CN207269198U - 一种基于电容串并联结构的高增益双输入直流变换器 - Google Patents
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Abstract
本实用新型涉及一种基于电容串并联结构的高增益双输入直流变换器，包含两个输入源，两个电感，两个功率开关管，一个三开关电容串并联单元，一个输出二极管，一个输出滤波电容和负载电阻。三开关电容串并联单元包括三个开关电容和三个二极管，通过控制开关管的通断，有效实现电容的对称串并联充放电，主要包含两个过程：C2、C3并联放电同时给电容C1充电；C1放电同时给电容C2、C3串联充电。本拓扑结构简单对称，开关器件电压应力小，两路输入源均提供2倍于传统Boost变换器的电压增益，实现了两个输入源的高升压变换，并且控制简单灵活，通过控制两路占空比可实现两路输入电流和输出电压的控制，即实现各输入源功率的灵活分配及新能源的最大功率跟踪。
Description
技术领域
本实用新型涉及一种直流-直流变换器，具体说是一种基于电容串并联结构的高增益双输入直流变换器。
背景技术
随着能源危机和环境污染等问题的日益严重，可再生、清洁的新能源备受关注，其中光伏电池发电应用最为广泛。然而，光伏单元受环境、天气和地域影响较大，其发出的电力不稳定、不连续，需要结合蓄电池等储能单元来构成联合供电系统，保证供电可靠性。
传统的新能源联合供电系统，每种能源形式通过各自的升压变换器变成直流输出，并联在公共的高压直流母线上，再通过并网逆变器向电网或负载供电，其结构复杂，成本较高。为简化电路结构和降低成本，提高器件复用率，可以用一个多输入直流变换器代替多个单输入直流变换器。另外，在单相系统中，电网电压为220VAC，则并网逆变器的直流电压约为380VDC。而光伏电池和蓄电池的输出电压较低，一般为25V～45V，远低于并网逆变器所需的直流电压，传统的Boost变换器将不适用。因此，在新能源联合供电系统中，要求的直流变换器必须同时具有高增益和多输入能力。
发明内容
本实用新型的目的是提供一种拓扑结构简单、控制方法简单并具有高电压增益、开关器件电压应力小，灵活分配各输入源功率的高增益双输入直流变换器。
为了实现上述目的，本实用新型采用如下技术方案：一种基于电容串并联结构的高增益双输入直流变换器，其特征在于，包括两个输入源U1、U2，两个电感L1、L2，两个功率开关管S1、S2，一个三开关电容串并联单元，一个输出二极管VDo，一个输出滤波电容Co和负载电阻R；
所述三开关电容串并联单元包括三个开关电容C1、C2、C3和三个二极管 VD1、VD2、VD3，其连接关系为电容C1的正极接电容C2的正极和二极管VD1的阴极，电容C2的负极接二极管VD2的阳极和二极管VD3的阴极，二极管 VD1的阳极接二极管VD2的阴极和电容C3的正极，二极管VD3的阳极接电容 C3的负极；
第一电感L1的输入端接第一输入电源U1的正极，输出端接开关管S1的漏极及电容C1的负极，开关管S1的源极接第一输入电源U1的负极；第二电感L2的输入端接第二输入电源U2的正极，输出端接开关管S2的漏极及电容C3的负极，开关管S2的源极接第二输入电源U2的负极，电容C1的正极接输出二极管 VDo的阳极，二极管VDo的阴极接输出电容Co的正极及负载电阻R的输入端；第一输入电源U1的负极接第二输入电源U2的负极及输出电容Co的负极和负载电阻R的输出端；
开关管S1和S2驱动相位依次错开180°，即采用交错控制策略，占空比分别为D1、D2，且均大于0.5，在该控制方式下，稳态时输出电压Uo，电容C1、C2、 C3的电压分别为：
稳态时输出电流Io和电感电流平均值IL1、IL2的关系为：
通过控制占空比D1、D2来控制两路输入源电流的分配。
相比现有技术，本实用新型具有如下有益效果：
1)本实用新型拓扑结构简单，通过开关电容的串并联连接实现电容的有效充放电，不存在耦合电感和变压器，体积和成本降低；
2)两路输入源均提供2倍于传统Boost变换器的电压增益，实现了两个输入源的高升压变换；
3)开关管和二极管的电压应力远小于输出电压，可采用低电压等级的开关管和二极管，减小成本和导通损耗；
4)变换器控制简单灵活，通过控制两路占空比可实现两路输入电流和输出电压的控制，即实现各输入源功率的灵活分配及新能源的最大功率跟踪。
附图说明
图1是本实用新型一种基于电容串并联结构的高增益双输入直流变换器电路结构图；
图2是本实用新型变换器的主要工作波形图；
图3是本实用新型变换器工作在开关模态1时的等效电路；
图4是本实用新型变换器工作在开关模态2时的等效电路；
图5是本实用新型变换器工作在开关模态3时的等效电路；
图6是本实用新型变换器工作在开关模态4时的等效电路。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本实用新型作进一步详细说明。
如图1所示，一种基于电容串并联结构的高增益双输入直流变换器，其特征在于，包括两个输入源U1、U2，两个电感L1、L2，两个功率开关管S1、S2，一个3开关电容串并联单元，一个输出二极管VDo，一个输出滤波电容Co和负载电阻R；
所述三开关电容串并联单元包括三个开关电容C1、C2、C3和三个二极管 VD1、VD2、VD3，其连接关系为电容C1的正极接电容C2的正极和二极管VD1的阴极，电容C2的负极接二极管VD2的阳极和二极管VD3的阴极，二极管 VD1的阳极接二极管VD2的阴极和电容C3的正极，二极管VD3的阳极接电容 C3的负极；
第一电感L1的输入端接第一输入电源U1的正极，输出端接开关管S1的漏极及电容C1的负极，开关管S1的源极接第一输入电源U1的负极；第二电感L2的输入端接第二输入电源U2的正极，输出端接开关管S2的漏极及电容C3的负极，开关管S2的源极接第二输入电源U2的负极，电容C1的正极接输出二极管 VDo的阳极，二极管VDo的阴极接输出电容Co的正极及负载电阻R的输入端；第一输入电源U1的负极接第二输入电源U2的负极及输出电容Co的负极和负载电阻R的输出端；
如图2所示，开关管S1、S2采用交错控制策略，驱动相位之间相差180°，占空比分别为D1、D2，且均大于0.5。在一个开关周期内，变换器存在4种工作模态。
如图3所示，变换器工作在模态1[t0～t1]：开关管S1导通、S2关断, 二极管VD1、VD3导通，二极管VD2、VDo截止。输入源U1向电感L1储能，电感电流线性上升；电感L2释能，电感电流线性下降；电容C2、C3并联放电同时给电容C1充电，电流路径分别为U2→L2→VD3→C2→C1→S1和U2→L2→C3→VD1→C1→S1。该模式下，变量关系为：
iCo＝-io
如图4所示，变换器工作在模态2[t1～t2]：开关管S1、S2导通,二极管VD1～VD3、VDo均截止。输入源U1、U2分别给电感L1、L2充电，电容C1～C3既不放电也不充电，电容Co给负载供电。该模式下，变量关系为：
iCo＝-io
如图5所示，变换器工作在模态3[t2～t3]：开关管S2导通、S1关断, 二极管VD2导通，二极管VD1、VD3、VDo截止。输入源U2向电感L2储能，电感电流iL2线性上升；电感L1释能，电感电流iL1线性下降；在 t2时刻，电容电压uC2+uC3<uCo，电容C1放电同时给电容C2、C3充电，电流路径为U1→L1→C1→C2→VD2→C3→S2，电容Co给负载供电。该模式下，变量关系为：
如图6所示，变换器工作在模态4[t3～t4]：开关管S2导通、S1关断, 二极管VDo导通，二极管VD1、VD2、VD3截止。在t3时刻，电容电压 uC2+uC3＝uCo，电容C1开始给电容Co充电，电流路径为 U1→L1→C1→VDo→Co(R)。该模式下，变量关系为：
由于Co>>C2＝C3,VDo支路等效阻抗远远小于VD2，可得：
根据电感L1、L2伏秒平衡关系，可得：
电容电压稳态值满足：
根据公式推导得到：
设(t0～t1)、(t1～t2)、(t2～t3)、(t3～t4)时间段长度分别为T1、T2、T3、T4，并满足关系式：T1＝(1-D2)Ts,T3+T4＝(1-D1)Ts
根据电容C1～C3、Co安秒平衡关系，可得：
化简得到：
通过控制占空比即可控制两路输入电源功率(电流)的分配。
根据图2-6变换器工作原理和开关模态的分析，开关管，二极管电压应力：
Claims (1)
1.一种基于电容串并联结构的高增益双输入直流变换器，其特征在于，包括两个输入源U1、U2，两个电感L1、L2，两个功率开关管S1、S2，一个三开关电容串并联单元，一个输出二极管VDo，一个输出滤波电容Co和负载电阻R；
所述三开关电容串并联单元包括三个开关电容C1、C2、C3和三个二极管VD1、VD2、VD3，其连接关系为电容C1的正极接电容C2的正极和二极管VD1的阴极，电容C2的负极接二极管VD2的阳极和二极管VD3的阴极，二极管VD1的阳极接二极管VD2的阴极和电容C3的正极，二极管VD3的阳极接电容C3的负极；
第一电感L1的输入端接第一输入电源U1的正极，输出端接开关管S1的漏极及电容C1的负极，开关管S1的源极接第一输入电源U1的负极；第二电感L2的输入端接第二输入电源U2的正极，输出端接开关管S2的漏极及电容C3的负极，开关管S2的源极接第二输入电源U2的负极，电容C1的正极接输出二极管VDo的阳极，二极管VDo的阴极接输出电容Co的正极及负载电阻R的输入端；第一输入电源U1的负极接第二输入电源U2的负极及输出电容Co的负极和负载电阻R的输出端；
开关管S1和S2驱动相位依次错开180°，即采用交错控制策略，占空比分别为D1、D2，且均大于0.5，在该控制方式下，稳态时输出电压Uo，电容C1、C2、C3的电压分别为：
稳态时输出电流Io和电感电流平均值IL1、IL2的关系为：
通过控制占空比D1、D2来控制两路输入源电流的分配。
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| CN109617411A (zh) * | 2019-01-07 | 2019-04-12 | 西安交通大学 | 一种交错非隔离型开关电容网络高增益直流变换器 |
| CN111541369A (zh) * | 2020-04-30 | 2020-08-14 | 南京理工大学 | 基于开关电感/开关电容单元的交错并联dc/dc升压变换器 |
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