專利名稱：自舉式雙輸入直流變換器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及電力電子變換技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種自舉式雙輸入直流變換器。
背景技術(shù)：
一次能源轉(zhuǎn)化來的電能往往不能被設(shè)備直接利用，通常要經(jīng)過一級電力電子變換，因此電力電子變換器在整個能量轉(zhuǎn)化過程中起到了舉足輕重的作用。電力電子變換器是由電力電子器件及其驅(qū)動電路、導(dǎo)電母線、監(jiān)測儀表和控制電路等組成的可以完成電能變換的系統(tǒng)總稱，即在一定的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上，采用合適的控制與調(diào)制策略對電力電子器件進(jìn)行通斷控制，使輸出的電能滿足負(fù)載要求。隨著電力需求量逐漸增大，化石能源的大規(guī)模開采和利用已經(jīng)使得世界能源形勢日趨緊張，同時石化燃料燃燒產(chǎn)生的大量廢氣造成了嚴(yán)重的環(huán)境污染。由于新能源具有清潔無污染、資源永續(xù)利用的特點，因此利用新能源發(fā)電是解決能源開發(fā)與環(huán)境保護(hù)之間矛盾的一個重要途徑。目前應(yīng)用較多的新能源發(fā)電形式有風(fēng)力發(fā)電、光伏發(fā)電、燃料電池發(fā)電、地?zé)岚l(fā)電和生物質(zhì)發(fā)電等，但由于這些能源受環(huán)境影響和地域限制較大，其電力供應(yīng)不穩(wěn)定、不連續(xù)，所以通常將具有互補性的多種新能源結(jié)合起來，并配有儲能裝置組成新能源聯(lián)合供電系統(tǒng)。傳統(tǒng)的聯(lián)合供電系統(tǒng)中每種能源通過一個單輸入DC-DC變換器與電網(wǎng)相連,如圖1所示。從結(jié)構(gòu)上講，這樣的系統(tǒng)需要的變換器數(shù)量較多，增加了系統(tǒng)的投入與維護(hù)費用。另外從控制角度上來講，各變換器在獨立控制的同時也要保證與其它端口之間協(xié)調(diào)工作，因此在實際運行時必須建立各端口間的通信網(wǎng)絡(luò)，這會增加系統(tǒng)的復(fù)雜性。

為了實現(xiàn)集中控制管理，基于多輸入變換器的新能源供電系統(tǒng)得到越來越多的關(guān)注。該系統(tǒng)中的多輸入變換器將幾個單輸入變換器進(jìn)行融合，使具有相同功能的元器件共享，從一定程度上提高了系統(tǒng)的功率密度，降低了系統(tǒng)成本，其電路結(jié)構(gòu)如圖2所示。多輸入變換器允許多種能源輸入，輸入源的性質(zhì)、幅值和特性可以相同，也可以不同；多個輸入源可以分時或同時向負(fù)載供電。多輸入變換器從拓?fù)渖峡梢苑譃楦綦x型和非隔離型兩類。采用變壓器磁耦合方式進(jìn)行能量傳遞的拓?fù)浞Q之為隔離型多輸入變換器。此類變換器不僅提供了各個端口間的電氣隔離，而且合理的變壓器繞組變比和控制策略很容易將不同性質(zhì)、不同等級的輸入源結(jié)合在一起，并使輸入輸出端口自由進(jìn)行能量傳遞。然而缺點是變壓器的引入增大了系統(tǒng)的體積和重量，繞組和磁芯的損耗會隨著系統(tǒng)功率增大而增大。從負(fù)載電氣特性角度出發(fā)，對于不需要輸入輸出隔離的場合，應(yīng)用非隔離多輸入變換器更加合適。但當(dāng)前對非隔離多輸入變換器的研究僅限于輸入源和負(fù)載間可相互傳遞能量，而輸入源之間不能直接傳遞能量。另外一旦某個輸入源退出工作，要么就使別的輸入源負(fù)荷加大，要么就使負(fù)載上的電壓電流不能滿足安全運行要求，造成系統(tǒng)停機(jī)，嚴(yán)重時還會損壞設(shè)備。故此類拓?fù)涞姆€(wěn)定性和靈活性不強(qiáng)，對新能源的利用率不是很高，應(yīng)用范圍有較大局限性，因此尋求一種能量可多向流動的拓?fù)渚哂兄匾饬x。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明克服了現(xiàn)有技術(shù)中的不足，提供一種自舉式雙輸入直流變換器。為了解決上述存在的技術(shù)問題，本發(fā)明是通過以下技術(shù)方案實現(xiàn)的:一種自舉式雙輸入直流變換器包括半橋變換器1、半橋變換器2、輔助開關(guān)組3 ;半橋變換器I為:輸入源Vinl并聯(lián)電容C1,電容C1的正極接主開關(guān)S11的集電極，電容C1的負(fù)極接主開關(guān)S12的發(fā)射極，主開關(guān)S11的發(fā)射極接主開關(guān)S12的集電極；半橋變換器2為:輸入源Vin2并聯(lián)電容C2,電容C2的正極接主開關(guān)S11的集電極，電容C2的負(fù)極接主開關(guān)S22的發(fā)射極，主開關(guān)S21的發(fā)射極接主開關(guān)S22的集電極；主開關(guān)S11的發(fā)射極接主開關(guān)S21的發(fā)射極，同時也可以說是主開關(guān)S12的集電極接主開關(guān)S22的集電極；輔助開關(guān)組3由兩個開關(guān)管Sa和Sk構(gòu)成，開關(guān)管Sa和開關(guān)管Sffi共集電極連接，開關(guān)Sa的發(fā)射極接開關(guān)管S22的發(fā)射極，開關(guān)管Sffi的發(fā)射極接開關(guān)管S12的發(fā)射極；開關(guān)管S11的集電極是變換器的輸出正極，開關(guān)管S22的發(fā)射極是變換器的輸出負(fù)極，其分別與負(fù)載相連。本發(fā)明提出了一種自舉式雙輸入直流變換器拓?fù)?，其目的就是要解決其它雙輸入變換器中輸入源之間不能相互傳遞能量、靈活性差的問題。本發(fā)明提出的拓?fù)涑司哂袀鹘y(tǒng)雙輸入非隔離直流變換器中可分時供電、同時供電，輸入源與負(fù)載間能量雙向流動等特點外，還實現(xiàn)了兩個輸入源間的能量傳遞。自舉式雙輸入直流變換器的不同之處是在每個輸入側(cè)加入一個較大的儲能電容，同時引入一個可雙向?qū)ǖ拈_關(guān)管(本發(fā)明中定義為充電開關(guān)管)將兩個輸入源的負(fù)極連在一起。當(dāng)某一個輸入源退出工作時，通過充電開關(guān)管將另一個輸入源的能量引到該側(cè)的電容上，即間斷地為該側(cè)電容充電，使其從一定程度上具有電壓源的特性，維持輸入電壓穩(wěn)定，進(jìn)而保證負(fù)載電壓穩(wěn)定。另外，如果某個輸入源接有儲能裝置時，還可利用充電回路從另一個輸入源獲取能量，同時對負(fù)載上的電壓電流沒有影響。該拓?fù)渲谐潆婇_關(guān)管承受的電壓僅為某個輸入源的電壓，所以不必?fù)?dān)心充電開關(guān)管承受高壓的問題。由于采用上述技術(shù)方案，本發(fā)明提供的自舉式雙輸入直流變換器，具有這樣的有益效果:本發(fā)明提出的拓?fù)渚哂薪Y(jié)構(gòu)簡單，控制靈活易實現(xiàn)，成本較低和易于集成化等優(yōu)點，可利用在新能源聯(lián)合供電系統(tǒng)中，其減小了新能源供電不穩(wěn)定對負(fù)載帶來的影響，同時也提高了系統(tǒng)對新能源的利用率，符合當(dāng)今綠色環(huán)保節(jié)能要求。


圖1是傳統(tǒng)新能源供電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖；圖2是基于多輸入變換器的新能源供電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖；圖3是自舉式雙輸入直流變換器拓?fù)?IGBT型)；圖4是當(dāng)充 電開關(guān)管無動作時自舉式雙輸入直流變換器的工作過程；圖5是當(dāng)輸入源Vinl退出工作時自舉式雙輸入直流變換器的工作過程；圖6是當(dāng)輸入源Vin2具有存儲能量供能時自舉式雙輸入直流變換器的工作過程。
具體實施方式
下面結(jié)合附圖與具體實施方式
對本發(fā)明做進(jìn)一步說明。如圖3所示，一種自舉式雙輸入離直流變換器，它包括半橋變換器1、半橋變換器
2、輔助開關(guān)組3 ;半橋變換器I為:輸入源Vinl并聯(lián)電容C1,電容C1的正極接主開關(guān)S11的集電極，電容C1的負(fù)極接主開關(guān)S12的發(fā)射極，主開關(guān)S11的發(fā)射極接主開關(guān)S12的集電極；半橋變換器2為:輸入源Vin2并聯(lián)電容C2,電容C2的正極接主開關(guān)S11的集電極，電容C2的負(fù)極接主開關(guān)S22的發(fā)射極，主開關(guān)S21的發(fā)射極接主開關(guān)S22的集電極；主開關(guān)S11的發(fā)射極接主開關(guān)S21的發(fā)射極，同時主開關(guān)S12的集電極接主開關(guān)S22的集電極；輔助開關(guān)組3由兩個開關(guān)管Sa和Sk構(gòu)成，開關(guān)管Sa和開關(guān)管Sk共集電極連接，開關(guān)Sa的發(fā)射極接開關(guān)管S22的發(fā)射極，開關(guān)管Sffi的發(fā)射極接開關(guān)管S12的發(fā)射極；開關(guān)管S11的集電極是變換器的輸出正極，開關(guān)管S22的發(fā)射極是變換器的輸出負(fù)極,其分別與負(fù)載相連。開關(guān)管(Sn、S12)和開關(guān)管(S21、S22、Sc1、Sc2)分別選擇Fairchild 公司的 FGH20N60和FGH40N60，輸入側(cè)儲能電容選擇4700uF/250V。該拓?fù)渲型瓿呻娔茏儞Q的主體部分可以看成是兩個半橋變換器的結(jié)合。其包含兩個直流電壓源Vinl和Vin2 ;4個驅(qū)動信號兩兩互補的主開關(guān)管;兩個充電開關(guān)管Sci和Sc2 ；Lf和Cf構(gòu)成的濾波器和負(fù)載，開關(guān)管這里選擇IGBT (也可以是電力MOSFET或者GT0);兩輸入源可以是光伏電池、風(fēng)力發(fā)電單元、燃料電池、市電、蓄電池和超級電容等。半橋電路有效地實現(xiàn)了輸入源與負(fù)載間能量的雙向傳遞，充電回路的構(gòu)造為實現(xiàn)輸入源之間的能量傳遞提供了條件，且很好地平衡了輸入源電壓，這樣無論哪一個輸入源電壓變化，都不會對母線電壓產(chǎn)生很大影響，對于負(fù)載和輸入源的擾動此拓?fù)湟灿泻芎玫囊种谱饔谩．?dāng)兩輸入源提供的電·壓穩(wěn)定，且不需要利用充電開關(guān)管構(gòu)成的回路來完成輸入源之間能量傳遞的情況，即在整個工作過程中充電開關(guān)管無任何動作的模式，此時充電開關(guān)管可以忽略，此模式下的工作原理可結(jié)合圖4分析。根據(jù)自舉式雙輸入直流變換器中4個主開關(guān)管的組合導(dǎo)通方式可將電路的工作過程分為5個狀態(tài)；狀態(tài)I開關(guān)管S12和S21同時導(dǎo)通，Sn、S22, Sci和Sc2關(guān)斷，此時變換器的兩個輸入源串聯(lián)供電，如圖4a所示。狀態(tài)II開關(guān)管S12和S22同時導(dǎo)通，S11、S21、Sci和Sc2關(guān)斷，此時Vinl單獨供電，Vin2處于脫機(jī)狀態(tài)，如圖4b所示。狀態(tài)III開關(guān)管S11和S21同時導(dǎo)通，S12、S22、SC1和Sc2關(guān)斷，此時Vin2單獨供電，Vinl處于脫機(jī)狀態(tài)，如圖4C所示。狀態(tài)IV開關(guān)管S11和S22同時導(dǎo)通，S12、S21關(guān)斷，此狀態(tài)兩輸入源均不向負(fù)載供電，負(fù)載利用S11和S22的反并聯(lián)二極管完成續(xù)流，如圖4d所示。狀態(tài)V當(dāng)負(fù)載向輸入側(cè)回饋能量時，開關(guān)管S11和S21導(dǎo)通，S12,S22,Sci和Sc2關(guān)斷，如圖4e所示。根據(jù)狀態(tài)分析可知，每個輸入源對應(yīng)的半橋電路必有一個開關(guān)管或反并聯(lián)二極管導(dǎo)通，這樣主開關(guān)承受的最大電壓為其所在半橋電路輸入源的電壓。對于狀態(tài)I，充電開關(guān)管Sa承受的最大電壓為Vin2 ;對于狀態(tài)II，充電開關(guān)管Sa和Se2承受的電壓均為O ;對于狀態(tài)IV，充電開關(guān)管Sffi承受的最大電壓為Vinl。這樣在整個工作過程中，所有的開關(guān)管只承受單倍輸入源電壓。另外，此種充電開關(guān)管組合也使得Sk和S12共射極，Sci和S22共射極，因此充電開關(guān)管的引入并沒有增加驅(qū)動電源數(shù)量和變換器的不對稱性。當(dāng)某一個輸入源退出工作時(例如兩輸入源分別是光伏電池和蓄電池組，光伏電池夜間不能工作)，通過充電開關(guān)管構(gòu)成的回路將另外一個輸入源的能量傳遞到本側(cè)的電容中，使電容在一定程度上具有電壓源的特性，之后兩者可以共同向負(fù)載傳遞能量，此模式下的工作原理可結(jié)合圖5分析。根據(jù)自舉式雙輸入直流變換器中4個主開關(guān)管的組合導(dǎo)通方式可將電路的工作過程分為5個狀態(tài)；狀態(tài)I開關(guān)管S12和S21同時導(dǎo)通，Sn、S22, Sci和Sc2關(guān)斷，此時變換器的兩個輸入源串聯(lián)供電，如圖5a所示。狀態(tài)II開關(guān)管S12和S22同時導(dǎo)通，Sn、S21、Sa和Sc2關(guān)斷，此時Vinl單獨供電，Vin2處于脫機(jī)狀態(tài)，如圖5b所示。狀態(tài)III開關(guān)管S11和S21同時導(dǎo)通，S12、S22關(guān)斷,此時可將充電開關(guān)管Sa和Sc2導(dǎo)通，如圖5c所不。如果Vin2 > Vinl,輸入源Vin2向負(fù)載供電的同時可通過S21 — S11的反并聯(lián)二極管一Sc2的反并聯(lián)·二極管一Sci構(gòu)成的回路給Vinl充電，使兩者電壓平衡；同理，若Vinl> Vin2，可構(gòu)成S11 — S21的反并聯(lián)二極管一Sci的反并聯(lián)二極管一Sc2回路給Vin充電。狀態(tài)IV開關(guān)管S11和S22同時導(dǎo)通，S12、S21關(guān)斷，此狀態(tài)兩輸入源均不向負(fù)載供電，負(fù)載利用S11和S22的反并聯(lián)二極管完成續(xù)流，如圖5d所示。狀態(tài)V當(dāng)負(fù)載向輸入側(cè)回饋能量時,開關(guān)管S11和開關(guān)管S21導(dǎo)通,如圖5e所不。根據(jù)狀態(tài)分析可知，每個輸入源對應(yīng)的半橋電路必有一個開關(guān)管或反并聯(lián)二極管導(dǎo)通，這樣主開關(guān)承受的最大電壓為其所在半橋電路輸入源的電壓。對于狀態(tài)I，充電開關(guān)管Sa承受的最大電壓為Vin2 ;對于狀態(tài)II，充電開關(guān)管Sa和Se2承受的電壓均為O ;對于狀態(tài)IV，充電開關(guān)管Sffi承受的最大電壓為Vinl。這樣在整個工作過程中，所有的開關(guān)管只承受單倍輸入源電壓。另外，此種充電開關(guān)管組合也使得Sk和S12共射極，Sci和S22共射極，因此充電開關(guān)管的引入并沒有增加驅(qū)動電源數(shù)量和變換器的不對稱性。當(dāng)用在光伏-蓄電池聯(lián)合供電系統(tǒng)中時，如果光伏側(cè)能量充足時，可通過充電開關(guān)管給蓄電池充電，同時也不影響對負(fù)載供電。此模式下的工作原理可結(jié)合圖6分析。根據(jù)自舉式雙輸入直流變換器中4個主開關(guān)管的組合導(dǎo)通方式可將電路的工作過程分為5個狀態(tài)；狀態(tài)I開關(guān)管S12和S21同時導(dǎo)通，Sn、S22, Sci和Sc2關(guān)斷，此時變換器的兩個輸入源串聯(lián)供電，如圖6a所示。狀態(tài)II開關(guān)管S12和S22同時導(dǎo)通，Sn、S21、Sci和Sc2關(guān)斷，此時Vinl單獨供電，Vin2處于脫機(jī)狀態(tài)，如圖6b所示。狀態(tài)III開關(guān)管S11和S21同時導(dǎo)通，S12、S22關(guān)斷,此時可將充電開關(guān)管Sa和Sc2導(dǎo)通，如圖6c所示。輸入源Vinl向負(fù)載供電的同時可通過S11 — S21的反并聯(lián)二極管一Sci的反并聯(lián)二極管一Sc2回路給Vin2充電。狀態(tài)IV開關(guān)管S11和S22同時導(dǎo)通，S12、S21關(guān)斷，此狀態(tài)兩輸入源均不向負(fù)載供電，負(fù)載利用S11和S22的反并聯(lián)二極管完成續(xù)流，如圖6d所示。狀態(tài)V當(dāng)負(fù)載向輸入側(cè)回饋能量時,開關(guān)管S11和開關(guān)管S21導(dǎo)通,如圖5e所不。
根據(jù)狀態(tài)分析可知，每個輸入源對應(yīng)的半橋電路必有一個開關(guān)管或反并聯(lián)二極管導(dǎo)通，這樣主開關(guān)承受的最大電壓為其所在半橋電路輸入源的電壓。對于狀態(tài)I，充電開關(guān)管Sa承受的最大電壓為Vin2 ;對于狀態(tài)II，充電開關(guān)管Sa和Se2承受的電壓均為O ;對于狀態(tài)IV，充電開關(guān)管Sffi承受的最大電壓為Vinl。這樣在整個工作過程中，所有的開關(guān)管只承受單倍輸入源電壓。另外，此種充電開關(guān)管組合也使得Sk和S12共射極，Sci和S22共射極，因此充電開關(guān)管的 引入并沒有增加驅(qū)動電源數(shù)量和變換器的不對稱性。
權(quán)利要求
1.一種自舉式雙輸入直流變換器，其特征在于:它包括半橋變換器1、半橋變換器2、輔助開關(guān)組3 ;半橋變換器I為:輸入源Vinl并聯(lián)電容C1,電容C1的正極接主開關(guān)S11的集電極，電容C1的負(fù)極接主開關(guān)S12的發(fā)射極，主開關(guān)S11的發(fā)射極接主開關(guān)S12的集電極；半橋變換器2為:輸入源Vin2并聯(lián)電容C2,電容C2的正極接主開關(guān)S11的集電極，電容C2的負(fù)極接主開關(guān)S22的發(fā)射極，主開關(guān)S21的發(fā)射極接主開關(guān)S22的集電極；主開關(guān)S11的發(fā)射極接主開關(guān)S21的發(fā)射極，同時也可以說是主開關(guān)S12的集電極接主開關(guān)S22的集電極；輔助開關(guān)組3由兩個開關(guān)管Sa和Sk構(gòu)成，開關(guān)管Sa和開關(guān)管Sffi共集電極連接，開關(guān)Sa的發(fā)射極接開關(guān)管S22的發(fā)射極，開關(guān)管Sk的發(fā)射極接開關(guān)管S12的發(fā)射極；開關(guān)管S11的集電極是變換器的輸出正 極，開關(guān)管S22的發(fā)射極是變換器的輸出負(fù)極，其分別與負(fù)載相連。
全文摘要
一種自舉式雙輸入非隔離直流變換器，它包括半橋變換器1輸入源Vin1并聯(lián)電容C1，電容C1的正極接主開關(guān)S11的集電極，電容C1的負(fù)極接主開關(guān)S12的發(fā)射極，主開關(guān)S11的發(fā)射極接主開關(guān)S12的集電極；半橋變換器2輸入源Vin2并聯(lián)電容C2，電容C2的正極接主開關(guān)S11的集電極，電容C2的負(fù)極接主開關(guān)S22的發(fā)射極，主開關(guān)S21的發(fā)射極接主開關(guān)S22的集電極；主開關(guān)S11的發(fā)射極接主開關(guān)S21的發(fā)射極；輔助開關(guān)組3它是由兩個開關(guān)管SC1和SC2構(gòu)成，開關(guān)管SC1和SC2共集電極連接，開關(guān)管SC1的發(fā)射極接開關(guān)管S22的發(fā)射極，開關(guān)管SC2的發(fā)射極接開關(guān)管S12的發(fā)射極；開關(guān)管S11的集電極是變換器的輸出正極，開關(guān)管S22的發(fā)射極是變換器的輸出負(fù)極。
文檔編號H02M3/155GK103236788SQ201310011318
公開日2013年8月7日 申請日期2013年1月14日 優(yōu)先權(quán)日2013年1月14日
發(fā)明者孫孝峰, 王煒, 王寶誠, 李昕 申請人:燕山大學(xué)