[發明專利]基于ZVS_PWM雙向DC-DC CUK變換器、變換系統和方法

在審

• 申請號: 202011566981.8
• 申請日: 2020-12-25
• 公開（公告）號: CN112615542A
• 公開（公告）日: 2021-04-06
• 發明（設計）人: 凌睿;何欣馳;鄧策亮;劉姝;夏增豪;王攀;易琪淋
• 申請（專利權）人: 重慶大學
• 主分類號: H02M3/158
• 分類號: H02M3/158;H02J7/00
• 代理公司: 重慶天成卓越專利代理事務所(普通合伙) 50240
• 代理人: 路寧

1.一種基于ZVS_PWM雙向DC-DC CUK變換器，其特征在于，包括：

第一電感、第四電感、第一a電容、第一b電容、第二電容、第一功率開關、第二功率開關、第一輔助開關、第二輔助開關、第一諧振電感、第二諧振電感、第一諧振電容、第二諧振電容；

第一電感一端連接儲能元件正極，所述第一電感另一端連接第一功率開關漏極，所述第一電感另一端還連接第一輔助開關源極，第一諧振電容一端連接第一輔助開關漏極，所述第一諧振電容另一端連接儲能元件負極，所述第一諧振電容另一端還連接第一功率開關源極，第一諧振電感一端連接第一輔助開關源極，所述第一諧振電感另一端連接第一a電容一端，所述第一a電容另一端連接第二功率開關源極，第二b電容一端連接第一功率開關源極，所述第二b電容另一端連接第二諧振電感一端，所述第二諧振電感另一端連接第二輔助開關源極，所述第二諧振電感另一端還連接第二功率開關漏極，第二諧振電容一端連接第二輔助開關漏極，所述第二諧振電容另一端連接第二功率開關源極，第二電容一端連接第二功率開關源極，所述第二電容另一端連接第四電感一端，所述第四電感另一端連接第二功率開關漏極。

2.根據權利要求1所述的基于ZVS_PWM雙向DC-DC CUK變換器，其特征在于，還包括：第一二極管、第二二極管、第一諧振二極管、第二諧振二極管；所述第一二極管正極連接第一功率開關源極，所述第一二極管負極連接第一功率開關漏極，所述第二二極管正極連接第二功率開關源極，所述第二二極管負極連接第二功率開關漏極，所述第一諧振二極管正極連接第一輔助開關源極，所述第一諧振二極管負極連接第一輔助開關漏極；所述第二諧振二極管正極連接第二輔助開關源極，所述第二諧振二極管負極連接第二輔助開關漏極。

3.根據權利要求1所述的基于ZVS_PWM雙向DC-DC CUK變換器，其特征在于，還包括：第二電感，

所述第二電感一端連接電源負極，所述第二電感另一端連接第一功率開關源極。

4.根據權利要求1所述的基于ZVS_PWM雙向DC-DC CUK變換器，其特征在于，還包括：第三電感，所述第三電感一端連接第二功率開關源極，所述第三電感另一端連接第二電容一端。

5.一種基于ZVS_PWM雙向DC-DC CUK變換器的變換系統，其特征在于，包括：第一變換器正極輸出端連接均衡總線正極端，第一變換器負極輸出端連接均衡總線負極端，第二變換器正極輸出端連接均衡總線正極端，第二變換器負極輸出端連接均衡總線負極端，第N變換器正極輸出端連接均衡總線正極端，第N變換器負極輸出端連接均衡總線負極端，所述N為正整數。

6.一種基于ZVS_PWM雙向DC-DC CUK變換器的工作方法，其特征在于，包括如下步驟：

DC-DC CUK變換器左側向右側供電時，分為六個階段，

S1，在t0-t1的階段，第一功率開關導通，第一輔助開關關斷，輸入電流和輸出電流均通過第一功率開關流通，i_S1＝I_i+I_o；

其中，i_S1表示流過第一功率開關的電流，I_i表示輸入電流，當第一電感值選擇適當時，輸入電流可視為定值，I_o表示輸出電流，當選擇適配的第四電感值時，輸出電流可視為定值；

此階段電路工作在常規的PWM模式，當第一功率開關由導通切換至關斷時，此階段結束；

S2，在t1-t2的階段，第一功率開關、第一輔助開關均關斷，輸入電流和輸出電流通過第一輔助開關續流二極管給第一諧振電容進行恒流充電，

其中，C_r表示第一諧振電容值，u_Cr表示第一諧振電容端電壓；由式(1)可得，

其中，t∈[t₁,t₂]，當u_Cr＝U_1a+U_1b時，此階段結束，U_1a和U_1b分別為第一a電容端電壓和第一b電容端電壓，當第一a電容值和第一b電容值進行適配選取，U_1a和U_1b可視為定值，且U_1a+U_1b＝U_i+U_o，U_i和U_o分別表示變換器的輸入電壓和輸出電壓，可得此階段的時間間隔，

其中，ΔT₂為此階段的時間間隔；此階段是變換器狀態由常規的PWM工作模式進入諧振工作模式的過渡階段；

S3，在t2-t3的階段，第一功率開關、第一輔助開關均關斷，由于第一諧振電容端電壓大于第一a電容端電壓和第一b電容端電壓之和，因此第二二極管導通，此階段第一諧振電容、第一諧振電感、第二諧振電感、第一a電容、第一b電容、第一輔助開關續流二極管、第二功率開關續流二極管構成諧振回路，

u_p＝i_Sr1*R_Sr1+i_D2*R_D2+i_Lr*(R_Lr1+R_Lr2) (5)

i_D2＝I_o+i_Lr (6)

其中L_r1和L_r2分別表示第一諧振電感值和第二諧振電感值，i_Lr表示流過第一諧振電感和第二諧振電感的電流，u_p表示諧振環路中所有器件寄生電阻所產生的壓降，i_Sr1表示流過第一輔助開關的電流，R_Sr1表示第一輔助開關的導通電阻，i_D2表示流過第二功率開關續流二極管的電流，R_D2表示第二功率開關續流二極管的導通電阻，R_Lr1和R_Lr2分別表示第一諧振電感直流電阻和第二諧振電感直流電阻。初始條件為，

忽略管壓降，求解式(4)-(7)，

其中，t∈[t₂,t₃]，ω表示諧振回路的諧振角頻率，Z表示諧振回路的阻抗，

當i_D2＝I_i+I_o時，第二輔助開關續流二極管自動斷流，諧振行為停止，此階段結束，此階段時間間隔為諧振周期的四分之一，ΔT₃＝T_LC/4，ΔT₃為此階段的時間間隔，T_LC為諧振周期，

S4，在t3-t4的階段，第一功率開關、第一輔助開關均關斷，輸入電流和輸出電流均通過第二功率開關續流二極管流通，i_D2＝I_i+I_o；此階段，電路工作在常規的PWM模式下；

S5，在t4-t5的階段，第一功率開關保持關斷，第一輔助開關導通，此階段第一諧振電容、第一諧振電感、第二諧振電感、第一a電容、第一b電容、第一輔助開關、第二功率開關續流二極管構成諧振電路，諧振方程同式(4)-(6)，初始條件為，

忽略管壓降，求解式(4)-(6)，(9)，

其中，t∈[t₄,t₅]，當u_Cr＝0時，電路諧振行為結束；該階段電路工作的諧振模式，為第一功率開關的零電壓開通創造了條件。

S6，在t5-t6的階段，第一a電容、第一b電容開始通過第一二極管和第二二極管對第一諧振電感和第二諧振電感放電并反向充電，

i_S1＝I_i-i_Lr (12)

求解(11)(12)，

其中，t∈[t₅,t₆]，I_Lr5為第一諧振電感在t5時刻的電流值，在此階段，關斷第一輔助開關，就可以實現第一輔助開關的軟切換，開通第一功率開關就可以實現第一功率開關的零電壓開通。當i_S1＝I_i+I_d時，第二功率開關續流二極管的電流自動斷流，該階段結束，可得此階段時間間隔，

其中，ΔT₆為此階段時間間隔；該階段為電路由諧振工作模式進入常規的PWM工作模式的過渡階段，此階段結束后又進入第一階段；

輸入電壓與輸出電壓關系的推導如下，

在一個周期內，第四電感的平均電壓值為零，因此第二功率開關端電壓在一個周期內的平均值等于輸出電壓，

其中，T_s為PWM控制周期，第一階段(t0-t1)第二功率開關端電壓為第一a電容和第一b電容的端電壓之和，第二階段(t1-t2)第二功率開關端電壓為第一諧振電容端電壓與第一a電容和第一b電容的端電壓之和的差值，第三階段(t2-t3)、第四階段(t3-t4)、第五階段(t4-t5)、第六階段(t5-t6)第二功率開關端電壓為零，由此可得，

其中，ΔT₁表示第一階段時間間隔，由式(16)可以得出輸出電壓與輸入電壓的關系，

由式(17)可以看出，η表示變換器的轉換效率；當電路參數確定后，可以通過改變PWM周期、第一階段時間間隔、第三階段時間間隔來改變輸出電壓。