双向CUK变换电路的制作方法

本公开涉及电力电子，具体涉及一种双向cuk变换电路。

背景技术：

1、cuk斩波电路也称cuk变换器，是一种对buck/boost改进的单管不隔离直流变换器，在输入输出段均有电感，可以显著减小输入和输出电流的脉动，输出电压的极性和输入电压相反，输出电压既可以低于也可以高于输入电压。cuk变换器可看作是boost变换器和buck变换器串联而成，合并了开关管。

2、双向cuk变换电路是实现直流电双向流动的装置。其输出的功率或电压的能力与占空比(指在一个脉冲循环内，开关管闭合时间相对于总时间所占的比值)有关。被广泛应用在能源驱动、电源设计、混合动力汽车和直流不间断供电系统等。

3、输入电源电流和输出负载电流都是连续的，且脉动很小，有利于对输入和输出进行滤波。但是，现有的cuk变换器的功率不高，如图1所示，传统的一级双向cuk变换电路100中，bat是低压输入电源(如电池)，c1、c2、c3为电容，l1、l2为电感，s1、s2为开关，chg为高压输出电源(如设备负载)。升压模式：当s1做主开关管，s2做同步续流管时；通过主开关管s1进行高频开关斩波，能量传输，将输入的电能储存在电容、电感里，当开关断开时，电能再释放给负载chg，提供能量，此时电池bat处于放电状态；开关管s1采用pwm控制，uc3＝uch，l1/l2＝1/(1-d)。其中，d为占空比，电压传输比为：

4、uchg/ubat＝1/(1-d)                               (3)

5、降压模式：当s2做主开关管，s1做同步续流管时；通过主开关管s2进行高频开关的开通动作，能量传输，当开关闭合时，负载chg给电池bat提供能量，此时电池bat处于充电状态；开关管s2采用pwm控制，uc3＝uch，l1/l2＝1/(1-d)。其中d为占空比，电压传输比为：

6、ubat/uchg＝d                                    (4)

7、对于图1所示一级双向cuk变换电路100，其开关管s1、s2关断时承受uchg电压，器件耐压要求较高；且在需要实现大的电压传输比的场合，降压时占空比d要很小，升压时占空比d又要很大，传输效率比较低。

8、在此基础上，现有技术改进的二级双向cuk级联变换电路200如图2所示，方框内为第一级双向cuk电路，方框右侧部分为第二级双向cuk电路。其中bat是低压输入电源(如电池)，c1、c2、c3为电容，l1、l2为电感，s1、s2、s3、s4为开关，chg为高压输出电源(如设备负载)。升压模式：当s1和s3做主开关管，s2和s4做同步续流管时；通过主开关管s1、s3进行高频开关的开通动作，能量传输，此时电池bat处于放电状态；开关s1和s3采用pwm控制，

9、uc3＝uc1+uc2＝1/(1-d1)﹡ubat                       (5)

10、il2/il1＝(1-d1)/d1                                  (6)

11、uc5＝uchg                                        (7)

12、l4/il3＝(1-d2)/d2                                  (8)

13、其中d1和d2为占空比，则综合上述公式(5)～(8)，可得电压传输比为：

14、uchg/ubat＝1/(1-d1)﹡1/(1-d2)                      (9)

15、降压模式：当s2和s4做主开关管，s1和s3做同步续流管时；通过主开关管s2、s4进行高频开关的开通动作，能量传输，此时电池bat处于充电状态；开关s2和s4采用pwm控制，

16、uc3＝uc1+uc2＝d2*uchg                           (10)

17、il2/il1＝(1-d1)/d1                                 (11)

18、uc5＝uchg                                       (12)

19、il4/il3＝(1-d2)/d2                                 (13)

20、其中d1和d2为占空比，结合上述公式(10)～(13)，可得其电压传输比为：

21、ubat/uchg＝d1﹡d2                               (14)

22、对于图2所示的二级双向cuk级联变换电路200，其开关管s1、s2关断时，升压时开关管s1、s2承受的电压为：1/(1-d1)﹡ubat，降压时开关管s1、s2承受的电压为：d2﹡uchg，开关管s3、s4关断时承受的电压为uchg，器件耐压要求较高；其次，尽管占空比要求比较适中，电感脉动电流较小，s1、s2耐压要求比较低，但元器件增多，控制更复杂，工作电流会经过两级功率管，影响传输效率。

技术实现思路

1、为了解决上述技术问题，本公开提供了一种双向cuk变换电路，可以简化控制，降低对开关管的耐压等级，减小输入电流的纹波，实现大电压传输比的同时，减少元器件数量，提高传输效率。

2、本公开提供了一种双向cuk变换电路，包括：

3、第一变换单元，连接于输入电源的两端，用于在主开关管工作时将能量存储在第一储能元件中，并在续流管工作时将第一储能元件中的能量通过第一输出节点向输出电源/输入电源进行传输；

4、第二变换单元，连接于输入电源的两端，用于在主开关管工作时将能量存储在第二储能元件中，并在续流管工作时将第二储能元件中的能量通过第二输出节点向输出电源/输入电源进行传输，

5、其中，输出电源并联连接在前述第一输出节点与第二输出节点之间，该双向cuk变换电路工作在升压模式，使输入电源处于放电状态，该双向cuk变换电路工作在降压模式，使输入电源处于充电状态，

6、通过调节pwm的占空比以获得期望的电压传输比，该pwm用于调控双向cuk变换电路中主开关管的导通与关断。

7、可选地，前述第一变换单元和第二变换单元中的开关管地控制信号采用错相180°的pwm进行控制。

8、可选地，前述的第一储能元件包括：

9、第一电感、第一电容、第二电容和第二电感，该第一电感和第一电容的连接节点作为前述的第一输出节点，连接输出电源的正极端，该第一电容和第二电容的连接节点连接输入电源的正极端，该第二电容和第二电感的连接节点连接输入电源的负极端。

10、可选地，前述的第一变换单元还包括：

11、第一开关管和第二开关管，该第一开关管和第二开关管串联连接在第二电感和第一电感之间，且该第一开关管和第二开关管的连接节点连接输入电源的正极端；

12、第三电容，并联连接在第一开关管和第二开关管两端。

13、可选地，前述的第二储能元件包括：

14、第三电感、第四电容、第四电感和第五电容，该第三电感、第四电容、第四电感和第五电容依次串联连接在输入电源的正极端与负极端之间，且该第四电感与第五电容的连接节点作为前述的第二输出节点，连接输出电源的负极端。

15、可选地，前述的第二变换单元还包括：

16、第三开关管和第四开关管，该第三开关管和第四开关管串联连接在前述第三电感与第四电容的连接节点和前述第四电容与第四电感的连接节点之间，且该第三开关管和第四开关管的连接节点连接输入电源的负极端。

17、可选地，前述的双向cuk变换电路还包括：

18、第六电容，该第六电容并联连接在输出电源的两端。

19、可选地，前述的第一开关管、第二开关管、第三开关管和第四开关管均为mosfet管或igbt管。

20、可选地，前述的第一开关管和第三开关管作为主开关管时，该双向cuk变换电路工作在升压模式，输入电源处于放电状态，其电压传输比为：

21、uchg/ubat＝(1+d)/(1-d)                          (1)

22、其中，d为占空比，uchg表示为输出电源的电压，ubat表示为输入电源的电压。

23、可选地，前述的第二开关管和第四开关管作为主开关管时，该双向cuk变换电路工作在降压模式，输入电源处于充电状态，其电压传输比为：

24、ubat/uchg＝d/(2-d)                                (2)

25、其中，d为占空比，uchg表示为输出电源的电压，ubat表示为输入电源的电压。

26、本发明的有益效果是：本公开提供的一种双向cuk变换电路，包括：第一变换单元，用于在主开关管工作时将能量存储在第一储能元件中，并在续流管工作时将第一储能元件中的能量通过第一输出节点向输出电源/输入电源进行传输；第二变换单元，用于在主开关管工作时将能量存储在第二储能元件中，并在续流管工作时将第二储能元件中的能量通过第二输出节点向输出电源/输入电源进行传输，其中，该双向cuk变换电路工作在升压模式，使输入电源处于放电状态，该双向cuk变换电路工作在降压模式，使输入电源处于充电状态，通过调节pwm的占空比以获得期望的电压传输比。其与单级cuk变换电路相比：

27、1、电压传输比更大；

28、2、开关管s2和s4承受的耐压降低近一半；

29、3、由于采用错相180°的pwm控制，使输入/输出纹波电流大幅减小，可以采用较小的电感和电容；

30、4、本公开提出的双向cuk变换电路比单级双向cuk变换电路的电感数量加倍，但电感电流减半，对于在功率较大的场合利于效率提高、体积和成本降低。

31、与二级双向cuk级联变换电路相比：

32、1、工作电流只经过一级功率管，效率更高；

33、2、开关管s2和s4承受的电压降低近一半；

34、3、在同等功率下，二级双向cuk级联电路中的第一级开关管需要并联，因此本公开提出的双向cuk变换电路使用的开关管数量大幅减小；

35、4、通过错相180°的pwm控制，在相同开关频率下，输入纹波电流大幅减小。