CN101534059A

CN101534059A - 单隔离降压型多输入直流变换器

Info

Publication number: CN101534059A
Application number: CN200910111465A
Authority: CN
Inventors: 陈道炼; 陈艳慧
Original assignee: Fuzhou University
Current assignee: Fuzhou University
Priority date: 2009-04-14
Filing date: 2009-04-14
Publication date: 2009-09-16
Anticipated expiration: 2029-04-14
Also published as: CN101534059B

Abstract

本发明涉及一种单隔离降压型多输入直流变换器，其电路结构是由一个多输入单输出高频逆变电路将多个共地的输入LC滤波器和一个共用的输出高频隔离变压整流滤波电路联接构成，多输入单输出高频逆变电路的每个输入端与每个输入LC滤波器的输出端一一对应联接，多输入单输出高频逆变电路的输出端与高频变压器的输入端相联接。这种变换器具有输入直流电源共地、高频逆变电路之间未隔离、输出与输入隔离、电压匹配能力强、多输入电源分时供电、电路拓扑简洁、共用输出高频变压器和整流滤波电路、功率密度高、变换效率高、输出电压纹波小、成本低、应用前景广泛等特点，为多种可再生能源联合供电的分布式供电系统奠定了关键技术。

Description

单隔离降压型多输入直流变换器

技术领域

本发明所涉及的单隔离降压型多输入直流变换器，属于电力电子变换技术。

背景技术

直流变换器是应用功率半导体器件，将一种直流电能变换成另一种直流电能的静止变换装置，供直流负载使用。输出直流负载与输入直流电源间有高频电气隔离的变换器，称为隔离型直流变换器。高频电气隔离元件在变换器中主要起到了如下作用：1)实现了变换器输出与输入之间的电气隔离，提高了变换器运行的安全可靠性和电磁兼容性；2)实现了变换器输出电压与输入电压之间的匹配，即实现了变换器的输出电压可以高于、等于或低于输入电压的技术效果，其应用范围得到了大大拓宽；3)当高频变压器或高频储能式变压器的工作频率在20kHz以上时，其体积、重量大大降低了，音频噪音消除了。因此，在以直流发电机、蓄电池、太阳能电池和燃料电池等为主直流电源的二次电能变换场合，隔离型直流变换器具有重要的应用价值。

太阳能、风能、潮汐能和地热能等可再生能源(也称为绿色能源)，具有清洁无污染、廉价、可靠、丰富等优点，因而具有广泛的应用前景。由于石油、煤和天然气等化石能源(不可再生的能源)日益紧张、环境污染严重、导致全球变暖以及核能的生产又会产生核废料和污染环境等原因，可再生能源的开发和利用越来越受到人们的重视。可再生能源发电主要有光伏、风力、燃料电池、水力、地热等类型，均存在电力供应不稳定、不连续、随气候条件变化等缺陷，因此需要采用多种能源联合供电的分布式供电系统。

传统的可再生能源分布式供电系统，如图1所示。该系统通常是采用多个单输入直流变换器将太阳能电池、燃料电池、风力发电机等可再生能源发电设备输出的直流电变换成负载变换器所需要的公共直流母线电压U_dc，然后再通过与直流母线相连的负载变换器将U_dc变换成负载所需要的直流或交流电压，根据负载的性质选择负载变换器的类型。为了使可再生能源发电部分能够协调工作，多种能源必须分别进行电能变换后连接到公共的直流母线上，因此需要多个单输入直流变换器并在输出端加以并联，因而存在电路结构复杂、成本高等缺陷。

为了简化电路结构，可以用一个多输入直流变换器取代多个单输入直流变换器，组成新型的可再生能源分布式供电系统，如图2所示。多输入直流变换器允许多种能源输入，输入源的性质、幅值和特性可以相同，也可以差别很大。该供电系统具有电路结构简洁、成本低、一个高频开关周期内多个输入源可同时或分时向负载供电、可提高系统的稳定性和灵活性、可实现能源的优先利用等优点。

因此，寻求一类允许多种可再生能源联合供电的多输入直流变换器已迫在眉睫，对于简化系统电路结构、降低成本、允许一个高频开关周期内多个输入源同时或分时向负载供电、提高系统的稳定性和灵活性、实现可再生能源的优先利用将具有十分重要的意义。

发明内容

本发明目的是要提供一种具有输入直流电源共地、高频逆变电路之间未隔离、输出与输入之间隔离、电压匹配能力强、多个输入电源分时供电、电路拓扑简洁、共用输出高频变压器和整流滤波电路、功率密度高、变换效率高、输出电压纹波小、成本低、应用前景广泛等特点的单隔离降压型多输入直流变换器。

本发明的单隔离降压型多输入直流变换器，是由一个多输入单输出高频逆变电路将多个共地的输入LC滤波器和一个共用的输出高频隔离变压整流滤波电路联接构成，多输入单输出高频逆变电路的每个输入端与每个输入LC滤波器的输出端一一对应联接，多输入单输出高频逆变电路的输出端与高频变压器的输入端相联接，所述的多输入单输出高频逆变电路由多个带有选择功率开关的单输入单输出高频逆变电路构成，在任意时刻相当于一个单输入单输出高频逆变电路，所述的输出高频隔离变压整流滤波电路由高频变压器、高频整流器、输出LC滤波器依序级联构成。

本发明将传统的可再生能源分布式供电系统中输出端并联的多个单输入直流变换器电路结构，构建为单隔离降压型多输入直流变换器电路结构，提出了单隔离降压型多输入直流变换器新概念、电路结构和拓扑族。

本发明的单隔离降压型多输入直流变换器，能够将多个共地、不稳定的输入直流电压变换成一个所需电压大小、稳定的、高质量的输出直流电压，具有输入直流电源共地、高频逆变电路之间未隔离、输出与输入隔离、电压匹配能力强、多输入电源分时供电、电路拓扑简洁、共用输出高频变压器和整流滤波电路、功率密度高、变换效率高、输出电压纹波小、成本低、应用前景广泛等特点。单隔离降压型多输入直流变换器的综合性能，将比传统的输出端并联的多个单输入直流变换器优越。

附图说明

图1，传统的可再生能源分布式供电系统。

图2，新型的可再生能源分布式供电系统。

图3，单隔离降压型多输入直流变换器原理框图。

图4，单隔离降压型多输入直流变换器电路结构图。

图5，单隔离降压型多输入直流变换器分时供电时原理波形图。

图6，单隔离降压型多输入直流变换器电路拓扑实例一——单管正激式电路原理图。

图7，单隔离降压型多输入直流变换器电路拓扑实例二——并联交错单管正激式电路原理图。

图8，单隔离降压型多输入直流变换器电路拓扑实例三——推挽式电路原理图。

图9，单隔离降压型多输入直流变换器电路拓扑实例四——推挽正激式电路原理图。

图10，单隔离降压型多输入直流变换器电路拓扑实例五——双管正激式电路原理图。

图11，单隔离降压型多输入直流变换器电路拓扑实例六——并联交错双管正激式电路原理图。

图12，单隔离降压型多输入直流变换器电路拓扑实例七——半桥式电路原理图。

图13，单隔离降压型多输入直流变换器电路拓扑实例八——全桥式电路原理图。

图14，单隔离降压型多输入直流变换器分时供电时主从式电压、电流瞬时值反馈控制框图。

图15，单隔离降压型多输入直流变换器分时供电时主从式电压、电流瞬时值反馈控制原理波形图。

具体实施方式

下面结合说明书附图及实施例对本发明做进一步描述。

单隔离降压型多输入直流变换器电路结构，是由一个多输入单输出高频逆变电路将多个共地的输入LC滤波器和一个共用的输出高频隔离变压整流滤波电路联接构成，多输入单输出高频逆变电路的每个输入端与每个输入LC滤波器的输出端一一对应联接，多输入单输出高频逆变电路的输出端与高频变压器的输入端相联接，所述的多输入单输出高频逆变电路由多个带有选择功率开关的单输入单输出高频逆变电路构成，在任意时刻相当于一个单输入单输出高频逆变电路，所述的输出高频隔离变压整流滤波电路由高频变压器、高频整流器、输出LC滤波器依序级联构成。

单隔离降压型多输入直流变换器原理框图、电路结构、分时供电时原理波形，分别如图3、4、5所示。由于单隔离降压型多输入直流变换器是电压型变换器，其原理相当于多个降压型单输入直流变换器在输出端电压的叠加，即输出电压U_o与输入直流电压(U_i1、U_i2、…、U_in)、高频变压器匝比N₂/N₁、占空比(D₁、D₂、…、D_n)之间的关系为U_o＝(D₁U_i1+D₂U_i2+…+D_nU_1n)N₂/N₁。U_o在适当的占空比(D₁、D₂、…、D_n)和高频变压器匝比N₂/N₁时可以大于、等于或小于输入直流电压之和U_i1+U_i2+…+U_in所以这类变换器电路结构中的高频变压器不但起到了提高变换器运行的安全可靠性和电磁兼容性，更重要的是起到了匹配输出电压与输入电压的作用，即实现了变换器的输出电压高于、等于或低于输入直流电压之和U_i1+U_i2+…+U_in的技术效果，其应用范围得到了大大拓宽。由于0<D₁+D₂+…+D_n<1，所以U_o<(U_i1+U_i2+…+U_in)N₂/N₁，即输出直流电压U_o总是低于输入直流电压(U_i1、U_i2、…、U_in)与高频变压器匝比N₂/N₁乘积之和(U_i1+U_i2+…+U_in)N₂/N₁；又由于变换器的n输入单输出高频逆变电路之间未隔离，变换器输出直流负载与输入电源之间相互隔离，故将这类变换器称为单隔离降压型多输入直流变换器。该电路结构中的高频逆变器由多个能够承受双向电压应力、单向电流应力的两象限高频功率开关构成，高频整流器由一个或多个高频整流二极管和续流二极管构成。该电路结构n个输入源在一个高频开关周期内只能分时对直流负载供电，占空比可以相同(D₁＝D₂＝…＝D_n)，也可以不同(D₁≠D₂≠…≠D_n)。

当电源向负载传递功率时，n输入单输出高频逆变器将n个输入直流电压调制成幅值随输入直流电压变化的双极性两态或三态的多电平高频电压波u_N1，经高频变压器T电气隔离、传输和电压匹配后，高频整流器将其整流成多电平高频脉冲直流电压，经输出LC滤波器后得到高质量的直流电压U_o，高频逆变器的n个输入脉冲直流电流经输入LC滤波器L_i1-C_i1、L_i2-C_i2、…、L_in-C_in后在输入直流电源U_i1、U_i2、…、U_in中可获得平滑的输入直流电流I_i1、I_i2、…、I_in。

本发明的单隔离降压型多输入直流变换器，由于共用一个高频变压器和一个输出整流滤波电路，与传统的可再生能源分布式供电系统中输出端并联的多个单输入直流变换器电路结构存在着重要的区别。因此，本发明所述变换器具有创造性，具有高频逆变电路之间未隔离、输出与输入之间隔离、变换效率高(意味着能量损耗小)、功率密度高(意味着体积、重量小)、输出电压纹波小、成本低、应用前景广泛等优点，在大力倡导建设节能型、节约型社会的今天，更具有重要价值。

单隔离降压型多输入直流变换器电路拓扑族实施例，如图6、7、8、9、10、11、12、13所示。图6为单管正激式电路，图7为并联交错单管正激式，图8为推挽式电路，图9为推挽正激式电路，图10双管正激式电路，图11为并联交错双管正激式，图12为半桥式电路，图13为全桥式电路。需要说明的是，图6、7中的RCD箝位电路和图10、11中的箝位二极管是用来实现高频变压器T(T₁、T₂)的磁复位；图9所示推挽正激式电路中，S_s是在其它功率开关均截止时导通，为C_s提供充电回路；图9、10、11、12、13所示高频逆变电路中的功率开关S₃、S₄、S₃与S₄、S₃、S₃与S₄采用了能承受单向电压应力、双向电流应力的两象限高频功率开关，目的是为了省去阻断二极管；图12所示半桥电路中，功率开关S₁₄、S₂₄、…、S_n4采用了双向电压应力、双向电流应力的四象限高频功率开关，目的是为电容C₁增添放电回路。从高频逆变器侧看，单管正激式、并联交错单管正激式、推挽式、推挽正激式电路高频功率开关的电压应力为输入电压值的两倍(2U_i1、2U_i2、…、2U_in)，双管正激式、并联交错双管正激式、半桥式、全桥式电路高频功率开关的电压应力为输入电压值(U_i1、U_i2、…、U_in)；从输出高频整流器看，高频整流二极管和续流二极管的电压应力为折算到副边的输入电压值(U_i1N₂/N₁、U_i2N₂/N₁、…、U_inN₂/N₁)。单管正激式、并联交错单管正激式、推挽式、推挽正激式电路适用于低压输入变换场合，双管正激式、并联交错双管正激式、半桥式、全桥式电路适用于高压输入变换场合。单管正激式、双管正激式适用于小功率变换场合，半桥式电路适用于中功率变换场合，并联交错单管正激式、推挽式、推挽正激式、并联交错双管正激式、全桥式电路适用于大功率变换场合。该电路拓扑族适用于将多个共地、不稳定的输入直流电压变换成一个所需电压大小、稳定的、高质量的输出直流电压，可用来实现具有优良性能和广泛应用前景的新型可再生能源分布式供电系统中的多输入直流变换器，如光伏电池40-60VDC/360VDC、10kw质子交换膜燃料电池85-120V/360VDC、中小型户用风力发电24-36-48VDC/360VDC、大型风力发电1000VDC/360VDC等多输入源对直流负载供电。

单隔离降压型多输入直流变换器可用来实现多种能源分时供电，可采用第1、2、…、n-1路输出功率固定和第n路补充负载所需的不足功率的主从式电压、电流瞬时值反馈控制策略，其控制框图和控制原理波形分别如图14、15所示。将变换器1、2、…、n-1的输入电流反馈信号I_i1f、I_i2f、…、I_i(n-1)f分别与基准电流I_i1r、I_i2r、…、I_i(n-1)r进行比较，其误差信号经比例积分调节器后得到了误差电流放大信号I_1e、I_2e、…、I_(n-1)e，将变换器的输出电压反馈信号U_of与基准电压U_r进行比较，其误差信号经比例积分调节器后得到了误差电压放大信号U_e，I_1e、I_2e、…、I_(n-1)e、U_e分别与锯齿形载波u_c进行交截，得到了PWM信号u_hf1、u_hf2、…、u_hfn及其反向信号u_hf12、u_hf22、…、u_hfn2。u_hf1分别与下降沿二分频信号u_sy及其反向信号u_sy相与，经驱动电路后得到功率开关S₁₂、S₁₁(S₁₄)的驱动信号；u_hf2、…、u_hfn分别与u_hf1、u_hf2、…、u_hfn-1的反向信号相与后、再分别与u_sy、u_sy相与，经驱动电路后得到功率开关S₂₂和S₂₁(S₂₄)、S₃₂和S₃₁(S₃₄)…、S_n2和S_n1(S_n4)的驱动信号；将u_hfn分别与u_sy、u_sy相与经驱动电路后得到功率开关S₃、S₄的驱动信号；u_hfn经反相、驱动电路后得到功率开关S_s的驱动信号。

因此，当输入电压或负载变化时，通过调节基准电压U_r和基准电流I_i1r、I_i2r、…、I_i(n-1)r，即调节了误差电压信号U_e和误差电流信号I_1e、I_2e、…、I_(n-1)e来改变占空比D₁、D₂、…、D_n，便可实现单隔离降压型多输入直流变换器输出电压、输入电流(输出功率)的稳定与调节。

对于图6、10所示单管正激式、双管正激式电路而言，占空比(D₁、D₂、…、D_n)就是相应功率开关的占空比，即D₁＝T_ON1/T_s、D₂＝T_ON2/T_s、…、D_n＝T_ONn/T_s(T_s为高频开关周期)；图7、8、9、11、12、13所示推挽式、推挽正激式、并联交错单管正激式、并联交错双管正激式、半桥式、全桥式电路而言，占空比(D₁、D₂、…、D_n)是相应功率开关占空比的两倍，即D₁＝T_ON1/(T_s/2)、D₂＝T_ON2/(T_s/2)、…、D_n＝T_ONn/(T_s/2)，但在图12所示半桥式电路中，应将半个输入直流电压值(U_i1/2、U_i2/2、…、U_in/2)代入到电压传输比式子中进行计算。

Claims

1.一种单隔离降压型多输入直流变换器，其特征在于：这种变换器由一个多输入单输出高频逆变电路将多个共地的输入LC滤波器和一个共用的输出高频隔离变压整流滤波电路联接构成，多输入单输出高频逆变电路的每个输入端与每个输入LC滤波器的输出端一一对应联接，多输入单输出高频逆变电路的输出端与高频变压器的输入端相联接，所述的多输入单输出高频逆变电路由多个带有选择功率开关的单输入单输出高频逆变电路构成，在任意时刻相当于一个单输入单输出高频逆变电路，所述的输出高频隔离变压整流滤波电路由高频变压器、高频整流器、输出LC滤波器依序级联构成。

2.根据权利要求1所述的单隔离降压型多输入直流变换器，其特征在于：所述单隔离降压型多输入直流变换器的电路拓扑为单管正激式、并联交错单管正激式、推挽式、推挽正激式、双管正激式、并联交错双管正激式、半桥式、全桥式电路。