CN102035382B - 单磁芯三端口直流变换器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了四种单磁芯三端口直流变换器，属于电力电子变换器领域。所述四种变换器均是由三个开关管、三个二极管、滤波电容及滤波电感（或变压器）构成，并连接输入源、蓄电池和负载，采用一个变换器即可同时实现主电源、蓄电池和负载三者的功率管理。本发明变换器中仅使用一个磁性元器件，体积小，重量轻，功率密度高，各端口之间均为单级，能有效完成***功率管理与控制，适用于航天卫星供电及新能源发电***。

Description

单磁芯三端口直流变换器

技术领域

本发明涉及功率变换器中的四种单磁芯三端口直流变换器，属于电力电子变换器领域。

背景技术

随着能源危机和环境污染问题日益严重，太阳能、风能、燃料电池等新能源发电技术成为世界各国关注和研究的热点。独立运行的新能源发电***是新能源发电应用的非常重要的一种方式，可以解决偏远山区、孤岛等无电网地区的供电问题，除此之外，航天卫星中一般以太阳能作为输入源，蓄电池作为备用电源，共同向卫星进行供电，该结构与独立新能源发电***的结构一致，因此对独立新能源发电***的研究可以进一步推广应用于航天卫星供电***等领域。

新能源发电设备固有的缺陷为独立新能源供电***带来了一些新的难题和挑战，如：燃料电池的响应速度比较缓慢，输出功率不能及时跟踪负载的变化；风能、太阳能发电由于受到风速、风向、日照强度、环境温度等自然条件变化的影响而不能持续、稳定的输出电能，导致***稳定性问题的增加。因此，独立运行的新能源发电***必须配备一定容量的储能装置。储能装置起到能量平衡和支撑作用，及时补充***的短时峰值功率，回收多余功率，保证供电的连续性和可靠性，提高电能的利用率，并且使发电设备在输出功率或负载功率波动较大时，仍能够保持良好的稳定性。

包含储能环节的独立新能源发电***中，由于需要同时管理输入源、蓄电池和负载三者的功率，一般需要采用两个或多个变换器共同完成***功率管理的任务，各变换器分散控制，***体积、重量大，且存在多级功率变换，***效率较低。针对上述应用背景及存在的问题，研究人员提出采用三端口变换器代替上述多个独立的变换器实现独立新能源发电***的功率管理，如文献“Danwei Liu，Hui Li.A ZVS Bi-Directional DC-DC Converter for Multiple EnergyStorage Elements，IEEE Transactions on Power Electronics，2006，vol.21(5)：1513-1517”，文献“Chuanhong Zhao，Simon D.Round，Johann W.Kolar.An Isolated Three-Port BidirectionalDC-DC Converter With Decoupled Power Flow Management，IEEE Transactions on PowerElectronics，2008，23(5)：2443-2553”及文献“Hariharan Krishnaswami，Ned Mohan.Three-PortSeries Resonant DC-DC Converter to Interface Renewable Energy Sources With Bidirectional Loadand Energy Storage Ports，IEEE Transactions on Power Electronics，2009，24(10)：2289-2297”提出了几种不同的三端口变换器，其共同特点在于各端口均通过变压器绕组相互隔离，因此端口之间均为隔离变换，使用的开关管数量较多，且变换效率会受到影响。

发明内容

本发明针对现有技术存在的不足，而提出四种可同时实现输入源、蓄电池和负载功率管理与控制的单磁芯三端口直流变换器。

第一种单磁芯三端口直流变换器的结构包括：输入源、蓄电池、第一至第三开关管、第一至第三二极管、滤波电容和滤波电感，其中：第一二极管的阳极连接输入源的正极，第一二极管的阴极分别连接第三开关管的源极和滤波电感的一端，滤波电感的另一端分别连接第二二极管的阳极、第三二极管的阳极和第一开关管的漏极，第二二极管的阴极分别连接滤波电容的一端和负载的一端，第三开关管的漏极分别连接蓄电池的正极和第二开关管的源极，第二开关管的漏极连接第三二极管的阴极，输入源的负极分别连接蓄电池的负极、第一开关管的源极、滤波电容的另一端和负载的另一端。

第二种单磁芯三端口直流变换器的结构包括：输入源、蓄电池、第一至第三开关管、第一至第三二极管、滤波电容和滤波电感，其中：第一开关管的漏极连接输入源的正极，第一开关管的源极分别连接第三开关管的源极、第一二极管的阴极和滤波电感的一端，滤波电感的另一端分别连接第三二极管的阳极和第二开关管的漏极，第二开关管的源极分别连接滤波电容的一端和负载的一端，第三开关管的漏极连接第二二极管的阴极，第二二极管的阳极分别连接蓄电池的正极和第三二极管的阴极，输入源的负极分别连接蓄电池的负极、第一二极管的阳极、滤波电容的另一端和负载的另一端。

第三种单磁芯三端口直流变换器的结构包括：输入源、蓄电池、第一至第三开关管、第一至第三二极管、滤波电容和滤波电感，其中：第一二极管的阳极连接输入源的正极，第一二极管的阴极分别连接第三开关管的源极、滤波电感的一端和第二二极管的阴极，第二二极管的阳极分别连接滤波电容的一端和负载的一端，第三开关管的漏极分别连接蓄电池的正极和第二开关管的源极，第二开关管的漏极连接第三二极管的阴极，第三二极管的阳极分别连接第一开关管的漏极、滤波电感的另一端、滤波电容的另一端和负载的另一端，输入源的负极分别连接蓄电池的负极和第一开关管的源极。

第四种单磁芯三端口直流变换器的结构包括：输入源、蓄电池、第一至第三开关管、第一至第三二极管、变压器和滤波电容，所述变压器包括原边绕组和副边绕组，其中：第一二极管的阳极连接输入源的正极，第一二极管的阴极分别连接第三开关管的源极和原边绕组的同名端，第三开关管的漏极分别连接蓄电池的正极和第二开关管的源极，第二开关管的漏极连接第三二极管的阴极，第三二极管的阳极分别连接原边绕组的非同名端和第一开关管的漏极，输入源的负极分别连接蓄电池的负极和第一开关管的源极，副边绕组的非同名端连接第二二极管的阳极，第二二极管的阴极分别连接滤波电容的一端和负载的一端，副边绕组的同名端分别连接滤波电容的另一端和负载的另一端。

本发明具有如下技术效果：

(1)通过一个变换器实现了输入源、蓄电池和负载的功率管理与控制；

(2)变换器仅采用一个磁性元器件，体积小、重量轻、功率密度高、成本低；

(3)任意两个端口之间均为单级，***效率高；

(4)整个变换器成为一个整体，采用集中控制，控制简单、可靠性高。

附图说明

图1为本发明第一种单磁芯三端口直流变换器的结构原理图。

图2为本发明第二种单磁芯三端口直流变换器的结构原理图。

图3为本发明第三种单磁芯三端口直流变换器的结构原理图。

图4为本发明第四种单磁芯三端口直流变换器的结构原理图。

图5(a)为图1所示的变换器工作在双输出模式时的等效电路图；图5(b)为图1所示的变换器工作在双输入模式时的等效电路图；图5(c)为图1所示的变换器工作在单输入单输出模式时的等效电路图。

图1～图5中的符号名称：V_in为输入(直流)源；V_b为蓄电池；R_o为负载；T为变压器；N_P为变压器原边绕组；N_S为变压器副边绕组；S₁、S₂、S₃分别为第一、第二、第三开关管；D₁、D₂、D₃分别为第一、第二、第三二极管；C_o为滤波电容；L_o为滤波电感；v_Lo为滤波电感两端电压；i_Lo为滤波电感电流；V_o为输出电压。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步说明。

如图1所示，本发明的第一种单磁芯三端口直流变换器，包括输入源V_in，蓄电池V_b，第一至第三开关管S₁、S₂、S₃，第一至第三二极管D₁、D₂、D₃，滤波电容C_o和滤波电感L_o，其中：第一二极管D₁的阳极连接输入源V_in的正极，第一二极管D₁的阴极分别连接第三开关管S₃的源极和滤波电感L_o的一端，滤波电感L_o的另一端分别连接第二二极管D₂的阳极、第三二极管D₃的阳极和第一开关管S₁的漏极，第二二极管D₂的阴极分别连接滤波电容C_o的一端和负载R_o的一端，第三开关管S₃的漏极分别连接蓄电池V_b的正极和第二开关管S₂的源极，第二开关管S₂的漏极连接第三二极管D₃的阴极，输入源V_in的负极分别连接蓄电池V_b的负极、第一开关管S₁的源极、滤波电容C_o的另一端和负载R_o的另一端。

如图2所示，本发明的第二种单磁芯三端口直流变换器，包括输入源V_in，蓄电池V_b，第一至第三开关管S₁、S₂、S₃，第一至第三二极管D₁、D₂、D₃，滤波电容C_o和滤波电感L_o，其中：第一开关管S₁的漏极连接输入源V_in的正极，第一开关管S₁的源极分别连接第三开关管S₃的源极、第一二极管D₁的阴极和滤波电感L_o的一端，滤波电感L_o的另一端分别连接第三二极管D₃的阳极和第二开关管S₂的漏极，第二开关管S₂的源极分别连接滤波电容C_o的一端和负载R_o的一端，第三开关管S₃的漏极连接第二二极管D₂的阴极，第二二极管D₂的阳极分别连接蓄电池V_b的正极和第三二极管D₃的阴极，输入源V_in的负极分别连接蓄电池V_b的负极、第一二极管D₁的阳极、滤波电容C_o的另一端和负载R_o的另一端。

如图3所示，本发明的第三种单磁芯三端口直流变换器，包括输入源V_in，蓄电池V_b，第一至第三开关管S₁、S₂、S₃，第一至第三二极管D₁、D₂、D₃，滤波电容C_o和滤波电感L_o，其中：第一二极管D₁的阳极连接输入源V_in的正极，第一二极管D₁的阴极分别连接第三开关管S₃的源极、滤波电感L_o的一端和第二二极管D₂的阴极，第二二极管D₂的阳极分别连接滤波电容C_o的一端和负载R_o的一端，第三开关管S₃的漏极分别连接蓄电池V_b的正极和第二开关管S₂的源极，第二开关管S₂的漏极连接第三二极管D₃的阴极，第三二极管D₃的阳极分别连接第一开关管S₁的漏极、滤波电感L_o的另一端、滤波电容C_o的另一端和负载R_o的另一端，输入源V_in的负极分别连接蓄电池V_b的负极和第一开关管S₁的源极。

如图4所示，本发明的第四种单磁芯三端口直流变换器，包括输入源V_in，蓄电池V_b，第一至第三开关管S₁、S₂、S₃，第一至第三二极管D₁、D₂、D₃，变压器T和滤波电容C_o，所述变压器T包括原边绕组N_P和副边绕组N_S，其中：第一二极管D₁的阳极连接输入源V_in的正极，第一二极管D₁的阴极分别连接第三开关管S₃的源极和原边绕组N_P的同名端，第三开关管S₃的漏极分别连接蓄电池V_b的正极和第二开关管S₂的源极，第二开关管S₂的漏极连接第三二极管D₃的阴极，第三二极管D₃的阳极分别连接原边绕组N_P的非同名端和第一开关管S₁的漏极，输入源V_in的负极分别连接蓄电池V_b的负极和第一开关管S₁的源极，副边绕组N_S的非同名端连接第二二极管D₂的阳极，第二二极管D₂的阴极分别连接滤波电容C_o的一端和负载R_o的一端，副边绕组N_S的同名端分别连接滤波电容C_o的另一端和负载R_o的另一端。

本发明的第一种变换器适用于输入源V_in电压、蓄电池V_b电压及负载R_o端的输出电压V_o满足V_in＜V_b＜V_o的应用场合；本发明的第二种变换器适用于输入源V_in电压、蓄电池V_b电压及负载R_o端的输出电压V_o满足V_in＞V_b＞V_o的应用场合；本发明的第三和第四种变换器适用于输入源V_in电压、蓄电池V_b电压满足V_in＜V_b的应用场合，对负载端R_o的输出电压V_o则没有限制。

下面以图1所示的单磁芯三端口直流变换器为例来说明本发明的具体工作原理，其它三种单磁芯三端口直流变换器的工作原理与之相似。

图1所示的变换器适用于独立新能源供电***，在该***中，输入源V_in作为***的主要能量来源向负载提供功率。当输入源V_in输入的功率大于负载R_o需要的功率时，多余的功率向蓄电池V_b充电，称该种工作模式为双输出模式；当输入源V_in输入的功率小于负载R_o需要的功率时，不足的功率由蓄电池V_b放电提供，称该种工作模式为双输入模式；当输入源V_in输入的功率为零时，蓄电池V_b单独向负载R_o供电，称该种工作模式为单输入单输出模式。***能够根据输入源V_in和负载R_o的工作状态来自动选择双输入、双输出或者单输入单输出模式进行工作。

变换器工作于双输出模式时，第三开关管S₃一直关断，通过控制第一和第二开关管S₁、S₂的开通与关断来管理***的功率，变换器的等效电路如图5(a)所示，此时变换器等效于双输出Boost变换器。

变换器工作于双输入模式时，第二开关管S₂一直关断，通过控制第一和第三开关管S₁、S₃的开通与关断来管理***的功率，变换器的等效电路如图5(b)所示，此时变换器等效于双输入Boost变换器。

变换器工作于单输入单输出模式时，第三开关管S₃一直导通，第二开关管S₂一直关断，通过控制第一开关管S₁的开通与关断来管理***的功率，变换器的等效电路如图5(c)所示，此时变换器等效于普通Boost变换器。

下面列出图1所示变换器的具体实施例参数：输入源V_in的电压在14～22V之间变化，蓄电池V_b的电压为24V，输出电压V_o为30V，输入源V_in的功率在0～200W之间变化，负载R_o的功率恒定为140W，第一、第二、第三开关管S₁、S₂、S₃均选用MOSFET，开关管开关频率为80kHz，第一、第二、第三二极管D₁、D₂、D₃均选用肖特基二极管。

Claims (4)

1.一种单磁芯三端口直流变换器，其特征在于：包括输入源（V_in）、蓄电池（V_b）、第一至第三开关管（S₁、S₂、S₃）、第一至第三二极管（D₁、D₂、D₃）、滤波电容（C_o）和滤波电感（L_o），其中：第一二极管（D₁）的阳极连接输入源（V_in）的正极，第一二极管（D₁）的阴极分别连接第三开关管（S₃）的源极和滤波电感（L_o）的一端，滤波电感（L_o）的另一端分别连接第二二极管（D₂）的阳极、第三二极管（D₃）的阳极和第一开关管（S₁）的漏极，第二二极管（D₂）的阴极分别连接滤波电容（C_o）的一端和负载（R_o）的一端，第三开关管（S₃）的漏极分别连接蓄电池（V_b）的正极和第二开关管（S₂）的源极，第二开关管（S₂）的漏极连接第三二极管（D₃）的阴极，输入源（V_in）的负极分别连接蓄电池（V_b）的负极、第一开关管（S₁）的源极、滤波电容（C_o）的另一端和负载（R_o）的另一端；

所述输入源（V_in）、蓄电池（V_b）和负载（R_o）分别作为三端口中的一个端口。

2.一种单磁芯三端口直流变换器，其特征在于：包括输入源（V_in）、蓄电池（V_b）、第一至第三开关管（S₁、S₂、S₃）、第一至第三二极管（D₁、D₂、D₃）、滤波电容（C_o）和滤波电感（L_o），其中：第一开关管（S₁）的漏极连接输入源（V_in）的正极，第一开关管（S₁）的源极分别连接第三开关管（S₃）的源极、第一二极管（D₁）的阴极和滤波电感（L_o）的一端，滤波电感（L_o）的另一端分别连接第三二极管（D₃）的阳极和第二开关管（S₂）的漏极，第二开关管（S₂）的源极分别连接滤波电容（C_o）的一端和负载（R_o）的一端，第三开关管（S₃）的漏极连接第二二极管（D₂）的阴极，第二二极管（D₂）的阳极分别连接蓄电池（V_b）的正极和第三二极管（D₃）的阴极，输入源（V_in）的负极分别连接蓄电池（V_b）的负极、第一二极管（D₁）的阳极、滤波电容（C_o）的另一端和负载（R_o）的另一端；

所述输入源（V_in）、蓄电池（V_b）和负载（R_o）分别作为三端口中的一个端口。

3.一种单磁芯三端口直流变换器，其特征在于：包括输入源（V_in）、蓄电池（V_b）、第一至第三开关管（S₁、S₂、S₃）、第一至第三二极管（D₁、D₂、D₃）、滤波电容（C_o）和滤波电感（L_o），其中：第一二极管（D₁）的阳极连接输入源（V_in）的正极，第一二极管（D₁）的阴极分别连接第三开关管（S₃）的源极、滤波电感（L_o）的一端和第二二极管（D₂）的阴极，第二二极管（D₂）的阳极分别连接滤波电容（C_o）的一端和负载（R_o）的一端，第三开关管（S₃）的漏极分别连接蓄电池（V_b）的正极和第二开关管（S₂）的源极，第二开关管（S₂）的漏极连接第三二极管（D₃）的阴极，第三二极管（D₃）的阳极分别连接第一开关管（S₁）的漏极、滤波电感（L_o）的另一端、滤波电容（C_o）的另一端和负载（R_o）的另一端，输入源（V_in）的负极分别连接蓄电池（V_b）的负极和第一开关管（S₁）的源极；

所述输入源（V_in）、蓄电池（V_b）和负载（R_o）分别作为三端口中的一个端口。

4.一种单磁芯三端口直流变换器，其特征在于：包括输入源（V_in）、蓄电池（V_b）、第一至第三开关管（S₁、S₂、S₃）、第一至第三二极管（D₁、D₂、D₃）、变压器（T）和滤波电容（C_o），所述变压器（T）包括原边绕组（N_P）和副边绕组（N_S），其中：第一二极管（D₁）的阳极连接输入源（V_in）的正极，第一二极管（D₁）的阴极分别连接第三开关管（S₃）的源极和原边绕组（N_P）的同名端，第三开关管（S₃）的漏极分别连接蓄电池（V_b）的正极和第二开关管（S₂）的源极，第二开关管（S₂）的漏极连接第三二极管（D₃）的阴极，第三二极管（D₃）的阳极分别连接原边绕组（N_P）的非同名端和第一开关管（S₁）的漏极，输入源（V_in）的负极分别连接蓄电池（V_b）的负极和第一开关管（S₁）的源极，副边绕组（N_S）的非同名端连接第二二极管（D₂）的阳极，第二二极管（D₂）的阴极分别连接滤波电容（C_o）的一端和负载（R_o）的一端，副边绕组（N_S）的同名端分别连接滤波电容（C_o）的另一端和负载（R_o）的另一端；

所述输入源（V_in）、蓄电池（V_b）和负载（R_o）分别作为三端口中的一个端口。

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