一种三电平双向DCDC变换电路的制作方法

一种三电平双向dcdc变换电路
技术领域
1.本技术涉及dcdc变换电路的技术领域，具体涉及一种三电平双向dcdc变换电路。


背景技术：

2.储能变流器(pcs)分为带dc/dc的储能变流器和不带dc/dc的储能变流器。不带dc/dc的储能变流器则要求电池输入电压较高，才能满足系统要求，这对电池配置要求高，且电池电压低的情况下，会使得pcs停机。而带dc/dc的储能变流器能够使得接入的dc输入侧电池配置灵活性更高，满足宽电压范围的电池接入。
3.当前的双向dc/dc变换电路主要有buck-boost、双有源移相全桥dab拓扑、llc拓扑等等。受功率半导体器件耐压限制，这些拓扑主要应用在直流母线电压为1000v以下的场合，在1500v等高电压系统中应用较少。而基于2个inpc拓扑结构中间结合变压器构成的隔离三电平dab拓扑中使用的功率半导体器件较多，且dab控制相对复杂，成本高。


技术实现要素：

4.本技术提供了一种三电平双向dcdc变换电路，在实现三电平双向dcdc变换功能时，结构简单、效率高，该技术方案如下。
5.提供了一种三电平双向dcdc变换电路，在所述电路中，第一电压端通过第一电容c1连接至第一节点；第一节点通过第二电容c2连接至第二电压端；
6.所述第二电压端还通过第四二极管d4连接至第二节点；所述第二节点通过第三二极管d3连接至第三节点；所述第三节点通过第二二极管d2连接至第四节点；所述第四节点通过第一二极管d1连接至所述第一电压端；
7.所述第二电压端还通过第三电容c3以及电感l连接至所述第三节点；
8.所述第二节点还通过第六二极管d6连接至所述第一节点；所述第一节点还通过第五二极管d5连接至所述第四节点；所述第二节点还通过第四电容c4连接至所述第四节点；
9.所述第一二极管d1与第一开关管q1并联；所述第二二极管d2与第二开关管q2并联；所述第三二极管d3与第三开关管q3并联；所述第四二极管d4与第四开关管q4并联；
10.所述第三电容的第一端为第三电压端，所述第三电容的第二端为第四电压端。
11.在一种可能的实现方式中，当所述第三电压端与所述第四电压端之间接入第二电压，所述第一开关管q1与所述第二开关管q2断开，所述第三开关管q3与所述第四开关管q4进行180
°
相位交替开关时，所述电路为升压变换电路，以通过第一电压端与第二电压端输出高电压。
12.在一种可能的实现方式中，当第三开关管q3关断且第四开关管q4开通时，所述第二电压给所述电感l充电；所述第二电压还给第四电容c4充电。
13.在一种可能的实现方式中，当第三开关管q3开通且第四开关管q4关断时，所述第二电压给所述电感l充电；所述第二电压以及所述第四电容c4向第一电压端和与第二电压端放电。
14.在一种可能的实现方式中，当第三开关管q3关断且第四开关管q4关断时，第一二极管d1与第二二极管d2导通，所述第二电压以及所述电感l向第一电压端和第二电压端放电。
15.在一种可能的实现方式中，当第三开关管q3开通且第四开关管q4开通时，所述第二电压给所述电感l充电。
16.在一种可能的实现方式中，当所述第一电压端与所述第二电压端之间接入第一电压，所述第三开关管q3与所述第四开关管q4断开，所述第一开关管q1与所述第二开关管q2进行180
°
相位交替开关时，所述电路为降压变换电路，以通过第三电压端与第四电压端输出低电压。
17.在一种可能的实现方式中，当第一开关管q1开通且第二开关管q2关断时，所述第一电压给所述电感l充电；所述第一电压还给第四电容c4充电；所述第一电压还向第三电压端和第四电压端放电；
18.当第一开关管q1关断且第二开关管q2关断时，所述电感l向第三电压端和第四电压端放电。
19.在一种可能的实现方式中，当第一开关管q1关断且第二开关管q2开通时，第四电容c4以及电感l向第三电压端和第四电压端放电；
20.当第一开关管q1关断且第二开关管q2关断时，所述电感l向第三电压端和第四电压端放电。
21.在一种可能的实现方式中，当第一开关管q1开通且第二开关管q2开通时，所述第一电压给电感l充电；所述第一电压向第三电压端和第四电压端放电。
22.本技术提供的技术方案可以包括以下有益效果：
23.在本技术示出的三电平双向dcdc变换电路中，第一电压端通过第一电容c1连接至第一节点；第一节点通过第二电容c2连接至第二电压端；第二电压端还通过第四二极管d4连接至第二节点；第二节点通过第三二极管d3连接至第三节点；第三节点通过第二二极管d2连接至第四节点；第四节点通过第一二极管d1连接至第一电压端；第二电压端还通过第三电容c3以及电感l连接至第三节点；第二节点还通过第六二极管d6连接至第一节点；第一节点还通过第五二极管d5连接至第四节点；第二节点还通过第四电容c4连接至第四节点；第一二极管d1与第一开关管q1并联；第二二极管d2与第二开关管q2并联；第三二极管d3与第三开关管q3并联；第四二极管d4与第四开关管q4并联；第三电容的第一端为第三电压端，第三电容的第二端为第四电压端。通过设置分别与四个二极管并联的四个开关管，并根据输入电压的方向对四个开关管的开通或关断进行控制，以切换电路的工作模式。因此上述电路在实现三电平双向dcdc变换时，结构简单、效率高。
附图说明
24.为了更清楚地说明本技术具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本技术的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
25.图1是根据一示例性实施例示出的一种三电平双向dcdc变换电路的结构示意图。
26.图2是本技术实施例涉及的三电平双向dcdc变换电路的一种电流路径。
27.图3是本技术实施例涉及的三电平双向dcdc变换电路的一种电流路径。
28.图4是本技术实施例涉及的三电平双向dcdc变换电路的一种电流路径。
29.图5是本技术实施例涉及的三电平双向dcdc变换电路的一种电流路径。
30.图6是本技术实施例涉及的三电平双向dcdc变换电路的一种电流路径。
31.图7是本技术实施例涉及的三电平双向dcdc变换电路的一种电流路径。
32.图8是本技术实施例涉及的三电平双向dcdc变换电路的一种电流路径。
33.图9是本技术实施例涉及的三电平双向dcdc变换电路的一种电流路径。
具体实施方式
34.下面将结合附图对本技术的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本技术一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本技术中的实施例，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，都属于本技术保护的范围。
35.应理解，在本技术的实施例中提到的“指示”可以是直接指示，也可以是间接指示，还可以是表示具有关联关系。举例说明，a指示b，可以表示a直接指示b，例如b可以通过a获取；也可以表示a间接指示b，例如a指示c，b可以通过c获取；还可以表示a和b之间具有关联关系。
36.在本技术实施例的描述中，术语“对应”可表示两者之间具有直接对应或间接对应的关系，也可以表示两者之间具有关联关系，也可以是指示与被指示、配置与被配置等关系。
37.图1是根据一示例性实施例示出的一种三电平双向dcdc变换电路的结构示意图。如图1所示，在该电路中，第一电压端通过第一电容c1连接至第一节点；第一节点通过第二电容c2连接至第二电压端；
38.该第二电压端还通过第四二极管d4连接至第二节点；该第二节点通过第三二极管d3连接至第三节点；该第三节点通过第二二极管d2连接至第四节点；该第四节点通过第一二极管d1连接至该第一电压端；
39.该第二电压端还通过第三电容c3以及电感l连接至该第三节点；
40.该第二节点还通过第六二极管d6连接至该第一节点；该第一节点还通过第五二极管d5连接至该第四节点；该第二节点还通过第四电容c4连接至该第四节点；
41.该第一二极管d1与第一开关管q1并联；该第二二极管d2与第二开关管q2并联；该第三二极管d3与第三开关管q3并联；该第四二极管d4与第四开关管q4并联；
42.该第三电容的第一端为第三电压端，该第三电容的第二端为第四电压端。
43.光伏发电储能系统包括储能电池、储能变流器(pcs)以及电网等。其中，储能变流器分为带dc/dc的储能变流器和不带dc/dc的储能变流器。带dc/dc的储能变流器能够使得接入的dc输入侧电池配置灵活性更高，满足宽电压范围的电池接入。而不带dc/dc的储能变流器则要求电池输入电压较高，才能满足系统要求，这对电池配置要求高，且电池电压低的情况下，会使得pcs停机。
44.因此，需要一种变换电路，实现宽电压范围接入，且能够实现能量双向变换，实现电池到直流母线升压，电池放电以及直流母线经变换电路后反相给电池充电。现有的双向
dc/dc变换电路主要有buck-boost、双有源移相全桥dab拓扑、llc拓扑等等。受功率半导体器件耐压限制，这些拓扑主要应用在直流母线电压为1000v以下的场合，在1500v等高电压系统中应用较少。而基于2个inpc拓扑结构中间结合变压器构成的隔离三电平dab拓扑中使用的功率半导体器件较多，且dab控制相对复杂，成本高。
45.而本技术提供一种拓扑，能够使用较少的功率半导体器件满足宽电压范围电池配置场景应用要求，实现1500v地面电站场景下的双向dc/dc变换，且电池配置灵活、成本低。
46.图1示出的三电平双向dcdc变换电路的工作原理如下：
47.为了实现双向dc/dc变换，该三电平双向dcdc变换电路分为升压模式和降压模式。升压模式时，该电路为升压变换电路；降压模式时，该电路为降压变换电路。
48.在一种可能的实现方式中，当该第三电压端与该第四电压端之间接入第二电压u2，该第一开关管q1与该第二开关管q2断开，该第三开关管q3与该第四开关管q4进行180
°
相位交替开关时，该电路为升压变换电路，以通过第一电压端与第二电压端输出高电压。也就是说当第二电压u2作为输入时，该电路处于升压模式。
49.此时，此时第三电容c3为输入电容，电感l为输入升压电感，第三开关管q3和第四开关管q4分别作为升压运行模式开关管的上管和下管，第三开关管q3和第四开关管q4做高频切换且180
°
相位交替开关。第一开关管q1和第二开关管q2不工作，一直保持为关断状态。第一二极管d1和第二二极管d2为升压换流二极管。第一电容c1和第二电容c2分压，构造出第一电压u1的中点。第六二极管d6的作用是钳位保护，防止第四开关管q4以及第四二极管d4过压；在第二电容c2无电时，第三电容c3给第二电容c2充电，同时给第四电容c4充电。当第二电压u2高压上电，第一电压u1为0时，电流路径为c3-l-d2-c4-d6-c2-c3。
50.第五二极管d5的作用是钳位保护，一方面，当需要为第四电容c4充电时，第五二极管d5用以提供第四电容c4充电路径，即，第五二极管d5用于在第二电压u2为0时，由母线提供的第一电压u1给飞跨电容(即第四电容c4)充电提供充电路径，使得第四电容c4充电完成，满足第三开关管q3以及第四开关管q4可安全开关。此时，第四电容c4的充电路径为c2-d5-c4-d3-l-c3。另一方面，第五二极管d5用于防止第四电容c4电压不足，开通第四开关管q4时导致第一开关管q1/第一二极管d1过压失效。
51.该电路处于升压模式时可分为以下几种工作模式：
52.(1)飞跨电容(即第四电容c4)预充电模式：
53.电路进行自然预充电，充电电流路径为c3-l-d2-c4-d6-c2-c3。当自然充电不足以实现第四电容c4的电压达到0.5u1时，通过第四开关管q4开通关断切换。图2示出了本技术实施例涉及的三电平双向dcdc变换电路的一种电流路径，如图2所示，该电路给第四电容c4预充电，当满足条件后(第四电容c4电压达到0.5u1时)，进行正常的升压变换。
54.(2)升压变换模式a：
55.在一种可能的实现方式中，第一开关管q1、第二开关管q2保持常断开状态，当第三开关管q3关断且第四开关管q4开通时，电流路径如图2所示，该第二电压u2给该电感l充电；该第二电压u2还给第四电容c4充电。
56.图3示出了本技术实施例涉及的三电平双向dcdc变换电路的一种电流路径。第一开关管q1、第二开关管q2保持常断开状态，当第三开关管q3关断且第四开关管q4关断时，电流路径如图3所示，此时电感l的电流续流，第一二极管d1与第二二极管d2导通以提供换流
路径，该第二电压u2以及该电感l向第一电压端和第二电压端放电。
57.(3)升压变换模式b：
58.图4示出了本技术实施例涉及的三电平双向dcdc变换电路的一种电流路径。在一种可能的实现方式中，第一开关管q1、第二开关管q2保持常断开状态，当第三开关管q3开通且第四开关管q4关断时，电流路径如图4所示，该第二电压u2给该电感l充电，同时该第四电容c4放电。该第二电压u2以及该第四电容c4一起向第一电压端和与第二电压端放电。
59.当第三开关管q3关断且第四开关管q4关断时，电流路径如图3所示，此时电感l的电流续流，第一二极管d1与第二二极管d2导通以提供换流路径，该第二电压u2以及该电感l向第一电压端和第二电压端放电。
60.(4)升压变换模式c：
61.图5示出了本技术实施例涉及的三电平双向dcdc变换电路的一种电流路径。在一种可能的实现方式中，第一开关管q1、第二开关管q2保持常断开状态，当第三开关管q3开通且第四开关管q4开通时，电流路径如图5所示，该第二电压u2给该电感l充电。
62.当第三开关管q3变为关断且第四开关管q4继续维持开通时，或者第四开关管q4变为关断且第三开关管q3继续维持开通时，电感l的电流续流，此时电路工作模式变为升压变换模式a或者升压模式b。
63.在一种可能的实现方式中，当该第一电压端与该第二电压端之间接入第一电压u1，该第三开关管q3与该第四开关管q4断开，该第一开关管q1与该第二开关管q2进行180
°
相位交替开关时，该电路为降压变换电路，以通过第三电压端与第四电压端输出低电压。也就是说当第一电压u1作为输入时，该电路处于降压模式。
64.该三电平双向dcdc变换电路的降压模式为buck拓扑，调制模式为pwm模式。第三二极管d3与第四二极管d4作为换流二极管，第一开关管q1以及第二开关管q2做高频pwm工作。
65.该电路处于降压模式时可分为以下几种工作模式：
66.(1)飞跨电容(即第四电容c4)预充电模式：
67.第二电压u2为0，由母线提供的第一电压u1在分压电容(第一电容c1与第二电容c2)分压后，下半母线0.5u1给第四电容c4进行自然预充电，此时的充电路径为c2-d5-c4-d3-l-c3-c2。
68.图6示出了本技术实施例涉及的三电平双向dcdc变换电路的一种电流路径。在自然预充电不足以使第四电容c4的电压达到0.5u1情况下，适当以pwm模式(pulse width modulation，脉宽调制)开通第一开关管q1，继续给第四电容c4充电，此时的电流路径如图6所示。
69.(2)降压变换模式a：
70.在一种可能的实现方式中，第三开关管q3、第四开关管q4保持常断开状态，当第一开关管q1开通且第二开关管q2关断时，电流路径如图6所示，该第一电压u1给该电感l充电；该第一电压u1还给第四电容c4充电；该第一电压u1还向第三电压端和第四电压端放电。
71.图7示出了本技术实施例涉及的三电平双向dcdc变换电路的一种电流路径。当第一开关管q1关断且第二开关管q2关断时，电流路径如图7所示，此时电感l的电流续流，该电感l向第三电压端和第四电压端放电。
72.(3)降压变换模式b：
73.图8示出了本技术实施例涉及的三电平双向dcdc变换电路的一种电流路径。在一种可能的实现方式中，第三开关管q3、第四开关管q4保持常断开状态，当第一开关管q1关断且第二开关管q2开通时，电流路径如图8所示，第四电容c4放电且给电感l继续放电进行续流，第四电容c4以及电感l向第三电压端和第四电压端放电。
74.当第一开关管q1关断且第二开关管q2关断时，电流路径如图7所示，该电感l续流，电感l向第三电压端和第四电压端放电。
75.(4)降压变换模式c：
76.图9示出了本技术实施例涉及的三电平双向dcdc变换电路的一种电流路径。第三开关管q3、第四开关管q4保持常断开状态。在一种可能的实现方式中，当pwm的占空比较大(大于50％duty)时，第一开关管q1开通且第二开关管q2开通，电流路径如图8所示，该第一电压u1给电感l充电，该第一电压u1向第三电压端和第四电压端放电。
77.此后，当第一开关管q1关断或者第二开关管q2关断后，进入降压变换模式a或降压变换模式b。
78.综上所述，在本技术示出的三电平双向dcdc变换电路中，第一电压端通过第一电容c1连接至第一节点；第一节点通过第二电容c2连接至第二电压端；第二电压端还通过第四二极管d4连接至第二节点；第二节点通过第三二极管d3连接至第三节点；第三节点通过第二二极管d2连接至第四节点；第四节点通过第一二极管d1连接至第一电压端；第二电压端还通过第三电容c3以及电感l连接至第三节点；第二节点还通过第六二极管d6连接至第一节点；第一节点还通过第五二极管d5连接至第四节点；第二节点还通过第四电容c4连接至第四节点；第一二极管d1与第一开关管q1并联；第二二极管d2与第二开关管q2并联；第三二极管d3与第三开关管q3并联；第四二极管d4与第四开关管q4并联；第三电容的第一端为第三电压端，第三电容的第二端为第四电压端。通过设置分别与四个二极管并联的四个开关管，并根据输入电压的方向对四个开关管的开通或关断进行控制，以切换电路的工作模式。因此上述电路在实现三电平双向dcdc变换时，结构简单、效率高。
79.该三电平双向dcdc变换电路实现了双向dc/dc电压变换，且具有升压降压功能(即该电路具有升压模式与降压模式)。该电路无论是处于升压模式还是降压模式，飞跨电容(即第四电容c4)均参与工作，实现了输出桥臂电平为三电平，实现了电感l工作的倍频效果，使得电感l的感量、体积以及重量均可减小，进而使得电感l的成本减小。
80.并且，该电路将升压降压功能集成在一起，使得整体功率开关器件相对于其它拓扑器件更少，进一步降低了功率半导体的成本。
81.并且，该电路在预备宽输入电压范围工作，满足直流1500v系统输入输出电压的范围，使得该电路能够广泛使用，例如应用于地面储能电站，具有较高的应用价值。
82.本领域技术人员在考虑说明书及实践这里公开的发明后，将容易想到本技术的其它实施方案。本技术旨在涵盖本技术的任何变型、用途或者适应性变化，这些变型、用途或者适应性变化遵循本技术的一般性原理并包括本技术未公开的本技术领域中的公知常识或惯用技术手段。说明书和实施例仅被视为示例性的，本技术的真正范围和精神由下面的权利要求指出。
83.应当理解的是，本技术并不局限于上面已经描述并在附图中示出的精确结构，并且可以在不脱离其范围进行各种修改和改变。本技术的范围仅由所附的权利要求来限制。

技术特征：
1.一种三电平双向dcdc变换电路，其特征在于，在所述电路中，第一电压端通过第一电容c1连接至第一节点；第一节点通过第二电容c2连接至第二电压端；所述第二电压端还通过第四二极管d4连接至第二节点；所述第二节点通过第三二极管d3连接至第三节点；所述第三节点通过第二二极管d2连接至第四节点；所述第四节点通过第一二极管d1连接至所述第一电压端；所述第二电压端还通过第三电容c3以及电感l连接至所述第三节点；所述第二节点还通过第六二极管d6连接至所述第一节点；所述第一节点还通过第五二极管d5连接至所述第四节点；所述第二节点还通过第四电容c4连接至所述第四节点；所述第一二极管d1与第一开关管q1并联；所述第二二极管d2与第二开关管q2并联；所述第三二极管d3与第三开关管q3并联；所述第四二极管d4与第四开关管q4并联；所述第三电容的第一端为第三电压端，所述第三电容的第二端为第四电压端。2.根据权利要求1所述的电路，其特征在于，当所述第三电压端与所述第四电压端之间接入第二电压，所述第一开关管q1与所述第二开关管q2断开，所述第三开关管q3与所述第四开关管q4进行180
°
相位交替开关时，所述电路为升压变换电路，以通过第一电压端与第二电压端输出高电压。3.根据权利要求2所述的电路，其特征在于，当第三开关管q3关断且第四开关管q4开通时，所述第二电压给所述电感l充电；所述第二电压还给第四电容c4充电。4.根据权利要求2所述的电路，其特征在于，当第三开关管q3开通且第四开关管q4关断时，所述第二电压给所述电感l充电；所述第二电压以及所述第四电容c4向第一电压端和与第二电压端放电。5.根据权利要求3或4所述的电路，其特征在于，当第三开关管q3关断且第四开关管q4关断时，第一二极管d1与第二二极管d2导通，所述第二电压以及所述电感l向第一电压端和第二电压端放电。6.根据权利要求2所述的电路，其特征在于，当第三开关管q3开通且第四开关管q4开通时，所述第二电压给所述电感l充电。7.根据权利要求2所述的电路，其特征在于，当所述第一电压端与所述第二电压端之间接入第一电压，所述第三开关管q3与所述第四开关管q4断开，所述第一开关管q1与所述第二开关管q2进行180
°
相位交替开关时，所述电路为降压变换电路，以通过第三电压端与第四电压端输出低电压。8.根据权利要求7所述的电路，其特征在于，当第一开关管q1开通且第二开关管q2关断时，所述第一电压给所述电感l充电；所述第一电压还给第四电容c4充电；所述第一电压还向第三电压端和第四电压端放电；当第一开关管q1关断且第二开关管q2关断时，所述电感l向第三电压端和第四电压端放电。9.根据权利要求7所述的电路，其特征在于，当第一开关管q1关断且第二开关管q2开通时，第四电容c4以及电感l向第三电压端和第四电压端放电；当第一开关管q1关断且第二开关管q2关断时，所述电感l向第三电压端和第四电压端放电。10.根据权利要求7所述的电路，其特征在于，当第一开关管q1开通且第二开关管q2开
通时，所述第一电压给电感l充电；所述第一电压向第三电压端和第四电压端放电。

技术总结
本申请涉及一种三电平双向DCDC变换电路，具体涉及DCDC变换电路的技术领域。在所述电路中，第一电压端通过第一电容连接至第一节点；第一节点通过第二电容连接至第二电压端；第二电压端还通过第四二极管连接至第二节点；第二节点通过第三二极管连接至第三节点；第三节点通过第二二极管连接至第四节点；第四节点通过第一二极管连接至第一电压端；第二节点还通过第六二极管连接至第一节点；第一节点还通过第五二极管连接至第四节点；第二节点还通过第四电容连接至第四节点；第一二极管与第一开关管并联；第二二极管与第二开关管并联；第三二极管与第三开关管并联；第四二极管与第四开关管并联。上述电路在实现三电平双向DCDC变换功能时，结构简单效率高。结构简单效率高。结构简单效率高。


技术研发人员：蔡文 邵金呈
受保护的技术使用者：固德威技术股份有限公司
技术研发日：2023.04.07
技术公布日：2023/9/7