CN111130343B - 一种带有泵升电容的双输入高升压比直流变换器 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种带有泵升电容的双输入高升压比直流变换器。包括第一输入端口，第二输入端口，第一开关管、第二开关管，第一二极管、第二二极管、第三二极管、第四二极管、第五二极管，第一电感、第二电感，第一电容、第二电容、第三电容、第四电容及负载；本发明双输入高升压比直流变换器利用泵升电容提高了电压增益，在一个变换器中就可以实现两个单输入单输出高升压比变换器的功能，而且还可以实现两路同时供电。本发明具有升压比高、变换效率高和可靠性高等优点，非常适合于双输入高升压比直流电压变换场合。

Description

一种带有泵升电容的双输入高升压比直流变换器
技术领域
本发明涉及电力电子技术领域，特别涉及一种带有泵升电容的双输入高升压比直流变换器。
背景技术
能源是整个人类社会发展与进步的物质基础和动力来源，随着传统化石能源的日益枯竭，以及它所造成的环境污染和全球变暖等问题日益严重，新能源的开发和利用越来越受到人们的重视。目前，应用较多的新能源发电方式主要有光伏发电、风力发电、燃料电池发电等，具有资源分布广、开发潜力大、环境影响小、可持续利用的特点，已成为世界各国关注和研究的热点。
由于光伏电池等新能源发电系统存在电力供应不稳定、不连续和随环境条件变化等缺点，无法保证负载获得足够的能量。因此，某一种新能源独立工作不能完全满足用户对稳定电力供应的要求，为此人们提出了多种新能源联合供电的概念。由于单体光伏电池的直流输出电压等级较低，无法满足并网逆变器直流侧的电压等级要求，因此需要在发电系统的直流母线侧前端增加高升压比直流变换器来提升电压等级，确保发电系统将产生的电能注入到电网中。
在传统的新能源联合发电系统中，每一个输入源均需要一个单输入高升压比直流变换器对其电压进行调节，系统结构复杂，成本较高，且其自身存在随机性、间歇性、地域性、输出非线性等局限性，极大地限制了新能源联合发电技术的发展。为此，将多种分布式能源采用多输入高升压比直流变换器将其联合，组成联合供电系统，不仅可简化电路结构、避免独立供电不稳定和不连续的缺点，同时也可提高分布式发电系统的效率和可靠性，降低系统成本，已经成为了近年来电力电子变换领域的研究热点。
发明内容
本发明的目的在于提供一种带有泵升电容的双输入高升压比直流变换器，利用泵升电容提高电压增益，在一个变换器中就可以实现两个单输入单输出高升压比变换器的功能，而且还可以实现两路同时供电。
为实现上述目的，本发明的技术方案是：一种带有泵升电容的双输入高升压比直流变换器，包括第一输入端口，第二输入端口，第一开关管、第二开关管，第一二极管、第二二极管、第三二极管、第四二极管、第五二极管，第一电感、第二电感，第一电容、第二电容、第三电容、第四电容及负载；第一输入端口的正极输入端与第一电感、第一电容的一端连接，第一电感的另一端与第一二极管的阳极、第二电容的一端、第一开关管的漏极连接，第一电容的另一端与第一二极管的阴极、第二二极管的阳极连接，第二电容的另一端与第二二极管的阴极、第五二极管的阳极、第三二极管的阴极连接，第五二极管的阴极与第四电容的一端、负载的一端连接，第一开关管的源极与第一输入端口的负极输入端、第二输入端口的负极输入端、第二开关管的源极、第四二极管的阴极连接，第二输入端口的正极输入端经第二电感与第二开关管的漏极、第三二极管的阳极、第三电容的一端连接，第三电容的另一端与第四二极管的阳极、第四电容的另一端、负载的另一端连接。
在本发明一实施例中，该双输入高升压比直流变换器利用泵升电容，即第二电容、第三电容，来提高电压增益，在一个变换器中就可实现两个单输入单输出高升压比变换器的功能，而且还可实现两路同时供电。
在本发明一实施例中，该双输入高升压比直流变换器包括三种工作模式，具体工作模式如下：
第一开关管占空比为D1，第二开关管占空比为D2，第一输入端口供电电压为Vin1，第一输入端口供电电压为Vin2；
(1)第一输入端口和第二输入端口共同供电模式：第一开关管和第二开关管在一个开关周期内至少有一个开关管导通，即两个开关管驱动信号互有交叠，通过控制第一开关管和第二开关管的占空比可以实现第一输入端口和第二输入端口共同对负载供电；且有：
1)当
Figure BDA0002371310690000021
时，输出电压为
Figure BDA0002371310690000022
2)当
Figure BDA0002371310690000023
时，输出电压为
Figure BDA0002371310690000024
(2)第一输入端口单独供电模式：第二开关管始终保持关断，通过控制第一开关管的占空比D1可以实现第一输入端口对负载供电，其输出电压为
Figure BDA0002371310690000025
(3)第二输入端口单独供电模式：第一开关管始终保持导通，通过控制第二开关管的占空比D2可以实现第二输入端口对负载供电，其输出电压为
Figure BDA0002371310690000026
相较于现有技术，本发明具有以下有益效果：本发明双输入高升压比直流变换器，利用泵升电容提高电压增益，在一个变换器中就可以实现两个单输入单输出高升压比变换器的功能，而且还可以实现两路同时供电；本发明具有升压比高、变换效率高和可靠性高等优点，非常适合于双输入高升压比直流电压变换场合。
附图说明
图1为本发明双输入高升压比直流变换器原理图。
图2为本发明两路同时供电时电路主要工作波形。
图3为本发明
Figure BDA0002371310690000031
时各模态等效电路图。
图4为本发明
Figure BDA0002371310690000032
时各模态等效电路图。
图5为本发明输入端口1单独供电时电路主要工作波形图。
图6为本发明输入端口1单独供电时各模态等效电路图。
图7为本发明输入端口2单独供电时电路主要工作波形图。
图8为本发明输入端口2单独供电时各模态等效电路图。
图9为本发明
Figure BDA0002371310690000033
时电路主要仿真波形。
图10为本发明
Figure BDA0002371310690000034
时电路主要仿真波形。
图11为本发明输入端口1单独供电时主要仿真波形。
图12为本发明输入端口2单独供电时主要仿真波形。
具体实施方式
下面结合附图1-12，对本发明的技术方案进行具体说明。
本发明提供了一种带有泵升电容的双输入高升压比直流变换器，包括第一输入端口，第二输入端口，第一开关管、第二开关管，第一二极管、第二二极管、第三二极管、第四二极管、第五二极管，第一电感、第二电感，第一电容、第二电容、第三电容、第四电容及负载；第一输入端口的正极输入端与第一电感、第一电容的一端连接，第一电感的另一端与第一二极管的阳极、第二电容的一端、第一开关管的漏极连接，第一电容的另一端与第一二极管的阴极、第二二极管的阳极连接，第二电容的另一端与第二二极管的阴极、第五二极管的阳极、第三二极管的阴极连接，第五二极管的阴极与第四电容的一端、负载的一端连接，第一开关管的源极与第一输入端口的负极输入端、第二输入端口的负极输入端、第二开关管的源极、第四二极管的阴极连接，第二输入端口的正极输入端经第二电感与第二开关管的漏极、第三二极管的阳极、第三电容的一端连接，第三电容的另一端与第四二极管的阳极、第四电容的另一端、负载的另一端连接。该双输入高升压比直流变换器利用泵升电容，即第二电容、第三电容，来提高电压增益，在一个变换器中就可实现两个单输入单输出高升压比变换器的功能，而且还可实现两路同时供电。
本发明双输入高升压比直流变换器包括三种工作模式，具体工作模式如下：
第一开关管占空比为D1，第二开关管占空比为D2，第一输入端口供电电压为Vin1，第一输入端口供电电压为Vin2；
(1)第一输入端口和第二输入端口共同供电模式：第一开关管和第二开关管在一个开关周期内至少有一个开关管导通，即两个开关管驱动信号互有交叠，通过控制第一开关管和第二开关管的占空比可以实现第一输入端口和第二输入端口共同对负载供电；且有：
1)当
Figure BDA0002371310690000041
时，输出电压为
Figure BDA0002371310690000042
2)当
Figure BDA0002371310690000043
时，输出电压为
Figure BDA0002371310690000044
(2)第一输入端口单独供电模式：第二开关管始终保持关断，通过控制第一开关管的占空比D1可以实现第一输入端口对负载供电，其输出电压为
Figure BDA0002371310690000045
(3)第二输入端口单独供电模式：第一开关管始终保持导通，通过控制第二开关管的占空比D2可以实现第二输入端口对负载供电，其输出电压为
Figure BDA0002371310690000046
以下为本发明的具体实现过程。
如图1所示，本发明的一种带有泵升电容的双输入高升压比直流变换器，其电路由输入端口1、输入端口2、负载端口、两个个开关管、五个二极管、两个电感和四个电容等组成。
本发明提出的双输入高升压比直流变换器有三种工作模式，各模式工作原理如下：
1、输入端口1和输入端口2同时供电模式
开关管S1和开关管S2在一个开关周期内至少有一个开关管导通，即两个开关管驱动信号互有交叠，电路主要工作波形如图2所示，电路分为两种工作情况。
1)当两路输入端口电压和两个开关管工作占空比满足
Figure BDA0002371310690000047
时，输出电压
Figure BDA0002371310690000048
电路在一个开关周期有四个工作模态，各个模态等效电路如图3所示。
(a)模态1(t0-t1)：t0时刻，开关管S1、S2均导通，Vin1通过开关管S1对电感L1充电，Vin2通过开关管S2对电感L2充电，电感L1和L2的电流线性上升，二极管VD1～VD5全部反向截止，输出电容Co给负载供电。
(b)模态2(t1-t2)：t1时刻，开关管S2断开，开关管S1继续导通，电感L1电流继续线性上升，电感L2续流，Vin2与电感L2一起通过二极管VD3、开关管S1对泵升电容C2充电，通过二极管VD4对电容泵升C3充电，输出电容Co继续给负载供电。
(c)模态3(t2-t3)：开关管S1、S2均导通，这个阶段与在(t0-t1)阶段电路工作模态一致。
(d)模态4(t3-t4)：t3时刻，开关管S2继续导通，电感L2电流继续线性增加，开关管S1断开，电感L1续流，Vin1与电感L1、电容C2、C3串联在一起通过二极管VD5和开关管S2给电容C0充电并给负载供电，实现高升压比。
当Vin1＝36V，Vin2＝36V，D1＝0.6，D2＝0.752时，这个阶段的主要仿真波形如图9所示，可以看出输出电压仿真值为380.5V，与由
Figure BDA0002371310690000051
计算出来的理论值380.3V基本一致。
2)当两路输入电源电压和两个开关管工作占空比满足
Figure BDA0002371310690000052
时，输出电压
Figure BDA0002371310690000053
电路在一个开关周期也有四种工作模态，各个模态等效电路如图4所示。
(a)模态1(t0-t1)：t0时刻，开关管S1、S2均导通，Vin1通过开关管S1对电感L1充电，Vin2通过开关管S2对电感L2充电，电感L1和L2的电流线性上升；Vin1与电容C1一起通过二极管VD2、开关管S1对电容C2充电，输出电容Co给负载供电。
(b)模态2(t1-t2)：t1时刻，开关管S2断开，开关管S1继续导通，电感L1电流继续线性上升，电感L2续流，Vin2与电感L2一起通过二极管VD4对电容C3充电，输出电容Co继续给负载供电。
(c)模态3(t2-t3)：开关管S1、S2均导通，这个阶段与在(t0-t1)阶段电路工作模态一致。
(d)模态4(t3-t4)：t3时刻开关管S1断开，开关管S2继续导通，电感L1续流，通过二极管VD1给电容C1充电，同时Vin1与电感L1、电容C2、C3串联在一起通过开关管S2、二极管VD5给电容C0充电并给负载供电，实现高升压比。
当Vin1＝36V，Vin2＝36V，D1＝0.752，D2＝0.6时，这个阶段的主要仿真波形如图10所示，可以看出输出电压仿真值为379.4V，与由
Figure BDA0002371310690000054
计算出来的理论值380.3V基本一致。
2、输入端口1单独供电模式
该模式下开关管S2始终关断，电路是一个由开关管S1，二极管VD1、VD2、VD4和VD5，电感L1和电容C1、C2和C0组成的高升压比直流变换器，输出电压
Figure BDA0002371310690000061
开关管控制信号波形如图5所示，变换器在一个开关周期有两个工作模态，各个模态等效电路如图6所示。
(a)模态1(t0～t1)：当开关管S1导通时，Vin1通过开关管S1对电感L1充电，Vin1与电容C1串联通过二极管VD2、开关管S1对电容C2充电。
(2)模态2(t1～t2)：当开关管S1关断时，电感L1续流，通过二极管VD1给电容C1充电，并与Vin1和电容C2串联在一起通过VD4、VD5给电容C0充电并且给负载供电，实现高升压比。
当Vin1＝36V，D1＝0.811时，这个阶段的主要仿真波形如图11所示，可以看出输出电压仿真值为379.7V，与由
Figure BDA0002371310690000062
计算出来的理论值380.9V基本一致。
3、输入端口2单独供电模式
该模式下开关管S1一直保持导通，电路是一个由开关管S2,二极管VD3、VD4、VD5，电感L2和电容C2、C3和C0组成的高升压比直流变换器，输出电压
Figure BDA0002371310690000063
开关管控制信号波形如图7所示，变换器在一个开关周期有两个工作模态，各个模态等效电路如图8所示。
(a)模态1(t0-t1)：当S2导通时，Vin2通过开关管S2对电感L2充电，电容C2、C3串联通过开关管S2、S1、二极管VD5给Co充电并且给负载供电；
(b)模态2(t1-t2)：当S2关断时，电感L2续流，Vin2与电感L2一起通过二极管VD4给电容C3充电，同时通过二极管VD3、开关管S1对电容C2充电。
当Vin2＝36V，D2＝0.811时，这个阶段的主要仿真波形如图12所示，可以看出输出电压仿真值为380.0V，与由
Figure BDA0002371310690000064
计算出来的理论值380.9V基本一致。
本发明所提出的一种带有泵升电容的双输入高升压比直流变换器利用泵升电容C2和C3提高升压比，在一个变换器中就可以实现两个单输入单输出高升压比变换器的功能，而且还可以实现两路同时供电，具有升压比高、变换效率高和可靠性高等优点。三种工作模式的电压增益均高于传统单输入单输出升压变换器(Boost变换器)的电压增益M＝1/(1-D)。
以上是本发明的较佳实施例，凡依本发明技术方案所作的改变，所产生的功能作用未超出本发明技术方案的范围时，均属于本发明的保护范围。

Claims (1)

1.一种带有泵升电容的双输入高升压比直流变换器，其特征在于，包括第一输入端口，第二输入端口，第一开关管、第二开关管，第一二极管、第二二极管、第三二极管、第四二极管、第五二极管，第一电感、第二电感，第一电容、第二电容、第三电容、第四电容及负载；第一输入端口的正极输入端与第一电感、第一电容的一端连接，第一电感的另一端与第一二极管的阳极、第二电容的一端、第一开关管的漏极连接，第一电容的另一端与第一二极管的阴极、第二二极管的阳极连接，第二电容的另一端与第二二极管的阴极、第五二极管的阳极、第三二极管的阴极连接，第五二极管的阴极与第四电容的一端、负载的一端连接，第一开关管的源极与第一输入端口的负极输入端、第二输入端口的负极输入端、第二开关管的源极、第四二极管的阴极连接，第二输入端口的正极输入端经第二电感与第二开关管的漏极、第三二极管的阳极、第三电容的一端连接，第三电容的另一端与第四二极管的阳极、第四电容的另一端、负载的另一端连接；该双输入高升压比直流变换器利用泵升电容，即第二电容、第三电容，来提高电压增益，在一个变换器中就可实现两个单输入单输出高升压比变换器的功能，而且还可实现两路同时供电；该双输入高升压比直流变换器包括三种工作模式，具体工作模式如下：
第一开关管占空比为D1，第二开关管占空比为D2，第一输入端口供电电压为Vin1，第二输入端口供电电压为Vin2；
(1)第一输入端口和第二输入端口共同供电模式：第一开关管和第二开关管在一个开关周期内至少有一个开关管导通，即两个开关管驱动信号互有交叠，通过控制第一开关管和第二开关管的占空比可以实现第一输入端口和第二输入端口共同对负载供电；且有：
1)当
Figure FDA0002918040230000011
时，输出电压为
Figure FDA0002918040230000012
2)当
Figure FDA0002918040230000013
时，输出电压为
Figure FDA0002918040230000014
(2)第一输入端口单独供电模式：第二开关管始终保持关断，通过控制第一开关管的占空比D1可以实现第一输入端口对负载供电，其输出电压为
Figure FDA0002918040230000015
(3)第二输入端口单独供电模式：第一开关管始终保持导通，通过控制第二开关管的占空比D2可以实现第二输入端口对负载供电，其输出电压为
Figure FDA0002918040230000016
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