CN102545637B - 升降压式副边调整三端口直流变换器 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种升降压式副边调整三端口直流变换器，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、负载、原边电路和副边电路构成，原边电路与输入直流源和蓄电池相连，副边电路包含两种电路形式。其特点是通过一个变换器实现了输入直流源、蓄电池和负载的功率管理，完成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
本申请是针对发明名称为“升压式、降压式和升降压式副边调整三端口直流变换器”，申请日为2010年5月28日，申请号为201010185873.6的原申请的分案申请。
技术领域
本发明涉及副边调整式三端口直流变换器，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
本发明所要解决的技术问题是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副边调整式三端口直流变换器。
本发明为解决以上技术问题，采用如下技术方案：
一种升降压式副边调整三端口直流变换器，包括输入直流源V in 、蓄电池V b 、原边电路、副边电路和负载R o ，原边电路包括第一电容C 1 、第一开关管S 1 、第二开关管S 2 及变压器原边绕组N P ，副边电路包括变压器第一副边绕组N S1 、变压器第二副边绕组N S2 、第三开关管S 3 、第一二极管D 1 、第二二极管D 2 、第三二极管D 3 、滤波电感L o 和滤波电容C o ；原边电路分别与输入直流源V in 及蓄电池V b 相连接，副边电路与负载R o 相连接，原边电路与输入直流源V in 及蓄电池V b 的连接关系为：输入直流源V in 的正极分别连于第一电容C 1 的一端及第一开关管S 1 的漏极，输入直流源V in 的负极分别连于第一电容C 1 的另一端、变压器原边绕组N P 的非同名端及蓄电池V b 的正极，变压器原边绕组N P 的同名端分别与第一开关管S 1 的源极及第二开关管S 2 的漏极相连，第二开关管S 2 的源极与蓄电池V b 的负极相连；
变压器第一副边绕组N S1 的同名端与第一二极管D 1 的阳极连接，变压器第一副边绕组(N S1 )的非同名端分别与变压器第二副边绕组N S2 的同名端、第三二极管D 3 的阳极、滤波电容C o 的一端及负载R o 的一端连接，变压器第二副边绕组N S2 的非同名端与第二二极管D 2 的阳极连接，第二二极管D 2 的阴极分别与第一二极管D 1 的阴极及第三开关管S 3 的漏极连接，第三开关管S 3 的源极分别与第三二极管D 3 的阴极及滤波电感L o 的一端连接，滤波电感L o 的另一端分别与滤波电容C o 的另一端和负载R o 的另一端连接。
本发明的还提供一种升降压式副边调整三端口直流变换器，包括输入直流源V in 、蓄电池V b 、原边电路、副边电路和负载R o ，原边电路包括第一电容C 1 、第一开关管S 1 、第二开关管S 2 及变压器原边绕组N P ，副边电路包括变压器第一副边绕组N S1 、变压器第二副边绕组N S2 、第三开关管S 3 、第一二极管D 1 、第二二极管D 2 、第三二极管D 3 、滤波电感L o 和滤波电容C o ；原边电路分别与输入直流源V in 及蓄电池V b 相连接，副边电路与负载R o 相连接，原边电路与输入直流源V in 及蓄电池V b 的连接关系为：输入直流源V in 的正极分别连于第一电容C 1 的一端及第一开关管S 1 的漏极，输入直流源V in 的负极分别连于第一电容C 1 的另一端、变压器原边绕组N P 的非同名端及蓄电池V b 的正极，变压器原边绕组N P 的同名端分别与第一开关管S 1 的源极及第二开关管S 2 的漏极相连，第二开关管S 2 的源极与蓄电池V b 的负极相连；
副边电路的电路连接关系为：变压器第一副边绕组N S1 的同名端与第一二极管D 1 的阳极连接，变压器第一副边绕组N S1 的非同名端分别与变压器第二副边绕组N S2 的同名端、第三二极管D 3 的阳极、滤波电容C o 的一端及负载R o 的一端连接，变压器第二副边绕组N S2 的非同名端与第二二极管D 2 的阳极连接，第二二极管D 2 的阴极与第三开关管S 3 的漏极连接，第三开关管S 3 的源极分别与第一二极管D1的阴极、第三二极管D3的阴极、滤波电感L o 的一端连接，滤波电感L o 的另一端分别与滤波电容C o 的另一端、负载R o 的另一端连接；原边电路中的变压器原边绕组N P 与副边电路中的变压器副边绕组N S1 与N S2 通过一个变压器磁芯耦合在一起。
本发明采用以上技术方案具有以下技术效果：
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；
(6) 本发明副边调整式三端口直流变换器，蓄电池端和负载端的控制相对独立，因此控制简单，易于实现。
附图说明
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；
图2为本发明副边调整式三端口直流变换器的电路结构图；
图3(a)~图3(c)为本发明副边调整式三端口直流变换器三种原边电路的电路图；
图4(a)、图4(b)为本发明副边调整式三端口直流变换器两种副边电路的电路图；
图5(a)、图5(b)为两种降压式副边调整式三端口直流变换器的电路图；
图6(a)、图6(b)为两种升压式副边调整式三端口直流变换器的电路图；
图7(a)、图7(b)为两种升降压式副边调整式三端口直流变换器的电路图；
图8(a)~附图8(c)为降压式副边调整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；
图9为降压式副边调整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；
图10为降压式副边调整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—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；S 1 、S 2 、S 3 —第一、第二及第三开关管；D 1 、D 2 、D 3 —第一、第二及第三二极管；C 1 —第一电容；C o —滤波电容；L o —滤波电感；v GS1 、v GS2 、v GS3 分别为第一、第二及第三开关管的驱动电压；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8中箭头所示；i Lo —滤波电感电流，电流方向如附图8中箭头所示。
具体实施方案
下面结合附图对技术方案的实施作进一步的详细描述：
为了叙述方便，以下结合附图2~附图7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，同时在变压器的副边整流电路中加入开关管实现负载电压的调节，从而同时实现蓄电池和负载电压的控制。副边调整式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、副边电路20和负载R o 构成，其中，原边电路10与输入直流源V in 及蓄电池V b 相连，包括升压式、降压式和升降压式三种形式，由第一电容C 1 、第一开关管S 1 、第二开关管S 2 及变压器原边绕组N P 构成；副边电路20与负载R o 相连，由变压器第一副边绕组N S1 、变压器第二副边绕组N S2 、第三开关管S 3 、第一二极管D 1 、第二二极管D 2 、第三二极管D 3 、滤波电感L o 和滤波电容C o 构成，副边电路20包括第一、第二两种形式。
如附图3所示，原边电路10与输入直流源V in 及蓄电池V b 相连，包括升压式、降压式和升降压式三种形式，由第一电容C 1 、第一开关管S 1 、第二开关管S 2 及变压器原边绕组N P 构成，其中：
降压式原边电路10与输入直流源V in 及蓄电池V b 的连接关系为：输入直流源V in 的正极分别与第一电容C 1 的一端及第一开关管S 1 的漏极相连，输入直流源V in 的负极分别与第一电容C 1 的另一端、第二开关管S 2 的源极及蓄电池V b 的负极相连，第一开关管S 1 的源极分别与第二开关管S 2 的漏极及变压器原边绕组N P 的同名端相连，变压器原边绕组N P 的非同名端与蓄电池V b 的正极相连。
升压式原边电路10与输入直流源V in 及蓄电池V b 的连接关系为：输入直流源V in 的正极分别与第一电容C 1 的一端及原边绕组N P 的同名端相连，输入直流源V in 的负极分别与第一电容C 1 的另一端、第一开关管S 1 的源极及蓄电池V b 的负极相连，原边绕组N P 的非同名端与第一开关管S 1 的漏极及第二开关管S 2 的源极相连，第二开关管S 2 的漏极与蓄电池V b 的正极相连。
升降压式原边电路10与输入直流源V in 及蓄电池V b 的连接关系为：输入直流源V in 的正极分别连于第一电容C 1 的一端及第一开关管S 1 的漏极，输入直流源V in 的负极分别连于第一电容C 1 的另一端、变压器原边绕组N P 的非同名端及蓄电池V b 的正极，变压器原边绕组N P 的同名端分别与第一开关管S 1 的源极及第二开关管S 2 的漏极相连，第二开关管S 2 的源极与蓄电池V b 的负极相连。
如附图4所示，副边电路20与负载R o 相连，由变压器第一副边绕组N S1 、变压器第二副边绕组N S2 、第三开关管S 3 、第一二极管D 1 、第二二极管D 2 、第三二极管D 3 、滤波电感L o 和滤波电容C o 构成，副边电路20包括第一、第二两种形式，其中：
第一形式副边电路20的电路连接关系为：变压器第一副边绕组(N S1 )的同名端连于第一二极管D 1 的阳极，变压器第一副边绕组N S1 的非同名端分别连于变压器第二副边绕组N S2 的同名端、第三二极管D 3 的阳极、滤波电容C o 的一端及负载R o 的一端，变压器第二副边绕组N S2 的非同名端连于第二二极管D 2 的阳极，第二二极管D 2 的阴极连于第三开关管S 3 的漏极，第三开关管S 3 的源极连于第一二极管D1的阴极、第三二极管D3的阴极、及滤波电感L o 的一端，滤波电感L o 的另一端分别连于滤波电容C o 的另一端及负载R o 的另一端。
第二形式副边电路20的电路连接关系为：变压器第一副边绕组N S1 的同名端连于第一二极管D 1 的阳极，变压器第一副边绕组N S1 的非同名端分别连于变压器第二副边绕组N S2 的同名端、第三二极管D 3 的阳极、滤波电容C o 的一端及负载R o 的一端，变压器第二副边绕组N S2 的非同名端连于第二二极管D 2 的阳极，第二二极管D 2 的阴极分别连于第一二极管D 1 的阴极及第三开关管S 3 的漏极，第三开关管S 3 的源极连于第三二极管D 3 的阴极及滤波电感L o 的一端，滤波电感L o 的另一端分别连于滤波电容C o 的另一端和负载R o 的另一端。
本发明所述副边调整式三端口直流变换器，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 S1 与N S2 通过一个变压器磁芯耦合在一起。
附图5所示为降压式原边电路10与副边电路20构成的两种降压式副边调整式三端口直流变换器；附图6所示为升压式原边电路10与副边电路20构成的两种升压式副边调整式三端口直流变换器；附图7所示为升降压式原边电路10与副边电路20构成的两种升降压式副边调整式三端口直流变换器。
附图5所示的降压式副边调整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 的电压低的应用场合；附图6所示的升压式副边调整式三端口直流变换器适用于蓄电池V b 的电压大于输入直流源V in 的应用场合；附图7所示的升降压式副边调整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。
本发明副边调整式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。
按照蓄电池的工作状态分析，本发明副边调整式三端口直流变换器共有两种工作模式，即蓄电池充电模式和蓄电池放电模式，当输入直流源能量充足时，输入直流源向蓄电池充电同时向负载供电，当输入直流源提供的能量不足时，蓄电池和输入直流源共同向负载供电或者蓄电池单独向负载供电。以附图5(a)所示的降压式副边调整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S 1 、、第二开关管S 2 及第三开关管S 3 在一个开关周期内轮流导通，其中S 1 与S 2 互补导通，假设第一开关管S 1 、、第二开关管S 2 及第三开关管S 3 的占空比分别为d 1 、d 2 、d 3 ，则有： ，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S 1 导通，第二开关管S 2 、第三开关管S 3 关断，变压器原边绕组N P 电流i P 正向增大，副边电路20第一二极管D 1 导通，第二二极管D 2 、第三二极管D 3 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8(a)所示；
模态2：第二开关管S 2 导通，第一开关管S 1 、第三开关管S 3 关断，变压器原边绕组N P 电流i P 正向减小，副边电路20第一二极管D 1 、第二二极管D 2 关断，第三二极管D 3 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(b)所示；
模态3：第二开关管S 2 、第三开关管S 3 导通，第一开关管S 1 关断，变压器原边绕组N P 电流i P 负向增大，副边电路20第一开关管D 1 、第三二极管D 3 关断，第二二极管D 2 导通，滤波电感L o 电流i Lo 线性增大，该模态的等效电路如图8(c)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：，因此：，即蓄电池的电压由第一开关管(S 1 )占空比大小决定。
根据滤波电感的伏秒平衡关系可知：，即输出电压的大小由开关管S 1 及S 3 的占空比大小决定。
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。
当输入直流源不能完全提供负载所需功率时，变换器工作在蓄电池放电模式时，第三开关管S 3 一直导通，第三二极管D 3 一直关断，第一开关管S 1 、第二开关管S 2 交替导通，此时变换器等效于有源箝位正激变换器，该模式下变换器的等效电路如图10所示。
Claims (2)
1.一种升降压式副边调整三端口直流变换器，包括输入直流源(V in )、蓄电池(V b )、原边电路(10)、副边电路(20)和负载(R o )，原边电路(10)包括第一电容(C 1 )、第一开关管(S 1 )、第二开关管(S 2 )及变压器原边绕组(N P )，副边电路(20)包括变压器第一副边绕组(N S1 )、变压器第二副边绕组(N S2 )、第三开关管(S 3 )、第一二极管(D 1 )、第二二极管(D 2 )、第三二极管(D 3 )、滤波电感(L o )和滤波电容(C o )；所述变压器原边绕组(N P )、变压器第一副边绕组(N S1 )以及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；原边电路(10)分别与输入直流源(V in )及蓄电池(V b )相连接，副边电路(20)与负载(R o )相连接，其特征在于：
原边电路(10)与输入直流源(V in )及蓄电池(V b )的连接关系为：输入直流源(V in )的正极分别连于第一电容(C 1 )的一端及第一开关管(S 1 )的漏极，输入直流源(V in )的负极分别连于第一电容(C 1 )的另一端、变压器原边绕组(N P )的第一端及蓄电池(V b )的正极，变压器原边绕组(N P )的第二端分别与第一开关管(S 1 )的源极及第二开关管(S 2 )的漏极相连，第二开关管(S 2 )的源极与蓄电池(V b )的负极相连；
变压器第一副边绕组(N S1 )的第一端与第一二极管(D 1 )的阳极连接，变压器第一副边绕组(N S1 )的第二端分别与变压器第二副边绕组(N S2 )的第一端、第三二极管(D 3 )的阳极、滤波电容(C o )的一端及负载(R o )的一端连接，变压器第二副边绕组(N S2 )的第二端与第二二极管(D 2 )的阳极连接，第二二极管(D 2 )的阴极分别与第一二极管(D 1 )的阴极及第三开关管(S 3 )的漏极连接，第三开关管(S 3 )的源极分别与第三二极管(D 3 )的阴极及滤波电感(L o )的一端连接，滤波电感(L o )的另一端分别与滤波电容(C o )的另一端和负载(R o )的另一端连接；
其中变压器原边绕组(N P )的第二端、变压器第一副边绕组(N S1 )的第一端、变压器第二副边绕组(N S2 )的第一端互为同名端。
2.一种升降压式副边调整三端口直流变换器，包括输入直流源(V in )、蓄电池(V b )、原边电路(10)、副边电路(20)和负载(R o )，原边电路(10)包括第一电容(C 1 )、第一开关管(S 1 )、第二开关管(S 2 )及变压器原边绕组(N P )，副边电路(20)包括变压器第一副边绕组(N S1 )、变压器第二副边绕组(N S2 )、第三开关管(S 3 )、第一二极管(D 1 )、第二二极管(D 2 )、第三二极管(D 3 )、滤波电感(L o )和滤波电容(C o )；原边电路(10)分别与输入直流源(V in )及蓄电池(V b )相连接，副边电路(20)与负载(R o )相连接，其特征在于：
原边电路(10)与输入直流源(V in )及蓄电池(V b )的连接关系为：输入直流源(V in )的正极分别连于第一电容(C 1 )的一端及第一开关管(S 1 )的漏极，输入直流源(V in )的负极分别连于第一电容(C 1 )的另一端、变压器原边绕组(N P )的第一端及蓄电池(V b )的正极，变压器原边绕组(N P )的第二端分别与第一开关管(S 1 )的源极及第二开关管(S 2 )的漏极相连，第二开关管(S 2 )的源极与蓄电池(V b )的负极相连；
副边电路(20)的电路连接关系为：变压器第一副边绕组(N S1 )的第一端与第一二极管(D 1 )的阳极连接，变压器第一副边绕组(N S1 )的第二端分别与变压器第二副边绕组(N S2 )的第一端、第三二极管(D 3 )的阳极、滤波电容(C o )的一端及负载(R o )的一端连接，变压器第二副边绕组(N S2 )的第二端与第二二极管(D 2 )的阳极连接，第二二极管(D 2 )的阴极与第三开关管(S 3 )的漏极连接，第三开关管(S 3 )的源极分别与第一二极管(D1)的阴极、第三二极管(D3)的阴极、滤波电感(L o )的一端连接，滤波电感(L o )的另一端分别与滤波电容(C o )的另一端、负载(R o )的另一端连接；所述变压器原边绕组(N P )、变压器第一副边绕组(N S1 )以及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；
其中，变压器原边绕组(N P )的第二端、变压器第一副边绕组(N S1 )的第一端、变压器第二副边绕组(N S2 )的第一端互为同名端。
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