一種高效寬增益同步整流h橋雙向直流變換器的制造方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及復(fù)合能量源電動汽車雙向直流變換器領(lǐng)域，尤其涉及一種高效寬增益 同步整流Η橋雙向直流變換器，屬于電力電子功率變換技術(shù)領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[0002] 隨著全球能源危機(jī)的加劇和環(huán)境污染的惡化，傳統(tǒng)的燃油汽車因消耗能源、污染 環(huán)境等問題，已不再滿足未來社會的需求發(fā)展。新能源汽車以可再生能源為動力源，實(shí)現(xiàn)清 潔無（少）污染排放運(yùn)行，是有效緩解能源危機(jī)和環(huán)境污染的新型交通運(yùn)輸方式，已成為各 國政府的科技政策制定導(dǎo)向。電動汽車作為新能源汽車的重要組成部分，正改變著交通運(yùn) 輸對不可再生能源的依賴關(guān)系和對環(huán)境污染的影響程度，通過蓄電池為電動汽車電力驅(qū)動 系統(tǒng)的逆變器直流母線側(cè)提供電能，進(jìn)而驅(qū)動車輛行進(jìn)。作為動力源的高比能量蓄電池因 其輸出特性軟、輸出電流動態(tài)響應(yīng)慢等缺陷，其必須與高比功率的鋰電池或超級電容混合 使用，以解決電動汽車在加速時(shí)對瞬時(shí)功率的需求和減速制動時(shí)能量的快速回饋存儲以延 長續(xù)航里程問題。故電動汽車中采用高比能量與高比功率的復(fù)合能量源，共同為電驅(qū)動系 統(tǒng)的逆變器高壓直流母線提供滿足要求的能量和功率。然而，高比功率的能量源具有輸出 電壓低、電流大的特性，并且在其快速充放電過程中，其端電壓變化范圍較大，難以直接與 高壓直流母線匹配并聯(lián)。因此，必須通過大比例升降壓雙向直流變換器接口低壓超級電容 與高壓直流母線。
[0003] 而對于大比例升降壓雙向直流變換器，一般通過高頻變壓器、耦合電感或開關(guān)電 容來實(shí)現(xiàn)。但是，變壓器與耦合電感存在的漏感易導(dǎo)致功率器件過高的電壓應(yīng)力，且漏感影 響變壓器的參數(shù)確定、耦合電感需采用非標(biāo)準(zhǔn)磁性元件。另外，過多地依賴磁性元件和電容 器，使得變換器功率密度降低且不易封裝。這些都制約該類雙向直流變換器在電動汽車上 的應(yīng)用。
[0004] 因此，在低壓超級電容與電動汽車電力驅(qū)動系統(tǒng)的高壓直流母線之間，急需高效、 易于集成的大比例升降壓雙向直流變換器。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 本發(fā)明提供了一種高效寬增益同步整流Η橋雙向直流變換器，本發(fā)明針對復(fù)合能 量源電動汽車中低壓超級電容、與電力驅(qū)動系統(tǒng)的高壓直流母線間雙向直流變換器難以集 成、不易封裝等問題，通過易于集成的可控功率開關(guān)構(gòu)成Η橋結(jié)構(gòu)的大比例升降壓雙向直 流變換器，并進(jìn)一步通過同步整流提升雙向變換器的能量轉(zhuǎn)換效率、提高功率開關(guān)的利用 率，使其適用于復(fù)合能量源電動汽車升降壓應(yīng)用場合，詳見下文描述：
[0006] -種高效寬增益同步整流Η橋雙向直流變換器，所述Η橋升降壓雙向直流變換器 包括：第一晶體管qd1、第二晶體管qD2、第三晶體管qD3、和第四晶體管q D4，
[0007] 第一晶體管QD1、第二晶體管QD2、第三晶體管Q D3、和第四晶體管QD4自身均帶有反并 聯(lián)二極管；
[0008] 第一晶體管QD1、第二晶體管QD2、第三晶體管Q D3、和第四晶體管QD4構(gòu)成Η橋電路；
[0009] 第一晶體管QD1接第一電容Ch的正極性端，第二晶體管Q D2接第一電容Ch的負(fù)極 性端；第一晶體管QD1和第二晶體管Q D2之間連接電感L的一端，電感L的另一端連接第二 電容C1的正極性端，第二電容C1的負(fù)極性端連接第四晶體管QD4。
[0010] 其中，當(dāng)所述Η橋雙向直流變換器工作在升壓狀態(tài)時(shí)，所述Η橋雙向直流變換器用 于滿足大比例升壓的需求；
[0011] 升壓比 MBcmst為：
[0013] 其中，mc、md均為調(diào)制度。
[0014] 其中，當(dāng)所述Η橋雙向直流變換器工作在降壓狀態(tài)時(shí)，所述Η橋雙向直流變換器用 于滿足大比例降壓的需求；
[0015] 降壓比MBudi為：
[0017] 其中，ma、mb均為調(diào)制度。
[0018] 當(dāng)所述Η橋雙向直流變換器工作在降壓狀態(tài)時(shí)，
[0019] SiS2= 11時(shí)，U hii過電感L向負(fù)載一偵U傳遞能量，電感L儲存能量；
[0020] SiSf 10或01時(shí)，電感L通過釋放能量對負(fù)載供能；
[0021] 其中，％為Η橋雙向直流變換器高壓側(cè)端口的輸入電壓；S品為驅(qū)動信號，1代表 高電平，〇代表低電平。
[0022] 當(dāng)所述Η橋雙向直流變換器工作在升壓狀態(tài)時(shí)，
[0023] S2S3= 10或01時(shí)，Ui對電感L充電，電感L儲存能量；
[0024] S2S3= 00時(shí)，電感L與電源U !共同為對負(fù)載供能，電感L釋放能量；
[0025] 其中，1^為Η橋雙向直流變換器低壓側(cè)端口的輸入電壓；S2S3為驅(qū)動信號，1代表 高電平，〇代表低電平。
[0026] 本發(fā)明提供的技術(shù)方案的有益效果是：本發(fā)明中的Η橋升降壓雙向直流變換器利 用各準(zhǔn)Η半橋輸出電壓Uan、Ubn之差U 行升降壓，在實(shí)現(xiàn)大比例的升降壓的同時(shí)功率開 關(guān)均可運(yùn)行在靠近〇. 5的非極端占空比，避免了因增大增益而造成功率開關(guān)極端占空比運(yùn) 行的問題。此外，進(jìn)一步提出了同步整流Η橋大比例升降壓雙向直流變換器，提高雙向變換 器的能量轉(zhuǎn)換效率和功率開關(guān)的利用率，非常適合作為復(fù)合能量源電動汽車中低壓超級電 容與驅(qū)動系統(tǒng)的高壓直流母線間的直流變換器。
【附圖說明】
[0027] 圖1同步整流Η橋升降壓雙向直流變換器的電路示意圖；
[0028] 圖2經(jīng)典Buck直流變換器的電路示意圖；
[0029] 圖3準(zhǔn)Η橋Buck直流變換器的電路示意圖；
[0030] 圖4準(zhǔn)Η橋Buck直流變換器的合成的電路示意圖；
[0031] 圖5準(zhǔn)Η橋Buck直流變換器運(yùn)行原理圖；
[0032] 圖6經(jīng)典Boost直流變換器的電路示意圖；
[0033] 圖7準(zhǔn)Η橋Boost直流變換器的電路示意圖；
[0034] 圖8準(zhǔn)Η橋Boost直流變換器的合成的電路示意圖；
[0035] 圖9準(zhǔn)Η橋Boost直流變換器運(yùn)行原理圖；
[0036] 圖10同步整流降壓（Buck)運(yùn)行驅(qū)動信號與死區(qū)的示意圖；
[0037] 圖11同步整流降壓（Buck)運(yùn)行電流走向的示意圖；
[0038] 圖12同步整流升壓（Boost)運(yùn)行驅(qū)動信號與死區(qū)的示意圖；
[0039] 圖13同步整流升壓G3oost)運(yùn)行電流走向的示意圖。
[0040] 上述附圖中主要符號名稱：UhSH橋升降壓雙向直流變換器高壓側(cè)端口電壓 (Buck模式時(shí)的輸入電壓、Boost模式時(shí)的輸出電壓）辦為!!橋升降壓雙向直流變換器低壓 側(cè)端口電壓（Buck模式時(shí)的輸出電壓、Boost模式時(shí)的輸入電壓）；L為儲能、濾波電感；Dp D2、D3、04分別為續(xù)流二極管；C h (第一電容）、Q (第二電容）分別為濾波電容；Qp Q2、Q3、Q4和Qd1、QD2、QD3、QD4分別為變換器的功率開關(guān)（晶體管）為調(diào)制度；T為載波周期；d p d2、 d3、山分別為功率開關(guān)Q p Q2、Q3、Q4的占空比；S p S2、S3、S4為功率開關(guān)Q p Q2、Q3、〇4和Q D1、 QD2、QD3、QD4的開關(guān)狀態(tài)；1為功率開管導(dǎo)通時(shí)間；為功率開管關(guān)斷時(shí)間；t d為死區(qū)時(shí)間； it為電感電流。
【具體實(shí)施方式】
[0041] 為使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案和優(yōu)點(diǎn)更加清楚，下面對本發(fā)明實(shí)施方式作進(jìn)一步 地詳細(xì)描述。
[0042] 為了解決【背景技術(shù)】中存在的上述問題，本發(fā)明實(shí)施例基于經(jīng)典的Buck、Boost直 流變換器，提出了無需采用變壓器、耦合電感和開關(guān)電容，通過易于集成的功率器件構(gòu)成Η 橋結(jié)構(gòu)的大比例升降壓雙向直流變換器；此外，為了提高雙向變換器的能量轉(zhuǎn)換效率和功 率開關(guān)的利用率，本發(fā)明實(shí)施例進(jìn)一步提出了同步整流Η橋大比例升降壓雙向直流變換 器，使其適用于復(fù)合能量源電動汽車升、降壓應(yīng)用場合。
[0043] 實(shí)施例1
[0044] 一、拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)
[0045] 本發(fā)明實(shí)施例提出如圖1所示的Η橋升降壓雙向直流變換器，通過電感L交替儲 存能量、釋放能量，實(shí)現(xiàn)升壓（Buck)、降壓（Boost)。
[0046] 該Η橋升降壓雙向直流變換器包括：第一晶體管QD1、第二晶體管QD2、第三晶體管 QD3、和第四晶體管QD4，第一晶體管QD1、第二晶體管QD2、第三晶體管Q D3、和第四晶體管QD4自 身均帶有反并聯(lián)二極管，第一晶體管qd1、第二晶體管qD2、第三晶體管qD3、和第四晶體管q D4構(gòu)成Η橋電路。第一晶體管Qd1接第一電容Ch的正極性端，第二晶體管Q D2接第一電容Ch 的負(fù)極性端；第一晶體管QD1的和第二晶體管Q D2之間（圖1中的節(jié)點(diǎn)a)連接電感L的一 端，電感L的另一端連接第二電容C1的正極性端，第二電容C1的負(fù)極性端連接第四晶體管 QD4(圖1中的節(jié)點(diǎn)b)。
[0047] 圖2為經(jīng)典Buck直流變換器，其輸入端并聯(lián)、輸出端串聯(lián)，得到圖3所示的準(zhǔn)Η橋 Buck直流變換器；圖4為輸入端并聯(lián)、輸出端串聯(lián)合成圖。圖6為經(jīng)典Boost直流變換器， 其輸入端串聯(lián)、輸出端并聯(lián)，得到圖7所示的準(zhǔn)Η橋Boost直流變換器；圖8為輸入端串聯(lián)、 輸出端并聯(lián)合成圖。根據(jù)圖3、圖7的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和功率雙向流動性，準(zhǔn)Η橋Buck、Boost直 流變換器合成為如1所示的Η橋升降壓雙向直流變換器。
[0048] 二、寬電壓增益
[0049] (a) Buck 模式
[0050] Η橋升降壓雙向直流變換器運(yùn)行在降壓（Buck)狀態(tài)，即圖3所示的準(zhǔn)Η橋Buck直 流變換器時(shí)，其輸出電壓A為準(zhǔn)Η橋輸出的PWM電壓U ab經(jīng)電感L與第二電容C :濾波后得 到的，且Uab= Uan-Ubn。準(zhǔn)Η橋Buck直流變換器大比例降壓，要求窄脈沖電壓Uab。由寬的 脈沖電壓Uan、Ubn之差便可得到窄脈沖電壓U ab，從而實(shí)現(xiàn)非極端占空比的大比例降壓。
[0051] 圖5為Buck模式下的PWM調(diào)制策略，功率開關(guān)仏的驅(qū)動信號S i由調(diào)制度mb確定， 如圖5(a) (b)所示；同理，功率開關(guān)Q4的驅(qū)動信號S4由調(diào)制度!113確定，如圖5(a) (c)所示， 其中0〈mb〈0. 5〈ma〈Hma+mb>l。由驅(qū)動信號S^S4確定每個(gè)準(zhǔn)半橋輸出PWM電壓U an和Ubn， 如圖5(d) (e)所示。因此，在0.5附近同時(shí)調(diào)整調(diào)制度ma、mb的大小，可以得到窄脈沖電壓 Uab，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)非極端占空比的大比例降壓運(yùn)行。
[0052] 在變換器連續(xù)電流模式的穩(wěn)態(tài)時(shí)，圖3所示的準(zhǔn)Η橋Buck直流變換器的電感在載 波周期T內(nèi)，儲存能量Wst與釋放能量W &相等，即滿足伏秒平衡
[0055] 式中，分別為載波周期內(nèi)功率開關(guān)Q 的關(guān)斷時(shí)間；1111_、111。"分別為變 換器降壓模式時(shí)輸入的高電壓Uh、輸出的低電壓。聯(lián)立圖5(b) (c) (g)得準(zhǔn)Η橋大比例降 壓直流變換器的降壓比塢^為
[0057] 式中，山、山分別為1、〇4的占空比。推導(dǎo)得降壓比MBudi為
[0059] (b) Boost 模式
[0060] Η橋升降壓雙向直流變換器運(yùn)行在升壓（Boost)狀態(tài)，即圖7所示的準(zhǔn)Η橋Boost 直流變換器時(shí)，其輸出電壓Uh為準(zhǔn)Η橋輸出的PWM電壓U ab經(jīng)二極管D i、04整流和第一電容 Ch濾波后得到的，且U ab仍為各準(zhǔn)Η半橋輸出電壓