一种零纹波储能双向变换器及其控制方法技术

本发明专利技术属于变换器技术领域，公开了一种零纹波储能双向变换器及其控制方法。变换器中，耦合电感的第一绕组的第二端与第一开关管的漏极、第二开关管的源极、第二电容的负极连接；第二绕组的第一端与第二开关管的漏极、第一电容的正极连接；第二绕组的第二端与辅助电感的一端连接，辅助电感的另一端与第二电容的正极、第三开关管的源极连接；第三开关管的漏极与第三电容的正极连接；第一开关管的源极与第一电容的负极、第三电容的负极连接。第二开关管和第三开关管驱动信号相同，且与第一开关管驱动信号互补。该变换器具有低压侧端口电流零纹波、升/降压能力强、可实现软开关、电压应力低、体积小、可靠性高等优点，可用于电动汽车、UPS等领域。UPS等领域。UPS等领域。

【技术实现步骤摘要】
一种零纹波储能双向变换器及其控制方法


[0001]本专利技术属于变换器
，具体涉及一种零纹波储能双向变换器及其控制方法。

技术介绍

[0002]储能接口变换器充当直流母线和储能装置之间的接口，控制能量流动并提供所需的电压水平，近年来被广泛应用于可再生能源发电系统、不间断电源和电动汽车等各个领域。储能接口变换器主要分为两大类：隔离型和非隔离型。在不需要电气隔离的应用中，由于非隔离型储能接口变换器设计和结构简单、损耗低、体积小，因此更具有优势。
[0003]双向buck/boost变换器具有较少的无源和有源元件，是结构最简单的非隔离型储能接口变换器。然而，其升/降压能力有限。因此，近年来很多学者提出了各种具有高升压能力的双向buck/boost变换器，其大多具有多个电感和电容，因此体积较大，功率密度较低，成本较高。提高开关频率，可以改善功率密度和动态响应，然而开关损耗也随之增加，变换效率下降。引入软开关技术，可以克服这些问题。此外，较大的输入电流纹波影响蓄电池等的使用寿命。为此，学者们进一步提出了许多低压侧端口电流零纹波的软开关高增益非隔离型双向直流变换器。这些拓扑普遍存在以下问题：(1)开关管数量较多，体积大，功率密度低；(2)部分功率管仍然工作在硬开关状态，效率难以进一步提升；(3)功率管电压应力较高，需要采用高耐压的半导体器件，导致通态损耗较大，成本较高；(4)输入、输出不共地，导致电压采样电路较复杂，还会引起EMI问题。

技术实现思路

[0004]有鉴于此，本专利技术目的在于提供一种零纹波储能双向变换器及其控制方法，可实现双向变换器低压侧端口电流零纹波，且具有升/降压能力强、开关管数量少、所有开关管均可实现软开关、电压应力较低、变换效率较高等优点。
[0005]为了实现上述目的，本专利技术提出的技术方案如下：
[0006]一种零纹波储能双向变换器，包括第一电容C1、第二电容C2、第三电容C3、耦合电感、辅助电感L
s
、第一开关管S1、第二开关管S2、第三开关管S3；
[0007]所述耦合电感包含第一绕组N1和第二绕组N2；
[0008]第一绕组N1的第二端与第一开关管S1的漏极、第二开关管S2的源极、第二电容C2的负极连接；
[0009]第二绕组N2的第一端与第二开关管S2的漏极、第一电容C1的正极连接；
[0010]第二绕组N2的第二端与辅助电感L
s
的一端连接，辅助电感L
s
的另一端与第二电容C2的正极、第三开关管S3的源极连接；
[0011]第三开关管S3的漏极与第三电容C3的正极连接；
[0012]第一开关管S1的源极与第一电容C1的负极、第三电容C3的负极连接；
[0013]第一绕组N1的第一端与低压侧电源的正极相连；
[0014]第一开关管S1的源极与低压侧电源的负极相连；
[0015]第三电容C3的正极与高压侧电源的正极连接；
[0016]第三电容C3的负极与高压侧电源的负极连接；
[0017]辅助电感L
s
的电感值满足：L
s
＝n(1
‑
n)L
m
，
[0018]其中，n为第二绕组N2和第一绕组N1的匝比，L
m
为耦合电感的励磁电感值；
[0019]第二开关管S2和第三开关管S3的PWM驱动信号相同，且与第一开关管S1的PWM驱动信号互补。
[0020]优选的，所述耦合电感的励磁电感值L
m
满足：
[0021][0022]其中，U
L
为低压侧端口电压，U
H
为高压侧端口电压，P
o,max
为最大输出功率，f
s
为开关频率，δ％为耦合电感的励磁电感电流峰峰值与其最大平均电流的比值。
[0023]优选的，所述零纹波储能双向变换器在boost模式下的理想电压增益为(1+D1)/(1
‑
D1)，buck模式下的理想电压增益为D2/(2
‑
D2)，其中，D1为第一开关管的驱动信号的占空比，D2为第二开关管和第三开关管的驱动信号的占空比。
[0024]优选的，所述第一开关管、第二开关管、第三开关管的电压应力均为(U
H
+U
L
)/2。
[0025]优选的，δ％为20％
‑
40％。
[0026]本专利技术还提供了一种上述零纹波储能双向变换器的控制方法，具体为：
[0027]对零纹波储能双向变换器的高压侧端口电压进行采样，得到高压侧端口电压采样值，将所述高压侧端口电压采样值与预设的高压侧端口电压基准值比较，得第一误差信号；
[0028]所述第一误差信号依次经过电压控制器和双向限幅环节处理后，得到低压侧电流基准值；
[0029]对零纹波储能双向变换器的低压侧端口电流进行采样，得到低压侧端口电流采样值；
[0030]将低压侧端口电流采样值与所述低压侧端口电流基准值比较，得第二误差信号；
[0031]所述第二误差信号依次经过电流控制器和单向限幅环节处理后与单极性三角载波交截，产生第一开关管的PWM驱动信号；
[0032]将第一开关管的PWM驱动信号取反，得到第二开关管和第三开关管的PWM驱动信号。
[0033]与现有技术相比，本专利技术提出的零纹波储能双向变换器具有以下技术效果：
[0034]1)低压侧端口电流零纹波，低压侧无需采用任何滤波电容，改善了可靠性，减小了体积和成本，可应用于对可靠性和体积要求较高的场合，譬如电动汽车、航空航天设备、UPS(不间断电源)等。
[0035]2)具有较强的升/降压能力，在boost模式下的理想电压增益为(1+D1)/(1
‑
D1)，buck模式下的理想电压增益为D2/(2
‑
D2)。
[0036]3)只有三个开关管，数量较少，且第一开关管S1、第二开关管S2、第三开关管S3的电压应力均为(U
H
+U
L
)/2，可以采用低耐压的器件，减小了系统成本和损耗。
[0037]4)第一开关管S1、第二开关管S2、第三开关管S3均实现了ZVS软开关，变换效率较
高。
附图说明
[0038]图1为本专利技术提供的零纹波储能双向变换器的电路结构示意图；
[0039]图2为本专利技术提供的零纹波储能双向变换器的控制框图；
[0040]图3为图1所示零纹波储能双向变换器工作在boost模式下在一个开关周期内的工作模态等效图；
[0041]图4为图1所示零纹波储能双向变换器工作在buck模式下在一个开关周期内的工作模态等效图；
[0042]图5为图1所示零纹波储能双向变换器工作在boost模式下在一个开关周期内的主要工作波形图；
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【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种零纹波储能双向变换器，其特征在于，包括第一电容、第二电容、第三电容、耦合电感、辅助电感、第一开关管、第二开关管、第三开关管；所述耦合电感包含第一绕组和第二绕组；第一绕组的第二端与第一开关管的漏极、第二开关管的源极、第二电容的负极连接；第二绕组的第一端与第二开关管的漏极、第一电容的正极连接；第二绕组的第二端与辅助电感的一端连接，辅助电感的另一端与第二电容的正极、第三开关管的源极连接；第三开关管的漏极与第三电容的正极连接；第一开关管的源极与第一电容的负极、第三电容的负极连接；第一绕组的第一端与低压侧电源的正极相连；第一开关管的源极与低压侧电源的负极相连；第三电容的正极与高压侧电源的正极连接；第三电容的负极与高压侧电源的负极连接；辅助电感的电感值L
s
满足：L
s
＝n(1
‑
n)L
m
，其中，n为第二绕组和第一绕组的匝比，L
m
为耦合电感的励磁电感值；第二开关管和第三开关管的驱动信号相同，且与第一开关管的驱动信号互补。2.根据权利要求1所述的零纹波储能双向变换器，其特征在于，所述耦合电感的励磁电感值L
m
满足：其中，U
L
为低压侧端口电压，U
H
为高压侧端口电压，P
o,max
为最大输出功率，f
s
为开关频率，δ％为耦合电感的励磁电感电流峰峰值与其最大平均电流的比值。3.根据...

【专利技术属性】
技术研发人员：秦岭，许兴，饶家齐，刘宇涵，周磊，段冰莹，钱天泓，田民，钱娇，
申请(专利权)人：南通大学，
类型：发明
国别省市：