑结构，通过k个开关器件串联构成L型变换器的横轴；通 过k个电容串联构成L型变换器的纵轴；横轴最左端的开关通过电感与升压电路的直流输入 电源或降压电路输出的高电位端相连；横轴相邻两个可控开关间的节点和纵轴上相邻两个电 容间的节点，由单向开关支路连接；k-l个开关构成横轴的延长轴，延长轴的另一端与升压电 路的直流输入电源或降压电路输出的低电位端相连。横轴延长轴的各个节点与横轴的各个对 应节点之间通过单个可控开关连接。通过扩展L型结构的横、纵轴以及单向整流支路、单向 可控开关支路，能拓展变换器，k为大于或等于1的正整数。 本发明的有益效果与传统的DC-DC升压变换器相比较，本发明所公开的双向L型DC-DC变换器采用单电 感的结构，对各个串联的电容进行独立充/放电，在较高升/降压比例的情况下，有较高的控制 精度；同时，也克服了多级串联系统的稳定性及可靠性不足等问题；实现了拓扑中器件耐压 相等。


图1为双向L型DC-DC变换器的拓扑图。 图2 (a)为可控开关的M0SFET等效示例图。图2(b)为可控开关的IGBT等效示例图。 图3为双向L型DC-DC的等效变换拓扑图。
具体实施方式
结合附图对本发明作进一步说明图1为改进L型升压变换器的拓扑结构图。通过k个开关器件，可控开关&、 S21……& 串联构成L型变换器的横轴；通过k个电容C,、 C2……Ck串联构成L型变换器的纵轴；横 轴上开关&、 S(,一w间的节点与纵轴上电容C(i.D、 Ci间的节点有从纵轴流向横轴的单向可控 开关，其中i-2……k;通过k-l个开关器件，可控开关514、 S24……w串联构成L型变换器的横轴延长轴；横轴上开关S,p S(^间的节点与横轴延长轴上开关S"、 5(,_1)4间的节点之 间有单向可控开关S。，其中i=2……k;横轴上的^与纵轴上的C,相交，构成横轴与纵轴的 交点；横轴上的&i通过电感与电源或等效负载K相连，电源或等效负载^的另一端与横轴延 长轴的^_1)4相连；k为大于或等于2的正整数；通过扩展双向L型结构的横、纵轴以及单向可控开关支路，可以扩展变换器的级数。开关&、 &2、 &3、 &-1)4、电容Ck构成双向L型变换器的扩展单元组，通过增加扩展单元组，增加电路的级数，以便于进一步提高升/降压的比例。 以下对电路的降压和升压的两种模式进行介绍。在升压模式中，K是升压变换器的输入端，纵轴上的电容Cp C2……Ck是输出电容，电容支路采用串联式放电方式，独立分时充电方式。放电状态与在此不做赘述，以下对各个 电源的分时充电进行简单描述。在升压模式中，开关514、 S24……S(w),处于关断状态，但其反并联二极管将处于工作状态。各个电容的充电过程可分为电感储能的阶段、电感向电容进行能量转移的阶段，以图1 中所示的电容C; (n=l， 2……k)为例，其储能及能量转移过程中，横轴上开关&C/〈")处于断开状态，开关S"C/、w)、 S( _1)2、 5 3处于开通状态，通过&,的开关状态切换进行工作，详细过程如下。电感储能阶段当可控开关S^导通时，使得可控开关&,、 d,……SMl、 5 2处于导通 状态，此时，电源V、电感丄,、可控开关&、……S ,、 &3及5—)4、 S( +2)4……&_,)4的反并联二极管构成回路，直流输入电源对电感进行储能，电感上的电流增加。能量向电容转移阶段可控开关S",状态切换成截止，此时电源V、电感^、可控开关5 2 的反联联二极管、电容C"、可控开关5"( _1)2、 &3构成回路，此时直流输入电源及电感的能量向电容c"转移。在降压模式中，纵轴上的电容C,、 C2……Ck串联承受输入直流电压，在电容容量相等 的情况下，电容上电压稳态均衡。FJ是降压变换器的输出端。开关S"……SAI、 S23……&3处 于关断状态。以图1中所示的电容Q (n=l， 2……k)为例，对该电容的降压过程进行描述，开关5 2、 《4(/>")设置处于导通状态，开关S^C/^")处于断开状态，通过&4的开关状态切换对电容 C。进行放电控制，详细过程如下。阶段l:当开关5 4导通时，使得开关5( +1)1……Sw的反并联二极管受正向偏压进入导通 状态,此时电容Cn 、开关S 2 、开关S( +1)1……&的反并联二极管、电感^ 、负载K 、开关S(t_1)4 、 《"2)4……&4、 &3的反并联二极管一起构成回路，电容向负载供电。阶段2:当开关&4截止时，电感^、负载G、 S^及&t的反并联二极管构成续流回路。图2(a)为可控开关的M0SFET等效示例图。图2(b)为可控开关的IGBT等效示例图。拓扑 中的开关能选多种可控开关或开关拓扑结构，此处仅给出两种示例。图3为改进双向L型DC-DC变换器的等效拓扑图。此时，可控开关&所在支路改为断路，可控开关S12所在支路改为短路。对于升压模式而言，电容Q……Ck的工作过程不变，仅电容C,的工作方式发生变化。具体情况如下通过开关&3的开关切换，实现对C,的充放电过程。当开关&3开通，开关&,……S21、 523及524……2)4、 1)4的反并联二极管构成回路, 为电感储能。当开关&3关断，开关^……S21、电容C。 S14……S(t_2)4、 <^_1)4的反并联二极管构成回路，能量向电容转移。对于降压模式而言，电容Q……Ck的工作过程不变，仅电容C,的工作方式发生变化，通过开关5*12的状态切换，实现对电容C,的降压输出。当开关512开通，电容C,、 S14……& 2)4、 ^及开关&,……521的反并联二极管、电感丄"负载^构成电容C,放电降压的电路。当开关512断开，电感Z^、负载J^、 Sn及&,的 反并联二极管构成续流回路。
权利要求
1.一种双向L型DC-DC变换器的拓扑结构，其特征在于通过k个可控开关S11、S21……Sk1串联构成L型变换器的横轴；通过k个电容C1、C2……Ck串联构成L型变换器的纵轴；横轴上开关Si1、S(i-1)1间的节点与纵轴上电容C(i-1)、Ci间的节点有从纵轴流向横轴的单向可控开关，其中i＝2……k；通过k-1个开关器件，可控开关S14、S24……S(k-1)4串联构成L型变换器的横轴延长轴；横轴上开关Si1、S(i-1)1间的节点与横轴延长轴上开关Si4、S(i-1)4间的节点之间有单向可控开关Si3；横轴上的S11与纵轴上的C1相交，构成横轴与纵轴的交点；横轴上的Sk1通过电感与电源或等效负载V1相连，电源或等效负载V1的另一端与横轴延长轴上的S(k-1)4相连；上述描述中，k为大于或等于2的正整数；通过扩展双向L型结构的横、纵轴以及单向可控开关支路，使变换器的级数得到扩展。
2. 根据权利要求1所述的双向L型DC-DC变换器的拓扑结构，其特征在于开关&,、 &2、 &3、 &_1)4、电容Ck构成双向L型变换器的扩展单元组。
3. 根据权利要求1所述的双向L型DC-DC变换器的拓扑结构，其特征在于开关5 、 S21……和开关Sl2……Si2选择可控电力电子开关IGBT、 MOSFET或等效带反并联二极管 的可控开关拓扑。
4. 根据权利要求1所述的双向L型DC-DC变换器的拓扑结构，其特征在于将可控开 关Su所在支路改为断路，将512所在支路改为短路，电路仍能实现双向变换功能。
5. 根据权利要求1所述的双向L型DC-DC变换器的拓扑结构，其特征在于将开关 S12……&2置为开关串联形式，5 2由11个耐压一致的可控开关构成，其中n-l，2……k,将满足每个开关管的耐压均衡的要求。
全文摘要
本发明公开了双向L型DC-DC变换器的拓扑结构，由k个开关器件，可控开关S₁₁、S₂₁……S_k1串联构成L型变换器横轴；由k个电容C₁、C₂……C_k串联构成L型变换器纵轴；横轴上开关S_i1、S_(i-1)1间的节点与纵轴上电容C_(i-1)、C_i间的节点有从纵轴流向横轴的单向可控开关，其中i＝2……k；通过k-1个开关器件，可控开关S₁₄、S₂₄……S_(k-1)4串联构成L型变换器横轴延长轴；横轴上开关S_i1、S_(i-1)1间的节点与横轴延长轴上开关S_i4、S_(i-1)4间的节点间有单向可控开关S_i3，其中i＝2……k；横轴上S₁₁与纵轴上C₁相交，构成横轴与纵轴的交点；横轴上的S_k1通过电感与电源或等效负载V₁相连；电源或等效负载V₁的另一端与横轴延长轴的S_(k-1)4相连，k为大于或等于2的正整数；通过扩展双向L型结构的横、纵轴及单向可控开关支路，扩展变换器的级数。
文档编号H02M3/10GK101404451SQ20081022447
公开日2009年4月8日 申请日期2008年12月11日 优先权日2008年12月11日
发明者湖 孙, 张立伟, 杨中平, 飞 林, 游小杰, 王琛琛, 贺明智, 郑琼林, 郝瑞祥, 黄先进 申请人:北京交通大学