一种带耦合电感具有升和降压功能的双向变换器

1.本实用新型属于直流电源领域，具体涉及一种带耦合电感具有升和降压功能的双向变换器。


背景技术：

2.在过去的几十年里，可再生能源、电动汽车和不间断电源的发展是电力电子领域最具吸引力的话题之一，其中dc-dc双向变换器是其应用的关键组件。
3.但是由于可再生能源、电动汽车、不间断电源侧直流电压等级低，因此需要通过高升降压的双向变换器来实现。现有的升降压双向变换器具有以下缺点：1、单个变换器电压增益低；2、耦合电感的使用可提高增益，但会增大电流纹波；3、开关管的体二极管会造成强烈的反向恢复问题，使得电路损耗大；4、为解决上述问题，会带来新的问题，进而使得电路器件过多。这些缺点需要通过增加额外的器件或电路来解决，会增大现有双向变换器的成本与体积，因此制约了其应用领域。


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带耦合电感具有升和降压功能的双向变换器。
5.本实用新型是通过以下技术方案来实现：
6.一种带耦合电感具有升和降压功能的双向变换器，其特征在于，包括第一直流源、第二直流源，第一开关管管、第二开关管、第三开关管和第四开关管，第一电感、第二电感、第三电感和第四电感，第一电容、第二电容和第三电容以及第一二极管、第二二极管和第三二极管；
7.所述第一电感一端连接第一直流源正极，另一端连接第一开关管管的漏极、第一二极管的正极和第三开关管的源极；
8.所述第二电感一端连接第一直流源正极，另一端连接第二开关管的漏极、第二二极管的正极和第三电感一端，第三电感另一端连接第四电感一端，第四电感的另一端、第二电容的负极和第三电容的正极相连接；
9.所述第一电容正极分别连接第一二极管的负极、第二二极管的负极、第三二极管的正极；第一电容负极接地；
10.所述第二直流源正极分别连接第三开关管的漏极、第三二极管的负极、第二电容的正极；
11.所述第二直流源的负极、第三电容的负极和第四开关管的源极连接；且第四开关管的漏极接地；
12.所述第一直流源负极、第一开关管管的源极和第二开关管的源极均接地。
13.进一步，所述第一电感与其耦合电感同向并联，第二电感与其耦合电感反向并联，第三电感与其耦合电感同向串联，第四电感与其耦合电感反向串联。
14.进一步，所述第一直流源电压值为48v，第二直流源电压值为400v。
15.进一步，所述第一开关管管和第二开关管采用型号为irf200p223的n 通道功率mosfet开关管，第三开关管和第四开关管为型号为 ipw65r041cfd的n通道功率mosfet开关管。
16.进一步，所述第一电感、第二电感、第三电感和第四电感的磁芯型号均采用high flux c058110a2，变比均为0.67，第一电感和第二电感耦合电感的电感值均为17.3μh，第三电感和第四电感耦合电感的电感值均为2.8μh。
17.进一步，所述第一电容型号采用mkt1820547165耐压值160v的4.7μf 的电容，第二电容和第三电容型号均为b32526r3686k000耐压值250v的 68μf的电容。
18.进一步，所述第一二极管、第二二极管和第三二极管均采用型号为 idw100e60的快恢复二极管。
19.进一步，还包括dsp芯片和pwm驱动器。
20.与现有技术相比，本实用新型具有以下有益的技术效果：
21.本实用新型公开了一种带耦合电感具有升和降压功能的双向变换器；电路结构包括第一直流源、第二直流源，第一开关管、第二开关管、第三开关管和第四开关管，第一电感、第二电感、第三电感和第四电感，第二电容、第三电容和第三电容以及第一二极管、第二二极管和第三二极管。具有升压功能和降压功能具有相同的电路拓扑，通过低压侧耦合电感并联及高压侧耦合电感串联，以及对零电压开通的软开关技术，实现其双向变换器的升压与降压功能。同时，本实用新型在效消除开关管体二极管的反向恢复问题，减少了器件数量的同时，提高了电路的效率，通过dsp芯片和pwm控制器实现升压变换电路中开关管的控制，技术成熟，便于实现，结构简单，成本低。
附图说明
22.图1为本实用新型具体实施例中的一种带耦合电感具有升和降压功能的双向变换器电路示意图；
23.图2为本实用新型具体实施例中的有耦合电感及参考方向的等效电路图；
24.图3为本实用新型具体实施例中升压工作模式中第一种工作状态示意图；
25.图4为本实用新型具体实施例中升压工作模式中第二种工作状态示意图；
26.图5为本实用新型具体实施例中升压工作模式中第三种工作状态示意图；
27.图6为本实用新型具体实施例中升压工作模式中第四种工作状态示意图；
28.图7为本实用新型具体实施例中升压工作模式中第五种工作状态示意图；
29.图8为本实用新型具体实施例中升压工作模式中第六种工作状态示意图；
30.图9为本实用新型具体实施例中升压工作模式中第七种工作状态示意图；
31.图10为本实用新型具体实施例中升压工作模式中第八种工作状态示意图；
32.图11为本实用新型具体实施例中升压工作模式中第九种工作状态示意图；
33.图12为本实用新型具体实施例中升压工作模式中第十种工作状态示意图；
34.图13为本实用新型具体实施例中升压工作模式中第十一种工作状态示意图；
35.图14为本实用新型具体实施例中升压工作模式中第十二种工作状态示意图；
36.图15为本实用新型具体实施例中降压工作模式中第一种工作状态示意图；
37.图16为本实用新型具体实施例中降压工作模式中第二种工作状态示意图；
38.图17为本实用新型具体实施例中降压工作模式中第三种工作状态示意图；
39.图18为本实用新型具体实施例中降压工作模式中第四种工作状态示意图；
40.图19为本实用新型具体实施例中降压工作模式中第五种工作状态示意图；
41.图20为本实用新型具体实施例中降压工作模式中第六种工作状态示意图；
42.图21为本实用新型具体实施例中降压工作模式中第七种工作状态示意图；
43.图22为本实用新型具体实施例中降压工作模式中第八种工作状态示意图；
44.图23为本实用新型具体实施例中降压工作模式中第九种工作状态示意图；
45.图24为本实用新型具体实施例中降压工作模式中第十种工作状态示意图；
46.图25为本实用新型具体实施例中降压工作模式中第十一种工作状态示意图；
47.图26为本实用新型具体实施例中降压工作模式中第十二种工作状态示意图。
具体实施方式
48.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。
49.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。
50.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。
51.需要说明的是，本实用新型图中所示的v
l
为第一直流源，vh为第二直流源，s1为第一开关管，s2为第二开关管，s3为第三开关管，s4为第四开关管，l1为第一电感，l2为第二电感，l3为第三电感，l4为第四电感，l
m1
为第一电感的对应耦合电感，l
m2
为第二电感的对应耦合电感，l
k1
为第三电感的对应耦合电感，l
k2
为第四电感的对应耦合电感，cc为第一电容，c1为第二电容，c2为第三电容，c
s1
为第一开关管对应的漏源极间的结电容， c
s2
为第二开关管对应的漏源极间的结电容，c
s3
为第三开关管对应的漏源极间的结电容，c
s4
为第四开关管对应的漏源极间的结电容，d
c1
为第一二极管，d
c2
为第二二极管，d
c3
第三二极管。
52.本实用新型那个公开一种带耦合电感具有升和降压功能的双向变换器，如图1和图2所示，包括第一直流源、第二直流源，第一开关管管、第二开关管、第三开关管和第四开关管，第一电感、第二电感、第三电感和第四电感，第二电容、第三电容和第三电容以及第一二极管、第二二极管和第三二极管；
53.所述第一电感一端连接第一直流源正极，另一端连接第一开关管管的漏极、第一
二极管的正极和第三开关管的源极；
54.所述第二电感一端连接第一直流源正极，另一端连接第二开关管的漏极、第二二极管的正极和第三电感一端，第三电感另一端连接第四电感一端，第四电感的另一端、第三电容的负极和第三电容的正极相连接；
55.所述第二电容正极分别连接第一二极管的负极、第二二极管的负极、第三二极管的正极；第二电容负极接地；
56.所述第二直流源正极分别连接第三开关管的漏极、第三二极管的负极、第三电容的正极；
57.所述第二直流源的负极、第三电容的负极和第四开关管的源极连接；且第四开关管的漏极接地；
58.所述第一直流源负极、第一开关管管的源极和第二开关管的源极均接地。
59.本实用新型的一种优选实施例为，所述第一电感与其耦合电感同向并联，第二电感与其耦合电感反向并联，第三电感与其耦合电感同向串联，第四电感与其耦合电感反向串联。
60.本实用新型的另一种优选实施例为，所述第一直流源电压值为48v，第二直流源电压值为400v。
61.本实用新型的另一种优选实施例为，所述第一开关管管和第二开关管采用型号为irf200p223的n通道功率mosfet开关管，第三开关管和第四开关管为型号为ipw65r041cfd的n通道功率mosfet开关管。
62.本实用新型的另一种优选实施例为，所述第一电感、第二电感、第三电感和第四电感的磁芯型号均采用high flux c058110a2，变比均为0.67，第一电感和第二电感耦合电感的电感值均为17.3μh，第三电感和第四电感耦合电感的电感值均为2.8μh。
63.本实用新型的另一种优选实施例为，所述第二电容型号采用 mkt1820547165耐压值160v的4.7μf的电容，第三电容和第三电容型号均为b32526r3686k000耐压值250v的68μf的电容。
64.本实用新型的另一种优选实施例为，所述第一二极管、第二二极管和第三二极管均采用型号为idw100e60的快恢复二极管。
65.本实用新型的另一种优选实施例为，还包括dsp芯片和pwm驱动器。
66.本实用新型公开的一种带耦合电感具有升和降压功能的双向变换器在使用时，包括以下步骤：
67.升压过程包括以下步骤及其相对应的工作模式：
68.第一种工作模式：对应步骤s1，如图3所示，第一开关管和第二开关管开通，第三开关管和第四开关管关断，此工作模式第二开关管导通，由于第二开关管体二极管的存在，使得第二开关管在零电压开通情况下开通，在此期间，第一直源流分别通过第一电感的耦合电感与第一开关管形成回路，及第二电感的耦合电感与第二开关管形成回路，使得流经第一电感的耦合电感的电流线性增加，流经第二电感的耦合电感的电流线性减少，此时，第一电感和第二电感中没有电流流过。
69.第二种工作模式：对应步骤s2，如图4所示，第二开关管开通，第一开关管、第三开关管和第四开关管关断，与步骤s1相比第一开关管关断；此时第一开关管漏源极间的结电
容开始充电，第三开关管漏源极间的结电容开始放电，电感l
lk
对第四开关管漏源极间的结电容进行充电，发生谐振。
70.第三种工作模式：对应步骤s3，如图5所示，第二开关管开通，第一开关管、第三开关管和第四开关管关断，与步骤s2中的工作模式保持不变；由于第一开关管漏源极间的结电容的电压达到vc，第一二极管自然导通，此时第一开关管漏源极间的结电容的电压将稳定为vc，第一电容开始充电；而上一工作模式中，电感l
lk
与第四开关管漏源极间的结电容发生谐振变为电感l
lk
、第三开关管漏源极间的结电容和第四开关管漏源极间的结电容发生谐振。通过谐振，第三开关管漏源极间的结电容的电压从v
h1
放电到零，而第四开关管漏源极间的结电容的电压从v
h2
充电到v
h-vc。
71.第四种工作模式：对应步骤s4，如图6所示，第二开关管和第三开关管开通，第一开关管和第四开关管关断，与步骤s3中的工作模式相比第三开关管开通；由于第三开关管的体二极管自然导通，使得第三开关管是零电压开通导通。此模式直至第一电容的充电电流降为0。
72.第五种工作模式：对应步骤s5，如图7所示，第二开关管和第三开关管开通，第一开关管和第四开关管关断，与步骤s4中的工作模式保持不变；由于第一电容的充电电流降为0，第一二极管自然关断，此时第一电容通过第三二极管进行放电。流经第一电感的耦合电感的电流线性减少，流经第二电感的耦合电感的电流线性增加。
73.第六种工作模式：对应步骤s6，如图8所示，第二开关管开通，第一开关管、第三开关管和第四开关管关断，与步骤s5中的工作模式相比第三开关管关断；通过第一电感的耦合电感的作用，第一开关管漏源极间的结电容开始放电，第三开关管漏源极间的结电容开始充电；电感llk跟第四开关管漏源极间的结电容发生谐振，使第四开关管漏源极间的结电容放电；此模式中，第四开关管漏源极间的结电容电压从v
h-vc降至v
h2
，第一开关管漏源极间的结电容放电至0，第三开关管漏源极间的结电容充电至v
h1
。
74.第七种工作模式：对应步骤s7，如图9所示，第一开关管和第二开关管开通，第三开关管和第四开关管关断，与步骤s6中的工作模式相比第一开关管导通；由于第一开关管漏源极间的结电容放电至0，第一开关管是零电压开通导通；在此期间，第一直源流分别通过第一电感的耦合电感与第一开关管形成回路，及第二电感的耦合电感与第二开关管形成回路，使得流经第一电感的耦合电感的电流线性减少，流经第二电感的耦合电感的电流线性增加；此时，第一电感和第二电感中没有电流流过。
75.第八种工作模式：对应步骤s8，如图10所示，第一开关管开通，第二开关管、第三开关管和第四开关管关断，与步骤s7中的工作模式相比第二开关管关断；此时第二开关管漏源极间的结电容开始充电，第四开关管漏源极间的结电容开始放电；电感l
lk
对第三开关管漏源极间的结电容进行充电，发生谐振。
76.第九种工作模式：对应步骤s9，如图11所示，第一开关管开通，第二开关管、第三开关管和第四开关管关断，与步骤s8中的工作模式保持不变；由于第二开关管漏源极间的结电容的电压达到vc，第二二极管自然导通，此时第二开关管漏源极间的结电容的电压将稳定为vc，第一电容开始充电；而步骤s8中的工作模式中，电感l
lk
与第三开关管漏源极间的结电容发生谐振变为电感l
lk
、第三开关管漏源极间的结电容和第四开关管漏源极间的结电容发生谐振。通过谐振，第三开关管漏源极间的结电容的电压从v
h1
充电到vh，而第四开关管漏
源极间的结电容的电压放电到0。
77.第十种工作模式：对应步骤s10，如图12所示，第一开关管和第四开关管开通，第二开关管和第三开关管关断，与步骤s9中的工作模式相比第四开关管开通；由于第四开关管的体二极管自然导通，使得第四开关管是零电压开通导通；此模式直至第一电容的充电电流降为0。
78.第十一种工作模式：对应步骤s11，如图13所示，第一开关管和第四开关管开通，第二开关管和第三开关管关断，与步骤s0中的工作模式保持不变；由于第一电容的充电电流降为0，第二二极管自然关断；流经第一电感的耦合电感的电流线性增加，流经第二电感的耦合电感的电流线性减少。
79.第十二种工作模式：对应步骤s12，如图14所示，第一开关管开通，第二开关管、第三开关管和第四开关管关断，与步骤s1中的工作模式相比第四开关管关断；通过第二电感的耦合电感的作用，第二开关管漏源极间的结电容开始放电，第四开关管漏源极间的结电容开始充电；电感l
lk
跟第三开关管漏源极间的结电容发生谐振，使第三开关管漏源极间的结电容放电；此模式中，第三开关管漏源极间的结电容电压从vh降至v
h1
，第二开关管漏源极间的结电容放电至0，第四开关管漏源极间的结电容充电至v
h2
，实现变换器的升压过程；
80.降压过程包括以下步骤及其相对应的工作模式：
81.第一种工作模式：对应步骤b1，如图15所示，第一开关管和第二开关管开通，第三开关管和第四开关管关断，此工作模式第二开关管导通；由于第二开关管体二极管的存在，使得第二开关管在零电压开通情况下开通；在此期间，第一直源流分别通过第一电感的耦合电感与第一开关管形成回路，及第二电感的耦合电感与第二开关管形成回路，使得流经第一电感的耦合电感的电流反方向线性增加，流经第二电感的耦合电感的电流反向线性减少，电流流入第一直源流；此时，第一电感和第二电感中没有电流流过。
82.第二种工作模式：对应步骤b2，如图16所示，第二开关管开通，第一开关管、第三开关管和第四开关管关断，与步骤b1中的工作模式相比第一开关管关断；此时第一开关管漏源极间的结电容开始充电，第三开关管漏源极间的结电容开始放电；电感l
lk
对第四开关管漏源极间的结电容进行充电，发生谐振。
83.第三种工作模式：对应步骤b3，如图17所示，第二开关管开通，第一开关管、第三开关管和第四开关管关断，与步骤b2中的工作模式保持不变；由于第四开关管漏源极间的结电容的电压达到v
h-vc，第三二极管自然导通，第一电容开始放电；而上一工作模式中，电感l
lk
与第四开关管漏源极间的结电容发生谐振变为电感l
lk
、第一开关管漏源极间的结电容和第三开关管漏源极间的结电容发生谐振；通过谐振，第一开关管漏源极间的结电容的电压充电到vc，而第三开关管漏源极间的结电容的电压放电到0。
84.第四种工作模式：对应步骤b4，如图18所示，第二开关管和第三开关管开通，第一开关管和第四开关管关断，与步骤b3中的工作模式相比第三开关管开通；由于第三开关管的体二极管自然导通，使得第三开关管是零电压开通导通；此模式直至第一电容的放电电流降为0。
85.第五种工作模式：对应步骤b5，如图19所示，第二开关管和第三开关管开通，第一开关管和第四开关管关断，与步骤b4中的工作模式保持不变；由于第一电容的充电电流降为0，第三二极管自然关断；流经第一电感的耦合电感的电流反向线性增加，流经第二电感
的耦合电感的电流反向线性减少，流经电感l
lk
的电流线性减少。
86.第六种工作模式：对应步骤b6，如图20所示，第二开关管开通，第一开关管、第三开关管和第四开关管关断，与步骤b5中的工作模式相比第三开关管关断；通过第一电感的耦合电感的作用，第一开关管漏源极间的结电容开始放电，第三开关管漏源极间的结电容开始充电；电感l
lk
跟第四开关管漏源极间的结电容发生谐振，使第四开关管漏源极间的结电容放电；此模式中，第一开关管漏源极间的结电容放电至0，第三开关管漏源极间的结电容充电至v
h1
，第四开关管漏源极间的结电容电压从v
h-vc降至v
h2
。
87.第七种工作模式：对应步骤b7，如图21所示，第一开关管和第二开关管开通，第三开关管和第四开关管关断，与步骤b6中的工作模式相比第一开关管导通；由于第一开关管漏源极间的结电容放电至0，第一开关管是零电压开通导通；在此期间，第一直源流分别通过第一电感的耦合电感与第一开关管形成回路，及第二电感的耦合电感与第二开关管形成回路，使得流经第一电感的耦合电感的电流反方向线性减少，流经第二电感的耦合电感的电流反向线性增加，电流流入第一直源流；此时，第一电感和第二电感中没有电流流过。
88.第八种工作模式：对应步骤b8，如图22所示，第一开关管开通，第二开关管、第三开关管和第四开关管关断，与步骤b7中的工作模式相比第二开关管关断；此时由于第二电感的耦合电感的作用，第二开关管漏源极间的结电容开始充电，第四开关管漏源极间的结电容开始放电；电感llk对第三开关管漏源极间的结电容进行充电，发生谐振。
89.第九种工作模式：对应步骤b9，如图23所示，第一开关管开通，第二开关管、第三开关管和第四开关管关断，与步骤b8中的工作模式保持不变；由于第二开关管漏源极间的结电容的电压达到vc，第二二极管自然导通，此时第二开关管漏源极间的结电容的电压将稳定为vc，第一电容开始充电；而步骤b8的工作模式中，电感l
lk
与第三开关管漏源极间的结电容发生谐振变为电感l
lk
、第三开关管漏源极间的结电容和第四开关管漏源极间的结电容发生谐振；通过谐振，第三开关管漏源极间的结电容的电压充电到vh，而第四开关管漏源极间的结电容的电压放电到0。
90.第十种工作模式：对应步骤b10，如图24所示，第一开关管和第四开关管开通，第二开关管和第三开关管关断，与步骤b9中的工作模式相比第四开关管开通；由于第四开关管的体二极管自然导通，使得第四开关管是零电压开通导通；此模式直至第一电容的充电电流降为0。
91.第十一种工作模式：对应步骤b11，如图25所示，第一开关管和第四开关管开通，第二开关管和第三开关管关断，与步骤b10中的工作模式保持不变；由于第一电容的充电电流降为0，第二二极管自然关断；流经第一电感的耦合电感的电流反向线性减少，流经第二电感的耦合电感的电流反向线性增加，流经电感l
lk
的电流线性增加。
92.第十二种工作模式：对应步骤b12，如图26所示，第一开关管开通，第二开关管、第三开关管和第四开关管关断，与步骤b11中的工作模式相比第四开关管关断；通过第二电感的耦合电感的作用，第二开关管漏源极间的结电容开始放电，第四开关管漏源极间的结电容开始充电；电感l
lk
跟第三开关管漏源极间的结电容发生谐振，使第三开关管漏源极间的结电容放电；此模式中，第二开关管漏源极间的结电容放电至0，第三开关管漏源极间的结电容电压从vh降至v
h1
，第四开关管漏源极间的结电容充电至v
h2
。
93.所述vh为第一电容两端的电压，v
h1
为第二电容两端的电压，v
h2
为第三电容两端的
电压；
94.所述第三电感的耦合电感和第四电感的耦合电感等效为一个耦合电感 l
lk
。
95.本实用新型公开了一种带耦合电感具有升和降压功能的双向变换器在使用时，通过设置耦合电感来提高双向变换器的增益，并可有效解决铁芯复位的问题；利用漏电感能量及无源钳位电路实现零电压开通软开关技术，有效消除开关管体二极管的反向恢复问题，减少了器件数量的同时，提高了电路的效率，较少成本的同时提高了功率密度，使得其适用领域更加广泛。