CN109787481B - 三端口电流型双向升降压高频隔离型dc-dc变换器 - Google Patents

三端口电流型双向升降压高频隔离型dc-dc变换器 Download PDF

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Abstract

三端口电流型双向升降压高频隔离型DC‑DC变换器，属于电能变换技术领域，为解决现有三端口隔离型DC‑DC变换器电流应力大、功率耦合的问题。本发明两个电流型变换器结构相同，包括两个功率开关、一个电感和桥式变换器，两个功率开关串联，公共连接点连接电感，然后连接到桥式变换器中，在电压源和电流源之间转换；第一电流型变换器中的桥式变换器连接第一绕组，第二电流型变换器中的桥式变换器连接第二绕组；桥式变换器连接第三绕组；第一电流型变换器、第二电流型变换器和桥式变换器分别包括一个直流正极端和一个直流负极端；通过第一电流型变换器、第二电流型变换器和桥式变换器实现三个端口之间的功率传递。本发明用于电能变换。

Description

三端口电流型双向升降压高频隔离型DC-DC变换器
技术领域
本发明涉及一种三端口电流型双向升降压高频隔离型DC-DC变换器，属于电能变换技术领域。
背景技术
以蓄电池、超级电容为代表的储能系统在电网二次调频、电动车储能源、清洁能源发电功率平抑等领域获得了广泛应用。对于蓄电池和超级电容而言，蓄电池的能量密度要远大于超级电容，而且成本要远小于超级电容，但是其功率密度比较小，尤其是充放电速度不能过快，否则会严重影响自身寿命。而超级电容具有较大的功率密度，允许频繁大功率充放电。因此，目前的储能系统中普遍采用蓄电池和超级电容的混合式储能结构，以同时实现高能量密度、高功率密度和长寿命。
在包含蓄电池和超级电容的混合储能系统中，需要隔离型DC-DC变换器实现对蓄电池和超级电容的充放电控制。现有隔离型DC-DC变换器对蓄电池和超级电容的充放电控制主要采用两种方案：
1、常用方案是采用两个独立的隔离型DC-DC变换器分别连接蓄电池和超级电容，这种结构可以实现蓄电池和超级电容的独立功率控制，但是两个独立的隔离型DC-DC变换器结构复杂，总体损耗和成本均较大。
2、第二种方案是采用基于三绕组隔离变压器的三端口DC-DC变换器结构，这种结构的两个端口分别连接蓄电池和超级电容，第三个端口作为整个混合储能系统的总输出端口实现和外界的功率传递。这种结构相比于两个独立的DC-DC变换器结构省去了一个变换器，在成本、体积和效率等方面均具有明显优势。
但是，现有隔离型三端口DC-DC变换器普遍采用基于电压型桥式变换器的结构，虽然能够实现双向升降压运行，但由于变压器电流波形为梯形波，造成其峰值电流为平均电流的至少两倍以上，硬件额定容量的利用率较低，同时造成系统成本较大。另外，现有结构存在端口间的功率耦合，难以做到蓄电池和超级电容间的充放电功率独立控制，限制了其实际应用。
发明内容
本发明目的是为了解决现有三端口隔离型DC-DC变换器电流应力大、功率耦合的问题，提供了一种三端口电流型双向升降压高频隔离型DC-DC变换器。
本发明所述三端口电流型双向升降压高频隔离型DC-DC变换器，包括第一电流型变换器、第二电流型变换器、桥式变换器和三绕组隔离变压器；
第一电流型变换器和第二电流型变换器结构相同，分别包括两个功率开关、一个电感和桥式变换器，两个功率开关串联，公共连接点连接电感，然后连接到桥式变换器中，在电压源和电流源之间转换；
第一电流型变换器中的桥式变换器连接三绕组隔离变压器的第一绕组，
第二电流型变换器中的桥式变换器连接三绕组隔离变压器的第二绕组；
桥式变换器连接三绕组隔离变压器的第三绕组；
第一电流型变换器、第二电流型变换器和桥式变换器分别包括一个直流正极端和一个直流负极端；
通过第一电流型变换器、第二电流型变换器和桥式变换器实现三个端口之间的功率传递。
优选的，第一电流型变换器包括功率开关S11、功率开关S12、电感L1和桥式变换器，桥式变换器包括功率开关S1、功率开关S2、功率开关S3和功率开关S4；
电感L1的一端同时连接功率开关S1的一端和功率开关S3的一端，电感L1的另一端同时连接功率开关S11的一端和功率开关S12的一端；
功率开关S1的另一端连接功率开关S2的一端，其公共连接端连接三绕组隔离变压器的第一绕组的同名端，
功率开关S3的另一端连接功率开关S4的一端，其公共连接端连接三绕组隔离变压器的第一绕组的异名端，
功率开关S2的另一端同时连接功率开关S4的另一端和功率开关S12的另一端，
功率开关S11的另一端作为第一电流型变换器的直流正极端，功率开关S12的另一端作为第一电流型变换器的直流负极端。
优选的，第二电流型变换器包括功率开关S21、功率开关S22、电感L2和桥式变换器，桥式变换器包括功率开关S5、功率开关S6、功率开关S7和功率开关S8；
电感L2的一端同时连接功率开关S5的一端和功率开关S7的一端，电感L2的另一端同时连接功率开关S21的一端和功率开关S22的一端；
功率开关S5的另一端连接功率开关S6的一端，其公共连接端连接三绕组隔离变压器的第二绕组的同名端，
功率开关S7的另一端连接功率开关S8的一端，其公共连接端连接三绕组隔离变压器的第二绕组的异名端，
功率开关S6的另一端同时连接功率开关S8的另一端和功率开关S22的另一端，
功率开关S21的另一端作为第二电流型变换器的直流正极端，功率开关S22的另一端作为第二电流型变换器的直流负极端。
优选的，桥式变换器包括功率开关Q1、功率开关Q2、功率开关Q3和功率开关Q4；
功率开关Q1的一端连接功率开关Q2的一端，其公共连接端连接三绕组隔离变压器的第三绕组的同名端；
功率开关Q3的一端连接功率开关Q4的一端，其公共连接端连接三绕组隔离变压器的第三绕组的异名端；
功率开关Q1的另一端连接功率开关Q3的另一端，其公共连接端作为桥式变换器的直流正极端；
功率开关Q2的另一端连接功率开关Q4的另一端，其公共连接端作为桥式变换器的直流负极端。
本发明的优点：
1、本发明的变压器电流为矩形波，从而使得电流峰值和平均值接近1，显著提高了硬件额定容量的利用率；
2、本发明采用的电流型变换器具有电流源特性，能够实现三个端口之间的功率解耦，真正实现蓄电池和超级电容充放电功率的独立控制。
附图说明
图1是本发明所述三端口电流型双向升降压高频隔离型DC-DC变换器的原理框图；
图2是本发明所述第一电流型变换器、第二电流型变换器和桥式变换器的工作波形图；
图3是将本发明用于蓄电池和超级电容混合储能系统时三个端口的输出和输入功率波形图。
具体实施方式
具体实施方式一：下面结合图1说明本实施方式，本实施方式所述三端口电流型双向升降压高频隔离型DC-DC变换器，包括第一电流型变换器1、第二电流型变换器2、桥式变换器3和三绕组隔离变压器；
第一电流型变换器1和第二电流型变换器2结构相同，分别包括两个功率开关、一个电感和桥式变换器，两个功率开关串联，公共连接点连接电感，然后连接到桥式变换器中，在电压源和电流源之间转换；
第一电流型变换器1中的桥式变换器连接三绕组隔离变压器的第一绕组，
第二电流型变换器2中的桥式变换器连接三绕组隔离变压器的第二绕组；
桥式变换器3连接三绕组隔离变压器的第三绕组；
第一电流型变换器1、第二电流型变换器2和桥式变换器3分别包括一个直流正极端和一个直流负极端；
通过第一电流型变换器1、第二电流型变换器2和桥式变换器3实现三个端口之间的功率传递。
第一电流型变换器1包括功率开关S11、功率开关S12、电感L1和桥式变换器，桥式变换器包括功率开关S1、功率开关S2、功率开关S3和功率开关S4；
电感L1的一端同时连接功率开关S1的一端和功率开关S3的一端，电感L1的另一端同时连接功率开关S11的一端和功率开关S12的一端；
功率开关S1的另一端连接功率开关S2的一端，其公共连接端连接三绕组隔离变压器的第一绕组的同名端，
功率开关S3的另一端连接功率开关S4的一端，其公共连接端连接三绕组隔离变压器的第一绕组的异名端，
功率开关S2的另一端同时连接功率开关S4的另一端和功率开关S12的另一端，
功率开关S11的另一端作为第一电流型变换器1的直流正极端，功率开关S12的另一端作为第一电流型变换器1的直流负极端。
第二电流型变换器2包括功率开关S21、功率开关S22、电感L2和桥式变换器，桥式变换器包括功率开关S5、功率开关S6、功率开关S7和功率开关S8；
电感L2的一端同时连接功率开关S5的一端和功率开关S7的一端，电感L2的另一端同时连接功率开关S21的一端和功率开关S22的一端；
功率开关S5的另一端连接功率开关S6的一端，其公共连接端连接三绕组隔离变压器的第二绕组的同名端，
功率开关S7的另一端连接功率开关S8的一端，其公共连接端连接三绕组隔离变压器的第二绕组的异名端，
功率开关S6的另一端同时连接功率开关S8的另一端和功率开关S22的另一端，
功率开关S21的另一端作为第二电流型变换器2的直流正极端，功率开关S22的另一端作为第二电流型变换器2的直流负极端。
桥式变换器3包括功率开关Q1、功率开关Q2、功率开关Q3和功率开关Q4；
功率开关Q1的一端连接功率开关Q2的一端，其公共连接端连接三绕组隔离变压器的第三绕组的同名端；
功率开关Q3的一端连接功率开关Q4的一端，其公共连接端连接三绕组隔离变压器的第三绕组的异名端；
功率开关Q1的另一端连接功率开关Q3的另一端，其公共连接端作为桥式变换器3的直流正极端；
功率开关Q2的另一端连接功率开关Q4的另一端，其公共连接端作为桥式变换器3的直流负极端。
本发明中，由于第一电流型变换器1和第二电流型变换器2中加入了电感，从而将电压源转换为电流源，因此，其输入到变压器的电流只由自身电感电流决定，在其它变换器的端口电压发生变化时，其变压器电流不会受到影响，因此可以实现各个端口之间的功率解耦。
如图2所示，为功率由第一电流型变换器1和第二电流型变换器2流向桥式变换器3的直流端口情况下的三个变换器的工作波形。由图2可知，第一电流型变换器1和第二电流型变换器2的变压器侧电流的幅值由自身电感电流决定，在另一个变换器的端口电压发生变化时，其自身电感电流形状不会受到影响，从而保证了自身传递功率不会受到影响。而通过改变自身电感电流的大小，可以改变传递功率的大小，从而实现功率调节。而桥式变换器3的直流侧电流为第一电流型变换器1和第二电流型变换器2变压器侧电流的和，保证了所有电流均为有功电流。同时通过合理设计第一电流型变换器1和第二电流型变换器2中的电感，其电感电流值的波动很小，例如可以不超过5％，因此具有较低的电流峰值和平均电流比，保证了系统具有较大的硬件额定容量利用率。
下面结合图3进一步说明本发明用于蓄电池、超级电容混合储能系统时的工作过程。在蓄电池、超级电容混合储能系统中，在期望输出功率发生阶跃变化时，要求蓄电池输出功率应柔性增加，以保护蓄电池，尽量延长其寿命。而在期望输出功率和蓄电池瞬时输出功率之间的差值由超级电容补充。在稳态时，整个混合储能系统的输出功率均由蓄电池承担，而超级电容不输出功率。假设本发明的桥式变换器3的端口为第三端口，第二电流型变换器2的端口为第二端口，第一电流型变换器1的端口为第一端口，第三端口为功率输出端，第二端口连接蓄电池，第一端口连接超级电容。则由图3可知，在t0时刻以前，第三端口输出功率等于第二端口输入功率，即整个混合储能系统的输出功率均由蓄电池承担。而在t0时刻，期望输出功率由P30突变到P31，此时首先由超级电容输出功率，其输出功率为：
P11＝P31-P30；
以保证整个储能系统的输出功率立即与期望输出功率相等。在此时刻之后，第二端口输入功率P2，即蓄电池输出功率逐渐增加，而超级电容的瞬时输出功率，即第一端口输入功率P1由下式决定
P1＝P3-P2；
则随着蓄电池输出功率逐渐增加，超级电容输出功率逐渐减小，直至t1时刻，当蓄电池输出功率等于期望输出功率时，超级电容输出功率等于零。
由前述分析可知，在该混合储能系统中，需要对蓄电池和超级电容的瞬时输出功率进行独立控制。而本发明中由于第一电流型变换器1和第二电流型变换器2中电感的存在，可以实现这两个变换器瞬时电流，即瞬时功率的的独立控制。因此本发明特别适合这种混合储能系统的应用场合。

Claims (4)

1.三端口电流型双向升降压高频隔离型DC-DC变换器，其特征在于，包括第一电流型变换器(1)、第二电流型变换器(2)、第一桥式变换器(3)和三绕组隔离变压器；
第一电流型变换器(1)和第二电流型变换器(2)结构相同，分别包括两个功率开关、一个电感和桥式变换器，两个功率开关串联，公共连接点连接电感，然后连接到桥式变换器中，在电压源和电流源之间转换；
第一电流型变换器(1)中的第二桥式变换器连接三绕组隔离变压器的第一绕组，
第二电流型变换器(2)中的第三桥式变换器连接三绕组隔离变压器的第二绕组；
第一桥式变换器(3)连接三绕组隔离变压器的第三绕组；
第一电流型变换器(1)、第二电流型变换器(2)和第一桥式变换器(3)分别包括一个直流正极端和一个直流负极端；
通过第一电流型变换器(1)、第二电流型变换器(2)和第一桥式变换器(3)实现三个端口之间的功率传递。
2.根据权利要求1所述的三端口电流型双向升降压高频隔离型DC-DC变换器，其特征在于，第一电流型变换器(1)包括功率开关S11、功率开关S12、电感L1和第二桥式变换器，第二桥式变换器包括功率开关S1、功率开关S2、功率开关S3和功率开关S4；
电感L1的一端同时连接功率开关S1的一端和功率开关S3的一端，电感L1的另一端同时连接功率开关S11的一端和功率开关S12的一端；
功率开关S1的另一端连接功率开关S2的一端，其公共连接端连接三绕组隔离变压器的第一绕组的同名端，
功率开关S3的另一端连接功率开关S4的一端，其公共连接端连接三绕组隔离变压器的第一绕组的异名端，
功率开关S2的另一端同时连接功率开关S4的另一端和功率开关S12的另一端，
功率开关S11的另一端作为第一电流型变换器(1)的直流正极端，功率开关S12的另一端作为第一电流型变换器(1)的直流负极端。
3.根据权利要求1所述的三端口电流型双向升降压高频隔离型DC-DC变换器，其特征在于，第二电流型变换器(2)包括功率开关S21、功率开关S22、电感L2和第三桥式变换器，第三桥式变换器包括功率开关S5、功率开关S6、功率开关S7和功率开关S8；
电感L2的一端同时连接功率开关S5的一端和功率开关S7的一端，电感L2的另一端同时连接功率开关S21的一端和功率开关S22的一端；
功率开关S5的另一端连接功率开关S6的一端，其公共连接端连接三绕组隔离变压器的第二绕组的同名端，
功率开关S7的另一端连接功率开关S8的一端，其公共连接端连接三绕组隔离变压器的第二绕组的异名端，
功率开关S6的另一端同时连接功率开关S8的另一端和功率开关S22的另一端，
功率开关S21的另一端作为第二电流型变换器(2)的直流正极端，功率开关S22的另一端作为第二电流型变换器(2)的直流负极端。
4.根据权利要求1所述的三端口电流型双向升降压高频隔离型DC-DC变换器，其特征在于，第一桥式变换器(3)包括功率开关Q1、功率开关Q2、功率开关Q3和功率开关Q4；
功率开关Q1的一端连接功率开关Q2的一端，其公共连接端连接三绕组隔离变压器的第三绕组的同名端；
功率开关Q3的一端连接功率开关Q4的一端，其公共连接端连接三绕组隔离变压器的第三绕组的异名端；
功率开关Q1的另一端连接功率开关Q3的另一端，其公共连接端作为第一桥式变换器(3)的直流正极端；
功率开关Q2的另一端连接功率开关Q4的另一端，其公共连接端作为第一桥式变换器(3)的直流负极端。
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