CN103208925B

CN103208925B - 一种隔离型dc-dc变换器拓扑电路

Info

Publication number: CN103208925B
Application number: CN201310144593.4A
Authority: CN
Inventors: 朱洪雨; 艾萨巴.侯赛因; 吴斌; 邢浩江; 张东来
Original assignee: SHENZHEN AEROSPACE NEW SOURCE TECHNOLOGY Co Ltd
Current assignee: SHENZHEN AEROSPACE NEW SOURCE TECHNOLOGY Co Ltd
Priority date: 2013-04-24
Filing date: 2013-04-24
Publication date: 2015-04-01
Anticipated expiration: 2033-04-24
Also published as: CN103208925A

Abstract

本发明提供一种隔离型DC-DC变换器拓扑电路，包括控制器、太阳能阵输入端、母线输出端、蓄电池端、与蓄电池端连接的电池端口模块以及在太阳能阵输入端和母线输出端之间依次连接的一次侧输入模块、变压器模块和母线负载输出端口模块；一次侧输入模块包括分别半桥连接于太阳能阵输入端正负极之间的第一、第二MOS管和第一、第二电容，第一MOS管和第二MOS管各自的栅极分别与控制器连接，第一MOS管和第二MOS管的中间点与第一电容和第二电容的中间点之间接有第一电感；变压器模块还包括电连接的第三、第四电感；母线输出端口模块接于第四电感的两端之间，电池端口模块接于第三电感的两端之间。本发明能够实现适应三端口拓扑的应用。

Description

一种隔离型DC-DC变换器拓扑电路

技术领域

本发明涉及隔离型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。这要求电源变换电路既能够实现从太阳能阵端向母线端供电，又能够实现从蓄电池端向母线端供电，还能够实现太阳能阵端向蓄电池充电。但是，现有的隔离型DC-DC变换器拓扑电路，如图1所示，采用半桥拓扑结构，仅能够实现一对一的功率变换，不适应三端口拓扑的应用。

发明内容

为解决现有隔离型DC-DC变换器拓扑电路无法实现由太阳能电池阵向蓄电池供电的技术问题，本发明提供一种隔离型DC-DC变换器拓扑电路，包括控制器、太阳能阵输入端、母线输出端、蓄电池端、与所述蓄电池端连接的电池端口模块以及在所述太阳能阵输入端和所述母线输出端之间依次连接的一次侧输入模块、变压器模块和母线负载输出端口模块；所述一次侧输入模块包括分别半桥连接于所述太阳能阵输入端正、负极之间的第一MOS管、第二MOS管和第一电容、第二电容，所述第一MOS管和所述第二MOS管各自的栅极分别与所述控制器连接，该第一MOS管和该第二MOS管的中间点与所述第一电容和第二电容的中间点之间接有第一电感；所述第一电感为所述变压器模块的原边电感；所述变压器模块还包括电连接的第四电感和第三电感；所述第四电感和所述第三电感共地；所述母线输出端口模块接于第四电感的两端之间，所述电池端口模块接于所述第三电感的两端之间。

进一步的，当所述控制器判断进入光照区时，所述控制器控制所述第一MOS管和所述第二MOS管交替导通；该控制器通过控制该第一MOS管的占空比调节母线电压，通过控制该第二MOS管的占空比调节蓄电池充电电流。

本发明拓扑电路在半桥拓扑的基础上，将后级反向绕组拆开形成两个端口，一个街道母线端，另一个接到电池端。在第一MOS管开通过程中，输入端为母线输出提供能量；在第二MOS管开通过程中，输入端电流为蓄电池充电。

进一步的，所述电池端口模块包括串接于所述第三电感两端之间的第三薄膜电容和第三二极管，所述第三二极管和所述第三薄膜电容的中间点与所述蓄电池端连接；所述电池端口模块还包括与所述第三二极管并接于所述第三电感和所述蓄电池端之间的第三MOS管，所述第三MOS管的栅极与所述控制器连接。

更进一步的，当所述控制器判断进入阴影区时，所述控制器控制所述第一MOS管和第二MOS管始终关断、所述第三MOS管周期性开关。

采用上述技术方案，通过设置第三MOS管，经过第三电感和第四电感为母线提供能量，实现在太阳能能量不足时蓄电池能够为母线负载提供能量。

更进一步的，所述电池端口模块还包括与第三二极管并接于所述第三电感和所述蓄电池端之间的反激吸收电路。所述反激吸收电路包括相互串接的第五电容和第五二极管，该第五二极管与所述第三二极管反向。

采用上述技术方案，增加反激吸收电路，这样，第三电感、第四电感、第四二极管和第七电感为光照区和阴影区功率变换的共用单元，一定程度降低了元器件的应用数量，提高了整机功率密度。

进一步的，所述变压器拓扑电路还包括接于所述太阳能阵输入端和所述一次侧输入模块之间的平波升压模块。

更进一步的，所述平波升压模块包括第六二极管以及依次串接于所述太阳能阵输入端的正、负极之间的第六电感、第二电感和第六电容，所述第六二极管接于所述第一电容与所述第六电感和所述第二电感的中间点之间。

采用平波升压模块，可以降低太阳能端口输入电流纹波，提高太阳能电池功率利用率。

进一步的，所述第一MOS管和所述第二MOS管的中间点与所述第一电容和所述第二电容的中间点之间还接有与所述第一电感串接的第七电容。

与第一电感串联一个电容，起到防止变压器偏磁作用。

进一步的，所述第一电容和所述第二电容的电容值相等。

本发明带来的有益效果是：本发明完成了太阳能阵输入端、母线输出端和电池端三端口之间的能量传输，能够实现太阳能阵同时向蓄电池和负载进行供电，同时实现蓄电池的充放电，尤其是实现了在太阳能能量不足时蓄电池能够为母线负载提供能量的功能。本发明还结合了反激变换电路，一定程度降低了元器件的应用数量，提高了整机功率密度。本发明效率高、动态响应快，控制方式简单。

附图说明

图1为现有技术的隔离型DC-DC变换器拓扑电路的电路结构示意图；

图2为图所示的拓扑电路中M1和M2的驱动波形示意图；

图3为本发明变换器拓扑电路的一个实施例的电路结构示意图（未示出控制器），其能实现太阳能能电池分别向母线负载和蓄电池供电；

图4为在图3实施例的基础上进行进一步改进后的电路结构示意图，其能实现太阳能能电池分别向母线负载和蓄电池供电且蓄电池又能向母线负载供电的功能；

图5-10为图4所的示拓扑电路在系统处于光照区时，一个控制周期内电路的工作状态示意图；

图11为图4所示的拓扑电路在图5-10所示的一个控制周期内各元器件的电压、电流波形示意图，其中，L1、L2、L3和L4依次分别表示第一电感N1、第二电感N2、第三电感N3和第四电感N4的电感量。

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。

本发明的隔离型DC-DC变换器拓扑电路，如图3、4所示，主要由控制器（图中未示出）、一次侧输入模块1、变压器模块2、电池端口模块3、母线负载输出端口模块4和平波升压模块6构成。如图3所示，它在半桥变换器的基础上，将输出端口拆为双端口，分别给母线负载输出端口模块4和电池端口模块3传输能量；在此基础上，如图4所示，又在母线输出端口模块4和电池端口模块3形成了反激电路结构，使得蓄电池可向母线传输能量。本发明实施例的变换器拓扑电路还包括太阳能阵输入端SA、母线输出端BUS和蓄电池端BAT，在太阳能阵输入端SA和母线输出端BUS之间依次连接有一次侧输入模块1、变压器模块2和母线负载输出端口模块3，电池端口模块4连接与蓄电池端BAT连接。

如图4所示，变压器模块2包括第一电感N1、第二电感N2、第三电感N3和第四电感N4，第一电感N1为原边电感，第三电感N3和第四电感N4分别为副边电感。第三电感N3和第四电感N4的中间点接地；母线输出端口模块4接于第四电感N4的两端之间，电池端口模块3接于第三电感N3的两端之间。第一电感N1为能量输入端口，第四电感N4和第三电感N3分别作为向母线负载和蓄电池供电的输出端口；第二电感N2参与构成下述的降波升压模块6。本拓扑电路中变压器结构较为复杂，设计过程需要十分严谨，本设计中采用铁氧体PQ3535作为变压器的磁芯，N1—N4的匝数分别为7匝、3匝、25匝和10匝，电感量以N4为基准，大小为84uH。

如图4所示，一次侧输入模块1包括分别半桥连接于太阳能阵输入端SA正、负极之间的第一MOS管M1、第二MOS管M2和第一电容C1、第二电容C2。一次侧输入模块1保留了半桥电路一次侧基础，由两个相等的电容（第一电容C1和第二电容C2）构成一个桥臂，两个开关管（第一MOS管M1和第二MOS管M2）构成另一个桥臂；两桥臂的中间点为输出端，通过变压器模块2输出，即第一MOS管M1和第二MOS管M2的中间点与第一电容C1和第二电容C2的中间点之间接有变压器模块2的第一电感N1；第一MOS管M1和第二MOS管M2各自的栅极分别于控制器连接，控制器控制第一MOS管M1和第二MOS管M2的开关以及占空比。同时第一MOS管M1和第二MOS管M2的中间点与第一电容C1和第二电容C2的中间点之间还接有与第一电感N1串接的第七电容C7，加入第七电容C7，防止变压器模块2长时间工作产生偏磁。其中第一电容C1和第二电容C2为100uF薄膜电容，第七电容C7为1uF薄膜电容，第一MOS管M1和第二MOS管M2的型号为IRFP90N20D。

如图4所示，作为变压器副边电感的第四电感N4的输出端口和母线输出端BUS之间接有母线负载输出端口模块4，母线负载输出端口模块4包括相串接的第四二极管D4和第七电感L7。第四二极管D4为P810XC，用于防止电流回流；第七电感L7为平波续流电感，大小为80uH，输出最后级并联接入100uF的第四薄膜电容C04用于稳压。

如图4所示，作为变压器副边电感的第三电感N3的输出端口与蓄电池端BAT之间接有电池端口模块3，对蓄电池进行充放电。电池端口模块3包括串接于第三电感N3两端之间的第一薄膜电容C03和第三二极管D3，第三二极管D3和第三薄膜电容C03的中间点与蓄电池端BAT连接；电池端口模块3还包括与第三二极管D3并接于第三电感N3和蓄电池端BAT之间的第三MOS管M3，第三MOS管M3的栅极与控制器连接，第三MOS管M3的型号为IRFP90N20D。第三二极管D3用于在给蓄电池充电期间阻断高压，防止电流回流。最后级与蓄电池并联接入有100uF第三薄膜电容C03来稳压。

如图4所示，在电池端口模块3中设有与第三二极管D3并接于第三电感N3和蓄电池端之间的反激吸收电路5，反激吸收电路5包括相互串接的第五电容C5和第五二极管D5，第五二极管D5与第三二极管D3反向。第三二极管D3和第五二极管D5的型号均为P810XC。

采用反激变换器结构，加入第三MOS管M3，同时使用100uF的第五电容C5与第五二极管D5串联，在蓄电池放电期间进行滤波，实现让蓄电池可以输出电能给母线。

如图4所示，平波升压模块6接于太阳能阵输入端SA和一次侧输入模块1之间，平波升压模块6包括第六二极管D6以及依次串接于太阳能阵输入端SA的正、负极之间的第六电感L6、第二电感N2和第六电容C6。第六二极管D6接于第一电容C1与第六电感L6和第二电感N2的中间点之间。第六电感L6主要起到平波作用，保持输入端电流连续；变压器模块2的第一电感N1和第二电感N2与第六电容C6形成Boost升压电路，将输入电压Vin变为Vo，输出给变压器模块2。第六电感L6为80uH，第六电容C6为100uF的薄膜电容。Vo大小受到第一电感N1和第二电感N2的变比K以及第一MOS管M1和第二MOS管M2的占空比的共同影响，其中变比K起主要作V₀用。

当控制器判断进入光照区时，控制器控制第一MOS管M1和第二MOS管M2交替导通；控制器通过控制第一MOS管M1的占空比调节母线电压，通过控制第二MOS管M2的占空比调节蓄电池充电电流。当控制器判断进入阴影区时，控制器控制第一MOS管M1和第一MOS管M2始终处于关断、第三MOS管M3周期性开关。

本实施例的变换器拓扑电路的工作原理如下所述，其具有两种工作模式，一种工作模式是在光照区时，电能由输入端口，向母线负载和电池传输；另一种工作模式是在阴影区时，输入端无能量流入，蓄电池向母线负载供电。

当处于前一种工作模式时，一次侧输入模块1中两个开关管M1、M2不同时导通，最大占空比均为50%，电池端口模块3中的M3一直处于关断状态。M1导通期间，输入端向母线负载供电，维持母线电压恒定，调节M1占空比可控制母线电压；M2导通期间，输入端给蓄电池充电，调节M2占空比可控制蓄电池充电电流。如图5-11所示，控制器控制M1、M2周期性的交替导通，在一个周期内，需顺序经历如下阶段：

时段[t0，t1]：如图5和图11所示，在 t0 时刻，M1零电压开通，变压器模块2原边两端的电压为正，输出电感（第七电感L7）和太阳能电池侧输入电感（第六电感L6）被充电，能量由太阳能电池输送到母线；

时段[t1，t2]：如图6和图11所示，在t1时刻，M1关断，L6和 L7 通过M1和M2的反并联二极管进行续流，变压器模块2原边电压为负值，电流线性下降到0；同样N3两端电压为负值，蓄电池通过N3经过D3进行充电；

时段[t2，t3]：如图7和图11所示，在t2时刻，电流续流结束，C6通过N2和L6进行充电；

时段[t3，t4]：如图8和图11所示，在t3时刻，M2零电压开通，变压器模块2原边两端电压为负，蓄电池和太阳能电池侧输入电感（第六电感L6）被充电，能量由太阳能电池输送到蓄电池；

时段[t4，t5]：如图9和图11所示，在t4时刻，M2关断，N2和L6通过M1和M2的反并联二极管进行续流，变压器模块2原边电压为正，电流线性下降到0；

时段[t5，t6]：如图10和图11所示，在t6时刻，电流续流结束，C6通过N2和L6进行充电。

当输入端没有能量流入、电路处于后一工作模式时，为了保持母线电压，蓄电池开始放电为母线提供能量。此时M1和M2一直处于关断状态，M3进行周期性开关，电池端口模块与母线负载输出端口模块形成反激变换器，完成能量的传输。

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

1.一种隔离型DC-DC变换器拓扑电路，包括控制器、太阳能阵输入端(SA)、母线输出端(BUS)以及在所述太阳能阵输入端(SA)和所述母线输出端(BUS)之间依次连接的一次侧输入模块(1)、变压器模块(2)和母线负载输出端口模块(4)；所述一次侧输入模块(1)包括分别半桥连接于所述太阳能阵输入端(SA)正、负极之间的第一MOS管(M1)、第二MOS管(M2)和第一电容(C1)、第二电容(C2)，所述第一MOS管(M1)和所述第二MOS管(M2)各自的栅极分别与所述控制器连接，该第一MOS管(M1)和该第二MOS管(M2)的中间点与所述第一电容(C1)和第二电容(C2)的中间点之间接有第一电感(N1)；所述第一电感(N1)为所述变压器模块的原边电感；其特征在于：还包括电池端口模块和与所述电池端口模块连接的蓄电池端，所述变压器模块还包括电连接的第四电感(N4)和第三电感(N3)；所述第四电感(N4)和所述第三电感(N3)共地；所述母线输出端口模块接于第四电感(N4)的两端之间，所述电池端口模块接于所述第三电感(N3)的两端之间；所述电池端口模块包括串接于所述第三电感(N3)两端之间的第三薄膜电容(C03)和第三二极管(D3)，所述第三二极管(D3)和所述第三薄膜电容(C03)的中间点与所述蓄电池端连接；所述电池端口模块还包括与所述第三二极管(D3)并接于所述第三电感(N3)和所述蓄电池端之间的第三MOS管(M3)，所述第三MOS管(M3)的栅极与所述控制器连接。

2.根据权利要求1所述的变换器拓扑电路，其特征在于：所述电池端口模块还包括与第三二极管(D3)并接于所述第三电感(N3)和所述蓄电池端之间的反激吸收电路。

3.根据权利要求2所述的变换器拓扑电路，其特征在于：所述反激吸收电路包括相互串接的第五电容(C5)和第五二极管(D5)，该第五二极管(D5)与所述第三二极管(D3)反向。

4.根据权利要求1所述的变换器拓扑电路，其特征在于：当所述控制器判断进入光照区时，所述控制器控制所述第一MOS管(M1)和所述第二MOS管(M2)交替导通；该控制器通过控制该第一MOS管(M1)的占空比调节母线电压，通过控制该第二MOS管(M2)的占空比调节蓄电池充电电流。

5.根据权利要求1所述的变换器拓扑电路，其特征在于：当所述控制器判断进入阴影区时，所述控制器控制所述第一MOS管(M1)和第二MOS管(M2)关断、所述第三MOS管(M3)周期性开关。

6.根据权利要求1-5中任一项所述的变换器拓扑电路，其特征在于：还包括接于所述太阳能阵输入端和所述一次侧输入模块之间的平波升压模块。

7.根据权利要求6所述的变换器拓扑电路，其特征在于：所述平波升压模块包括第六二极管(D6)以及依次串接于所述太阳能阵输入端的正、负极之间的第六电感(L6)、第二电感(N2)和第六电容(C6)，所述第六二极管D6接于所述第一电容(C1)与所述第六电感(L6)和所述第二电感(N2)的中间点之间。

8.根据权利要求1所述的变换器拓扑电路，其特征在于：所述第一MOS管(M1)和所述第二MOS管(M1)的中间点与所述第一电容(C1)和所述第二电容(C2)的中间点之间还接有与所述第一电感(N1)串接的第七电容(C7)。

9.根据权利要求1所述的变换器拓扑电路，其特征在于：所述第一电容(C1)和所述第二电容(C2)的电容值相等。