双向直流变换器及双向直流变换控制方法技术

本发明专利技术提供了一种双向直流变换器及双向直流变换控制方法，所述双向直流变换器包括第一斩波单元、第二斩波单元、第一电感、第二电感、变压器以及控制单元，所述第一斩波单元连接到第一外接端子；所述第二斩波单元连接到正母线和负母线；所述正母线和负母线之间具有串联连接的第一电容和第二电容，且所述第二电容的两端连接到第二外接端子；所述第一电容和第二电容的连接点经由所述第二电感连接到变压器的副边绕组的中间抽头；所述控制单元根据电压增益生成具有目标占空比的脉冲宽度调制信号并输出到第二斩波单元的控制端。本发明专利技术可使双向直流变换器在拥有较大的传输比变化范围时保证能量的高效率传输。

【技术实现步骤摘要】
双向直流变换器及双向直流变换控制方法
本专利技术涉及直流变换器领域，更具体地说，涉及一种双向直流变换器及双向直流变换控制方法。
技术介绍
随着电动汽车及自动化行业的不断发展，越来越多应用场合要求实现双向能量传输。双向能量传输可由两个单向的功率变换器来实现，但是这种方式不仅功率密度低而且可靠性低，因此双向功率变换器应运而生。相比于传统单向功率变换器，双向功率变换器虽然提高了功率密度，但是其效率等特性却会有所下降。基于此，实现高效率、高功率密度的双向功率变换器是当今电源行业所研究的重点之一。如图1所示，是现有的降压/升压(Buck/Boost)变换器的电路拓扑图，该降压/升压变换器在降压时采用降压(Buck)拓扑，即开关管Q2保持关断，由PWM(pluswidthmodulation，脉宽调制)波驱动的开关管Q1、电感L1、电容C2将电压V1降压为电压V2输出；在升压时采用升压(Boost)拓扑，即开关管Q1保持导通，由PWM波驱动的开关管Q2、电感L1、电容C2将电压V2升压为电压V1输出。该降压/升压变换器虽然可以实现双向的能量传输，但是这种变换器属于非隔离变换器，并且其单向只能实现升压或者降压中的一种，无法在单向上既实现降压又实现升压，应用场合较为局限。如图2所示，是现有两级双向变换器的电路拓扑图。两级双向变换器的其中一级为降压/升压(Buck/Boost)非隔离结构(包括电感L1、开关管Q1、Q2、电容C3)，另外一级为隔离结构(包括隔离变换器)。两级双向变换器的降压/升压通常由Buck/Boost非隔离结构级实现。但该双向变换器由于采用两级结构，因此其体积较大，不利于功率密度的提升。如图3所示，是现有双有源结构的两级双向变换器的电路拓扑图。该双向变换器的两端均为斩波电路(由开关管Q1～Q4组成的斩波电路和由开关管Q5～Q8组成的斩波电路)，并通过斩波电路将两个电容C1、C2上的直流源转换为交流源作用于电感L1上，从而形成能量传输。但该双向变换器在电压传输比变化范围较大的时候效率下降严重。如图4所示，是现有的双边双向谐振结构的双向变换器的电路拓扑图。该双向变换器的两端均为斩波电路(由开关管Q1～Q4组成的斩波电路和由开关管Q5～Q8组成的斩波电路)，且该双向变换器包括位于变压器T的两侧的谐振腔(由电感L1、L3、电容C3构成的谐振腔以及由电感L2、L4、电容C4构成的谐振腔)，其在正向和反向工作时都为典型的LLC串联谐振结构，可以实现全范围的软开关。但该双向变换器同样在电压传输比变化范围较大的时候效率下降严重。
技术实现思路
本专利技术要解决的技术问题在于，针对上述双向变换器在电压传输比变化范围较大的时候效率下降严重的问题，提供一种双向直流变换器及双向直流变换控制方法。本专利技术解决上述技术问题的技术方案是，提供一种双向直流变换器，包括第一斩波单元、第二斩波单元、变压器以及控制单元，所述第一斩波单元的第一侧连接到第一外接端子、第二侧经由第一电感连接到所述变压器的原边绕组；所述第二斩波单元采用H桥斩波电路，且所述第二斩波单元的第一侧连接到所述变压器的副边绕组、第二侧连接到正母线和负母线；所述正母线和负母线之间具有串联连接的第一电容和第二电容，且所述第二电容的两端连接到第二外接端子；所述双向直流变换器还包括第二电感，且所述第一电容和第二电容的连接点经由所述第二电感连接到所述变压器的副边绕组的中间抽头；所述控制单元连接到所述第一斩波单元和第二斩波单元的控制端，且所述控制单元在能量由第二外接端子流向第一外接端子时，生成具有目标占空比的脉冲宽度调制信号并输出到第二斩波单元的控制端。在本专利技术所述的双向直流变换器中，所述第二斩波单元包括第一开关管、第二开关管、第三开关管和第四开关管，且所述第一开关管、第二开关管串联连接在正母线和负母线之间、所述第三开关管和第四开关管串联连接在正母线和负母线之间；所述第一开关管和所述第二开关管的连接点连接到所述变压器的副边绕组的首端、所述第三开关管和所述第四开关管的连接点连接到所述变压器的副边绕组的尾端。在本专利技术所述的双向直流变换器中，所述控制单元向所述第一开关管输出第一脉冲宽度调制信号、向所述第二开关管输出第二脉冲宽度调制信号、向所述第三开关管输出第三脉冲宽度调制信号以及向所述第四开关管输出第四脉冲宽度调制信号，且所述第一脉冲宽度调制信号与第二脉冲宽度调制信号互补，所述第三脉冲宽度调制信号与第四脉冲宽度调制信号互补，所述第一脉冲宽度调制信号与第三脉冲宽度调制信号的相位差为180度，所述第二脉冲宽度调制信号与第四脉冲宽度调制信号的相位差为180度。在本专利技术所述的双向直流变换器中，在能量由第二外接端子流向第一外接端子时，所述第一外接端子的电压V1DC满足：其中，V2DC为第二外接端子电压，ton为第一脉冲宽度调制信号的脉冲宽度，toff为第一脉冲宽度调制信号的脉冲间隔，L1为第一电感的电感量，Ts为第一脉冲宽度调制信号的控制周期，且Ts＝ton+toff，Ro为第一外接端子所连接负载的等效电阻，为所述变压器原边绕组和副边绕组的匝数比；所述控制单元在生成具有目标占空比的脉冲宽度调制信号时，将具有初始占空比的脉冲宽度调制信号输出到第二斩波单元的控制端，并根据第一外接端子的电压反馈值计算第一外接端子所连接负载的等效电阻Ro，最终根据所述第一外接端子所连接负载的等效电阻Ro计算目标占空比。在本专利技术所述的双向直流变换器中，所述控制单元在生成具有目标占空比的脉冲宽度调制信号时，将具有初始占空比的脉冲宽度调制信号输出到第二斩波单元的控制端，并根据第一外接端子反馈的电压调整所述初始占空比直到第一外接端子的输出电压达到预定值，并将所述第一外接端子的输出电压达到预定值时的初始占空比确定为目标占空比。本专利技术还提供一种双向直流变换控制方法，在能量由第二外接端子流向第一外接端子时包括：计算获得目标占空比；向第二斩波单元的控制端输出具有目标占空比的脉冲宽度调制信号以使第二斩波单元将第二外接端子的输入电压进行斩波处理；其中，所述第二斩波单元采用H桥斩波电路，且所述第二斩波单元的第一侧连接到变压器的副边绕组、第二侧连接到正母线和负母线；所述正母线和负母线之间具有串联连接的第一电容和第二电容，且所述第二电容的两端连接到第二外接端子；所述第一电容和第二电容的连接点经由第二电感连接到所述变压器的副边绕组的中间抽头；向第一斩波单元的控制端输出脉冲宽度调制信号使所述第一斩波单元进行整流成预定电压增益的直流电压，所述第一斩波单元的第一侧连接到第一外接端子、另一侧经由第一电感连接到所述变压器的原边绕组。在本专利技术所述的双向直流变换控制方法中，所述第二斩波单元包括第一开关管、第二开关管、第三开关管和第四开关管，且所述第一开关管、第二开关管串联连接在正母线和负母线之间、所述第三开关管和第四开关管串联连接在正母线和负母线之间；所述第一开关管和所述第二开关管的连接点连接到所述变压器的副边绕组的首端、所述第三开关管和所述第四开关管的连接点连接到所述变压器的副边绕组的尾端。在本专利技术所述的双向直流变换控制方法中，所述向第二斩波单元的控制端输出具有目标占空比的脉冲宽度调制信号包括：向第一开关管的控制端输出第一脉冲宽度调制信号，所述第一脉冲宽度调制本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种双向直流变换器，包括第一斩波单元、第二斩波单元、变压器以及控制单元，所述第一斩波单元的第一侧连接到第一外接端子、第二侧经由第一电感连接到所述变压器的原边绕组；其特征在于：所述第二斩波单元采用H桥斩波电路，且所述第二斩波单元的第一侧连接到所述变压器的副边绕组、第二侧连接到正母线和负母线；所述正母线和负母线之间具有串联连接的第一电容和第二电容，且所述第二电容的两端连接到第二外接端子；所述双向直流变换器还包括第二电感，且所述第一电容和第二电容的连接点经由所述第二电感连接到所述变压器的副边绕组的中间抽头；所述控制单元连接到所述第一斩波单元和第二斩波单元的控制端，且所述控制单元在能量由第二外接端子流向第一外接端子时，生成具有目标占空比的脉冲宽度调制信号并输出到第二斩波单元的控制端。

【技术特征摘要】
1.一种双向直流变换器，包括第一斩波单元、第二斩波单元、变压器以及控制单元，所述第一斩波单元的第一侧连接到第一外接端子、第二侧经由第一电感连接到所述变压器的原边绕组；其特征在于：所述第二斩波单元采用H桥斩波电路，且所述第二斩波单元的第一侧连接到所述变压器的副边绕组、第二侧连接到正母线和负母线；所述正母线和负母线之间具有串联连接的第一电容和第二电容，且所述第二电容的两端连接到第二外接端子；所述双向直流变换器还包括第二电感，且所述第一电容和第二电容的连接点经由所述第二电感连接到所述变压器的副边绕组的中间抽头；所述控制单元连接到所述第一斩波单元和第二斩波单元的控制端，且所述控制单元在能量由第二外接端子流向第一外接端子时，生成具有目标占空比的脉冲宽度调制信号并输出到第二斩波单元的控制端。2.根据权利要求1所述的双向直流变换器，其特征在于：所述第二斩波单元包括第一开关管、第二开关管、第三开关管和第四开关管，且所述第一开关管、第二开关管串联连接在正母线和负母线之间、所述第三开关管和第四开关管串联连接在正母线和负母线之间；所述第一开关管和所述第二开关管的连接点连接到所述变压器的副边绕组的首端、所述第三开关管和所述第四开关管的连接点连接到所述变压器的副边绕组的尾端。3.根据权利要求2所述的双向直流变换器，其特征在于：所述控制单元向所述第一开关管输出第一脉冲宽度调制信号、向所述第二开关管输出第二脉冲宽度调制信号、向所述第三开关管输出第三脉冲宽度调制信号以及向所述第四开关管输出第四脉冲宽度调制信号，且所述第一脉冲宽度调制信号与第二脉冲宽度调制信号互补，所述第三脉冲宽度调制信号与第四脉冲宽度调制信号互补，所述第一脉冲宽度调制信号与第三脉冲宽度调制信号的相位差为180度，所述第二脉冲宽度调制信号与第四脉冲宽度调制信号的相位差为180度。4.根据权利要求3所述的双向直流变换器，其特征在于：在能量由第二外接端子流向第一外接端子时，所述第一外接端子的电压V1DC满足：其中，V2DC为第二外接端子电压，ton为第一脉冲宽度调制信号的脉冲宽度，toff为第一脉冲宽度调制信号的脉冲间隔，L1为第一电感的电感量，Ts为第一脉冲宽度调制信号的控制周期，且Ts＝ton+toff，Ro为第一外接端子所连接负载的等效电阻，为所述变压器原边绕组和副边绕组的匝数比；所述控制单元在生成具有目标占空比的脉冲宽度调制信号时，将具有初始占空比的脉冲宽度调制信号输出到第二斩波单元的控制端，并根据第一外接端子的电压反馈值计算第一外接端子所连接负载的等效电阻Ro，最终根据所述第一外接端子所连接负载的等效电阻Ro计算目标占空比。5.根据权利要求4所述的双向直流变换器，其特征在于：所述控制单元在生成具有目标占空比的脉冲宽度调制信号时，将具有初始占空比的脉冲宽度调制信号输出到第二斩波单元的控制端，并根据第一外接端子反馈的电压调整所述初始占空比直到第一外接端子的输出电压达到预定值，并将所述第一外接端子的输出电压达到预定值时的初始占空比确定为目标占空比。6.一种双向直流变换控...

【专利技术属性】
技术研发人员：姚云鹏，
申请(专利权)人：苏州汇川联合动力系统有限公司，
类型：发明
国别省市：江苏,32