CN102097943B

CN102097943B - 双输入直流变换器

Info

Publication number: CN102097943B
Application number: CN 201010592527
Authority: CN
Inventors: 吴红飞; 邢岩
Original assignee: Nanjing University of Aeronautics and Astronautics
Current assignee: Nanjing University of Aeronautics and Astronautics
Priority date: 2010-12-17
Filing date: 2010-12-17
Publication date: 2012-12-26
Anticipated expiration: 2030-12-17
Also published as: CN102097943A

Abstract

本发明公开了三种双输入直流变换器，属于电力电子变换器领域。所述三种变换器的结构均是由两个输入源、开关管、变压器及副边电路等构成，两个输入源共地且位于变压器原边，输入源与负载通过变压器电气隔离。本发明变换器所用的两个输入源可各自单独向负载供电，也可以同时向负载供电，变换器负载匹配能力强，两个输入源共用变压器原边，开关器件数量少，变换效率高，尤其适用于新能源发电系统等领域。

Description

双输入直流变换器

技术领域

本发明涉及功率变换器中的三种双输入直流变换器，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。

研究和利用新能源发电技术是解决能源危机和环境污染的有效措施，但大多数新能源受到气候条件的限制，存在能量密度低、电力供应不稳定、不连续等缺点。为了克服上述缺点，可以采用新能源联合发电，利用各种新能源之间或新能源与其它能源之间的互补性，从而获得较为稳定的电能，如风光互补发电系统、光伏-市电联合供电系统等。为了使多个输入源联合起来向负载供电，一般需要采用多个变换器组合构成系统，采用该种方式的系统体积、重量大，分散控制、系统动态响应速度慢。为了解决上述问题，研究人员提出了多输入变换器的概念。双输入变换器是多输入变换器中最典型的一种，通过采用双输入变换器可以实现两个输入源联合向负载供电，具有系统集成度高、效率高等优点。

如文献“Yuan-Chuan Liu，Yaow-Ming Chen.A systematic approach to synthesizingmulti-input DC-DC converters，IEEE Transactions on Power Electronics，2009，24(1)：116-127”及文献“Yan Li，Xinbo Ruan，Dongsheng Yang，Fuxin Liu and Chi K.Tse.Synthesis ofmultiple-input DC/DC converters，IEEE Transactions on Power Electronics，2010，25(9)：2372-2385”分别提出了多输入变换器的拓扑生成方法，并构造了多种多输入直流变换器拓扑，上述两篇文献中多输入直流变换器的构造方法类似，在构造的多输入直流变换器中，特别是输入源和负载全部隔离的多输入直流变换器，其所用的器件数目多、器件利用率低，且电路结构、控制等均较为复杂。

发明内容

本发明针对现有多输入直流变换器存在的缺陷，而提出三种器件数量少、器件利用率高、电路结构简单且控制简单的双输入直流变换器。

第一种双输入直流变换器的结构包括：第一和第二输入源、第一至第四开关管、隔直电容、变压器、第一和第二二极管、滤波电感及滤波电容，其中：第一开关管的漏极连接第一输入源的正极，第二开关管的源极连接第一输入源的负极，第三开关管的漏极连接第二输入源的正极，第四开关管的源极分别连接第二输入源的负极和第一输入源的负极，第一开关管的源极分别连接第二开关管的漏极和隔直电容的一端；所述变压器由原边绕组及第一和第二副边绕组组成，原边绕组的同名端分别连接第三开关管的源极和第四开关管的漏极，原边绕组的非同名端连接隔直电容的另一端，第一副边绕组的同名端连接第一二极管的阳极，第二副边绕组的非同名端连接第二二极管的阳极，第一二极管的阴极分别连接第二二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，第一副边绕组的非同名端分别连接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。

第二种双输入直流变换器的结构包括：第一和第二输入源、第一至第四开关管、谐振电容、谐振电感、变压器、第一和第二二极管及滤波电容，其中：第一开关管的漏极连接第一输入源的正极，第二开关管的源极连接第一输入源的负极，第三开关管的漏极连接第二输入源的正极，第四开关管的源极分别连接第二输入源的负极和第一输入源的负极，第一开关管的源极分别连接第二开关管的漏极和谐振电容的一端，谐振电容的另一端连接谐振电感的一端；所述变压器由原边绕组及第一和第二副边绕组组成，原边绕组的同名端分别连接第三开关管的源极和第四开关管的漏极，原边绕组的非同名端连接谐振电感的另一端，第一副边绕组的同名端连接第一二极管的阳极，第二副边绕组的非同名端连接第二二极管的阳极，第一二极管的阴极分别连接第二二极管的阴极、滤波电容的一端和负载的一端，第一副边绕组的非同名端分别连接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。

第三种双输入直流变换器的结构包括：第一和第二输入源、第一和第二开关管、隔直电容、变压器、第一和第二二极管、滤波电感及滤波电容，其中：第一开关管的漏极连接第一输入源的正极，第二开关管的源极连接第二输入源的负极，第一开关管的源极分别连接第二开关管的漏极和隔直电容的一端；所述变压器由原边绕组及第一和第二副边绕组组成，原边绕组的同名端连接隔直电容的另一端，原边绕组的非同名端分别连接第一输入源的负极和第二输入源的正极，第一副边绕组的同名端连接第一二极管的阳极，第二副边绕组的非同名端连接第二二极管的阳极，第一二极管的阴极分别连接第二二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，第一副边绕组的非同名端分别连接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。

本发明具有如下技术效果：

(1)两个输入源可以各自独立向负载供电，也可以同时向负载供电。

(2)输入源与负载电气隔离，变换器输出负载侧匹配能力强，可以适应不同应用场合的应用需求。

(3)两个输入源共用变压器原边绕组，变换器拓扑结构简单、所用开关器件数量少、器件利用率高、功率密度高、体积小、成本低；

(4)变换器控制简单，实现容易。

附图说明

图1为本发明第一种双输入直流变换器的电路原理图。

图2为本发明第二种双输入直流变换器的电路原理图。

图3为本发明第三种双输入直流变换器的电路原理图。

图4(a)为图1所示变换器的第一输入源单独向负载供电时的等效电路图；图4(b)为图1所示变换器的第二输入源单独向负载供电时的等效电路图。

图5(a)～(c)为图1所示变换器的第一输入源单独向负载供电时各工作模态的等效电路图。

图6为图1所示变换器的第一输入源单独向负载供电时的原理波形图。

图7(a)～(c)为图1所示变换器的两个输入源共同向负载供电时各工作模态的等效电路图。

图8为图1所示变换器的两个输入源共同向负载供电时的原理波形图。

以上附图中的符号名称：V_in1、V_in2分别为第一、第二输入源；S₁、S₂、S₃、S₄分别为第一、第二、第三、第四开关管；T为变压器；N_P为变压器原边绕组；N_S1、N_S2分别为变压器第一、第二副边绕组；C_b为隔直电容；C_r为谐振电容；L_r为谐振电感；D₁、D₂分别为第一、第二二极管；C_o为滤波电容；L_o为滤波电感；R_o为负载；v_GS1、v_GS2、v_GS3、v_GS4分别为第一、第二、第三、第四开关管的驱动电压；V_o为输出电压；v_Cb为隔直电容两端的电压；v_NP为变压器原边绕组电压；i_P为变压器原边绕组电流；i_Lo为滤波电感电流；t、t₀～t₄为时间。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作出进一步说明。

如图1所示，本发明的第一种双输入直流变换器，包括第一和第二输入源V_in1、V_in2，第一至第四开关管S₁、S₂、S₃、S₄，隔直电容C_b，变压器T，第一和第二二极管D₁、D₂，滤波电感L_o及滤波电容C_o，其中：第一开关管S₁的漏极连接第一输入源V_in1的正极，第二开关管S₂的源极连接第一输入源V_in1的负极，第三开关管S₃的漏极连接第二输入源V_in2的正极，第四开关管S₄的源极分别连接第二输入源V_in2的负极和第一输入源V_in1的负极，第一开关管S₁的源极分别连接第二开关管S₂的漏极和隔直电容C_b的一端；所述变压器T由原边绕组N_P及第一和第二副边绕组N_S1、N_S2组成，原边绕组N_P的同名端分别连接第三开关管S₃的源极和第四开关管S₄的漏极，原边绕组N_P的非同名端连接隔直电容C_b的另一端，第一副边绕组N_S1的同名端连接第一二极管D₁的阳极，第二副边绕组N_S2的非同名端连接第二二极管D₂的阳极，第一二极管D₁的阴极分别连接第二二极管D₂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，第一副边绕组N_S1的非同名端分别连接第二副边绕组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。

如图2所示，本发明的第二种双输入直流变换器，包括第一和第二输入源V_in1、V_in2，第一至第四开关管S₁、S₂、S₃、S₄，谐振电容C_r，谐振电感L_r，变压器T，第一和第二二极管D₁、D₂及滤波电容C_o，其中：第一开关管S₁的漏极连接第一输入源V_in1的正极，第二开关管S₂的源极连接第一输入源V_in1的负极，第三开关管S₃的漏极连接第二输入源V_in2的正极，第四开关管S₄的源极分别连接第二输入源V_in2的负极和第一输入源V_in1的负极，第一开关管S₁的源极分别连接第二开关管S₂的漏极和谐振电容C_r的一端，谐振电容C_r的另一端连接谐振电感L_r的一端；所述变压器T由原边绕组N_P及第一和第二副边绕组N_S1、N_S2组成，原边绕组N_P同名端分别连接第三开关管S₃的源极和第四开关管S₄的漏极，原边绕组N_P的非同名端连接谐振电感L_r的另一端，第一副边绕组N_S1的同名端连接第一二极管D₁的阳极，第二副边绕组N_S2的非同名端连接第二二极管D₂的阳极，第一二极管D₁的阴极分别连接第二二极管D₂的阴极、滤波电容C_o的一端和负载R_o的一端，第一副边绕组N_S1的非同名端分别连接第二副边绕组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。

如图3所示，本发明的第三种双输入直流变换器，包括第一和第二输入源V_in1、V_in2，第一和第二开关管S₁、S₂，隔直电容C_b，变压器T，第一和第二二极管D₁、D₂，滤波电感L_o及滤波电容C_o，其中：第一开关管S₁的漏极连接第一输入源V_in1的正极，第二开关管S₂的源极连接第二输入源V_in2的负极，第一开关管S₁的源极分别连接第二开关管S₂的漏极和隔直电容C_b的一端；所述变压器T由原边绕组N_P及第一和第二副边绕组N_S1、N_S2组成，原边绕组N_P的同名端连接隔直电容C_b的另一端，原边绕组N_P的非同名端分别连接第一输入源V_in1的负极和第二输入源V_in2的正极，第一副边绕组N_S1的同名端连接第一二极管D₁的阳极，第二副边绕组N_S2的非同名端连接第二二极管D₂的阳极，第一二极管D₁的阴极分别连接第二二极管D₂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，第一副边绕组N_S1的非同名端分别连接第二副边绕组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。

具体实施时，开关管可以采用金属氧化物半导体场效应晶体管MOSFET，对于功率较大、电压等级较高的应用场合，开关管也可以采用IGBT。本发明的第一和第二种变换器电路设计可以参照现有的全桥变换器，本发明的第三种变换器电路设计可参照现有的半桥变换器。

本发明的第一、第二种双输入直流变换器的两个输入源可以各自独立向负载供电，也可以同时向负载供电，第三种双输入直流变换器用于两个输入源同时向负载供电。

下面以图1所示的双输入直流变换器为例，来说明本发明的具体工作原理。

假设滤波电容C_o足够大，输出电压V_o为平滑的直流，隔直电容C_b足够大，隔直电容C_b上的电压v_Cb也为平滑的直流，变压器原、副边绕组匝数比满足N_P∶N_S1∶N_S2＝1∶n∶n，n为正数。

当第一输入源V_in1独立向负载供电时，第三开关管S₃一直关断，第四开关管S₄一直导通，变换器等效电路如图4(a)所示；当第二输入源V_in2独立向负载供电时，第一开关管S₁一直关断，第二开关管S₂一直导通，变换器等效电路如图4(b)所示。

上述两种单一输入源向负载独立供电的情况下，变换器的工作原理类似。下面以第一输入源V_in1独立向负载供电为例来说明变换器的具体工作原理。在该种方式下，通过调节第一、第二开关管S₁、S₂的占空比实现输出电压V_o的调节，电路可以采取多种PWM调制策略，如第一、第二开关管S₁、S₂可以互补导通，也可以按照相等的占空比交错180°导通，下面分析变换器采取第一、第二开关管S₁、S₂相等占空比交错180°导通的PWM控制策略时的工作过程。

变换器在一个开关周期内共有四种开关模态，其原理波形如图6所示。

模态1[t₀～t₁]：t₀时刻之前，开关管S₁及S₂都关断，t₀时刻，开关管S₁导通，同时第一二极管D₁关断，变换器等效电路如图5(a)所示，变压器原边绕组电压v_NP＝V_in1-v_Cb，电感电流i_Lo线性上升；

模态2[t₁～t₂]：t₁时刻，开关管S₁关断，第一、第二二极管D₁、D₂导通，变压器原边绕组电压v_NP等于0，原边绕组电流i_P等于0，电感电流i_Lo通过第一、第二二极管D₁、D₂续流，电感电流i_Lo线性下降，变换器等效电路如图5(b)所示；

模态3[t₂～t₃]：t₂时刻，开关管S₂导通，同时第二二极管D₂关断，变压器等效电路如图5(c)所示，变压器原边绕组电压v_NP＝-v_Cb，电感电流i_Lo线性上升；

模态4[t₃～t₄]：t₃时刻，开关管S₂关断，第一、第二二极管D₁、D₂导通，变换器工作过程和等效电路与模态2完全相同。

根据变压器及滤波电感伏秒平衡关系可知，稳态时，隔直电容V_b上的电压v_Cb＝V_in1/2，输出电压V_o＝2nDV_in1，其中：D为开关管S₁与S₂的占空比；n同上文中n，下同。

当两个输入源共同向负载供电时，变换器也可以采用多种PWM调制方式。下面以S₁、S₄同时导通与关断，S₂、S₃同时导通与关断，所有开关管占空比都相等的PWM调制方式为例，对其具体工作原理进行说明。

两个输入源共同向负载供电时，变换器的工作方式与单一输入源向负载供电方式相似，在一个开关周期内共有四种开关模态，变换器原理波形如图8所示。

模态1[t₀～t₁]：t₀时刻之前，开关管S₁～S₄都关断，t₀时刻，开关管S₁、S₄导通，同时第一二极管D₁关断，变换器等效电路如图7(a)所示，变压器原边绕组电压v_NP＝V_in1-v_Cb，电感电流i_Lo线性上升；

模态2[t₁～t₂]：t₁时刻，开关管S₁、S₄关断，第一、第二二极管D₁、D₂导通，变压器原边绕组电压v_NP等于0，原边绕组电流i_P等于0，电感电流i_Lo通过第一、第二二极管D₁、D₂续流，电感电流i_Lo线性下降，变换器等效电路如图7(b)所示；

模态3[t₂～t₃]：t₂时刻，开关管S₂、S₃导通，同时第二二极管D₂关断，变压器等效电路如图7(c)所示，变压器原边绕组电压v_NP＝V_in2-v_Cb，电感电流i_Lo线性上升；

模态4[t₃～t₄]：t₃时刻，开关管S₂、S₃关断，第一、第二二极管D₁、D₂导通，变换器工作过程和等效电路与模态2完全相同。

根据变压器及滤波电感伏秒平衡关系可知，稳态时，隔直电容C_b上的电压v_Cb＝(V_in1-V_in2)/2，输出电压V_o＝nD’(V_in1+V_in2)，其中：D’为开关管S₁～S₄的占空比。

Claims

1.一种双输入直流变换器，其特征在于：包括第一和第二输入源（V_in1、V_in2）、第一至第四开关管（S₁、S₂、S₃、S₄）、隔直电容（C_b）、变压器（T）、第一和第二二极管（D₁、D₂）、滤波电感（L_o）及滤波电容（C_o），其中：第一开关管（S₁）的漏极连接第一输入源（V_in1）的正极，第二开关管（S₂）的源极连接第一输入源（V_in1）的负极，第三开关管（S₃）的漏极连接第二输入源（V_in2）的正极，第四开关管（S₄）的源极分别连接第二输入源（V_in2）的负极和第一输入源（V_in1）的负极，第一开关管（S₁）的源极分别连接第二开关管（S₂）的漏极和隔直电容（C_b）的一端；所述变压器（T）由原边绕组（N_P）及第一和第二副边绕组（N_S1、N_S2）组成，原边绕组（N_P）的一端分别连接第三开关管（S₃）的源极和第四开关管（S₄）的漏极，原边绕组（N_P）的另一端连接隔直电容（C_b）的另一端，第一副边绕组（N_S1）的一端连接第一二极管（D₁）的阳极，第二副边绕组（N_S2）的一端连接第二二极管（D₂）的阳极，第一二极管（D₁）的阴极分别连接第二二极管（D₂）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，第一副边绕组（N_S1）的另一端分别连接第二副边绕组（N_S2）的另一端、滤波电容（C_o）的另一端和负载（R_o）的另一端，其中所述原边绕组（N_P）与第三开关管（S₃）源极连接的端子、第一副边绕组（N_S1）与第一二极管（D₁）阳极连接的端子以及第二副边绕组（N_S2）与第一副边绕组（N_S1）连接的端子为同名端。

2.一种双输入直流变换器，其特征在于：包括第一和第二输入源（V_in1、V_in2）、第一至第四开关管（S₁、S₂、S₃、S₄）、谐振电容（C_r）、谐振电感（L_r）、变压器（T）、第一和第二二极管（D₁、D₂）及滤波电容（C_o），其中：第一开关管（S₁）的漏极连接第一输入源（V_in1）的正极，第二开关管（S₂）的源极连接第一输入源（V_in1）的负极，第三开关管（S₃）的漏极连接第二输入源（V_in2）的正极，第四开关管（S₄）的源极分别连接第二输入源（V_in2）的负极和第一输入源（V_in1）的负极，第一开关管（S₁）的源极分别连接第二开关管（S₂）的漏极和谐振电容（C_r）的一端，谐振电容（C_r）的另一端连接谐振电感（L_r）的一端；所述变压器（T)由原边绕组（N_P）及第一和第二副边绕组（N_S1、N_S2）组成，原边绕组（N_P）的一端分别连接第三开关管（S₃）的源极和第四开关管（S₄）的漏极，原边绕组（N_P）的另一端连接谐振电感（L_r）的另一端，第一副边绕组（N_S1）的一端连接第一二极管（D₁）的阳极，第二副边绕组（N_S2）的一端连接第二二极管（D₂）的阳极，第一二极管（D₁）的阴极分别连接第二二极管（D₂）的阴极、滤波电容（C_o）的一端和负载（R_o）的一端，第一副边绕组（N_S1）的另一端分别连接第二副边绕组（N_S2）的另一端、滤波电容（C_o）的另一端和负载（R_o）的另一端，其中所述原边绕组（N_P）与第三开关管（S₃）源极连接的端子、第一副边绕组（N_S1）与第一二极管（D₁）阳极连接的端子以及第二副边绕组（N_S2）与第一副边绕组（N_S1）连接的端子为同名端。

3.一种双输入直流变换器，其特征在于：包括第一和第二输入源（V_in1、V_in2）、第一和第二开关管（S₁、S₂）、隔直电容（C_b）、变压器（T）、第一和第二二极管（D₁、D₂）、滤波电感（L_o）及滤波电容（C_o），其中：第一开关管（S₁）的漏极连接第一输入源（V_in1）的正极，第二开关管（S₂）的源极连接第二输入源（V_in2）的负极，第一开关管（S₁）的源极分别连接第二开关管（S₂）的漏极和隔直电容（C_b）的一端；所述变压器（T）由原边绕组（N_P）及第一和第二副边绕组（N_S1、N_S2）组成，原边绕组（N_P）的一端连接隔直电容（C_b）的另一端，原边绕组（N_P）的另一端分别连接第一输入源（V_in1）的负极和第二输入源（V_in2）的正极，第一副边绕组（N_S1）的一端连接第一二极管（D₁）的阳极，第二副边绕组（N_S2）的一端连接第二二极管（D₂）的阳极，第一二极管（D₁）的阴极分别连接第二二极管（D₂）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，第一副边绕组（N_S1）的另一端分别连接第二副边绕组（N_S2）的另一端、滤波电容（C_o）的另一端和负载（R_o）的另一端，其中所述原边绕组（N_P）与隔直电容（C_b）连接的端子、第一副边绕组（N_S1）与第一二极管（D₁）阳极连接的端子以及第二副边绕组（N_S2）与第一副边绕组（N_S1）连接的端子为同名端。