80° ;第一控制信号V」、第三控制信号3之间的相位差范 围是0°?360°。
[0037]通过改变第一控制信号、第三控制信号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， 系统处于降压模态，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，系统处于升压模态，能量从低压侧向高压侧流动。
[0038]通过改变第一控制信号、第三控制信号Ves_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倍八的输出；当高压侧作为输入 电压，保证0?0. 5倍VH的输出。具体分析如下：
[0039]设定如图1所示的电感电流仁、输出电流的流动方向为正方向，当能量从高 压侧向低压侧流动时，1_的值为正，当能量从低压侧向高压侧流动时，i_的值为负。4路 控制信号v^、Ves_2、Ves_3、Ves_4以及相关的电流输出、谐振电流波形如图6所不。第一控 制信号\s」、第二控制信号^2领先第三控制信号V^3、第四控制信号^4时间Ts，此时 fx;r<$，能量从高压侧流向低压侧。 \-^swJ丄
[0040] 电路稳定后根据4路控制信号V^、V^、V^、之间不同的相位差异，分为四 个阶段，第I阶段下第一控制信号\si、第四控制信号4为高电平；第II阶段下第一控制 信号\S1、第三控制信号为高电平；第III阶段下第二控制信号V、第三控制信号3 为高电平；第IV阶段下第二控制信号、第四控制信号￥^4为高电平。当高压侧供电时， 第一储能电容Ci、第二储能电容c3同时进行充放电过程，第一储能电容ci、第二储能电容c3 两端的电压值&、&稳定在|，此时只对第一储能电容Ci、第二储能电容c3做放电分析； 当低压侧供电时，低压侧电容同时进行充放电过程，低压侧电容c5两端的电压值&稳定在 '，此时只对低压侧电容c5做放电分析。
[0041] 进一步参考图7,此时是第I阶段下的子电路。图7(a)中，第二谐振电容(；与谐 振电感L构成回路，第二谐振电容(：4放电。图7(b)中，第一储能电容(^与第一谐振电容 C2、谐振电感L构成回路，第一储能电容(^放电，第一谐振电容(：2充电。此时，电感电流込 先负后正，谐振电感L先放电后充电，如果低压侧连接的是负载，则i_=0,低压侧电容C5 放电。
[0042] 参考第II阶段下的子电路图8,图8(a)中，第二谐振电容(；、谐振电感L,、低压侧 电容仏构成回路，第二谐振电容(：4放电，第三储能电容(：5充电。图8(b)中，第一储能电容 Q与第一谐振电容C2、谐振电感Lp低压侧电容05构成回路，第一储能电容Ci放电，第一谐 振电容C2、低压侧电容C5充电。电感电流込为正，谐振电感k始终充电。低压侧上有电流 流过，U为正，幅值与i,幅值近似相等，低压侧电容C5充电。
[0043]参考第III阶段下的子电路图9,图9(a)中，第二谐振电容(；、谐振电感L、第二储 能电容(：3构成回路，第二储能电容(：3放电，第二谐振电容(： 4充电。图7(b)中，第一谐振电 容(：2与谐振电感构成回路，第一谐振电容(：2放电。此时，电感电流1先正后负，谐振电 感L先放电后充电，如果低压侧连接的是负载，则i_=0,低压侧电容C5放电。
[0044]参考第IV阶段下的子电路图10,图10(a)中，第二储能电容(：3与第二谐振电容C4、 谐振电感L、低压侧电容(：5构成回路，第二储能电容C3放电，第二谐振电容C4、低压侧电容 C5充电。图10(b)中，第一谐振电容02、谐振电感Lp低压侧电容05构成回路，第一谐振电 容〇2放电，低压侧电容C5充电。电感电流込为负，谐振电感k始终充电。低压侧上有电流 流过，U为正，幅值与i,幅值近似相等，低压侧电容C5充电。 /rp \
[0045] 若j，4路控制信号Vm Ves_2、Ves_3、Ves_4以及相关的电流输出、谐振 V^sw ) ^ 电流波形如图11所示。能量从低压侧流向高压侧，此时根据4种控制信号 ^ 4之间不同的相位差异，同样分为四个阶段，第I阶段下第二控制信号Vm2、第三控制信 号\3 3为高电平；第II阶段下第一控制信号Vci、第三控制信号￥<^ 3为高电平；第III阶段下 第一控制信号、第四控制信号^ 4为高电平；第IV阶段下第二控制信号、第四控制 信号\S4为高电平。
[0046] 第I阶段时，参考子电路图12,谐振电感L先放电后充电，电感电流1先正后负。 图12(a)中，第二储能电容(：3同时进行充放电过程，起先低压侧电容C5、谐振电感L和第二 谐振电容C4给第二储能电容C3充电；后低压侧电容C5给第二储能电容C3充电，第二储能 电容C3给第二谐振电容C4和谐振电感充电。图12 (b)中，谐振电感先给第二谐振电 容C2充电，后第二谐振电容C2放电。
[0047] 第II阶段时，参考图13 (a)，第二谐振电容C4充电，低压侧电容C5放电，V。4平均值 等于'。图13(b)中，第一储能电容(^充电，第一谐振电容(：2、低压侧电容C5放电。电感电 流为负，谐振电感Lr始终充电。i_为负，幅值与ir幅值近似相等，VC1平均值为2V^
[0048] 第III阶段时，参考子电路图14,第一储能电容同时进行充放电过程，低压侧电容 c5直接给第一储能电容Ci充电，第一储能电容Ci给第一谐振电容C2充电，第二谐振电容C4 放电，电感电流i,先负后正，谐振电感先放电后充电，VC|、\平均值为八。
[0049] 第III阶段时，参考子电路图14,谐振电感L先放电后充电，电感电流込先负后正。 图14(a)中，谐振电感L先给第二谐振电容C4充电，后第二谐振电容C4放电。图14(b)中， 第二储能电容q同时进行充放电过程，起先低压侧电容C5、谐振电感L和第二谐振电容C2 给第二储能电容q充电；后低压侧电容C5给第二储能电容Ci充电，第二储能电容Ci给第 二谐振电容C2和谐振电感充电。
[0050] 第IV阶段时，参考图15(a)，第二储能电容C3充电，第二谐振电容(：4、低压侧电容C5 放电，Vc3平均值为2\。图15(b)中，第一谐振电容(：2充电，低压侧电容C5放电，Vc2平均值 等于'。电感电流h为正，谐振电感k始终充电。为负，幅值与込幅值近似相等。
[0051] 参考图6-图15,不管能量流向如何，只要保证输入电压和4种控制信号V^、 ves_2、^_3、的占空比不变，控制Ts的值，即改变第一控制信号V 第四控制信号 和第二控制信号Ves2、第三控制信号Ves3之间的相位差，就可以得到不同的输出电压值。当 rs = ^时，此时降压模态下只有i、iii阶段，输出电压最小，为o;当乙=时，此时升 压模态下只有I、iii阶段，输出电压最小，为1+43=2匕。输出电压的最大值和流向验证 由以下推论得出：
【主权项】
1. 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，其特征在于包括： 两个单元谐振开关电容电路、8个全控器件MOSFET开关管W及4种控制信号；其中第二开 关管S,、第六开关管Se、第走开关管S,的控制信号是相同的，该种信号表示为第一控制信号 V(SJ;第一开关管S 1、第五开关管Sg、第八开关管Sg的控制信号是相同的，该种信号表不为第 二控制信号Vesj第H控制信号V esj驱动第H开关管S 3;第四控制信号V 驱动第四开关管 §4； 所述第一控制信号和第二控制信号V。5 2相位相差180° ;第H控制V。5 3和第四控 制信号Vcs_4相位相差180° ;第一控制信号V。5 1、第H控制信号之间的相位差范围是 0°?360° ;通过改变第一控制信号\s」、第H控制信号之间的相位差就可W改变电路 中能量的流向，当第一控制信号v。^、第H控制信号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Vcs^l、第H控制信号之间的相位差范 围是180°?360°时，能量从低压侧向高压侧流动。
2. 根据权利要求1所述的双向谐振型桥式模块化多电平开关电容直流-直流变换器， 其特征在于；通过改变所述第一控制信号第H控制信号之间的相位差也可W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 商压侧作为输入电压，保证0?0. 5倍输入电压的输出。
3. 根据权利要求1所述的双向谐振型桥式模块化多电平开关电容直流-直流变换器， 其特征在于；所述4路控制信号Vcs 1、心3、Ves_4占空比均为50%。
4. 根据权利要求1所述的双向谐振型桥式模块化多电平开关电容直流-直流变换器， 其特征在于；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。
5. 根据权利要求4所述的双向谐振型桥式模块化多电平开关电容直流-直流变换器， 其特征在于；所述的电路拓扑结构包含4个电容，包括第一储能电容。、第二储能电容C3;第 一谐振电容〔2、第二谐振电容C4,与电感Lf产生谐振。
6. 根据权利要求4所述的双向谐振型桥式模块化多电平开关电容直流-直流变换器， 其特征在于；所述H桥与低压侧电容Cg并联。
【专利摘要】本发明公开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，该变换器充分利用电路的杂散电感作为谐振电感，且通过扩展开关电容模块易于实现电平扩展。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，以及输出电压的调节。在本文的一例中，处升压模态下，可实现2～4倍输入电压的输出；处降压模态下，可实现0～0.5倍输入电压的输出。该控制方案相对简单，解决了传统开关电容输出电压调节困难，能量双向流动不易控制，工作回路峰值电流大的问题，提高了变换器效率和功率密度。该发明主要应用于能量需要双向流动、高效率、大功率的场合，如微电网，电动汽车电机驱动等。
【IPC分类】H02M3-335
【公开号】CN104617779
【申请号】CN201510081026
【发明人】何良宗, 丁烨, 程琛
【申请人】厦门大学
【公开日】2015年5月13日
【申请日】2015年2月14日