CN101860218B - 一种三端口直流变换器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种三端口直流变换器，属电力电子变换器技术领域。本发明所述三端口直流变换器由输入直流源、蓄电池、原边电路、副边电路和变压器构成，原边电路与输入直流源和蓄电池同时相连，副边电路与负载相连，原副边通过变压器电气隔离。其特点是通过一个变换器实现了主电源、蓄电池和负载的功率管理与控制，实现了多个单输入单输出变换器的功能，相对于采用多个单输入单输出变换器的方式，具有以下优点：减少开关器件的数量和相关的控制电路，提高变换效率，简化控制电路，达到高可靠性；采用更加紧凑的布局和统一、有效的管理，提高系统的稳定性；降低系统的成本、减小体积、提高功率密度。

Description

一种三端口直流变换器

技术领域

本发明涉及的是一种三端口直流变换器，属电力电子变换器技术领域，特别涉及新能源发电技术领域中的功率变换器技术领域。

背景技术

随着能源危机和环境污染问题日益严重，太阳能、风能、燃料电池等新能源发电技术成为世界各国关注和研究的热点。新能源发电系统按照是否与公共电网相连，分为并网运行和独立运行两种方式。独立运行的新能源发电系统是新能源发电应用的非常重要的一种方式，可以解决偏远山区、孤岛等无电网地区的供电问题，除此之外，独立新能源发电系统的结构与电动汽车、混合动力汽车的供电系统结构相似，因此对独立新能源发电系统的研究可以进一步推广应用于电动汽车等新技术领域。

新能源发电设备固有的缺陷带来了一些新的难题和挑战，如：燃料电池的响应速度比较缓慢，输出功率不能及时跟踪负载的变化；风能、太阳能发电由于受到风速、风向、日照强度、环境温度等自然条件变化的影响而不能持续、稳定的输出电能，导致系统稳定性问题的增加。因此，独立运行的新能源发电系统必须配备一定容量的储能装置。储能装置起到能量平衡和支撑作用，及时补充系统的短时峰值功率，回收多余功率，保证供电的连续性和可靠性，提高电能的利用率，并且使发电设备在输出功率或负载功率波动较大时，仍能够保持良好的稳定性。

包含储能环节的新能源独立发电系统的典型结构如附图1所示。附图1所示的新能源独立发电系统由单向DC/DC变换器和双向DC/DC变换器构成，单向变换器实现主电源到负载的功率管理，双向变换器与蓄电池相连实现系统的能量管理，当主电源能量充足时，主电源对蓄电池充电，当主电源能量不足时，蓄电池通过双向变换器放电对负载供电。附图1由两个独立变换器构成的系统，其变换器分散控制，体积重量较大；附图1(a)所示系统中，蓄电池为负载供电时需经过两级变换，附图1(b)所示系统中，主电源为蓄电池充电时需经过两级变换，变换级数多，系统效率低。

发明内容

发明目的：

本发明针对现有技术的不足，提供一种仅通过一个变换器即可同时实现输入直流源、蓄电池和负载功率管理与控制的三端口直流变换器。

技术方案：

本发明为实现上述发明目的采用如下三种技术方案：

一种升压式三端口直流变换器，包括输入直流源V_in、蓄电池V_b、原边电路、变压器、副边电路和负载R_o；其中变压器包括原边绕组N_P、第一副边绕组N_S1和第二副边绕组N_S2；副边电路包括第一二极管D₁、第二二极管D₂、滤波电感L_o及滤波电容C_o；原边电路与输入直流源V_in、蓄电池V_b及变压器原边绕组N_P相连，副边电路与变压器第一副边绕组N_S1、变压器第二副边绕组N_S2及负载R_o相连，所述原边电路包括第一电容C₁、第一开关管S₁、第二开关管S₂、辅助开关管S_a及辅助二极管D_a，其中，输入直流源V_in的正极性端分别与第一电容C₁的一端、变压器原边绕组N_P的同名端以及辅助开关管S_a的源极相连，输入直流源V_in的负极性端分别与第一电容C₁的另一端、第一开关管S₁的源极以及蓄电池V_b的负极性端相连，变压器原边绕组N_P的非同名端分别与第一开关管S₁的漏极、第二开关管S₂的源极以及辅助二极管D_a的阳极相连，辅助二极管D_a的阴极与辅助开关管S_a的漏极相连，第二开关管S₂的漏极与蓄电池V_b的正极性端相连；所述副边电路中，变压器第一副边绕组N_S1的同名端与第一二极管D₁的阳极相连，第一二极管D₁的阴极分别与滤波电感L_o的一端以及第二二极管D₂的阴极相连，滤波电感L_o的另一端分别与滤波电容C_o的一端以及负载R_o的一端相连，滤波电容C_o的另一端分别与负载R_o的另一端、变压器第一副边绕组N_S1的非同名端以及变压器第二副边绕组N_S2的同名端相连，变压器第二副边绕组N_S2的非同名端与第二二极管D₂的阳极相连。

一种反极性升降压式三端口直流变换器，包括输入直流源V_in、蓄电池V_b、原边电路、变压器、副边电路和负载R_o；其中变压器包括原边绕组N_P、第一副边绕组N_S1和第二副边绕组N_S2；副边电路包括第一二极管D₁、第二二极管D₂、滤波电感L_o及滤波电容C_o；原边电路与输入直流源V_in、蓄电池V_b及变压器原边绕组N_P相连，副边电路与变压器第一副边绕组N_S1、变压器第二副边绕组N_S2及负载R_o相连，所述原边电路包括第一电容C₁、第一开关管S₁、第二开关管S₂、辅助开关管S_a及辅助二极管D_a，其中输入直流源V_in的正极性端分别与第一电容C₁的一端及第一开关管S₁的漏极相连，输入直流源V_in的负极性端分别与第一电容C₁的另一端、变压器原边绕组N_P的非同名端、辅助二极管D_a的阳极以及蓄电池V_b的正极性端相连，第一开关管S₁的源极分别与变压器原边绕组N_P的同名端、辅助开关管S_a的源极以及第二开关管S₂的漏极相连，第二开关管S₂的源极与蓄电池V_b的负极性端相连；所述副边电路中，变压器第一副边绕组N_S1的同名端与第一二极管D₁的阳极相连，第一二极管D₁的阴极分别与滤波电感L_o的一端以及第二二极管D₂的阴极相连，滤波电感L_o的另一端分别与滤波电容C_o的一端以及负载R_o的一端相连，滤波电容C_o的另一端分别与负载R_o的另一端、变压器第一副边绕组N_S1的非同名端以及变压器第二副边绕组N_S2的同名端相连，变压器第二副边绕组N_S2的非同名端与第二二极管D₂的阳极相连。

一种同极性升降压式三端口直流变换器，包括输入直流源V_in、蓄电池V_b、原边电路、变压器、副边电路和负载R_o；其中变压器包括原边绕组N_P、第一副边绕组N_S1和第二副边绕组N_S2；副边电路包括第一二极管D₁、第二二极管D₂、滤波电感L_o及滤波电容C_o；原边电路与输入直流源V_in、蓄电池V_b及变压器原边绕组N_P相连，副边电路与变压器第一副边绕组N_S1、变压器第二副边绕组N_S2及负载R_o相连，所述原边电路包括第一电容C₁、第一开关管S₁、第二开关管S₂、第三开关管S₃及第四开关管S₄，其中，输入直流源V_in的正极性端分别与第一电容C₁的一端以及第一开关管S₁的漏极相连，输入直流源V_in的负极性端分别与第一电容C₁的另一端、第二开关管S₂的源极、第三开关管S₃的源极以及蓄电池V_b的负极性端相连，变压器原边绕组N_P的同名端分别与第一开关管S₁的源极以及第二开关管S₂的漏极相连，变压器原边绕组N_P的非同名端分别与第三开关管S₃的漏极以及第四开关管S₄的源极相连，第四开关管S4的漏极与蓄电池V_b的正极性端相连；所述副边电路中，变压器第一副边绕组N_S1的同名端与第一二极管D₁的阳极相连，第一二极管D₁的阴极分别与滤波电感L_o的一端以及第二二极管D₂的阴极相连，滤波电感L_o的另一端分别与滤波电容C_o的一端以及负载R_o的一端相连，滤波电容C_o的另一端分别与负载R_o的另一端、变压器第一副边绕组N_S1的非同名端以及变压器第二副边绕组N_S2的同名端相连，变压器第二副边绕组N_S2的非同名端与第二二极管D₂的阳极相连。

有益效果：

本发明通过一个变换器实现了主电源、蓄电池和负载的功率管理与控制，实现了多个单输入单输出变换器的功能，相对于采用多个变换器构成的系统，具有如下突出优点：

(1)减少了器件和相关的控制电路，减小了功率损耗，提高了变换效率；

(2)减小了系统体积，实现高的功率密度；

(3)整个变换器成为一个整体，可以采用集中控制，实现更加有效的管理；

(4)可以采用更加紧凑的布局，提高系统的稳定性；

(5)减低了系统的成本。

附图说明

附图1为包含储能环节的独立新能源发电系统的典型结构图；

附图2为本发明三端口直流变换器的电路结构图；

附图3为本发明升压式三端口直流变换器的电路图；

附图4为本发明反极性升降压式三端口直流变换器的电路图；

附图5为本发明同极性升降压式三端口直流变换器的电路图；

附图6～附图8为本发明升压式三端口直流变换器工作在蓄电池充电模式时

模态1～模态3的等效电路；

附图9为本发明升压式三端口直流变换器工作在蓄电池充电模式时主要工作波形图；

附图10为本发明升压式三端口直流变换器工作在蓄电池放电模式时的等效电路图。

图中符号说明：10-原边电路；20-变压器；30-副边电路；V_in-输入直流源；V_b-蓄电池；R_o-负载；N_P-变压器原边绕组；N_S1、N_S2-变压器第一、第二副边绕组；S₁、S₂、S₃、S₄-第一、第二、第三及第四开关管；S_a-辅助开关管；D_a-辅助二极管；D₁、D₂-第一、第二二极管；C₁-第一电容；C_o-滤波电容；L_o-滤波电感；v_GS1、v_GS2、v_GSa分别为第一、第二开关管及辅助开关管的驱动电压；v_DS1、v_DS2分别为第一、第二开关管漏极与源极之间的电压；i_P-变压器原边绕组电流，电流方向如附图6～附图8中箭头所示；i_Lo-滤波电感电流，电流方向如附图6～附图8中箭头所示。

具体实施方式

为了叙述方便，以下结合附图2～附图5说明本发明的技术方案。

本技术方案的基本思想是将隔离变换器与非隔离双向变换器两者集成到一起，实现三个端口的连接，同时在变压器的原边绕组增加一条自由续流通路，进而引入一个自由模态，从而同时实现蓄电池和负载电压的控制。

三端口直流变换器其电路结构如附图2所示，电路由输入直流源V_in、蓄电池V_b、原边电路10、变压器20、副边电路30和负载R_o构成，其中，变压器20由原边绕组N_P、第一副边绕组N_S1和第二副边绕组N_S2构成，副边电路30由第一二极管D₁、第二二极管D₂、滤波电感L_o及滤波电容C_o构成，原边电路10与输入直流源V_in、蓄电池V_b及变压器原边绕组N_P相连，副边电路30与变压器第一副边绕组N_S1、变压器第二副边绕组N_S2及负载R_o相连，所述三端口直流变换器包括升压式、反极性升降压式及同极性升降压式三种，三种三端口直流变换器的原边电路10的连接关系各不相同，副边电路30的连接关系相同。

如附图3所示，升压式三端口变换器原边电路10包括第一电容C₁、第一开关管S₁、第二开关管S₂、辅助开关管S_a及辅助二极管D_a，原边电路10与变压器原边绕组N_P、输入直流源V_in及蓄电池V_b的相互连接关系为：输入直流源V_in的正极性端与第一电容C₁的一端、变压器原边绕组N_P的同名端以及辅助开关管S_a的源极相连，输入直流源V_in的负极性端与第一电容C₁的另一端、第一开关管S₁的源极以及蓄电池V_b的负极性端相连，变压器原边绕组N_P的非同名端与第一开关管S₁的漏极、第二开关管S₂的源极以及辅助二极管D_a的阳极相连，辅助二极管D_a的阴极与辅助开关管S_a的漏极相连，第二开关管S₂的漏极与蓄电池V_b的正极性端相连。

如附图4所示，反极性升降压式三端口变换器的原边电路10包括第一电容C₁、第一开关管S₁、第二开关管S₂、辅助开关管S_a及辅助二极管D_a，原边电路10与变压器原边绕组N_P、输入直流源V_in及蓄电池V_b的相互连接关系为：输入直流源V_in的正极性端与第一电容C₁的一端及第一开关管S₁的漏极相连，输入直流源V_in的负极性端与第一电容C₁的另一端、变压器原边绕组N_P的非同名端、辅助二极管D_a的阳极以及蓄电池V_b的正极性端相连，第一开关管S₁的源极与变压器原边绕组N_P的同名端、辅助开关管S_a的源极以及第二开关管S₂的漏极相连，第二开关管S₂的源极与蓄电池V_b的负极性端相连。

如附图5所示，同极性升降压变换器原边电路10包括第一电容C₁、第一开关管S₁、第二开关管S₂、第三开关管S₃及第四开关管S₄，原边电路10与变压器原边绕组N_P、输入直流源V_in及蓄电池V_b的相互连接关系为：输入直流源V_in的正极性端与第一电容C₁的一端以及第一开关管S₁的漏极相连，输入直流源V_in的负极性端与第一电容C₁的另一端、第二开关管S₂的源极、第三开关管S₃的源极以及蓄电池V_b的负极性端相连，变压器原边绕组N_P的同名端与第一开关管S₁的源极以及第二开关管S₂的漏极相连，变压器原边绕组N_P的非同名端与第三开关管S₃的漏极以及第四开关管S₄的源极相连，第四开关管S4的漏极与蓄电池V_b的正极性端相连。

如附图3～附图5所示，三端口变换器副边电路30与变压器第一副边绕组N_S1及第二副边绕组N_S2的相互连接关系为：变压器第一副边绕组N_S1的同名端与第一二极管D₁的阳极相连，第一二极管D₁的阴极与滤波电感L_o的一端及第二二极管D₂的阴极相连，滤波电感L_o的另一端与滤波电容C_o的一端及负载R_o的一端相连，滤波电容C_o的另一端与负载R_o的另一端、变压器第一副边绕组N_S1的非同名端及变压器第二副边绕组N_S2的同名端相连，变压器第二副边绕组N_S2的非同名端与第二二极管D₂的阳极相连。

附图3所示的升压式三端口直流变换器适用于蓄电池V_b电压比直流输入源V_in的电压高的应用场合；附图4所示的反极性升降压式三端口直流变换器及附图5所示的同极性升降压式三端口直流变换器适用于蓄电池V_b的电压可以大于输入直流源V_in的电压也可以小于或者等于输入直流源V_in的电压的应用场合，其中，附图4所示的反极性升降压式三端口直流变换器适用于蓄电池V_in与输入直流源V_in不共地的应用场合，附图5所示的同极性三端口直流变换器适用于蓄电池V_b与输入直流源V_in共地的应用场合。

本发明三端口直流变换器中的变压器原边绕组N_P对于蓄电池的充电过程来说，相当于电感，即本发明三端口直流变换器中的变压器20同时用作电感和变压器，在实际设计时需具体结合蓄电池V_b和负载R_o的电压及功率大小要求进行设计。

附图5所示的同极性升降压式三端口直流变换器原边电路10中没有辅助开关管S_a和辅助二极管D_a，这是由于第二开关管S₂和第三开关管S₃可以实现其他两种三端口直流变换器原边电路10中辅助开关管S_a和辅助二极管D_a的功能，即提供变压器原边绕组N_P电流的自由续流通路。

以附图3所示的升压式三端口直流变换器为例，说明其具体工作原理，假设变压器原副边绕组的匝比满足如下关系：N_P∶N_S1∶N_S2＝1∶n∶n，n大于0，同时假设滤波电容C_o足够大，输出电压为平滑的直流。

变换器工作在蓄电池充电模式时，第一开关管S₁、第二开关管S₂及辅助开关管在S_a一个开关周期内轮流导通，假设第一开关管S₁、第二开关管S₂的占空比分别为d₁、d₂，辅助开关管S_a的占空比为d_a，则有：d₁+d₂+d_a＝1，变换器在一个开关周期内共有三种开关模态：

模态1：第一开关管S₁导通，第二开关管S₂及辅助开关管S_a、辅助二极管D_a都关断，变压器原边绕组N_P电流i_P正向增大，副边电路30第一二极管D₁导通，第二二极管D₂关断，滤波电感L_o电流i_Lo线性增加，该模态的等效电路如图6所示；

模态2：第二开关管S₂导通，第一开关管S₁及辅助开关管S_a、辅助二极管D_a都关断，变压器原边绕组N_P电流i_P负向增大，副边电路30第一二极管D₁关断，第二二极管D₂导通，滤波电感L_o电流i_Lo线性增加，该模态的等效电路如图7所示；

模态3：第一开关管S₁、第二开关管S₂关断，辅助开关管S_a及辅助二极管D_a开通，变压器原边绕组N_P电流i_P通过辅助开关管S_a及辅助二极管D_a续流，副边电路30第一二极管D₁关断，第二二极管D₂导通，滤波电感L_o电流i_Lo线性减小，该模态的等效电路如图8所示。

变换器在蓄电池充电模式下的主要工作波形如图9所示。

根据变压器在一个开关周期内的伏秒平衡关系可知：V_ind₁＝(V_b-V_in)d₂，因此：

即蓄电池的电压由第一开关管及第二开关管的占空比比值大小决定。

根据滤波电感的伏秒平衡关系可知：n[V_ind₁+(V_b-V_in)d₂]＝V_od_a，由此可得：

即输出电压的大小由开关管S₁及辅助开关管S_a的占空比比值决定。

根据上述分析可知，该变换器同时实现了输出电压和蓄电池电压的控制，即实现了输入直流源、蓄电池和负载之间的功率管理。

当输入直流源不能输出功率时，变换器工作在蓄电池放电模式时，辅助开关管S_a及辅助二极管D_a一直关断，第一开关管S₁、第二开关管S₂交替导通，此时Boost三端口直流变换器等效于普通半桥变换器，该模式下变换器的等效电路如图10所示。在蓄电池放电模式下，第一开关管S₁、第二开关管S₂的控制策略可以采用对称半桥的控制策略也可以采用不对称半桥的控制策略。

Claims (3)

1.一种升压式三端口直流变换器，包括输入直流源(V_in)、蓄电池(V_b)、原边电路(10)、变压器(20)、副边电路(30)和负载(R_o)；其中变压器(20)包括原边绕组(N_P)、第一副边绕组(N_S1)和第二副边绕组(N_S2)；副边电路(30)包括第一二极管(D₁)、第二二极管(D₂)、滤波电感(L_o)及滤波电容(C_o)；原边电路(10)与输入直流源(V_in)、蓄电池(V_b)及变压器原边绕组(N_P)相连，副边电路(30)与变压器第一副边绕组(N_S1)、变压器第二副边绕组(N_S2)及负载(R_o)相连，其特征在于：

所述原边电路(10)包括第一电容(C₁)、第一开关管(S₁)、第二开关管(S₂)、辅助开关管(S_a)及辅助二极管(D_a)，其中，输入直流源(V_in)的正极性端分别与第一电容(C₁)的一端、变压器原边绕组(N_P)的同名端以及辅助开关管(S_a)的源极相连，输入直流源(V_in)的负极性端分别与第一电容(C₁)的另一端、第一开关管(S₁)的源极以及蓄电池(V_b)的负极性端相连，变压器原边绕组(N_P)的非同名端分别与第一开关管(S₁)的漏极、第二开关管(S₂)的源极以及辅助二极管(D_a)的阳极相连，辅助二极管(D_a)的阴极与辅助开关管(S_a)的漏极相连，第二开关管(S₂)的漏极与蓄电池(V_b)的正极性端相连；

所述副边电路(30)中，变压器第一副边绕组(N_S1)的同名端与第一二极管(D₁)的阳极相连，第一二极管(D₁)的阴极分别与滤波电感(L_o)的一端以及第二二极管(D₂)的阴极相连，滤波电感(L_o)的另一端分别与滤波电容(C_o)的一端以及负载(R_o)的一端相连，滤波电容(C_o)的另一端分别与负载(R_o)的另一端、变压器第一副边绕组(N_S1)的非同名端以及变压器第二副边绕组(N_S2)的同名端相连，变压器第二副边绕组(N_S2)的非同名端与第二二极管(D₂)的阳极相连。

2.一种反极性升降压式三端口直流变换器，包括输入直流源(V_in)、蓄电池(V_b)、原边电路(10)、变压器(20)、副边电路(30)和负载(R_o)；其中变压器(20)包括原边绕组(N_P)、第一副边绕组(N_S1)和第二副边绕组(N_S2)；副边电路(30)包括第一二极管(D₁)、第二二极管(D₂)、滤波电感(L_o)及滤波电容(C_o)；原边电路(10)与输入直流源(V_in)、蓄电池(V_b)及变压器原边绕组(N_P)相连，副边电路(30)与变压器第一副边绕组(N_S1)、变压器第二副边绕组(N_S2)及负载(R_o)相连，其特征在于：

所述原边电路(10)包括第一电容(C₁)、第一开关管(S₁)、第二开关管(S₂)、辅助开关管(S_a)及辅助二极管(D_a)，其中输入直流源(V_in)的正极性端分别与第一电容(C₁)的一端及第一开关管(S₁)的漏极相连，输入直流源(V_in)的负极性端分别与第一电容(C₁)的另一端、变压器原边绕组(N_P)的非同名端、辅助二极管(D_a)的阳极以及蓄电池(V_b)的正极性端相连，第一开关管(S₁)的源极分别与变压器原边绕组(N_P)的同名端、辅助开关管(S_a)的源极以及第二开关管(S₂)的漏极相连，第二开关管(S₂)的源极与蓄电池(V_b)的负极性端相连；

所述副边电路(30)中，变压器第一副边绕组(N_S1)的同名端与第一二极管(D₁)的阳极相连，第一二极管(D₁)的阴极分别与滤波电感(L_o)的一端以及第二二极管(D₂)的阴极相连，滤波电感(L_o)的另一端分别与滤波电容(C_o)的一端以及负载(R_o)的一端相连，滤波电容(C_o)的另一端分别与负载(R_o)的另一端、变压器第一副边绕组(N_S1)的非同名端以及变压器第二副边绕组(N_S2)的同名端相连，变压器第二副边绕组(N_S2)的非同名端与第二二极管(D₂)的阳极相连。

3.一种同极性升降压式三端口直流变换器，包括输入直流源(V_in)、蓄电池(V_b)、原边电路(10)、变压器(20)、副边电路(30)和负载(R_o)；其中变压器(20)包括原边绕组(N_P)、第一副边绕组(N_S1)和第二副边绕组(N_S2)；副边电路(30)包括第一二极管(D₁)、第二二极管(D₂)、滤波电感(L_o)及滤波电容(C_o)；原边电路(10)与输入直流源(V_in)、蓄电池(V_b)及变压器原边绕组(N_P)相连，副边电路(30)与变压器第一副边绕组(N_S1)、变压器第二副边绕组(N_S2)及负载(R_o)相连，其特征在于：

所述原边电路(10)包括第一电容(C₁)、第一开关管(S₁)、第二开关管(S₂)、第三开关管(S₃)及第四开关管(S₄)，其中，输入直流源(V_in)的正极性端分别与第一电容(C₁)的一端以及第一开关管(S₁)的漏极相连，输入直流源(V_in)的负极性端分别与第一电容(C₁)的另一端、第二开关管(S₂)的源极、第三开关管(S₃)的源极以及蓄电池(V_b)的负极性端相连，变压器原边绕组(N_P)的同名端分别与第一开关管(S₁)的源极以及第二开关管(S₂)的漏极相连，变压器原边绕组(N_P)的非同名端分别与第三开关管(S₃)的漏极以及第四开关管(S₄)的源极相连，第四开关管(S₄)的漏极与蓄电池(V_b)的正极性端相连；

所述副边电路(30)中，变压器第一副边绕组(N_S1)的同名端与第一二极管(D₁)的阳极相连，第一二极管(D₁)的阴极分别与滤波电感(L_o)的一端以及第二二极管(D₂)的阴极相连，滤波电感(L_o)的另一端分别与滤波电容(C_o)的一端以及负载(R_o)的一端相连，滤波电容(C_o)的另一端分别与负载(R_o)的另一端、变压器第一副边绕组(N_S1)的非同名端以及变压器第二副边绕组(N_S2)的同名端相连，变压器第二副边绕组(N_S2)的非同名端与第二二极管(D₂)的阳极相连。

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