CN101662230A - 非接触多输入电压源型谐振变换器 - Google Patents

非接触多输入电压源型谐振变换器 Download PDF

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Abstract

一种非接触多输入电压源型谐振变换器，属电能变换领域。它包括原边电路、多绕组非接触变压器(4)和副边电路；所述原边电路由n个能量输入支路组成，每个支路由输入源(1)、电压源型逆变桥(2)及原边谐振网络(3)顺次串联在对应的多绕组非接触变压器(4)的一个原边绕组上；所述多绕组非接触变压器(4)的原边n个绕组紧密耦合，原副边之间相对可活动；所述副边电路由副边谐振网络(5)、整流及滤波电路(6)依次串联；上述n个能量输入支路中，至少有(n－1)个支路的原边谐振网络(3)含串联电感。电压源型谐振变换器内在的电流源特性及紧密耦合的原边多绕组，实现多输入源分时/同时多模式供电；非接触供电保证安全性和便利性。

Description

非接触多输入电压源型谐振变换器
技术领域
本发明涉及一种适用于可再生能源供电系统的非接触多输入电压源型谐振变换器，属于电能变换领域。
背景技术
随着全球化学能源的枯竭，可再生能源(包括风能、太阳能、地热能和海洋能等)越来越受到人们的重视。相对于化石能源，可再生能源具有资源潜力大、环境污染低和可持续利用等优点，成为有利于人与自然和谐发展的重要能源。但所有的可再生能源发电形式均存在电力供应不稳定、不连续和随气候条件变化等缺点，因此需要采用多种能源联合供电。为了简化电路结构、减小变换器级联所带来的能量损失，相应要求采用多输入变换器，保证多种能量并联高效传输。出于安全以及多路输出的需要，很多场合要求采用隔离型多输入变换器。
现有的隔离型多输入变换器，大多只能够实现不同的能量源分时供电，如K.Kobayashi，H.Matsuo，and Y.Sekine，“Novel solar-cell power supply system using themultiple-input DC-DC converter，”IEEE Transactions on Industrial Electronics，vol 53，no.1，pp.281-286，Feb.2006公开的一种基于反激变换器拓扑的隔离性多输入变换器，如果两路输入源同时供电，而两电压源电压并不一定满足匝比关系，电压源间短路，电路中会产生过流引起损坏；而分时供电的要求会大大增加系统控制的难度。为了保证多输入源可同时供电，目前采用电流源型电路拓扑，但是该类电路中原边器件的电压应力很高，不利于电路的安全可靠工作。
发明内容
本发明的目的是为了克服上述现有隔离性多输入变换器不能实现分时/同时多模式可靠工作的不足，结合可再生能源供电系统高安全、高可靠、便捷使用的需求，提出一种适用于可再生能源供电系统的非接触多输入电压源型谐振变换器，实现多输入源分时/同时可靠稳定供电，并保证使用的安全性和便利性。
本发明的非接触多输入电压源型谐振变换器，其特征在于，它包括原边电路、多绕组非接触变压器和副边电路；所述原边电路由n个能量输入支路组成，每一个能量输入支路由输入源、电压源型逆变桥及原边谐振网络顺次串联在对应的多绕组非接触变压器的一个原边绕组上；所述多绕组非接触变压器的原边n个绕组紧密耦合，原副边之间相对可活动；所述副边电路由副边谐振网络、整流及滤波电路依次串联；为实现至少两路输入源同时工作，必须依靠原边谐振网络中的串联电感补偿两路输入源的压降，因此至少(n-1)个能量输入支路的原边谐振网络需含串联电感，最多一个能量输入支路允许使用电容串联补偿；上述n为大于等于2的自然数。
本发明与现有技术相比的主要技术特点是，输入源经电压源型逆变桥变换得到方波电压，再经原边谐振网络3构成电压源型谐振变换器，实际加到多绕组非接触变压器原边绕组的是电流信号，即该变换器具有内在的电流源特性，且多绕组非接触变压器的原边n个绕组紧密耦合，保证了多种能量并联高效传输，实现了多输入源分时/同时多模式供电；采用电压源型电路拓扑大大减小了开关器件的电压应力，有利于电路的安全可靠工作；采用非接触式供电方式，多绕组非接触变压器4的原副边绕组之间相对可活动，保证灵活、安全、可靠的非接触能量变换。适用于大多数可再生能源联合供电系统。
上述电压源型逆变桥选用全桥变换器或半桥变换器电路拓扑，在大功率应用场合通常选用全桥变换器，而半桥变换器适合于小功率应用场合。
如果上述n个能量输入支路中，至少一个能量输入支路的输入源为独立储能单元。所述储能单元由蓄电池组或超级电容构成。当输入源为独立储能单元时，各个可再生能源都可以通过该能量输入支路向储能单元存储能量。
如果上述n个能量输入支路中，至少一个能量输入支路的输入源并联有独立储能电路。所述储能电路由储能单元及DC-DC双向变换器串联组成。当输入源并联有独立储能电路时，可实现该输入源的单独能量存储。
上述多绕组非接触变压器的原边n个绕组在实际应用中采用独立绕组形式或自耦形式。当采用自耦形式时，相邻两个能量输入支路可以共用原边谐振网络中的串联电感。
上述多绕组非接触变压器的副边在实际应用中单绕组或多绕组输出。
上述整流及滤波电路在实际应用中采用全桥整流或全波整流方式。
附图说明
附图1是本发明的非接触多输入电压源型谐振变换器的结构框图；
附图2是本发明的非接触多输入电压源型谐振变换器的等效电路图；
附图3是本发明的非接触多输入电压源型谐振变换器中含串联电感的原边谐振网络结构示意图，其中附图3-1是LC串联补偿，附图3-1是LC并联补偿。
附图4～7是本发明的非接触多输入电压源型谐振变换器的四种实施例电路结构示意图。
上述附图中的主要符号名称：1-输入源；2-电压源型逆变桥；3-原边谐振网络；4-多绕组非接触变压器；5-副边谐振网络；6-整流及滤波电路；7-等效电流源；np1～npn-多绕组非接触变压器的原边绕组；ns-多绕组非接触变压器的副边绕组；Lpσ-多绕组非接触变压器的原边漏感；Lsσ-多绕组非接触变压器的副边漏感；Lm-多绕组非接触变压器的激磁电感；L-原边谐振网络的补偿电感；C-原边谐振网络的补偿电容；Vac-电网电压；Vpv-太阳能电池电压；Vbat-储能单元电压；Vin1、Vin2-电源电压；D-二极管；S11～S14、S21～S24、S31～S34-开关管；Lp1～Lp3-原边谐振电感；Cp1～Cp3-原边谐振电容；Cs-副边谐振电容；DR1～DR4-输出整流二极管；Cf-输出滤波电容；RL-负载；Vo-输出电压；C11～C12、C21～C22、C31～C32-半桥变换器分压电容。
具体实施方式
附图1所示为非接触多输入电压源型谐振变换器的结构框图，它包括原边电路、多绕组非接触变压器和副边电路。
如附图2所示，假设多绕组非接触变压器的n个原边绕组及副边绕组的匝数相等，即np1＝np2…npn＝ns，由于n个原边绕组紧密耦合，将变压器的副边折合到原边即可得到多绕组非接触变压器的T型等效电路，其中，Lpσ、Lsσ、Lm分别是多绕组非接触变压器等效模型的原边漏感、副边漏感和激磁电感。且由电压源型谐振变换器内在的电流源特性，将其等效为电流源7，多个电流源可并联输出，因此该变换器保证了多种能量并联高效传输，实现了多输入源分时/同时多模式供电。
为实现至少两路输入源同时工作，必须依靠原边谐振网络中的串联电感补偿两路输入源的压降，因此至少(n-1)个能量输入支路的原边谐振网络需含串联电感，最多一个能量输入支路允许使用电容串联补偿。附图3为含串联电感的两种补偿网络，其中，附图3-1为LC串联补偿，附图3-2为LC并联补偿。副边谐振网络可任意选取。
附图4为非接触多输入电压源型谐振变换器的一个实施例，其中原边电路包含三个能量输入支路。电网电压Vac经AC/DC整流器变换得到输入源Vin1，太阳能电池电压Vpv经DC-DC单向变换器得到第二路输入源Vin2，该DC-DC单向变换器用于实现太阳能电池的最大功率点跟踪(MPPT)，第三路输入源为独立储能单元Vbat，该储能单元由蓄电池组或超级电容构成，S11～S14、S21～S24、S31～S34分别是三个全桥变换器的主开关管，原边谐振网络选用LC串联补偿，其中Lp1～Lp3是原边谐振电感，Cp1～Cp3是原边谐振电容；np1～np3紧密耦合在非接触变压器的原边，ns是副边绕组；Cs是副边谐振电容，DR1～DR4是输出整流二极管，Cf是输出滤波电容，RL为负载。其特征在于，各个可再生能源都可以通过该能量输入支路向储能单元存储能量；np1～np3紧密耦合，保证三种能量并联高效传输；np1～np3紧密耦合，任意两个能量源之间可实现能量高效传输，当采用双向AC/DC整流器，可将太阳能和储能单元的能量反馈至网侧。
附图5为非接触多输入电压源型谐振变换器的第二个实施例，包含附图4所述实施例中以电网和太阳能为输入源的两个能量输入支路。其特征在于，在以太阳能为输入源的能量输入支路上并联有独立储能电路，该电路由储能单元Vbat及DC-DC双向变换器组成，实现该输入源的单独能量存储。
附图6为非接触多输入电压源型谐振变换器的第三个实施例，与附图4所述实施例不同的是，非接触多输入电压源型谐振变换器的多绕组非接触变压器4的原边n个绕组采用自耦形式，相邻两个能量输入支路共用原边谐振网络中的串联电感。原边谐振网络采用LC串联补偿时，自耦形式的非接触多输入电压源型谐振变换器如附图6-1所示；原边谐振网络采用LC并联补偿时，自耦形式的非接触多输入电压源型谐振变换器如附图6-2所示。
附图7为非接触多输入电压源型谐振变换器的第四个实施例，与附图4所述实施例不同的是，电压源型逆变桥2选用半桥变换器电路拓扑。

Claims (8)

1、一种非接触多输入电压源型谐振变换器，其特征在于：它包括原边电路、多绕组非接触变压器(4)和副边电路；所述原边电路由n个能量输入支路组成，每一个能量输入支路由输入源(1)、电压源型逆变桥(2)及原边谐振网络(3)顺次串联在对应的多绕组非接触变压器(4)的一个原边绕组上；所述多绕组非接触变压器(4)的原边n个绕组紧密耦合，原副边之间相对可活动；所述副边电路由副边谐振网络(5)、整流及滤波电路(6)依次串联；上述n个能量输入支路中，至少有(n-1)个能量输入支路的原边谐振网络(3)含串联电感；上述n为大于等于2的自然数。
2、如权利要求1所述的非接触多输入电压源型谐振变换器，其特征在于：所述电压源型逆变桥(2)采用半桥变换器或全桥变换器电路拓扑。
3、如权利要求1所述的非接触多输入电压源型谐振变换器，其特征在于：所述n个能量输入支路中至少有一条能量输入支路的输入源(1)为独立储能单元，该储能单元包括蓄电池组或超级电容。
4、如权利要求1所述的非接触多输入电压源型谐振变换器，其特征在于：所述n个能量输入支路中至少一个能量输入支路的输入源(1)并联有独立储能电路，该电路包括储能单元及DC-DC双向变换器。
5、如权利要求1所述的非接触多输入电压源型谐振变换器，其特征在于：所述多绕组非接触变压器(4)的原边n个绕组采用独立绕组形式或自耦形式。
6、如权利要求5所述的非接触多输入电压源型谐振变换器，其特征在于：所述多绕组非接触变压器(4)的原边n个绕组采用自耦形式时，相邻两个能量输入支路共用原边谐振网络中的串联电感。
7、如权利要求1所述的非接触多输入电压源型谐振变换器，其特征在于：所述多绕组非接触变压器的副边单绕组或多绕组输出。
8、如权利要求1所述的非接触多输入电压源型谐振变换器，其特征在于：所述整流及滤波电路(6)中的整流电路采用全桥整流或全波整流方式。
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