[发明专利]一种双向DC-DC变换器

说明书

技术领域

本发明属于直流变换器技术领域，具体涉及一种双向DC-DC变换器。

背景技术

双向DC-DC变换器在工业及宇航领域具有广泛的用途，例如电池充放电，新能源系统，电动汽车、航天器能源系统等，其具有功率密度高、动态响应快、成本低等特点。在这些领域的某些特殊应用工况下对双向变换器的能量高频双向切换性能提出了极高的要求，例如电动汽车的快速启动和制动、减速和加速，新能源系统中供电能量(太阳能、风能、燃料电池等)的快速变化，宇航应用中PCU的调节功率母线为脉冲型的TDMA或SAR等载荷供电且工作在太阳阵能量不足时，均会对电池、超级电容等储能设备的充放电过程形成快速的切换。

如附图1所示，为基于S3R(Sequential Switching Shunt Regulator)架构的宇航一次电源(Power Conditioning Unit，PCU)的结构示意图，PCU是航天器的核心功能设备，是航天器所有平台及载荷设备的唯一能量来源，其可靠稳定的工作直接关系到空间任务的成败，因此最常用的手段是通过多模块并联冗余备份的方式来提高功率系统可靠性，例如图中所示的电池充电调节模块组和电池放电调节模块组。当PCU的一次功率母线为TDMA、SAR等阶跃性的载荷供电时，为稳定一次功率母线的电压并给载荷提供足够能量，在太阳阵能量不足时主误差放大器MEA将控制BCR和BDR工作在跨域阶段，即对电池进行高频充放电切换阶段，该切换频率直接受阶跃性载荷的工作频率决定。

现有的宇航应用中，通常采用各自独立的BCR和BDR对电池进行充电和放电调节，并在MEA的域控制上留出死区时间，避免快速切换时BCR和BDR同时工作导致能量在模块间形成环流从而引起损耗增大，但该域控制中死区的设置降低了一次功率母线的动态响应，同时分立的BCR和BDR也存在功率密度低等问题。

采用双向DC-DC变换器可以显著提高充放电变换器的功率密度，降低成本。工业应用上的双向变换器大多基于buck或boost型拓扑进行衍生，通过将二极管替换为开关管的方式，可以将绝大多数拓扑变为双向拓扑，主要分为隔离和非隔离型双向变换器。传统隔离和非隔离型双向变换器应用在高频双向切换领域时有如下缺点：

a)隔离的双向变换器因变压器漏感、驱动死区设置、启动电路、软开关等原因，进行能量双向流动切换的频率有限。

b)非隔离双向变换器的boost方向的拓扑一般存在右半平面零点，因此控制补偿环节复杂，应用在多模块并联且高频双向能量切换时，并联系统容易不稳定。

发明内容

为解决现有技术中存在的问题，本发明提出了一种双向DC-DC拓扑结构(Weinberg-buck拓扑)，以及基于该拓扑结构的双向DC-DC变换器，该双向拓扑正反向的数值模型均是二阶最小相位系统，使得该双向变换器易于并联控制，双向变换器在充放电过程中共用同一个耦合电感，因此具备能量双向高频切换的能力。

本发明具体通过如下技术方案实现：