CN112953207B - 变换器、双极直流微网及其变换方法 - Google Patents

变换器、双极直流微网及其变换方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种变换器、双极直流微网及其变换方法，变换器包括的第一主开关管的漏极和第二主开关管的漏极同时与外部电源的正极相连，第一主开关管的源极同时与第一储能电感的输入端以及第一副开关管的漏极连接，第二主开关管的源极同时连接第一副开关管的源极、第二副开关管的漏极以及第二输出电容的高压端，第一储能电感的输出端与第一输出电容的高压端连接，第一输出电容的低压端与第二输出电容的高压端连接，第二输出电容的低压端连接第二储能电感的输入端，第二储能电感的输出端同时连接第二副开关管的源极以及外部电源的负极。

Description

变换器、双极直流微网及其变换方法
技术领域
本发明涉及电力电子技术领域，具体涉及一种变换器、双极直流微网及其变换方法。
背景技术
近几年全球环境问题日益严峻，化石能源日益枯竭，因而新型能源的发展越来越迫切。随着新能源的发展，相对绿色环保的新能源汽车近些年也得到飞速发展。
随着市场对安全性和智能化的要求越来越高，基于新能源汽车的无人驾驶技术得到越来越多的关注。近年许多企业和科研机构均投入了无人驾驶汽车的研发。为了实现车辆的自主驾驶，车辆需要通过车载传感系统对道路环境进行感知，并通过以计算机系统为主的智能驾驶系统来自动规划行车路线并控制车辆达到预期目标。因此车辆需要配备相应智能软件和多种感应设备，如GPS导航、激光雷达和车载摄像头等。不同类负载设备的额定工作电压并不完全一致，甚至同类负载设备的额定工作电压也会因型号不同而有差异。通常这些负载都需要搭配额外的变换器接入电源总线当中。
发明内容
本发明的目的在于提供一种变换器、双极直流微网及其变换方法，以解决现有变换器功能单一，且在不同的实际需求中需要根据不同负载更换或额外搭配变换器的问题。
本发明解决上述技术问题的技术方案如下：
本发明提供一种变换器，所述变换器包括第一储能电感L1、第二储能电感L2、第一主开关管Q1、第二主开关管Q2、第一副开关管Q'1、第二副开关管Q'2、第一输出电容CO1和第二输出电容CO2；所述第一主开关管Q1的漏极和所述第二主开关管Q2的漏极同时与外部电源的正极相连，所述第一主开关管Q1的源极同时与所述第一储能电感L1的输入端以及所述第一副开关管Q'1的漏极连接，所述第二主开关管Q2的源极同时连接所述第一副开关管Q'1的源极、所述第二副开关管Q'2的漏极以及所述第二输出电容CO2的高压端，所述第一储能电感L1的输出端与所述第一输出电容CO1的高压端连接，所述第一输出电容CO1的低压端与所述第二输出电容CO2的高压端连接，所述第二输出电容CO2的低压端连接所述第二储能电感L2的输入端，所述第二储能电感L2的输出端同时连接所述第二副开关管Q'2的源极以及所述外部电源的负极。
可选择地，所述第一主开关管和/或所述第二主开关管构造为n沟道增强型mos管；所述第一副开关管和/或所述第二副开关管构造为n沟道增强型mos管。
基于上述技术方案，本发明还提供一种双极直流微网，所述双极直流微网包括上述的变换器，还包括电池、变压器、负载模块以及电压类型转换装置，所述电池的正极连接所述变压器的输入端，所述变压器的输出端作为所述变换器的外部电源，所述变换器的输出端连接所述电压类型转换装置的输入端，所述电压类型转换装置的输出端连接所述负载模块。
可选择地，所述电压类型转换装置为双极直流母线。
本发明还提供一种上述的变换器的变换方法，所述变换器的变换方法包括以下几种变换步骤：
S1：在第一时刻关断所述第一副开关管Q'1，使得所述变换器进入第一模态，根据所述第一模态得到第一模态模型；
S2：在第二时刻关断所述第一主开关管Q1，使得所述变换器进入第二模态，根据所述第二模态得到第二模态模型；
S3：在第三时刻关断所述第二副开关管Q'2，使得所述变换器进入第三模态，根据所述第三模态得到第三模态模型；
S4：在第四时刻关断所述第二主开关管Q2，使得所述变换器进入第四模态，根据所述第四模态得到第四模态模型；
S5：根据所述第一模态模型、所述第二模态模型、所述第三模态模型和所述第四模态模型，得到输出结果。
可选择地，所述负载模块包括第一负载Ro1和第二负载Ro2，所述第一负载Ro1的一端连接所述第一储能电感L1的输出端，所述第一负载Ro1的另一端同时连接所述第一输出电容CO1的低压端和所述第二负载Ro2的一端，所述第二负载Ro2的另一端连接所述第二储能电感L2的输入端。
可选择地，所述步骤S1中，所述第一模态模型包括：
Figure BDA0003032361160000031
所述步骤S2中，所述第二模态模型包括：
Figure BDA0003032361160000032
所述步骤S3中，所述第三模态模型包括：
Figure BDA0003032361160000033
其中，L为第一电感L1和第二电感L2的电感感值，Vin表示输入电压，
Figure BDA0003032361160000034
表示所述第一储能电感L1的电感电流的变化量与时间的变化量的比值，
Figure BDA0003032361160000035
表示所述第二储能电感L2的电感电流的变化量与时间的变化量的比值，Vo1表示第一负载Ro1的输出电压；Vo2表示第二负载Ro2的输出电压。
可选择地，所述S5中，所述输出结果包括：
Vo1＝Vo2＝DVin
其中，Vo1表示第一负载Ro1的输出电压；Vo2表示第二负载Ro2的输出电压。
可选择地，所述第四模态模型与所述第二模态模型相同。
本发明具有以下有益效果：
一方面，通过上述方案，即通过本发明所提供的变换器，能够变化四种模态，以能够在使用过程中，减少变换器的数量，从而减少成本的同时提高工作效率。
另一方面，双极直流微网可以提供两种不同等级的输出电压，负载设备的选择更加灵活，额定工作电压不同的负载设备亦可以更直接地与双极直流母线连接，减少了变换器的数目，为需要多电压等级供电的应用场合提供了一种高性能、低成本解决方案。
附图说明
图1为本发明所提供的变换器的电路图；
图2为本发明所提供的双极直流微网的结构示意图；
图3为本发明所提供的变换器的工作模态的波形图；
图4为本发明所提供的变换器的工作模态的第一模态的电路图；
图5为本发明所提供的变换器的工作模态的第二模态和第四模态的电路图；
图6为本发明所提供的变换器的工作模态的第三模态的电路图；
图7为本发明所提供的变换器的关键参数仿真波形图。
附图标记说明
1-电池；2-变压器；3-变换器。
具体实施方式
以下结合附图对本发明的原理和特征进行描述，所举实例只用于解释本发明，并非用于限定本发明的范围。
实施例
本发明解决上述技术问题的技术方案如下：
本发明提供一种变换器，参考图1所示，所述变换器包括第一储能电感L1、第二储能电感L2、第一主开关管Q1、第二主开关管Q2、第一副开关管Q'1、第二副开关管Q'2、第一输出电容CO1和第二输出电容CO2；所述第一主开关管Q1的漏极和所述第二主开关管Q2的漏极同时与外部电源的正极相连，所述第一主开关管Q1的源极同时与所述第一储能电感L1的输入端以及所述第一副开关管Q'1的漏极连接，所述第二主开关管Q2的源极同时连接所述第一副开关管Q'1的源极、所述第二副开关管Q'2的漏极以及所述第二输出电容CO2的高压端，所述第一储能电感L1的输出端与所述第一输出电容CO1的高压端连接，所述第一输出电容CO1的低压端与所述第二输出电容CO2的高压端连接，所述第二输出电容CO2的低压端连接所述第二储能电感L2的输入端，所述第二储能电感L2的输出端同时连接所述第二副开关管Q'2的源极以及所述外部电源的负极。
本发明具有以下有益效果：
通过上述方案，即通过本发明所提供的变换器，能够变化四种模态，以能够在使用过程中，减少变换器的数量，从而减少成本的同时提高工作效率。
可选择地，所述第一主开关管和/或所述第二主开关管构造为n沟道增强型mos管；所述第一副开关管和/或所述第二副开关管构造为n沟道增强型mos管。
基于上述技术方案，参考图2所示，本发明还提供一种双极直流微网，所述双极直流微网包括上述的变换器，还包括电池1、变压器2、负载模块以及电压类型转换装置，所述电池1的正极连接所述变压器的输入端，所述变压器2的输出端作为所述变换器3的外部电源，所述变换器3的输出端连接所述电压类型转换装置的输入端，所述电压类型转换装置的输出端连接所述负载模块。
这里，变压器2除了降压的作用，还起着隔离电池1和电压类型转换装置的作用。然后变换器3把较低的电压进一步降低，并与电压类型转换装置相连，通过电压类型转换装置给各种负载设备供电。
这里，负载模块可以是任意的一个或多个负载，包括但不限于灯、液晶显示器、激光雷达、导航、工控机、路由器等等。
除此之外，可选择地，参考图1、图4至图6所示，所述负载模块包括第一负载Ro1和第二负载Ro2，所述第一负载Ro1的一端连接所述第一储能电感L1的输出端，所述第一负载Ro1的另一端同时连接所述第一输出电容CO1的低压端和所述第二负载Ro2的一端，所述第二负载Ro2的另一端连接所述第二储能电感L2的输入端。
因此，电路工作稳定时，假设两个输出电容电压(Vo1、Vo2)为恒定值，电容和电感不发生谐振，电感线性充电和放电。假设两个储能电感完全相同(L＝L1＝L2)，两个输出电容完全相同(CO＝CO1＝C02)。第一主开关管Q1占空比为D，第一副开关管Q'1与第一主开关管Q1互补导通；第二主开关管Q2占空比为D且相位滞后第一主开关管Q1180°，第二副开关管Q'2与第二主开关管Q2互补导通。
双极直流微网可以提供两种不同等级的输出电压，负载设备的选择更加灵活，额定工作电压不同的负载设备亦可以更直接地与双极直流母线连接，减少了变换器的数目，为需要多电压等级供电的应用场合提供了一种高性能、低成本解决方案。
可选择地，所述电压类型转换装置构造为双极直流母线4。
本发明还提供一种上述的变换器的变换方法，参考图3-图7所示，所述变换器的变换方法包括以下几种变换步骤：
S1：在第一时刻t0关断所述第一副开关管Q'1，所述变换器进入第一模态，根据所述第一模态得到第一模态模型；
具体地，参考图3和图4所示，在第一时刻t0关断第一副开关管Q'1，第一储能电感L1的电感电流iL1此时达到最小值且为负，因为第一储能电感L1的电感电流iL1不突变，所以第一主开关管Q1被迫导通，第一主开关管Q1实现ZVS开通(零电压开通)。在第一模态的持续时间DTs内，所述第一主开关管Q1和所述第二副开关管Q'2处于导通状态，所述第二主开关管Q2处于关断状态，所述第一储能电感L1两端的电压为Vin-Vo1，其电感电流线iL1性上升，所述第二储能电感L2的两端电压为-Vo2，其电感电流iL2线性下降；由此，结合基尔霍夫定律得到第一模态模型：
Figure BDA0003032361160000071
S2：在第二时刻关断所述第一主开关管Q1，所述变换器进入第二模态，根据所述第二模态得到第二模态模型；
具体地，参考图3和图5所示，在第二时刻关断所述第一主开关管Q1，所述第一储能电感L1的电感电流iL1达到最大值且为正，因第一储能电感L1的电感电流iL1不突变，所以第一副开关管Q'1被迫导通，第一副开关管Q'1可实现ZVS开通。在第二模态的维持时间
Figure BDA0003032361160000072
内，所述第一副开关管Q'1被迫导通，所述第二副开关管Q'2导通，所述第二主开关管Q2关断，所述第一储能电感L1两端电压为-Vo1，其电感电流iL1下降，所述第二储能电感L2两端电压为-Vo2，其电感电流iL2下降；由此，结合基尔霍夫定律得到第二模态模型：
Figure BDA0003032361160000081
S3：在第三时刻关断所述第二副开关管Q'2，所述变换器进入第三模态，根据所述第三模态得到第三模态模型；
具体地，参考图3和图6所示，第三时刻关断所述第二副开关管Q'2，第二储能电感L2的电感电流iL2此时达到最小值且为负，因为第二储能电感L2的电感电流iL2不突变，所以第二主开关管Q2被迫导通，第二主开关管Q2实现ZVS开通。在第三模态的维持时间段DTs内，第一副开关管Q'1、第二主开关管Q2处于导通状态，第一主开关管Q1、第二副开关管Q'2处于关断状态，第一储能电感L1两端电压为-VO1，第一储能电感L1的电感电流iL1线性下降；第二储能电感L2两端电压为Vin-Vo2，第二储能电感L2的电感电流iL2线性上升；由此，结合基尔霍夫定律得到第三模态模型：
Figure BDA0003032361160000082
S4：在第四时刻关断所述第二主开关管Q2，所述变换器进入第四模态，根据所述第四模态得到第四模态模型；
具体的，参考图3和图5所示，在第四时刻关断所述第二主开关管Q2，第二储能电感L2的电感电流iL2此时达到最大值且为正，因第二储能电感L2的电感电流iL2不突变，所以第二副开关管Q'2被迫导通，第二副开关管Q'2可实现ZVS开通。在第四模态的维持时间段
Figure BDA0003032361160000083
内，第一副开关管Q'1和第二副开关管Q'2处于导通状态，第一主开关管Q1和第二主开关管Q2处于关断状态，第一储能电感L1两端电压为-Vo1，第一储能电感L1的电感电流iL1线性下降；第二储能电感L2两端电压为-Vo2，第二储能电感L2的电感电流iL2线性下降；由此，结合基尔霍夫定律得到第四模态模型：
Figure BDA0003032361160000091
这里，可以看出，第二模态模型和第四模态模型相同。
S5：根据所述第一模态模型、所述第二模态模型、所述第三模态模型和所述第四模态模型，得到输出结果。即
Vo1＝Vo2＝DVin
由此可知：当不考虑死区时间Td时，两个输出电压一样且与负载(Ro1、Ro2)无关。双极直流母线因此可以提供DVin和2DVin两种输出电压。
可选择地，所述步骤S1中，所述第一模态模型包括：
Figure BDA0003032361160000092
所述步骤S2中，所述第二模态模型包括：
Figure BDA0003032361160000093
所述步骤S3中，所述第三模态模型包括：
Figure BDA0003032361160000094
其中，L为电感感值，Vin表示输入电压，
Figure BDA0003032361160000095
表示所述第一储能电感L1的电感电流的变化量与时间的变化量的比值，
Figure BDA0003032361160000096
同理，Vo1表示第一负载Ro1的输出电压；Vo2表示第二负载Ro2的输出电压。
可选择地，所述S5中，所述输出结果包括：
Vo1＝Vo2＝DVin
其中，Vo1表示第一负载Ro1的输出电压；Vo2表示第二负载Ro2的输出电压。
可选择地，所述第四模态模型与所述第二模态模型相同。
仿真分析结果：
图7为实例的仿真波形，其仿真参数为：输入电压Vin＝48V，考虑两个输出负载不均衡，第一个负载的电阻Ro1＝100Ω，第二个负载的电阻Ro2＝500Ω，输出电容Co1＝Co2＝300μF，储能电感L1＝L2＝33μH；开关频率为50KHz，主开关管占空比D＝1/4。仿真结果显示Vo1＝Vo2＝12V，Vo1+Vo2＝24V。两个输出电压Vo1、Vo2的电压波动范围为0.03V。
以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种变换器的变换方法，其特征在于，所述变换器包括第一储能电感L1、第二储能电感L2、第一主开关管Q1、第二主开关管Q2、第一副开关管Q'1、第二副开关管Q'2、第一输出电容CO1和第二输出电容CO2；
所述第一主开关管Q1的漏极和所述第二主开关管Q2的漏极同时与外部电源的正极相连，所述第一主开关管Q1的源极同时与所述第一储能电感L1的输入端以及所述第一副开关管Q'1的漏极连接，所述第二主开关管Q2的源极同时连接所述第一副开关管Q'1的源极、所述第二副开关管Q'2的漏极以及所述第二输出电容CO2的高压端，所述第一储能电感L1的输出端与所述第一输出电容CO1的高压端连接，所述第一输出电容CO1的低压端与所述第二输出电容CO2的高压端连接，所述第二输出电容CO2的低压端连接所述第二储能电感L2的输入端，所述第二储能电感L2的输出端同时连接所述第二副开关管Q'2的源极以及所述外部电源的负极；
所述变换器的变换方法包括以下几种变换步骤：
S1：在第一时刻关断所述第一副开关管Q'1，使得所述变换器进入第一模态，根据所述第一模态得到第一模态模型；
S2：在第二时刻关断所述第一主开关管Q1，使得所述变换器进入第二模态，根据所述第二模态得到第二模态模型；
S3：在第三时刻关断所述第二副开关管Q'2，使得所述变换器进入第三模态，根据所述第三模态得到第三模态模型；
S4：在第四时刻关断所述第二主开关管Q2，使得所述变换器进入第四模态，根据所述第四模态得到第四模态模型；
S5：根据所述第一模态模型、所述第二模态模型、所述第三模态模型和所述第四模态模型，得到输出结果。
2.根据权利要求1所述的变换器的变换方法，其特征在于，所述第一主开关管Q1和/或所述第二主开关管Q2构造为n沟道增强型mos管；
所述第一副开关管Q'1和/或所述第二副开关管Q'2构造为n沟道增强型mos管。
3.根据权利要求1所述的变换器的变换方法，其特征在于，所述步骤S1中，所述第一模态模型包括：
Figure FDA0003912502110000021
所述步骤S2中，所述第二模态模型包括：
Figure FDA0003912502110000022
所述步骤S3中，所述第三模态模型包括：
Figure FDA0003912502110000023
其中，L为第一电感L1和第二电感L2的电感感值，Vin表示输入电压，
Figure FDA0003912502110000024
表示所述第一储能电感L1的电感电流的变化量与时间的变化量的比值，
Figure FDA0003912502110000025
表示所述第二储能电感L2的电感电流的变化量与时间的变化量的比值，Vo1表示第一负载Ro1的输出电压；Vo2表示第二负载Ro2的输出电压。
4.根据权利要求3所述的变换器的变换方法，其特征在于，所述S5中，所述输出结果包括：
Vo1＝Vo2＝DVin
其中，Vo1表示第一负载Ro1的输出电压；Vo2表示第二负载Ro2的输出电压，D表示主开关管的占空比。
5.根据权利要求1-4中任意一项所述的变换器的变换方法，其特征在于，所述第四模态模型与所述第二模态模型相同。
6.一种基于权利要求1-5中任意一项所述的变换器的变换方法的双极直流微网，其特征在于，所述双极直流微网包括所述变换器，还包括电池、变压器、负载模块以及电压类型转换装置，所述电池的正极连接所述变压器的输入端，所述变压器的输出端作为所述变换器的外部电源，所述变换器的输出端连接所述电压类型转换装置的输入端，所述电压类型转换装置的输出端连接所述负载模块。
7.根据权利要求6所述的双极直流微网，其特征在于，所述电压类型转换装置为双极直流母线。
8.根据权利要求6所述的双极直流微网，其特征在于，所述负载模块包括第一负载Ro1和第二负载Ro2，所述第一负载Ro1的一端连接所述第一储能电感L1的输出端，所述第一负载Ro1的另一端同时连接所述第一输出电容CO1的低压端和所述第二负载Ro2的一端，所述第二负载Ro2的另一端连接所述第二储能电感L2的输入端。
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