CN103236788B - 自举式双输入直流变换器 - Google Patents

Abstract

一种自举式双输入非隔离直流变换器，它包括：半桥变换器1：输入源V_in1并联电容C₁，电容C₁的正极接主开关S₁₁的集电极，电容C₁的负极接主开关S₁₂的发射极，主开关S₁₁的发射极接主开关S₁₂的集电极；半桥变换器2：输入源V_in2并联电容C₂，电容C₂的正极接主开关S₁₁的集电极，电容C₂的负极接主开关S₂₂的发射极，主开关S₂₁的发射极接主开关S₂₂的集电极；主开关S₁₁的发射极接主开关S₂₁的发射极；辅助开关组3：它是由两个开关管S_C1和S_C2构成，开关管S_C1和S_C2共集电极连接，开关管S_C1的发射极接开关管S₂₂的发射极，开关管S_C2的发射极接开关管S₁₂的发射极；开关管S₁₁的集电极是变换器的输出正极，开关管S₂₂的发射极是变换器的输出负极。

Description

自举式双输入直流变换器

技术领域

本发明涉及电力电子变换技术领域，尤其涉及一种自举式双输入直流变换器。

背景技术

一次能源转化来的电能往往不能被设备直接利用，通常要经过一级电力电子变换，因此电力电子变换器在整个能量转化过程中起到了举足轻重的作用。电力电子变换器是由电力电子器件及其驱动电路、导电母线、监测仪表和控制电路等组成的可以完成电能变换的系统总称，即在一定的拓扑结构基础上，采用合适的控制与调制策略对电力电子器件进行通断控制，使输出的电能满足负载要求。

随着电力需求量逐渐增大，化石能源的大规模开采和利用已经使得世界能源形势日趋紧张，同时石化燃料燃烧产生的大量废气造成了严重的环境污染。由于新能源具有清洁无污染、资源永续利用的特点，因此利用新能源发电是解决能源开发与环境保护之间矛盾的一个重要途径。目前应用较多的新能源发电形式有风力发电、光伏发电、燃料电池发电、地热发电和生物质发电等，但由于这些能源受环境影响和地域限制较大，其电力供应不稳定、不连续，所以通常将具有互补性的多种新能源结合起来，并配有储能装置组成新能源联合供电系统。

传统的联合供电系统中每种能源通过一个单输入DC-DC变换器与电网相连，如图1所示。从结构上讲，这样的系统需要的变换器数量较多，增加了系统的投入与维护费用。另外从控制角度上来讲，各变换器在独立控制的同时也要保证与其它端口之间协调工作，因此在实际运行时必须建立各端口间的通信网络，这会增加系统的复杂性。

为了实现集中控制管理，基于多输入变换器的新能源供电系统得到越来越多的关注。该系统中的多输入变换器将几个单输入变换器进行融合，使具有相同功能的元器件共享，从一定程度上提高了系统的功率密度，降低了系统成本，其电路结构如图2所示。多输入变换器允许多种能源输入，输入源的性质、幅值和特性可以相同，也可以不同；多个输入源可以分时或同时向负载供电。

多输入变换器从拓扑上可以分为隔离型和非隔离型两类。采用变压器磁耦合方式进行能量传递的拓扑称之为隔离型多输入变换器。此类变换器不仅提供了各个端口间的电气隔离，而且合理的变压器绕组变比和控制策略很容易将不同性质、不同等级的输入源结合在一起，并使输入输出端口自由进行能量传递。然而缺点是变压器的引入增大了系统的体积和重量，绕组和磁芯的损耗会随着系统功率增大而增大。

从负载电气特性角度出发，对于不需要输入输出隔离的场合，应用非隔离多输入变换器更加合适。但当前对非隔离多输入变换器的研究仅限于输入源和负载间可相互传递能量，而输入源之间不能直接传递能量。另外一旦某个输入源退出工作，要么就使别的输入源负荷加大，要么就使负载上的电压电流不能满足安全运行要求，造成系统停机，严重时还会损坏设备。故此类拓扑的稳定性和灵活性不强，对新能源的利用率不是很高，应用范围有较大局限性，因此寻求一种能量可多向流动的拓扑具有重要意义。

发明内容

本发明克服了现有技术中的不足，提供一种自举式双输入直流变换器。

为了解决上述存在的技术问题，本发明是通过以下技术方案实现的：

一种自举式双输入直流变换器包括半桥变换器1、半桥变换器2、辅助开关组3；半桥变换器1为：输入源V_in1并联电容C₁，电容C₁的正极接主开关S₁₁的集电极，电容C₁的负极接主开关S₁₂的发射极，主开关S₁₁的发射极接主开关S₁₂的集电极；半桥变换器2为：输入源V_in2并联电容C₂，电容C₂的正极接主开关S₁₁的集电极，电容C₂的负极接主开关S₂₂的发射极，主开关S₂₁的发射极接主开关S₂₂的集电极；主开关S₁₁的发射极接主开关S₂₁的发射极，同时也可以说是主开关S₁₂的集电极接主开关S₂₂的集电极；辅助开关组3由两个开关管S_C1和S_C2构成，开关管S_C1和开关管S_C2共集电极连接，开关S_C1的发射极接开关管S₂₂的发射极，开关管S_C2的发射极接开关管S₁₂的发射极；开关管S₁₁的集电极是变换器的输出正极，开关管S₂₂的发射极是变换器的输出负极，其分别与负载相连。

本发明提出了一种自举式双输入直流变换器拓扑，其目的就是要解决其它双输入变换器中输入源之间不能相互传递能量、灵活性差的问题。本发明提出的拓扑除了具有传统双输入非隔离直流变换器中可分时供电、同时供电，输入源与负载间能量双向流动等特点外，还实现了两个输入源间的能量传递。

自举式双输入直流变换器的不同之处是在每个输入侧加入一个较大的储能电容，同时引入一个可双向导通的开关管(本发明中定义为充电开关管)将两个输入源的负极连在一起。当某一个输入源退出工作时，通过充电开关管将另一个输入源的能量引到该侧的电容上，即间断地为该侧电容充电，使其从一定程度上具有电压源的特性，维持输入电压稳定，进而保证负载电压稳定。另外，如果某个输入源接有储能装置时，还可利用充电回路从另一个输入源获取能量，同时对负载上的电压电流没有影响。该拓扑中充电开关管承受的电压仅为某个输入源的电压，所以不必担心充电开关管承受高压的问题。

由于采用上述技术方案，本发明提供的自举式双输入直流变换器，具有这样的有益效果：

本发明提出的拓扑具有结构简单，控制灵活易实现，成本较低和易于集成化等优点，可利用在新能源联合供电系统中，其减小了新能源供电不稳定对负载带来的影响，同时也提高了系统对新能源的利用率，符合当今绿色环保节能要求。

附图说明

图1是传统新能源供电系统结构示意图；

图2是基于多输入变换器的新能源供电系统结构示意图；

图3是自举式双输入直流变换器拓扑(IGBT型)；

图4是当充电开关管无动作时自举式双输入直流变换器的工作过程；

图5是当输入源V_in1退出工作时自举式双输入直流变换器的工作过程；

图6是当输入源V_in2具有存储能量供能时自举式双输入直流变换器的工作过程。

具体实施方式

下面结合附图与具体实施方式对本发明做进一步说明。

如图3所示，一种自举式双输入离直流变换器，它包括半桥变换器1、半桥变换器2、辅助开关组3；半桥变换器1为：输入源V_in1并联电容C₁，电容C₁的正极接主开关S₁₁的集电极，电容C₁的负极接主开关S₁₂的发射极，主开关S₁₁的发射极接主开关S₁₂的集电极；半桥变换器2为：输入源V_in2并联电容C₂，电容C₂的正极接主开关S₁₁的集电极，电容C₂的负极接主开关S₂₂的发射极，主开关S₂₁的发射极接主开关S₂₂的集电极；主开关S₁₁的发射极接主开关S₂₁的发射极，同时主开关S₁₂的集电极接主开关S₂₂的集电极；辅助开关组3由两个开关管S_C1和S_C2构成，开关管S_C1和开关管S_C2共集电极连接，开关S_C1的发射极接开关管S₂₂的发射极，开关管S_C2的发射极接开关管S₁₂的发射极；开关管S₁₁的集电极是变换器的输出正极，开关管S₂₂的发射极是变换器的输出负极，其分别与负载相连。

开关管(S₁₁、S₁₂)和开关管(S₂₁、S₂₂、S_C1、S_C2)分别选择Fairchild公司的FGH20N60和FGH40N60，输入侧储能电容选择4700uF/250V。

该拓扑中完成电能变换的主体部分可以看成是两个半桥变换器的结合。其包含两个直流电压源V_in1和V_in2；4个驱动信号两两互补的主开关管S₁₁~S₁₂和S₂₁~S₂₂；两个充电开关管S_C1和S_C2；L_f和C_f构成的滤波器和负载，开关管这里选择IGBT(也可以是电力MOSFET或者GTO)；两输入源可以是光伏电池、风力发电单元、燃料电池、市电、蓄电池和超级电容等。

半桥电路有效地实现了输入源与负载间能量的双向传递，充电回路的构造为实现输入源之间的能量传递提供了条件，且很好地平衡了输入源电压，这样无论哪一个输入源电压变化，都不会对母线电压产生很大影响，对于负载和输入源的扰动此拓扑也有很好的抑制作用。

当两输入源提供的电压稳定，且不需要利用充电开关管构成的回路来完成输入源之间能量传递的情况，即在整个工作过程中充电开关管无任何动作的模式，此时充电开关管可以忽略，此模式下的工作原理可结合图4分析。

根据自举式双输入直流变换器中4个主开关管的组合导通方式可将电路的工作过程分为5个状态；

状态I开关管S₁₂和S₂₁同时导通，S₁₁、S₂₂、S_C1和S_C2关断，此时变换器的两个输入源串联供电，如图4a所示。

状态II开关管S₁₂和S₂₂同时导通，S₁₁、S21、S_C1和S_C2关断，此时V_in1单独供电，V_in2处于脱机状态，如图4b所示。

状态III开关管S₁₁和S₂₁同时导通，S₁₂、S₂₂、S_C1和S_C2关断，此时V_in2单独供电，V_in1处于脱机状态，如图4c所示。

状态IV开关管S₁₁和S₂₂同时导通，S₁₂、S₂₁关断，此状态两输入源均不向负载供电，负载利用S₁₁和S₂₂的反并联二极管完成续流，如图4d所示。

状态V当负载向输入侧回馈能量时，开关管S₁₁和S₂₁导通，S₁₂、S₂₂、S_C1和S_C2关断，如图4e所示。

根据状态分析可知，每个输入源对应的半桥电路必有一个开关管或反并联二极管导通，这样主开关承受的最大电压为其所在半桥电路输入源的电压。对于状态I，充电开关管S_C1承受的最大电压为V_in2；对于状态II，充电开关管S_C1和S_C2承受的电压均为0；对于状态IV，充电开关管S_C2承受的最大电压为V_in1。这样在整个工作过程中，所有的开关管只承受单倍输入源电压。另外，此种充电开关管组合也使得S_C2和S₁₂共射极，S_C1和S₂₂共射极，因此充电开关管的引入并没有增加驱动电源数量和变换器的不对称性。

当某一个输入源退出工作时(例如两输入源分别是光伏电池和蓄电池组，光伏电池夜间不能工作)，通过充电开关管构成的回路将另外一个输入源的能量传递到本侧的电容中，使电容在一定程度上具有电压源的特性，之后两者可以共同向负载传递能量，此模式下的工作原理可结合图5分析。

根据自举式双输入直流变换器中4个主开关管的组合导通方式可将电路的工作过程分为5个状态；

状态I开关管S₁₂和S₂₁同时导通，S₁₁、S₂₂、S_C1和S_C2关断，此时变换器的两个输入源串联供电，如图5a所示。

状态II开关管S₁₂和S₂₂同时导通，S₁₁、S₂₁、S_C1和S_C2关断，此时V_in1单独供电，V_in2处于脱机状态，如图5b所示。

状态III开关管S₁₁和S₂₁同时导通，S₁₂、S₂₂关断，此时可将充电开关管S_C1和S_C2导通，如图5c所示。如果V_in2＞V_in1，输入源V_in2向负载供电的同时可通过S₂₁→S₁₁的反并联二极管→S_C2的反并联二极管→S_C1构成的回路给V_in1充电，使两者电压平衡；同理，若V_in1＞V_in2，可构成S₁₁→S₂₁的反并联二极管→S_C1的反并联二极管→S_C2回路给V_in充电。

状态IV开关管S₁₁和S₂₂同时导通，S₁₂、S₂₁关断，此状态两输入源均不向负载供电，负载利用S₁₁和S₂₂的反并联二极管完成续流，如图5d所示。

状态V当负载向输入侧回馈能量时，开关管S₁₁和开关管S₂₁导通，如图5e所示。

根据状态分析可知，每个输入源对应的半桥电路必有一个开关管或反并联二极管导通，这样主开关承受的最大电压为其所在半桥电路输入源的电压。对于状态I，充电开关管S_C1承受的最大电压为V_in2；对于状态II，充电开关管S_C1和S_C2承受的电压均为0；对于状态IV，充电开关管S_C2承受的最大电压为V_in1。这样在整个工作过程中，所有的开关管只承受单倍输入源电压。另外，此种充电开关管组合也使得S_C2和S₁₂共射极，S_C1和S₂₂共射极，因此充电开关管的引入并没有增加驱动电源数量和变换器的不对称性。

当用在光伏-蓄电池联合供电系统中时，如果光伏侧能量充足时，可通过充电开关管给蓄电池充电，同时也不影响对负载供电。此模式下的工作原理可结合图6分析。

根据自举式双输入直流变换器中4个主开关管的组合导通方式可将电路的工作过程分为5个状态；

状态I开关管S₁₂和S₂₁同时导通，S₁₁、S₂₂、S_C1和S_C2关断，此时变换器的两个输入源串联供电，如图6a所示。

状态II开关管S₁₂和S₂₂同时导通，S₁₁、S₂₁、S_C1和S_C2关断，此时V_in1单独供电，V_in2处于脱机状态，如图6b所示。

状态III开关管S₁₁和S₂₁同时导通，S₁₂、S₂₂关断，此时可将充电开关管S_C1和S_C2导通，如图6c所示。输入源V_in1向负载供电的同时可通过S₁₁→S₂₁的反并联二极管→S_C1的反并联二极管→S_C2回路给V_in2充电。

状态IV开关管S₁₁和S₂₂同时导通，S₁₂、S₂₁关断，此状态两输入源均不向负载供电，负载利用S₁₁和S₂₂的反并联二极管完成续流，如图6d所示。

状态V当负载向输入侧回馈能量时，开关管S₁₁和开关管S₂₁导通，如图5e所示。

根据状态分析可知，每个输入源对应的半桥电路必有一个开关管或反并联二极管导通，这样主开关承受的最大电压为其所在半桥电路输入源的电压。对于状态I，充电开关管S_C1承受的最大电压为V_in2；对于状态II，充电开关管S_C1和S_C2承受的电压均为0；对于状态IV，充电开关管S_C2承受的最大电压为V_in1。这样在整个工作过程中，所有的开关管只承受单倍输入源电压。另外，此种充电开关管组合也使得S_C2和S₁₂共射极，S_C1和S₂₂共射极，因此充电开关管的引入并没有增加驱动电源数量和变换器的不对称性。

Claims (1)

1.一种自举式双输入直流变换器，其特征在于：它包括半桥变换器1、半桥变换器2、辅助开关组3；半桥变换器1为：输入源V_in1并联电容C₁，电容C₁的正极接主开关S₁₁的集电极，电容C₁的负极接主开关S₁₂的发射极，主开关S₁₁的发射极接主开关S₁₂的集电极；半桥变换器2为：输入源V_in2并联电容C₂，电容C₂的正极接主开关S₁₁的集电极，电容C₂的负极接主开关S₂₂的发射极，主开关S₂₁的发射极接主开关S₂₂的集电极；主开关S₁₁的发射极接主开关S₂₁的发射极，同时主开关S₁₂的集电极接主开关S₂₂的集电极；辅助开关组3由两个开关管S_C1和S_C2构成，开关管S_C1和开关管S_C2共集电极连接，开关S_C1的发射极接开关管S₂₂的发射极，开关管S_C2的发射极接开关管S₁₂的发射极；开关管S₁₁的集电极是变换器的输出正极，开关管S₂₂的发射极是变换器的输出负极，其分别与负载相连。