一種帶耦合電感的Buck-Boost型大功率雙向DC/DC變換器的制造方法
【技術領域】
[0001]本發明涉及電動汽車、超級電容和電池儲能等領域，尤其涉及一種帶親合電感的Buck-Boost型雙向DC/DC變換器。
【背景技術】
[0002]在能源枯竭與環境污染日益嚴重的今天，越來越多的純電動汽車和混合動力式汽車進入市場。但是由于動力電池技術的發展瓶頸，使得汽車用動力電池的端電壓通常被設計在180V~720V之間，而逆變器最佳直流母線電壓通常在600V左右，為了匹配動力電池電壓和直流母線電壓，減少動力電池的紋波電流，改善整個電驅動系統的運行性能，現如今的純電動和混合動力式汽車均在直流母線和動力電池之間加一級雙向DC/DC變換器。
[0003]動力電池電壓等級與直流母線電壓等級相當(電壓比不超過3.5)且無需電氣隔離時，通常選用單相非隔離雙向DC/DC變換器來完成動力電池電壓和直流母線電壓的匹配和兩者之間能量的相互傳遞，實現電池的充放電功能，以提高系統的整體效率。現如今主流的電動和混合動力汽車大部分采用Boost型雙向DC/DC變換器或者Buck — Boost型DC/DC變換器來匹配電壓等級。
[0004]現有技術一
單相非隔離Boost型變換器，如圖1所示。通常將超級電容或者化學電池接到DCH則，DC2側接電動汽車逆變器的直流側或者充電整流后的直流側，或者雙源無軌汽車的直流輸入側，如果DC2側的電壓低于DCl側，則無法完成DC2側對DCl側充電功能，并且此時DCl側對DC2側的放電不可控。
[0005]現有技術二
單相非隔離Buck - Boost型DC/DC變換器，其結構圖如圖2所示。由于該結構兩邊對稱，DCl側既可接超級電容，也可接電動汽車逆變器的直流側。該結構雖然可以解決Boost型的上述問題，但該變換器只能在中小功率場合應用。
【發明內容】
[0006]本發明的目的就是為了克服上述現有技術存在的缺陷而提供一種帶耦合電感的多路并聯Buck-Boost型大功率雙向DC/DC變換器，采用交錯并聯及電壓雙向可升可降的技術，使該變換器應用場合廣泛。
[0007]本發明具體采用如下技術方案:
一種帶耦合電感的Buck-Boost型雙向DC/DC變換器，其特征在于由N路雙向Buck-Boost電路并聯組成，N多2，且N為自然數，各雙向Buck-Boost電路的電感采用磁親合電感。
[0008]優選地，變換器兩直流側電路結構對稱。
[0009]另一優選地，所述磁親合電感采用正向親合方式。
[0010]另一優選地，各雙向Buck-Boost電路相位角互相錯開運行，每相位錯開時間為周期的N分之一。
[0011]本發明的多相可升可降的Buck - Boost型DC/DC變換器，主要用在超級電容或者化學電池的充放電等儲能及電動汽車領域，如果超級電容或者化學電池的電壓超過逆變器的直流電壓，則采用降壓電路(即反向升壓電路)實現超級電容的充放電功能；如果超級電容或者化學電池的電壓低于逆變器的直流電壓，則采用升壓電路(即反向降壓電路)實現超級電容的充放電功能。如果此DC/DC電路所需功率較大時，需要采用多路(相)DC/DC單元并聯來提高容量。現有的DC/DC單元內往往采用獨立的電抗器進行濾波，這樣造成整個DC/DC體積大，電抗器噪聲大，即使各DC/DC單元之間采用交錯并聯控制，也不能使各電抗器的噪聲降低，如果提高各DC/DC單元的開關頻率來降低噪聲，則損耗變大，效率降低。而本發明采用耦合電感，該電感在相同并聯共模電感的條件下，具有差模均流電感大、均流效果好，裝置體積小、噪聲小及效率高等諸多優點，可提高等效開關頻率，降低工作噪聲和電感體積，提高轉換效率。
[0012]本發明采用Buck-Boost兩級調整電路，使得該變換器可以在很寬的輸入電壓和輸出電壓范圍內工作，還可根據負載所需功率，來調整并聯工作的模塊數量，以提高系統的整體效率。
[0013]本發明采用多相交錯并聯技術提高DC/DC的容量，同時可以減小輸入輸出紋波，從而減小輸入輸出濾波器的尺寸，降低功率器件的電流應力，可以通過多種算法的引入來優化設計，以提高變換器效率。
[0014]本發明DC/DC變換器在單一方向上即可升壓也可降壓，故應用范圍很廣泛。
【附圖說明】
[0015]圖1是單相Boost型雙向DC/DC變換器。
[0016]圖2是單相Buck-Boost型雙向DC/DC變換器。
[0017]圖3是本發明Buck-Boost型雙向DC/DC變換器。
[0018]圖4是三相交錯Buck-Boost型雙向DC/DC變換器。
[0019]圖5是三相耦合電感結構示意圖。
[0020]圖6是多相耦合電感結構示意圖。
[0021]圖7是三相耦合電感等效磁路。
[0022]圖8三相耦合電感獨立工作磁通圖。
[0023]圖9多相耦合電感等效磁路。
【具體實施方式】
[0024]下面結合具體實施例對本發明進行進一步的說明。
[0025]實施例一
從圖3中可以看出本發明電路由N路(N ^ 2)雙向Buck-Boost電路并聯而成，電路中采用的是N路耦合電感，且兩直流側DCl側與DC2側電路結構完全對稱，即DCl側的電壓既可以比DC2側的高，也可以比DC2側的電壓低。故本發明直流變換器應用領域廣泛(如電動汽車，電池儲能領域)。下面簡要分析本發明電路工作過程。
[0026]三相交錯Buck-Boost型雙向DC/DC變換器電路拓撲結構如圖4所示。三相電路采用交錯式控制方式，它主要指各相模塊載波工作頻率相同，相位角互相錯開的運行方式，三相每相錯開時間為周期的三分之一(N相則為N分之一)。即A相電路模組的驅動信號延時三分之一周期即為B相電路模組的驅動信號，C相驅動信號也延時B相三分之一周期。故三相DC變換器的工作過程可看成是三個單相變換器交錯工作，Buck-Boost雙向DC/DC變換器的拓撲結構如圖2所示。
[0027]單相Buck-Boost電路的工作模式由DCl和DC2側所接設備類型(如蓄電池，超級電容，電機)決定的，大致可以分為四種工作狀態。1.正向降壓狀態。該狀態下DCl側的電壓高于DC2側，電流方向為DCl側流向DC2側。此時SI工作于開關狀態，S3的反并二極管工作；2.正向升壓狀態。該狀態下DCl側的電壓低于DC2側，電流方向為DCl側流向DC2偵U。此時SI 一直處于導通狀態，S3保持前一過程的狀態不變，S4處于開關狀態；3.反向降壓狀態。該狀態下DCl側的電壓高于DC2側，電流方向為DC2側流向DCl側。該狀態下S3處于開關狀態，SI的反并二極管工作。S3的占空比由兩者電壓比值決定；4.反向升壓轉態。該狀態下DC2側的電壓高于DCl側，電流方向為DC2側流向DCl側。當前狀態下S3 —直導通，S2處于開關狀態，SI保持前一過程狀態不變。
[0028]三相電路的升/降壓電感并未采用獨立式結構，而是采用耦合電感。即將多組線圈繞制在同一磁芯上。由于采用交錯式控制，故可知耦合電感上的等效頻率為開關頻率的三倍(N相為N倍)。三相耦合電感的結構示意圖如圖5所示，多相耦合電感的結構示意圖如圖6所示。由于采取的是正向耦合的方式，所以線圈中產生的磁動勢的方向是相同的，其等效磁路如圖7所示，三相耦合電感獨立工作磁路示意圖如圖8所示。從圖8中可以看出邊柱處的磁通是疊加的，而三中心柱的磁通是相互抵消的。若三相磁動勢值相等，則圖中RUR5處的磁通為R2、R3、R4的1.5倍，等效磁通值小于分立式磁通值，從而降低磁芯的尺寸。多相耦合電感的等效磁路如圖9所示。
【主權項】
1.一種帶耦合電感的Buck-Boost型雙向DC/DC變換器，其特征在于由N路雙向Buck-Boost電路并聯組成，N多2，且N為自然數，各雙向Buck-Boost電路的電感采用磁親合電感。2.如權利要求1所述帶耦合電感的Buck-Boost型雙向DC/DC變換器，其特征在于變換器兩直流側電路結構對稱。3.如權利要求1所述帶親合電感的Buck-Boost型雙向DC/DC變換器，其特征在于所述磁親合電感采用正向親合方式。4.如權利要求1所述帶親合電感的Buck-Boost型雙向DC/DC變換器，其特征在于各雙向Buck-Boost電路載波工作頻率相同、相位角互相錯開運行，每相位錯開時間為周期的N分之一。
【專利摘要】本發明公開一種帶耦合電感的Buck-Boost型雙向DC/DC變換器，其特征在于由N路雙向Buck-Boost電路并聯組成，N≥2，且N為自然數，各雙向Buck-Boost電路的電感采用磁耦合電感。而本發明采用耦合電感，該電感在相同并聯共模電感的條件下，具有差模均流電感大、均流效果好，裝置體積小、噪聲小及效率高等諸多優點，可提高等效開關頻率，降低工作噪聲和電感體積，提高轉換效率。本發明DC/DC變換器在單一方向上即可升壓也可降壓，故應用范圍很廣泛。
【IPC分類】H02J7/00, H02M3/335
【公開號】CN105048817
【申請號】CN201510363475
【發明人】周細文, 談浩楠, 章輝, 馬華峰
【申請人】江蘇同芯電氣科技有限公司, 周細文
【公開日】2015年11月11日
【申請日】2015年6月29日