一种双向高增益非隔离变换器及其控制方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及电力电子领域，特别是双向非隔离直流-直流电能变换技术领域。
【背景技术】
[0002]双向直流变换器是可再生能源发电、电动汽车、储能系统等供电系统中的核心装置之一，用于实现蓄电池和直流母线之间双向功率、电压变换，实现蓄电池充放电管理、直流母线电压调节等控制功能。
[0003]由于储能蓄电池输出电压低(典型值为12V、24V等)，且蓄电池端电压的变化范围宽，而各类分布式直流供电系统为了与交流电网对接，其直流母线电压通常为400V甚至更高。蓄电池电压与直流母线电压的悬殊差异给双向变流器带来了很大技术挑战。首先，双向变流器必须要能够在升压和降压两种工作模式下实现高升压比和高降压比，即其应该具有高电压增益比；其次，双向变流器应该能够在蓄电池宽电压变化范围内实现高效率变换。
[0004]传统的非隔离双向直流变换器结构简单、技术上也已经成熟。然而，由于传统变换器自身不能实现软开关，且受到MOSFET寄生体二极管的影响，传统非隔离双向变流器应用于高压场合时面临严重的体二极管反向恢复问题。体二极管的反向恢复不仅造成非常大的开关损耗、降低变流器的效率，而且会在开关管上引起严重的电压尖峰，导致开关管失效，降低变流器的可靠性。而当传统非隔离双向变流器应用于一端低压、另一端高压的储能系统中时，将面临更严重的升压比与极限占空比的问题。即为了满足高电压增益比的要求，开关管不得不工作于极限占空比状态。即其中一个开关管的占空比接近于1，另外一个开关管的占空比接近于O，两个开关管要同时承受低压侧的大电流和高压侧的高电压，开关管电压、电流应力急剧增加，而造成效率的大幅降低。
【发明内容】
[0005]发明目的:为了克服现有技术中存在的不足，本发明提供了一种双向高增益非隔离变换器，用于解决传统的双向非隔离直流变换器在实现软开关、体二极管反向恢复以及升压比和极限占空比等方面存在的技术问题。
[0006]技术方案:为实现上述目的，本发明采用的技术方案为:
[0007]—种双向高增益非隔离变换器，由第一开关管S1、第二开关管S2、第三开关管S3、第四开关管S4和第五开关管S 5、高频电感LH、第一电容C1、第二电容C2和第三电容C3、第一耦合电感!\和第二耦合电感T 2构成，其中，第一耦合电感T i包含一个低压侧绕组Nu和一个高压侧绕组Nm，第二耦合电感T2包含一个低压侧绕组N u和一个高压侧绕组N H2;
[0008]所述第一耦合电感T1中的低压侧绕组N u的同名端连于低压源V B的正极和第二开关管&的漏极，低压源V B的负极连于第二耦合电感T 2中的低压侧绕组N u的同名端和第一开关管源极，第二耦合电感T 2中的低压侧绕组N u的非同名端连于高压源V H的负极、第三电容C3的一端、第一电容C i的一端和第二开关管S 2的源极，高压源V H的正极连于第五开关管S5的漏极和第三电容C 3的另一端，第五开关管S 5的源极连于第二电容C 2的一端和第四开关管S4的漏极，第二电容C2的另一端连于第二耦合电感T 2中的高压侧绕组Nh2的非同名端，第二耦合电感1~2中的高压侧绕组Nh2的同名端连于第一耦合电感T1中的高压侧绕组Nm的非同名端，第一耦合电感T冲的高压侧绕组N吣的同名端连于高频电感L H的一端，高频电感Lh的另一端连于第三开关管S 3的漏极、第一电容C 另一端和第四开关管S 4的源极，第三开关管S3的源极连于第一耦合电感T1中的低压侧绕组Nu的非同名端和第一开关管漏极。
[0009]上述双向高增益非隔离变换器的控制方法如下:
[0010]设置第一开关管S1和第二开关管S 2同时导通关断，第一开关管S i和第三开关管S3、第四开关管S4和第五开关管S5分别互补导通，第一开关管S i和第四开关管S 4的占空比相同；
[0011 ] 通过调节第一开关管S1的占空比维持第一电容C i的电压稳定:即当第一电容C i的电压小于设定值时增加第一开关管31的占空比；当第一电容C1的电压大于设定值时减小第一开关管S1的占空比；
[0012]通过调节第一开关管S1和第四开关管S4之间的移相角调节输出功率:即当能量由低压源Vb向高压源V H传输时，设置第一开关管S 4勺导通时间超前于第四开关管S 4;当能量由高压源Vh向低压源V ^专输时，设置第一开关管S 4勺导通时间滞后于第四开关管S 4。
[0013]有益效果:
[0014](I)本发明通过耦合电感的串并联连接，使其具备高电压增益比变换能力；
[0015](2)通过采用两个耦合电感，减小了单个耦合电感的电压和电流应力；
[0016](3)能够实现所有开关管的软开关、提尚效率；
[0017](4)升压和降压模式下变换器的控制策略相同，控制简单、易于实现。
【附图说明】
[0018]图1是本发明双向高增益非隔离变换器原理图；
[0019]图2是本发明双向高增益非隔离变换器的电压电流参考方向标注图；
[0020]图3是本发明升压模式下双向高增益非隔离变换器的工作波形图；
[0021]图4是本发明降压模式下双向高增益非隔离变换器的工作波形图；
[0022]图5是本发明升压模式下双向高增益非隔离变换器在开关模态O时的等效电路图；
[0023]图6是本发明升压模式下双向高增益非隔离变换器在开关模态I时的等效电路图；
[0024]图7是本发明升压模式下双向高增益非隔离变换器在开关模态2时的等效电路图；
[0025]图8是本发明升压模式下双向高增益非隔离变换器在开关模态3时的等效电路图；
[0026]图9是本发明升压模式下双向高增益非隔离变换器在开关模态4时的等效电路图；
[0027]图10是本发明升压模式下双向高增益非隔离变换器在开关模态5时的等效电路图；
[0028]图11是本发明升压模式下双向高增益非隔离变换器在开关模态6时的等效电路图；
[0029]图12是本发明升压模式下双向高增益非隔离变换器在开关模态7时的等效电路图。
【具体实施方式】
[0030]下面结合附图对本发明作更进一步的说明。
[0031]如附图1所示，所述双向高增益非隔离变换器由五个开关管、两个耦合电感、一个高频电感Lh和三个电容组成，其中开关管包括第一开关管S 1、第二开关管S2、第三开关管S3、第四开关管S4和第五开关管S5，親合电感包括第一親合电感!\和第二親合电感T 2，第一耦合电感T1包含一个低压侧绕组Nu和一个高压侧绕组Nhi，第二耦合电感T2包含一个低压侦機组队2和一个高压侧绕组Nh2，电容包括第一电容C1、第二电容C2和第三电容C3;所述第一耦合电感T1中的低压侧绕组Nu的同名端连于低压源Vb的正极和第二开关管52的漏极，低压源Vb的负极连于第二耦合电感T 2中的低压侧绕组Nu的同名端和第一开关管S i的源极，第二耦合电感1~2中的低压侧绕组N u的非同名端连于高压源V H的负极、第三电容C 3的一端、第一电容C1的一端和第二开关管S 2的源极，高压源V H的正极连于第五开关管S 5的漏极和第三电容C3的另一端，第五开关管S 5的源极连于第二电容C 2的一端和第四开关管S 4的漏极，第二电容C2的另一端连于第二耦合电感T 2中的高压侧绕组N H2的非同名端，第二耦合电感T#的高压侧绕组Nh2的同名端连于第一耦合电感T冲的高压侧绕组Nh^非同名端，第一耦合电感T1中的高压侧绕组同名端连于高频电感L H的一端，高频电感Lh的另一端连于第三开关管S3的漏极、第一电容C1的另一端和第四开关管S4的源极，第