一种低基础纹波的大功率双向DC/DC电路拓扑结构的制作方法

本实用新型涉及电力电子技术领域，特别是新能源汽车电机以及电机控制器测试以及电池充放电测试设计的大功率双向DC/DC主电路结构。

背景技术：

新能源汽车经过近十年的发展，迎来了高速发展的时机。随着新能源汽车产能的提升，其直接的上游产业新能源电机、电机控制器以及新能源动力电池测试中能量的消耗越来越受到重视，第一代的直接耗能式测试电源（把测试过程中的制动再生能量或者电池测试中的能量用电阻以热量的形式消耗，简称耗能式）的测试方式显然与新能源行业节能减排的口号相违背。第二代的双向回馈式测试电源也就在此时进入大家视线，双向回馈式测试电源可以把新能源测试过程中的制动再生能量或者电池测试中的能量回馈到电网，实现了能量的循环利用，与新能源汽车行业的节能减排的宗旨相吻合，所以越来越受到相关企业的重视。

经过近年的高速发展，新能源汽车功率呈逐渐增加的趋势，受限于风冷散热条件的限制，常规双向DC/DC电路拓扑功率等级已无太多空间，双向回馈式测试电源已然不能够满足新的使用需求。

常见基本的非隔离式DC/DC拓扑结构有BUCK、BOOST、CUK、SEPIC、ZETA几种，以上几种电路拓扑结构均是单向结构。

传统的BUCK-BOOST从左往右为BUCK降压工作模式， DC-BUS为源端，Uo为输出端；从右往左为BOOST升压工作模式，DC-BUS为输出端，Uo为源端。其中，Q1、Q2为开关管，C1、C2为电容，L1为电感，R1、R2分别是C1、C2的放电电阻。

当工作在BUCK降压模式时，开关管Q1工作在开关状态，开关管Q2处于关断状态，仅使用其体二极管为电感L1续流。此时能量由DC-BUS端流向Uo端。

当工作在BOOST升压模式时，开关管Q1处于关闭状态，Q1的体二极管保证C1电能不被Q2放电，开关管Q2工作在开关状态。此时能量由Uo端流向DC-BUS端。

从以上是常规的BUCK-BOOST电路工作流程分析可见：无论是BUCK工作模式还是BOOST工作模式，电路的基础纹波均为电路设计的电流纹波率r，通常r的取值范围是0.2-0.5，为方便计算说明，此处r取0.3。首先我们假定DC的设计输出为I1，则电路的基础纹波为0.3I1，G1为开关管Q1的驱动波形，L1为电感电流波形。可见电感电流波形与驱动波形同频率且同相位。

技术实现要素：

本实用新型旨在提供一种低基础纹波的适合大功率的双向DC/DC电路拓扑结构。

本实用新型包括U1端和U2端，在U1端并联由第一电容器C1和第一电阻R1组成的第一滤波电路，在U2端并联由第二电容器C2和第二电阻R2组成的第二滤波电路，其特征在于：在第一滤波电路上并联由六只开关管组成的三桥臂六管电路，其中的每一桥臂由串接的两只开关管组成，在每一桥臂的所述两只开关管之间分别各自连接一只电感的一端，每一只电感的另一端分别与第二滤波电路的正极端连接。

每一桥臂分别移相120度。

当U1为源，U2为输出时为BUCK即降压工作模式；当U2为源，U1为输出时为BOOST即升压工作模式。本实用新型使用基本的非隔离BUCK和BOOST电路的三组复合实现能量的双向流动，通过三组PWM的相移120度实现低纹波。同时，因为分散了功率开关管的布局，更加有利于整机的热设计，功率等级的提升空间大大增加。本实用新型采用分散的散热设计，是一种适合大功率低基础纹波的非隔离式DC/DC的电源设备的拓扑结构。

附图说明

图1为本实用新型的一种结构示意图。

图2为本实用新型为升压工作模式的开关管驱动电压波形图。

图3为本实用新型为降压工作模式的开关管驱动电压波形图。

图4为本实用新型拓扑结构对应的桥臂1、桥臂2、桥臂3的对应驱动以及电流波形图。

图5为三路波形的复合波形图。

图6为本实用新型电路拓扑结构的仿真软件MATLAB_simulink的仿真波形的描绘波形图。

图7为传统电路拓扑结构的仿真软件MATLAB_simulink的仿真波形的描绘波形图。

具体实施方式

如图1所示，本实用新型在U1的正极端、电容C1的正极端（即1端）、电阻R1的2端、开关管Q1的2端、开关管Q2的2端和开关管Q3的2端分别连接图1中的a点。U1的负极端、电容C1的负极端（即2端）、电阻R1的1端、开关管Q4的3端、开关管Q5的3端、开关管Q6的3端分别连接图1中的c点。电容C2的负极端（即2端）、电阻R2的1端、U2的负极端也分别连接到图1是的c点。U2的正极端、电容C2的正极端（即1端、电阻R2的2端、电感L1的2端、电感L2的2端、电感L3的2端分别连接到图1中的b点。

由开关管Q1和开关管Q4组成桥臂1：开关管Q1的3端与开关管Q4的2端连接，并在开关管Q1的3端通过导线与电感L1的1端连接。

由开关管Q2和开关管Q5组成桥臂2：开关管Q2的3端与开关管Q5的2端连接，并在开关管Q2的3端通过导线与电感L2的1端连接。

由开关管Q3和开关管Q6组成桥臂3：开关管Q3的3端与开关管Q6的2端连接，并在开关管Q3的3端通过导线与电感L3的1端连接。

工作原理：当U1为源，U2为输出时为BUCK即降压工作模式；当U2为源，U1为输出时为BOOST即升压工作模式。

升压和降压工作时开关管驱动电压波形如图2、3所示。

1、当为BUCK工作模式时，开关管Q1、Q2、Q3工作在开关状态，开关管Q4、Q5、Q6截止。Q1-Q6的驱动电压U_G1-U_G6的波形如图2的BUCK降压驱动波形所示。

此时U2=D*U1；其中D为开关管Q1、Q2、Q3的正占空比。

2、当为BOOST工作模式时，开关管Q1、Q2、Q3截止，开关管Q4、Q5、Q6工作在开关状态。Q1-Q6的驱动电压U_G1-U_G6的波形如图2的BOOST升压驱动波形所示。

此时U1= U2/（1-D），其中D为开关管Q4、Q5、Q6的正占空比。

3、桥臂1、桥臂2、桥臂3的PWM驱动波形依次相移120度，PWM波形相位示意如下图2所示。

4、通过对桥臂1、桥臂2、桥臂3 移相处理，可对电感电流进行填谷处理，从而降低了电路的基础纹波，减少了滤波电容C1和滤波电容C2的容量，提高了电路的动态性能。

图4所示为本实用新型拓扑结构对应的桥臂1、桥臂2、桥臂3的对应驱动以及电流波形图。

图5为三路波形的复合波形图。

通过对桥臂1、桥臂2、桥臂3分别移相120度达到把电流波形相位移动120度的目的，因为电感的输出端短接（U1端通过开关管Q1、开关管Q2、开关管Q3体二极管短接，此处视为短接）移相后的电流峰值叠加，可以把电流的基础纹波降低为传统电路的1/3左右。众所周知，开关管的并非理想的开关器件，在开关管导通时有管压降Vce，在开关管开通和关断时会有额外的开通和关断损耗，甚至在截至时也有漏电流导致的损耗，以上的问题均说明开关管在工作过程中总脱离不了发热和散热的问题，随着单管功率的增加，该问题变得尤为突出，电感L也存在相同问题。

本实用新型巧妙地把单个大功率的开关管分为三个小功率的开关管，成本更具优势的同时把单一发热点分散为三个，利于散热设计。同时对电路的开关管Q1，Q2，Q3三组PWM驱动波形进行120度的移相处理，利用其峰值叠加的特性可大幅降低基础纹波，减少滤波电容的用量。由图4叠加后的电流波形图示意可看出，加粗部分为电流稳定后的叠加效果示，叠加后电流脉动频率增加到原来的3倍，电流的基础纹波约减小为原来的1/3，变为0.1I1。

图6和图7是仿真软件MATLAB_simulink的仿真波形的描绘波形，其中图6为本实用新型电路拓扑的仿真效果，图7为传统电路拓扑的效果，对比可以看出本专利拓扑的电流纹波只有传统电路拓扑的1/3左右，脉动频率为传统拓扑结构的3倍，和预期效果完全相吻合。说明本实用新型拓扑结构完全能够达到预期的效果。

本实用新型可使整机热量分布均匀，纹波等参数优于传统方案，与计算和仿真结果基本吻合。