一種新型雙輸入升降壓式dc-dc變換器的制造方法
【專利摘要】本實用新型提供了一種新型雙輸入升降壓式DC-DC變換器電路拓撲，屬于電力電子【技術(shù)領域】。該變換器的結(jié)構(gòu)是由傳統(tǒng)三電平Buck-BoostDC-DC變換器推導而來，其結(jié)構(gòu)包括2個直流輸入源Vin1和Vin2，2只開關管Q1和Q2，2個升壓電感Lf1和Lf2，2個續(xù)流二極管VD1和VD2，2個輸出分壓電容Cf1和Cf2以及1個負載電阻RLd。其中，Q1和Q2可以同時驅(qū)動，也可以錯開一定角度驅(qū)動；2個輸出分壓電容Cf1和Cf2容量很大且相等；兩輸入源Vin1和Vin2的幅值和特性可以相同，也可以不同。本實用新型提出的雙輸入升降壓式DC-DC變換器可以工作在單輸入狀態(tài)，也可以工作在雙輸入狀態(tài)，可提高分布式發(fā)電系統(tǒng)的穩(wěn)定性和靈活性。另外，本實用新型具有電路結(jié)構(gòu)簡單、系統(tǒng)體積小、成本低的優(yōu)點。
【專利說明】—種新型雙輸入升降壓式DC-DC變換器
【技術(shù)領域】
[0001]本實用新型涉及一種新型雙輸入升降壓式DC-DC變換器電路拓撲，屬于電力電子功率變換器【技術(shù)領域】。
【背景技術(shù)】
[0002]隨著世界能源危機和環(huán)境污染的日益嚴重，太陽能供電系統(tǒng)在我國應用越來越廣泛。然而作為獨立的供電系統(tǒng)，太陽能因容易受環(huán)境的影響，存在電力供應不穩(wěn)定、不連續(xù)的缺點。將風能與太陽能組成聯(lián)合供電系統(tǒng)，可大大減小電力供應不穩(wěn)定的缺點，提高系統(tǒng)穩(wěn)定性。
[0003]傳統(tǒng)的風光聯(lián)合供電系統(tǒng)中兩種能源形式各需要一個直流變換器，將風能和太陽能變成直流輸出后并聯(lián)在公共的直流母線上，結(jié)構(gòu)復雜、成本高、系統(tǒng)效率低。為簡化系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、降低成本，可以用一個雙輸入直流變換器代替兩個單輸入直流變換器。
[0004]目前，國內(nèi)外對于雙輸入直流變換器的研究文獻有很多。根據(jù)輸入源的工作模態(tài)，雙輸入直流變換器主要分為兩類。一類屬于分時型供電結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)電路結(jié)構(gòu)簡單，兩輸入源均屬于并聯(lián)結(jié)構(gòu)，容易拓展成多個輸入的情況，但在任一時刻只能有一種輸入源單獨給負載供電。另一類屬于同時供電結(jié)構(gòu)，在一個開關周期內(nèi)兩輸入源可以同時給負載提供能量，也可以一個輸入源單獨給負載提供能量，實現(xiàn)了能源的綜合利用，但目前研究較多的為雙輸入Buck變換器拓撲和雙輸入Boost變換器拓撲，該兩種變換器只能夠單獨的實現(xiàn)降壓和升壓功能，電壓增益較低，均不能很好地滿足系統(tǒng)靈活性和穩(wěn)定性的要求。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]針對上述問題，本實用新型提供了一種新的雙輸入升降壓式DC-DC變換器電路拓撲結(jié)構(gòu)，它是由傳統(tǒng)的Buck-Boost三電平直流變換器推導而來的。
[0006]本實用新型采用的技術(shù)方案如下:
[0007]—種新型雙輸入升降壓式DC-DC變換器，包括兩個直流輸入源、兩只開關管、兩個中間儲能電感、兩個續(xù)流二極管、兩個輸出分壓電容以及一個負載電阻Rw，其中，兩個直流輸入源串聯(lián)連接，直流輸入源Vinl的正極接開關管％的漏極，開關管Q1的源極接續(xù)流二極管VD1的陰極，續(xù)流二極管VD1的陽極接負載電阻Ru的一端，負載電阻Ru的另一端與續(xù)流二極管VD2的陰極相連，續(xù)流二極管VD2的陽極接開關管Q2的漏極，開關管Q2的源極接直流輸入源Vin2的負極；
[0008]兩個輸出分壓電容串聯(lián)連接后與負載電阻Ru并聯(lián)，輸出分壓電容Cfl的負極接續(xù)流二極管VD1的陽極，輸出分壓電容Cf2的正極接續(xù)流二極管VD2的陰極；
[0009]兩個中間儲能電感串聯(lián)連接，中間儲能電感Lfl的正極連接續(xù)流二極管VD1的陰極，中間儲能電感Lf2的負極連接續(xù)流二極管VD2的陽極；輸出分壓電容Cfl的正極與中間儲能電感Lfl的負極相連，中間儲能電感Lfl的負極與直流輸入電源Vin2的正極相連。
[0010]兩個直流輸入源的幅值和特性可以相同，也可以差別很大；直流輸入源Vinl和Vin2可以同時或分別向負載供電。開關管Q1和Q2可以同時驅(qū)動，也可以錯開一定角度工作。
[0011]本實用新型允許兩種能源輸入，輸入源的幅值和特性可以相同，也可以差別很大，兩種輸入源可以分別或同時向負載供電，輸出電壓范圍寬、電壓增益大，因此提高了系統(tǒng)的穩(wěn)定性和靈活性，實現(xiàn)了能源的綜合利用。另外，本實用新型相對于帶有兩個單輸入直流變換器的分布式發(fā)電系統(tǒng)而言，具有電路結(jié)構(gòu)簡單、系統(tǒng)體積小、成本低的優(yōu)點。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0012]圖1為本實用新型的雙輸入升降壓式DC-DC變換器電路拓撲原理圖。
[0013]圖2為本實用新型的雙輸入升降壓式DC-DC變換器不同開關模態(tài)的等效電路，其中:(a) Q1和Q2同時導通；(b) Q1導通，Q2關斷；(c) Q1關斷，Q2導通；(d) Q1和Q2同時關斷；(e)電感電流等于零。
[0014]圖3為本實用新型的雙輸入升降壓式DC-DC變換器電路拓撲穩(wěn)態(tài)工作波形，其中:(a) Q1和Q2同時驅(qū)動的穩(wěn)態(tài)工作波形；(WQ1和Q2相差180°驅(qū)動的穩(wěn)態(tài)工作波形。
[0015]圖4為本實用新型兩路輸入源同時工作時的穩(wěn)態(tài)仿真實驗的波形圖，其中=(B)Q1和Q2同時驅(qū)動的穩(wěn)態(tài)仿真波形；(WQ1和Q2相差180°驅(qū)動的穩(wěn)態(tài)仿真波形。
[0016]圖5為本實用新型一路輸入源單獨工作時的穩(wěn)態(tài)仿真實驗的波形圖，其中:(a)Vinl單獨工作時穩(wěn)態(tài)仿真波形；(b)Vin2單獨工作時穩(wěn)態(tài)仿真波形。
[0017]圖6為本實用新型兩路輸入源同時工作時輸入源變化的仿真實驗的波形圖，其中:(a)Vinl=60V, Vin2=140V ； (b)Vinl=80V, Vin2=140Vo
[0018]圖7為本實用新型兩路輸入源同時工作時負載變化的仿真實驗的波形圖，其中:(a) RLd=50 Ω ； (b)RLd=100Q 0
[0019]圖8為本實用新型兩路輸入源同時工作時占空比變化的仿真實驗的波形圖，其中:(a)D1=0.4, D2=0.3 ； (b)D1=0.6, D2=0.3。
【具體實施方式】
[0020]以下結(jié)合附圖對本實用新型做出進一步說明。
[0021]附圖1為本實用新型的雙輸入升降壓式DC-DC變換器電路圖。
[0022]雙輸入升降壓式DC-DC變換器，包括2個直流輸入源Vinl和Vin2，2只開關管Q1和Q2, 2個中間儲能電感Lfl和Lf2, 2個續(xù)流二極管VD1和VD2, 2個輸出分壓電容Cfl和Cf2以及I個負載電阻Ru。其中，2個直流輸入源Vinl和Vin2串聯(lián)連接，Vinl的正極接開關管Q1的漏極，開關管Q1的源極接續(xù)流二極管VD1的陰極，續(xù)流二極管VD1的陽極接負載電阻Ru的一端，負載電阻Rw的另一端與續(xù)流二極管VD2的陰極相連，續(xù)流二極管VD2的陽極接開關管Q2的漏極，開關管Q2的源極接直流輸入源Vin2的負極；2個輸出分壓電容Cfl和Cf2串聯(lián)連接后與負載電阻Ru并聯(lián)，輸出分壓電容Cfl的負極接續(xù)流二極管VD1的陽極，輸出分壓電容Cf2的陽極接續(xù)流二極管VD2的陰極；兩中間儲能電感Lfl和Lf2串聯(lián)連接，中間儲能電感Lfl的正極連接續(xù)流二極管VD1的陰極，中間儲能電感Lf2的負極連接續(xù)流二極管VD2的陽極；輸出分壓電容Cfl的正極與中間儲能電感Lfl的負極相連，中間儲能電感Lfl的負極與直流輸入電源Vin2的正極相連。
[0023]根據(jù)附圖1具體分析電路的工作模態(tài)。其中Vinl、Vin2分別為兩路直流輸入電壓，V0和I。分別為輸出電壓和輸出電流，Qp Q2為兩只開關管，VD1, VD2為續(xù)流二極管，Lfl和Lf2是中間儲能電感，Cfl和Cf2是兩個輸出分壓電容，其容量很大且相等，Ru是負載電阻。Q1^Q2可以同時開通，也可以錯開一定角度工作。本實用新型以相同開關頻率、兩開關管同時驅(qū)動的情況為例，介紹其工作原理。根據(jù)兩只開關管的開關狀態(tài)，變換器存在以下5種開關模態(tài)。附圖2給出了本實用新型的雙輸入升降壓式DC-DC變換器不同開關模態(tài)的等效電路。
[0024](I)開關模態(tài)I。如圖2(a)所示，開關管Q1和Q2同時導通，續(xù)流二極管VD1和VD2均關斷，VD1和VD2所承受的電壓應力分別為Vinl+VCfl和Vin2+VCf2。直流輸入電源Vinl和Vin2分別對中間儲能電感Lfl和Lf2充電，電感Lfl和Lf2的電流線性增大，輸出分壓電容Cfl和Cf2兩者串聯(lián)共同向負載Ru供電。此時，電感Lfl兩端電HVm=Vinl,電感Lf2兩端電壓Vw2=Vin2。
[0025](2)開關模態(tài)II。如圖2(b)所示，開關管Q1導通、Q2關斷，續(xù)流二極管VD1關斷、VD2導通，直流輸入電源Vinl對中間儲能電感Lfl充電，電感Lfl的電流線性增加，輸出分壓電容Cfl放電，中間儲能電感Lf2通過續(xù)流二極管VD2向電容Cf2和負載電阻Rw供電，電感Lf2的電流線性減小。此時，電感Lfl兩端電壓Vm=Vinl,電感Lf2兩端電壓VW2=-VCf2。
[0026](3)開關I旲態(tài)III。如圖2(c)所不，開關管Q1關斷、Q2導通，續(xù)流二極管VD1導通、VD2關斷，直流輸入電源Vin2對電感Lf2充電，電感Lf2的電流線性增加，輸出分壓電容Cf2放電，電感Lfl通過續(xù)流二極管VD1向電容Cfl和負載電阻Rw供電，電感Lfl的電流線性減小。此時電感Lfl兩端電壓Vm=-Vm,電感Lf2兩端電壓Vw2=Vin2。
[0027](4)開關模態(tài)IV。如圖2 (d)所示，開關管Q1和Q2同時關斷，續(xù)流二極管VD1和VD2均導通，中間儲能電感Lfl和Lf2通過續(xù)流二極管VD1和VD2向分壓電容Cfl、Cf2和負載電阻RLd供電，電感Lfl和Lf2的 電流線性減小。此時電感Lfl兩端電壓Vm=-Vm,電感Lf2兩端電壓 VLf2__Vcf2。
[0028](5)開關模態(tài)V。如圖2(e)所示，當中間儲能電感Lfl和Lf2電感量較小或負載減輕時，電感電流將會為零，負載由輸出濾波電容供電。
[0029]從上述各工作模態(tài)分析可知，Vinl單獨向負載供電時，模態(tài)II和模態(tài)IV交替工作，續(xù)流二極管VD2始終導通，穩(wěn)態(tài)時電感電流iW2始終等于輸出電流，故Vu2==O,所以電容Cf2被二極管VD2始終箝位在-0.7V左右(理想狀態(tài)下為0V)，該變換器相當于一個傳統(tǒng)Buck-Boost DC-DC變換器。Vin2單獨向負載供電時，原理類似。兩路輸入源同時工作時，該變換器相當于將兩個傳統(tǒng)Buck-Boost DC-DC變換器的輸出端串聯(lián)。開關管Q1和續(xù)流二極管VD1所承受的電壓應力為Vinl+Vm,開關管Q2和續(xù)流二極管VD2所承受的電壓應力為Vin2+Vra2，相對于傳統(tǒng)的Buck-Boost DC-DC變換器，降低了開關器件的電壓應力。因此實際應用時，該變換器拓撲更適宜工作在雙輸入狀態(tài)，這樣有利于降低開關器件的電壓應力，減小續(xù)流二極管的導通時間。
[0030]附圖3給出了 Vinl〈V。，Vin2〈V。的變換器穩(wěn)態(tài)工作波形，其中Vesi和ves2分別為開關管QjPQ2驅(qū)動信號。假設占空比D1O2，其中圖3(a)為兩開關管同時驅(qū)動，在一個開關周期Ts內(nèi)，電路工作時序分別為模態(tài)1、III和模態(tài)IV。圖3(b)為兩開關管相差180°驅(qū)動，在一個開關周期Ts內(nèi)，電路工作時序分別為模態(tài)1、I1、IV和模態(tài)III。
[0031]根據(jù)附圖3，對電感Lfl和Lf2分別應用電感的伏秒平衡原理，可得:
[0032]VinlD1Ts-Vcfl(1-D1)Ts=O(I)
[0033]Vin2D2Ts-Vcf2(1-D2)Ts=O(2)[0034]由式⑴和式⑵可得穩(wěn)態(tài)輸入/輸出關系:
[0035]K = ^Cfl + Kn = ^nl(3)
[0036]對電容Cfl和Cf2分別應用電容安秒平衡原理，可得:
[0037]/Lfi =⑷
[0038]7LC ^⑶
[0039]所以兩輸入源輸入電流的平均值分別為:
DI
[0040]Iinl = DlIui = -f-r-(b)

I 丨
r ^ r DJ
[0041 ] Zin2 = D21Ln =(7)
[0042]式中，Im、Iu2分別為電感Lfl、Lf2的穩(wěn)態(tài)平均電流。
[0043]附圖4-8為本實用新型進行仿真實驗的波形圖。
[0044]其中，附圖4為兩路輸入源同時工作的穩(wěn)態(tài)仿真波形，圖4(a)為兩開關管同時驅(qū)動的情況，圖4(b)為兩開關管交錯180°驅(qū)動的情況。從圖4中可以看出:無論兩開關管是同時驅(qū)動還是交錯180°驅(qū)動，開關管Q1導通時，電感Lfl的電流線性增大，電容Cfl放電；當開關管Q1關斷時，電感Lfl的電流線性減小，電容Cfl充電。開關管Q2導通時，電感Lf2的電流線性增大，電容Cf2放電；當開關管Q2關斷時，電感Lf2的電流線性減小，電容Cf2充電。
[0045]附圖5為一路輸入源單獨工作的穩(wěn)態(tài)仿真波形，圖5 (a) Vinl單獨工作時穩(wěn)態(tài)仿真波形，圖5(b)Vin2單獨工作時穩(wěn)態(tài)仿真波形。從圖5(a)中可以看出:Vinl單獨向負載供電時，開關管Q1導通時，電感Lfl的電流線性增大，電容Cfl放電；當開關管Q1關斷時，電感Ln的電流線性減小，電容Cfl充電。電容Cf2在整個開關周期中均被箝位在-0.7V左右(理想狀態(tài)下為0V)。從圖5(b)中可以看出:Vin2單獨向負載供電時，開關管Q2導通時，電感Lf2的電流線性增大，電容Cf2放電；當開關管Q2關斷時，電感Lf2的電流線性減小，電容Cf2充電。電容Cfl在整個開關周期中均被箝位在-0.7V左右(理想狀態(tài)下為0V)。
[0046]從圖4和圖5可以看出，雙輸入Buck-Boost DC-DC變換器兩驅(qū)動信號既可以同時驅(qū)動也可以交錯180°驅(qū)動；既允許兩路輸入源同時向負載供電，又允許一路輸入源單獨向負載供電。仿真結(jié)果驗證了雙輸入Buck-Boost DC-DC變換器工作原理分析的正確性。
[0047]附圖6給出了輸入源變化時，兩電容電壓和輸出電壓的仿真波形。圖6(a)為Vinl=60V, Vin2=140V, D1=0.4，D2=0.3 時的仿真波形，從圖中可以看出 Vm=40V，VCf2=60V,V0=IOOV。圖6(b)為Vinl=80V, Vin2=140V, D1=0.4，D2=0.3時的仿真波形，從圖中可以看出VCfl=53V, VCf2=60V, V0=113Vo 均滿足公式(3)。
[0048]附圖7給出了負載變化時，兩電容電壓和輸出電壓的仿真波形。圖7(a)為Vinl=60V, Vin2=140V, D1=0.4，D2=0.3，RLd=50 Ω 時的仿真波形，0 7(b) % Vinl=60V, Vin2=140V,D1=O-1D2=OH=IOOQ時的仿真波形。從圖7中可以看出雙輸入Buck-Boost DC-DC變換器兩電容電壓值和輸出電壓值均保持不變，且滿足公式(3)。[0049]附圖8給出了輸入電壓和負載不變，開關管占空比變化時，兩電容電壓和輸出電壓的仿真波形。圖8(a)為Vinl=60V，Vin2=HOVJ1=0.4,D2=0.3時的仿真波形，從圖中可以看出 VCfl=40V, VCf2=60V, V0=IOOVo 圖 8 (b)為 Vinl=60V, Vin2=140V, D1=0.6，D2=0.3 時的仿真波形，從圖中可以看出Vm=90V，VCf2=60V, V0=150Vo均滿足公式(3)。
[0050]仿真結(jié)果表明:雙輸入Buck-Boost DC-DC變換器在輸入源變化、負載變化和開關管占空比變化三種情況，穩(wěn)態(tài)輸入/輸出關系均滿足公式(3)，從而驗證了其正確性。
[0051]本實用新型提出的雙輸入升降壓式DC-DC變換器既可以工作在單輸入狀態(tài)又可工作在雙輸入狀態(tài)，當一路輸入源單獨工作時，該電路拓撲相當于一個傳統(tǒng)的Buck-BoostDC-DC變換器，當兩路輸入源同時工作時，該電路拓撲相當于將兩個傳統(tǒng)Buck-Boost DC-DC變換器的輸出串聯(lián)，增大了系統(tǒng)電壓增益，提高了系統(tǒng)穩(wěn)定性和靈活性。另外，本實用新型相對于帶有兩個單輸入直流變換器的分布式發(fā)電系統(tǒng)而言，具有電路結(jié)構(gòu)簡單、系統(tǒng)體積小、成本低的優(yōu)點。
【權(quán)利要求】
1.一種新型雙輸入升降壓式DC-DC變換器，其特征在于:包括兩個直流輸入源、兩只開關管、兩個中間儲能電感、兩個續(xù)流二極管、兩個輸出分壓電容以及一個負載電阻慫d，其中， 兩個直流輸入源串聯(lián)連接，直流輸入源Kinl的正極接開關管Q1的漏極，開關管Q1的源極接續(xù)流二極管VD1的陰極，續(xù)流二極管VD1的陽極接負載電阻慫d的一端，負載電阻的另一端與續(xù)流二極管VD2的陰極相連，續(xù)流二極管VD2的陽極接開關管Q2的漏極，開關管Q2的源極接直流輸入源Kin2的負極； 兩個輸出分壓電容串聯(lián)連接后與負載電阻并聯(lián)，輸出分壓電容^^的負極接續(xù)流二極管VD1的陽極，輸出分壓電容&2的正極接續(xù)流二極管VD2的陰極； 兩個中間儲能電感串聯(lián)連接，中間儲能電感Zfl的正極連接續(xù)流二極管VD1的陰極,中間儲能電感Zf2的負極連接續(xù)流二極管VD2的陽極；輸出分壓電容Cfl的正極與中間儲能電感Zfl的負極相連，中間儲能電感Zfl的負極與直流輸入電源Kin2的正極相連。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種新型雙輸入升降壓式DC-DC變換器，其特征在于:所述兩個直流輸入源的幅值和特性相同或者不同，兩個直流輸入源同時或分別向負載供電。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種新型雙輸入升降壓式DC-DC變換器，其特征在于:所述兩只開關管為同時驅(qū)動或者為錯開一定角度的工作方式。
4.根據(jù)權(quán)利要求1、2或3所述的一種新型雙輸入升降壓式DC-DC變換器，其特征在于:所述兩個輸出分壓電 容值相等。
【文檔編號】H02M3/07GK203434858SQ201320355930
【公開日】2014年2月12日 申請日期:2013年6月20日 優(yōu)先權(quán)日:2013年6月20日
【發(fā)明者】廖志凌, 施衛(wèi)東, 徐艷杰, 蔡曉磊 申請人:江蘇大學