双向谐振型桥式模块化多电平开关电容直流-直流变换器的制造方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及一种双向谐振型桥式模块化多电平开关电容直流-直流变换器。
【背景技术】
[0002] 传统直流-直流变换器含有感性元件，不易集成，在效率和功率密度都存在很大 的瓶颈，开关电容变换器（SCC)去除了电感、变压器等磁性元件，凭借其重量轻、尺寸小、 EMI低、功率密度高、易于集成等优点，在越来越多的场合得到广泛应用。然而传统的开关电 容变换器普遍存在输入电流不连续、di/dt过大导致的电磁干扰（EMI)问题和大的电压尖 峰问题，极大的限制了开关电容技术在高功率领域的应用。由此人们提出利用电路中的杂 散电感作为谐振电感与开关电容变换器中电容谐振，利用此谐振使所有开关器件实现零 电流开通和关断（zerocurrentswitching-ZCS)。
[0003] 在微网中，不同直流母线之间，直流母线与储能装置之间，以及直流母线与直流负 载之间，常常存在能量的相互交换。此外，要求能量能实现快速的无缝双向切换，因而具有 能量双向流动的快速响应的直流-直流变换器成为微网系统中极其重要的一种能量变换 接口装置。传统直流-直流能量双向流动变换器可以大致分为隔离型与非隔离型两类。其 中非隔离型主要是常规的buck/boost变换器，如图2所示，其中含有大的电感，且动态性受 到很大限制，此外更宽范围的电压增益受到限制。隔离型的主要是双向桥式变换器，如图3 所示但其存在笨重的变压器，同样动态性也受到限制。
[0004] 在电动汽车电机驱动系统中，常采用直流-直流变换器加逆变器两级结构，这样 的结构提高了系统灵活性和性能。直流-直流变换器作为蓄电池与逆变器母线的接口，为 了让逆变器处于最优工作点，母线电压常处于小幅度的调节状态。而当汽车处于制动状态 时，能量将回馈到蓄电池。此外，电动汽车工作环境的温度高，传统含电感元件的变换器远 不能适应此工作条件。因此，具有电压可调的能量双向流动的开关电容变换器无论是在微 网系统还是电动汽车电机驱动系统中，都具有非常大的应用潜力。
[0005] 本发明的桥式模块化开关电容变换器利用谐振实现软开关，在提高转换效率的基 础上，解决了直流-直流变换器能量双向流动的问题，具有重要的研究意义。主要应用于需 要双向变换、高效率、大功率的场合，如微网，电动汽车电机驱动等。
【发明内容】
[0006] 本发明的目的是提供一种双向谐振型桥式模块化多电平开关电容直流_直流变 换器，以在保证高转换效率的同时，实现输出电压在一定范围内的可调节性，以及能量的双 向流动。
[0007] 为了解决上述的技术问题，本发明提供了一种双向谐振型桥式模块化多电平开关 电容直流-直流变换器，包括：两个单元谐振开关电容电路、8个全控器件M0SFET开关管以 及4种控制信号；其中第二开关管S2、第六开关管S6、第七开关管&的控制信号是相同的， 这种信号表示为第一控制信号\s1;第一开关管S,、第五开关管S5、第八开关管&的控制信 号是相同的，这种信号表示为第二控制信号\S2;第三控制信号VM3驱动第三开关管S3;第 四控制信号4驱动第四开关管S4;
[0008] 所述第一控制信号Va」和第二控制信号Vm2相位相差180° ;第三控制Va3和第 四控制信号\3 4相位相差180°;第一控制信号V^、第三控制信号\3 3之间的相位差范 围是0°?360°;通过改变第一控制信号、第三控制信号Ves_3之间的相位差就可以改 变电路中能量的流向，当第一控制信号\S1、第三控制信号3之间的相位差范围是0°? 180°时，能量从高压侧向低压侧流动；当第一控制信号、第三控制信号￥^ 3之间的相 位差范围是180°?360°时，能量从低压侧向高压侧流动；通过改变第一控制信号￥^、第 三控制信号Ves3之间的相位差也可以改变输出电压与输入电压的变比，当低压侧作为输入 电压，保证2?4倍输入电压的输出；当高压侧作为输入电压，保证0?0. 5倍输入电压的 输出。
[0009] 在一较佳实施例中：通过改变所述第一控制信号、第三控制信号3之间的 相位差也可以改变输出电压与输入电压的变比，当低压侧作为输入电压，保证2?4倍输入 电压的输出；当高压侧作为输入电压，保证〇?〇. 5倍输入电压的输出。
[0010] 在一较佳实施例中：所述4种控制信号Vu、V^、V^、Vw占空比均为50%。
[0011] 在一较佳实施例中：所述单元谐振开关电容电路为桥式模块化多电平开关电容变 换器拓扑，含有一个H桥、一个谐振电感和一个基本开关电容模块。
[0012] 在一较佳实施例中：所述的电路拓扑结构包含4个电容，包括第一储能电容Ci、第 二储能电容c3;第一谐振电容C2、第二谐振电容C4,与电感L产生谐振。
[0013] 在一较佳实施例中：所述H桥与低压侧电容(：5并联。
[0014] 相较于现有技术，本发明的技术方案具备以下优点：
[0015] 1.本发明提供的一种双向谐振型桥式模块化多电平开关电容直流_直流变换器， 通过对开关管的移相控制实现高低电压侧之间的能量双向流动，以及输出电压的可调节 性。当低压侧作为输入电压，保证2?4倍输入电压的输出；当高压侧作为输入电压，保证 〇?〇. 5倍输入电压的输出。相较传统直流-直流变换器，在减少硬件成本的同时实现所需 功能，又很好地实现了功率变换。
[0016] 2.由于所需电感小，可以充分利用电路的杂散电感作为谐振电感，省去了一些传 统变换器中的磁性器件，从而降低了硬件成本，减轻了开关噪声；可以在不改变电路结构的 前提之下，通过简单地改变控制信号的相位差就可以实现能量的双向流动，以及实现输出 电压在一定范围内的的可调节性，动态性好，并且具有较高的变换效率和功率密度。
【附图说明】
[0017] 图1为本发明优选实施例的电路图；
[0018] 图2为传统非隔离型双向直流-直流变换器电路图；
[0019] 图3为传统隔离型双向直流-直流变换器电路图；
[0020] 图4为本发明优选实施例中H桥电路图；
[0021]图5本发明优选实施例中基本开关电容模块图；
[0022] 图6为本发明优选实施例中降压模态下实例的关键波形图；
[0023] 图7为本发明优选实施例中降压模态第I阶段子电路；
[0024] 图8为本发明优选实施例中降压模态第II阶段子电路；
[0025] 图9为本发明优选实施例中降压模态第III阶段子电路；
[0026] 图10为本发明优选实施例中降压模态第IV阶段子电路；
[0027] 图11为本发明优选实施例中升压模态下实例的关键波形图；
[0028] 图12为本发明优选实施例中升压模态第I阶段子电路；
[0029] 图13为本发明优选实施例中升压模态第II阶段子电路；
[0030] 图14为本发明优选实施例中升压模态第III阶段子电路；
[0031] 图15为本发明优选实施例中升压模态第IV阶段子电路。
【具体实施方式】
[0032] 下面结合附图和实施例，对本发明做进一步的阐述。
[0033] 参考图1，图1为本发明提供的一双向谐振型桥式模块化多电平开关电容直流-直 流变换器的结构示意图，包括高压侧直流电压源VH、开关电容模块、谐振电感LpH桥电路、 低压侧电容C5、低压侧直流电压源'。开关电容模块的" 1"端与高压侧直流电压源的正极 相连、"2"端与高压侧直流电压源的负极相连、"3"端与H桥电路的"3"端相连、"5"端与H 桥电路的"5"端相连、"6"端与H桥电路的"6"端相连。H桥电路的"1"端与低压侧直流电 压源的正极相连、"2"端与低压侧直流电压源的负极相连。谐振电感L的一端与开关电容 模块的"4"端相连、另一端与H桥电路的"4"端相连。低压侧电容C5的上端与低压侧直流 电压源的正极相连，其下端与低压侧直流电压源的负极相连。
[0034]H桥电路如图4所示，H桥电路是有6个端口的电路结构，具有以下结构特征：开关 管s3的漏极与开关管Si的漏极相连；开关管S3的源极与开关管S4的漏极相连；开关管S4 的源极与开关管s2的源极相连；开关管Si的源极与开关管S2的漏极相连。在开关管S:的 漏极引出H桥电路的"1"端；在开关管S2的源极引出H桥电路的"2"端；在开关管S3的漏 极引出H桥电路的"3"端；在开关管&的源极与开关管54的漏极之间引出H桥电路的"4" 端；在开关管源极与开关管S2的漏极之间引出H桥电路的"5"端；在开关管S4的源极 引出H桥电路的"6"端。
[0035] 开关电容模块电路如图5所示，开关电容模块电路是有6个端口的电路结构，具有 以下结构特点：开关管S7的源极与开关管S5的漏极相连；开关管S8的漏极与开关管S6的 源极相连；第一储能电容q和第二储能电容C3串联后一端连接在开关管S7的漏极，另一端 连接在开关管&的源极；第一谐振电容C2和第二谐振电容C4串联后一端连接在开关管S5 的漏极，另一端连接在开关管S6的源极。在开关管S7的漏极与第一储能电容C:之间引出 开关电容模块电路的"1"端；在开关管&的源极与第二储能电容(： 3之间引出开关电容模块 电路的"2"端；在开关管&的源极引出开关电容模块电路的"3"端；在第一谐振电容(： 2和 第二谐振电容(；之间引出开关电容模块电路的"4"端；在第一储能电容C:和第二储能电容 (：3之间引出开关电容模块电路的"5"端；在开关管S6的漏极引出开关电容模块电路的"6" 端。
[0036] 整个电路共有8个全控器件M0SFET开关管，仅需4种控制信号即可实现能量的双 向流动；其中第二开关管s2、第六开关管s6、第七开关管s7的控制信号是相同的，这种信号 表示为第一控制信号Va1;第一开关管Si、第五开关管S5、第八开关管S8的控制信号是相同 的，这种信号表示为第二控制信号\S2驱动；第三控制信号VM3驱动第三开关管S3;第四 控制信号\s_4驱动第四开关管S4。所述的4个控制信号V^、占空比都是 50%，其中，第一控制信号￥(^1和第二控制信号￥ (^2相位相差180°;第三控制信号￥(^3和 第四控制信号 4相位相差1