基于开关电容和耦合电感的高电压增益双向DC-DC变换器制造技术

本发明专利技术公开了一种基于开关电容和耦合电感的高电压增益双向DC-DC变换器，由交错并联Boost变换器和耦合电感以及开关电容组合而成；其电路包括N/2个耦合电感T1[L1、L2]，T2[L3、L4]……T(n/2)[L(n-1)、Ln]；2N个高频功率开关S1，S2……Sn及Q1，Q2……Qn；N-1个高频开关电容C1，C2……C(n-1)；两个输入、输出滤波电容CL和CH。可有效地降低低压侧功率器件的电流应力和高压侧功率器件的电压应力，采用耦合电感进一步降低输入电流纹波和电感体积，提高变换器效率，实现了高效率、高电压增益的双向DC-DC能量变换。本发明专利技术交错并联、磁集成和开关电容技术的结合，使得本发明专利技术中的新型拓扑不仅具备了交错并联变换器的特性，如低输入电流纹波、易于EMI设计等特点，还达到了输入输出电压大变比及更低的开关电压应力的目的。

【技术实现步骤摘要】
【专利摘要】本专利技术公开了一种基于开关电容和耦合电感的高电压增益双向DC-DC变换器，由交错并联Boost变换器和耦合电感以及开关电容组合而成；其电路包括N/2个耦合电感，T2......TwIXm、Ln];2N个高频功率开关SPS2……8?及QPQ2……Qn;N-1个高频开关电容CPC2......C^;两个输入、输出滤波电容CjPCH。可有效地降低低压侧功率器件的电流应力和高压侧功率器件的电压应力，采用耦合电感进一步降低输入电流纹波和电感体积，提高变换器效率，实现了高效率、高电压增益的双向DC-DC能量变换。本专利技术交错并联、磁集成和开关电容技术的结合，使得本专利技术中的新型拓扑不仅具备了交错并联变换器的特性，如低输入电流纹波、易于EMI设计等特点，还达到了输入输出电压大变比及更低的开关电压应力的目的。【专利说明】基于开关电容和耦合电感的高电压增益双向DC-DC变换器
本专利技术涉及高电压增益和双向直流-直流变换器
，是一种新型的具有电 路结构简单、开关器件电压/电流应力低、较高效率、可以实现升压比灵活拓展的电路。
技术介绍
随着传统化石能源（如石油、煤炭、天然气等）的迅速消耗，以及由此带来的世界 能源危机和环境污染等问题的日益加剧，合理开发和利用绿色可再生能源已成为人类的迫 切需要。随着传统化石能源（如石油、煤炭、天然气等）的迅速消耗，以及由此带来的世界 能源危机和环境污染等问题的日益加剧，合理开发和利用绿色可再生能源已成为人类的迫 切需要。对于可再生能源而言，太阳能光伏发电、风力发电和燃料电池动力系统受到了人们 越来越多的重视，而如何将这些新能源并网发电，变换为用户可以直接利用的电能，是分布 式发电领域主要的研究方向。储能装置在分布式可再生能源并网发电系统中扮演至关重 要的角色，为了解决储能装置并联时的低电压和并网所需高电压之间的电压水平不匹配问 题，需要用到高电压增益型双向DC-DC储能变换器。 正是上述需求使得高电压增益、高效率及较大功率双向DC-DC变换器研究工作变 得紧迫，并具有重要的工业实用价值。近年来，国内外的许多学者和专家就如何实现高增 益、高效率、较大功率的能量变换，在隔离型和非隔离型DC-DC变换器领域进行了大量的研 究工作，并取得了一定的研究成果。其主要的相关研究成果分别叙述如下： 传统的高电压增益电路拓扑主要包括高频隔离拓扑，开关电容或开关电感拓扑， 耦合电感拓扑和基于电容-二极管的倍压拓扑等。其中，有研究针对隔离型双向DC-DC变 换器的结构特点分别提出了一种新型零电压开关双向DC-DC变换器和单端正激带同步整 流技术的双向DC-DC变换器，此类隔离型双向DC-DC变换器由于拓扑结构中变压器的存在， 虽然能够实现大变换比的功能，但其体积和成本较大，且易出现磁饱和现象，因而在一些储 能系统中并不适用；针对非隔离拓扑，有研究提出了一种非隔离双向直流变换器，该电路在 引入了一个耦合电感后，消除了开关器件寄生体二极管的反向恢复问题，但该变换器并没 有解决输入/输出电流纹波大的问题。同时，在非隔离变换器拓扑中，开关电容变换器由于 具有重量轻、功率密度高等优点而被广泛采用。然而，开关电容充/放电过程中各功率器件 上存在较大的电流冲击，为了解决这个问题，研究人员提出了一类升压型开关电容谐振变 换器，后来又提出了一种基于开关电容的双向谐振变换器。上述方案，可以实现高电压增益 和零电流软开关，但是，极大的输入电流纹波，使得这些拓扑仅适用于小功率应用场合。 近年来，低压、大功率电源系统的广泛使用使得交错并联技术得到了快速的发展。 交错并联技术因其具有低电流纹波、易于电磁干扰设计、动态响应快等特点而常被应用于 一些电流较大的场合。目前已有较多研究在燃料电池和电动汽车等不同领域应用了交错并 联技术，其主要原因是因为交错并联技术应用于双向DC-DC变换器中不仅可以有效地降低 变换器开关器件的开关电流应力与输入/输出电流的纹波，还有益于提高变换器的动态响 应及变换器的效率。从诸多文献来看，传统的交错并联结构双向DC-DC变换器虽然具有结 构简单，可靠性高等特点，但该电路存在以下缺点： ①开关器件电压应力为高压侧电压VH，当VH较高时不利于开关器件的选取； ②各模块电感电流不能自动均流，需进行均流处理； ③在一些输入输出电压变换比大的场合，开关器件需要工作在极端占空比状态， 不利于变换器效率的提高，且限制了开关器件工作频率的提升。 2013年重庆大学提出了一种带开关电容网络的两相交错并联型高增益Boost变 换器，并对其工作原理和各功率开关器件电压应力进行了分析。在此基础上提出了一种基 于开关电容的2相交错并联双向变换器，能够减小输入电流纹波和开关器件电压应力，并 实现能量的双向流动。但较大的电感量和输入、输出滤波电容导致其自动均流的动态特 性较差，变换器易出现电流尖峰甚至失稳，另外其升压/降压模式下其最高效率仅91%和 90%。 根据上述问题，高电压增益双向DC-DC变换器还需进一步提高变换器的电压增 益、效率和功率密度，减小功率器件的电压/电流应力。
技术实现思路
本专利技术针对现有技术存在的上述不足，提出了一种基于开关电容和耦合电感的高 电压增益双向DC-DC变换器，可有效地降低低压侧功率器件的电流应力和高压侧功率器 件的电压应力，采用耦合电感进一步降低输入电流纹波和电感体积，提高变换器效率，实 现了高效率、高电压增益的双向DC-DC能量变换。本专利技术高电压增益双向DC-DC变换器 的电路结构虽然与传统的交错并联双向DC-DC变换器的电路结构类似，但拓扑增加了串 联的开关电容，并变换了其中悬浮开关器件的位置。高电压增益双向DC-DC变换器可从2 相并联扩展至N相并联（N为正的偶数），以4相并联为例，1，3相与2, 4相的驱动信号完 全相同，1，2相和3, 4相分别共用一个耦合电感。交错并联、磁集成和开关电容技术的结 合，使得本专利技术中的新型拓扑不仅具备了交错并联变换器的特性，如低输入电流纹波、易于 EMI (Electro-Magnetic Interference)设计等特点，还达到了输入输出电压大变比及更低 的开关电压应力的目的。 为了解决上述技术问题，本专利技术基于开关电容和耦合电感的高电压增益双向 DC-DC变换器由交错并联Boost变换器和耦合电感以及开关电容组合而成；该高电压增益 双向DC-DC变换器的电路包括N/2个耦合电感，T2 ;2N 个高频功率开S2……Sn&Qi，Q2……Qn;N-l个高频开关电容(^，C 2……;两个输 入、输出滤波电容Q和CH; 耦合电感?\，T2……Τ(Ν/2)的一端与低压侧滤波电容Q相连，连接节点记为低压侧 输入/输出节点L，低压侧输入/输出节点电压为 '，滤波电容CL的另外一端与输入/输 出端的负极相连，连接节点记为G ; 第一高频功率开关器件Si，其具有源极、漏极和栅极，其漏极与第一耦合电感1\的 一边U的一端连接，连接节点记为N1 ;其源极与变换器输入/输出端的负极相连，连接节点 记为G ;其栅极接控制器发出的控制信号GS1 ; 第二高频功率开关器本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于开关电容和耦合电感的高电压增益双向DC‑DC变换器，其特征在于，由交错并联Boost变换器和耦合电感以及开关电容组合而成；该高电压增益双向DC‑DC变换器的电路包括N/2个耦合电感T1[L1、L2]，T2[L3、L4]……T(n/2)[L(n‑1)、Ln]；2N个高频功率开关S1，S2……Sn及Q1，Q2……Qn；N‑1个高频开关电容C1，C2……C(n‑1)；两个输入、输出滤波电容CL和CH；耦合电感T1，T2……T(N/2)的一端与低压侧滤波电容CL相连，连接节点记为低压侧输入/输出节点L，该低压侧输入/输出节点电压为VL；滤波电容CL的另外一端与输入/输出端的负极相连，连接节点记为G；第一高频功率开关器件S1，其具有源极、漏极和栅极，其漏极与第一耦合电感T1的一边L1的一端连接，连接节点记为N1；其源极与变换器输入/输出端的负极相连，连接节点记为G；其栅极接控制器发出的控制信号GS1；第二高频功率开关器件S2，其具有源极、漏极和栅极，其漏极与第一耦合电感T1的一边L2的一端连接，连接节点记为N2；其源极与变换器输入/输出端的负极相连，连接节点记为G；其栅极接控制器发出的控制信号GS2；第三高频功率开关器件S3，其具有源极、漏极和栅极，其漏极与第一耦合电感T2的一边L3的一端连接，连接节点记为N3；其源极与变换器输入/输出端的负极相连，连接节点记为G；其栅极接控制器发出的控制信号GS3；第四高频功率开关器件S4，其具有源极、漏极和栅极，其漏极与第一耦合电感T2的一边L4的一端连接，连接节点记为N4；其源极与变换器输入/输出端的负极相连，连接节点记为G；其栅极接控制器发出的控制信号GS4；以此类推：第N个高频功率开关器件Sn，其具有源极、漏极和栅极，其漏极与第一耦合电感T(n/2)的一边Ln的一端连接，连接节点记为Nn；其源极与变换器输入/输出端的负极相连，连接节点记为G；其栅极接控制器发出的控制信号GSn；第(N+1)个高频功率开关器件Q1，其具有源极、漏极和栅极，其漏极与第一开关电容C1的一端连接，连接节点记为M1；其源极与第一高频功率开关器件S1的漏极相连，连接节点记为N1；其栅极接控制器发出的控制信号GQ1；第(N+2)个高频功率开关器件Q2，其具有源极、漏极和栅极，其漏极与第二开关电容C2的一端连接，连接节点记为M2；其源极与第一开关电容C1的一端相连，连接节点记为M1；其栅极接控制器发出的控制信号GQ2；第(N+3)个高频功率开关器件Q3，其具有源极、漏极和栅极，其漏极与第三开关电容C3的一端连接，连接节点记为M3；其源极与第二开关电容C2的一端相连，连接节点记为M2；其栅极接控制器发出的控制信号GQ3；以此类推：第2N个高频功率开关器件Qn，其具有源极、漏极和栅极，其漏极与高压侧滤波电容CH的一端连接，连接节点记为H，该高压侧输入/输出节点电压为VH；第2N个高频功率开关器件Qn的源极与第N‑1个开关电容的一端相连，连接节点记为M(n‑1)；其栅极接控制器发出的控制信号GQn；第一开关电容C1的两端分别连接至节点N2和M1；第二开关电容C2的两端分别连接至节点N3和M2；第三开关电容C3的两端分别连接至节点N4和M3；以此类推：第N‑1个开关电容C(n‑1)的两端分别连接至节点Nn和M(n‑1)；输出滤波电容CH的两端分别连接至变换器高压侧输入/输出节点H和变换器输入/输出端的负极G。...

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：王议锋，薛利坤，王成山，王萍，
申请(专利权)人：天津大学，
类型：发明
国别省市：天津;12