CN114499183A - 一种宽范围输入非隔离三端口dc-dc变换器 - Google Patents

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Abstract

本发明为一种宽范围输入非隔离三端口DC‑DC变换器，其特征在于：由四开关Buck‑Boost变换器、光伏电池、蓄电池、直流母线三个端口、Boost变换器组成，所述四开关Buck‑Boost电路用于连接光伏电池、蓄电池、负载，所述Boost电路用于连接光伏电池和负载；所述四开关Buck‑Boost电路中光伏电池的正极连接于二极管VD1的阳极，所述二极管VD1和二极管VD2连接，所述二极管VD2和开关管S1连接，所述开关管S1的源极引出三条支路，本发明的光伏电池端口和蓄电池端口之间由四开关Buck‑Boost相连接，即能应用于光伏电池电压大于蓄电池电压的场景，又能应用于光伏电池电压小于蓄电池电压的场景。

Description

一种宽范围输入非隔离三端口DC-DC变换器
技术领域
本发明涉及电力电子变换器技术领域，特别涉及一种宽范围输入非隔离三 端口DC-DC变换器。
背景技术
随着化石能源的日益枯竭，可再生能源越来越受到人们的重视。然而，可 再生能源具有随机性、间歇性和动态响应慢的特点，为了实现稳定的能源供应 和快速响应负荷能量的需求，往往需要增加储能设备。传统的可再生能源端口、 储能端口和负载端口的能量管理方案是使用多个电力电子转换装置，但该方法 组件利用率低、体积成本高、控制复杂。
三端口变换器是一种可以同时连接三个端口的集成变换器。它具有结构紧 凑、体积成本小、集中控制方便等优点。在注重成本和体积的中小功率可再生 能源系统中具有很大的应用潜力。在许多文献中已经提出了多种三端口转换器 拓扑，但是这些拓扑通常端口间电压有明显的尺寸约束，应用范围窄等困难。 例如，[1]Tomas-Manez,K.,et al."HighEfficiency Non-isolated Three Port DC-DC Converter for PV-Battery Systems."ECCE-Aisa 2016IEEE,2016. 所介绍的非隔离三端口变换器只能应用于光伏电池电压大于蓄电池电压的场 景，[2]Zhang,B.,et al."Novel topology and control of a non-isolated three port DC-DC converter for PV-battery power system."201720thInternational Conference on Electrical Machines and Systems(ICEMS)IEEE, 2017.所介绍的非隔离三端口变换器只能应用于光伏电池电压小于蓄电池电压 的场景。
发明内容
针对现有技术的不足，本发明拟解决的技术问题是，提出一种宽范围输入 非隔离三端口DC-DC变换器，该变换器是三个端口的，具有功率密度高、宽的 输入范围和可靠性高等特点。
为实现上述目的，本发明的技术方案是：一种宽范围输入非隔离三端口 DC-DC变换器，由两部分组成：四开关Buck-Boost变换器和Boost变换器， 四开关Buck-Boost变换器和Boost变换器内分别设有光伏电池、蓄电池、直 流母线三个端口，四开关Buck-Boost电路用于连接光伏电池和蓄电池以及蓄 电池和负载，Boost电路用于连接光伏电池和负载；四开关Buck-Boost电路 中光伏电池的正极连接于二极管VD1的阳极，二极管VD2和开关管S1的串 联电路连接于二极管VD1的阴极。开关管S1的源极引出三条支路，一条支路 连接于开关管S2和VD3的串联电路的一端，一条支路连接于开关管S3的漏 极，最后一条支路连接于电感L2的一端，电感L2的另一端一方面连接于开 关管S4的漏极，另一方面连接于开关管S5的漏极，开关管S5的源极连接 于电容Cb的一端和蓄电池Bat的正极，输出电容C0与负载R的并联电路的 一端连接于开关管S2和二极管VD3的串联电路的另一端；在Boost电路中 光伏电池的正极连接于二极管VD1的阳极，VD1的阴极连接于电感L1的一端， 电感L1的另一端一方面连接于开关管S6的漏极，另一方面连接于二极管VD4 的阳极，二极管VD4的阴极连接于输出滤波电容C0的一端和负载R的一端， 负载R的另一端连接于输出电容C0和电容Cb的另一端、蓄电池和光伏电池 的负极以及开关管S3、开关管S4和开关管S6的源极。
光伏电池的端口和蓄电池的端口之间由四开关Buck-Boost相连接。能够 实现光伏电池电压大于蓄电池电压和光伏电池电压小于蓄电池电压工作，提高 了功率密度和可靠性。
本发明的有益效果为：本发明的光伏电池端口和蓄电池端口之间由四开关 Buck-Boost相连接，即能应用于光伏电池电压大于蓄电池电压的场景，又能应 用于光伏电池电压小于蓄电池电压的场景。
光伏电池的端口和蓄电池的端口之间由四开关Buck-Boost相连接。能够 实现光伏电池电压大于蓄电池电压和光伏电池电压小于蓄电池电压工作，提高 了功率密度和可靠性。
本发明中光伏电池、蓄电池和负载的功率分别由开关管S1-S4等不同的开 关管控制，调整开关管的占空比可以控制端口的电压和功率，且任意两个端口 之间均为单级功率变换，能够实现集中式控制。
附图说明
图1为本发明宽范围输入非隔离三端口DC-DC变换器的整体结构电路图；
图2为本发明宽范围输入非隔离三端口DC-DC变换器工作在光伏电池单独 向负载供电的等效电路图。
图3为本发明光伏电池单独对负载R供电工作波形图；
图4为本发明宽范围输入非隔离三端口DC-DC变换器工作在蓄电池单独向 负载供电的等效电路图。
图5为本发明蓄电池单独对负载R供电工作波形图；
图6为本发明宽范围输入非隔离三端口DC-DC变换器工作在光伏电池和蓄 电池同时向负载供电的等效电路图。
图7为本发明宽范围输入非隔离三端口DC-DC变换器工作在光伏电池同时 向蓄电池和负载供电的等效电路图。
具体实施方式
实施例1
本发明的宽范围输入非隔离三端口DC-DC变换器整体结构电路图如图1 所示，该变换器设有光伏电池、蓄电池、直流母线三个端口，由两部分组成： 四开关Buck-Boost变换器和Boost变换器，四开关Buck-Boost电路用于连 接光伏电池和蓄电池以及蓄电池和负载，Boost电路用于连接光伏电池和负载； 四开关Buck-Boost电路中光伏电池的正极连接于二极管VD1的阳极，二极管 VD2和开关管S1的串联电路连接于二极管VD1的阴极。开关管S1的源极引 出三条支路，一条支路连接于开关管S2和VD3的串联电路的一端，一条支路 连接于开关管S3的漏极，最后一条支路连接于电感L2的一端，电感L2的另 一端一方面连接于开关管S4的漏极，另一方面连接于开关管S5的漏极，开关 管S5的源极连接于电容Cb的一端和蓄电池Bat的正极，输出电容C0与负 载R的并联电路的一端连接于开关管S2和二极管VD3的串联电路的另一端； 在Boost电路中光伏电池的正极连接于二极管VD1的阳极，VD1的阴极连接 于电感L1的一端，电感L1的另一端一方面连接于开关管S6的漏极，另一 方面连接于二极管VD4的阳极，二极管VD4的阴极连接于输出滤波电容C0的 一端和负载R的一端，负载R的另一端连接于输出电容C0和电容Cb的另一 端、蓄电池和光伏电池的负极以及开关管S3、开关管S4和开关管S6的源极。
所述宽范围输入非隔离三端口DC-DC变换器工作在光伏电池单独向负载 供电工作模式时，此时只有开关管S6工作，其余开关管均保持关断。等效电 路图如图2所示，工作波形图如图3所示。当开关管S6导通时，光伏电池 对电感L1充电，电感电流iL1线性上升；开关管S6关断，光伏电池和电感 L1同时向负载供电，电感电流iL1线性下降。
所述宽范围输入非隔离三端口DC-DC变换器工作在蓄电池单独向负载供 电模式时，此时开关管S1、S4、S6关断，S5一直导通，S3和S2互补导通。 等效电路图如图4所示，工作波形图如图5所示。
当开关管S3导通，开关管S2关断时，光伏电池对电感L2充电，电感 电流iL2线性上升，当开关管S2导通、开关管S3关断时，蓄电池和电感L2 同时给负载R供电，电感电流iL2线性下降。
所述宽范围输入的非隔离的三端口变换器工作在光伏电池和蓄电池同时向 负载供电模式时，等效电路如图6所示。当光伏电池电压大于蓄电池电压时： 此时开关管S1保持关断，DS6<DS3，DS3和DS2互补导通，S5一直导通，工 作波形如图7所示，当开关管S3和开关管S5导通、开关管S6和开关管S2 关断时，光伏电池和电感L1同时给负载供电，电感电流iL1线性下降；蓄电 池向电感L2充电，电感电流iL2线性上升，当开关管S3和开关管S5继续 导通、开关管S6导通、开关管S2关断时，光伏电池向电感L1充电电，电感 电流iL1线性上升；蓄电池继续向电感L2充电，电感电流iL2线性上升，当 开关管S2和开关管S5导通、开关管S3和开关管S6关断时，光伏电池和 电感L1共同给负载供电，电感电流iL1线性下降；蓄电池和电感L2共同给 负载供电，电感电流iL2线性下降。
当光伏电池电压小于蓄电池电压时：此时开关管S1和开关管S4不工作， DS6>DS2，当开关管S6导通、开关管S2和开关管S5关断时，蓄电池不参与 工作，光伏电池PV对电感L1充电，电感电流iL1线性上升，当开关管S2、 开关管S5和开关管S6均导通时，光伏电池继续对电感L1充电，电感电流 iL1继续线性上升，蓄电池对电感L2充电，电感电流iL2线性上升；
当开关管S2和S5继续导通、开关管S6关断时，光伏电池和电感L1以 及蓄电池和电感L2同时向负载充电，电感电流iL1和电感电流iL2均线性下 降。
所述宽范围输入的非隔离的三端口变换器工作在光伏电池同时向蓄电池和 负载供电时，当光伏电池电压大于蓄电池电压时：此时开关管S2和开关管S4 保持关断，开关管S5一直导通，开关管S3的体二极管作为电感L2的续流 通道，S1和S6交替导通，当开关管S1和开关管S5导通，开关S6关断时， 光伏电池对电感L2和蓄电池充电，电感电流iL2线性上升；同时光伏电池和 电感L1共同对负载R供电，电感电流iL1线性下降。当开关管S1和开关管S5继续导通，开关S6导通时，光伏电池继续对电感L2和蓄电池充电， 电感电流iL2线性上升；同时光伏电池对电感L1充电，电感电流iL1线性 上升。当开关管S1和开关管S6关断，开关S5继续导通时，开关管S3的 体二极管作为电感L2的续流通道，此时电感L2通过开关管S3的体二极管续 流继续向蓄电池充电，电感电流iL2线性下降；同时光伏电池和电感L1共同对负载R供电，电感电流iL1线性下降。
当光伏电池电压小于蓄电池电压时：此时开关管S2和开关管S3不参与工 作，DS6>DS4，开关管S1一直导通，当开关管S1、开关管S4和开关管S6导 通，光伏电池对电感L1和电感L2，电感电流iL1和电感电流iL2线性上升。 当开关管S5和开关管S6导通、开关管S4关断时，光伏电池继续对电感L1 充电，电感电流iL1线性下降，同时光伏电池和电感L2共同向蓄电池充电， 电感电流iL2线性下降，当开关管S1和开关管S5导通、开关管S4和开关 管S6关断时，光伏电池和电感L1共同向负载供电，电感电流iL1线性下降， 同时光伏电池和电感L2继续共同向蓄电池充电，电感电流iL2继续线性下 降。
结合以上附图详细说明了本发明的具体实施方式，但本发明不限于上述实 施方式，在本领域普通技术人员的知识范围内，也可以在不脱离本发明目的的 前提下进行各种改变。
以上显示和描述了本发明的基本原理和主要特征和本发明的优点。本发明 提到的各个部件为现有领域常见技术，本行业的技术人员应该了解，本发明不 受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理， 在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变 化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利 要求书及其等效物界定。

Claims (3)

1.一种宽范围输入非隔离三端口DC-DC变换器，其特征在于：由四开关Buck-Boost变换器、Boost变换器组成，所述四开关Buck-Boost变换器、Boost变换器分别由光伏电池、蓄电池、直流母线三个端口连接组成，所述四开关Buck-Boost电路通过光伏电池和蓄电池以及蓄电池和负载连接组成，所述Boost电路由光伏电池和负载组成；所述四开关Buck-Boost电路中光伏电池的正极连接于二极管VD1的阳极，所述二极管VD1和二极管VD2连接，所述二极管VD2和开关管S1连接，所述开关管S1的源极引出三条支路，一条支路连接于开关管S2和VD3的串联电路的一端，一条支路连接于开关管S3的漏极，最后一条支路连接于电感L2的一端，电感L2的另一端分别和开关管S4的漏极、开关管S5的漏极连接，开关管S5的源极连接于电容Cb的一端和蓄电池Bat的正极，输出电容C0与负载R的并联电路的一端连接于开关管S2和二极管VD3的串联电路的另一端；在Boost电路中光伏电池的正极连接于二极管VD1的阳极，VD1的阴极连接于电感L1的一端，电感L1的另一端一方面连接于开关管S6的漏极，另一方面连接于二极管VD4的阳极，二极管VD4的阴极连接于输出滤波电容C0的一端和负载R的一端，负载R的另一端连接于输出电容C0和电容Cb的另一端、蓄电池和光伏电池的负极以及开关管S3、开关管S4和开关管S6的源极。
2.一种基于权利要求1所述的宽范围输入非隔离三端口DC-DC变换器，其特征在于：所述光伏电池的端口和蓄电池的端口之间由四开关Buck-Boost相连接。
3.一种基于权利要求1所述的宽范围输入非隔离三端口DC-DC变换器，其特征在于：所述二极管VD2和开关管S1的串联电路连接于二极管VD1的阴极。
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