[发明专利]基于ZVS_PWM双向DC-DC CUK变换器、变换系统和方法

权利要求书

1.一种基于ZVS_PWM双向DC-DC CUK变换器，其特征在于，包括：

第一电感、第四电感、第一a电容、第一b电容、第二电容、第一功率开关、第二功率开关、第一辅助开关、第二辅助开关、第一谐振电感、第二谐振电感、第一谐振电容、第二谐振电容；

第一电感一端连接储能元件正极，所述第一电感另一端连接第一功率开关漏极，所述第一电感另一端还连接第一辅助开关源极，第一谐振电容一端连接第一辅助开关漏极，所述第一谐振电容另一端连接储能元件负极，所述第一谐振电容另一端还连接第一功率开关源极，第一谐振电感一端连接第一辅助开关源极，所述第一谐振电感另一端连接第一a电容一端，所述第一a电容另一端连接第二功率开关源极，第二b电容一端连接第一功率开关源极，所述第二b电容另一端连接第二谐振电感一端，所述第二谐振电感另一端连接第二辅助开关源极，所述第二谐振电感另一端还连接第二功率开关漏极，第二谐振电容一端连接第二辅助开关漏极，所述第二谐振电容另一端连接第二功率开关源极，第二电容一端连接第二功率开关源极，所述第二电容另一端连接第四电感一端，所述第四电感另一端连接第二功率开关漏极。

2.根据权利要求1所述的基于ZVS_PWM双向DC-DC CUK变换器，其特征在于，还包括：第一二极管、第二二极管、第一谐振二极管、第二谐振二极管；所述第一二极管正极连接第一功率开关源极，所述第一二极管负极连接第一功率开关漏极，所述第二二极管正极连接第二功率开关源极，所述第二二极管负极连接第二功率开关漏极，所述第一谐振二极管正极连接第一辅助开关源极，所述第一谐振二极管负极连接第一辅助开关漏极；所述第二谐振二极管正极连接第二辅助开关源极，所述第二谐振二极管负极连接第二辅助开关漏极。

3.根据权利要求1所述的基于ZVS_PWM双向DC-DC CUK变换器，其特征在于，还包括：第二电感，

所述第二电感一端连接电源负极，所述第二电感另一端连接第一功率开关源极。

4.根据权利要求1所述的基于ZVS_PWM双向DC-DC CUK变换器，其特征在于，还包括：第三电感，所述第三电感一端连接第二功率开关源极，所述第三电感另一端连接第二电容一端。

5.一种基于ZVS_PWM双向DC-DC CUK变换器的变换系统，其特征在于，包括：第一变换器正极输出端连接均衡总线正极端，第一变换器负极输出端连接均衡总线负极端，第二变换器正极输出端连接均衡总线正极端，第二变换器负极输出端连接均衡总线负极端，第N变换器正极输出端连接均衡总线正极端，第N变换器负极输出端连接均衡总线负极端，所述N为正整数。

6.一种基于ZVS_PWM双向DC-DC CUK变换器的工作方法，其特征在于，包括如下步骤：

DC-DC CUK变换器左侧向右侧供电时，分为六个阶段，

S1，在t0-t1的阶段，第一功率开关导通，第一辅助开关关断，输入电流和输出电流均通过第一功率开关流通，i_S1＝I_i+I_o；

其中，i_S1表示流过第一功率开关的电流，I_i表示输入电流，当第一电感值选择适当时，输入电流可视为定值，I_o表示输出电流，当选择适配的第四电感值时，输出电流可视为定值；

此阶段电路工作在常规的PWM模式，当第一功率开关由导通切换至关断时，此阶段结束；

S2，在t1-t2的阶段，第一功率开关、第一辅助开关均关断，输入电流和输出电流通过第一辅助开关续流二极管给第一谐振电容进行恒流充电，

其中，C_r表示第一谐振电容值，u_Cr表示第一谐振电容端电压；由式(1)可得，

其中，t∈[t₁,t₂]，当u_Cr＝U_1a+U_1b时，此阶段结束，U_1a和U_1b分别为第一a电容端电压和第一b电容端电压，当第一a电容值和第一b电容值进行适配选取，U_1a和U_1b可视为定值，且U_1a+U_1b＝U_i+U_o，U_i和U_o分别表示变换器的输入电压和输出电压，可得此阶段的时间间隔，

其中，ΔT₂为此阶段的时间间隔；此阶段是变换器状态由常规的PWM工作模式进入谐振工作模式的过渡阶段；

S3，在t2-t3的阶段，第一功率开关、第一辅助开关均关断，由于第一谐振电容端电压大于第一a电容端电压和第一b电容端电压之和，因此第二二极管导通，此阶段第一谐振电容、第一谐振电感、第二谐振电感、第一a电容、第一b电容、第一辅助开关续流二极管、第二功率开关续流二极管构成谐振回路，

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分别表示第一谐振电感值和第二谐振电感值，i_Lr表示流过第一谐振电感和第二谐振电感的电流，u_p表示谐振环路中所有器件寄生电阻所产生的压降，i_Sr1表示流过第一辅助开关的电流，R_Sr1表示第一辅助开关的导通电阻，i_D2表示流过第二功率开关续流二极管的电流，R_D2表示第二功率开关续流二极管的导通电阻，R_Lr1和R_Lr2分别表示第一谐振电感直流电阻和第二谐振电感直流电阻。初始条件为，

忽略管压降，求解式(4)-(7)，

其中，t∈[t₂,t₃]，ω表示谐振回路的谐振角频率，Z表示谐振回路的阻抗，

当i_D2＝I_i+I_o时，第二辅助开关续流二极管自动断流，谐振行为停止，此阶段结束，此阶段时间间隔为谐振周期的四分之一，ΔT₃＝T_LC/4，ΔT₃为此阶段的时间间隔，T_LC为谐振周期，

S4，在t3-t4的阶段，第一功率开关、第一辅助开关均关断，输入电流和输出电流均通过第二功率开关续流二极管流通，i_D2＝I_i+I_o；此阶段，电路工作在常规的PWM模式下；

S5，在t4-t5的阶段，第一功率开关保持关断，第一辅助开关导通，此阶段第一谐振电容、第一谐振电感、第二谐振电感、第一a电容、第一b电容、第一辅助开关、第二功率开关续流二极管构成谐振电路，谐振方程同式(4)-(6)，初始条件为，

忽略管压降，求解式(4)-(6)，(9)，

其中，t∈[t₄,t₅]，当u_Cr＝0时，电路谐振行为结束；该阶段电路工作的谐振模式，为第一功率开关的零电压开通创造了条件。

S6，在t5-t6的阶段，第一a电容、第一b电容开始通过第一二极管和第二二极管对第一谐振电感和第二谐振电感放电并反向充电，

i_S1＝I_i-i_Lr (12)

求解(11)(12)，

其中，t∈[t₅,t₆]，I_Lr5为第一谐振电感在t5时刻的电流值，在此阶段，关断第一辅助开关，就可以实现第一辅助开关的软切换，开通第一功率开关就可以实现第一功率开关的零电压开通。当i_S1＝I_i+I_d时，第二功率开关续流二极管的电流自动断流，该阶段结束，可得此阶段时间间隔，

其中，ΔT₆为此阶段时间间隔；该阶段为电路由谐振工作模式进入常规的PWM工作模式的过渡阶段，此阶段结束后又进入第一阶段；

输入电压与输出电压关系的推导如下，

在一个周期内，第四电感的平均电压值为零，因此第二功率开关端电压在一个周期内的平均值等于输出电压，

其中，T_s为PWM控制周期，第一阶段(t0-t1)第二功率开关端电压为第一a电容和第一b电容的端电压之和，第二阶段(t1-t2)第二功率开关端电压为第一谐振电容端电压与第一a电容和第一b电容的端电压之和的差值，第三阶段(t2-t3)、第四阶段(t3-t4)、第五阶段(t4-t5)、第六阶段(t5-t6)第二功率开关端电压为零，由此可得，

其中，ΔT₁表示第一阶段时间间隔，由式(16)可以得出输出电压与输入电压的关系，

由式(17)可以看出，η表示变换器的转换效率；当电路参数确定后，可以通过改变PWM周期、第一阶段时间间隔、第三阶段时间间隔来改变输出电压。