一種雙向高增益非隔離變換器及其控制方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及電力電子領(lǐng)域，特別是雙向非隔離直流-直流電能變換技術(shù)領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[0002]雙向直流變換器是可再生能源發(fā)電、電動(dòng)汽車、儲(chǔ)能系統(tǒng)等供電系統(tǒng)中的核心裝置之一，用于實(shí)現(xiàn)蓄電池和直流母線之間雙向功率、電壓變換，實(shí)現(xiàn)蓄電池充放電管理、直流母線電壓調(diào)節(jié)等控制功能。
[0003]由于儲(chǔ)能蓄電池輸出電壓低(典型值為12V、24V等)，且蓄電池端電壓的變化范圍寬，而各類分布式直流供電系統(tǒng)為了與交流電網(wǎng)對(duì)接，其直流母線電壓通常為400V甚至更高。蓄電池電壓與直流母線電壓的懸殊差異給雙向變流器帶來(lái)了很大技術(shù)挑戰(zhàn)。首先，雙向變流器必須要能夠在升壓和降壓兩種工作模式下實(shí)現(xiàn)高升壓比和高降壓比，即其應(yīng)該具有高電壓增益比；其次，雙向變流器應(yīng)該能夠在蓄電池寬電壓變化范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)高效率變換。
[0004]傳統(tǒng)的非隔離雙向直流變換器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、技術(shù)上也已經(jīng)成熟。然而，由于傳統(tǒng)變換器自身不能實(shí)現(xiàn)軟開關(guān)，且受到MOSFET寄生體二極管的影響，傳統(tǒng)非隔離雙向變流器應(yīng)用于高壓場(chǎng)合時(shí)面臨嚴(yán)重的體二極管反向恢復(fù)問(wèn)題。體二極管的反向恢復(fù)不僅造成非常大的開關(guān)損耗、降低變流器的效率，而且會(huì)在開關(guān)管上引起嚴(yán)重的電壓尖峰，導(dǎo)致開關(guān)管失效，降低變流器的可靠性。而當(dāng)傳統(tǒng)非隔離雙向變流器應(yīng)用于一端低壓、另一端高壓的儲(chǔ)能系統(tǒng)中時(shí)，將面臨更嚴(yán)重的升壓比與極限占空比的問(wèn)題。即為了滿足高電壓增益比的要求，開關(guān)管不得不工作于極限占空比狀態(tài)。即其中一個(gè)開關(guān)管的占空比接近于1，另外一個(gè)開關(guān)管的占空比接近于O，兩個(gè)開關(guān)管要同時(shí)承受低壓側(cè)的大電流和高壓側(cè)的高電壓，開關(guān)管電壓、電流應(yīng)力急劇增加，而造成效率的大幅降低。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]發(fā)明目的:為了克服現(xiàn)有技術(shù)中存在的不足，本發(fā)明提供了一種雙向高增益非隔離變換器，用于解決傳統(tǒng)的雙向非隔離直流變換器在實(shí)現(xiàn)軟開關(guān)、體二極管反向恢復(fù)以及升壓比和極限占空比等方面存在的技術(shù)問(wèn)題。
[0006]技術(shù)方案:為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用的技術(shù)方案為:
[0007]—種雙向高增益非隔離變換器，由第一開關(guān)管S1、第二開關(guān)管S2、第三開關(guān)管S3、第四開關(guān)管S4和第五開關(guān)管S 5、高頻電感LH、第一電容C1、第二電容C2和第三電容C3、第一耦合電感!\和第二耦合電感T 2構(gòu)成，其中，第一耦合電感T i包含一個(gè)低壓側(cè)繞組Nu和一個(gè)高壓側(cè)繞組Nm，第二耦合電感T2包含一個(gè)低壓側(cè)繞組N u和一個(gè)高壓側(cè)繞組N H2;
[0008]所述第一耦合電感T1中的低壓側(cè)繞組N u的同名端連于低壓源V B的正極和第二開關(guān)管&的漏極，低壓源V B的負(fù)極連于第二耦合電感T 2中的低壓側(cè)繞組N u的同名端和第一開關(guān)管源極，第二耦合電感T 2中的低壓側(cè)繞組N u的非同名端連于高壓源V H的負(fù)極、第三電容C3的一端、第一電容C i的一端和第二開關(guān)管S 2的源極，高壓源V H的正極連于第五開關(guān)管S5的漏極和第三電容C 3的另一端，第五開關(guān)管S 5的源極連于第二電容C 2的一端和第四開關(guān)管S4的漏極，第二電容C2的另一端連于第二耦合電感T 2中的高壓側(cè)繞組Nh2的非同名端，第二耦合電感1~2中的高壓側(cè)繞組Nh2的同名端連于第一耦合電感T1中的高壓側(cè)繞組Nm的非同名端，第一耦合電感T沖的高壓側(cè)繞組N吣的同名端連于高頻電感L H的一端，高頻電感Lh的另一端連于第三開關(guān)管S 3的漏極、第一電容C 另一端和第四開關(guān)管S 4的源極，第三開關(guān)管S3的源極連于第一耦合電感T1中的低壓側(cè)繞組Nu的非同名端和第一開關(guān)管漏極。
[0009]上述雙向高增益非隔離變換器的控制方法如下:
[0010]設(shè)置第一開關(guān)管S1和第二開關(guān)管S 2同時(shí)導(dǎo)通關(guān)斷，第一開關(guān)管S i和第三開關(guān)管S3、第四開關(guān)管S4和第五開關(guān)管S5分別互補(bǔ)導(dǎo)通，第一開關(guān)管S i和第四開關(guān)管S 4的占空比相同；
[0011 ] 通過(guò)調(diào)節(jié)第一開關(guān)管S1的占空比維持第一電容C i的電壓穩(wěn)定:即當(dāng)?shù)谝浑娙軨 i的電壓小于設(shè)定值時(shí)增加第一開關(guān)管31的占空比；當(dāng)?shù)谝浑娙軨1的電壓大于設(shè)定值時(shí)減小第一開關(guān)管S1的占空比；
[0012]通過(guò)調(diào)節(jié)第一開關(guān)管S1和第四開關(guān)管S4之間的移相角調(diào)節(jié)輸出功率:即當(dāng)能量由低壓源Vb向高壓源V H傳輸時(shí)，設(shè)置第一開關(guān)管S 4勺導(dǎo)通時(shí)間超前于第四開關(guān)管S 4;當(dāng)能量由高壓源Vh向低壓源V ^專輸時(shí)，設(shè)置第一開關(guān)管S 4勺導(dǎo)通時(shí)間滯后于第四開關(guān)管S 4。
[0013]有益效果:
[0014](I)本發(fā)明通過(guò)耦合電感的串并聯(lián)連接，使其具備高電壓增益比變換能力；
[0015](2)通過(guò)采用兩個(gè)耦合電感，減小了單個(gè)耦合電感的電壓和電流應(yīng)力；
[0016](3)能夠?qū)崿F(xiàn)所有開關(guān)管的軟開關(guān)、提尚效率；
[0017](4)升壓和降壓模式下變換器的控制策略相同，控制簡(jiǎn)單、易于實(shí)現(xiàn)。
【附圖說(shuō)明】
[0018]圖1是本發(fā)明雙向高增益非隔離變換器原理圖；
[0019]圖2是本發(fā)明雙向高增益非隔離變換器的電壓電流參考方向標(biāo)注圖；
[0020]圖3是本發(fā)明升壓模式下雙向高增益非隔離變換器的工作波形圖；
[0021]圖4是本發(fā)明降壓模式下雙向高增益非隔離變換器的工作波形圖；
[0022]圖5是本發(fā)明升壓模式下雙向高增益非隔離變換器在開關(guān)模態(tài)O時(shí)的等效電路圖；
[0023]圖6是本發(fā)明升壓模式下雙向高增益非隔離變換器在開關(guān)模態(tài)I時(shí)的等效電路圖；
[0024]圖7是本發(fā)明升壓模式下雙向高增益非隔離變換器在開關(guān)模態(tài)2時(shí)的等效電路圖；
[0025]圖8是本發(fā)明升壓模式下雙向高增益非隔離變換器在開關(guān)模態(tài)3時(shí)的等效電路圖；
[0026]圖9是本發(fā)明升壓模式下雙向高增益非隔離變換器在開關(guān)模態(tài)4時(shí)的等效電路圖；
[0027]圖10是本發(fā)明升壓模式下雙向高增益非隔離變換器在開關(guān)模態(tài)5時(shí)的等效電路圖；
[0028]圖11是本發(fā)明升壓模式下雙向高增益非隔離變換器在開關(guān)模態(tài)6時(shí)的等效電路圖；
[0029]圖12是本發(fā)明升壓模式下雙向高增益非隔離變換器在開關(guān)模態(tài)7時(shí)的等效電路圖。
【具體實(shí)施方式】
[0030]下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明作更進(jìn)一步的說(shuō)明。
[0031]如附圖1所示，所述雙向高增益非隔離變換器由五個(gè)開關(guān)管、兩個(gè)耦合電感、一個(gè)高頻電感Lh和三個(gè)電容組成，其中開關(guān)管包括第一開關(guān)管S 1、第二開關(guān)管S2、第三開關(guān)管S3、第四開關(guān)管S4和第五開關(guān)管S5，親合電感包括第一親合電感!\和第二親合電感T 2，第一耦合電感T1包含一個(gè)低壓側(cè)繞組Nu和一個(gè)高壓側(cè)繞組Nhi，第二耦合電感T2包含一個(gè)低壓偵機(jī)組隊(duì)2和一個(gè)高壓側(cè)繞組Nh2，電容包括第一電容C1、第二電容C2和第三電容C3;所述第一耦合電感T1中的低壓側(cè)繞組Nu的同名端連于低壓源Vb的正極和第二開關(guān)管52的漏極，低壓源Vb的負(fù)極連于第二耦合電感T 2中的低壓側(cè)繞組Nu的同名端和第一開關(guān)管S i的源極，第二耦合電感1~2中的低壓側(cè)繞組N u的非同名端連于高壓源V H的負(fù)極、第三電容C 3的一端、第一電容C1的一端和第二開關(guān)管S 2的源極，高壓源V H的正極連于第五開關(guān)管S 5的漏極和第三電容C3的另一端，第五開關(guān)管S 5的源極連于第二電容C 2的一端和第四開關(guān)管S 4的漏極，第二電容C2的另一端連于第二耦合電感T 2中的高壓側(cè)繞組N H2的非同名端，第二耦合電感T#的高壓側(cè)繞組Nh2的同名端連于第一耦合電感T沖的高壓側(cè)繞組Nh^非同名端，第一耦合電感T1中的高壓側(cè)繞組同名端連于高頻電感L H的一端，高頻電感Lh的另一端連于第三開關(guān)管S3的漏極、第一電容C1的另一端和第四開關(guān)管S4的源極，第