一种开关变换器拓扑及控制方法与流程

1.本发明属于电力电子变换器技术领域，具体涉及一种开关变换器拓扑及控制方法。


背景技术：

2.随着现代工业高速发展，电能需求持续扩大，对于电能传输和转换的效率及灵活性的要求也越来越高。作为解决这一问题的核心设备，电力电子变换器被广泛应用于各类电能使用场景。对应于不同直流电压间的电能转换需求，大量的直流-直流(dc-dc)变换器已经被提出，主要分为三类：升压变换器、降压变换器和升降压变换器。
3.然而，在数据中心供电，直流微电网系统及电动汽车充电等新型用电场合内，直流-直流往往需求多级变换、宽电压范围输入输出、多端口电压升降自由转换。传统单一功能的升压、降压或升降压的dc-dc变换器难以满足这类应用场合。若采用多级串联形式实现，则成本较高，且效率较低，难以满足新型用电场合的需求。


技术实现要素：

4.本发明提供了一种开关变换器拓扑及控制方法，实现升压、降压、升降压三种功能，简化已有多端口电力电子设备和多级变换电路。
5.为达到上述目的，本发明所述一种开关变换器拓扑，包括开关管s1、开关管s2、开关管s3和开关管s4；开关管s1第一端与开关管s2第一端连接，开关管s3第一端与开关管s4第一端连接，开关管s1第二端与开关管s3第二端连接，开关管s2第二端与开关管s4第二端连接，开关管s1第一端与开关管s2第一端的连接处为第一中点，开关管s3第一端与开关管s4第一端的连接处为第二中点，电感l第一端与第一中点连接，第二端与第二中点连接，开关管s0第一端与第一中点连接，开关管s0的第二端和开关管s2第二端组成端口port1，开关管s3第一端和开关管s4第二端组成端口port2。
6.进一步的，开关管s0、开关管s1、开关管s2、开关管s3和开关管s4相同。
7.进一步的，开关管s0、开关管s1、开关管s2、开关管s3和开关管s4相同，均采用两个反向串联的igbt。
8.进一步的，端口port2上并联有电容c。
9.上述的一种开关变换器拓扑的控制方法，所述端口port1作为输入端，连接直流电源e，端口port2作为输出端连接负载r；使开关管s1、开关管s4常开，开关管s3常闭，控制开关管s0和开关管s2的通断，实现降压变换器的功能。
10.上述的一种开关变换器拓扑的控制方法，所述端口port1作为输入端，连接直流电源e，端口port2作为输出端连接负载r；使开关管s1和开关管s2常开，开关管s0常闭，控制开关管s3和开关管s4通断，实现升压变换器的功能。
11.上述的一种开关变换器拓扑的控制方法，所述端口port1作为输入端，连接直流电源e，端口port2作为输出端连接负载r；使开关管s2和开关管s3常开，开关管s4常闭，控制开
关管s0和开关管s1的通断，实现升降压变换器的功能。
12.上述的一种开关变换器拓扑的控制方法，所述端口port1作为输入端，连接直流电源e，端口port2作为输出端连接负载r，通过以下方法实现分时切换；
13.t0～t3时刻，使开关管s1、开关管s4常开，开关管s3常闭，控制开关管s0和开关管s2的通断，实现降压变换器的功能；
14.t3～t6时刻，使开关管s1和开关管s2常开，开关管s0常闭，控制开关管s3和开关管s4通断，实现升压变换器的功能；
15.t6～t8时刻，使开关管s2和开关管s3常开，开关管s4常闭，控制开关管s0和开关管s1的通断，实现升降压变换器的功能。
16.与现有技术相比，本发明至少具有以下有益的技术效果：
17.本发明提供的一种开关变换器拓扑，所述拓扑包含两个端口，开关管s1～s4构成h桥，h桥的中点与电感l连接，开关管s0与port1的正极以及h桥中点连接。所述开关变换器拓扑对电力电子开关器件的开关状态进行组合，可以实现升压电路、降压电路、升降压电路。所述电力电子器件包含但不限于igbt、mosfet、gto、二极管、固态继电器。该变换器可以通过一个装置实现多种电压变换功能。
18.进一步的，采用反向串联的igbt，只要给一个驱动信号，开关要么关断要么闭合，不会产生续流，开关状态明确，方便控制。
19.本发明提供的一种开关变换器控制方法，通过控制开关管s0、开关管s1、开关管s2、开关管s3和开关管s4的通断状态，使得开关变换器工作在升压、降压、升降压三种工作状态，可满足直流-直流往往需求多级变换、宽电压范围输入输出、多端口电压升降自由转换，满足新型用电场合的需求。
20.进一步的，不同时刻采用不同的控制方式，可实现分时切换功能，即在不同时刻，使变换器分别工作于升压、降压或升降压的工作状态。
附图说明
21.图1为一种开关变换器拓扑示意图；
22.图2为一种开关变换器拓扑应用实例；
23.图3为一种开关变换器工作波形图。
具体实施方式
24.为了使本发明的目的和技术方案更加清晰和便于理解。以下结合附图和实施例，对本发明进行进一步的详细说明，此处所描述的具体实施例仅用于解释本发明，并非用于限定本发明。
25.在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明
示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
26.参照图1，一种开关变换器拓扑，包含port1和port2两个端口，开关管s1、开关管s2、开关管s3、开关管s4和电感l构成h桥，其中，开关管s1和开关管s2组成一个桥臂，开关管s3和开关管s4组成另一个桥臂，电感l的两端分别连接h桥的两个中点，开关管s0第一端与port1的正极连接，第二端与h桥连接。
27.具体的，开关管s1第一端与开关管s2第一端连接，开关管s3第一端与开关管s4第一端连接，开关管s1第二端与开关管s3第二端连接，开关管s2第二端与开关管s4第二端连接，开关管s1第一端与开关管s2第一端的连接处为第一中点，开关管s3第一端与开关管s4第一端的连接处为第二中点，电感l第一端与第一中点连接，第二端与第二中点连接，开关管s0第一端与第一中点连接，开关管s0的第二端和开关管s2第二端组成端口port1，开关管s3第一端和开关管s4第二端组成端口port2。
28.其中，开关管s1～s4包含但不限于igbt、mosfet、gto、二极管、固态继电器。
29.port1作为输入端，port2作为输出端实现升压、降压、升降压功能；
30.port1作为输入端，port2作为输出端，开关管s1、s4常开，s3常闭，控制s0、s2通断，可实现降压变换器的功能。
31.port1作为输入端，port2作为输出端，开关管s1、s2常开，s0常闭，控制s3、s4通断，可实现升压变换器的功能。
32.port1作为输入端，port2作为输出端，开关管s2、s3常闭，s4常闭，控制s0、s1，可实现升降压变换器的功能。
33.也可以port2作为输入端，port1作为输出端实现开关变换器。
34.本发明所述的一种开关变换器拓扑的控制方法实现降压变换器的功能的实施方式，参考图2。其中端口port1作为输入端，连接直流电源e，端口port2作为输出端连接负载r，开关管采用双向开关，开关管s1、开关管s4常开，开关管s3常闭，控制开关管s0、s2的通断，可实现降压变换器的功能。其中，开关管s0、开关管s1、开关管s2、开关管s3和开关管s4相同，均采用两个反向串联的igbt。
35.参考图3，当t＝t0时刻，控制开关管s0导通、开关管s2关断，电源e向负载r供电，负载电压vo＝e,电感电流il按指数曲线上升；当t＝t1时刻，控制开关管s0关断、开关管s2导通，电感电流经开关管s2续流，至一个周期t结束，重复上一个周期的过程，当电路工作于稳态时，负载电流在一个周期的初始值和终值相等，负载电压的平均值vo为
[0036][0037]
式中，t
on
为开关管s0处于通态的时间；t
off
为vo处于断态的时间，t为开关周期；α为占空比。输出到负载的电压平均值vo最大为e，减小占空比，vo随之减小，可实现降压。
[0038]
(2)本发明所述的一种开关变换器拓扑的控制方法实现升压变换器的功能的实施
方式，参考图2。其中端口port1作为输入端，连接直流电源e，端口port2作为输出端连接负载r，开关管采用双向开关，开关管s1和开关管s2常开，s0常闭，控制开关管s3和s4通断，可实现升压变换器的功能。
[0039]
参考图3，当t＝t3时刻，控制开关管s4导通、开关管s3关断，设开关管s4处于通态的时间为t
on
，此阶段电感l上积蓄的能量为e*i1*t
on
；当t＝t4时刻,s4处于断态时，e和l共同向电容c充电并向负载r提供能量，设s4处于断态的时间为t
off
，则在此阶段电感l释放的能量为(vo-e)*i1*t
off
，当电路工作于稳态时，一个周期t中电感积蓄的能量与释放的能量相等。即
[0040]
ei1t
on
＝(v
o-e)i1t
off
[0041]
化简得
[0042][0043]
t/t
off
表示升压比，调节其大小，可以改变输出电压的大小，由于t/t
off
≥1，可实现升压。
[0044]
(3)本发明所述的一种开关变换器拓扑的控制方法实现升降压变换器的功能的实施方式，参考图2。其中端口port1作为输入端，连接直流电源e，端口port2作为输出端连接负载r，开关管采用双向开关，开关管s2和开关管s3常开，开关管s4常闭，控制开关管s0和开关管s1的通断，可实现升降压变换器的功能。
[0045]
参考图3，控制开关管s4一直导通，t＝t6时刻，控制开关管s0导通、开关管s1关断，电源e向电感l供电，电感l储存能量，设开关管s0处于通态的时间为t
on
；t＝t7时刻，控制开关管s0关断、开关管s1导通，电感l中存储的能量经开关管s1向负载r释放。当开关管s0处于通态期间，u
l
＝e；而当s0处于断态期间，u
l
＝-vo，于是
[0046]
et
on
＝vot
off
[0047][0048]
改变占空比α，输出电压既可以比电源电压高，也可以比电源电压低，当0《α《0.5时为降压，当0.5《α《1时为升压。
[0049]
以上内容仅为说明本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本发明权利要求书的保护范围之内。