[发明专利]一种高性能非隔离双向直流变换器及其控制方法

权利要求书

1.一种高性能非隔离双向直流变换器，其特征在于，包括低压侧直流电源U_L、高压侧直流电源U_H、第一电容C₁、第二电容C₂、第三电容C₃、第四电容C₄、第一电感L₁、第二电感L₂、第一开关管S₁、第二开关管S₂、第三开关管S₃；

所述低压侧直流电源U_L的正极与所述第一电感L₁的一端、所述第四电容C₄的正极连接；

所述第一电感L₁的另一端与所述第一开关管S₁的漏极、所述第二开关管S₂的源极、所述第二电容C₂的负极连接；

所述第一开关管S₁的源极与所述低压侧直流电源U_L的负极、所述第四电容C₄的负极、所述第一电容C₁的负极、所述第三电容C₃的负极、所述高压侧直流电源U_H的负极连接；

所述第二开关管S₂的漏极与所述第二电感L₂的一端、所述第一电容C₁的正极连接；

所述第二电容C₂的正极与所述第二电感L₂的另一端、所述第三开关管S₃的源极连接；

所述第三开关管S₃的漏极与所述第三电容C₃的正极、所述高压侧直流电源U_H的正极连接；

其中，所述第一开关管S₁、所述第二开关管S₂和所述第三开关管S₃均为自带反向并联二极管的金氧半场效晶体管；

所述第一电感L₁的电感值满足：

上式中，L₁为第一电感L₁的电感值，U_L为低压侧直流电源电压，U_H为高压侧直流电源电压，I_L,max为低压侧电流的最大平均值，f_s为开关频率，δ％为第一电感L₁允许的最大电流脉动量与第一电感L₁最大平均电流的百分比；

所述第二电感L₂的电感值满足：

上式中，L₂为第二电感L₂的电感值，I_H,max为高压侧电流的最大平均值；

所述高性能非隔离双向直流变换器在boost模式下一个开关周期内的工作过程可分为如下6种模态：

t₀时刻前，第一开关管S₁的体二极管导通，第一电感L₁、第二电感L₂承受正向电压，第一电感电流i_L1正向线性增大，第二电感电流i_L2反向线性减小；

(1)模态1，t₀～t₁阶段：t₀时刻，零电压开通第一开关管S₁，第一电感电流i_L1继续正向线性增大，第二电感电流i_L2先反向线性减小至0，后正向线性增大，t₁时刻，关断第一开关管S₁，模态1结束；

(2)模态2，t₁～t₂阶段：第一电感电流i_L1和第二电感电流i_L2的部分电流均流入第一开关管S₁和第二开关管S₂的连接点，第二电感电流i_L2的另一部分电流流入第三开关管S₃和第二电容C₂的连接点，使得第一开关管S₁的结电容C_S1开始充电，而第二开关管S₂的结电容C_S2和第三开关管S₃的结电容C_S3开始放电，t₂时刻，第一开关管S₁的端电压上升至U_C1，第二开关管S₂和第三开关管S₃的端电压均下降到0，第二开关管S₂的体二极管D_S2与第三开关管S₃的体二极管D_S3均正向导通，模态2结束；

(3)模态3，t₂～t₃阶段：第一电感电流i_L1、第二电感电流i_L2正向线性减小，t₃时刻，零电压开通第二开关管S₂和第三开关管S₃，模态3结束；

(4)模态4，t₃～t₄：第一电感电流i_L1继续正向线性减小，第二电感电流i_L2先正向线性减小至0，后反向线性增大，t₄时刻，关断第二开关管S₂和第三开关管S₃，模态4结束；

(5)模态5，t₄～t₅：第一电感电流i_L1和第二电感电流i_L2的部分电流均流出第一开关管S₁和第二开关管S₂的连接点，第二电感电流i_L2的另一部分电流流出第三开关管S₃和第二电容C₂的连接点，第一开关管S₁的结电容C_S1开始放电，第二开关管S₂的结电容C_S2和第三开关管S₃的结电容C_S3开始充电，t₅时刻，第一开关管S₁的端电压降为0，第一开关管S₁的体二极管D_S1导通，模态5结束；

(6)模态6，t₅～t₆：第一电感电流i_L1正向线性增大，第二电感电流i_L2反向线性减小，t₆时刻，零电压开通第一开关管S₁，模态6结束，进入下一个开关周期；

所述高性能非隔离双向直流变换器在buck模式下一个开关周期内的工作过程可分为如下6种模态：

t₀时刻前，第一开关管S₁的体二极管D_S1导通，第一电感电流i_L1、第二电感电流i_L2反向线性减小；

(1)模态1，t₀～t₁阶段：t₀时刻，零电压开通第一开关管S₁，第一电感电流i_L1继续反向线性减小，第二电感电流i_L2先反向线性减小至0，后正向线性增大，t₁时刻，关断第一开关管S₁，模态1结束；

(2)模态2，t₁～t₂阶段：第一电感电流i_L1和第二电感电流i_L2的部分电流均流入第一开关管S₁和第二开关管S₂的连接点，第二电感电流i_L2的另一部分电流流入第三开关管S₃和第二电容C₂的连接点，使得第一开关管S₁的结电容C_S1开始充电，第二开关管S₂的结电容C_S2和第三开关管S₃的结电容C_S3开始放电，t₂时刻，第一开关管S₁的端电压上升至U_C1，第二开关管S₂和第三开关管S₃的端电压均下降到0，第二开关管S₂的体二极管D_S2与第三开关管S₃的体二极管D_S3均正向导通，模态2结束；

(3)模态3，t₂～t₃阶段：第一电感电流i_L1反向线性增大，第二电感电流i_L2正向线性减小，t₃时刻，零电压开通第二开关管S₂、第三开关管S₃，模态3结束；

(4)模态4，t₃～t₄阶段：第一电感电流i_L1继续反向线性增大，第二电感电流i_L2先正向线性减小至0，后反向线性增大，t₄时刻，关断第二开关管S₂和第三开关管S₃，模态4结束；

(5)模态5，t₄～t₅阶段：第一电感电流i_L1和第二电感电流i_L2的部分电流均流出第一开关管S₁和第二开关管S₂的连接点，i_L2的另一部分电流流出第三开关管S₃和第二电容C₂的连接点，使得第一开关管S₁的结电容C_S1开始放电，第二开关管S₂的结电容C_S2和第三开关管S₃的结电容C_S3开始充电，t₅时刻，第一开关管S₁的端电压降为0，第一开关管S₁的体二极管D_S1导通，模态5结束；

(6)模态6，t₅～t₆阶段：第一电感电流i_L1、第二电感电流i_L2反向线性减小，t₆时刻，零电压开通第一开关管S₁，模态6结束，进入下一个开关周期。