CN102035393B - 四开关管三端口变换器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种四开关管三端口变换器，属于电力电子变换器领域。该变换器是由输入源、蓄电池、原边电路和副边电路组成，原边电路连接输入源和蓄电池，副边电路连接负载。变换器共使用了四个开关管，原边及副边电路各使用两个开关管，通过对四个开关管的控制，采用一个变换器即可同时实现主电源、蓄电池和负载三者的功率管理。本发明是将隔离变换器与非隔离双向变换器两者集成到一起，使用的开关器件少，控制简单，可靠性高，能有效完成系统的功率管理与控制，适用于航天卫星供电或新能源发电系统。

Description

四开关管三端口变换器

技术领域

本发明涉及功率变换器中的一种四开关管三端口变换器，属于电力电子变换器领域。

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，航天卫星中一般以太阳能作为输入源，蓄电池作为备用电源，共同向卫星进行供电，该结构与独立新能源发电系统的结构一致，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航天卫星供电系统等领域。

新能源发电设备固有的缺陷为独立新能源供电系统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图1所示。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。图1是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，且系统动态响应速度慢；图1(a)中，蓄电池为负载供电时需经过两级变换，图1(b)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。针对上述应用背景及存在的问题，研究人员提出采用三端口变换器代替上述多个独立的变换器实现独立新能源发电系统的功率管理，如文献“DanweiLiu，Hui Li.A ZVS Bi-Directional DC-DC Converter for Multiple Energy Storage Elements，IEEETransactions on Power Electronics，2006，vol.21(5)：1513-1517”、文献“Chuanhong Zhao，Simon D.Round，Johann W.Kolar.An Isolated Three-Port Bidirectional DC-DC Converter With DecoupledPower Flow Management，IEEE Transactions on Power Electronics，2008，23(5)：2443-2553”以及文献“Hariharan Krishnaswami，Ned Mohan.Three-Port Series Resonant DC-DC Converter toInterface Renewable Energy Sources With Bidirectional Load and Energy Storage Ports，IEEETransactions on Power Electronics，2009，24(10)：2289-2297”提出了几种不同的三端口变换器，其共同特点在于各端口均通过变压器绕组相互隔离，因此端口之间均为隔离变换，使用的开关管数量较多，且变换效率会受到影响。

发明内容

本发明针对现有技术存在的不足，而提出一种可同时实现直流源、蓄电池和负载功率管理与控制的四开关管三端口变换器。

该四开关管三端口变换器的结构包括：输入源、蓄电池、原边电路和副边电路；

所述原边电路为以下三种结构中的任意一种：

第一种：第一二极管的阳极连接输入源的正极，第一二极管的阴极分别连接第一电容的一端和第一开关管的漏极，第二电容的一端分别连接蓄电池的正极和变压器原边绕组的非同名端，第一电容的另一端分别连接输入源的负极、蓄电池的负极、第二电容的另一端和第二开关管的源极，第二开关管的漏极分别连接第一开关管的源极和变压器原边绕组的同名端；

第二种：第一电容的一端分别连接蓄电池的正极和第一开关管的漏极，第一二极管阳极连接输入源的正极，第一二极管阴极分别连接第二电容的一端和变压器原边绕组的非同名端，第一电容的另一端分别连接蓄电池的负极、输入源的负极、第二电容的另一端和第二开关管的源极，第二开关管的漏极分别连接第一开关管的源极和变压器原边绕组的同名端；

第三种：第一二极管的阳极连接输入源的正极，第一二极管的阴极分别连接第一电容的一端和第一开关管的漏极，第一电容的另一端分别连接输入源的负极、蓄电池的正极、第二电容的一端和变压器原边绕组的非同名端，第二电容的另一端分别连接蓄电池的负极和第二开关管的源极，第二开关管的漏极分别连接第一开关管的源极和变压器原边绕组的同名端；

所述副边电路为以下三种结构中的任意一种：

第一种：第三开关管的源极连接变压器第一副边绕组的同名端，第四开关管的源极连接变压器第二副边绕组的非同名端，第三开关管的漏极分别连接第四开关管的漏极和滤波电感的一端，滤波电感的另一端分别连接滤波电容的一端和负载的一端，变压器第一副边绕组的非同名端分别连接变压器第二副边绕组的同名端、滤波电容的另一端和负载的另一端；

第二种：第三开关管的漏极分别连接变压器副边绕组的非同名端和第二二极管的阳极，第二二极管的阴极分别连接第三二极管的阴极和滤波电感的一端，滤波电感的另一端分别连接滤波电容的一端和负载的一端，第三开关管的源极分别连接第四开关管的源极、滤波电容的另一端和负载的另一端，第四开关管的漏极分别连接变压器副边绕组的同名端和第三二极管的阳极；

第三种：第四开关管的漏极分别连接变压器副边绕组的同名端和第一滤波电感的一端，第三开关管的漏极分别连接变压器副边绕组的非同名端和第二滤波电感的一端，第一滤波电感的另一端分别连接第二滤波电感的另一端、滤波电容的一端和负载的一端，第四开关管的源极分别连接第三开关管的源极、滤波电容的另一端和负载的另一端。

本发明具有如下技术效果：

(1)通过一个变换器实现了输入源、蓄电池和负载的功率管理与控制，系统体积小、功率密度高；

(2)输入源和蓄电池非隔离变换，变换效率高；

(3)负载与输入源及蓄电池电气隔离，可以适应不同负载及应用场合的应用需求；

(4)整个变换器成为一个整体，采用集中控制，实现更加有效的管理；

(5)使用的开关器件数量少、控制简单、可靠性高、成本低。

附图说明

图1为包含储能环节的独立新能源发电系统典型结构示意图。

图2(a)～(c)分别为本发明变换器中三种原边电路的结构原理图。

图3(a)～(c)分别为本发明变换器中三种副边电路的结构原理图。

图4(a)～(c)为图2(a)所示的原边电路分别与图3(a)～(c)所示的三种副边电路组成的变换器结构原理图。

图5(a)～(c)为图2(b)所示的原边电路分别与图3(a)～(c)所示的三种副边电路组成的变换器结构原理图。

图6(a)～(c)为图2(c)所示的原边电路分别与图3(a)～(c)所示的三种副边电路组成的变换器结构原理图。

图7(a)～(c)分别为图4(a)所示的变换器工作在三端口模式下的模态1～3的等效电路图。

图8为图4(a)所示的变换器工作在三端口模式下的主要波形图。

图9为图4(a)所示的变换器工作在两端口模式下的等效电路图。

图2～图9中的符号名称：10为原边电路；20为副边电路；V_in为输入源(直流源)；V_b为蓄电池；R_o为负载；N_P为变压器原边绕组；N_S为变压器副边绕组；N_S1、N_S2分别为变压器第一、第二副边绕组；S₁、S₂、S₃、S₄分别为第一、第二、第三和第四开关管；D₁、D₂、D₃分别为第一、第二和第三二极管；C₁、C₂分别为第一、第二电容；C_o为滤波电容；L_o为滤波电感；L_o1、L_o2分别为第一、第二滤波电感；v_GS1、v_GS2、v_GS3、v_GS4分别为第一、第二、第三和第四开关管的驱动电压；v_DS1为第一开关管漏极和源极之间的电压；i_P为变压器原边绕组电流；v_P为变压器原边绕组电压；i_Lo为滤波电感电流。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步说明。

本发明的四开关管三端口变换器的结构包括：输入源V_in、蓄电池V_b、原边电路10和副边电路20，原边电路10连接输入源V_in和蓄电池V_b，副边电路20连接负载R_o；

所述原边电路10为以下三种结构中的任意一种：

第一种结构如图2(a)所示：第一二极管D₁的阳极连接输入源V_in的正极，第一二极管D₁的阴极分别连接第一电容C₁的一端和第一开关管S₁的漏极，第二电容C₂的一端分别连接蓄电池V_b的正极和变压器原边绕组N_P的非同名端，第一电容C₁的另一端分别连接输入源V_in的负极、蓄电池V_b的负极、第二电容C₂的另一端和第二开关管S₂的源极，第二开关管S₂的漏极分别连接第一开关管S₁的源极和变压器原边绕组N_P的同名端；

第二种结构如图2(b)所示：第一电容C₁的一端分别连接蓄电池V_b的正极和第一开关管S₁的漏极，第一二极管D₁阳极连接输入源V_in的正极，第一二极管D₁阴极分别连接第二电容C₂的一端和变压器原边绕组N_P的非同名端，第一电容C₁的另一端分别连接蓄电池V_b的负极、输入源V_in的负极、第二电容C₂的另一端和第二开关管S₂的源极，第二开关管S₂的漏极分别连接第一开关管S₁的源极和变压器原边绕组N_P的同名端；

第三种结构如图2(c)所示：第一二极管D₁的阳极连接输入源V_in的正极，第一二极管D₁的阴极分别连接第一电容C₁的一端和第一开关管S₁的漏极，第一电容C₁的另一端分别连接输入源V_in的负极、蓄电池V_b的正极、第二电容C₂的一端和变压器原边绕组N_P的非同名端，第二电容C₂的另一端分别连接蓄电池V_b的负极和第二开关管S₂的源极，第二开关管S₂的漏极分别连接第一开关管S₁的源极和变压器原边绕组N_P的同名端；

所述副边电路20为以下三种结构中的任意一种：

第一种结构如图3(a)所示：第三开关管S₃的源极连接变压器第一副边绕组N_S1的同名端，第四开关管S₄的源极连接变压器第二副边绕组N_S2的非同名端，第三开关管S₃的漏极分别连接第四开关管S₄的漏极和滤波电感L_o的一端，滤波电感L_o的另一端分别连接滤波电容C_o的一端和负载R_o的一端，变压器第一副边绕组N_S1的非同名端分别连接变压器第二副边绕组N_S2的同名端、滤波电容C_o的另一端和负载R_o的另一端；

第二种结构如图3(b)所示：第三开关管S₃的漏极分别连接变压器副边绕组N_S的非同名端和第二二极管D₂的阳极，第二二极管D₂的阴极分别连接第三二极管D₃的阴极和滤波电感L_o的一端，滤波电感L_o的另一端分别连接滤波电容C_o的一端和负载R_o的一端，第三开关管S₃的源极分别连接第四开关管S₄的源极、滤波电容C_o的另一端和负载R_o的另一端，第四开关管S₄的漏极分别连接变压器副边绕组N_S的同名端和第三二极管D₃的阳极；

第三种结构如图3(c)所示：第四开关管S₄的漏极分别连接变压器副边绕组N_S的同名端和第一滤波电感L_o1的一端，第三开关管S₃的漏极分别连接变压器副边绕组N_S的非同名端和第二滤波电感L_o2的一端，第一滤波电感L_o1的另一端分别连接第二滤波电感L_o2的另一端、滤波电容C_o的一端和负载R_o的一端，第四开关管S₄的源极分别连接第三开关管S₃的源极、滤波电容C_o的另一端和负载R_o的另一端。

本发明变换器中，第一开关管S₁与第四开关管S₄互补导通，第二开关管S₂与第三开关管S₃互补导通。当输入源V_in输入的功率不为零时，第一开关管S₁与第二开关管S₂的占空比之和小于1；当输入源V_in输入的功率为零时，第一开关管S₁与第二开关管S₂的占空比之和等于1。原边电路10的变压器原边绕组N_P与副边电路20的变压器副边绕组N_S或变压器第一副边绕组N_S1和第二副边绕组N_S2通过一个变压器磁芯耦合在一起。

将图2(a)～(c)所示的三种原边电路结构与图3(a)～(c)所示的三种副边电路结构两两组合，可组合成如图4(a)～(c)、图5(a)～(c)、图6(a)～(c)所示的本发明九种变换器结构。

图4(a)～(c)所示的三种变换器适用于输入源V_in电压大于蓄电池V_b电压的应用场合；图5(a)～(c)所示的三种变换器适用于输入源V_in电压小于蓄电池V_b电压的应用场合；图6(a)～(c)所示的三种变换器适用于输入源V_in电压与蓄电池V_b电压为任意大小关系的应用场合。

图4(b)、图5(b)和图6(b)所示的三种变换器适用于输出电压较高的应用场合；图4(b)、图5(b)和图6(b)所示的三种变换器适用于输出电流较大的应用场合；图4(a)、图5(a)和图6(a)所示的三种变换器的应用场合介于上述两类变换器之间。

以图4(a)所示的变换器为例，输入源V_in电压在20～35V之间变化，输入源V_in输入的功率在0～150W之间变化，负载端电压为25V，负载功率90W，蓄电池V_b电压为12V，第一至第四开关管S₁～S₄均选用MOSFET，开关频率为100kHz，下面说明该变换器的工作原理。

当输入源V_in输入的功率不为零时，变换器需要同时控制输入源V_in、蓄电池V_b和负载R_o三者的功率，称该工作模式为三端口模式；当输入源V_in输入的功率等于零时，变换器只需控制蓄电池V_b和负载R_o两者的功率，称该工作模式为两端口模式。根据输入源V_in的工作状态，变换器可以工作于三端口模式或两端口模式。

假设变压器原、副边绕组的匝数比满足N_P∶N_S1∶N_S2＝1∶n∶n，n为正数，同时假设滤波电容C_o足够大，输出电压为平滑的直流，变压器激磁电感为Lm，变压器激磁电感电流为i_Lm，负载R_o的电压为V_o。

该变换器工作于三端口模式时，其主要工作波形如图8所示，变换器在一个开关周期内共有三种工作模态。

模态1[t₀～t₁]：t₀时刻之前，S₃、S₄共同导通，S₁与S₂关断，输出滤波电感电流i_Lo和变压器激磁电感电流i_Lm通过S₃、S₄续流；t₀时刻，S₁开通、S₄关断，等效电路如图7(a)所示。在该模态下，变压器原边绕组电流i_P、激磁电感电流i_Lm及滤波电感电流i_Lo满足如下关系：

$\frac{{\mathrm{di}}_{\mathrm{Lm}}}{\mathrm{dt}}=\frac{V_{\mathrm{in}}-V_b}{\mathrm{Lm}}---\left(1\right)$

$\frac{{\mathrm{di}}_{\mathrm{Lo}}}{\mathrm{dt}}=\frac{n(V_{\mathrm{in}}-V_b)-V_o}{L_o}---\left(2\right)$

$\frac{{\mathrm{di}}_P}{\mathrm{dt}}=\frac{{\mathrm{di}}_{\mathrm{Lm}}}{\mathrm{dt}}+\frac{n\·{\mathrm{di}}_{\mathrm{Lo}}}{\mathrm{dt}}---\left(3\right)$

模态2[t₁～t₂]：t₁时刻，S₁、S₃关断，S₂、S₄开通，等效电路如图7(b)所示。在该模态下，变压器原边绕组电流i_P、激磁电感电流i_Lm及滤波电感电流i_Lo满足如下关系：

$\frac{{\mathrm{di}}_{\mathrm{Lm}}}{\mathrm{dt}}=\frac{{-V}_b}{\mathrm{Lm}}---\left(4\right)$

$\frac{{\mathrm{di}}_{\mathrm{Lo}}}{\mathrm{dt}}=\frac{{\mathrm{nV}}_b-V_o}{L_o}---\left(5\right)$

$\frac{{\mathrm{di}}_P}{\mathrm{dt}}=\frac{{\mathrm{di}}_{\mathrm{Lm}}}{\mathrm{dt}}-\frac{n\·{\mathrm{di}}_{\mathrm{Lo}}}{\mathrm{dt}}---\left(6\right)$

模态3[t₂～t₃]：t₂时刻，S₂关断、S₃开通，等效电路如图7(c)所示。在该模态下，变压器原边绕组电流i_P、激磁电感电流i_Lm及滤波电感电流i_Lo满足如下关系：

$\frac{{\mathrm{di}}_{\mathrm{Lm}}}{\mathrm{dt}}=0---\left(7\right)$

$\frac{{\mathrm{di}}_{\mathrm{Lo}}}{\mathrm{dt}}=\frac{-V_o}{L_o}---\left(8\right)$

i_P＝0        (9)

在变换器稳态工作时，根据变压器及输出滤波电感的伏秒平衡关系可知，输入源V_in、蓄电池V_b和负载电压V_o满足如下关系：

$V_b=\frac{d_1\·V_{\mathrm{in}}}{d_1+d_2}---\left(10\right)$

V_o＝n[d₁(V_in-V_b)+d₂V_b]＝2nd₂V_b        (11)

根据式(10)和式(11)可知，本发明变换器能够同时实现输出电压及蓄电池端电压的控制。

当输入源V_in输入的功率为零时，变换器工作于两端口模式，该模式下的等效电路如图9所示。由图9可知，在该模式下，蓄电池V_b单独向负载R_o供电，变换器等效于正反激变换器，其具体工作原理不再详细说明。

Claims (2)

1.一种四开关管三端口变换器，其特征在于：包括输入源（V_in）、蓄电池（V_b）、原边电路（10）和副边电路（20）；

所述原边电路（10）为以下三种结构中的任意一种：

第一种：第一二极管（D₁）的阳极连接输入源（V_in）的正极，第一二极管（D₁）的阴极分别连接第一电容（C₁）的一端和第一开关管（S₁）的漏极，第二电容（C₂）的一端分别连接蓄电池（V_b）的正极和变压器原边绕组（N_P）的非同名端，第一电容（C₁）的另一端分别连接输入源（V_in）的负极、蓄电池（V_b）的负极、第二电容（C₂）的另一端和第二开关管（S₂）的源极，第二开关管（S₂）的漏极分别连接第一开关管（S₁）的源极和变压器原边绕组（N_P）的同名端；

第二种：第一电容（C₁）的一端分别连接蓄电池（V_b）的正极和第一开关管（S₁）的漏极，第一二极管（D₁）阳极连接输入源（V_in）的正极，第一二极管（D₁）阴极分别连接第二电容（C₂）的一端和变压器原边绕组（N_P）的非同名端，第一电容（C₁）的另一端分别连接蓄电池（V_b）的负极、输入源（V_in）的负极、第二电容（C₂）的另一端和第二开关管（S₂）的源极，第二开关管（S₂）的漏极分别连接第一开关管（S₁）的源极和变压器原边绕组（N_P）的同名端；

第三种：第一二极管（D₁）的阳极连接输入源（V_in）的正极，第一二极管（D₁）的阴极分别连接第一电容（C₁）的一端和第一开关管（S₁）的漏极，第一电容（C₁）的另一端分别连接输入源（V_in）的负极、蓄电池（V_b）的正极、第二电容（C₂）的一端和变压器原边绕组（N_P）的非同名端，第二电容（C₂）的另一端分别连接蓄电池（V_b）的负极和第二开关管（S₂）的源极，第二开关管（S₂）的漏极分别连接第一开关管（S₁）的源极和变压器原边绕组（N_P）的同名端；

所述副边电路（20）为以下三种结构中的任意一种：

第一种：第三开关管（S₃）的源极连接变压器第一副边绕组（N_S1）的同名端，第四开关管（S₄）的源极连接变压器第二副边绕组（N_S2）的非同名端，第三开关管（S₃）的漏极分别连接第四开关管（S₄）的漏极和滤波电感（L_o）的一端，滤波电感（L_o）的另一端分别连接滤波电容（C_o）的一端和负载（R_o）的一端，变压器第一副边绕组（N_S1）的非同名端分别连接变压器第二副边绕组（N_S2）的同名端、滤波电容（C_o）的另一端和负载（R_o）的另一端；

第二种：第三开关管（S₃）的漏极分别连接变压器副边绕组（N_S）的非同名端和第二二极管（D₂）的阳极，第二二极管（D₂）的阴极分别连接第三二极管（D₃）的阴极和滤波电感（L_o）的一端，滤波电感（L_o）的另一端分别连接滤波电容（C_o）的一端和负载（R_o）的一端，第三开关管（S₃）的源极分别连接第四开关管（S₄）的源极、滤波电容（C_o）的另一端和负载（R_o）的另一端，第四开关管（S₄）的漏极分别连接变压器副边绕组（N_S）的同名端和第三二极管（D₃）的阳极；

第三种：第四开关管（S₄）的漏极分别连接变压器副边绕组（N_S）的同名端和第一滤波电感（L_o1）的一端，第三开关管（S₃）的漏极分别连接变压器副边绕组（N_S）的非同名端和第二滤波电感（L_o2）的一端，第一滤波电感（L_o1）的另一端分别连接第二滤波电感（L_o2）的另一端、滤波电容（C_o）的一端和负载（R_o）的一端，第四开关管（S₄）的源极分别连接第三开关管（S₃）的源极、滤波电容（C_o）的另一端和负载（R_o）的另一端；

所述输入源（V_in）、蓄电池（V_b）和负载（R_o）分别作为三端口中的一个端口。

2.根据权利要求1所述的四开关管三端口变换器，其特征在于：所述原边电路（10）中的变压器原边绕组（N_P）与副边电路（20）中的变压器副边绕组（N_S）或变压器第一副边绕组（N_S1）和变压器第二副边绕组（N_S2）通过一个变压器磁芯耦合在一起。

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