U an、Ubn之差。与准Η桥Buck直流变换器 一样，准Η桥Boost直流变换器大比例升压，要求窄脉冲电压Uab。同样，由较宽的脉冲电压 Uan和Ubn之差便可得到窄脉冲电压Uab，从而实现非极端占空比的大比例升压。图9为Boost 模式下的PWM调制策略，调制度A、md分别确定功率开关Q 2、Q3的驱动信号S 2、S3，如图9 (a) (b) (c)所示，其中0〈md〈0. 且n^+m/l，进而确定每个准半桥输出PWM电压Uan和Ubn， 如图5(d) (e)所示。因此，在0.5附近同时调整调制度me、md的大小，可以得到窄脉冲电压 Uab，进而实现非极端占空比的大比例升压运行。
[0061] 在变换器连续电流模式的稳态时，图6所示的准Η桥大比例升压直流变换器的电 感在载波周期Τ内，储存能量Wst与释放能量W &相等，即满足伏秒平衡
[0064] 式中，^、^分别为载波周期内功率开关〇2為的关断时间。联立图9〇3)((：)&) 得准Η桥大比例升压直流变换器的升压比MBcmst为：
[0066] 式中，d2、(13分别为Q 2、〇3的占空比。推导得升压比Μ 8_为
[0068] 上述分析可得，本发明实施例提出的Η桥升降压双向直流变换器应用于超级电 容与电动汽车电力驱动系统的高压直流母线间时，当电动汽车加速时该电路工作在升 压（Boost)状态，满足对大比例升压的需求；当电动汽车减速制动时该电路工作在降压 (Buck)状态，满足对大比例降压的需求，使能量可以快速回馈存储以延长续航里程。
[0069] 三、同步整流双向运行
[0070] 图3、图7所示的准Η桥大比例降压、升压直流变换器合成为如图1所示的Η桥大 比例升降压双向直流变换器，功率开关均可运行在靠近0. 5的非极端占空比。但是，无论是 在降压运行状态或升压运行状态，电感电流k均要流过功率开关的某些反并联二极管，一 方面降低了变换器效率，另一方面也降低了 Η桥功率开关的利用率。因此，本发明实施例提 出同步整流Η桥大比例升降压双向直流变换器，且Η桥由带反并联二极管的M0SFETQD1~Q D4构成。
[0071] 图10~图13为同步整流Η桥大比例升降压双向运行原理图。当Η桥运行在大比 例降压状态时，主功率开关QD1、QD4根据要求的降压比，按照图10的驱动信号Sp S4进行开 通关断。在死区tdft，电流u流过Q D2、QD3的反并联二极管进行续流，否则根据驱动信号S 2、 S3, V流过QD2、QD3的全控功率开关，实现同步整流大比例降压，如图11所示。同理，Η桥运 行在大比例升压状态时，主功率开关QD2、QD3根据要求的升压比，按照图12的驱动信号S 2、 S3进行开通关断。在死区t ,内，电流u流过Q D1、QD4的反并联二极管进行续流，否则根据驱 动信号Sp S4, V流过QD1、QD4的全控功率开关，实现同步整流大比例升压，如图13所示。
[0072] 实施例2
[0073] 下面以图1的同步整流Η桥大比例升降压双向直流变换器和图5、图9所示的调制 策略，对本发明实施例的原理及最佳实施方式进行说明。在每个载波周期，变换器共经历三 个开关状态，下面分别对变换器降压（Buck)、升压（Boost)模式进行说明。
[0074] 降压（Buck)模式
[0075] 1)开关状态SiS4= 10时，电感电流i濟过Q D3续流，i ^逐渐减小，电感L上的能 量逐步消耗在负载上，电感L上储能减少，变换器存在电压闭合回路：（l-^Ui-QD^QM-L-Ui。 在闭合回路（1-a)，电感L释放能量并对负载供能。该开关状态经历的总时间t1()= (l_d4) To
[0076] 2)开关状态SiSf 11时，[^通过电感L向负载侧传递能量，i ^逐渐增大，电感L上 储能逐渐增加，变换器存在电压闭合回路：（l-tOUh-Q^-L-Ui-QM-Uh。在闭合回路（l_b)，电 源队对电感L充电，并对负载（超级电容）供能。该开关状态经历的总时间tn= (di+c^-l) To
[0077] 3)开关状态3#；；= 01时，电感电流i濟过Q D2续流，i ^逐渐减小，电感L上的能 量逐步消耗在负载上，电感L上储能减少，变换器存在电压闭合回路：（l-dUi-QM-Qm-L-Ui。 在闭合回路（1-c)，电感L释放能量并对负载供能。该开关状态经历的总时间tM= (1-d) To
[0078] 上述三种开关状态中，Sff 11时，1^通过电感L向负载侧传递能量，L储存能 量；10或01时，L通过释放能量对负载供能。因此，通过电源、电感能量按上述方式 传递，达到大比例降压的目的。
[0079] 升压（Boost)模式
[0080] 1)开关状态S2S3= 10时，U :对电感L充电，U逐渐增大，电感L存储能量逐渐增 加，变换器存在电压闭合回路：O-aM-L-QfQM-Ui。在闭合回路（2-a)，电源对电感L充 电。该开关状态经历的总时间t1()= d2T。
[0081] 2)开关状态S2S3= 00时，电感L中的磁场改变L两端的电压极性，电源h与电感 电压队串联给负载供电，U逐渐减小，电感L上储能较少，变换器存在电压闭合回路：(2-b) Ui-L-Q^Uh-QM-Ui。在闭合回路（2-b)，电感L释放能量并与电源共同为对负载（驱动系 统高压直流母线侧）供能。该开关状态经历的总时间tn= (l-d2_d3)T。
[0082] 3)开关状态S2S3= 01时，U :对电感L充电，U逐渐增大，电感L存储能量逐渐增 加，变换器存在电压闭合回路：O-dUi-L-QM-Q^Ui。在闭合回路（2-c)，电源对电感L充 电。该开关状态经历的总时间tM= d3T。
[0083] 上述三种开关状态中，S2S3= 10或01时，Ui对电感L充电，L储存能量；S2S3= 00 时，L与电源A共同为对负载（驱动系统高压直流母线侧）供能，L释放能量。因此，通过 电源、电感能量按上述方式传递，达到大比例升压的目的。
[0084] 通过对降压（Buck)、升压（Boost)模式运行原理的分析，本发明实施例提出的Η桥 升降压双向直流变换器，在电动汽车加速时工作在升压（Boost)状态进行大比例升压；当 电动汽车减速制动时工作在降压（Buck)状态进行大比例降压。通过升压、降压模式的切 换，满足电动汽车对瞬时功率的需求，而且能量可以快速回馈存储以延长续航里程，满足低 压超级电容与复合能量源电动汽车电力驱动系统的高压直流母线间升、降压的应用场合。
[0085] 此外，同步整流方案中电感电流紅只在死区时间、内流过高通态电阻的续流二极 管，其余时间流过低通态电阻的全控功率开关；死区时间^在电路运行时间中所占比例极 小，因此大大降低了消耗在续流二极管通态电阻上的能量，提高了 Η桥升降压双向直流变 换的能量转换效率，同时提高了全控功率开关器件的利用率。
[0086] 综上所述，本发明实施例提出的同步整流Η桥升降压双向直流变换器满足低压超 级电容与电动汽车电力驱动系统的高压直流母线间升、降压的应用要求，并通过同步整流 方案提升了变换器的能量转换效率，提高了功率开关器件的利用率，非常适合复合能量源 电动汽车的升、降压应用场合对高效、大比例升降压双向直流变换器的需求。
[0087] 本发明实施例对各器件的型号除做特殊说明的以外，其他器件的型号不做限制， 只要能完成上述功能的器件均可。
[0088] 本领域技术人员可以理解附图只是一个优选实施例的示意图，上述本发明实施例 序号仅仅为了描述，不代表实施例的优劣。
[0089] 以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，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。
【主权项】
1. 一种高效宽增益同步整流Η桥双向直流变换器，所述Η桥升降压双向直流变换器包 括：第一晶体管（QD1)、第二晶体管（QD2)、第三晶体管（QD3)、和第四晶体管（QD4)，其特征在 于， 第一晶体管（QD1)、第二晶体管（QD2)、第三晶体管（QD3)、和第四晶体管（QD4)自身均带有 反并联二极管； 第一晶体管（QD1)、第二晶体管（QD2)、第三晶体管（QD3)、和第四晶体管（QD4)构成Η桥电 路； 第一晶体管（QD1)接第一电容（Ch)的正极性端，第二晶体管（QD2)接第一电容（Ch)的 负极性端；第一晶体管（QD1)和第二晶体管（QD2)之间连接电感（L)的一端，电感（L)的另 一端连接第二电容（C1)的正极性端，第二电容（C1)的负极性端连接第四晶体管（QD4)。2. 根据权利要求1所述的一种高效宽增益同步整流Η桥双向直流变换器，其特征在于， 当所述Η桥双向直流变换器工作在升压状态时，所述Η桥双向直流变换器用于满足大 比例升压的需求； 升压比MB(mst为：其中，Uhigh、Ulciw分别为变换器升压模式时输出的高电压、输入的低电压；m 为调制 度。3. 根据权利要求1所述的一种高效宽增益同步整流Η桥双向直流变换器，其特征在于， 当所述Η桥双向直流变换器工作在降压状态时，所述Η桥双向直流变换器用于满足大 比例降压的需求； 降压比仏^为：其中，Uhigh、Ulciw分别为变换器降压模式时输入的高电压、输出的低电压；ma、mb均为调制 度。4. 根据权利要求1所述的一种高效宽增益同步整流Η桥双向直流变换器，其特征在于， 当所述Η桥双向直流变换器工作在降压状态时， SiS2= 11时，U過过电感L向负载一侦U传递能量，电感L储存能量； SiSf10或01时，电感L通过释放能量对负载供能； 其中，队为Η桥双向直流变换器高压侧端口的输入电压；Sj2为驱动信号，1代表高电 平，〇代表低电平；负载为超级电容。5. 根据权利要求1所述的一种高效宽增益同步整流Η桥双向直流变换器，其特征在于， 当所述Η桥双向直流变换器工作在升压状态时， S2S3= 10或01时，U!对电感L充电，电感L储存能量； S2S3= 00时，电感L与电源U:共同为对负载供能，电感L释放能量； 其中，1^为Η桥双向直流变换器低压侧端口的输入电压；S2S3为驱动信号，1代表高电 平，〇代表低电平；负载为复合能量源电动汽车电力驱动系统的高压直流母线。
【专利摘要】本发明公开了一种高效宽增益同步整流H桥双向直流变换器，所述H桥升降压双向直流变换器包括：第一晶体管、第二晶体管、第三晶体管、和第四晶体管自身均带有反并联二极管；且构成H桥电路；第一晶体管接第一电容的正极性端，第二晶体管接第一电容的负极性端；第一晶体管和第二晶体管之间连接电感的一端，电感的另一端连接第二电容的正极性端，第二电容的负极性端连接第四晶体管。本发明满足低压超级电容与电动汽车电力驱动系统的高压直流母线间升、降压的应用要求，并通过同步整流方案提升了变换器的能量转换效率，提高了功率开关器件的利用率，非常适合复合能量源电动汽车的升、降压应用场合对高效、大比例升降压双向直流变换器的需求。
【IPC分类】H02M3/158
【公开号】CN105262339
【申请号】CN201510809856
【发明人】张云, 高永平, 石记龙
【申请人】天津大学
【公开日】2016年1月20日
【申请日】2015年11月20日