CN103929058B - 基于耦合电感的两相交错并联变换器的控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于耦合电感的两相交错并联变换器的拓扑结构，属于电力电子技术领域，它包括直流输入源，两个功率开关管，两个带有两个绕组的耦合电感，三个单向整流二极管，一个输出二极管，一个箝位电容，两个中间储能电容，一个输出滤波电容。本发明具有较高的升压能力，能够实现更高升压比的输出，功率开关管和二极管的峰值电压应力也有所降低，同时利用耦合电感的漏感实现功率开关管的零电流开通和二极管的关断，这样整个变换电路的转换效率得到了提高，并采用两相交错并联的控制方式降低输入电流纹波。

Description

基于耦合电感的两相交错并联变换器的控制方法

技术领域

本发明涉及电力电子领域的直流-直流变换器的控制方法，具体地说，涉及一种基于耦合电感的两相交错并联变换器的控制方法。

背景技术

伴随着直流-直流升压变换器在光伏和燃料电池等并网发电系统等的领域中受到人们的越来越多的关注，其相关应用技术研究也有所提高。传统两相交错并联BOOST变换器的输出电压增益较小，功率开关的电压应力较大，开关损耗较大。为此，相继出现了使用软开关电路方法，虽然可以实现功率开关管的软开关，却不能降低功率开关管的电压应力；使用开关电容的方法，虽有瞬间电流冲击，而实现很高的输出电压需要数量多的开关电容，且结构复杂。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，因此研究新型高性能且具有更高升压变比的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。

关于并联变换器的结构设计，现有技术中已有相关的技术方案公开，如：中国专利号：ZL 201220067744.1，该实用新型名称为：一种交错并联BOOST变换器，该变换器由两相电路组成，一相电路由电源V正端、电感L1、电容C1、二极管D1、负载R和电源V负端依次串联而成，其中电容C2和负载R并联，开关管S1一端置于电感L1和电容C1之间，一端连接电源V负端；另一相电路由电源V正端、电感L2、二极管D2依次相连后接入电容C1和二极管D1之间，其中开关管S2一端置于电感L2和二极管D2之间，一端连接电源V负端。该申请案与传统交错并联BOOST变换器相比电压增益有所提高，但仍不够高。

此外，对于中国专利号ZL200810120792.0，发明创造名称为：一种具有开关电容的有源箝位交错并联DC/DC变换器，该申请方案采用的就是开关电容的方法。所以急需一种具有高升压变比的直流变换器。

发明内容

1、发明要解决的技术问题

本发明的目的是提出一种基于耦合电感的两相交错并联变换器及其控制方法，交错的输入与输出结构可以减小输入电流纹波，提高输出电压对输入电压的升压变比，开关器件的电压、电流应力也得到了有效的降低，从而提高了变换器的性能。该变换器既适用于常规升压型直流变换器应用范围，又适用于燃料电池、太阳能光伏发电和风力发电等新能源发电系统。

2、技术方案

为达到上述目的，本发明提供的技术方案为：

基于耦合电感的两相交错并联变换器，包括直流输入源，第一功率开关管，第二功率开关管，设有第一绕组和第二绕组的第一耦合电感，设有第三绕组和第四绕组的第二耦合电感，第一单向整流二极管，第二单向整流二极管，第三单向整流二极管，输出二极管，箝位电容，第一中间储能电容，第二中间储能电容和输出滤波电容；

第一耦合电感的第一绕组的同名端与第二耦合电感的第三绕组的同名端与直流输入源的正极相连，第一耦合电感的第一绕组的另一端与第一功率开关管的漏极及箝位电容的负极相连，第二耦合电感的第三绕组的另一端与第二功率开关管的漏极及第一单向整流二极管的阳极相连，第一功率开关管的源极与第二功率开关管的源极及直流输入源的负极相连，第一单向整流二极管的阳极与第二耦合电感的第四绕组的同名端及第一中间储能电容的负极相连，第一单向整流二极管的阴极与箝位电容的正极及第二单向整流二极管的阳极相连，第二单向整流二极管的阴极与第一中间储能电容的正极及第三单向整流二极管的阳极相连，第二耦合电感的第四绕组的另一端与第一耦合电感的第二绕组的另一端相连，第一耦合电感的第二绕组的同名端与第二中间储能电容的负极相连，第二中间储能电容的正极与第三单向整流二极管的阴极及输出二极管的阳极相连，输出二极管的阴极和输出滤波电容的一端相连，输出滤波电容另一端与直流输入源的负极相连，输出滤波电容两端接负载，输出滤波电容两端的电压即为输出电压。

本发明采用两个功率开关管的控制信号交错180°，且占空比大于0.5的控制方式控制变换器。

3、有益效果

采用本发明提供的技术方案，与已有的公知技术相比，具有如下显著效果：

1、本发明的基于耦合电感的两相交错并联变换器工作时，利用两个耦合电感提高了升压比并降低了功率开关管和二极管的峰值电压应力；利用耦合电感的漏感实现了第一功率开关管和第二功率开关管的零电流开通，同时利用耦合电感的漏感还实现了输出二极管的软关断，整个变换电路的转换效率得到了提高，并采用两相交错并联的控制方式降低输入电流纹波；利用第一单向整流二极管与箝位电容吸收漏感的能量，使第一功率开关管和第二功率开关管关断时电压尖峰减小，并吸收漏感能量传递给负载，降低损耗；利用交错并联控制降低了输入电流的纹波并提高系统的功率等级。

2、本发明利用两个耦合电感的副边进行串联可进一步获得更高的升压变比，并且耦合电感的漏感可以减小二极管的反向恢复损耗。

附图说明

图1是本发明的一种基于耦合电感的两相交错并联变换器的拓扑结构图。

图中的标号说明：

V_in：直流输入源；L₁：独立升压电感；Q₁：第一功率开关管；Q₂：第二功率开关管；N_p1：第一耦合电感的第一绕组；N_s1：第一耦合电感的第二绕组；N_p2：第二耦合电感的第三绕组；N_s2：第二耦合电感的第四绕组；D₁：第一单向整流二极管；D₂：第二单向整流二极管；D₃：第三单向整流二极管；D_o：输出二极管；C₁：箝位电容；C₂：第一中间储能电容；C₃：第二中间储能电容；C_o：输出滤波电容；R₀：负载。

具体实施方式

下面结合实施例和附图对本发明作进一步详细的说明。

实施例1

如图1所示，1、基于耦合电感的两相交错并联变换器，其特征在于：包括直流输入源V_in，第一功率开关管Q₁，第二功率开关管Q₂，设有第一绕组N_p1和第二绕组N_s1的第一耦合电感，设有第三绕组N_p2和第四绕组N_s2的第二耦合电感，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，输出二极管D_o，箝位电容C₁，第一中间储能电容C₂，第二中间储能电容C₃和输出滤波电容C_o；

第一耦合电感的第一绕组N_p1的同名端与第二耦合电感的第三绕组N_p2的同名端与直流输入源V_in的正极相连，第一耦合电感的第一绕组N_p1的另一端与第一功率开关管Q₁的漏极及箝位电容C₁的负极相连，第二耦合电感的第三绕组N_p2的另一端与第二功率开关管Q₂的漏极及第一单向整流二极管D₁的阳极相连，第一功率开关管Q₁的源极与第二功率开关管Q₂的源极及直流输入源V_in的负极相连，第一单向整流二极管D₁的阳极与第二耦合电感的第四绕组N_s2的同名端及第一中间储能电容C₂的负极相连，第一单向整流二极管D₁的阴极与箝位电容C₁的正极及第二单向整流二极管D₂的阳极相连，第二单向整流二极管D₂的阴极与第一中间储能电容C₂的正极及第三单向整流二极管D₃的阳极相连，第二耦合电感的第四绕组N_s2的另一端与第一耦合电感的第二绕组N_s1的另一端相连，第一耦合电感的第二绕组N_s1的同名端与第二中间储能电容C₃的负极相连，第二中间储能电容C₃的正极与第三单向整流二极管D₃的阴极及输出二极管D_o的阳极相连，输出二极管D_o的阴极和输出滤波电容C_o的一端相连，输出滤波电容C_o另一端与直流输入源V_in的负极相连，输出滤波电容C_o两端接负载R_o。

本发明采用两个功率开关管的控制信号交错180°，且占空比大于0.5控制方式，存在四种工作模状态，详细分析如下：

工作模态1：

第一功率开关管Q₁和第二功率开关管Q₂同时导通模态，箝位电容C₁及第一中间储能电容C₂、第二中间储能电容C₃悬浮。在此模态下，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与输出二极管D_o均关断。其中，直流输入源V_in、第一耦合电感的第一绕组N_p1、第一功率开关管Q₁构成回路，直流输入源V_in向第一耦合电感充电，第一耦合电感的第一绕组N_p1上的电流线性增加；直流输入源V_in、第二耦合电感的第三绕组N_p2、第二功率开关管Q₂构成回路，直流输入源V_in向第二耦合电感充电，第二耦合电感第三绕组N_p2上的电流线性增加。

工作模态2：

第一功率开关管Q₁导通与第二功率开关管Q₂关断模态，箝位电容C₁充电模态，第一中间储能电容C₂悬浮，第二中间储能电容C₃放电模态。在此模态下，输出二极管D_o与第一单向整流二极管D₁导通，第二单向整流二极管D₂和第三单向整流二极管D₃关断。其中，直流输入源V_in、第一耦合电感的第一绕组N_p1、第一功率开关管Q₁构成回路，直流输入源V_in向第一耦合电感充电，第一耦合电感的第一绕组N_p1上的电流继续线性增加；直流输入源V_in通过第二耦合电感第三绕组N_p2向第二耦合电感的第四绕组N_s2传递能量，第二耦合电感的第三绕组N_p2上的电流线性减少，直流输入源V_in、第二耦合电感的第三绕组N_p2、第一单向整流二极管D₁、箝位电容C₁及第一功率开关管Q₁构成回路，箝位电容C₁处于充电状态；直流输入源V_in、第二耦合电感的第三绕组N_p2、第二耦合电感的第四绕组N_s2、第一耦合电感的第二绕组N_s1、第二中间储能电容C₃及输出二极管D_o及输出端负载R₀构成回路，第二中间储能电容C₃处于放电状态。

工作模态3：

第一功率开关管Q₁和第二功率开关管Q₂同时导通模态，箝位电容C₁及第一中间储能电容C₂、第二中间储能电容C₃悬浮。在此模态下，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与输出二极管D_o均关断。其中，直流输入源V_in、第一耦合电感的第一绕组N_p1、第一功率开关管Q₁构成回路，直流输入源V_in向第一耦合电感充电，第一耦合电感的第一绕组N_p1上的电流线性增加；直流输入源V_in、第二耦合电感的第三绕组N_p2、第二功率开关管Q₂构成回路，直流输入源V_in向第二耦合电感充电，第二耦合电感的第三绕组N_p2上的电流线性增加。

工作模态4：

第一功率开关管Q₁关断与第二功率开关管Q₂导通模态，箝位电容C₁放电模态，第一中间储能电容C₂、第二中间储能电容C₃充电模态。在此模态下，第二单向整流二极管D₂、第三单向整流二极管D₃导通，第一单向整流二极管D₁与输出二极管D_o关断。其中，直流输入源V_in、第二耦合电感的第三绕组N_p2、第二功率开关管Q₂构成回路，直流输入源V_in向第二耦合电感充电，第二耦合电感的第三绕组N_p2上的电流继续线性增加；直流输入源V_in通过第一耦合电感的第一绕组N_p1向第一耦合电感的第二绕组N_s1传递能量，第一耦合电感的第一绕组N_p1上的电流线性减少；直流输入源V_in、第一耦合电感的第一绕组N_p1、箝位电容C₁、第二单向整流二极管D₂、第一中间储能电容C₂及第二功率开关管Q₂构成回路，箝位电容C₁处于放电状态，第一中间储能电容C₂处于充电状态，直流输入源V_in、第一耦合电感的第一绕组N_p1、箝位电容C₁、第二单向整流二极管D₂、第三单向整流二极管D₃、第一耦合电感的第二绕组N_s1、第二耦合电感的第四绕组N_s2及第二功率开关管Q₂构成回路，第二中间储能电容C₃处于充电状态。

基于耦合电感的两相交错并联变换器，在这四种模态下，完成能量的转换。该变换器具有高升压变比、开关电压应力低，且输入电流纹波低，控制方便的技术特点。

Claims (1)

1.基于耦合电感的两相交错并联变换器的控制方法，其特征在于：变换器包括直流输入源(V_in)，第一功率开关管(Q₁)，第二功率开关管(Q₂)，设有第一绕组(N_p1)和第二绕组(N_s1)的第一耦合电感，设有第三绕组(N_p2)和第四绕组(N_s2)的第二耦合电感，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)，输出二极管(D_o)，箝位电容(C₁)，第一中间储能电容(C₂)，第二中间储能电容(C₃)和输出滤波电容(C_o)；

所述第一耦合电感的第一绕组(N_p1)的同名端与第二耦合电感的第三绕组(N_p2)的同名端与直流输入源(V_in)的正极相连，第一耦合电感的第一绕组(N_p1)的异名端与第一功率开关管(Q₁)的漏极及箝位电容(C₁)的负极相连，第二耦合电感的第三绕组(N_p2)的异名端与第二功率开关管(Q₂)的漏极及第一单向整流二极管(D₁)的阳极相连，第一功率开关管(Q₁)的源极与第二功率开关管(Q₂)的源极及直流输入源(V_in)的负极相连，第一单向整流二极管(D₁)的阳极与第二耦合电感的第四绕组(N_s2)的同名端及第一中间储能电容(C₂)的负极相连，第一单向整流二极管(D₁)的阴极与箝位电容(C₁)的正极及第二单向整流二极管(D₂)的阳极相连，第二单向整流二极管(D₂)的阴极与第一中间储能电容(C₂)的正极及第三单向整流二极管(D₃)的阳极相连，第二耦合电感的第四绕组(N_s2)的异名端与第一耦合电感的第二绕组(N_s1)的异名端相连，第一耦合电感的第二绕组(N_s1)的同名端与第二中间储能电容(C₃)的负极相连，第二中间储能电容(C₃)的正极与第三单向整流二极管(D₃)的阴极及输出二极管(D_o)的阳极相连，输出二极管(D_o)的阴极和输出滤波电容(C_o)的一端相连，输出滤波电容(C_o)另一端与直流输入源(V_in)的负极相连，输出滤波电容(C_o)两端接负载(R_o)；

所述变换器的控制方法为采用两个功率开关管的控制信号交错180°，且占空比大于0.5的控制方式，存在四种工作模状态；

工作模态1：第一功率开关管(Q₁)和第二功率开关管(Q₂)同时导通模态，箝位电容(C₁)及第一中间储能电容(C₂)、第二中间储能电容(C₃)悬浮；

工作模态2：第一功率开关管(Q₁)导通与第二功率开关管(Q₂)关断模态，箝位电容(C₁)充电模态，第一中间储能电容(C₂)悬浮，第二中间储能电容(C₃)放电模态；

工作模态3：第一功率开关管(Q₁)和第二功率开关管(Q₂)同时导通模态，箝位 电容(C₁)及第一中间储能电容(C₂)、第二中间储能电容(C₃)悬浮；

工作模态4：第一功率开关管(Q₁)关断与第二功率开关管(Q₂)导通模态，箝位电容(C₁)放电模态，第一中间储能电容(C₂)、第二中间储能电容(C₃)充电模态。