CN113965081A - 一种基于Cuk的多工况高增益三端口DC-DC变换器 - Google Patents

Abstract

一种基于Cuk的多工况高增益三端口DC‑DC变换器，该变换器包括：带有输入单元的基本Cuk变换器、升压单元，负载单元。带有输入单元的基本Cuk变换器包含电感L₁、L₂，电容C₁、C₂，功率开关S₁，S₂，S₃，二极管D₁，D₂，D₃；升压单元包含电感L₁₁、二极管D₁₁、电容C₁₁以及电容C₁₂；负载单元包含输出负载R_L。本发明变换器相比于现有方案可显著减少微电源、蓄电池以及负载之间的电能转换次数，提高电能转换效率，具有输入输出电压调节范围宽、开关器件电压应力低等优势，且同时可根据需要对升压单元实现N倍升压拓展。

Description

一种基于Cuk的多工况高增益三端口DC-DC变换器

技术领域

本发明涉及一种DC-DC变换器，具体涉及一种基于Cuk的多工况高增益三端口DC-DC变换器。

背景技术

随着能源危机、温室效应以及大气污染等全球问题的日益严重，光伏发电、燃料电池发电等新能源发电技术得到了广泛的关注和快速发展，含储能单元的新能源发电系统能够稳定新能源微电源的发电出力，提高系统供电稳定性。

传统的混合型多端口变换器方案中，新能源微电源和储能单元一般通过各自的DC/DC变换器与直流母线并联，虽然这种结构能够解决储能单元平衡微电源发电出力以及提高系统的供电稳定性问题，但是由于采用各自DC/DC变换器与直流母线并联式结构使储能系统每次充放电电时都要进行两次电能转换，造成电能浪费及电能利用率低等问题。且并联式结构还会增加系统设计成本以及控制器设计的复杂度，另外目前的多端口变换器大多都是基于传统boost、sepic、zeta等变换器变结构得来，因此受限于较低的升压能力，利用耦合电感实现的高增益由于存在漏感使得开关管的电压和电流应力都较大。

因此，基于现有的基本DC/DC转换器进行改进对于减少储能系统能量转换次数、提高系统能量利用率、降低系统设计成本、优化控制器设计及实现高增益和开关管的低应力具有重要意义。

发明内容

为解决储能单元并联式结构造成的能量转换次数多，能量利用率低及提高输入输出电压增益等问题。本发明提供一种基于Cuk的多工况高增益三端口DC-DC变换器，实现了三端口DC/DC变换器和高增益DC/DC变换器的集成，可使新能源微电源发电冗余通过蓄电池储能单元直接存储起来，在光伏电池发电功率不足时蓄电池可以将存储的电能释放出来供负载使用。该变换器相比于现有方案可显著减少微电源、蓄电池以及负载之间的电能转换次数，提高电能转换效率。

本发明采取的技术方案为：

一种基于Cuk的多工况高增益三端口DC-DC变换器，该变换器包括：

带有输入单元的基本Cuk变换器A、升压单元B，负载单元C；

所述带有输入单元的基本Cuk变换器A包含电感L₁、L₂，电容C₁、C₂，功率开关S₁、S₂、S₃，二极管D₁、D₂、D₃；其中，

二极管D₂的阳极连接单向输出端口u_PV的正极，二极管D₂的阴极分别连接功率开关S₂的源极、电感L₁的一端，电感L₁的另一端分别连接二极管D₃的阳极、功率开关S₁的漏极、电容C₁的一端，电容C₁的另一端分别连接二极管D₁的阳极、电感L₂的一端，电感L₂的另一端连接电容C₂的一端；二极管D₃的阴极连接功率开关S₃的漏极，功率开关S₃的源极分别连接功率开关S₂的漏极、储能单元u_B的正极；电容C₂的另一端、二极管D₁的阴极、功率开关S₁的源极、储能单元u_B的负极均连接单向输出端口u_PV的负极；

所述升压单元B包含电感L₁₁、二极管D₁₁、电容C₁₁、电容C₁₂；其中，电容C₁₁的一端连接电容C₁的另一端，电容C₁₁的另一端分别连接二极管D₁₁的阳极、电感L₁₁的一端，电感L₁₁的另一端连接电容C₁₂的一端，电容C₁₂另一端与电容C₂另一端相连，二极管D₁₁的阴极连接电容C₂的一端；

所述负载单元(C)包含负载R_L,负载R_L一端分别连接电感L₁₁的另一端、电容C₁₂一端，负载R_L另一端与电容C₁₂另一端相连。

所述输入单元包含单向输出端口u_PV、二极管D₂、D₃，储能单元u_B，功率开关S₂、S₃；输入单元A中，功率开关管S₂，S₃以及二极管D₃分别构成蓄电池的放电支路和充电支路，当微电源发电有冗余时，u_PV通过二极管D₂、电感L₁、二极管D₃和功率开关管S₃给储能单元充电，此时功率开关管S₂关断；当微电源发电不足或者负载功率较大时，储能单元通过功率开关管S₂、电感L₁、电容C₁、电感L₂、二极管D₁₁和电感L₁₁给负载供电，此时功率开关管S₂导通、S₃关断。

该变换器工作于四种不同的状态，分别为：

(1)单输入双输出状态：当光伏电池发电冗余时，光伏发电同时给负载和储能单元供电，在该状态下：功率开关管S₂一直关断，功率开关管S₁、S₃采用交错控制方式，功率开关管S₃控制储能单元的充电电压，功率开关管S₃只在S₁关断时导通，且S₁、S₃的占空比之和小于1。

(2)双输入单输出状态：当负载功率要求大于光伏电池发电量时，光伏电池和储能单元同时给负载供电，在该状态下：功率开关S₃一直关断，先由光伏电池供电：此时功率开关管S₂关闭，给定功率开关管S₁的占空比，使光伏板输出最大功率，再由储能单元供电：此时功率开关管S₂始终闭合，通过调节功率开关管S₁的占空比来调节输出功率。

(3)单输入单输出状态：当光伏电池不能发电时，储能单元单独给负载供电。在该状态下，功率开关管S₂一直导通，S₃一直关断，通过调节功率开关管S₁的占空比来调节输出电压。

(4)单输入单输出状态：当储能单元充满电，光伏电池单独为负载供电，在该状态下：功率开关管S₂，S₃一直关断，通过调节功率开关管S₁的占空比来调节输出电压。

与现有技术相比，本发明一种基于Cuk的多工况高增益三端口DC-DC变换器，技术效果如下：

1)、本发明通过改进传统的Cuk变换器的结构，实现了储能单元的接入，仅包括三个开关，实现光伏发电、电池充放电和高增益输出。能同时实现SIDO、DISO、SIS0多种工作状态的切换，各个端口之间实现一次电能转换，减少能量转换次数，提高能量利用率。

2)、本发明提出的新型高增益三端口DC/DC变换器，由于端口电压限制较宽松，可以灵活地设定负载电压水平，大大扩展了其应用范围。此外，由于电源和负载之间的单级功率转换，大大提高了转换器的效率。通过升压单元B同时实现输入输出电压高增益，降低了主功率开关管电压电流应力。

3)、本发明提出的新型高增益三端口DC/DC变换器，适用于含储能单元的新能源发电系统。

附图说明

图1是本发明电路原理图。

图2是本发明拓展N个升压单元电路原理图。

图3是传统的Cuk变换器原理图。

图4(a)是本发明在光伏电池板SISO工况下输入电压u_pv为30，升压单元个数为1时的电感L₁、电感L₂、电感L₁₁电流波形图；

图4(b)是本发明在光伏电池板SISO工况下输入电压u_pv为30，升压单元个数为1时的电容C₁、C₂、C₁₁电压以及输出电压U₀波形图；

图4(c)是本发明在光伏电池板SISO工况下输入电压u_pv为30，升压单元个数为1时的功率开关S₁、S₂、S₃所承受的反向电压波形图；

图4(d)是本发明在光伏电池板SISO工况下输入电压u_pv为30，升压单元个数为1时的光伏板电压以及功率开关S₁、S₂、S₃驱动波形图。

图5(a)是本发明在蓄电池SISO工况下蓄电池电压u_B为40，升压单元个数为1时电感L₁、电感L₂、电感L₁₁电流波形图；

图5(b)是本发明在蓄电池SISO工况下蓄电池电压u_B为40，升压单元个数为1时的电容C₁、C₂、C₁₁电压以及输出电压U₀波形图；

图5(c)是本发明在蓄电池SISO工况下蓄电池电压u_B为40，升压单元个数为1时功率开关S₁、S₂、S₃所承受的反向电压波形图；

图5(d)是本发明在蓄电池SISO工况下蓄电池电压u_B为40，升压单元个数为1时蓄电池电压以及功率开关S₁、S₂、S₃驱动波形图。

图6(a)是本发明在DISO工况下输入电压u_pv为30，蓄电池电压u_B为40，升压单元个数为1时电感L₁、电感L₂、电感L₁₁波形图；

图6(b)是本发明在DISO工况下输入电压u_pv为30，蓄电池电压u_B为40，升压单元个数为1时电容C₁、C₂、C₁₁电压以及输出电压U₀波形图；

图6(c)是本发明在DISO工况下输入电压u_pv为30，蓄电池电压u_B为40，升压单元个数为1时功率开关S₁、S₂、S₃所承受的反向电压波形图；

图6(d)是本发明在DISO工况下输入电压u_pv为30，蓄电池电压u_B为40，升压单元个数为1时蓄电池电压、光伏板电压以及功率开关S₁、S₂、S₃驱动波形图。

图7(a)是本发明在SIDO工况下输入电压u_pv为30，升压单元个数为1电感L₁、电感L₂、电感L₁₁波形图；

图7(b)是本发明在SIDO工况下输入电压u_pv为30，升压单元个数为1电容C₁、C₂、C₁₁电压以及输出电压U₀波形图；

图7(c)是本发明在SIDO工况下输入电压u_pv为30，升压单元个数为1的功率开关S₁、S₂、S₃所承受的反向电压波形图；

图7(d)是本发明在SIDO工况下输入电压u_pv为30，升压单元个数为1光伏板电压、蓄电池充电电流以及功率开关S₁、S₂、S₃驱动波形图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步说明。

如图1所示，一种基于Cuk的多工况高增益三端口DC-DC变换器，由基本Cuk变换器和输入单元A，升压单元B，负载单元C组成，其内部连接关系为：

基本Cuk变换器和输入单元A包含两个电感L₁、L₂，两个电容C₁、C₂，三个功率开关S₁，S₂，S₃，三个二极管D₁，D₂，D₃；其连接形式如下：电感L₁的一端分别与功率开关S₂的源极以及二极管D₂的阴极相连，电感L₁的另一端分别与二极管D₃的阳极、功率开关S₁的漏极以及电容C₁的一端相连，电感L₂的一端分别与电容C₁的另一端以及二极管D₁的阳极相连，电感L₂的另一端与电容C₂的一端相连，二极管D₁的阴极分别与电容C₂的另一端、功率开关S₁的源极、储能单元u_B的负极以及单向输出端口u_PV的负极相连，二极管D₂的阳极与单向输出端口u_PV的正极相连，二极管D₃的阴极与功率开关S₃的漏极相连，功率开关S₂的漏极分别功率开关S₃的源极以及储能单元u_B的正极相连；

升压单元B包含电感L₁₁、二极管D₁₁、电容C₁₁和电容C₁₂；其中电容C₁₁的一端分别与电容C₁的另一端、二极管D₁的阳极以及电感L₂的一端相连，电容C₁₁的另一端分别与电感L₁₁的一端以及二极管D₁₁的阳极相连，电感L₁₁的另一端与和电容C₁₂的一端相连，电容C₁₂的另一端与电容C₂的另一端相连，二极管D₁₁的阴极分别与电容C₂的一端以及电感L₂的另一端相连；

负载单元C包含输出负载R_L；其中，负载R_L一端分别连接电感L₁₁的另一端、电容C₁₂一端，负载R_L另一端与电容C₁₂另一端相连。

输入单元A中，功率开关管S₂，S₃以及二极管D₃分别构成蓄电池的放电支路和充电支路，当微电源发电有冗余时，u_PV通过二极管D₂、电感L₁、二极管D₃和功率开关管S₃给蓄电池充电，此时功率开关管S₂关断；当微电源发电不足或者负载功率较大时，蓄电池通过功率开关管S₂、电感L₁、电容C₁、电感L₂、二极管D₁₁和电感L₁₁给负载供电，此时功率开关管S₂导通、S₃关断。

该变换器工作于四种不同的状态，分别为：

(1)单输入双输出状态：当光伏电池发电冗余时，光伏发电同时给负载和蓄电池供电，在该状态下：功率开关管S₂一直关断，功率开关管S₁、S₃采用交错控制方式，功率开关管S₃控制蓄电池的充电电压，功率开关管S₃只在S₁关断时导通，且S₁、S₃的占空比之和小于1。

(2)双输入单输出状态：当负载功率要求大于光伏电池发电量时，光伏电池和蓄电池同时给负载供电，在该状态下：功率开关S₃一直关断，先由光伏电池供电：此时功率开关管S₂关闭，给定功率开关管S₁的占空比，使光伏板输出最大功率，再由蓄电池供电：此时功率开关管S₂始终闭合，通过调节功率开关管S₁的占空比来调节输出功率。

(3)单输入单输出状态：当光伏电池不能发电时，蓄电池单独给负载供电。在该状态下，功率开关管S₂一直导通，S₃一直关断，通过调节功率开关管S₁的占空比来调节输出电压。

(4)单输入单输出状态：当蓄电池充满电，光伏电池单独为负载供电，在该状态下：功率开关管S₂，S₃一直关断，通过调节功率开关管S₁的占空比来调节输出电压。

图2是本发明拓展N个升压单元电路原理图，可根据需要对升压单元实现N倍升压拓展。本发明的扩展方案还可以包括N个升压单元B。一种基于Cuk的多工况高增益三端口DC-DC变换器，该变换器包括：基本Cuk变换器和输入单元A、N个升压单元B，负载单元C；

基本Cuk变换器和输入单元A包含两个电感L₁、L₂，两个电容C₁、C₂，三个功率开关S₁，S₂，S₃，三个二极管D₁，D₂，D₃；其连接形式如下：电感L₁的一端分别与功率开关S₂的源极以及二极管D₂的阴极相连，电感L₁的另一端分别与二极管D₃的阳极、功率开关S₁的漏极以及电容C₁的一端相连，电感L₂的一端分别与电容C₁的另一端以及二极管D₁的阳极相连，电感L₂的另一端与电容C₂的一端相连，二极管D₁的阴极分别与电容C₂的另一端、功率开关S₁的源极、储能单元u_B的负极以及单向输出端口u_PV的负极相连，二极管D₂的阳极与单向输出端口u_PV的正极相连，二极管D₃的阴极与功率开关S₃的漏极相连，功率开关S₂的漏极分别功率开关S₃的源极以及储能单元u_B的正极相连；

N个升压单元B中：

第一个升压单元包括：电感L₁₁、二极管D₁₁、电容C₁₁、电容C₁₂；其中：

电容C₁₁一端连接基本Cuk变换器中的电容C₁另一端，电容C₁₁另一端分别连接电感L₁₁一端、二极管D₁₁阳极，二极管D₁₁的阴极分别与电感L₂的另一端以及电容C₂的一端相连，电感L₁₁另一端连接电容C₁₂一端，电容C₁₂的另一端与电容C₂另一端相连；

第二个升压单元包括：电感L₂₁、二极管D₂₁、电容C₂₁、电容C₂₂；其中：

电容C₂₁一端连接电容C₁₁另一端，电容C₂₁另一端分别连接二极管D₂₁阳极、电感L₂₁一端，电感L₂₁另一端连接电容C₂₂一端，二极管D₂₁阴极连接电感L₁₁的另一端，电容C₂₂另一端与电容C₁₂另一端相连；

第三个升压单元包括：电感L₃₁、二极管D₃₁、电容C₃₁、电容C₃₂；其中：

电容C₃₁一端连接电容C₂₁另一端，电容C₃₁另一端分别连接二极管D₃₁阳极、电感L₃₁一端，电感L₃₁另一端连接电容C₃₂一端，二极管D₃₁阴极连接电感L₂₁的另一端，电容C₃₂另一端与电容C₂₂另一端相连；

……依次类推：

第N-1个升压单元包括：电感L_(N-1)1、二极管D_(N-1)1、电容C_(N-1)1、电容C_(N-1)2；其中：

电容C_(N-1)1一端连接电容C_(N-2)1另一端，电容C_(N-1)1另一端分别连接二极管D_(N-1)1阳极、电感L_(N-1)1一端，电感L_(N-1)1另一端连接电容C_(N-1)2一端，二极管D_(N-1)1阴极连接电感L_(N-2)1的另一端，电容C_(N-1)2另一端与电容C_(N-2)2另一端相连；

第N个升压单元包括：电感L_N1、二极管D_N1、电容C_N1、电容C_N2；其中：

电容C_N1一端连接电容C_(N-1)1另一端，电容C_N1另一端分别连接二极管D_N1阳极、电感L_N1一端，电感L_N1另一端连接电容C_N2一端，二极管D_N1阴极连接电感L_(N-1)1的另一端，电容C_N2另一端与电容C_(N-1)2另一端相连；

所述负载单元(C)包含负载R_L,负载R_L一端分别连接电感L_N1的另一端、电容C_N2一端，负载R_L另一端与电容C_N2另一端相连。

综上所述,本发明提出的一种基于Cuk的多工况高增益三端口DC-DC变换器，实现储能单元接入,储能单元和光伏电池之间协调工作以及输出电压高增益。通过集成式三端口DC/DC变换器解决了传统并联式结构能量利用率低和设计成高等问题,通过升压倍增单元实现输入输出高增益,降低了主功率开关管上的电压电流应力。本发明适用于含储能单元的新能源发电系统，上述实施范例仅仅是为了工作原理阐述简单而构建的多工况高增益DC/DC变换器，在实际应用中，可以根据实际情况对本方案稍作改进，达到优化效率和节约成本的目的。

Claims (3)

1.一种基于Cuk的多工况高增益三端口DC-DC变换器，其特征在于：该变换器包括：

带有输入单元的基本Cuk变换器(A)、升压单元(B)，负载单元(C)；

所述带有输入单元的基本Cuk变换器(A)包含电感L₁、L₂，电容C₁、C₂，功率开关S₁、S₂、S₃，二极管D₁、D₂、D₃；其中，二极管D₂的阳极连接单向输出端口u_PV的正极，二极管D₂的阴极分别连接功率开关S₂的源极、电感L₁的一端，电感L₁的另一端分别连接二极管D₃的阳极、功率开关S₁的漏极、电容C₁的一端，电容C₁的另一端分别连接二极管D₁的阳极、电感L₂的一端，电感L₂的另一端连接电容C₂的一端；二极管D₃的阴极连接功率开关S₃的漏极，功率开关S₃的源极分别连接功率开关S₂的漏极、储能单元u_B的正极；电容C₂的另一端、二极管D₁的阴极、功率开关S₁的源极、储能单元u_B的负极均连接单向输出端口u_PV的负极；

所述升压单元(B)包含电感L₁₁、二极管D₁₁、电容C₁₁、电容C₁₂；其中，电容C₁₁的一端连接电容C₁的另一端，电容C₁₁的另一端分别连接二极管D₁₁的阳极、电感L₁₁的一端，电感L₁₁的另一端连接电容C₁₂的一端，电容C₁₂另一端与电容C₂另一端相连，二极管D₁₁的阴极连接电容C₂的一端；

所述负载单元(C)包含负载R_L,负载R_L一端分别连接电感L₁₁的另一端、电容C₁₂一端，负载R_L另一端与电容C₁₂另一端相连。

2.根据权利要求1所述一种基于Cuk的多工况高增益三端口DC-DC变换器，其特征在于：所述输入单元包含单向输出端口u_PV、二极管D₂、D₃，储能单元u_B，功率开关S₂、S₃；输入单元A中，功率开关管S₂，S₃以及二极管D₃分别构成蓄电池的放电支路和充电支路，当微电源发电有冗余时，u_PV通过二极管D₂、电感L₁、二极管D₃和功率开关管S₃给储能单元充电，此时功率开关管S₂关断；当微电源发电不足或者负载功率较大时，储能单元通过功率开关管S₂、电感L₁、电容C₁、电感L₂、二极管D₁₁和电感L₁₁给负载供电，此时功率开关管S₂导通、S₃关断。

3.根据权利要求1或2所述一种基于Cuk的多工况高增益三端口DC-DC变换器，其特征在于：该变换器工作于四种不同的状态，分别为：

(1)单输入双输出状态：当光伏电池发电冗余时，光伏发电同时给负载和储能单元供电，在该状态下：功率开关管S₂一直关断，功率开关管S₁、S₃采用交错控制方式，功率开关管S₃控制储能单元的充电电压，功率开关管S₃只在S₁关断时导通，且S₁、S₃的占空比之和小于1；

(2)双输入单输出状态：当负载功率要求大于光伏电池发电量时，光伏电池和储能单元同时给负载供电，在该状态下：功率开关S₃一直关断，先由光伏电池供电：此时功率开关管S₂关闭，给定功率开关管S₁的占空比，使光伏板输出最大功率，再由储能单元供电：此时功率开关管S₂始终闭合，通过调节功率开关管S₁的占空比来调节输出功率；

(3)单输入单输出状态：当光伏电池不能发电时，储能单元单独给负载供电；在该状态下，功率开关管S₂一直导通，S₃一直关断，通过调节功率开关管S₁的占空比来调节输出电压；

(4)单输入单输出状态：当储能单元充满电，光伏电池单独为负载供电，在该状态下：功率开关管S₂，S₃一直关断，通过调节功率开关管S₁的占空比来调节输出电压。

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