[发明专利]电动汽车用开关准Z源-开关电容宽增益双向直流变换器

说明书

本发明公开了一种电动汽车用开关准Z源‑开关电容宽增益双向直流变换器，所述双向直流变换器利用开关准Z源和开关电容技术进行升降压，实现了宽范围；所述双向直流变换器在升降压的同时，避免了因增大增益而造成功率开关极端占空比运行的问题；且所有功率开关的电压应力均低于高压侧电压。所述直流变换器的升压比为(2+d_Boost)/(1‑d_Boost)，功率开关Q₁‑Q₅的电压应力皆为传统准Z源直流变换器的1/(2+d_Boost)，为高压侧输出电压U_high和低压侧输入电压U_low总和的1/3。本发明不仅实现了较宽的电压增益，而且降低了功率开关的电压应力，同时易于控制的特点也使得变换器的应用场合更宽。

技术领域

本发明涉及电动汽车用宽增益双向直流变换器应用场合，尤其涉及一种新型的混合型开关准Z源-开关电容宽增益双向直流变换器，属于电力电子功率变换技术领域。

背景技术

随着电力电子变换技术的日渐发展，双向直流变换器在微网、可再生能源系统、电动汽车等领域得到了广泛的应用，以保证不同储能系统之间功率的流通。在许多应用场合，低压侧储能装置和高压侧母线之间的双向直流变换器需要一个较宽的电压增益。因此，储能装置与不同电压等级直流母线间的双向直流变换器，目前已经成为重要的研究领域，特别是在目前发展较快的电动汽车中，双向直流变换器不管是在控制车载直流母线电压，还是在保持整个系统功率的平衡方面，都发挥着重要的作用。

电动汽车主流的动力源主要包括高比能量的动力蓄电池和高比功率的超级电容。电动汽车能量源的电压等级相对较低，并且其端电压会出现较大的电压变化范围，因此为了充分利用能量源的储能能力，特别是超级电容，实现能量源与高压母线之间电压等级的匹配以及能量的双向流通，需要在这两者之间连接宽增益双向直流变换器。目前双向直流变换器存在较大的约束是对电气隔离的需求。在一些要求电气隔离和高电压增益的应用场合，较多采用反激式、正激式以及全桥移相直流变换器。这类变换器虽然结构简单，易于控制，但是变换器中高频变压器产生的漏感，会降低变换器的效率并增加功率开关的电压应力，所以一般会增加额外的电路，从而增加变换器电路的复杂性。

当对电气隔离没有要求时，传统升降压双向直流变换器，包括：半桥变换器，都可以在对功率双向流通有要求的场合得到应用。其他规格的双向直流变换器同样可以在各种储能系统中得到应用，每种变换器在电压增益、器件数量和电压应力等方面都各有优缺点。通过增加额外的电容和功率开关，传统的Buck/Boost变换器可以改进为三电平、四电平或者是其他多电平变换器，从而使其拥有更宽的运行范围和更高的电压增益。此类多电平变换器的主要缺点就是需要较多的功率开关以及额外的硬件电路和控制策略来保持功率开关应力和电容电压的平衡。其他的直流变换器，例如：Cuk/Sepic/Zeta变换器，同样可以改进成双向拓扑，但是其级联结构决定其变换器的效率较低。

另外，当在传统的Buck、Boost或其他简单的变换器中增加额外的开关电容或开关电感结构时，可改进成非隔离混合型直流变换器，此类变换器同样可以获得较高的升压/降压电压增益。其中，Z源、准Z源以及开关电容直流变换器结构和控制都较为简单，易于扩展，电容在充电和放电时通过不同的回路传递能量来获得高电压增益。另外，开关电感直流变换器能在避免极限占空比的情况下，实现较宽的电压增益以及较低的电气应力，但是采用较多的电感元件使得变换器的功率密度得不到提高。

因此，为了节约成本和减小变换器的体积，提高效率，需要一种功率器件电压电流应力低、宽增益且避免极端占空比的非隔离型双向直流变换器，使其适用于电动汽车的功率变换场合。

发明内容

本发明提供了一种电动汽车用开关准Z源-开关电容宽增益双向直流变换器，本发明不仅实现了较宽的电压增益，而且降低了功率开关的电压应力，同时易于控制的特点也使得变换器的应用场合更宽，详见下文描述：