一种利用耦合电感的双向共流DC/DC变换器

一种利用耦合电感的双向共流dc/dc变换器
技术领域
1.本实用新型属于电力电子软开关技术领域，具体涉及一种利用耦合电感的双向共流dc/dc变换器。


背景技术：

2.双向dc/dc变换器广泛应用于存储接口、电动汽车领域。由于它要求在升压模式下达到高电压增益，在降压模式下接口低压电池能偶到达高压侧，因此传统的双开关非隔离型双向dc/dc不适合这些应用，传统的双向 dc/dc变换器的效率和电压应力性能也较差。为了解决降压和升压两种工作方式都难以达到所需转换比的问题，双向dc/dc变换器被分为隔离型双向dc/dc变换器和非隔离型双向dc/dc变换器两大类。为了实现高转换比，隔离型双向dc/dc变换器采用变压器作为隔离原件。然而在全桥隔离型双向dc/dc变换器中，有源开关的数量一般大于或等于8个。为了减少电路中主动开关的数量，有学者采用了半桥拓扑来实现。然而，这些变换器所面临的最主要问题是实现软开关和控制的复杂性。
3.非隔离型双向dc/dc采用不同的电路概念，如sepic、电压倍增器、开关电容器、耦合电感，以实现高转换比。sepic衍生的bdcs由于其级联结构，效率较低。电压倍增器可以用于设计双向dc/dc变换器，但它在开关之间产生较大的电压应力。基于开关电容的双向dc/dc变换器由于其结构简单，控制复杂度低，本质上性能较好。然而，这类变换器的开关损耗和大的开关电流应力仍然是主要问题。这些变换器中的软开关即有源开关的零电压开关可以通过辅助电路实现，但增益和控制复杂性有限。


技术实现要素：

4.针对现有技术中存在的问题，本实用新型提供一种利用耦合电感的双向共流dc/dc变换器
5.本实用新型是通过以下技术方案来实现：
6.一种利用耦合电感的双向共流dc/dc变换器，其特征在于，包括第一耦合电感支路和第二耦合电感支路，所述第一耦合电感支路包括耦合电感磁圈 l1的同名端以及依次连接耦合电感磁圈l1的同名端的电容c4和第一耦合支路磁圈l2；
7.所述第二耦合电感支路包括耦合电感磁圈l1以及依次连接耦合电感磁圈l1的异名端的电容c2和第二耦合支路磁圈l3；
8.所述第一耦合电感支路和第二耦合电感支路并联电感电流路径，用于在升压和降压模式下的共享输入电流。
9.进一步，所述耦合电感磁圈l1的同名端连接有输入蓄电池vlv正极和电容c4及第一耦合支路磁圈l2的异名端，耦合电感磁圈l1的异名端分别连接有电容c2及第二耦合支路磁圈l2的同名端、开关管s1漏极和开关管 s2源极；
10.所述第一耦合支路磁圈l2同名端分别连接开关管s4漏极和开关管s5 源极；
11.第二耦合支路电感l3异名端分别连接输出电容c3负极与开关管s3漏极；
12.所述输出电容c3正极连接开关管s5漏极和开关管s6源极，主开关s6 漏极连接双向dc/dc输出端。
13.进一步，所述输入蓄电池vlv负极分别连接有开关管s2的源极和电容 c1。
14.进一步，所述开关管s2的漏极分别连接有开关管s3的源级和电容c1。
15.进一步，所述开关管s6漏极和电容c1之间设置有电源vhl，用以验证升压运行。
16.进一步，所述开关管s1、开关管s2、开关管s3、开关管s4、开关管s5 和开关管s6均采用有源开关mosfet。
17.进一步，所述开关管s1和开关管s6为有源开关主开关。
18.进一步，所述开关管s2、开关管s3、开关管s4和开关管s5为有源辅助开关。
19.与现有技术相比，本实用新型具有以下有益的技术效果：
20.一种利用耦合电感的双向共流dc/dc变换器，括两个次级耦合电感支路来实现更高的电压转换因子，电流共享特性以及软开关；由于采用了双电流路径电感结构，提高了电压转换比，可以在所有工作模式下共享电流；所有的有源开关均利用了同步整流概念的软开关，助于降低传导损耗；本技术中的变换器不需要额外的电路元件来实现软开关，可以实现更高的效率操作。本技术中的变换器利用两个并联电感电流路径在升压和降压模式下共享输入电流，从而降低单个线圈的额定电流，有助于减少输入电流纹波，由于拓扑优势，漏感能量直接传递给负载，在170w条件下的降压模式和190w条件下的升压模式最大测量效率分别为96.12％和96.63％。
附图说明
21.图1为本实用新型具体实施例中一种利用耦合电感的双向共流dc/dc 变换器示意图；
22.图2为本实用新型具体实施例中一种利用耦合电感的高增益和高效率的双向共流dc/dc升压示意图；
23.图3为本实用新型具体实施例中一种利用耦合电感的高增益和高效率的双向共流dc/dc升压示意图；
24.图4为本实用新型具体实施例中一种利用耦合电感的高增益和高效率的双向共流dc/dc升压示意图；
25.图5为本实用新型具体实施例中一种利用耦合电感的高增益和高效率的双向共流dc/dc升压示意图；
26.图6为本实用新型具体实施例中一种利用耦合电感的高增益和高效率的双向共流dc/dc升压示意图；
27.图7为本实用新型具体实施例中一种利用耦合电感的高增益和高效率的双向共流dc/dc升压示意图；
28.图8为本实用新型具体实施例中一种利用耦合电感的高增益和高效率的双向共流dc/dc降压示意图；
29.图9为本实用新型具体实施例中一种利用耦合电感的高增益和高效率的双向共流dc/dc降压示意图；
30.图10为本实用新型具体实施例中一种利用耦合电感的高增益和高效率的双向共
流dc/dc降压示意图；
31.图11为本实用新型具体实施例中一种利用耦合电感的高增益和高效率的双向共流dc/dc降压示意图；
32.图12为本实用新型具体实施例中一种利用耦合电感的高增益和高效率的双向共流dc/dc降压示意图；
33.图13为本实用新型具体实施例中一种利用耦合电感的高增益和高效率的双向共流dc/dc降压示意图；
34.图14为本实用新型具体实施例中一种利用耦合电感的高增益和高效率的双向共流dc/dc降压示意图。
具体实施方式
35.下面结合具体的实施例对本实用新型做进一步的详细说明，所述是对本实用新型的解释而不是限定。
36.为了使本技术领域的人员更好地理解本实用新型方案，下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型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实用新型一部分的实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，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他实施例，都应当属于本实用新型保护的范围。
37.需要说明的是，本实用新型的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的本实用新型的实施例能够以除了在这里图示或描述的那些以外的顺序实施。此外，术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、系统、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、产品或设备固有的其它步骤或单元。
38.本实用新型提供一种利用耦合电感的双向共流dc/dc变换器，如图1 所述，包括第一耦合电感支路和第二耦合电感支路，所述第一耦合电感支路包括耦合电感磁圈l1的同名端以及依次连接耦合电感磁圈l1的同名端的电容c4和第一耦合支路磁圈l2，具体的，耦合电感变比n＝n2/n1；
39.所述第二耦合电感支路包括耦合电感磁圈l1的异名端以及依次连接耦合电感磁圈l1的异名端的电容c2和第二耦合支路磁圈l3；
40.所述第一耦合电感支路和第二耦合电感支路并联电感电流路径，用于在升压和降压模式下的共享输入电流。
41.进一步的，所述耦合电感磁圈l1的同名端连接有输入蓄电池vlv正极和电容c4及第一耦合支路磁圈l2的异名端，耦合电感磁圈l1的异名端分别连接有电容c2及第二耦合支路磁圈l2的同名端、开关管s1漏极和开关管s2源极；
42.所述第一耦合支路磁圈l2同名端分别连接开关管s4漏极和开关管s5 源极；
43.第二耦合支路电感l3异名端分别连接输出电容c3负极与开关管s3漏极；
44.所述输出电容c3正极连接开关管s5漏极进而开关管s6源极，主开关 s6漏极连接
双向dc/dc输出端。
45.进一步的，所述输入蓄电池vlv负极分别连接有开关管s2的源极和电容c1。
46.进一步的，所述开关管s2的漏极分别连接有开关管s3的源级和电容 c1。
47.进一步的，所述开关管s6漏极和电容c1之间设置有电源vhl，用以验证升压运行。
48.进一步的，所述开关管s1、开关管s2、开关管s3、开关管s4、开关管 s5和开关管s6均采用有源开关mosfet。
49.进一步的，所述开关管s1和开关管s6为有源开关主开关。
50.进一步的，所述开关管s2、开关管s3、开关管s4和开关管s5为有源开关辅助开关。
51.具体的，本实用新型采用了双电流路径电感结构，提高了电压转换比，可以在所有工作模式下共享电流，所有的有源开关均利用了同步整流概念的软开关，不需要额外的电路元件来实现软开关，即可实现更高的效率操作；
52.进一步的，在单位匝比(n＝1)的情况下，可以得到升压≥10、降压≤ 1/10的高转换系数。在升压和降压的两种工作模式下，主mosfet开关的电流和电压应力都较小，同时配合低电压、低通状态电阻mosfet，能够降低传导损耗；同样，所有的有源开关都是软开关，即零电压开关，因此，开关损耗可以忽略不计，从而进一步提高了转换效率。
53.本实用新型利用两个并联电感电流路径在升压和降压模式下共享输入电流，从而降低单个线圈的额定电流，有助于减少输入电流纹波。由于拓扑优势，漏感能量直接传递给负载。在170w条件下的降压模式和190w条件下的升压模式最大测量效率分别为96.12％和96.63％，本实用新型为具有高增益和高效率的双向共流dc/dc变换器。
54.本实用新型提供一种利用耦合电感的高增益和高效率的双向共流 dc/dc变换器在使用时，包括以下步骤：
55.为了简化分析，将耦合电感建模为具有两个二次绕组和励磁电感lm的理想变压器。模型中还需要考虑漏感l
lk
，电路参数如电容间纹波电压被取得非常小，为简化分析而忽略。有源mosfet开关被认为是理想的开关，磁化电感lm与lm l
_lk
得比视为耦合系数k，绕组匝数比为n，采用连续导通 (ccm)中升压和降压两种工作模式；
56.升压过程：
57.在升压工作模式下，功率从低压电源v
_lv
流向高压母线v
_hv
，本实用新型提出的cibdc模式根据开关状态分为6个子区间，具体为高压侧v
_hv
电路模型被认为是输出电容和电阻的组合，以验证升压运行；
58.s1：在zvs条件下关闭开关管s4和开关管s6，电流通过开关管s4和开关管s6的反平行体二极管，使得开关管s1电流为零；进一步的，如图2所示，在t1时刻，当开关管s1接通，则本步骤s1结束；
59.s2：开关管s1的体二极管导通，开启开关管s1实现zvs通断，耦合电感二次绕组和三次绕组的极性使得开关管s3和开关管s5的反并联体二极管正向偏置，电容c1和电容c4随耦合电感二次绕组和三次绕组将其能量释放给电容c2和c3；
60.具体的，如图3所示，当开关管s1在此时开始时开启时，就实现了 zvs通断操作，耦合电感磁化电流(i
lm
)开始上升，负载电流由输出高压侧电容c
hv
提供，此时，开关管s1的软开关操作与同步整流相似，在接通过程中实现。
61.s3：开关管s3和开关管s5在zvs条件下开启，电容c1和电容c4 连同耦合的电感二
次绕组和三次绕组在此模式下继续将其能量释放给电容c2和c3，调整电容c1和电容c2的电容值以及耦合电感二次绕组电感，完成dts间隔半周期准谐振电流(tr)过程；进一步的，如图4所示，此时开关管s1电流应力降低；同样的，开关管s3和开关管s5的软开关操作也是在同步整流下完成；
62.s4：如图5所示，首先将开关管s1、开关管s3和开关管s5关闭，此时，耦合电感一次绕组和漏感的极性反转，开关管s2、开关管s4的高压侧和开关管s6的体二极管自然打开，此时，开关电压为零，漏感中存储的磁化能量通过开关s2的体二极管传递到电容c1，具体的，电容c4处于充电模式，存储耦合电感第三绕组的能量，电容c2、电容c3和耦合电感二次绕组所存储的能量被释放到高压侧电容器和负载侧，磁化电流开始下降；
63.s5：如图6所示，在zvs条件下开启开关管s2、开关管s4和开关管 s6，磁化电流ilm继续下降，具体的，电容c2、电容c3和耦合电感二次绕组所存储的能量被释放到高压侧电容器和负载侧，直至漏感存储的磁化能量转移至电容c1，当存储的能量转移到电容c1时，开关管s2停止传导；之后，如图7所示，完开关管s2将不再向电容c1输送电流时，升压过程完成；
64.降压过程：
65.在降压模式操作中，功率从高压v
hv
源流向低压v
lv
，在一个工作周期内，buck分为以下7个步骤：
66.s1：如图8所示，开关管s1、开关管s3和开关管s5关闭，由于耦合电感线圈的极性，开关管s1、开关管s5和开关管s6的体二极管正向偏置，耦合电感的二次绕组和三次绕组电流通过开关管s6的体二极管进入高压侧；使得在zvs条件下可以打开开关管s6，zvs在t1时刻结束时，开关管s1和开关管s5电流降至零值，同时，开关管s1和开关管s5在zvs条件下由于体二极管的传导而关闭；
67.s2：如图9所示，当开关管s6在zvs条件下开启，在t1时刻，流入高压侧的反向电流减小到零值，buck操作的自由旋转阶段停止；
68.s3：如图10所示，电容c1和电容c4分别通过开关管s2和开关管s4 的体二极管充电；
69.具体的，由于开关管s1的开启，所以电流更容易通过耦合电感和电容 c3，电容c2从高压侧流向低压侧，实现主动降压的过程；由于电感极性耦合开启开关管s2和开关管s3的体二极管，磁化电流im相较于升压过程呈反方向上升，则此时电容器c1和c4在此模式下分别通过开关管s2和开关管 s4的体二极管充电；由于开关管s2和开关管s4的体二极管是导电的，因此可以在zvs条件下打开这些开关，同时，在本步骤中，低压侧电容和负载电流由高压侧提供；
70.s4：如图11所示，当开关管s2和开关管s4在zvs状态下开启，通过 s2的电流为零时，电容c1充满电；
71.s5：如图12所示，开关管s2开启，电容c1开始放电，直至开关管s6 关闭；
72.s6：如图13所示，开关管s6关闭，耦合电感的极性改变以保持电感电流的连续性，开关管s1、开关管s3和开关管s5的体二极管正向偏置，开始导通，此时，电容c1开始放电，电容c2和电容c3开始充电，充磁电流开始减小，当体二极管导电时，开关管s1、开关管s3和开关管s5将在zvs条件下开启；
73.s7：如图14所示，当开关管s1、开关管s3和开关管s5在zvs条件下开启，电容c2和电
容c3持续充电，当开关管s3、开关管s5和开关管s1关闭时，重复步骤s1，完成降压过程。
74.最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本实用新型的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本实用新型进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本实用新型实施例技术方案的范围。