CN102223075A - 一种四端口直流变换器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种四端口直流变换器，它包括第一输入源，其正极依次连接第一个二极管、第一个电感和第一个开关管与第二个开关管的串联公共端后，连接变压器原边绕组同名端；第二输入源的正极依次连接第二个二极管、第二个电感和第三个开关管与第四个开关管的串联公共端后，经隔直电容连接原边绕组非同名端；第一、第二输入源和蓄电池的负极并联后依次连接第四个、第二个开关管源极，蓄电池的正极依次连接第三个、第一个开关管的漏极；第一副边绕组同名端依次连接第三个二极管和输出滤波电感一端，另一端连接输出滤波电容和负载一端，非同名端与第二副边绕组同名端串联公共端连接输出滤波电容和负载另一端；第二副边绕组的非同名端经第四个二极管连接在第三个二极管和输出滤波电感之间。

Description

一种四端口直流变换器

技术领域

本发明涉及一种功率变换器，特别是关于一种用于半导体热电发电和光伏发电等可再生直流发电系统中的四端口直流变换器。

背景技术

随着能源危机和环境污染问题日益严重，热电发电(ThermoelectricGenerator)及太阳能、风能及燃料电池发电等新能源发电技术成为世界各国关注和研究的热点。但是，新能源发电设备存在以下一些固有的缺陷：发电设备输出功率受环境条件影响，输出功率随机变化且不连续、不稳定，因此独立新能源发电设备无法独立、稳定、可靠的向负载供电。在独立新能源供电系统中，为了稳定、连续、可靠的向负载供电，研究工作者提出了多种解决方案，例如：1、为系统配备一定容量的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，提高电能的利用率。2、多种新能源联合向负载供电，如风、光互补供电及光、热互补供电等，利用新能源发电设备之间的互补特性向负载供电，但一般新能源联合供电系统中也需要配备蓄电池才能更加稳定、可靠的向负载供电。温差发电、光伏发电系统等新能源发电系统中，单个发电装置的输出功率很小，为了增加系统发电功率，通常采用多个发电装置串并联组合的方式，再通过集中的功率变换装置对发电设备输出功率进行最大功率跟踪(Maximum PowerPoint Tracking)控制，实现发电设备发电功率的最大化，提高发电量，从而提高系统经济效益。但是，由于各个发电装置(例如各个光伏板或温差发电模块)之间特性差异及自身环境条件的差异，造成每个发电装置的特性不一致，因此采用集中控制方式难以保证每个发电装置都能够输出最大功率。为了解决该问题，需要分别对各个发电装置独立进行最大功率跟踪控制。

根据前述内容可知，独立新能源供电系统中，需要同时对不同发电装置或多个发电装置、蓄电池和负载的功率进行功率管理和控制。为了实现系统功率控制，通常情况下需要采用多个独立的变换器分别对各个装置、蓄电池和负载功率进行控制，这样导致了系统复杂、变换器数量多、体积重量大且功率需要经过多级变换，降低了系统效率。为了解决上述问题，研究工作者提出采用多端口变换器同时与输入源、蓄电池和负载相连，统一、集中的实现各个设备的功率管理，具有系统集成度高、变换器功率密度高、系统效率高等优点。在多端口变换器中，对三端口变换器的研究较多，技术也相对成熟，而对包含更多端口的(如四端口)多端口变换器则研究较少，文献“Z.Qian，O.Abdel-Rahman，I.Batarseh.Anintegrated four-port DC/DC converter for renewable energy applications.IEEE Transactions on Power Electronics，2010，vol.25，no.7，pp.1877-1887.”提出了一种四端口变换器用于风、光联合供电系统的功率管理，但是该变换器的输出功率受变压器磁芯储能的限制，只能在较小功率场合中使用。

发明内容

针对上述问题，本发明的目的是提供一种变换效率较高、能适用于中大功率场合中的四端口直流变换器。

为实现上述目的，本发明采取以下技术方案：一种四端口直流变换器，其特征在于：它包括第一输入源、两个电感、四个开关管、变压器、第二输入源、四个二极管、隔直电容、蓄电池、输出滤波电感、输出滤波电容及负载，所述变压器由原边绕组、第一副边绕组和第二副边绕组构成；所述第一输入源的正极依次连接第一个所述二极管和第一个电感的一端，第一个所述电感的另一端分别连接在第一个所述开关管与第二个所述开关管的串联公共端，以及所述变压器的原边绕组同名端；所述第二输入源的正极依次连接第二个所述二极管和第二个电感的一端，第二个所述电感的另一端分别连接在串联的第三个所述开关管与第四个所述开关管的公共端，以及所述隔直电容的一端，所述隔直电容的另一端连接所述变压器的原边绕组非同名端；所述第一输入源的负极、第二输入源的负极和蓄电池的负极并联后，依次连接至第四个所述开关管的源极和第二个开关管的源极，所述蓄电池的正极依次连接第三个所述开关管的漏极和第一个开关管的漏极；所述变压器的第一副边绕组同名端依次连接第三个所述二极管和输出滤波电感的一端，所述输出滤波电感的另一端分别连接所述输出滤波电容的一端和负载的一端；所述第一副边绕组的非同名端与所述第二副边绕组的同名端串联，串联后的公共端分别连接所述输出滤波电容的另一端和负载的另一端；所述第二副边绕组的非同名端经第四个所述二极管连接在第三个所述二极管和输出滤波电感之间。

四个所述开关管采用相同的开关频率。

第一个所述开关管与第二个所述开关管互补导通，第三个所述开关管与第四个所述开关管互补导通。

第一个所述开关管的占空控制所述第一输入源的输入功率，第三个所述开关管的占空比控制所述第二输入源的输入功率，第一个所述开关管和第三个所述开关管两者开通时刻之间的时间间隔，控制负载两端的电压或电流。

本发明由于采取以上技术方案，其具有以下优点：1、本发明由于采用两个输入源和一个蓄电池，两个输入源与蓄电池之间共地，并且为非隔离变换，因此，本发明的变换效率较高。2、本发明由于采用四种供电模式，两个输入源和蓄电池可以采用相互组合后向负载供电，也可以采用同时向负载供电，还可以采用蓄电池独立向负载供电，因此，能有效地保证了连续、平稳、可靠的向负载供电。3、本发明由于采用第一个开关管的占空控制第一输入源的输入功率，第三个开关管的占空比控制第二输入源的输入功率，第一个开关管和第三个开关管两者开通时刻之间的时间间隔，控制负载两端的电压或电流。因此，能够同时实现对所有输入源、蓄电池和负载的功率管理与控制。4、本发明由于采用负载与两个输入源和蓄电池之间电气隔离，因此，本发明能适应不同负载及应用场合的应用需求。5、本发明由于采用的开关器件数量少，并且控制简单、可靠性高、成本低，且适用于中大功率场合应用。

附图说明

图1是本发明的整体结构示意图；

图2是本发明在蓄电池和第一输入源同时向负载供电时的等效电路图；

图3是本发明在蓄电池和第二输入源同时向负载供电时的等效电路图；

图4是本发明在蓄电池独立向负载供电时的等效电路图；

图5是本发明的第一输入源V_in1、第二输入源V_in2和蓄电池V_b同时向负载R_o供电时，在一个开关周期内四种工作模态的工作原理波形图；

图6(a)～图6(d)为本发明在一个开关周期内，工作模态1～工作模态4的等效电路图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进行详细的描述。

如图1所示，本发明包括第一输入源V_in1、两个电感L₁和L₂、四个开关管S₁～S₄、变压器T、第二输入源V_in2、四个二极管D₁～D₄、隔直电容C_b、蓄电池V_b、输出滤波电感L_o、输出滤波电容C_o以及负载R_o，其中，变压器T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。

第一输入源V_in1的正极依次连接第一个二极管D₁和第一个电感L₁的一端，第一个电感L₁的另一端分别连接在第一个开关管S₁与第二个开关管S₂的串联公共端，以及变压器T的原边绕组N_P同名端。

第二输入源V_in2的正极依次连接第二个二极管D₂和第二个电感L₂的一端，第二个电感L₂的另一端分别连接在串联的第三个开关管S₃与第四个开关管S₄的公共端，以及隔直电容C_b的一端。隔直电容C_b的另一端连接变压器T的原边绕组N_P非同名端。

第一输入源V_in1的负极、第二输入源V_in2的负极和蓄电池V_b的负极并联后，依次连接至第四个开关管S₄的源极和第二个开关管S₂的源极，蓄电池V_b的正极依次连接第三个开关管S₃的漏极和第一个开关管S₁的漏极。

变压器T的第一副边绕组N_S1同名端依次连接第三个二极管D₃和输出滤波电感L_o的一端，输出滤波电感L_o的另一端分别连接输出滤波电容C_o的一端和负载R_o的一端；第一副边绕组N_S1的非同名端与第二副边绕组N_S2的同名端串联，串联后的公共端分别连接输出滤波电容C_o的另一端和负载R_o的另一端。第二副边绕组N_S2的非同名端经第四个二极管D₄连接在第三个二极管D₃和输出滤波电感L_o之间。

上述实施例中，四个开关管S₁～S₄采用相同的开关频率，并且第一个开关管S₁与第二个开关管S₂互补导通，第三个开关管S₃与第四个开关管S₄互补导通。

在使用时，本发明的四端口直流变换器通过四个开关管S₁～S₄实现对功率控制的原理如下：由于第一个开关管S₁、第二个开关管S₂、第三个开关管S₃和第四个开关管S₄采用相同的开关频率，第一个开关管S₁与第二个开关管S₂互补导通，第三个开关管S₃与第四个开关管S₄互补导通，通过调节第一个开关管S₁的占空比即能实现对第一输入源V_in1输入功率的控制；通过调节第三个开关管S₃的占空比即能实现对第二输入源V_in2输入功率的控制；通过调节第一个开关管S₁和第三个开关管S₃两者开通时刻之间的时间间隔，即可实现对负载R_o两端电压或电流的控制。

上述各实施例中，本发明对负载R_o有四种供电模式：1、第一输入源V_in1、第二输入源V_in2和蓄电池V_b同时向负载R_o供电(如图1所示)，此时，蓄电池V_b作为系统功率平衡设备，用于储存第一输入源V_in1和第二输入源V_in2输入的多余功率、补充负载R_o所需的不足功率，以保证系统连续、平稳、可靠的向负载R_o供电；2、第一输入源V_in1和蓄电池V_b同时向负载R_o供电(如图2所示)；3、第二输入源V_in2和蓄电池V_b同时向负载R_o供电(如图3所示)；4、蓄电池V_b单独向负载R_o供电(如图4所示)。

下面通过一个具体实施例对本发明的工作原理做进一步说明。

实施例：假设变压器T的原边绕组N_P、第一副边绕组N_S1和第二副边绕组N_S2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和隔直电容C_b足够大，负载R_o两端的电压即为输出电压为V_o，隔直电容C_b两端电压为V_Cb，V_Cb和V_o均为平滑的直流；第一个至第四个开关管S₁～S₄均选用MOSFET(场效应晶体管)，开关频率为100kHz。则以第一输入源V_in1、第二输入源V_in2和蓄电池V_b同时向负载R_o供电时的情况为例。

如图5所示(图中，v_GS1、v_GS2、v_GS3、v_GS4分别为第一个至第四个开关管S₁～S₄的驱动电压；v_P为变压器T的原边绕组N_P电压)，由于本发明的四端口直流变换器在一个开关周期内共有四种可能的工作模态，本发明在每一种工作模态下的工作原理如下：

在[t₀～t₁]时刻为工作模态1：t₀时刻之前，第二个开关管S₂和第四个开关管S₄共同导通，第一个开关管S₁与第三个开关管S₃关断，第一个电感电流i_L1和第二个电感电流i_L2线性增加，输出滤波电感电流i_Lo线性减小；在t₀时刻，第一个开关管S₁开通、第二个开关管S₂关断(如图6(a)所示)，在该模态，第一个电感电流i_L1线性减小，第二个电感电流i_L2和输出滤波电感电流i_Lo线性增加，且I_L1、i_L2及i_Lo满足如下关系：

$\frac{{\mathrm{di}}_{L1}}{\mathrm{dt}}=\frac{V_b-V_{\mathrm{in}1}}{L_1},---\left(1\right)$

$\frac{{\mathrm{di}}_{L2}}{\mathrm{dt}}=\frac{V_{\mathrm{in}2}}{L_2},---\left(2\right)$

$\frac{{\mathrm{di}}_{\mathrm{Lo}}}{\mathrm{dt}}=\frac{d[n(V_b+V_{\mathrm{Cb}})-V_o]}{{\mathrm{dL}}_o},---\left(3\right)$

公式(3)中，n为第一副边绕组N_S1的匝数，且为正数。

在[t₁～t₂]时刻为工作模态2：t₁时刻，第四个开关管S₄关断，第三个开关管S₃开通(如图6(b)所示)。在该模态，第一个电感电流i_L1变化率如公式(1)所示，第二个电感电流i_L2及输出滤波电感电流i_Lo满足如下关系：

$\frac{{\mathrm{di}}_{L2}}{\mathrm{dt}}=\frac{V_b-V_{\mathrm{in}2}}{L_2},---\left(4\right)$

$\frac{{\mathrm{di}}_{\mathrm{Lo}}}{\mathrm{dt}}=\frac{d(n{V}_{\mathrm{cb}}-V_o)}{{\mathrm{dL}}_o},---\left(5\right)$

公式(5)中，n为第一副边绕组N_S1的匝数，且为正数。

在[t₂～t₃]时刻为工作模态3：t₂时刻，第一个开关管S₁关断、第二个开关管S₂开通(如图6(c)所示)。在该模态，第二个电感电流i_L2变化率如公式(4)所示，第一个电感电流i_L1及输出滤波电感电流i_Lo满足如下关系：

$\frac{{\mathrm{di}}_{L1}}{\mathrm{dt}}=\frac{V_{\mathrm{in}1}}{L_1},---\left(6\right)$

$\frac{{\mathrm{di}}_{\mathrm{Lo}}}{\mathrm{dt}}=\frac{d[n(V_b-V_{\mathrm{Cb}})-V_o]}{{\mathrm{dL}}_o},---\left(7\right)$

公式(7)中，n为第二副边绕组N_S2的匝数，且为正数。

在[t₃～t₄]时刻为工作模态4：t₃时刻，第三个开关管S₃关断，第四个开关管S₄开通(如图6(d)所示)。在该模态，第一个电感电流i_L1变化率如公式(6)所示，第二个电感电流i_L2变化率如公式(2)所示，输出滤波电感电流i_Lo变化率如公式(5)所示。

假设开关周期为T_s，第一个开关管S₁和第三个开关管S₃的占空比分别为d₁和d₃，工作模态1持续的时间为ΔT，假设d₀＝ΔT/T_s，将第一个开关管S₁的开通时刻定义为一个开关周期的起始时刻，d₀为一个开关周期内，第三开关管S₃与第一个开关管S₁的开通时刻之间的时间间隔，则工作模态2至工作模态4持续的时间所占开关周期的占空比分别为：d₁-d₀、d₃+d₀-d₁和1-d₃-d₀。本发明的四端口直流变换器在稳态工作时，根据变压器T内的激磁电感及输出滤波电感L_o的伏秒平衡关系可知：

V_in1＝d₁V_b，      (8)

V_in2＝d₂V_b，      (9)

V_o＝nV_b(2d₀+d₃-d₁)。      (10)

根据公式(8)～公式(10)可知，由于蓄电池电压V_b可以认为恒定，调节第一个开关管S₁和第三个开关管S₃的占空比d₁和d₃可以分别实现第一输入源V_in1和第二输入源V_in2输入电压的控制。对于输入源为新能源发电设备的应用场合，通过控制输入源的输入电压就能够控制其功率，进而可以实现对蓄电池V_b充放电功率的控制，而输出电压V_o则可以进一步通过调节第一个开关管S₁与第三开关管S₃开通时刻的时间间隔，也即d₀来进一步实现调节，因此本发明的四端口直流变换器能够同时实现所有输入源、蓄电池和负载的功率管理与控制。

上述各实施例仅用于说明本发明，各部件的结构和连接方式都是可以有所变化的，在本发明技术方案的基础上，凡根据本发明原理对个别部件的连接和结构进行的改进和等同变换，均不应排除在本发明的保护范围之外。

Claims (5)

1.一种四端口直流变换器，其特征在于：它包括第一输入源、两个电感、四个开关管、变压器、第二输入源、四个二极管、隔直电容、蓄电池、输出滤波电感、输出滤波电容及负载，所述变压器由原边绕组、第一副边绕组和第二副边绕组构成；

所述第一输入源的正极依次连接第一个所述二极管和第一个电感的一端，第一个所述电感的另一端分别连接在第一个所述开关管与第二个所述开关管的串联公共端，以及所述变压器的原边绕组同名端；

所述第二输入源的正极依次连接第二个所述二极管和第二个电感的一端，第二个所述电感的另一端分别连接在串联的第三个所述开关管与第四个所述开关管的公共端，以及所述隔直电容的一端，所述隔直电容的另一端连接所述变压器的原边绕组非同名端；

所述第一输入源的负极、第二输入源的负极和蓄电池的负极并联后，依次连接至第四个所述开关管的源极和第二个开关管的源极，所述蓄电池的正极依次连接第三个所述开关管的漏极和第一个开关管的漏极；

所述变压器的第一副边绕组同名端依次连接第三个所述二极管和输出滤波电感的一端，所述输出滤波电感的另一端分别连接所述输出滤波电容的一端和负载的一端；所述第一副边绕组的非同名端与所述第二副边绕组的同名端串联，串联后的公共端分别连接所述输出滤波电容的另一端和负载的另一端；所述第二副边绕组的非同名端经第四个所述二极管连接在第三个所述二极管和输出滤波电感之间。

2.如权利要求1所述的一种四端口直流变换器，其特征在于：四个所述开关管采用相同的开关频率。

3.如权利要求1所述的一种四端口直流变换器，其特征在于：第一个所述开关管与第二个所述开关管互补导通，第三个所述开关管与第四个所述开关管互补导通。

4.如权利要求2所述的一种四端口直流变换器，其特征在于：第一个所述开关管与第二个所述开关管互补导通，第三个所述开关管与第四个所述开关管互补导通。

5.如权利要求1或2或3或4所述的一种四端口直流变换器，其特征在于：第一个所述开关管的占空控制所述第一输入源的输入功率，第三个所述开关管的占空比控制所述第二输入源的输入功率，第一个所述开关管和第三个所述开关管两者开通时刻之间的时间间隔，控制负载两端的电压或电流。

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