CN104092382A - 三输入隔离dc/dc变换器 - Google Patents

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孙孝峰
熊亮亮
李昕
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Abstract

本发明公开了一种三输入隔离DC/DC变换器,包括前级逆变电路、变压器和后级整流电路;所述的前级逆变电路与所述的后级整流电路通过所述的变压器耦合在一起,实现输入输出的电气隔离。本发明能够实现能量的双向流动,节省电能。易实现模块化,易扩展应用。本发明将直流分布式发电系统中不同的发电单元通过集成的接口变流器连接起来,从而使得直流分布式发电系统的控制转化为对单个接口变流器的控制上,大大降低了直流分布式发电系统的控制复杂度,提高了系统的功率密度。

Description

三输入隔离DC/DC变换器
技术领域
[0001] 本发明涉及电力电子接口技术,尤其涉及可用于直流分布式发电系统中的一种三 输入隔离DC/DC变换器,它可将各种可再生能源形式以及传统能源通过一个接口变流器集 成在一起,从而使得对直流分布式发电系统的控制转为对变流器的控制,大大简化了直流 微电网的控制。
背景技术
[0002] 分布式发电系统将不同的能源形式转化为电能加以利用,是分布式能源的有效利 用途径,它一般指发电功率在数千瓦至50MW的小型化、分散式、安装在用户附近的小型分 布式发电机(distributed generator, DG)组成的为用户供电的电力系统。又由于分布式 发电系统中大部分形式的电源为直流电,而且交流分布式发电系统存在着各分布式电源的 相位幅值的同步,变压器的电流冲击,电流的谐波以及三相变流器的不平衡等问题,所以又 引入了直流分布式发电系统。
[0003] 目前,关于直流分布式发电系统中的电源并联的控制方法,国外文献记载的常用 方法有两种:主从控制和倾斜控制。这两种控制方式也是基于传统分布式系统的控制方式, 分立地对网内的不同电源进行控制,这样的控制方式不仅增加了系统的总体积和安装成 本,还增加了分布式发电系统控制的复杂性,降低了可再生能源的利用率。
发明内容
[0004] 为了克服现有技术中存在的上述问题,本发明提出一种应用于直流分布式发电系 统的集成多输入DC/DC拓扑结构。
[0005] 本发明提出的三输入隔离DC/DC变流器拓扑结构,是基于传统的全桥DC/DC变换 器衍生出来的,在传统全桥DC/DC变流器的前级逆变部分的全桥拓扑上,如图1所示,在前 后桥臂上各并联一个功率开关管,形成两个端口接两个可再生电源,或者一个可再生电源 和一个传统的非可再生电源;再通过两个电感将第三个储能输入端口接到全桥拓扑上,形 成同步Boost电路;为了防止能量倒流,在可再生电源端口的支路上加一个二极管;因为传 统全桥DC/DC变换器的整流部分是由VDi、VD 2、VD3、VD4组成的全桥不控整流电路,如图1所 示。当负载为电压源型负载时,能量无法回馈给输入侧的储能单元,所以将全桥DC/DC变换 器的整流部分替换为能量可双向流动的对称半桥结构。多输入DC/DC变流器拓扑结构具有 四个端口:三个输入端口,一个输出端口,三个输入端口中有两个可再生电源端口,一个具 有双向导通的储能单元端口,输入输出端口之间用变压器将其隔离。
[0006] 为了解决上述存在的技术问题,本发明是通过以下技术方案实现的:
[0007] -种三输入隔离DC/DC变换器,包括前级逆变电路、变压器和后级整流电路;
[0008] 所述的前级逆变电路包括:
[0009] 由第一功率开关管Sn、第二功率开关管S13、第三功率开关管S 2和第四功率开关管 S4组成的电压源型全桥逆变电路,第一功率开关管Sn的漏极和第二功率开关管S13的漏极 连接第一直流输入电源的正极,第一功率开关管sn的源极连接第三功率开关管s2的漏极, 第二功率开关管S13的源极连接第四功率开关管s4的漏极,第三功率开关管s2和第四功率 开关管s 4的源极连接第一直流输入电源的负极;
[0010] 所述的前级逆变电路还包括:
[0011] 由第五功率开关管s21和第六功率开关管S23组成的第二直流输入电源,第五功率 开关管s 21和第六功率开关管S23的漏极通过第一二极管Dw连接第二直流输入电源的正极, 第五功率开关管S 21的源级连接在第一功率开关管sn源级,第六功率开关管s23的源级连接 在第二功率开关管S 13的源级,使第二直流输入电源接入全桥逆变电路;
[0012] 第三储能输入端口连接的第一电感U和第二电感L2分别并联在第一功率开关管 sn的源级和第二功率开关管s13的源极,使第三储能输入端口接入全桥逆变电路;
[0013] 所述的后级整流电路包括:
[0014] 第七功率开关管SK1、第八功率开关管SK2、第一电容Ci和第二电容c 2组成的半桥电 路和第三电容C。,第一电容Ci与第二电容C2相串联,第一电容Ci的另一端和第七功率开关 管S K1的漏极连接,第七功率开关管SK1的源极连接第八功率开关管SK2的漏极,第二电容c 2 的另一端连接第八功率开关管SK2的源极,第三电容C。的一端连接第七功率开关管SK1的漏 极,第三电容C。的另一端与第八功率开关管S K2的源极连接,第三电容C。的的两端构成输出 端口;所述的后级整流电路采用了对称的半桥电路,使得输出端口的能量能够通过控制功 率开关管的开关顺序,实现双向流动;
[0015] 所述的前级逆变电路与所述的后级整流电路通过所述的变压器耦合在一起,实现 输入输出的电气隔离,所述变压器原边的同名端连接第一功率开关管s n的源级,其异名端 连接第二功率开关管S13的源极;所述变压器副边的同名端连接第七功率开关管S K1的源 极,其异名端连接第一电容Ci与第二电容c2相的连接点。
[0016] 本发明提出的应用于直流分布式发电系统的三输入隔离DC/DC变流器的拓扑结 构,是由传统的全桥DC/DC变流器衍生来的,主要是在传统全桥DC/DC变流器的前级逆变 部分的全桥拓扑上,前后各桥臂的上桥臂开关管上并联一个开关管,这样形成两个端口接 可再生电源或者一个可再生电源和一个传统的非可再生电源,两个端口共用下桥臂的开关 管;然后再通过两个合适的电感将第三个储能输入端口接到全桥拓扑的前后桥臂的中点 上,形成同步Boost电路;后级的输出部分则将原来的不控整流桥换成可控的半桥整流结 构,从而使得能量可以实现双向流动,前级输入部分的全桥拓扑结构和后级输出部分的半 桥结构完全对称;整体的输入输出部分则通过变压器耦合在一起,实现了输入输出的电气 隔离,而且通过变压器的漏感实现能量的传送。前级输入部分的全桥拓扑结构和后级输出 部分的半桥结构完全对称。整个变流器的前后级的拓扑结构完全对称,使得只要对应的开 关管开通时间一致就不会使变压器产生磁偏,从而也使得变流器的控制更加简单。三个输 入端口可以一个接可再生电源,一个接备用电源,一个接储能单元,再加上一个输出负载端 口,就可以构成一个小型的直流分布式发电系统。
[0017] 由于采用上述技术方案,本发明提供的一种三输入隔离DC/DC变换器,具有这样 的有益效果:
[0018] 本发明的特点为:重量轻、体积小、成本低、集成度高、损耗小、电路的效率高,相对 于直流分布式发电系统控制方式上简单,功率开关管数量减少。本发明能够实现能量的双 向流动,节省电能。易实现模块化,易扩展应用。本发明将直流分布式发电系统中不同的发 电单元通过集成的接口变流器连接起来,从而使得直流分布式发电系统的控制转化为对单 个接口变流器的控制上,大大降低了直流分布式发电系统的控制复杂度,提高了系统的功 率密度。相对于分立的全桥拓扑结构,集成的多输入DC/DC变流器的拓扑结构,减少了开关 管的使用数量,从而也减小了变流器的体积。
[0019] 输入和输出侧用变压器隔离,使得变流器的安全性更高,而且相较于非隔离的变 流器拓扑,功率可以做得更大。
附图说明
[0020] 图1为传统的全桥DC/DC变流器的拓扑结构;
[0021] 图2为本发明的应用于直流分布式发电系统的三输入隔离DC/DC变流的拓扑结 构;
[0022] 图3为本发明的三输入隔离DC/DC变流器的拓扑结构的工作过程分析。
具体实施方式
[0023] 下面结合附图与具体实施方式对本发明作进一步详细描述:
[0024] -种三输入隔离DC/DC变换器,如图2所示,包括前级逆变电路、变压器和后级整 流电路;
[0025] 所述的前级逆变电路包括:
[0026] 由第一功率开关管Sn、第二功率开关管S13、第三功率开关管S 2和第四功率开关管 S4组成的电压源型全桥逆变电路,第一功率开关管Sn的漏极和第二功率开关管S13的漏极 连接第一直流输入电源的正极,第一功率开关管S n的源极连接第三功率开关管S2的漏极, 第二功率开关管S13的源极连接第四功率开关管S 4的漏极,第三功率开关管S2和第四功率 开关管S4的源极连接第一直流输入电源的负极;
[0027] 所述的前级逆变电路还包括:
[0028] 由第五功率开关管S21和第六功率开关管S23组成的第二直流输入电源,第五功率 开关管S 21和第六功率开关管S23的漏极通过第一二极管Dw连接第二直流输入电源的正极, 第五功率开关管S 21的源级连接在第一功率开关管Sn源级,第六功率开关管S23的源级连接 在第二功率开关管S 13的源级,使第二直流输入电源接入全桥逆变电路;
[0029] 第三储能输入端口连接的第一电感U和第二电感L2分别并联在第一功率开关管 Sn的源级和第二功率开关管S13的源极,使第三储能输入端口接入全桥逆变电路;
[0030] 所述的后级整流电路包括:
[0031] 第七功率开关管SK1、第八功率开关管SK2、第一电容Ci和第二电容c 2组成的半桥电 路和第三电容C。,第一电容Ci与第二电容C2相串联,第一电容Ci的另一端和第七功率开关 管S K1的漏极连接,第七功率开关管SK1的源极连接第八功率开关管SK2的漏极,第二电容c 2 的另一端连接第八功率开关管SK2的源极,第三电容C。的一端连接第七功率开关管SK1的漏 极,第三电容C。的另一端与第八功率开关管S K2的源极连接,第三电容C。的的两端构成输出 端口;所述的后级整流电路采用了对称的半桥电路,使得输出端口的能量能够通过控制功 率开关管的开关顺序,实现双向流动;
[0032] 所述的前级逆变电路与所述的后级整流电路通过所述的变压器耦合在一起,实现 输入输出的电气隔离,所述变压器原边的同名端连接第一功率开关管S n的源级,其异名端 连接第二功率开关管S13的源极;所述变压器副边的同名端连接第七功率开关管S K1的源 极,其异名端连接第一电容Q与第二电容C2相的连接点。
[0033] 本发明提出的应用于直流分布式发电系统的输入隔离DC/DC变流器的拓扑结构, 是由传统的全桥DC/DC变流器衍生来的,主要是在传统全桥DC/DC变流器的前级逆变部分 的全桥拓扑上,前后各桥臂上并联一个开关管,这样形成两个端口接两个可再生电源或者 一个可再生电源和一个传统的非可再生电源;然后再通过两个合适的电感将第三个储能输 入端口接到全桥拓扑上,形成同步Boost电路;后级的输出部分则将原来的不控整流桥换 成可控的半桥结构,从而使得能量可以实现双向流动;整体的输入输出部分则通过变压器 耦合在一起,实现了输入输出的电气隔离,而且通过变压器的漏感实现能量的传送。从图2 的拓扑结构可以看出,由于前级输入部分的全桥拓扑结构和后级输出部分的半桥结构完全 对称,所以可以有效地抑制变压器的磁偏问题。
[0034] 图2所示的三输入隔离DC/DC变流器拓扑结构输入的三个端口中两个电源端口分 别接光伏电池和风力发电机,由于风力发电机发出的为三相交流电,所以需先通过一个不 控整流器将交流电转换为直流电;第三个储能端口则接入了蓄电池;后级输出端口则接一 个阻性负载,如果是电机等负载,则可以实现能量的双向流动。
[0035] 图3为本发明的输入隔离DC/DC变流器拓扑结构一个周期的工作状态分析。为简 化分析,假设所有器件都是理想的,除非特别说明。主要的工作过程分析如下:
[0036] 阶段1 (tQ〜:如图3a所示,在tQ时刻,漏感电流ip和电感电流i u对Sn和S2i 的结电容放电,对S2的结电容充电,使Sn的体二极管导通,Sn则可以实现ZVS导通,5 4仍 然处于导通状态。电感U开始放电,电感L2线性充电,直到S4关断为止。
[0037] 阶段2(ti〜t2):如图3b所示,在&时刻,开通,Vab等于光伏电压V s,漏感电流 ip则增加,直到〇为止。副边SR2导通,Q放电向负载传输能量,C2充电。副边电流减小,直 到电容q放电结束。
[0038] 阶段3 (t2〜t3):如图3c所示,在t2时刻,漏感电流ip则从0开始继续增加,此段 时间内,C 2开始放电,Q充电。
[0039] 阶段4(t3〜t4):如图3d所示,在t3时刻,SR 2关断后,漏感电流对SR2的结电容充 电,对S&的结电容放电,直到S&的结电容放电到0, S&的反并联二极管导通,开关管SRi 可以实现ZVS开通。
[0040] 阶段5(t4〜t5):如图3e所示,在t4时刻,开关管SRi实现ZVS开通,Ci充电,(: 2放 电,能量由原边向负载传输。
[0041] 阶段6(t5〜t6):如图3f所示,在t5时刻,S n关断,由于S21在t4w刻前承受反向 电压,Sn关断后,D w两端承受正向电压,寄生电容正向放电,S2放电,Sn充电。当Dw两端的 电压为0时,D w导通,S21的驱动信号在t4时刻前就已经给出,所以S21自然就能实现ZVS开 通。
[0042] 阶段7(t6〜t7):如图3g所示,在t6时刻,S 21实现ZVS开通,风机端口工作,变压 器原边电压Vab等于Vw,副边C 2向负载释放能量,Ci充电。
[0043] 阶段8(t7〜t8):如图3h所示,在t7时刻,S 21关断,漏感电流1对52的结电容放 电,sn和S21充电。当S2两端电压为0时,S2则可以实现ZVS开通。
[0044] 阶段9(t8〜t9):如图3j所示,在t8时刻S 2开通,电感U电流开始线性增加,这 一时段,由于S4也处于开通状态,所以漏感电流i p在副边折算过来的电压的作用下减小,t9 时刻,S4关断。
[0045] 阶段l〇(t9〜t1(l):如图3k所示,在t 9时亥lj,漏感电流ip和电感电流L对S13和 S23的结电容放电,对S4的结电容充电,使S13的体二极管导通,S 13则可以实现ZVS导通,S2 仍然处于导通状态。电感L2开始放电,电感Q线性充电,直到S2关断为止。
[0046] 阶段11 (t1Q〜tn):如图31所示,在t1Q时刻,S13开通,V ab等于-vs,漏感电流ip则 减小,直到〇为止。副边SRi导通,C 2放电向负载传输能量,Ci充电。副边电流减小,直到电 容〇2放电结束。
[0047] 阶段12(tn〜t12):如图3m所示,在tn时刻,漏感电流i p则从0开始反向增大, 此段时间内,Q开始放电,C2充电。
[0048] 阶段13(t12〜t13):如图3n所示,在t 12时刻,S&关断后,漏感电流对S&的结电 容充电,对SR2的结电容放电,直到SR 2的结电容放电到0,SR2的反并联二极管导通,开关管 3馬可以实现ZVS开通。
[0049] 阶段14(t13〜t14):如图3p所示,在t 13时刻,开关管SR2实现ZVS开通,C2充电, 放电,能量由原边向负载传输。
[0050] 阶段15(t14〜t15):如图3q所示,在t 14时刻,S13关断,由于S23在t13时刻前承受 反向电压,S 13关断后,Dw两端承受正向电压,寄生电容正向放电,S4放电,S13充电。当D w两 端的电压为〇时,Dw导通,S23的驱动信号在t13时刻前就已经给出,所以S 23自然实现ZVS开 通。
[0051] 阶段16(t15〜t16):如图3r所示,在t 15时刻,S23实现ZVS开通,风机端口工作, 变压器原边电压vab等于-v w,副边Ci向负载释放能量,c2充电。
[0052] 阶段17(t16〜t17):如图3s所示,在t 16时刻,S23关断,漏感电流1对54的结电 容放电,S13和S 23充电。当S4两端电压为0时,S4则可以实现ZVS开通。
[0053] 阶段18 (t17〜t18):如图3t所示,在t17时刻S4开通,电感L 2电流开始线性增加, 这一时段,由于S2也处于开通状态,所以漏感电流ip在副边折算过来的电压的作用下反向 减小,h时刻,S 2关断。

Claims (1)

1. 一种三输入隔离DC/DC变换器,包括前级逆变电路、变压器和后级整流电路;其特征 在于: 所述的前级逆变电路包括: 由第一功率开关管Sn、第二功率开关管s13、第三功率开关管s2和第四功率开关管s 4组 成的电压源型全桥逆变电路,第一功率开关管sn的漏极和第二功率开关管s13的漏极连接 第一直流输入电源的正极,第一功率开关管s n的源极连接第三功率开关管s2的漏极,第二 功率开关管S13的源极连接第四功率开关管s 4的漏极,第三功率开关管s2和第四功率开关 管s4的源极连接第一直流输入电源的负极; 所述的前级逆变电路还包括: 由第五功率开关管S21和第六功率开关管s23组成的第二直流输入电源,第五功率开关 管S21和第六功率开关管S23的漏极通过第一二极管Dw连接第二直流输入电源的正极,第五 功率开关管S 21的源级连接在第一功率开关管sn源级,第六功率开关管s23的源级连接在第 二功率开关管S 13的源级,使第二直流输入电源接入全桥逆变电路; 第三储能输入端口连接的第一电感U和第二电感L2分别并联在第一功率开关管sn的 源级和第二功率开关管s13的源极,使第三储能输入端口接入全桥逆变电路; 所述的后级整流电路包括: 第七功率开关管SK1、第八功率开关管SK2、第一电容Ci和第二电容c2组成的半桥电路和 第三电容C。,第一电容(^与第二电容C2相串联,第一电容Q的另一端和第七功率开关管SK1 的漏极连接,第七功率开关管S K1的源极连接第八功率开关管SK2的漏极,第二电容c2的另 一端连接第八功率开关管S K2的源极,第三电容C。的一端连接第七功率开关管SK1的漏极, 第三电容C。的另一端与第八功率开关管S K2的源极连接,第三电容C。的的两端构成输出端 口;所述的后级整流电路采用了对称的半桥电路,使得输出端口的能量能够通过控制功率 开关管的开关顺序,实现双向流动; 所述的前级逆变电路与所述的后级整流电路通过所述的变压器耦合在一起,实现输入 输出的电气隔离,所述变压器原边的同名端连接第一功率开关管sn的源级,其异名端连接 第二功率开关管S 13的源极;所述变压器副边的同名端连接第七功率开关管SK1的源极,其 异名端连接第一电容Ci与第二电容c 2相的连接点。
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