CN104868725A - 一种升压型非隔离三端口直流变换器及其控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种升压型非隔离三端口直流变换器及其控制方法，属于电力电子变换器技术领域。所述升压型非隔离三端口直流变换器由两个开关管、一个双向开关、两个二极管、一个高频滤波电感、一个包含两个绕组的耦合电感四个电容、两个直流源和负载构成，本发明通过调节两个开关管的占空比来控制两个直流源之间的双向功率传输，通过调节双向开关的占空比来控制两个直流源向负载传输的功率，仅通过一个变换器就同时实现了两个直流源和负载之间的功率传输与控制、实现了多个单输入单输出变换器的功能，此外，本发明升压型非隔离三端口直流变换器还能够实现所有开关管、双向开关管和二极管的软开关，可以有效减小开关损耗、提高效率。

Description

一种升压型非隔离三端口直流变换器及其控制方法

技术领域

本发明涉及一种升压型非隔离三端口直流变换器及其控制方法，属于电力电子变换器技术领域。

背景技术

大规模可再生能源接入是发展能源互联网所需要解决的重大问题。以光伏发电、风力发电为代表的新能源发电系统自身具有明显的间歇性和随机性特点，为了提升可再生能源的收集效率，减小可再生能源大规模接入电力系统对电网的冲击和负面影响，实现间歇式和随机性电能的高效存储转换是解决上述问题的必由途径。因此，储能对于整个系统的稳定控制、电能质量的改善和不间断供电将发挥至关重要的作用。

在包含储能装置的可再生能源供电系统中，需要同时对多个可再生能源发电装置、多个储能装置以及负载进行功率管理与控制。上述系统的传统解决方案通常需要采用多个两端口变换器组合构成功率管理与控制系统，多个变换器通过公共直流母线相互连接。由于变换器数目多、各个变换器分时工作，系统功率密度低、体积重量大、成本高。更重要的是，可再生能源发电装置、储能装置和负载之间的功率传输都需要经过公共母线，使得系统中存在多级功率变换而降低了系统能效。为了解决上述问题，研究工作者提出采用三端口变换器代替上述多个独立的变换器实现系统的功率管理。

按照各功率端口之间是否隔离来分类，现有的三端口变换器可以分为隔离型、部分隔离型和非隔离型。相对于隔离型和部分隔离型三端口变换器，非隔离型三端口变换器具有结构简单、成本低等优点。目前，隔离型和部分隔离型三端口变换器已经有多种解决方案，但对于非隔离型三端口变换器的解决方案还非常少。文献“Hongfei Wu，Kai Sun，Shun Ding，Yan Xing.Topology Derivation of Non-isolated Three-Port DC-DC Converters from DIC and DOC.IEEE Transactions on PowerElectronics，2013，28(7)：3297-3307”系统的提出了非隔离三端口变换器的构成方法，但该类三端口变换器的构成基础是传统的两端口非隔离变换器，由此得到的非隔离三端口变换器主要存在以下问题：(1)升压能力有限，不能满足可再生能源发电装置和蓄电池储能装置对升压能力的要求；(2)变换器只有一个双向端，无法满足用于连接多个储能装置或者用于储能装置与能量回馈型直流母线的连接；(3)开关管不能实现软开关，效率较低；(4)各端口的控制相互耦合，控制系统的设计和实现复杂。

发明内容

本发明的目的是针对现有技术的不足，提供一种具有两个双向端口和一个输出端口的升压型非隔离三端口直流变换器解决方案。

本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：

所述升压型非隔离三端口直流变换器由第一开关管(S₁)、第二开关管(S₂)、双向开关(S_b)、第一二极管(D₁)、第二二极管(D₂)、高频滤波电感(L_f)、包含第一绕组(L_1a)和第二绕组(L_1b)的耦合电感、第一电容(C₁)、第二电容(C₂)、第三电容(C₃)、输出滤波电容(C_o)、第一直流源(U₁)、第二直流源(U₂)和负载(R_o)构成，所述第一直流源(U₁)的正端连于第一电容(C₁)的一端和耦合电感第一绕组(L_1a)的同名端，耦合电感第一绕组(L_1a)的非同名端连于第一开关管(S₁)的漏极和第二开关管(S₂)的源极，第二开关管(S₂)的漏极连于第二直流源(U₂)的正端、第二电容(C₂)的一端、第三电容(C₃)的一端和第一二极管(D₁)的阳极，第一二极管(D₁)的阴极连于第二二极管(D₂)的阳极、双向开关(S_b)的一端和高频滤波电感(L_f)的一端，高频滤波电感(L_f)的另一端连于耦合电感第二绕组(L_1b)的非同名端，耦合电感第二绕组(L_1b)的同名端连于第三电容(C₃)的另一端和 双向开关(S_b)的另一端，第二二极管(D₂)的阴极连于输出滤波电容(C_o)的一端和负载(R_o)的一端，负载(R_o)的另一端连于输出滤波电容(C_o)的另一端、第一开关管(S₁)的源极、第一电容(C₁)的另一端、第二电容(C₂)的另一端、第一直流源(U₁)的负端和第二直流源(U₂)的负端。

在本发明所述的升压型非隔离三端口直流变换器中，第一开关管(S₁)和第二开关管(S₂)互补导通，通过调节第一开关管(S₁)和第二开关管(S₂)的占空比来控制第一直流源(U₁)和第二直流源(U₂)二者之间的双向功率传输，双向开关(S_b)分别与第一开关管(S₁)和第二开关管(S₂)同时开通，通过调节双向开关(S_b)的占空比来控制第一直流源(U₁)和第二直流源(U₂)向负载(R_o)所传输功率的大小。

本发明具有如下技术效果：

(1)本发明能够同时提供两个双向功率端口和一个单向输出功率端口，适用范围广；

(2)借助于耦合电感，能够为负载端提供高电压增益；

(3)所有开关管和二极管都具备软开关能力，能够有效减小开关损耗；

(4)负载端口和两个双向端口的功率控制相互解耦，控制简单、易于实现；

(5)任意两个端口之间都实现了单级功率变换，能够实现更高的变换效率。

附图说明

附图1是本发明升压型非隔离三端口直流变换器原理图；

附图2是双向开关S_b的实施方式示意图；

附图3是本发明升压型非隔离三端口直流变换器的主要工作波形图；

附图4～附图9是本发明升压型非隔离三端口直流变换器在各开关模态的等效电路图；

以上附图中的符号名称：S₁和S₂分别为第一、第二开关管；D₁和D₂分别为第一和第二二极管；S_b为双向开关；L_1a和L_1b分别为耦合电感的第一绕组和第二绕组；L_f为高频滤波电感；C₁、C₂和C₃分别为第一、第二和第三电容；C_o为输出滤波电容；U₁和U₂分别为第一和第二直流源；R_o为负载；U_o为输出电压；i_Lf为高频滤波电感L_f的电流；i_L1a为耦合电感第一绕组L_1a的电流；u_GS1、u_GS2和u_GSb分别为第一开关管、第二开关管和双向开关的驱动；t、t₀、t₁、t₂、t₃t₄、t₅和t₆为时间。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的技术方案进行详细说明。

如附图1所示，本发明所述升压型非隔离三端口直流变换器由第一开关管(S₁)、第二开关管(S₂)、双向开关(S_b)、第一二极管(D₁)、第二二极管(D₂)、高频滤波电感(L_f)、包含第一绕组(L_1a)和第二绕组(L_1b)的耦合电感、第一电容(C₁)、第二电容(C₂)、第三电容(C₃)、输出滤波电容(C_o)、第一直流源(U₁)、第二直流源(U₂)和负载(R_o)构成，所述第一直流源(U₁)的正端连于第一电容(C₁)的一端和耦合电感第一绕组(L_1a)的同名端，耦合电感第一绕组(L_1a)的非同名端连于第一开关管(S₁)的漏极和第二开关管(S₂)的源极，第二开关管(S₂)的漏极连于第二直流源(U₂)的正端、第二电容(C₂)的一端、第三电容(C₃)的一端和第一二极管(D₁)的阳极，第一二极管(D₁)的阴极连于第二二极管(D₂)的阳极、双向开关(S_b)的一端和高频滤波电感(L_f)的一端，高频滤波电感(L_f)的另一端连于耦合电感第二绕组(L_1b)的非同名端，耦合电感第二绕组(L_1b)的同名端连于第三电容(C₃)的另一端和双向开关(S_b)的另一端，第二二极管(D₂)的阴极连于输出滤波电容(C_o)的一端和负载(R_o)的一端，负载(R_o)的另一端连于输出滤波电容(C_o)的另一端、第一开关管(S₁)的源极、第一电容(C₁)的另一端、第二电容(C₂)的另一端、第一直流源(U₁)的负端和第二直流源(U₂)的负端。

本发明的目的是同时实现多个双向功率端口和负载功率端口的功率管理与控制。为了实现该目的，本发明将非隔离双向升降压变换器与耦合电感升压变换器集成在一起。在附图1中，耦合电感第一绕组(L_1a)、第一开关管(S₁)和第二开关管(S₂)构成了非隔离双向升降压变换 器，该变换器可以提供两个双向的功率端口，可以与两个储能装置或者双向直流母线相连，双向开关(S_b)与耦合电感第二绕组(L_1b)以及高频滤波电感(L_f)构成了另外一套升压电路，利用耦合电感可以为负载端提供更高的电压增益比。

在本发明所述的升压型非隔离三端口直流变换器中，第一开关管(S₁)和第二开关管(S₂)互补导通，通过调节第一开关管(S₁)和第二开关管(S₂)的占空比来控制第一直流源(U₁)和第二直流源(U₂)二者之间的双向功率传输，双向开关(S_b)分别与第一开关管(S₁)和第二开关管(S₂)同时开通，通过调节双向开关(S_b)的占空比来控制第一直流源(U₁)和第二直流源(U₂)向负载(R_o)所传输功率的大小。由于双向开关(S_b)与第一、第二开关管(S₁、S₂)相互独立控制，因此可以实现各个功率端口的功率解耦控制。

双向开关(S_b)用于提供双向电流/电压控制，在具体实施时，双向开关(S_b)可以利用多个开关管实现，也可以利用开关管与二极管组合来实现。附图2给出了双向开关(S_b)几种可能的实施方式，附图2(a)和附图2(b)中双向开关(S_b)由两个开关管串联实现，附图2(c)和附图2(d)中双向开关(S_b)则由开关管和二极管组合实现。

下面结合附图3～附图7说明本发明升压型非隔离三端口直流变换器的工作原理。附图3给出了变换器本发明升压型非隔离三端口直流变换器的主要工作波形。

t₀时刻之前，第二开关管(S2)导通，第一开关管(S₁)、双向开关(S_b)以及两个二极管(D₁、D₂)均关断，高频滤波电感L_f电流为0。

t₀时刻，第二开关管(S₂)关断，第一开关管(S₁)和双向开关(S_b)导通，其中双向开关(S_b)为零电流开通，若耦合电感第一绕组(L_1a)中的电流为负值，则第一开关管(S₁)为零电压开通，否则S₁为硬开通。该开关模态等效电路如附图4所示，在该模态，耦合电感第一绕组(L_1a)在第一直流源(U₁)的作用下电流线性上升，由于耦合电感的电压耦合作用，直流电压施加在高频滤波电感(L_f)的两端，高频滤波电感的电流也线性上升，因此，在该模态耦合电感和高频滤波电感都充电并储存能量。

t₁时刻，双向开关(S_b)关断、第一二极管(D₁)导通，第一直流源(U₁)经耦合电感和高频滤波电感(L_f)一起向第三电容(C₃)充电，等效电路如附图5所示。

t₂时刻，高频滤波电感(L_f)的电流减小为0，第一二极管(D₁)零电流关断，第一直流源(U₁)继续向耦合电感充电，等效电路如附图6所示。

t₃时刻，第一开关管(S₁)关断，第二开关管(S₂)和双向开关(S_b)导通，其中第二开关管(S₂)零电压开通，双向开关(S_b)零电流开通，该模态等效电路如附图7所示。在该模态，耦合电感向第二直流源(U₂)放电，同时高频滤波电感(L_f)充电。

t₄时刻，双向开关(S_b)关断、第二二极管(D₂)导通，第二直流源(U₂)经耦合电感和第三电容(C₃)、高频滤波电感(L_f)一起向负载供电，即第三电容(C₃)放电，等效电路如附图8所示。

t₅时刻，高频滤波电感(L_f)的电流减小为0，第二二极管(D₂)零电流关断，耦合电感继续向第二直流源(U₂)放电，直到t₆时刻、该开关周期结束，该模态等效电路如附图9所示。

在上述工作过程中，第一直流源(U₁)和第二直流源(U₂)的位置可以互换，耦合电感电流的方向也可以发生变化，而不影响电路的正常工作。第一直流源(U₁)和第二直流源(U₂)之间的功率传输和电压关系完全由耦合电感的伏秒平衡关系来决定，而负载侧的电压和功率则完全由高频滤波电感(L_f)的伏秒平衡关系来决定，即两个直流源和负载的功率可以分别独立控制。

根据上述工作过程的描述可知，所有开关管、二极管都具备软开关的能力，能够有效改善变换效率。

以上所述，仅是本申请的较佳实施例而已，并非对本申请作任何形式上的限制。虽然本申请已以较佳实施例揭露如上，然而并非用以限定本申请。任何熟悉本领域的技术人员，在不脱离本申请技术方案范围情况下，都可利用上述揭示的方法和技术内容对本申请技术方案做出许多可能的变动和修饰，或修改为等同变化的等效实施例。因此，凡是未脱离本申请技术方案的内容，依据本申请的技术实质对以上实施例所做的任何简单修改、等同变化及修饰，均仍属于本申请技术方案保护的范围内。

Claims (2)

1.一种升压型非隔离三端口直流变换器，其特征在于：

所述升压型非隔离三端口直流变换器由第一开关管(S₁)、第二开关管(S₂)、双向开关(S_b)、第一二极管(D₁)、第二二极管(D₂)、高频滤波电感(L_f)、包含第一绕组(L_1a)和第二绕组(L_1b)的耦合电感、第一电容(C₁)、第二电容(C₂)、第三电容(C₃)、输出滤波电容(C_o)、第一直流源(U₁)、第二直流源(U₂)和负载(R_o)构成；

所述第一直流源(U₁)的正端连于第一电容(C₁)的一端和耦合电感第一绕组(L_1a)的同名端，耦合电感第一绕组(L_1a)的非同名端连于第一开关管(S₁)的漏极和第二开关管(S₂)的源极，第二开关管(S₂)的漏极连于第二直流源(U₂)的正端、第二电容(C₂)的一端、第三电容(C₃)的一端和第一二极管(D₁)的阳极，第一二极管(D₁)的阴极连于第二二极管(D₂)的阳极、双向开关(S_b)的一端和高频滤波电感(L_f)的一端，高频滤波电感(L_f)的另一端连于耦合电感第二绕组(L_1b)的非同名端，耦合电感第二绕组(L_1b)的同名端连于第三电容(C₃)的另一端和双向开关(S_b)的另一端，第二二极管(D₂)的阴极连于输出滤波电容(C_o)的一端和负载(R_o)的一端，负载(R_o)的另一端连于输出滤波电容(C_o)的另一端、第一开关管(S₁)的源极、第一电容(C₁)的另一端、第二电容(C₂)的另一端、第一直流源(U₁)的负端和第二直流源(U₂)的负端。

2.一种基于权利要求1所述的升压型非隔离三端口直流变换器的控制方法，其特征在于：第一开关管(S₁)和第二开关管(S₂)互补导通，通过调节第一开关管(S₁)和第二开关管(S₂)的占空比来控制第一直流源(U₁)和第二直流源(U₂)二者之间的双向功率传输，双向开关(S_b)分别与第一开关管(S₁)和第二开关管(S₂)同时开通，通过调节双向开关(S_b)的占空比来控制第一直流源(U₁)和第二直流源(U₂)向负载(R_o)所传输功率的大小。