CN103414338B - 双向dcdc变换电路和变换装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种双向DCDC变换电路和装置，涉及电力电子领域，可减少开关管的功率损耗，提升变换效率。所述变换电路设置在第一直流源和第二直流源之间，包括：第一电容和第二电容串联组成的母线电容，第一开关管和第二开关管串联组成的第一半桥拓扑，第三开关管和第四开关管串联组成的第二半桥拓扑以及第一、第二电感，母线电容的两端连接在第一直流源的正、负两端；第一半桥拓扑一端连接至第一直流源的正端，另一端中间节点相连，与中间节点相连的另一端还与第二直流源的负端相连，半桥中点通过第一电感连接第二直流源的正端；第二半桥拓扑的一端连接第一直流源的负端，另一端连接第二直流源的正端，半桥中点通过第二电感连接第二直流源的负端。
Description
技术领域
本发明涉及电力电子领域，尤其涉及一种双向DCDC变换电路和变换装置。
背景技术
双向直流到直流变换(bi-directional DCDC converter，双向DCDC变换)模块(或电路)，是将一种直流电能转换成另一种形式直流电能的技术，主要对电压、电流实现变换。它在可再生能源、电力系统、交通、航天航空、计算机和通讯、家用电器、国防军工、工业控制等领域得到广泛的应用。
例如，双向DCDC变换(bi-directional DCDC converter)模块可用于图1所示的自消耗系统。自消耗系统指自己建造发电装置，其产生的电能为电器设备供电，为家庭服务，即自发自用，是分布式发电系统的发展方向，其包括：光伏组件11、功率转换(包括：直流到直流功率变换模块121、直流到交流功率变换模块122、双向直流到直流功率变换模块123)、储能系统13(电池)、配电14(Switch)、负载15(家用电器)、公共电网16，工作原理为：白天，光伏组件11工作，太阳能给负载15供电，并将能量存储到储能系统13内，若储能系统13已经充满，多余电能可以输送到公共电网16；晚上，公共电网16断开下，储能系统13放电以给负载15供电。其中，直流到直流功率变换模块121将光伏组件11搜集到的太阳能直流低压经过升压转换后升高为直流高压，以使降压型直流到交流功率变换模块122能够正常工作；直流到交流功率变换模块122即逆变变换模块，将直流电转换为交流电而给交流负载供电；双向直流到直流功率变换模块123，完成电池的充电控制和放电控制功能。
双向DCDC变换模块可在同一线路上实现电池充电和放电的两个功能，如图2所示，为一种现有双向DCDC变换模块：开关管S1和S3组成的半桥拓扑与母线电容C并联，半桥拓扑的半桥中点通过电感L1连接于直流源(即电池)。双向DCDC变换模块的工作原理如下：电池充电时，半桥拓扑和电感以降压拓扑即Buck变换工作，电池放电时，半桥拓扑和电感以升压拓扑即Boost变换工作，半桥拓扑中的两个开关管为高频开关，这两个开关管交替工作。此外，双向DCDC变换模块还包括：开关管S2和S4组成另一半桥拓扑，与开关管S1和S3组成的半桥拓扑并联，目的在于提高双向DCDC变换模块的变换功率。
发明人发现现有双向DCDC变换模块至少存在如下问题：电路拓扑的占空比小，峰值电流大，导致电感、开关管损耗大，整个双向DCDC变换模块的转换效率低，例如，若采用48V电池，400～600V的电压母线时，占空比仅有0.1左右；而且，占空比过小，还会导致变换模块动态特性差。
发明内容
本发明提供一种双向DCDC变换电路和变换装置，动态特性好，同时还可减少开关管的功率损耗，提升变换效率。
为达到上述目的，本发明采用如下技术方案：
第一方面，本发明的实施例提供一种双向DCDC变换电路，设置在第一直流源和第二直流源之间，双向地向第一直流源或第二直流源供给直流功率，所述双向DCDC变换电路，包括：第一电容和第二电容串联组成的母线电容，第一开关管和第二开关管串联组成的第一半桥拓扑，第三开关管和第四开关管串联组成的第二半桥拓扑，以及第一电感和第二电感，
所述母线电容的两端分别连接在所述第一直流源的正、负两端；
所述第一半桥拓扑的一端连接至所述第一直流源的正端，另一端与所述第一电容和所述第二电容之间的中间节点相连，与所述中间节点相连的另一端还与所述第二直流源的负端相连，所述第一半桥拓扑的半桥中点通过所述第一电感连接到所述第二直流源的正端；
所述第二半桥拓扑的一端连接至所述第一直流源的负端，另一端连接至所述第二直流源的正端，所述第二半桥拓扑的半桥中点通过所述第二电感连接到所述第二直流源的负端。
结合第一方面，在第一方面的第一种可能的实现方式中，所述第一、第二、第三和第四开关管中的任一开关管的两端并联有二极管或者二极管串联组，所述二极管串联组由多个二极管相互串联形成。
结合第一方面的第一种可能的实现方式，在第二种可能的实现方式中所述二极管为以下中的任一项：
肖特基二极管，快恢复二极管，硅管二极管，碳化硅二极管。
结合第一方面或第一方面的第一种或第二种可能的实现方式,在第三种可能的实现方式中，所述第一、第二、第三和第四开关管中的任一开关管为以下中的任一项：
场效晶体管，绝缘栅双极型晶体管，三极管或晶闸管。
结合第一方面或第一方面的第一、第二、第三种可能的实现方式,在第四种可能的实现方式中，所述第二直流源为以下中的任一项：电池，太阳能板，电容器。
结合第一方面或第一方面的任意一种可能的实现方式,在第五种可能的实现方式中，所述双向DCDC变换电路还包括：
一个或多个与所述第一半桥拓扑相同的第三半桥拓扑，一个或多个与所述第一电感相同的第三电感，以及，
一个或多个与所述第二半桥拓扑相同的第四半桥拓扑，一个或多个与所述第二电感相同的第四电感；
所述第三半桥拓扑的一端均连接至所述第一直流源的正端，另一端均与所述第一电容和所述第二电容之间的中间节点相连，所述第三半桥拓扑的半桥中点均通过一个所述第三电感连接到所述第二直流源的正端；
所述第四半桥拓扑的一端均连接至所述第一直流源的负端，另一端均连接至所述第二直流源的正端，所述第四半桥拓扑的半桥中点均通过一个所述第四电感连接到所述第二直流源的负端。
另一方面，本发明还提供一种双向DCDC变换装置，包括任一项所述的双向DCDC变换电路。
本发明提供的双向DCDC变换电路和变换装置，电池充电时，第一开关管与第二开关管组成的半桥拓扑和第一电感以降压拓扑即Buck变换工作，第三开关管与第四开关管组成的半桥拓扑和第二电感以升压拓扑即Boost变换工作；电池放电时，第一开关管与第二开关管组成的半桥拓扑和第一电感以升压拓扑即Boost变换工作，第三开关管与第四开关管组成的半桥拓扑和第二电感以降压拓扑即Buck变换工作。因电池充电或放电时，都有第一、第二两个半桥拓扑来分压，开关管两端的电压得以降低，从而提高了占空比。如果PWM(Pulse WidthModulation)模式相同，开关周期内，在平均电流相同的前提下，占空比越大，其电流峰值越小，即开关管在开关时的瞬时电流越小；而且，由于第一、第二两个半桥拓扑的分压，开关管两端的电压降低；较小的开关瞬时电流与较低的开关瞬时的电压将使得开关管的开关损耗降低，从而使双向DCDC变换电路和装置的转换效率提高。
附图说明
图1为一种自消耗系统的结构示意图；
图2为一种现有双向DCDC变换电路的结构示意图；
图3为本发明实施例一提供的双向DCDC变换电路的示意图；
图4(a)～图4(d)分别为图3所示双向DCDC变换电路的工作状态示意图；
图5为本发明实施例二提供的DCDC变换电路的示意图。
附图说明
11-光伏组件、121-直流到直流功率变换模块，
122-直流到交流功率变换模块，123-双向直流到直流功率变换模块，
13-储能系统，14-配电，15-负载，16-公共电网；
S1-开关管，S2-开关管，S3-开关管，S4-开关管，L1-电感，L2-电感，C-电容；
21-第一直流源，22-第二直流源，C1-第一电容，C2-第二电容，
S1-第一开关管，S2-第二开关管，S3-第三开关管，S4-第四开关管，
L1-第一电感，L2-第二电感，L3-第三电感，L4-第四电感，
A-中间节点，B-第一半桥拓扑的半桥中点，D-第二半桥拓扑的半桥中点，
E-第三半桥拓扑的半桥中点，F-第四半桥拓扑的半桥中点。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。
实施例一
本发明实施例提供一种双向DCDC变换电路，如图3所示，双向DCDC变换电路设置在第一直流源21和第二直流源22之间，双向地向第一直流源21或第二直流源22供给直流功率，如图1所示，所述双向DCDC变换电路包括：第一电容C1和第二电容C2串联组成的母线电容，第一开关管S1和第二开关管S2串联组成的第一半桥拓扑，第三开关管S3和第四开关管S4串联组成的第二半桥拓扑以及第一电感L1和第二电感L2；母线电容的两端分别连接在第一直流源21的正、负两端；第一半桥拓扑的一端连接至第一直流源21的正端，另一端与第一电容C1和第二电容C2之间的中间节点A相连，与中间节点A相连的另一端还与第二直流源22的负端相连，第一半桥拓扑的半桥中点B通过第一电感L1连接到第二直流源22的正端，其中，中间节点A为第一电容C1和第二电容C2连线上的一点；第二半桥拓扑的一端连接至第一直流源21的负端，另一端连接至第二直流源22的正端，第二半桥拓扑的半桥中点D通过第二电感L2连接到第二直流源22的负端。
其中，本实施例所述第一直流源21和第二直流源22可认为是恒定不变的电压源，例如第二直流源22可以是电池，太阳能板，电容器等各种提供直流的装置。其中所述的电池包括但不限于燃料电池、镍氢电池、铁电池、铅酸电池等各种电池，第二直流源22端输出的信号包括但不限于方形、正弦、三角、锯齿波等。
其中，本实施例所述第一、第二、第三和第四开关管中的任一开关管为高频开关，工作时每个半桥拓扑中的两个开关管交替开启。可选地，本实施例中的开关管可以是以下中的任一项：场效晶体管，绝缘栅双极型晶体管，三极管或晶闸管。
本发明实施例提供的双向DCDC变换电路，电池充电时，第一开关管与第二开关管组成的半桥拓扑和电感L1以降压拓扑即Buck变换工作，第三开关管与第四开关管组成的半桥拓扑和电感L2以升压拓扑即Boost变换工作；电池放电时，第一开关管与第二开关管组成的半桥拓扑和电感L1以升压拓扑即Boost变换工作，第三开关管与第四开关管组成的半桥拓扑和电感L2以降压拓扑即Buck变换工作。因电池充电或放电时，都有第一、第二两个半桥拓扑来分压，所以开关管两端的电压得以降低，开关管在开关时的瞬时电流减小，可降低开关管的占空比，减小开关管的功率损耗，从而提升双向DCDC变换电路的变换效率。
此外，具体地，所述第一、第二、第三和第四开关管中的任一开关管的两端并联有二极管或者二极管串联组，所述二极管串联组由多个二极管相互串联形成。与开关管并联的二极管可以在半桥拓扑的两个开关管导通的死区时间动作(或工作)，维持电感续流。其中，所述的二极管为肖特基二极管，快恢复二极管，硅管二极管，碳化硅二极管中的任一项。当然，任一开关管和与其并联的二极管可以是各自独立的功能器件，也可以是合并在一起的一个器件例如开关管寄生二极管。
下面结合附图4(a)～图4(d)对本实施例提供的双向DCDC变换电路的工作过程进行详细叙述，其中第二直流源22为电池：
(1)在第一直流源21向第二直流源22供给直流功率(电池充电时)：
在双向DCDC变换电路的第一工作状态(Ton时刻)，第一半桥拓扑中的第一开关管S1开启，第二开关管S2关闭，第一半桥拓扑中的电流流向为第一电容C1→第一开关管S1→第一电感L1→电池→第一电容C1；第二半桥拓扑中的第四开关管S4开启，第三开关管S3关闭，第二半桥拓扑中的电流流向为第二电容C2→第二电感L2→第四开关管S4→第二电容C2，如图4(a)所示。
在双向DCDC变换电路的第二工作状态(Toff时刻)，第一半桥拓扑中的第二开关管S2开启，第一开关管S1关闭，第一半桥拓扑中的电流流向为第一电感L1→电池→第二开关管S2→第一电感L1；第二半桥拓扑中的第三开关管S3开启，第四开关管S4关闭，第二半桥拓扑中的电流流向为第二电感L2→第三开关管S3→电池→第二电感L2，如图4(b)所示。
(2)在第二直流源22向第一直流源21供给直流功率(电池放电时)：
在双向DCDC变换电路的第三工作状态(Ton时刻)，第一半桥拓扑中的第二开关管S2开启，第一开关管S1关闭，第一半桥拓扑中的电流流向为电池→第一电感L1→第二开关管S2→电池；第二半桥拓扑中的第三开关管S3开启，第四开关管S4关闭，第二半桥拓扑中的电流流向为电池→第三开关管S3→第二电感L2→电池，如图4(c)所示。
在双向DCDC变换电路的第四工作状态(Toff时刻)，第一半桥拓扑中的第一开关管S1开启，第二开关管S2关闭，第一半桥拓扑中的电流流向为第一电感L1→第一开关管S1→第一电容C1→电池→第一电感L1；第二半桥拓扑中的第四开关管S4开启，第三开关管S3关闭，第二半桥拓扑中的电流流向为第二电感L2→第二电容C2→第四开关管S4→第二电感L2，如图4(d)所示。
需要说明的是，图4(a)～图4(d)中开关管S1、S2、S3、S4傍边标注的矩形波信号为对应时刻开关管的驱动信号。
根据上面所述，因电池充电或放电时，都有第一、第二两个半桥拓扑来分压，开关管两端的电压得以降低，从而提高占空比。具体地，若采用48V电池(Vbat＝48V)时，500V的电压母线(Vbus＝500V)：考虑buck拓扑的占空比D＝Vout/Vin，按照现有技术(参照图2)，buck拓扑的占空比为D＝48/500＝0.096；按照本发明实施例(参照图4(a)和图4(b))，则buck拓扑占空比为D＝48/(500/2)＝0.192，为0.096的两倍。在PWM(Pulse Width Modulation)模式相同开关周期内，满足同样的平均电流的情况下，占空比越大，其电流峰值越小,即开关管在开关时的瞬时电流越小；由于第一、第二两个半桥拓扑的分压，开关管两端的电压降低；较小的开关瞬时电流与较低的开关瞬时的电压将得到开关管的较低开关损耗.
现有技术可获得大升压比，但是效率很低，而本实施例提供的双向DCDC变换电路，获得大升压比的同时，因开关管两端的电压为母线电压的一半，开关管的功率损耗小，因此变换效率更高。
实施例二
本发明实施例提供另一种双向DCDC变换电路，如图5所示，与实施例一所示双向DCDC变换电路的区别之处在于，本实施例所述变换电路还包括：一个或多个与第一半桥拓扑相同的第三半桥拓扑，一个或多个与所述第一电感相同的第三电感L3以及，一个或多个与所述第二半桥拓扑相同的第四半桥拓扑，一个或多个与所述第二电感相同的第四电感L4；第三半桥拓扑的一端均连接至第一直流源21的正端，另一端均与第一电容C1和第二电容C2之间的中间节点A相连，第三半桥拓扑的半桥中点E均通过一个第三电感L3连接到第二直流源22的正端；第四半桥拓扑的一端均连接至第一直流源21的负端，另一端均连接至第二直流源22的正端，第四半桥拓扑的半桥中点F均通过一个第四电感L4连接到第二直流源22的负端。
图5所示，是在第一、第二半桥拓扑各增加一个第三半桥拓扑和一个第四半桥拓扑，当然，具体实施中，可根据需要，在第一、第二半桥拓扑分别增加多个双半桥拓扑并联，以增大变换功率，其工作原理同实施例一中由第一、第二半桥拓扑组成的双向DCDC变换电路一致，在此不再赘述。
实施例三
本发明实施例还提供一种变换装置，包括实施例一和实施例二中任一项所述的双向DCDC变换电路。本实施例所述的变换装置，开关管的功率损耗减少，变换效率高，输出信号的动态特性良好，可用于逆变、光伏变电并网、电动汽车、变频控制等。
本实施例所述变换装置，还可包括用以产生控制开关管的控制信号的电路。
通过以上的实施方式的描述，所属领域的技术人员可以清楚地了解到本发明可借助软件加必需的通用硬件的方式来实现，当然也可以通过硬件，但很多情况下前者是更佳的实施方式。基于这样的理解，本发明的技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品存储在可读取的存储介质中，如计算机的软盘，硬盘或光盘等，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可以是个人计算机，服务器，或者网络设备等)执行本发明各个实施例所述的方法。
以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以权利要求的保护范围为准。
Claims (7)
1.一种双向DCDC变换电路，设置在第一直流源和第二直流源之间，双向地向第一直流源或第二直流源供给直流功率，其特征在于，
所述双向DCDC变换电路，包括：第一电容和第二电容串联组成的母线电容，第一开关管和第二开关管串联组成的第一半桥拓扑，第三开关管和第四开关管串联组成的第二半桥拓扑，以及第一电感和第二电感；
所述母线电容的两端分别连接在所述第一直流源的正、负两端；
所述第一半桥拓扑的一端连接至所述第一直流源的正端，另一端与所述第一电容和所述第二电容之间的中间节点相连，与所述中间节点相连的另一端还与所述第二直流源的负端相连，所述第一半桥拓扑的半桥中点通过所述第一电感连接到所述第二直流源的正端；
所述第二半桥拓扑的一端连接至所述第一直流源的负端，另一端连接至所述第二直流源的正端，所述第二半桥拓扑的半桥中点通过所述第二电感连接到所述第二直流源的负端；
其中，在所述第一直流源向所述第二直流源供给直流功率时:
在所述双向DCDC变换电路的第一工作状态，所述第一半桥拓扑中的第一开关管开启，第二开关管关闭，所述第二半桥拓扑中的第四开关管开启，第三开关管关闭；
在所述双向DCDC变换电路的第二工作状态，所述第一半桥拓扑中的第二开关管开启，第一开关管关闭，所述第二半桥拓扑中的第三开关管开启，第四开关管关闭；或者,
其中，在所述第二直流源向所述第一直流源供给直流功率时:
在所述双向DCDC变换电路的第三工作状态，所述第一半桥拓扑中的第二开关管开启，第一开关管关闭，第二半桥拓扑中的第三开关管开启，第四开关管关闭；
在所述双向DCDC变换电路的第四工作状态，所述第一半桥拓扑中的第一开关管开启，第二开关管关闭，所述第二半桥拓扑中的第四开关管开启，第三开关管关闭。
2.根据权利要求1所述的电路，其特征在于，所述第一、第二、第三和第四开关管中的任一开关管的两端并联有二极管或者二极管串联组，所述二极管串联组由多个二极管相互串联形成。
3.根据权利要求2所述的电路，其特征在于，所述二极管为以下中的任一项：
肖特基二极管，快恢复二极管，硅管二极管，碳化硅二极管。
4.根据权利要求1所述的电路，其特征在于，所述第一、第二、第三和第四开关管中的任一开关管为以下中的任一项：
场效晶体管，绝缘栅双极型晶体管，三极管或晶闸管。
5.根据权利要求1所述的电路，其特征在于，所述第二直流源为以下中的任一项：电池，太阳能板，电容器。
6.根据权利要求1-5任一项所述的电路，其特征在于，还包括：
一个或多个与所述第一半桥拓扑相同的第三半桥拓扑，一个或多个与所述第一电感相同的第三电感，以及，
一个或多个与所述第二半桥拓扑相同的第四半桥拓扑，一个或多个与所述第二电感相同的第四电感；
所述第三半桥拓扑的一端均连接至所述第一直流源的正端，另一端均与所述第一电容和所述第二电容之间的中间节点相连，所述第三半桥拓扑的半桥中点均通过一个所述第三电感连接到所述第二直流源的正端；
所述第四半桥拓扑的一端均连接至所述第一直流源的负端，另一端均连接至所述第二直流源的正端，所述第四半桥拓扑的半桥中点均通过一个所述第四电感连接到所述第二直流源的负端。
7.一种变换装置，其特征在于，包括权利要求1-6任一项所述的双向DCDC变换电路。
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