專利名稱：一種隔離型dc-dc變換器拓?fù)潆娐返闹谱鞣椒?br> 技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及隔離型DC-DC變換器拓?fù)潆娐罚蓱?yīng)用于航天電源系統(tǒng)、航空電源系統(tǒng)和航海電源系統(tǒng)中。
背景技術(shù)：
航天電源系統(tǒng)、航空電源系統(tǒng)和航海電源系統(tǒng)通常都是采用太陽能電池陣作為主供電電源，蓄電池作為備用供電電源。當(dāng)處于光照區(qū)時(shí)，由太陽能電池陣為母線上的負(fù)載供電；當(dāng)處于陰影區(qū)時(shí)，由蓄電池為母線上的負(fù)載供電；當(dāng)太陽能電池陣電量多余而蓄電池電量未滿電量時(shí)，太陽能電池陣為蓄電池充電。這要求電源變換電路既能夠?qū)崿F(xiàn)從太陽能陣端向母線端供電，又能夠?qū)崿F(xiàn)從蓄電池端向母線端供電，還能夠?qū)崿F(xiàn)太陽能陣端向蓄電池充電。但是，現(xiàn)有的隔離型DC-DC變換器拓?fù)潆娐?，如圖1所示，采用半橋拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，僅能夠?qū)崿F(xiàn)一對(duì)一的功率變換，不適應(yīng)三端口拓?fù)涞膽?yīng)用。

發(fā)明內(nèi)容
為解決現(xiàn)有隔離型DC-DC變換器拓?fù)潆娐窡o法實(shí)現(xiàn)由太陽能電池陣向蓄電池供電的技術(shù)問題，本發(fā)明提供一種隔離型DC-DC變換器拓?fù)潆娐罚刂破?、太陽能陣輸入端、母線輸出端、蓄電池端、與所述蓄電池端連接的電池端口模塊以及在所述太陽能陣輸入端和所述母線輸出端之間依次連接的一次側(cè)輸入模塊、變壓器模塊和母線負(fù)載輸出端口模塊；所述一次側(cè)輸入模塊包括分別半橋連接于所述太陽能陣輸入端正、負(fù)極之間的第一MOS管、第二 MOS管和第一電容、第二電容，所述第一 MOS管和所述第二 MOS管各自的柵極分別與所述控制器連接，該第一 MOS管和該第二 MOS管的中間點(diǎn)與所述第一電容和第二電容的中間點(diǎn)之間接有第一電感；所述第一電感為所述變壓器模塊的原邊電感；所述變壓器模塊還包括電連接的第四電感和第三電感；所述第四電感和所述第三電感共地；所述母線輸出端口模塊接于第四電感的兩端之間，所述電池端口模塊接于所述第三電感的兩端之間。進(jìn)一步的，當(dāng)所述控制器判斷進(jìn)入光照區(qū)時(shí)，所述控制器控制所述第一 MOS管和所述第二MOS管交替導(dǎo)通；該控制器通過控制該第一MOS管的占空比調(diào)節(jié)母線電壓，通過控制該第二 MOS管的占空比調(diào)節(jié)蓄電池充電電流。本發(fā)明拓?fù)潆娐吩诎霕蛲負(fù)涞幕A(chǔ)上，將后級(jí)反向繞組拆開形成兩個(gè)端口，一個(gè)街道母線端，另一個(gè)接到電池端。在第一 MOS管開通過程中，輸入端為母線輸出提供能量；在第二 MOS管開通過程中，輸入端電流為蓄電池充電。進(jìn)一步的，所述電池端口模塊包括串接于所述第三電感兩端之間的第三薄膜電容和第三二極管，所述第三二極管和所述第三薄膜電容的中間點(diǎn)與所述蓄電池端連接；所述電池端口模塊還包括與所述第三二極管并接于所述第三電感和所述蓄電池端之間的第三MOS管，所述第三MOS管的柵極與所述控制器連接。更進(jìn)一步的，當(dāng)所述控制器判斷進(jìn)入陰影區(qū)時(shí)，所述控制器控制所述第一 MOS管和第二 MOS管始終關(guān)斷、所述第三MOS管周期性開關(guān)。
采用上述技術(shù)方案，通過設(shè)置第三MOS管，經(jīng)過第三電感和第四電感為母線提供能量，實(shí)現(xiàn)在太陽能能量不足時(shí)蓄電池能夠?yàn)槟妇€負(fù)載提供能量。更進(jìn)一步的，所述電池端口模塊還包括與第三二極管并接于所述第三電感和所述蓄電池端之間的反激吸收電路。所述反激吸收電路包括相互串接的第五電容和第五二極
管，該第五二極管與所述第三二極管反向。采用上述技術(shù)方案，增加反激吸收電路，這樣，第三電感、第四電感、第四二極管和第七電感為光照區(qū)和陰影區(qū)功率變換的共用單元，一定程度降低了元器件的應(yīng)用數(shù)量，提高了整機(jī)功率密度。進(jìn)一步的，所述變壓器拓?fù)潆娐愤€包括接于所述太陽能陣輸入端和所述一次側(cè)輸入模塊之間的平波升壓模塊。更進(jìn)一步的，所述平波升壓模塊包括第六二極管以及依次串接于所述太陽能陣輸入端的正、負(fù)極之間的第六電感、第二電感和第六電容，所述第六二極管接于所述第一電容與所述第六電感和所述第二電感的中間點(diǎn)之間。采用平波升壓模塊，可以降低太陽能端口輸入電流紋波，提高太陽能電池功率利用率。進(jìn)一步的，所述第一 MOS管和所述第二 MOS管的中間點(diǎn)與所述第一電容和所述第二電容的中間點(diǎn)之間還接有與所述第一電感串接的第七電容。與第一電感串聯(lián)一個(gè)電容，起到防止變壓器偏磁作用。進(jìn)一步的，所述第一電容和所述第二電容的電容值相等。本發(fā)明帶來的有益效果是:本發(fā)明完成了太陽能陣輸入端、母線輸出端和電池端三端口之間的能量傳輸，能夠?qū)崿F(xiàn)太陽能陣同時(shí)向蓄電池和負(fù)載進(jìn)行供電，同時(shí)實(shí)現(xiàn)蓄電池的充放電，尤其是實(shí)現(xiàn)了在太陽能能量不足時(shí)蓄電池能夠?yàn)槟妇€負(fù)載提供能量的功能。本發(fā)明還結(jié)合了反激變換電路，一定程度降低了元器件的應(yīng)用數(shù)量，提高了整機(jī)功率密度。本發(fā)明效率高、動(dòng)態(tài)響應(yīng)快，控制方式簡(jiǎn)單。


圖1為現(xiàn)有技術(shù)的隔離型DC-DC變換器拓?fù)潆娐返碾娐方Y(jié)構(gòu)示意 圖2為圖所不的拓?fù)潆娐分蠱l和M2的驅(qū)動(dòng)波形不意 圖3為本發(fā)明變換器拓?fù)潆娐返囊粋€(gè)實(shí)施例的電路結(jié)構(gòu)不意圖(未不出控制器),其能實(shí)現(xiàn)太陽能能電池分別向母線負(fù)載和蓄電池供電；
圖4為在圖3實(shí)施例的基礎(chǔ)上進(jìn)行進(jìn)一步改進(jìn)后的電路結(jié)構(gòu)示意圖，其能實(shí)現(xiàn)太陽能能電池分別向母線負(fù)載和蓄電池供電且蓄電池又能向母線負(fù)載供電的功能；
圖5-10為圖4所的示拓?fù)潆娐吩谙到y(tǒng)處于光照區(qū)時(shí)，一個(gè)控制周期內(nèi)電路的工作狀態(tài)示意 圖11為圖4所示的拓?fù)潆娐吩趫D5-10所示的一個(gè)控制周期內(nèi)各元器件的電壓、電流波形示意圖，其中，L1、L2、L3和L4依次分別表示第一電感N1、第二電感N2、第三電感N3和第四電感N4的電感量。
具體實(shí)施方式
下面結(jié)合

及具體實(shí)施方式
對(duì)本發(fā)明進(jìn)一步說明。本發(fā)明的隔離型DC-DC變換器拓?fù)潆娐罚鐖D3、4所示，主要由控制器(圖中未示出)、一次側(cè)輸入模塊1、變壓器模塊2、電池端口模塊3、母線負(fù)載輸出端口模塊4和平波升壓模塊6構(gòu)成。如圖3所示，它在半橋變換器的基礎(chǔ)上，將輸出端口拆為雙端口，分別給母線負(fù)載輸出端口模塊4和電池端口模塊3傳輸能量；在此基礎(chǔ)上，如圖4所示，又在母線輸出端口模塊4和電池端口模塊3形成了反激電路結(jié)構(gòu)，使得蓄電池可向母線傳輸能量。本發(fā)明實(shí)施例的變換器拓?fù)潆娐愤€包括太陽能陣輸入端SA、母線輸出端BUS和蓄電池端BAT，在太陽能陣輸入端SA和母線輸出端BUS之間依次連接有一次側(cè)輸入模塊1、變壓器模塊2和母線負(fù)載輸出端口模塊3，電池端口模塊4連接與蓄電池端BAT連接。如圖4所示，變壓器模塊2包括第一電感N1、第二電感N2、第三電感N3和第四電感N4，第一電感NI為原邊電感，第三電感N3和第四電感N4分別為副邊電感。第三電感N3和第四電感N4的中間點(diǎn)接地；母線輸出端口模塊4接于第四電感N4的兩端之間，電池端口模塊3接于第三電感N3的兩端之間。第一電感NI為能量輸入端口，第四電感N4和第三電感N3分別作為向母線負(fù)載和蓄電池供電的輸出端口 ；第二電感N2參與構(gòu)成下述的降波升壓模塊6。本拓?fù)潆娐分凶儔浩鹘Y(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，設(shè)計(jì)過程需要十分嚴(yán)謹(jǐn)，本設(shè)計(jì)中采用鐵氧體PQ3535作為變壓器的磁芯，NI—N4的匝數(shù)分別為7匝、3匝、25匝和10膽，電感量以N4為基準(zhǔn)，大小為84uH。如圖4所示，一次側(cè)輸入模塊I包括分別半橋連接于太陽能陣輸入端SA正、負(fù)極之間的第一 MOS管Ml、第二 MOS管M2和第一電容Cl、第二電容C2。一次側(cè)輸入模塊I保留了半橋電路一次側(cè)基礎(chǔ)，由兩個(gè)相等的電容(第一電容Cl和第二電容C2)構(gòu)成一個(gè)橋臂，兩個(gè)開關(guān)管(第一 MOS管Ml和第二 MOS管M2)構(gòu)成另一個(gè)橋臂；兩橋臂的中間點(diǎn)為輸出端，通過變壓器模塊2輸出，即第一 MOS管Ml和第二 MOS管M2的中間點(diǎn)與第一電容Cl和第二電容C2的中間點(diǎn)之間接有變壓器模塊2的第一電感NI ;第一 MOS管Ml和第二 MOS管M2各自的柵極分別于控制器連接，控制器控制第一 MOS管Ml和第二 MOS管M2的開關(guān)以及占空t匕。同時(shí)第一 MOS管Ml和第二 MOS管M2的中間點(diǎn)與第一電容Cl和第二電容C2的中間點(diǎn)之間還接有與第一電感NI串接的第七電容C7，加入第七電容C7，防止變壓器模塊2長(zhǎng)時(shí)間工作產(chǎn)生偏磁。其中第一電容Cl和第二電容C2為IOOuF薄膜電容，第七電容C7為IuF薄膜電容，第一 MOS管Ml和第二 MOS管M2的型號(hào)為IRFP90N20D。如圖4所示，作為變壓器副邊電感的第四電感N4的輸出端口和母線輸出端BUS之間接有母線負(fù)載輸出端口模塊4，母線負(fù)載輸出端口模塊4包括相串接的第四二極管D4和第七電感L7。第四二極管D4為P810XC，用于防止電流回流；第七電感L7為平波續(xù)流電感，大小為80uH，輸出最后級(jí)并聯(lián)接入IOOuF的第四薄膜電容C04用于穩(wěn)壓。如圖4所示，作為變壓器副邊電感的第三電感N3的輸出端口與蓄電池端BAT之間接有電池端口模塊3，對(duì)蓄電池進(jìn)行充放電。電池端口模塊3包括串接于第三電感N3兩端之間的第一薄膜電容C03和第三二極管D3，第三二極管D3和第三薄膜電容C03的中間點(diǎn)與蓄電池端BAT連接；電池端口模塊3還包括與第三二極管D3并接于第三電感N3和蓄電池端BAT之間的第三MOS管M3，第三MOS管M3的柵極與控制器連接，第三MOS管M3的型號(hào)為IRFP90N20D。第三二極管D3用于在給蓄電池充電期間阻斷高壓，防止電流回流。最后級(jí)與蓄電池并聯(lián)接入有IOOuF第三薄膜電容C03來穩(wěn)壓。
如圖4所示，在電池端口模塊3中設(shè)有與第三二極管D3并接于第三電感N3和蓄電池端之間的反激吸收電路5，反激吸收電路5包括相互串接的第五電容C5和第五二極管D5，第五二極管D5與第三二極管D3反向。第三二極管D3和第五二極管D5的型號(hào)均為P810XC。采用反激變換器結(jié)構(gòu)，加入第三MOS管M3，同時(shí)使用IOOuF的第五電容C5與第五二極管D5串聯(lián)，在蓄電池放電期間進(jìn)行濾波，實(shí)現(xiàn)讓蓄電池可以輸出電能給母線。如圖4所示，平波升壓模塊6接于太陽能陣輸入端SA和一次側(cè)輸入模塊I之間，平波升壓模塊6包括第六二極管D6以及依次串接于太陽能陣輸入端SA的正、負(fù)極之間的第六電感L6、第二電感N2和第六電容C6。第六二極管D6接于第一電容Cl與第六電感L6和第二電感N2的中間點(diǎn)之間。第六電感L6主要起到平波作用，保持輸入端電流連續(xù)；變壓器模塊2的第一電感NI和第二電感N2與第六電容C6形成Boost升壓電路，將輸入電壓Vin變?yōu)閂o，輸出給變壓器模塊2。第六電感L6為80uH，第六電容C6為IOOuF的薄膜電容。Vo大小受到第一電感NI和第二電感N2的變比K以及第一 MOS管Ml和第二 MOS管M2的占空比的共同影響，其中變比K起主要作Vtl用。當(dāng)控制器判斷進(jìn)入光照區(qū)時(shí)，控制器控制第一 MOS管Ml和第二 MOS管M2交替導(dǎo)通；控制器通過控制第一 MOS管Ml的占空比調(diào)節(jié)母線電壓，通過控制第二 MOS管M2的占空比調(diào)節(jié)蓄電池充電電流。當(dāng)控制器判斷進(jìn)入陰影區(qū)時(shí)，控制器控制第一 MOS管Ml和第一MOS管M2始終處于關(guān)斷、第三MOS管M3周期性開關(guān)。本實(shí)施例的變換器拓?fù)潆娐返墓ぷ髟砣缦滤?，其具有兩種工作模式，一種工作模式是在光照區(qū)時(shí)，電能由輸入端口，向母線負(fù)載和電池傳輸；另一種工作模式是在陰影區(qū)時(shí)，輸入端無能量流入，蓄電池向母線負(fù)載供電。當(dāng)處于前一種工作模式時(shí)，一次側(cè)輸入模塊I中兩個(gè)開關(guān)管M1、M2不同時(shí)導(dǎo)通,最大占空比均為50%，電池端口模塊3中的M3 —直處于關(guān)斷狀態(tài)。Ml導(dǎo)通期間，輸入端向母線負(fù)載供電，維持母線電壓恒定，調(diào)節(jié)Ml占空比可控制母線電壓；M2導(dǎo)通期間，輸入端給蓄電池充電，調(diào)節(jié)M2占空比可控制蓄電池充電電流。如圖5-11所示，控制器控制M1、M2周期性的交替導(dǎo)通，在一個(gè)周期內(nèi)，需順序經(jīng)歷如下階段:
時(shí)段[t0，tl]:如圖5和圖11所示，在t0時(shí)刻，Ml零電壓開通，變壓器模塊2原邊兩端的電壓為正，輸出電感(第七電感L7)和太陽能電池側(cè)輸入電感(第六電感L6)被充電，能量由太陽能電池輸送到母線；
時(shí)段[tl，t2]:如圖6和圖11所示，在tl時(shí)刻，Ml關(guān)斷，L6和L7通過Ml和M2的反并聯(lián)二極管進(jìn)行續(xù)流，變壓器模塊2原邊電壓為負(fù)值，電流線性下降到O ;同樣N3兩端電壓為負(fù)值，蓄電池通過N3經(jīng)過D3進(jìn)行充電；
時(shí)段[t2，t3]:如圖7和圖11所示，在t2時(shí)刻，電流續(xù)流結(jié)束，C6通過N2和L6進(jìn)行充電；
時(shí)段[t3，t4]:如圖8和圖11所示，在t3時(shí)刻，M2零電壓開通，變壓器模塊2原邊兩端電壓為負(fù)，蓄電池和太陽能電池側(cè)輸入電感(第六電感L6)被充電,能量由太陽能電池輸送到蓄電池；
時(shí)段[t4，t5]:如圖9和圖11所示，在t4時(shí)刻，M2關(guān)斷，N2和L6通過Ml和M2的反并聯(lián)二極管進(jìn)行續(xù)流，變壓器模塊2原邊電壓為正，電流線性下降到O ; 時(shí)段[t5，t6]:如圖10和圖11所示，在t6時(shí)刻，電流續(xù)流結(jié)束，C6通過N2和L6進(jìn)行充電。當(dāng)輸入端沒有能量流入、電路處于后一工作模式時(shí)，為了保持母線電壓，蓄電池開始放電為母線提供能量。此時(shí)Ml和M2—直處于關(guān)斷狀態(tài)，M3進(jìn)行周期性開關(guān)，電池端口模塊與母線負(fù)載輸出端口模塊形成反激變換器，完成能量的傳輸。如上所云是結(jié)合具體的優(yōu)選實(shí)施方式對(duì)本發(fā)明所作的進(jìn)一步詳細(xì)說明，不能認(rèn)定本發(fā)明的具體實(shí)施只局限于這些說明。對(duì)于本發(fā)明所屬技術(shù)領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來說，在不脫離本發(fā)明構(gòu)思和內(nèi)涵的前提下，還可以做出若干簡(jiǎn)單推演或替換，都應(yīng)當(dāng)視為屬于本發(fā)明的保護(hù)范圍。
權(quán)利要求
1.一種隔離型DC-DC變換器拓?fù)潆娐?，包括控制器、太陽能陣輸入?SA)、母線輸出端(BUS)以及在所述太陽能陣輸入端(SA)和所述母線輸出端(BUS)之間依次連接的一次側(cè)輸入模塊(I)、變壓器模塊(2)和母線負(fù)載輸出端口模塊(4);所述一次側(cè)輸入模塊(I)包括分別半橋連接于所述太陽能陣輸入端(SA)正、負(fù)極之間的第一 MOS管(Ml)、第二 MOS管(M2)和第一電容(Cl)、第二電容(C2)，所述第一 MOS管(Ml)和所述第二 MOS管(M2)各自的柵極分別于所述控制器連接，該第一 MOS管(Ml)和該第二 MOS管(M2)的中間點(diǎn)與所述第一電容(Cl)和第二電容(C2)的中間點(diǎn)之間接有第一電感(NI);所述第一電感(NI)為所述變壓器模塊的原邊電感；其特征在于:還包括電池端口模塊和與所述電池端口模塊連接的蓄電池端，所述變壓器模塊還包括電連接的第四電感(N4)和第三電感(N3);所述第四電感(N4)和所述第三電感(N3)共地；所述母線輸出端口模塊接于第四電感(N4)的兩端之間，所述電池端口模塊接于所述第三電感(N3)的兩端之間。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的變壓器拓?fù)潆娐?，其特征在?所述電池端口模塊包括串接于所述第三電感(N3 )兩端之間的第三薄膜電容(C03 )和第三二極管(D3 )，所述第三二極管(D3)和所述第三薄膜電容(C03)的中間點(diǎn)與所述蓄電池端連接；所述電池端口模塊還包括與所述第三二極管(D3)并接于所述第三電感(N3)和所述蓄電池端之間的第三MOS管(M3)，所述第三MOS管(M3)的柵極與所述控制器連接。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的變壓器拓?fù)潆娐?，其特征在?所述電池端口模塊還包括與第三二極管(D3)并接于所述第三電感(N3)和所述蓄電池端之間的反激吸收電路。
4.根據(jù)權(quán)利要求4所述的變壓器拓?fù)潆娐?，其特征在?所述反激吸收電路包括相互串接的第五電容(C5)和第五二極管(D5)，該第五二極管(D5)與所述第三二極管(D3)反向。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的變壓器拓?fù)潆娐?，其特征在?當(dāng)所述控制器判斷進(jìn)入光照區(qū)時(shí)，所述控制器控制所述第一 MOS管(Ml)和所述第二 MOS管(M2)交替導(dǎo)通；該控制器通過控制該第一 MOS管(Ml)的占空比調(diào)節(jié)母線電壓，通過控制該第二 MOS管(M2)的占空比調(diào)節(jié)蓄電池充電電流。
6.根據(jù)權(quán)利要求2所述的變壓器拓?fù)潆娐?，其特征在?當(dāng)所述控制器判斷進(jìn)入陰影區(qū)時(shí)，所述控制器控制所述第一 MOS管(Ml)和第二 MOS管(M2)關(guān)斷、所述第三MOS管(M3)周期性開關(guān)。
7.根據(jù)權(quán)利要求1-6中任一項(xiàng)所述的變壓器拓?fù)潆娐?，其特征在?還包括接于所述太陽能陣輸入端和所述一次側(cè)輸入模塊之間的平波升壓模塊。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的變壓器拓?fù)潆娐?，其特征在?所述平波升壓模塊包括第六二極管(D6)以及依次串接于所述太陽能陣輸入端的正、負(fù)極之間的第六電感(L6)、第二電感(N2)和第六電容(C6)，所述第六二極管D6接于所述第一電容(Cl)與所述第六電感(L6)和所述第二電感(N2)的中間點(diǎn)之間。
9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的變壓器拓?fù)潆娐?，其特征在?所述第一MOS管(Ml)和所述第二 MOS管(Ml)的中間點(diǎn)與所述第一電容(Cl)和所述第二電容(C2)的中間點(diǎn)之間還接有與所述第一電感(NI)串接的第七電容(C7)。
10.根據(jù)權(quán)利要求1所述的變壓器拓?fù)潆娐?，其特征在?所述第一電容(Cl)和所述第二電容(C2)的電容值相等。
全文摘要
本發(fā)明提供一種隔離型DC-DC變換器拓?fù)潆娐罚刂破?、太陽能陣輸入端、母線輸出端、蓄電池端、與蓄電池端連接的電池端口模塊以及在太陽能陣輸入端和母線輸出端之間依次連接的一次側(cè)輸入模塊、變壓器模塊和母線負(fù)載輸出端口模塊；一次側(cè)輸入模塊包括分別半橋連接于太陽能陣輸入端正負(fù)極之間的第一、第二MOS管和第一、第二電容，第一MOS管和第二MOS管各自的柵極分別與控制器連接，第一MOS管和第二MOS管的中間點(diǎn)與第一電容和第二電容的中間點(diǎn)之間接有第一電感；變壓器模塊還包括電連接的第三、第四電感；母線輸出端口模塊接于第四電感的兩端之間，電池端口模塊接于第三電感的兩端之間。本發(fā)明能夠?qū)崿F(xiàn)適應(yīng)三端口拓?fù)涞膽?yīng)用。
文檔編號(hào)H02M3/335GK103208925SQ20131014459
公開日2013年7月17日 申請(qǐng)日期2013年4月24日 優(yōu)先權(quán)日2013年4月24日
發(fā)明者朱洪雨, 艾薩巴.侯賽因, 吳斌, 邢浩江, 張東來 申請(qǐng)人:深圳市航天新源科技有限公司