CN102223068B - 一种组合式直流-直流变换器 - Google Patents

Abstract

一种组合式直流-直流变换器，由两个串联的直流电源①和两个完全对称的升压模块②，③组成，可以用来实现光伏/燃料电池等可再生直流源的低电压变换到较高电压输出。与现有的升压变换器相比，本发明的组合式直流变换器在相同占空比的情况下具有更大的升压变比，开关管的电压电流应力低，输入电流纹波小，输出电压纹波低，结构简单、控制方便等突出优点，非常适用于今后光伏/燃料电池等可再生能源并网发电系统，具有较好的应用和推广前景。

Description

一种组合式直流-直流变换器

技术领域

本发明涉及的是一种组合式直流-直流变换器及其控制方法，属电力电子技术领域。

技术背景

近年来由于全球一次能源的逐渐短缺，石油价格飞涨，以及人们对环境保护的重视，推动了世界各国积极进行可再生能源与清洁能源的开发和利用，其中太阳能光伏电池和燃料电池并网发电受到了广泛关注。由于受到环境，温度等因素的影响，这些可再生能源的输出电压通常波动较大，而且单体的电压等级较低，所以目前的太阳能光伏电池或燃料电池并网发电装置一般采用两级式结构。为了将光伏或燃料电池阵列的电压提升到并网逆变器所需直流母线电压，通常将光伏或燃料电池阵列进行串联，然后采用BOOST或两相交错并联BOOST电路进行升压，这两种结构变换器的升压变比相等，当输入电压较低时，为了达到较高的输出电压，其开关导通占空比就会接近于1，这样一方面会降低变换器的效率，同时开关频率也不易进一步提高。为了达到更高的升压变比，也有文献提出将两个BOOST升压变换器直接级联作为前级变换器，这样增加了系统的级数和控制的复杂性，不利于系统效率的提高和性能的改善，因此研究新型高性能且具有更大升压变比的直流-直流变换器来满足后级并网逆变器的需要，有着重要的理论意义和应用价值。

发明内容：

本发明的目的在于解决上述现有技术中存在的问题，提出一种具有升压功能的高性能组合式直流-直流变换器及其控制方法，这种变换器即能提高升压变比，又能有效降低变换器的开关应力，同时又能减小输入电流和输出电压的纹波，有利于延长电池的使用寿命，有效提高了变换器的性能。该变换器既适用于常规直流-直流变换器应用范围，又适用于太阳能光伏、燃料电池发电和风力发电等新能源发电系统。

本发明所述的组合式直流-直流变换器如附图1所示，其特征在于：

1、一种组合式直流-直流升压变换器，适用于光伏/燃料电池发电，其特征在于：包括两个串联连接的直流输入电源(Vin1)和(Vin2)，可以是光伏电池或燃料电池，和两个完全对称的升压变换器模块②和③，以及负载R_LD。升压变换器模块②由两个升压电感(L1、L3)、两个功率开关管(Q1、Q3)、四个单向整流二极管(D1、D2、D3、D4)、两个中间储能电容(C1、C3)、一个输出滤波电容(Co1)组成；升压变换器模块③由两个升压电感(L2、L4)、两个功率开关管(Q2、Q4)、四个单向整流二极管(D5、D6、D7、D8)、两个中间储能电容(C2、C4)、一个输出滤波电容(Co2)组成。升压变换器模块②的连接方式为：两个升压电感(L1、L3)的一端同时与输入电源(Vin1)的正极相连，电感(L1)的另一端分别与功率开关管(Q1)的漏极和(D1)的阳极连接，电感(L3)的另一端分别与功率开关管(Q3)的漏极和(D2)的阳极连接，同时(D1)的阴极分别与中间储能电容(C3)的一端相连，与二极管(D3)的阳极相连，(D2)的阴极分别与中间储能电容(C1)的一端相连，与二极管(D4)的阳极相连，中间储能电容(C1)的另一端连接到(Q1)的漏极，中间储能电容(C3)的另一端连接到(Q3)的漏极，二极管(D3)和(D4)的阴极连接，功率开关管(Q1)和(Q3)的源极与输入电源(Vin1)的负极相连，输出滤波电容(Co1)的一端连接到(D3)和(D4)的阴极，另一端连接到输入电源(Vin1)的负极。

2、本发明组合式直流-直流变换器的升压变换器模块③由两个升压电感(L2、L4)、两个功率开关管(Q2、Q4)、四个单向整流二极管(D5、D6、D7、D8)、两个中间储能电容(C2、C4)、一个输出滤波电容(Co2)组成；升压变换器模块③的连接方式为：两个升压电感(L2、L4)的一端同时与输入电源(Vin2)的负极相连，电感(L2)的另一端分别与功率开关管(Q2)的源极和(D5)的阴极连接，电感(L4)的另一端分别与功率开关管(Q4)的源极和(D6)的阴极连接，同时(D5)的阳极分别与中间储能电容(C4)的一端相连，与二极管(D7)的阴极相连，(D6)的阳极分别与中间储能电容(C2)的一端相连，与二极管(D8)的阴极相连，中间储能电容(C2)的另一端连接到(Q2)的源极，中间储能电容(C4)的另一端连接到(Q4)的源极，二极管(D7)和(D8)的阳极连接，功率开关管(Q2)和(Q4)的漏极与输入电源(Vin2)的正极相连，输出滤波电容(Co2)的一端连接到(D7)和(D8)的阳极，另一端连接到输入电源(Vin2)的正极，输入电源(Vin2)的正极与(Vin1)的负极连接，即(Vin1)和(Vin2)串联；负载R_LD的一端连接到(D7)和(D8)的阳极，另一端连接到(D3)和(D4)的阴极。

3、本发明的变换器，其特征在于控制方法1为：将(Q1)和(Q2)看作一组同步开关，用同一个驱动信号Drive1驱动，(Q3)和(Q4)为另一组同步开关，用另一个驱动信号Drive2驱动；采用驱动信号Drive1与驱动信号Drive2互补的方法控制两组开关管，即(Q1)和(Q2)导通时，(Q3)和(Q4)关断；或当(Q1)和(Q2)关断时，(Q3)和(Q4)导通来实现变换器的运行。

4、本发明的组合式直流-直流变换器，其特征在于控制方法2为：将(Q1)和(Q2)看作一组同步开关，用同一个驱动信号Drive1驱动，(Q3)和(Q4)为另一组同步开关，用另一个驱动信号Drive2驱动；驱动信号Drive1与驱动信号Drive2移相

相角的方法控制两组开关管，同样可以实现变换器的升压功能。

本发明的组合式直流-直流变换器既可以实现更高传输变比的输出电压，又能有效降低开关管的电压应力，有效减小输入电流和输出电压的纹波，该变换器具有优良的性能，非常适合于今后光伏发电，燃料电池发电等场合使用，具有较好的应用和推广前景。

技术方案

本发明是通过以下技术方案实现的：

附图1表示本发明的组合式直流-直流变换器的电路结构，包括两个串联连接的直流输入电源(Vin1，Vin2)，可以是光伏电池或燃料电池，以及两个完全对称的直流升压变换器模块②和③组成。升压变换器模块②由两个升压电感

(L1、L3)、两个功率开关管(Q1、Q3)、四个单向整流二极管(D1、D2、D3、D4)、两个中间储能电容(C1、C3)、一个输出滤波电容(Co1)组成；升压变换器模块③由两个升压电感(L2、L4)、两个功率开关管(Q2、Q4)、四个单向整流二极管(D5、D6、D7、D8)、两个中间储能电容(C2、C4)、一个输出滤波电容(Co2)组成。升压变换器模块②的连接方式为：两个升压电感(L1、L3)的一端同时与输入电源(Vin1)的正极相连，电感(L1)的另一端分别与功率开关管(Q1)的漏极和(D1)的阳极连接，电感(L3)的另一端分别与功率开关管(Q3)的漏极和(D2)的阳极连接，同时(D1)的阴极分别与中间储能电容(C3)的一端相连，与二极管(D3)的阳极相连，(D2)的阴极分别与中间储能电容(C1)的一端相连，与二极管(D4)的阳极相连，中间储能电容(C1)的另一端连接到(Q1)的漏极，中间储能电容(C3)的另一端连接到(Q3)的漏极，二极管(D3)和(D4)的阴极连接，功率开关管(Q1)和(Q3)的源极与输入电源(Vin1)的负极相连，输出滤波电容(Co1)的一端连接到(D3)和(D4)的阴极，另一端连接到输入电源(Vin1)的负极；升压变换器模块③的连接方式为：两个升压电感(L2、L4)的一端同时与输入电源(Vin2)的负极相连，电感(L2)的另一端分别与功率开关管(Q2)的源极和(D5)的阴极连接，电感(L4)的另一端分别与功率开关管(Q4)的源极和(D6)的阴极连接，同时(D5)的阳极分别与中间储能电容(C4)的一端相连，与二极管(D7)的阴极相连，(D6)的阳极分别与中间储能电容(C2)的一端相连，与二极管(D8)的阴极相连，中间储能电容(C2)的另一端连接到(Q2)的源极，中间储能电容(C4)的另一端连接到(Q4)的源极，二极管(D7)和(D8)的阳极连接，功率开关管(Q2)和(Q4)的漏极与输入电源(Vin2)的正极相连，输出滤波电容(Co2)的一端连接到(D7)和(D8)的阳极，另一端连接到输入电源(Vin2)的正极，输入电源(Vin2)的正极与(Vin1)的负极连接，即(Vin1)和(Vin2)串联；负载R_LD的一端连接到(D7)和(D8)的阳极，另一端连接到(D3)和(D4)的阴极。

本发明的组合式直流-直流变换器在输入电感(L1)、(L2)、(L3)、(L4)电流工作在连续状态或临界连续状态，可以采用两种控制方法：

(a)互补控制

采用互补控制方法时，该电路有两种工作模态如附图2所示，2(a)为功率开关管组(Q1)、(Q2)导通，功率开关管组(Q3)、(Q4)关断模态，2(b)为功率开关管组(Q1)、(Q2)关断，功率开关管组(Q3)、(Q4)导通模态。

(b)移相控制

采用移相控制时，该电路有占空比小于0.5和占空比大于等于0.5两种工作模式。

当占空比小于0.5时工作模态如附图3所示，3(a)表示功率开关管组(Q1)、(Q2)导通，功率开关管组(Q3)、(Q4)关断模态；3(b)表示功率开关管组(Q1)、(Q2)关断，功率开关管组(Q3)、(Q4)导通模态；3(c)表示功率开关管组(Q1)、(Q2)关断，功率开关管组(Q3)、(Q4)关断模态；

当占空比大于等于0.5时，变换器工作在以下三种模态：功率开关管组(Q1)、(Q2)导通，功率开关管组(Q3)、(Q4)导通模态，如图3(d)所示；功率开关管组(Q1)、(Q2)导通，功率开关管组(Q3)、(Q4)关断模态，如图3(a)所示；功率开关管组(Q1)、(Q2)关断，功率开关管组(Q3)、(Q4)导通模态，如图3(b)所示；

有益效果：

与现有技术相比本发明的组合式直流-直流变换器具有如下有益效果：本发明的变换器具有更高的升压变比，开关管的电压应力低、同时能有效降低输入电流和输出电压的纹波，且控制电路的实现方法简单灵活，特别适用于太阳能光伏电池和燃料电池的独立发电或并网发电系统。

附图说明

图1是本发明的组合式直流-直流变换器的拓扑结构图。

图1中的标号名称：1：两个输入直流电源；2：升压变换器模块②；3：升压变换器模块③；4：输出滤波电容(Co1)和(Co2)；5：输出端负载。

图2是本发明的组合式直流-直流变换器采用互补控制时各工作模态的等效电路图。

图3是本发明的组合式直流-直流变换器采用移相控制时各工作模态的的等效电路图。

图4是互补控制方法时本发明的组合式直流-直流变换器稳态工作的开关信号和各功率管电压应力的仿真实验波形图，其中iL1、iL2、iL3、iL4是流过电感L1、L2、L3、L4的电流，Vin1+Vin2，Vo对应输入电压和输出电压；VQ1、VQ2、VQ3、VQ4分别对应开关管Q1、Q2、Q3、Q4的电压应力；Drive1，Drive2分别是开关管组1(Q1、Q2)和开关管组2(Q3、Q4)的驱动信号。

图5是移相控制方法时本发明的组合式直流-直流变换器稳态工作的开关信号和各功率管电压应力的仿真实验波形图，其中iL1、iL2、iL3、iL4是流过电感L1、L2、L3、L4的电流，Vin1+Vin2，Vo对应输入电压和输出电压；VQ1、VQ2、VQ3、VQ4分别对应开关管Q1、Q2、Q3、Q4的电压应力；Drive1，Drive2分别是开关管组1(Q1、Q2)和开关管组2(Q3、Q4)的驱动信号。

具体实施方式

下面结合附图与具体实施例对本发明作进一步详细描述：本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了实施方式和操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。

1.互补控制：

本实施例的输入电感(L1)、(L2)、(L3)、(L4)在电流连续或临界状态下工作，采用互补控制时本发明的变换器有两种工作模态，下面对本实施例的两种工作模态进行详细分析，进一步推导本发明变换器的输出与输入电压的变比。

以下说明中，T_S为开关管(Q1)、(Q2)、(Q3)、(Q4)的开关周期，Ton为开关管组(Q1)、(Q2)在每个开关周期内导通的时间、T_off为开关管组(Q3)、(Q4)在每个开关周期内关断的时间、d为功率开关管组(Q1)、(Q2)的导通占空比，其中T_on＝dT_S，T_off＝(1-d)T_S，T_on+T_off＝T_S，采用互补控制时变换器工作在以下两种模态。

工作模态1：此模态如附图2(a)所示，即在每个开关周期内开关管组(Q1)、(Q2)导通和开关管组(Q3)和(Q4)关断时，其动态特性方程为：

$L_1\frac{{\mathrm{di}}_{L_1}}{\mathrm{dt}}=V_{\mathrm{in}1}---\left(1\right)$

$L_2\frac{{\mathrm{di}}_{L_2}}{\mathrm{dt}}=V_{\mathrm{in}2}---\left(2\right)$

$L_3\frac{{\mathrm{di}}_{L_3}}{\mathrm{dt}}=V_{\mathrm{in}1}-V_{c1}=V_{\mathrm{in}1}-(V_{o1}-V_{c3})---\left(3\right)$

$L_4\frac{{\mathrm{di}}_{L_4}}{\mathrm{dt}}=V_{\mathrm{in}2}-V_{c2}=V_{\mathrm{in}2}-(V_{o2}-V_{c4})---\left(4\right)$

工作模态2：此模态如附图2(b)所示，即在每个开关周期内开关管组(Q1)、(Q2)关断、开关管组(Q3)和(Q4)导通时，其动态特性方程为：

$L_1\frac{{\mathrm{di}}_{L1}}{\mathrm{dt}}=V_{\mathrm{in}1}-V_{c3}=V_{\mathrm{in}1}-(V_{o1}-V_{c1})---\left(5\right)$

$L_2\frac{{\mathrm{di}}_{L_2}}{\mathrm{dt}}=V_{\mathrm{in}2}-V_{c4}=V_{\mathrm{in}2}-(V_{o2}-V_{c2})---\left(6\right)$

$L_3\frac{{\mathrm{di}}_{L_3}}{\mathrm{dt}}=V_{\mathrm{in}1}---\left(7\right)$

$L_4\frac{{\mathrm{di}}_{L4}}{\mathrm{dt}}=V_{\mathrm{in}2}---\left(8\right)$

由电感的伏秒平衡原理可以推出采用互补控制时本发明变换器的输出电压与输入电压的之间的关系为：

2.移相控制

本实施例的输入电感(L1)、(L2)、(L3)、(L4)在电流连续或临界状态下工作，当采用移相控制时本发明的变换器有四种工作模态，如图3所示。利用电感电流的伏秒平衡原理，可以推出本发明变换器的输出与输入电压的关系为：

d为开关组的导通占空比。

本发明的实施例中，输入电压Vin1＝Vin2＝24V，电感L1＝L2＝L3＝L4＝0.11mH，C1＝C2＝C3＝C4＝47uF/400V，功率开关管Q1、Q2、Q3、Q4、用STY60NM60，二极管D1、D2、D3、D4、D5、D6、D7、D8用RHRG5060，开关频率fs＝20KHz，附图4为采用互补控制时占空比d＝0.4的情况下，该实施例的仿真实验波形，附图5为采用移相控制时占空比d＝0.6的情况下，该实施例的仿真实验波形。

仿真实验结果与理论分析完全一致，说明了本发明的组合式直流-直流变换器及其控制方案的可行性和有效性，本发明的组合式直流-直流变换器既有较高的升压变比，又能有效减小开关管的电压应力，还能减小输入电流和输出电压的纹波，是一种性能优越的直流-直流升压变换器。

Claims (2)

1.一种组合式直流-直流变换器，适用于光伏/燃料电池发电系统，其特征在于：包括第一直流输入电源(Vin1)和第二直流输入电源(Vin2)，以及完全对称的第一升压变换器模块(②)和第二升压变换器模块(③)，其中第一和第二直流输入电源是光伏电池或燃料电池，第一升压变换器模块(②)由第一升压电感(L1)、第三升压电感(L3)、第一功率开关管(Q1)、第三功率开关管(Q3)、第一单向整流二极管(D1)、第二单向整流二极管(D2)、第三单向整流二极管(D3)、第四单向整流二极管(D4)、第一中间储能电容(C1)、第三中间储能电容(C3)、第一输出滤波电容(Co1)组成；第二升压变换器模块(③)由第二升压电感(L2)、第四升压电感(L4)、第二功率开关管(Q2)、第四功率开关管(Q4)、第五单向整流二极管(D5)、第六单向整流二极管(D6)、第七单向整流二极管(D7)、第八单向整流二极管(D8)、第二中间储能电容(C2)、第四中间储能电容(C4)、第二输出滤波电容(Co2)组成，第一升压变换器模块(②)的连接方式为：第一升压电感(L1)的一端与第三升压电感(L3)的一端连接，再与第一直流输入电源(Vin1)的正极相连，第一升压电感(L1)的另一端分别与第一功率开关管(Q1)的漏极和第一单向整流二极管(D1)的阳极连接，第三升压电感(L3)的另一端分别与第三功率开关管(Q3)的漏极和第二单向整流二极管(D2)的阳极连接，第一单向整流二极管(D1)的阴极分别与第三中间储能电容(C3)的一端和第三单向整流二极管(D3)的阳极相连，第二单向整流二极管(D2)的阴极分别与第一中间储能电容(C1)的一端和第四单向整流二极管(D4)的阳极相连，第一中间储能电容(C1)的另一端连接到第一功率开关管(Q1)的漏极，第三中间储能电容(C3)的另一端连接到第三功率开关管(Q3)的漏极，第三单向整流二极管(D3)和第四单向整流二极管(D4)的阴极连接，第一功率开关管(Q1)和第三功率开关管(Q3)的源极与第一直流输入电源(Vin1)的负极相连，第一输出滤波电容(Co1)的一端连接到第三单向整流二极管(D3)和第四单向整流二极管(D4)的阴极，另一端连接到第一直流输入电源(Vin1)的负极；第二升压变换器模块(③)的连接方式为：第二升压电感(L2)的一端与第四升压电感(L4)的一端相连，再与第二直流输入电源(Vin2)的负极相连，第二升压电感(L2)的另一端分别与第二功率开关管(Q2)的源极和第五单向整流二极管(D5)的阴极连接，第四升压电感(L4)的另一端分别与第四功率开关管(Q4)的源极和第六单向整流二极管(D6)的阴极连接，同时第五单向整流二极管(D5)的阳极分别与第四中间储能电容(C4)的一端和第七单向整流二极管(D7)的阴极相连，第六单向整流二极管(D6)的阳极分别与第二中间储能电容(C2)的一端和第八单向整流二极管(D8)的阴极相连，第二中间储能电容(C2)的另一端连接到第二功率开关管(Q2)的源极，第四中间储能电容(C4)的另一端连接到第四功率开关管(Q4)的源极，第七单向整流二极管(D7)和第八单向整流二极管(D8)的阳极连接，第二功率开关管(Q2)和第四功率开关管(Q4)的漏极分别与第二直流输入电源(Vin2)的正极相连，第二输出滤波电容(Co2)的一端连接到第七单向整流二极管(D7)和第八单向整流二极管(D8)的阳极，另一端连接到第二直流输入电源(Vin2)的正极，第二直流输入电源(Vin2)的正极与第一直流输入电源(Vin1)的负极连接；负载的一端连接到第三单向整流二极管(D3)和第四单向整流二极管(D4)的阴极，另一端连接到第七单向整流二极管(D7)和第八单向整流二极管(D8)的阳极；第一升压变换器模块(②)中第一功率开关管(Q1)和第三功率开关管(Q3)的源极与第二升压变换器模块(③)中的第二功率开关管(Q2)和第四功率开关管(Q4)的漏极直接相连结。

2.根据权利要求1所述的变换器，其特征在于：将第一功率开关管(Q1)和第二功率开关管(Q2)看作一组同步开关，用同一个驱动信号1驱动，第三功率开关管(Q3)和第四功率开关管(Q4)为另一组同步开关，用另一个驱动信号2驱动；采用驱动信号1与驱动信号2互补的方法控制两组开关管，即第一功率开关管(Q1)和第二功率开关管(Q2)导通时，第三功率开关管(Q3)和第四功率开关管(Q4)关断；或当第一功率开关管(Q1)和第二功率开关管(Q2)关断时，第三功率开关管(Q3)和第四功率开关管(Q4)导通来实现变换器的升压功能。

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