一种双向直流-直流变换器及控制方法

1.本发明涉及电力电子技术领域，尤其涉及一种双向直流-直流变换器及控制方法。


背景技术：

2.高功率密度双向直流-直流变换器是推动传统集中式能源结构向可再生分布式能源结构转型、实现新能源国家战略目标的关键。提高开关频率是提升双向直流-直流变换器功率密度的主要手段，但受限于半导体开关器件的开关速度和开关损耗，传统双向直流-直流变换器的开关频率难以再进一步提升。


技术实现要素：

3.本发明的目的是提供一种双向直流-直流变换器，使半导体器件以较低开关频率实现双向直流-直流电路的等效开关频率增加，从而减小系统无源器件的体积，提升系统的功率密度。
4.为达到上述目的，本发明提供如下技术方案：
5.一种双向直流-直流变换器，包括第一直流电源和第二直流电源；还包括桥臂、第一滤波电容、第二滤波电容和滤波电感；所述桥臂的第一端与第一滤波电容的正极、所述第一直流电源的正极连接，所述桥臂的中点通过滤波电感与所述第二滤波电容的正极连接，所述桥臂的第二端、所述第一直流电源的负极、所述第一滤波电容的负极和所述第二滤波电容的负极短接在一起；所述桥臂包括串联的第一开关管组和第二开关管组，所述第一开关管组和所述第二开关管组分别由数量相同的n个开关管组成，所述n的数量大于等于2。
6.基于双向直流-直流变换器，还提供一种控制方法，具体为：控制所述桥臂开关状态以控制桥臂中点对直流母线负极n的电压。
7.可选的，控制所述桥臂开关状态包括控制所述第一开关管组和所述第二开关管组中开关管状态。
8.可选的，所述桥臂开关状态为二进制函数si，i＝a，b，其中a表示第一开关管组，b表示第二开关管组；a＝1表示第一开关管组导通，a＝0表示第一开关管组关断，b＝1表示第二开关管组导通，b＝0表示第二开关管组关断。
9.可选的，当所述桥臂开关状态为函数si＝(1,0)时，桥臂中点对直流母线负极n的电压等于第一直流电源，当所述桥臂开关状态为函数si＝(0,1)时，桥臂中点对直流母线负极n的电压等于0。
10.上述方案的有益效果：本发明提供的双向直流-直流变换器设置有串联的第一开关管组和第二开关管组，且第一开关管组和第二开关管组中都串联有数量相同的多个开关管，通过如此的设置，能够实现以下的效果：
11.在开关管以相同的开关频率工作时，本发明提供双向直流-直流变换器的等效输出开关频率是传统双向直流-直流电路的n倍，其中n为每一个开关管组中开关管的串联个数，从而减小了无源器件的体积，提高了系统功率密度。
12.在相同的等效输出开关频率下，本发明提供的双向直流-直流变换器的开关管的开关频率是传统双向直流-直流电路的1/n，其中n为每一个开关管组中的开关管的串联个数，从而降低了开关管结温，减小了散热器的体积，提高了功率密度。
附图说明
13.为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。
14.图1为发明提供的双向直流-直流变换器的电路结构图；
15.图2为发明提供的双向直流-直流变换器的控制方法导通顺序图；
16.图3为现有技术中双向直流-直流变换器的仿真模型图；
17.图4为发明提供的双向直流-直流变换器的仿真模型图；
18.图5为现有技术中双向直流-直流半导体开关器件在开关频率f＝10khz时电感电流波形；
19.图6为基于本发明提供的双向直流-直流变换器的半导体开关器件在开关频率f＝10khz时电感电流波形。
具体实施方式
20.应当理解的是，本文所描述的示范性实施例应当仅被认为是描述性的，而不是为了限制的目的。对每个示范性实施例中的特征或方面的描述应当通常被认为可用于其他示范性实施例中类似的特征或方面。
21.参考附图提供上述描述，以助于对权利要求所限定的本发明的各种实施例的全面理解。其包含各种特定的细节以助于该理解，但这些细节应当被视为仅是示范性的。相应地，本领域普通技术人员将认识到，在不背离由随附的权利要求所限定的本发明的范围的情况下，可以对本文所描述的各种实施例做出变化和改进。此外，为了清楚和简洁起见，可能省略对熟知的功能和构造的描述。
22.下文的描述和权利要求中所使用的术语和词语不限于书面的含义，而是仅由发明人使用以允许对本发明的清楚和一致的理解。相应地，对本领域技术人员显而易见的是，提供对本发明的各种实施例的下列描述，仅是为了解释的目的，而不是为了限制由随附的权利要求所限定的本发明。
23.贯通本技术文件的说明书和权利要求，词语“包括”和“含有”以及词语的变型，例如“包括有”和“包括”意味着“包含但不限于”，而不意在(且不会)排除其他部件、整体或步骤。
24.结合本发明的特定的方面、实施例或示例所描述的特征、整体或特性将被理解为可应用于本文所描述的任意其他方面、实施例或示例，除非与其不兼容。
25.应当理解的是，单数形式“一”、“一个”和“该”包含复数的指代，除非上下文明确地另有其他规定。在本发明中，表述“或”包含一起列举的词语的任意或所有的组合。例如，“a或b”可以包含a或者b，或可以包含a和b两者。
26.尽管可能使用例如“第一”和“第二”的表述来描述本发明的各个元件，它们并未意在限定相对应的元件。例如，上述表述并未意在限定相对应元件的顺序或重要性。上述表述可以用于将一个部件和另一个部件区分开。
27.本发明中所使用的术语集仅是为了描述特定实施例的目的，而并非意在限制本发明。除非另有限定，本文中所使用的全部术语(包含技术术语与科学术语)具有与本技术所属的技术领域的普通技术人员所通常理解的相同含义。还应理解的是，术语(比如常用词典中限定的那些术语)，应解释为具有与相关领域和本说明书的上下文中一致的含义，并且不应以理想化或过于形式化的意义来解释，除非在本文中明确地这样限定。
28.以下针对本发明实施例提供的双向直流-直流变换器进行具体说明：
29.参阅图1，本实施例提供一种双向直流-直流变换器，包括第一直流电源e1和第二直流电源e2；还包括桥臂、第一滤波电容c1、第二滤波电容c2和滤波电感l。
30.在本实施例中，桥臂的第一端与第一滤波电容c1的正极、第一直流电源e1的正极连接，桥臂的中点通过滤波电感l与第二滤波电容c2的正极连接，其中桥臂的第二端、第一直流电源e1的负极、第一滤波电容c1的负极和第二滤波电容c2的负极短接在一起。
31.在本实施例中，桥臂包括串联的第一开关管组和第二开关管组，其中第一开关管组和第二开关管组分别由数量相同的n个开关管组成，并且n的数量大于等于2，n的数量可根据具体的进行确定。
32.基于此实施例提供的双向直流-直流变换器还提供一种控制方法，具体为控制桥臂开关状态以控制桥臂中点对直流母线负极n的电压，其中控制桥臂开关状态为控制第一开关管组和第二开关管组中的开关管的状态来实现。
33.在本实施例中，桥臂开关状态为二进制函数si，i＝a，b，其中a表示第一开关管组，b表示第二开关管组；a＝1表示第一开关管组导通，a＝0表示第一开关管组关断，b＝1表示第二开关管组导通，b＝0表示第二开关管组关断。当桥臂开关状态为函数si＝(1,0)时，即第一开关管组导通，第二开关管组关断，桥臂中点对直流母线负极n的电压等于第一直流电源，当所述桥臂开关状态为函数si＝(0,1)时，即第一开关管组关断，第二开关管组导通，桥臂中点对直流母线负极n的电压等于0。在本实施例中，第一开关管组和第二开关管组的导通和关断状态由串联的开关管决定。即当第一开关管组中的任意一个开关管为关断，则第一开关管组的开关状态为关断，同样的当第二开关管组中的任意一个开关管为关断，则第二开关管组的开关状态为关断；当第一开关管组中所有开关管为导通，则第一开关管组的开关状态为导通，针对第二开关管组同理。
34.针对于以上的技术方案进行详细的描述，具体的为：
35.请继续参阅图1，第一开关管q1、
…
、第n开关管qn串联连接形成第一开关管组；第n+1开关管
…
、第2n开关管串联连接形成第二开关管组。当第一开关管q1、
…
、第n开关管qn全部开通，且第n+1开关管
…
、第2n开关管中任意一个开关管关断时，即第一开关管组导通，桥臂开关状态为si＝(1,0)，桥臂中点a对直流母线负极n的电压等于第一直流电源e1电压。当第一开关管q1、
…
、第n个开关管qn中任意一个开关管关断，且第n+1开关管
…
、第2n开关管全部开通时，即第二开关管组为导通状态，桥臂开关状态si＝(0,1)，桥臂中点a对直流母线负极n的电压等于0。
36.为了详细说明针对于双向直流-直流变换器以及控制方法所具有的技术效果，请参阅图2。
37.在图2中，其中1表示独立的开关管为开通，0表示独立的开关管为关断，即针对于第一开关管组和第二开关管组交替关断且相位相差π/n，则桥臂中点a对直流母线负极n的电压将在一个开关周期内完成0到e1及e1到0的n次跳变，即该电压的频率是开关管工作频率的n倍。此时，滤波电感l上的电流纹波频率也是开关管工作频率的n倍，电路的等效开关频率提升了n倍，从而减小了变换器中无源器件的体积。
38.为了进一步的说明本实施例提供的双向直流-直流变换器所带来的技术效果，请参阅图3和图4，其中图3和图4分别为现有技术和基于本发明提供的技术中双向直流-直流变换器中开关管数量为2时的仿真模型图，并且参阅图5和图6是基于仿真模型中半导体开关器件开关频率为f＝10khz时仿真波形图。
39.参阅图5和图6，电感电流纹波为100a。参阅图6，电感电流纹波为48a，相比于图5所示的现有技术中双向直流-直流变换器中半导体开关器件开关频率为f＝10khz时的纹波减小了一半，而电感电流纹波的频率加倍，即实现电路等效开关频率为半导体开关器件开关频率的2倍。
40.本实施例提出一种双向直流-直流变换器及其控制方法，可以使半导体器件以较低开关频率实现双向直流-直流电路的等效开关频率增加，从而减小系统无源器件的体积，提升系统的功率密度。
41.本实施例中，以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。本实施例中，以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。