雙向諧振型橋式模塊化多電平開關電容直流-直流變換器的制造方法
【技術領域】
[0001] 本發(fā)明涉及一種雙向諧振型橋式模塊化多電平開關電容直流-直流變換器。
【背景技術】
[0002] 傳統(tǒng)直流-直流變換器含有感性元件，不易集成，在效率和功率密度都存在很大 的瓶頸，開關電容變換器（SCC)去除了電感、變壓器等磁性元件，憑借其重量輕、尺寸小、 EMI低、功率密度高、易于集成等優(yōu)點，在越來越多的場合得到廣泛應用。然而傳統(tǒng)的開關電 容變換器普遍存在輸入電流不連續(xù)、di/dt過大導致的電磁干擾（EMI)問題和大的電壓尖 峰問題，極大的限制了開關電容技術在高功率領域的應用。由此人們提出利用電路中的雜 散電感作為諧振電感與開關電容變換器中電容諧振，利用此諧振使所有開關器件實現(xiàn)零 電流開通和關斷（zerocurrentswitching-ZCS)。
[0003] 在微網(wǎng)中，不同直流母線之間，直流母線與儲能裝置之間，以及直流母線與直流負 載之間，常常存在能量的相互交換。此外，要求能量能實現(xiàn)快速的無縫雙向切換，因而具有 能量雙向流動的快速響應的直流-直流變換器成為微網(wǎng)系統(tǒng)中極其重要的一種能量變換 接口裝置。傳統(tǒng)直流-直流能量雙向流動變換器可以大致分為隔離型與非隔離型兩類。其 中非隔離型主要是常規(guī)的buck/boost變換器，如圖2所示，其中含有大的電感，且動態(tài)性受 到很大限制，此外更寬范圍的電壓增益受到限制。隔離型的主要是雙向橋式變換器，如圖3 所示但其存在笨重的變壓器，同樣動態(tài)性也受到限制。
[0004] 在電動汽車電機驅(qū)動系統(tǒng)中，常采用直流-直流變換器加逆變器兩級結(jié)構，這樣 的結(jié)構提高了系統(tǒng)靈活性和性能。直流-直流變換器作為蓄電池與逆變器母線的接口，為 了讓逆變器處于最優(yōu)工作點，母線電壓常處于小幅度的調(diào)節(jié)狀態(tài)。而當汽車處于制動狀態(tài) 時，能量將回饋到蓄電池。此外，電動汽車工作環(huán)境的溫度高，傳統(tǒng)含電感元件的變換器遠 不能適應此工作條件。因此，具有電壓可調(diào)的能量雙向流動的開關電容變換器無論是在微 網(wǎng)系統(tǒng)還是電動汽車電機驅(qū)動系統(tǒng)中，都具有非常大的應用潛力。
[0005] 本發(fā)明的橋式模塊化開關電容變換器利用諧振實現(xiàn)軟開關，在提高轉(zhuǎn)換效率的基 礎上，解決了直流-直流變換器能量雙向流動的問題，具有重要的研究意義。主要應用于需 要雙向變換、高效率、大功率的場合，如微網(wǎng)，電動汽車電機驅(qū)動等。
【發(fā)明內(nèi)容】
[0006] 本發(fā)明的目的是提供一種雙向諧振型橋式模塊化多電平開關電容直流_直流變 換器，以在保證高轉(zhuǎn)換效率的同時，實現(xiàn)輸出電壓在一定范圍內(nèi)的可調(diào)節(jié)性，以及能量的雙 向流動。
[0007] 為了解決上述的技術問題，本發(fā)明提供了一種雙向諧振型橋式模塊化多電平開關 電容直流-直流變換器，包括：兩個單元諧振開關電容電路、8個全控器件M0SFET開關管以 及4種控制信號；其中第二開關管S2、第六開關管S6、第七開關管&的控制信號是相同的， 這種信號表示為第一控制信號\s1;第一開關管S,、第五開關管S5、第八開關管&的控制信 號是相同的，這種信號表示為第二控制信號\S2;第三控制信號VM3驅(qū)動第三開關管S3;第 四控制信號4驅(qū)動第四開關管S4;
[0008] 所述第一控制信號Va」和第二控制信號Vm2相位相差180° ;第三控制Va3和第 四控制信號\3 4相位相差180°;第一控制信號V^、第三控制信號\3 3之間的相位差范 圍是0°?360°;通過改變第一控制信號、第三控制信號Ves_3之間的相位差就可以改 變電路中能量的流向，當?shù)谝豢刂菩盘朶S1、第三控制信號3之間的相位差范圍是0°? 180°時，能量從高壓側(cè)向低壓側(cè)流動；當?shù)谝豢刂菩盘?、第三控制信號￥^ 3之間的相 位差范圍是180°?360°時，能量從低壓側(cè)向高壓側(cè)流動；通過改變第一控制信號￥^、第 三控制信號Ves3之間的相位差也可以改變輸出電壓與輸入電壓的變比，當?shù)蛪簜?cè)作為輸入 電壓，保證2?4倍輸入電壓的輸出；當高壓側(cè)作為輸入電壓，保證0?0. 5倍輸入電壓的 輸出。
[0009] 在一較佳實施例中：通過改變所述第一控制信號、第三控制信號3之間的 相位差也可以改變輸出電壓與輸入電壓的變比，當?shù)蛪簜?cè)作為輸入電壓，保證2?4倍輸入 電壓的輸出；當高壓側(cè)作為輸入電壓，保證〇?〇. 5倍輸入電壓的輸出。
[0010] 在一較佳實施例中：所述4種控制信號Vu、V^、V^、Vw占空比均為50%。
[0011] 在一較佳實施例中：所述單元諧振開關電容電路為橋式模塊化多電平開關電容變 換器拓撲，含有一個H橋、一個諧振電感和一個基本開關電容模塊。
[0012] 在一較佳實施例中：所述的電路拓撲結(jié)構包含4個電容，包括第一儲能電容Ci、第 二儲能電容c3;第一諧振電容C2、第二諧振電容C4,與電感L產(chǎn)生諧振。
[0013] 在一較佳實施例中：所述H橋與低壓側(cè)電容(：5并聯(lián)。
[0014] 相較于現(xiàn)有技術，本發(fā)明的技術方案具備以下優(yōu)點：
[0015] 1.本發(fā)明提供的一種雙向諧振型橋式模塊化多電平開關電容直流_直流變換器， 通過對開關管的移相控制實現(xiàn)高低電壓側(cè)之間的能量雙向流動，以及輸出電壓的可調(diào)節(jié) 性。當?shù)蛪簜?cè)作為輸入電壓，保證2?4倍輸入電壓的輸出；當高壓側(cè)作為輸入電壓，保證 〇?〇. 5倍輸入電壓的輸出。相較傳統(tǒng)直流-直流變換器，在減少硬件成本的同時實現(xiàn)所需 功能，又很好地實現(xiàn)了功率變換。
[0016] 2.由于所需電感小，可以充分利用電路的雜散電感作為諧振電感，省去了一些傳 統(tǒng)變換器中的磁性器件，從而降低了硬件成本，減輕了開關噪聲；可以在不改變電路結(jié)構的 前提之下，通過簡單地改變控制信號的相位差就可以實現(xiàn)能量的雙向流動，以及實現(xiàn)輸出 電壓在一定范圍內(nèi)的的可調(diào)節(jié)性，動態(tài)性好，并且具有較高的變換效率和功率密度。
【附圖說明】
[0017] 圖1為本發(fā)明優(yōu)選實施例的電路圖；
[0018] 圖2為傳統(tǒng)非隔離型雙向直流-直流變換器電路圖；
[0019] 圖3為傳統(tǒng)隔離型雙向直流-直流變換器電路圖；
[0020] 圖4為本發(fā)明優(yōu)選實施例中H橋電路圖；
[0021]圖5本發(fā)明優(yōu)選實施例中基本開關電容模塊圖；
[0022] 圖6為本發(fā)明優(yōu)選實施例中降壓模態(tài)下實例的關鍵波形圖；
[0023] 圖7為本發(fā)明優(yōu)選實施例中降壓模態(tài)第I階段子電路；
[0024] 圖8為本發(fā)明優(yōu)選實施例中降壓模態(tài)第II階段子電路；
[0025] 圖9為本發(fā)明優(yōu)選實施例中降壓模態(tài)第III階段子電路；
[0026] 圖10為本發(fā)明優(yōu)選實施例中降壓模態(tài)第IV階段子電路；
[0027] 圖11為本發(fā)明優(yōu)選實施例中升壓模態(tài)下實例的關鍵波形圖；
[0028] 圖12為本發(fā)明優(yōu)選實施例中升壓模態(tài)第I階段子電路；
[0029] 圖13為本發(fā)明優(yōu)選實施例中升壓模態(tài)第II階段子電路；
[0030] 圖14為本發(fā)明優(yōu)選實施例中升壓模態(tài)第III階段子電路；
[0031] 圖15為本發(fā)明優(yōu)選實施例中升壓模態(tài)第IV階段子電路。
【具體實施方式】
[0032] 下面結(jié)合附圖和實施例，對本發(fā)明做進一步的闡述。
[0033] 參考圖1，圖1為本發(fā)明提供的一雙向諧振型橋式模塊化多電平開關電容直流-直 流變換器的結(jié)構示意圖，包括高壓側(cè)直流電壓源VH、開關電容模塊、諧振電感LpH橋電路、 低壓側(cè)電容C5、低壓側(cè)直流電壓源'。開關電容模塊的" 1"端與高壓側(cè)直流電壓源的正極 相連、"2"端與高壓側(cè)直流電壓源的負極相連、"3"端與H橋電路的"3"端相連、"5"端與H 橋電路的"5"端相連、"6"端與H橋電路的"6"端相連。H橋電路的"1"端與低壓側(cè)直流電 壓源的正極相連、"2"端與低壓側(cè)直流電壓源的負極相連。諧振電感L的一端與開關電容 模塊的"4"端相連、另一端與H橋電路的"4"端相連。低壓側(cè)電容C5的上端與低壓側(cè)直流 電壓源的正極相連，其下端與低壓側(cè)直流電壓源的負極相連。
[0034]H橋電路如圖4所示，H橋電路是有6個端口的電路結(jié)構，具有以下結(jié)構特征：開關 管s3的漏極與開關管Si的漏極相連；開關管S3的源極與開關管S4的漏極相連；開關管S4 的源極與開關管s2的源極相連；開關管Si的源極與開關管S2的漏極相連。在開關管S:的 漏極引出H橋電路的"1"端；在開關管S2的源極引出H橋電路的"2"端；在開關管S3的漏 極引出H橋電路的"3"端；在開關管&的源極與開關管54的漏極之間引出H橋電路的"4" 端；在開關管源極與開關管S2的漏極之間引出H橋電路的"5"端；在開關管S4的源極 引出H橋電路的"6"端。
[0035] 開關電容模塊電路如圖5所示，開關電容模塊電路是有6個端口的電路結(jié)構，具有 以下結(jié)構特點：開關管S7的源極與開關管S5的漏極相連；開關管S8的漏極與開關管S6的 源極相連；第一儲能電容q和第二儲能電容C3串聯(lián)后一端連接在開關管S7的漏極，另一端 連接在開關管&的源極；第一諧振電容C2和第二諧振電容C4串聯(lián)后一端連接在開關管S5 的漏極，另一端連接在開關管S6的源極。在開關管S7的漏極與第一儲能電容C:之間引出 開關電容模塊電路的"1"端；在開關管&的源極與第二儲能電容(： 3之間引出開關電容模塊 電路的"2"端；在開關管&的源極引出開關電容模塊電路的"3"端；在第一諧振電容(： 2和 第二諧振電容(；之間引出開關電容模塊電路的"4"端；在第一儲能電容C:和第二儲能電容 (：3之間引出開關電容模塊電路的"5"端；在開關管S6的漏極引出開關電容模塊電路的"6" 端。
[0036] 整個電路共有8個全控器件M0SFET開關管，僅需4種控制信號即可實現(xiàn)能量的雙 向流動；其中第二開關管s2、第六開關管s6、第七開關管s7的控制信號是相同的，這種信號 表示為第一控制信號Va1;第一開關管Si、第五開關管S5、第八開關管S8的控制信號是相同 的，這種信號表示為第二控制信號\S2驅(qū)動；第三控制信號VM3驅(qū)動第三開關管S3;第四 控制信號\s_4驅(qū)動第四開關管S4。所述的4個控制信號V^、占空比都是 50%，其中，第一控制信號￥(^1和第二控制信號￥ (^2相位相差180°;第三控制信號￥(^3和 第四控制信號 4相位相差1