CN103199704B - 一种三端口dc-dc变换器拓扑电路 - Google Patents

一种三端口dc-dc变换器拓扑电路 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种三端口DC-DC变换器拓扑电路，包括控制模块和与所述控制模块的输入端分别连接的太阳能阵输入端、母线端和蓄电池端；还包括接于所述太阳能阵输入端和所述母线端之间的Buck-Boost电路，以及接于所述母线端和所述蓄电池端之间的双向SuperBuck电路，所述Buck-Boost电路的控制端和所述双向SuperBuck电路的控制端分别接所述控制模块的输出端。本发明的三端口拓扑结构将现有的三端口拓扑的母线端口和蓄电池端口对换，从太阳能电池阵到母线仅仅需要一级能量变换，效率可大大提高，降低整机热耗，可减少散热措施，降低成本。

Description

一种三端口DC-DC变换器拓扑电路
技术领域
本发明涉及非隔离型的三端口DC-DC变换器拓扑电路，可应用于航天电源系统、航空电源系统和航海电源系统中。
背景技术
航天电源系统、航空电源系统和航海电源系统通常都是采用太阳能电池阵作为主供电电源，蓄电池作为备用供电电源。当处于光照区时，由太阳能电池阵为母线上的负载供电；当处于阴影区时，由蓄电池为母线上的负载供电；当太阳能电池阵电量多余而蓄电池电量未满电量时，太阳能电池阵为蓄电池充电。
现有的三端口变换器可以实现在光照区时太阳能电池阵为蓄电池充电并为母线提供能量，阴影区时蓄电池可以为母线提供能量，如图1所示。但是，这种三端口变换器存在固有缺点：从太阳能电池阵到母线的功率变换需要经过两级，即先从太阳能电池变换到蓄电池，再从蓄电池变换到母线。因此，这种三端口变换器的效率大大降低，很难达到较高水平；且由于从蓄电池到母线采用的是SuperBuck降压拓扑，所以蓄电池电压必须高于母线电压，这会导致蓄电池电压过高，造成安全性问题。
发明内容
为解决现有三端口DC-DC变换器拓扑电路效率低的技术问题，本发明提供一种三端口DC-DC变换器拓扑电路，包括控制模块和与所述控制模块的输入端分别连接的太阳能阵输入端、母线端和蓄电池端；还包括接于所述太阳能阵输入端和所述母线端之间的Buck-Boost电路，以及接于所述母线端和所述蓄电池端之间的双向SuperBuck电路，所述Buck-Boost电路的控制端和所述双向SuperBuck电路的控制端分别接所述控制模块的输出端。
本发明的三端口拓扑结构将现有的三端口拓扑的母线端口和蓄电池端口对换，从太阳能电池阵到母线仅仅需要一级能量变换，效率可大大提高，降低整机热耗，可减少散热措施，降低成本。
进一步的，所述Buck-Boost电路包括第一电容、第一电感、第二电感、负责升压的第一N-MOSFET、负责降压的第二N-MOSFET、起隔离作用的第一二极管和用于提供放电回路的第二二极管；所述第一N-MOSFET和所述第二N-MOSFET各自的栅极分别与所述控制模块连接，各自的漏极分别于所述太阳能阵输入端连接；所述第一N-MOSFET的源级依次经所述第一二极管和所述第一电感与所述母线端连接；所述第二N-MOSFET的源极依次经所述第一电容和所述第一电感与所述母线端连接，其源极还依次经所述第二电感、所述第二二极管和所述第一电感与所述母线端连接；当控制模块判断所述太阳能阵输入端电压大于所述母线端电压时，该控制模块控制所述第一N-MOSFET断开、所述第二N-MOSFET工作在开关模式；当控制模块判断所述太阳能阵输入端电压小于所述母线端电压时，该控制模块控制所述第一N-MOSFET工作在开关模式、所述第二N-MOSFET导通。
采用上述技术方案，该拓扑结构具有结合升压和降压功能，双向能量流动，减少使用功率器件，提高效率的优点。
进一步的，所述双向SuperBuck电路包括第一电容、第一电感、第二电感、第三N-MOSFET、第四N-MOSFET、用于提供放电回路的第二二极管和起续流作用的第三电感；所述第三N-MOSFET的栅极与所述控制模块连接，其源极经所述第三电感与所述蓄电池端连接，其漏极经所述第一电感与所述母线端连接；所述第四N-MOSFET的栅极与所述控制模块连接，其漏极经所述第三电感与所述蓄电池端连接，其源级依次经所述第一电容和所述第一电感与所述母线端连接，其源级还依次经所述第二电感、所述第二二极管和所述第一电感与所述母线端连接；当需为蓄电池充电时，所述控制模块控制所述第三N-MOSFET导通、所述第四N-MOSFET断开；当需蓄电池放电时，所述控制模块控制所述第三N-MOSFET断开、所述第四N-MOSFET导通。
采用上述技术方案，可通过控制第三N-MOSFET和第四N-MOSFET互补导通，从而实现双向导电的功能，实现母线端到蓄电池端的能量双向流动。
进一步的，所述控制模块包括控制器、第一PI比较器、第二PI比较器、或非电路和第一脉宽调制单元和第二脉宽调制单元；所述控制器的输入分别经太阳能阵电压采样装置和太阳能阵电流采样装置与所述太阳能阵输入端连接，其还经母线电压采样装置与所述母线端连接；所述第一PI比较器的一个输入端与所述控制器的一个输出端连接，接收该控制器输出的MPPT电压基准，其另一个输入端经太阳能阵电压采样装置与所述太阳能阵输入端连接；所述第二PI比较器的一个输入端与所述控制器的另一个输出端连接，接收该控制器输出的母线电压误差放大信号；所述第二PI比较器的另一个输入端经母线电流采样装置与所述母线端连接；所述第一PI比较器和所述第二PI比较器各自的输出分别作为所述或非电路的输入；所述或非电路的输出端分别连接所述第一脉宽调制单元的输入端和所述第二PI比较器的输入端，所述第一脉宽调制单元的输出端与所述第一N-MOSFET的栅极连接，所述第二脉宽调制单元的输出端与所述第二N-MOSFET的栅极连接。
采用上述技术方案，通过将母线电压反馈到控制器进而计算出母线电压误差放大信号，将其与电流采样信号做PI比较，控制母线电流，进而实现母线稳压；同时采样输入电压与参考电压MPPT电压基准做PI比较，两个经PI比较后的输出信号取低，产生开关控制信号。
进一步的，所述控制模块包括控制器、第三PI比较器、第三脉宽调制单元和反相器；所述控制器内预设有充电电流基准；所述第三PI比较器的一个输入端与所述控制器的输出端连接，接收该控制器输出的充电电流基准，其另一个输入端经蓄电池电流采样装置与所述蓄电池端连接；所述第三PI比较器的输出作为所述第三脉宽调制单元的输入；所述第三脉宽调制单元的输出一路与所述第三N-MOSFET的栅极连接，另一路经所述反相器后与第四N-MOSFET的栅极连接。
采用上述技术方案，采用双向电流采样电路采样电流信号，通过母线反馈信号和充电控制信号作用后给出基准电压与电流采样信号做PI比较，进而实现对蓄电池电流的控制。
本发明带来的有益效果是：本发明的三端口拓扑结构将现有的三端口拓扑的母线端口和蓄电池端口对换，从太阳能电池阵到母线仅仅需要一级能量变换，效率可大大提高，降低整机热耗，可减少散热措施，降低成本。由于从蓄电池到母线为升压拓扑，所以蓄电池电压低于母线电压，保证了电池安全性，同时符合常规电源设计，使得本设计适用于高电压应用场合。
附图说明
图1为现有技术的一种三端口DC-DC变换器拓扑电路的电路结构示意图；
图2为本发明实施例三端口DC-DC变换器拓扑电路的电路结构示意图（未显示控制模块）；
图3为本发明实施例变换器拓扑电路中的Buck-Boost电路处于Boost模式时的等效电路结构示意图；
图4为图3的所示状态时Q1和Q2的驱动波形示意图；
图5为本发明实施例变换器拓扑电路中的Buck-Boost电路处于Buck模式时的等效电路结构示意图；
图6为图5的所示状态时Q1和Q2的驱动波形示意图；
图7为本发明实施例变换器拓扑电路中的双向SuperBuck电路工作时Q3和Q4的驱动波形示意图；
图8为本发明实施例三端口DC-DC变换器拓扑电路的电路结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图说明及具体实施方式对本发明进一步说明。
如图2、8所示，本发明三端口DC-DC变换器拓扑电路有三个端口，分别是连接太阳能电池阵的太阳能阵输入端SA、连接负载的母线端BUS和连接蓄电池的蓄电池端BAT。本发明的变换器拓扑电路包括控制模块1和与控制模块1的输入端分别连接的太阳能阵输入端SA、母线端BUS和蓄电池端BAT；还包括接于太阳能阵输入端SA和母线端BUS之间的Buck-Boost电路，以及接于母线端BUS和蓄电池端BAT之间的双向SuperBuck电路，Buck-Boost电路的控制端和双向SuperBuck电路的控制端分别接控制模块的输出端。
Buck-Boost电路可实现Buck（降压）和SuperBoost功能，Buck-Boost电路包括电源输入电容Cin（其可采用15uF的薄膜电容与44uF电解电容并联）、母线滤波电容CBUS（其可选用电容阵）、第一电容C1（其可采用30uF的薄膜电容与44uF的电解电容并联）、第一电感L1（采用电感值为120uH的）、第二电感L2（采用电感值为70uH的）、负责升压的第一N-MOSFET Q1（其可采用型号IRFP90N20D）、负责降压的第二N-MOSFET Q2（其可采用型号IRFP90N20D）、起隔离作用的第一二极管D1（其可采用型号60APU02）和用于提供放电回路的第二二极管D2；第一N-MOSFET Q1和第二N-MOSFET Q2各自的栅极分别与控制模块1连接，各自的漏极分别于太阳能阵输入端SA连接；第一N-MOSFETQ1的源级依次经第一二极管D1和第一电感L1与母线端BUS连接；第二N-MOSFETQ2的源极依次经第一电容C1和第一电感L1与母线端SA连接，其源极还依次经第二电感L2、第二二极管D2和第一电感L1与母线端SA连接。当控制模块1判断太阳能阵输入端SA电压大于母线端BUS电压时，控制模块控1制第一N-MOSFET断开、第二N-MOSFET工作在开关模式；当控制模块1判断太阳能阵输入端SA电压VSA小于母线端BUS电压VBUS时，控制模块1控制第一N-MOSFET工作在开关模式、第二N-MOSFET导通。
双向SuperBuck电路包括蓄电池端滤波电容CBAT（可采用电容值为15uF的电容）、第一电容C1、第一电感L1、第二电感L2、第三N-MOSFETQ3、第四N-MOSFETQ4、用于提供放电回路的第二二极管D2和起续流作用的第三电感L3（可采用电感值为70uH的电感）；第三N-MOSFET Q3的栅极与控制模块1连接，其源极经第三电感L3与蓄电池端BAT连接，其漏极经第一电感L1与母线端BUS连接；第四N-MOSFET Q4的栅极与控制模块1连接，其漏极经第三电感L3与蓄电池端BAT连接，其源级依次经第一电容C1和第一电感L1与母线端BUS连接，其源级还依次经第二电感L2、第二二极管D2和第一电感L1与母线端SA连接。第三N-MOSFET Q3和第四N-MOSFET Q4互补导通：当需为蓄电池充电时，控制模块1控制第三N-MOSFET Q3导通、第四N-MOSFET Q4断开，实现Buck功能；当需蓄电池放电时，控制模块控制第三N-MOSFET Q3断开、第四N-MOSFET Q4导通，实现Boost功能。
对于Buck-Boost电路，其作用是太阳能电池阵通过其向母线供电，Buck模式（降压模式）与Boost模式（升压模式）不能同时工作，即第一N-MOSFET Q1和第二N-MOSFET Q2不能同时调节。因此，当处于Boost模式时，第二N-MOSFET Q2始终导通，第一N-MOSFET Q1工作在开关调节状态；当工作在Buck模式时，第一N-MOSFET Q1始终断开，第二N-MOSFET Q2工作在开关调节状态。
Boost模式：如图3、4所示，当VSA＜VBUS时，控制模块1控制第二N-MOSFET Q2始终导通、第一N-MOSFET Q1工作在开关模式，通过第一二极管D1、第一电容C1、第一电感L1、第二电感L2、母线滤波电容CBUS和负载构成SuperBoost回路，VBUS=VSA/(1-α1)，其中，α1为第一N-MOSFET  Q1的占空比。在电路正常工作时，第一电容C1上的电压VC1始终等于母线端电压VBUS，即VC1=VBUS。
Buck模式：如图5、6所示，当VSA＞VBUS时，控制模块1控制第一N-MOSFET Q1始终断开、第二N-MOSFET Q2工作在开关模式，通过第一二极管D1、第一电感L1、第二二极管D2、母线滤波电容CBUS和负载构成Buck回路，VBUS=α2* VSA，其中，α2为第二N-MOSFET Q2的占空比。
对于双向SuperBuck电路，可通过其实现能量的双向流动，通过调节互补导通的开关第三N-MOSFET Q3和第四N-MOSFET Q4的占空比，即可实现。
降压模式，由于VC1=VBUS，控制模块1控制第三N-MOSFET Q3导通、第四N-MOSFET Q4断开，再通过第三电感L3和蓄电池端滤波电容CBAT，便可实现降压，蓄电池端电压VBAT=α3* VBUS（其中α3为第三N-MOSFET Q3的占空比），此时太阳能电池阵为蓄电池充电。
升压模式：控制模块1控制第三N-MOSFET Q3断开、第四N-MOSFET Q4导通，通过第三电感L3、第四N-MOSFET Q4、第三N-MOSFET Q3、第一电容C1、第一电感L1和第二电感L2构成SuperBoost电路，VBAT= VBUS/(1-α4)（其中α4为第四N-MOSFET Q4的占空比），此时蓄电池向母线放电，控制模块1通过调节第四N-MOSFET Q4的占空比即可实现升压。
如图8所示，控制模块1包括第一控制器10a、第二控制器10b、第一PI（比例积分）比较器11a、第二PI比较器11b、第三PI比较器11c、或非电路12、第一脉宽调制单元13a、第二脉宽调制单元13b、第三脉宽调制单元13c和反相器14；还包括太阳能阵电压采样装置、太阳能阵电流采样装置、母线电压采样装置、母线电流采样装置和蓄电池电流采样装置。
如图8所示，第一控制器10a的输入分别经太阳能阵电压采样装置和太阳能阵电流采样装置与太阳能阵输入端SA连接，其还经母线电压采样装置与母线端BUS连接；第一PI比较器11a的一个输入端与第一控制器10a的一个输出端连接，接收第一控制器10a输出的MPPT（Maximum Power Point Tracking，最大功率点跟踪）电压基准，其另一个输入端经太阳能阵电压采样装置与太阳能阵输入端SA连接；第二PI比较器11b的一个输入端与第一控制器10a的另一个输出端连接，接收第一控制器10a输出的母线电压误差放大信号；第二PI比较器11b的另一个输入端经母线电流采样装置与母线端BUS连接；第一PI比较器11a和第二PI比较器11b各自的输出分别作为或非电路12的输入；或非电路12的输出端分别连接第一脉宽调制单元13a的输入端和第二PI比较器11b的输入端，第一脉宽调制单元13a的输出端与第一N-MOSFET Q1的栅极连接，第二脉宽调制单元13b的输出端与第二N-MOSFET Q2的栅极连接。
如图8所示，第二控制器11b内预设有充电电流基准；第三PI比较器11c的一个输入端与第二控制器11b的输出端连接，接收第二控制器11b输出的充电电流基准，其另一个输入端经蓄电池电流采样装置与蓄电池端BAT连接；第三PI比较器11c的输出作为第三脉宽调制单元13c的输入；第三脉宽调制单元13c的输出一路与第三N-MOSFET Q3的栅极连接，另一路经反相器14后与第四N-MOSFET Q4的栅极连接。
参看图8中控制模块1的左半部分，对向母线侧输出电流进行PI（比例积分）闭环控制，通过将母线电流采样信号IBUS与第一控制器计算出的母线电压误差放大信号进行PI比较，实现输出电流闭环；同时将太阳能阵输入端电压VSA与第一控制器输出的MPPT电压基准VSA_REF进行PI比较；对这两个经PI比较后的信号取低，再经过调制后控制第一N-MOSFET Q1和第二N-MOSFET Q2的工作情况。
参看图8中控制模块1的右半部分，利用双向电流采样电路获得蓄电池端电流信号IBAT，与第二控制器中预设的充电电流基准IBAT_REF进行PI比较，之后再进行调制，调制后的信号一路作为对第三N-MOSFET Q3的控制信号，另一路经过反相器后作为对第四N-MOSFET Q4的控制信号，如此实现控制第三N-MOSFET Q3和第四N-MOSFET Q4互补工作。
如上所云是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思和内涵的前提下，还可以做出若干简单推演或替换，都应当视为属于本发明的保护范围。

Claims (4)

1.一种三端口DC-DC变换器拓扑电路，包括控制模块(1)和与所述控制模块(1)的输入端分别连接的太阳能阵输入端(SA)、母线端(BUS)和蓄电池端(BAT)；其特征在于：包括接于所述太阳能阵输入端(SA)和所述母线端(BUS)之间的Buck-Boost电路，以及接于所述母线端(BUS)和所述蓄电池端(BAT)之间的双向SuperBuck电路，所述Buck-Boost电路的控制端和所述双向SuperBuck电路的控制端分别接所述控制模块(1)的输出端；所述Buck-Boost电路包括第一电容(C1)、第一电感(L1)、第二电感(L2)、负责升压的第一N-MOSFET(Q1)、负责降压的第二N-MOSFET(Q2)、起隔离作用的第一二极管(D1)和用于提供放电回路的第二二极管(D2)；所述第一N-MOSFET(Q1)和所述第二N-MOSFET(Q2)各自的栅极分别与所述控制模块(1)连接，各自的漏极分别于所述太阳能阵输入端(SA)连接；所述第二N-MOSFET(Q2)的源级依次经所述第一二极管(D1)和所述第一电感(L1)与所述母线端(BUS)连接；所述第一N-MOSFET(Q1)的源极依次经所述第一电容(C1)和所述第一电感(L1)与所述母线端(BUS)连接，其源极还依次经所述第二电感(L2)、所述第二二极管(D2)和所述第一电感(L1)与所述母线端(BUS)连接；当控制模块(1)判断所述太阳能阵输入端(SA)电压大于所述母线端(BUS)电压时，该控制模块(1)控制所述第一N-MOSFET(Q1)断开、所述第二N-MOSFET(Q2)工作在开关模式；当控制模块(1)判断所述太阳能阵输入端(SA)电压小于所述母线端(BUS)电压时，该控制模块(1)控制所述第一N-MOSFET(Q1)工作在开关模式、所述第二N-MOSFET(Q2)导通。
2.根据权利要求1所述的变换器拓扑电路，其特征在于：所述双向SuperBuck电路包括第一电容(C1)、第一电感(L1)、第二电感(L2)、第三N-MOSFET(Q3)、第四N-MOSFET(Q4)、用于提供放电回路的第二二极管(D2)和起续流作用的第三电感(L3)；所述第三N-MOSFET(Q3)的栅极与所述控制模块(1)连接，其源极经所述第三电感(L3)与所述蓄电池端(BAT)连接，其漏极经所述第一电感(L1)与所述母线端(BUS)连接；所述第四N-MOSFET的栅极与所述控制模块(1)连接，其漏极经所述第三电感(L3)与所述蓄电池端连接，其源级依次经所述第一电容(C1)和所述第一电感(L1)与所述母线端(BUS)连接，其源级还依次经所述第二电感(L2)、所述第二二极管(D2)和所述第一电感(L1)与所述母线端(BUS)连接；当需为蓄电池充电时，所述控制模块(1)控制所述第三N-MOSFET(Q3)导通、所述第四N-MOSFET(Q4)断开；当需蓄电池放电时，所述控制模块(1)控制所述第三N-MOSFET(Q3)断开、所述第四N-MOSFET(Q4)导通。
3.根据权利要求1所述的变换器拓扑电路，其特征在于：所述控制模块(1)包括第一控制器(10a)、第一PI比较器(11a)、第二PI比较器(11b)、或非电路(12)和第一脉宽调制单元(13a)和第二脉宽调制单元(13b)；所述第一控制器(10a)的输入分别经太阳能阵电压采样装置和太阳能阵电流采样装置与所述太阳能阵输入端(SA)连接，其还经母线电压采样装置与所述母线端(BUS)连接；所述第一PI比较器(11a)的一个输入端与所述第一控制器(10a)的一个输出端连接，接收该第一控制器(10a)输出的MPPT电压基准，其另一个输入端经太阳能阵电压采样装置与所述太阳能阵输入端(SA)连接；所述第二PI比较器(11b)的一个输入端与所述第一控制器(10a)的另一个输出端连接，接收该第一控制器(10a)输出的母线电压误差放大信号；所述第二PI比较器(11b)的另一个输入端经母线电流采样装置与所述母线端(BUS)连接；所述第一PI比较器(11a)和所述第二PI比较器(11b)各自的输出分别作为所述或非电路(12)的输入；所述或非电路(12)的输出端分别连接所述第一脉宽调制单元(13a)的输入端和所述第二PI比较器(11b)的输入端，所述第一脉宽调制单元(13a)的输出端与所述第一N-MOSFET(Q1)的栅极连接，所述第二脉宽调制单元(13b)的输出端与所述第二N-MOSFET(Q2)的栅极连接。
4.根据权利要求2所述的变换器拓扑电路，其特征在于：所述控制模块(1)包括第二控制器(10b)、第三PI比较器(11c)、第三脉宽调制单元(13c)和反相器(14)；所述第二控制器(10b)内预设有充电电流基准；所述第三PI比较器(11c)的一个输入端与所述第二控制器(10b)的输出端连接，接收该第二控制器(10b)输出的充电电流基准，其另一个输入端经蓄电池电流采样装置与所述蓄电池端(BAT)连接；所述第三PI比较器(11c)的输出作为所述第三脉宽调制单元(13c)的输入；所述第三脉宽调制单元(13c)的输出一路与所述第三N-MOSFET(Q3)的栅极连接，另一路经所述反相器(14)后与第四N-MOSFET(Q4)的栅极连接。
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