CN107453603A - 一种双输入Sepic变换器 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种双输入Sepic变换器，包括第一Sepic升降压变换器和第二Sepic升降压变换器，第一Sepic升降压变换器包括第一直流电源、第一二极管、第一电感、第三电感、第一电容、第三电容和第一开关管；第二Sepic升降压变换器包括第二直流电源、第二二极管、第二电感、第四电感、第二电容、第四电容、第二开关管。本发明可工作在单电源输入状态，在单输入状态时变换器的开关管，一个开关管导通与关断交替，另一个开关管始终关断；同时亦可工作在双电源输入状态；在双输入状态时，两个开关管可同时导通与关断，也可不同时；此外，本发明具有电路拓扑简洁、可实现升降压、输入／输出电压同极性等优点。

Description

一种双输入Sepic变换器
技术领域
本发明涉及电力电子变换领域，特别涉及一种双输入Sepic变换器。
背景技术
在全球能源日益紧张的背景下，可再生清洁能源技术越来越受到重视。作为清洁能源重要组成部分，分布式发电技术是缓解能源危机和改善环境污染的有效方案。电力变换器作为风力发电与光伏发电等发电领域重要核心设备，其变电性能的优劣，直接影响着电能转换的效率以及系统的成本与可靠性。
由于分布式能源的特殊性，每台发电设备发出电能不同，因而为获得可靠电能，电力变换器起着举足轻重的作用。传统的变换器虽结构简单，成本低，但是电力变换一般增益不高，且开关管受电力压力大，因而面对分布式能源不具有良好的适应性。
上世纪80年代，DC/DC变换器只是单纯的buck、boost、buck-boost、cuk、sepic、zeta六种基本变换器。目前，由于分布式发电技术的兴起，国内外众多学者都对DC/DC变换器深入的研究。并研相继提出了各种DC/DC变换器。但是，现有的DC/DC双输入变换器一般只有单纯的升压或者单纯的降压，因而在某些特殊场合使用具有局限性。
发明内容
为了解决上述技术问题，本发明提供一种结构简单、适用范围广的双输入Sepic变换器。
本发明解决上述问题的技术方案是：一种双输入Sepic变换器，包括第一Sepic升降压变换器和第二Sepic升降压变换器，第一Sepic升降压变换器包括第一直流电源、第一二极管、第一电感、第三电感、第一电容、第三电容和第一开关管；第二Sepic升降压变换器包括第二直流电源、第二二极管、第二电感、第四电感、第二电容、第四电容、第二开关管，第一直流电源的正极经第一电感后分别连接第一开关管的漏极、第一电容的负极，第一电容的正极分别连接第三电感的一端、第一二极管的阳极，第一二极管的阴极分别连接第三电容的正极、负载的一端，所述第一直流电源的负极、第二直流电源的正极、第一开关管的源极、第二开关管的漏极、第三电感的另一端、第四电感的一端、第三电容的负极、第四电容的正极连接在一起，所述第二直流电源的负极经第二电感后分别连接第二开关管的源极、第二电容的负极，第二电容的正极分别连接第四电感的另一端、第二二极管的阴极，第二二极管的阳极分别连接第四电容的负极、负载的另一端。
上述双输入Sepic变换器，所述第一电容与第二电容相同，第三电容与第四电容相同，第一电感与第二电感相同，第三电感与第四电感相同，第一二极管与第二二极管相同。
上述双输入Sepic变换器，所述第一Sepic升降压变换器和第二Sepic升降压变换器可单独工作或同时工作。
上述双输入Sepic变换器，当双输入Sepic变换器工作在第一直流电源单输入状态，其工作模态为：
（1）第一开关管关断，第一电感放电，第一电容、第三电容充电，第三电感放电；
（2）第一开关管导通，第一直流电源向第一电感充电，第一电感电流上升；第一电容向第三电感充电，第三电感电流升高；
第一直流电源单输入时，输入输出/电压关系为：Uout=D1U1/(1-D1)，U1为第一直流电源两端的电压；D1为第一开关管导通的占空比；Uout表示变换器输出电压。
上述双输入Sepic变换器，当双输入Sepic变换器工作在第二直流电源单输入状态，其工作模态为：
（1）第二开关管关断，第二电感放电，第二电容、第四电容充电，第四电感放电；
（2）第二开关管导通，第二直流电源向第二电感充电，第二电感电流上升；第二电容向第四电感充电，第四电感电流升高；
第二直流电源单输入时，输入/输出电压关系为：Uout=D2U2/(1-D2)，U2为第二直流电源两端的电压； D2为第二开关管导通的占空比，Uout表示变换器输出电压。
上述双输入Sepic变换器，当双输入Sepic变换器工作在双直流电源输入状态，其工作模态有三种：
工作模态为第一种模式时：
（1）第一开关管、第二开关管同时导通，第一直流电源、第二直流电源分别同时向第一电感、第二电感充电，第一电感、第二电感电流升高，第一电容、第二电容分别向第三电感、第四电感充电，第三电容、第四电容向负载供电；
（2）第一开关管、第二开关管同时关断，第一直流电源与第一电感共同向第一电容、第三电容充电，第三电容同时向负载供电，与此同时第二直流电源与第二电感共同向第二电容、第三电容充电，第四电容向负载供电；
第一种模式时，第一直流电源、第二直流电源双输入，输入/输出电压关系为：Uout=D1U1/(1-D1)+D2U2/(1-D2)，U1、U2分别为第一直流电源、第二直流电源两端的电压；D1为第一开关管导通的占空比；D2为第二开关管导通的占空比；
工作模态为第二种模式时：
（1）第一开关管、第二开关管同时导通，第一直流电源、第二直流电源分别同时向第一电感、第二电感充电，第一电感、第二电感电流升高，第一电容、第二电容分别向第三电感、第四电感充电，第三电容、第四电容向负载供电；
（2）第二开关管关断，第一开关管导通，第一直流电源对第一电感继续充电，第一电感电流继续增加，同时第二直流电源与第二电感共同向第二电容、第四电容充电，第四电容向负载供电；
（3）第一开关管、第二开关管同时关断，第一直流电源与第一电感共同向第一电容、第三电容充电，第三电容同时向负载供电；与此同时第二直流电源与第二电感共同向第二电容、第四电容充电，第四电容向负载供电；
第二种模式时，第一直流电源、第二直流电源双输入，输入/输出电压关系为：Uout=D1U1/(1-D1)+D2U2/(1-D2)；
工作模态为第三种模式时：
（1）第一开关管、第二开关管同时导通，第一直流电源、第二直流电源分别同时向第一电感、第二电感充电，第一电感、第二电感电流升高，第一电容、第二电容分别向第三电感、第四电感充电，第三电容、第四电容向负载供电；
（2）第一开关管关断，第二开关管导通，第二直流电源对第二电感充电，第二电感电流增加，同时第一直流电源与第一电感共同向第一电容、第三电容充电，第三电容向负载供电；
（3）第一开关管、第二开关管同时关断，第一直流电源与第一电感共同向第一电容、第三电容充电，第三电容同时向负载供电，与此同时第二直流电源与电感共同向第二电容、第三电容充电，第四电容向负载供电；
第三种模式时，第一直流电源、第二直流电源双输入，输入/输出电压关系为：Uout=D1U1/(1-D1)+D2U2/(1-D2)。
本发明的有益效果在于：本发明可工作在单电源输入状态，在单输入状态时变换器的开关管，一个开关管导通与关断交替，另一个开关管始终关断；同时亦可工作在双电源输入状态；在双输入状态时，两个开关管可同时导通与关断，也可不同时；此外，本发明具有电路拓扑简洁、可实现升降压、输入／输出电压同极性等优点。
附图说明
图1为本发明的电路图。
图2为本发明在第一直流电源单输入时的运行图。
图3为本发明在第二直流电源单输入时的运行图。
图4为本发明在第一直流电源和第二直流电源双输入时，工作模态为第一种模式的运行图。
图5为本发明在第一直流电源和第二直流电源双输入时，工作模态为第二种模式的运行图。
图6为本发明在第一直流电源和第二直流电源双输入时，工作模态为第三种模式的运行图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步的说明。
如图1所示，本发明包括第一Sepic升降压变换器1和第二Sepic升降压变换器2，第一Sepic升降压变换器1包括第一直流电源U1、第一二极管D1、第一电感L1、第三电感L3、第一电容C1、第三电容C3和第一开关管Q1；第二Sepic升降压变换器2包括第二直流电源U2、第二二极管D2、第二电感L2、第四电感L4、第二电容C2、第四电容C4、第二开关管Q2，第一直流电源U1的正极经第一电感L1后分别连接第一开关管Q1的漏极、第一电容C1的负极，第一电容C1的正极分别连接第三电感L3的一端、第一二极管D1的阳极，第一二极管D1的阴极分别连接第三电容C3的正极、负载的一端，所述第一直流电源U1的负极、第二直流电源U2的正极、第一开关管Q1的源极、第二开关管Q2的漏极、第三电感L3的另一端、第四电感L4的一端、第三电容C3的负极、第四电容C4的正极连接在一起，所述第二直流电源U2的负极经第二电感L2后分别连接第二开关管Q2的源极、第二电容C2的负极，第二电容C2的正极分别连接第四电感L4的另一端、第二二极管D2的阴极，第二二极管D2的阳极分别连接第四电容C4的负极、负载的另一端。
第一直流电源U1与第二直流电源U2可不同，所述第一电容C1与第二电容C2相同，第三电容C3与第四电容C4相同，第一电感L1与第二电感L2相同，第三电感L3与第四电感L4相同，第一二极管D1与第二二极管D2相同。
本发明的工作原理如下：所述第一Sepic升降压变换器和第二Sepic升降压变换器可单独工作，即单输入使用，第一Sepic升降压变换器和第二Sepic升降压变换器也可以同时工作，即双输入使用。
当双输入Sepic变换器工作在第一直流电源U1单输入状态，如图2所示，其工作模态为：
（1）第一开关管Q1关断，第一电感L1放电，第一电容C1、第三电容C3充电，第三电感L3放电，如图2中的（a）所示；
（2）第一开关管Q1导通，第一直流电源U1向第一电感L1充电，第一电感L1电流上升；第一电容C1向第三电感L3充电，第三电感L3电流升高，如图2中的（b）所示；
第一直流电源U1单输入时，输入输出/电压关系为：Uout=D1U1/(1-D1)；U1为第一直流电源两端的电压；D1为第一开关管导通的占空比；Uout表示变换器输出电压。
当双输入Sepic变换器工作在第二直流电源U2单输入状态，如图3所示，其工作模态为：
（1）第二开关管Q2关断，第二电感L2放电，第二电容C2、第四电容C4充电，第四电感L4放电，如图3中的（a）所示；
（2）第二开关管Q2导通，第二直流电源U2向第二电感L2充电，第二电感L2电流上升；第二电容C2向第四电感L4充电，第四电感L4电流升高，如图3中的（b）所示；
第二直流电源U2单输入时，输入/输出电压关系为：Uout=D2U2/(1-D2)；U2为第二直流电源两端的电压； D2为第二开关管导通的占空比，Uout表示变换器输出电压。
当双输入Sepic变换器工作在双直流电源输入状态，其工作模态有三种：
工作模态为第一种模式时，如图4所示：
（1）第一开关管Q1、第二开关管Q2同时导通，第一直流电源U1、第二直流电源U2分别同时向第一电感L1、第二电感L2充电，第一电感L1、第二电感L2电流升高，第一电容C1、第二电容C2分别向第三电感L3、第四电感L4充电，第三电容C3、第四电容C4向负载供电，如图4中的（a）所示；
（2）第一开关管Q1、第二开关管Q2同时关断，第一直流电源U1与第一电感L1共同向第一电容C1、第三电容C3充电，第三电容C3同时向负载供电，与此同时第二直流电源U2与第二电感L2共同向第二电容C2、第三电容C3充电，第四电容C4向负载供电，如图4中的（b）所示；
工作模态为第二种模式时，如图5所示：
（1）第一开关管Q1、第二开关管Q2同时导通，第一直流电源U1与第一电感L1共同向第一电容C1、第三电容C3充电，第三电容C3同时向负载供电，与此同时第二直流电源U2与电感共同向第二电容C2、第三电容C3充电，第四电容C4向负载供电，如图5中的（a）所示；
（2）第二开关管Q2关断，第一开关管Q1导通，第一直流电源U1对第一电感L1继续充电，第一电感L1电流继续增加，同时第二直流电源U2与第二电感L2共同向第二电容C2、第四电容C4充电，第四电容C4向负载供电，如图5中的（b）所示；
（3）第一开关管Q1、第二开关管Q2同时关断，第一直流电源U1、第二直流电源U2分别同时向第一电感L1、第二电感L2充电，第一电感L1、第二电感L2电流升高，第一电容C1、第二电容C2分别向第三电感L3、第四电感L4充电，第三电容C3、第四电容C4向负载供电，如图5中的（c）所示；
工作模态为第三种模式时，如图6所示：
（1）第一开关管Q1、第二开关管Q2同时导通，第一直流电源U1与第一电感L1共同向第一电容C1、第三电容C3充电，第三电容C3同时向负载供电，与此同时第二直流电源U2与电感共同向第二电容C2、第三电容C3充电，第四电容C4向负载供电，如图6中的（a）所示；
（2）第一开关管Q1关断，第二开关管Q2导通，第二直流电源U2对第二电感L2充电，第二电感L2电流增加，同时第一直流电源U1与第一电感L1共同向第一电容C1、第三电容C3充电，第三电容C3向负载供电，如图6中的（b）所示；
（3）第一开关管Q1、第二开关管Q2同时关断，第一直流电源U1、第二直流电源U2分别同时向第一电感L1、第二电感L2充电，第一电感L1、第二电感L2电流升高，第一电容C1、第二电容C2分别向第三电感L3、第四电感L4充电，第三电容C3、第四电容C4向负载供电，如图6中的（c）所示；
第一直流电源U1、第二直流电源U2双输入，输入/输出电压(Uout)关系为：对电感L1、L2、L3、L4应用电感的伏秒平衡原理可得下式：
U1D1TS1+ (U1-UC1+ Uo1)(1-D1) TS1=0 (1)；
U2D2TS2+ (U2-UC2+Uo2)(1-D2) TS2=0 (2)；
D1TS1U C1+ (1-D1)TS1Uo1=0 (3)；
D2TS2U C2+ (1-D2)TS2Uo2=0 (4)；
Uo2 +Uo1=Uout (5)；
由此化简可得输出电压：
Uout=U1D1/1-D1+ U2D2/1-D2 (6)；
式中：U1、U2分别为第一、第二直流电源两端的电压；D1、TS1分别为第一开关管导通的占空比与开关周期；D2、TS2分别为第二开关管导通的占空比与开关周期；UC1、UC2分别代表电容C1、C2两端的电压；Uo1、Uo2分别代表电容C3、C4两端的电压；Uout表示变换器的输出电压。

Claims (6)

1.一种双输入Sepic变换器，其特征在于：包括第一Sepic升降压变换器和第二Sepic升降压变换器，第一Sepic升降压变换器包括第一直流电源、第一二极管、第一电感、第三电感、第一电容、第三电容和第一开关管；第二Sepic升降压变换器包括第二直流电源、第二二极管、第二电感、第四电感、第二电容、第四电容、第二开关管，第一直流电源的正极经第一电感后分别连接第一开关管的漏极、第一电容的负极，第一电容的正极分别连接第三电感的一端、第一二极管的阳极，第一二极管的阴极分别连接第三电容的正极、负载的一端，所述第一直流电源的负极、第二直流电源的正极、第一开关管的源极、第二开关管的漏极、第三电感的另一端、第四电感的一端、第三电容的负极、第四电容的正极连接在一起，所述第二直流电源的负极经第二电感后分别连接第二开关管的源极、第二电容的负极，第二电容的正极分别连接第四电感的另一端、第二二极管的阴极，第二二极管的阳极分别连接第四电容的负极、负载的另一端。
2.根据权利要求1所述的双输入Sepic变换器，其特征在于：所述第一电容与第二电容相同，第三电容与第四电容相同，第一电感与第二电感相同，第三电感与第四电感相同，第一二极管与第二二极管相同。
3.根据权利要求1所述的双输入Sepic变换器，其特征在于：所述第一Sepic升降压变换器和第二Sepic升降压变换器可单独工作或同时工作。
4.根据权利要求3所述的双输入Sepic变换器，其特征在于：当双输入Sepic变换器工作在第一直流电源单输入状态，其工作模态为：
（1）第一开关管关断，第一电感放电，第一电容、第三电容充电，第三电感放电；
（2）第一开关管导通，第一直流电源向第一电感充电，第一电感电流上升；第一电容向第三电感充电，第三电感电流升高；
第一直流电源单输入时，输入输出/电压关系为：Uout=D1U1/(1-D1)，U1为第一直流电源两端的电压；D1为第一开关管导通的占空比；Uout表示变换器输出电压。
5.根据权利要求3所述的双输入Sepic变换器，其特征在于：当双输入Sepic变换器工作在第二直流电源单输入状态，其工作模态为：
（1）第二开关管关断，第二电感放电，第二电容、第四电容充电，第四电感放电；
（2）第二开关管导通，第二直流电源向第二电感充电，第二电感电流上升；第二电容向第四电感充电，第四电感电流升高；
第二直流电源单输入时，输入/输出电压关系为：Uout=D2U2/(1-D2)，U2为第二直流电源两端的电压； D2为第二开关管导通的占空比，Uout表示变换器输出电压。
6.根据权利要求3所述的双输入Sepic变换器，其特征在于：当双输入Sepic变换器工作在双直流电源输入状态，其工作模态有三种：
工作模态为第一种模式时：
（1）第一开关管、第二开关管同时导通，第一直流电源、第二直流电源分别同时向第一电感、第二电感充电，第一电感、第二电感电流升高，第一电容、第二电容分别向第三电感、第四电感充电，第三电容、第四电容向负载供电；
（2）第一开关管、第二开关管同时关断，第一直流电源与第一电感共同向第一电容、第三电容充电，第三电容同时向负载供电，与此同时第二直流电源与第二电感共同向第二电容、第四电容充电，第四电容向负载供电；
第一种模式时，第一直流电源、第二直流电源双输入，输入/输出电压关系为：Uout=D1U1/(1-D1)+D2U2/(1-D2)；U1、U2分别为第一直流电源、第二直流电源两端的电压；D1为第一开关管导通的占空比；D2为第二开关管导通的占空比；
工作模态为第二种模式时：
（1）第一开关管、第二开关管同时关断，第一直流电源与第一电感共同向第一电容、第三电容充电，第三电容同时向负载供电，与此同时第二直流电源与第二电感共同向第二电容、第三电容充电，第四电容向负载供电；
（2）第二开关管关断，第一开关管导通，第一直流电源对第一电感继续充电，第一电感电流继续增加，同时第二直流电源与第二电感共同向第二电容、第四电容充电，第四电容向负载供电；
（3）第一开关管、第二开关管同时导通，第一直流电源、第二直流电源分别同时向第一电感、第二电感充电，第一电感、第二电感电流升高，第一电容、第二电容分别向第三电感、第四电感充电，第三电容、第四电容向负载供电；
第二种模式时，第一直流电源、第二直流电源双输入，输入/输出电压关系为：Uout=D1U1/(1-D1)+D2U2/(1-D2)；
工作模态为第三种模式时：
（1）第一开关管、第二开关管同时导通，第一直流电源、第二直流电源分别同时向第一电感、第二电感充电，第一电感、第二电感电流升高，第一电容、第二电容分别向第三电感、第四电感充电，第三电容、第四电容向负载供电；
（2）第一开关管关断，第二开关管导通，第二直流电源对第二电感充电，第二电感电流增加，同时第一直流电源与第一电感共同向第一电容、第三电容充电，第三电容向负载供电；
（3）第一开关管、第二开关管同时关断，第一直流电源与第一电感共同向第一电容、第三电容充电，第三电容同时向负载供电，与此同时第二直流电源与电感共同向第二电容、第三电容充电，第四电容向负载供电；
第三种模式时，第一直流电源、第二直流电源双输入，输入/输出电压关系为：Uout=D1U1/(1-D1)+D2U2/(1-D2)。
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