CN102064705A - 单原边绕组电流源型多输入全桥变换器 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种单原边绕组电流源型多输入全桥变换器，属于电力电子变换器领域。该变换器是由N个输入通道电路、全桥变换器电路（20）和输出整流电路（30）组成，N为大于1的自然数，每个输入通道电路均是由直流源、电感、开关管和二极管组成，N个输入通道电路中所有二极管的阴极相连接，所有直流源的负极相连接，全桥变换器电路（20）由四个全桥开关管和一个变压器组成，输出整流电路（30）由全桥整流电路和滤波电容组成。本发明变换器的变压器原边只有一个绕组，开关管的个数为4+N，变换器体积小、结构简单，当输入通道中的开关管同时关断时，直流源并联给负载供电，实现了多个输入源同时或分时向负载供电。
Description
技术领域
本发明涉及功率变换器中的一种单原边绕组电流源型多输入全桥变换器，属于电力电子变换器领域。
背景技术
随着化石能源的不断紧缺和环境污染的不断加剧，新能源和可再生能源的开发利用得到越来越广泛的关注，分布式发电***已成为研究热点，直直变换器是其中的一个重要组成部分。而新能源和可再生能源，如：太阳能、风能等，其随气候和地区的差异变化较大，电力供应不稳定、不连续，另外，燃料电池输出电压随负载的变化而变化，因此为了确保连续可靠地给负载供电，需要多种新能源优势互补构成联合供电***。
由于***中有多个输入源，每种输入源的电压并不稳定，所以需要直直变换器对电压进行调节。直直变换器按输入源数可分为两类：单输入直直变换器和多输入直直变换器。在大多数场合由于只有一个输入源，因此只采用单输入直直变换器，而新能源联合供电***有多个输入源，因此，既可以采用多个单输入直直变换器，也可采用一个多输入直直变换器。在一些中小功率且输入新能源发电装置靠近的场合，如使用多个单输入直直变换器，就会使结构变得复杂，且成本较高。在这种应用场合，为了简化电路结构，可以用一个多输入直直变换器代替多个单输入直直变换器。
在需要隔离的大功率应用场合，全桥变换器因为其结构简单的特点被广泛应用。现有的多输入全桥变换器可利用磁通耦合实现多输入，但是该变换器原边绕组数与输入源数相同，开关管器件数量多，结构复杂且成本高，控制方法比较单一。
发明内容
本发明针对现有技术存在的缺陷，而提出一种单原边绕组电流源型多输入全桥变换器。
该变换器是由N个输入通道电路、全桥变换器电路和输出整流电路组成，N为大于1的自然数，其中：
每个输入通道电路均是由直流源、电感、开关管和二极管组成，直流源的正极连接电感的一端，电感的另一端分别连接开关管的漏极和二极管的阳极，开关管的源极连接直流源的负极，N个输入通道电路中的二极管的阴极相互连接，N个输入通道电路中的直流源的负极相互连接；
全桥变换器电路是由四个全桥开关管和变压器组成，第一和第三全桥开关管的漏极相连并连接N个输入通道电路中的二极管阴极的连接点，第二和第四全桥开关管的源极相连并连接N个输入通道电路中的直流源负极的连接点，第一全桥开关管的源极分别连接第二全桥开关管的漏极和变压器原边绕组的同名端，第三全桥开关管的源极分别连接第四全桥开关管的漏极和变压器原边绕组的异名端；
输出整流电路是由四个整流二极管和滤波电容组成，第一整流二极管的阳极分别连接第二整流二极管的阴极和变压器副边绕组的同名端，第三整流二极管的阳极分别连接第四整流二极管的阴极和变压器副边绕组的异名端，第一整流二极管的阴极分别连接第三整流二极管的阴极、滤波电容的一端和负载的一端，第二整流二极管的阳极分别连接第四整流二极管的阳极、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)在输入输出实现隔离的条件下减少了输入侧的绕组数，简化了变压器的设计，进而减小了变换器的体积；
(2)减少了变换器开关管的数量，简化了电路结构；
(3)输入端电流连续，脉动较小，多个输入源可同时或分时向负载供电，大大增加了变换器的控制策略，使控制多样化。
附图说明
图1为本发明变换器的电路结构原理图。
图2～图9为双输入时本发明变换器各开关模态的等效电路原理图。
以上附图中的符号名称：1、2、N为输入通道电路的编号；20为全桥变换器电路；30为输出整流电路；Vin1，2...N、L1，2...N、Q1，2...N、D1，2...N分别为输入通道电路中的直流源、电感、开关管、二极管；Qm1～Qm4分别为第一至第四全桥开关管；W1、W2分别为变压器的原边和副边绕组；DR1～DR4分别为第一至第四整流二极管；Cf为滤波电容；RL为负载；Vo为变换器的输出电压。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步说明。
本发明引入脉冲电流源单元(Pulsating Current Source Cell，PCSC)的概念，将Boost型PCSC(输入通道)并联后直接替代全桥变换器的输入，构成单原边绕组电流源型多输入全桥变换器。
如图1所示，本发明变换器的电路结构是由N个输入通道电路、全桥变换器电路20和输出整流电路30组成，N为大于1的自然数，其中：每个输入通道电路均是由直流源、电感、开关管和二极管组成，直流源的正极连接电感的一端，电感的另一端分别连接开关管的漏极和二极管的阳极，开关管的源极连接直流源的负极，N个输入通道电路中的二极管的阴极相互连接构成N个输入通道电路的正输入端，N个输入通道电路中的直流源的负极相互连接构成N个输入通道电路的负输入端；全桥变换器电路20是由四个全桥开关管Qm1～Qm4和变压器组成，变压器包括变压器原边绕组W1和变压器副边绕组W2，第一和第三全桥开关管Qm1、Qm3的漏极相连并连接N个输入通道电路中的二极管阴极的连接点，第二和第四全桥开关管Qm2、Qm4的源极相连并连接N个输入通道电路中的直流源负极的连接点，第一全桥开关管Qm1的源极分别连接第二全桥开关管Qm2的漏极和变压器原边绕组W1的同名端，第三全桥开关管Qm3的源极分别连接第四全桥开关管Qm4的漏极和变压器原边绕组W1的异名端；输出整流电路30是由四个整流二极管DR1～DR4和滤波电容Cf组成，四个整流二极管DR1～DR4组成全桥整流电路结构，第一整流二极管DR1的阳极分别连接第二整流二极管DR2的阴极和变压器副边绕组W2的同名端，第三整流二极管DR3的阳极分别连接第四整流二极管DR4的阴极和变压器副边绕组W2的异名端，第一整流二极管DR1的阴极分别连接第三整流二极管DR3的阴极、滤波电容Cf的一端和负载RL的一端，第二整流二极管DR2的阳极分别连接第四整流二极管DR4的阳极、滤波电容Cf的另一端和负载RL的另一端。
输入通道电路1～N中，直流源与电感构成脉冲电流源，D1，2...N为阻塞二极管；全桥变换器电路20中，全桥开关管Qm1与Qm4组成互补导通的桥臂，全桥开关管Qm2与Qm3组成互补导通的桥臂；N个输入通道电路中的开关管Q1，2...N的电压应力最大值为nVo，全桥变换器电路20中的四个全桥开关管Qm1～Qm4的电压应力最大值也为nVo，n为变压器原副边绕组匝数比(n＝W1∶W2)，Vo为本变换器的输出电压。
下面以双输入为例，并结合图2～图9对本发明变换器的工作原理进行具体分析。
在分析之前先作如下假设：①所有开关管和二极管均为理想器件，不考虑开关时间、导通压降；②所有电感、电容和变压器均为理想元件。
根据开关管Q1、Q2及Qm1～Qm4的开关状态，可将变换器分为以下八种工作模态。
1.开关模态I[如图2所示]
在此模态下，输入通道1单独供电，输入通道2的电感L2充电储能。开关管Q2、Qm1、Qm4开通，二极管D1、DR1、DR4导通，开关管Q1、Qm2、Qm3关断，二极管D2、DR2、DR3反偏截止。直流源Vin1的电压通过电感L1加在变压器原边绕组W1上，电感L1电流线性上升，副边绕组W2同名端为正，再经过电容Cf滤波给负载RL供电。同时，直流源Vin2的电压加在电感L2两端，电感L2储能。
2.开关模态II[如图3所示]
在此模态下，输入通道1单独供电，输入通道2的电感L2充电储能。开关管Q2、Qm2、Qm3开通，二极管D1、DR2、DR3导通，开关管Q1、Qm1、Qm4关断，二极管D2、DR1、DR4反偏截止。直流源Vin1的电压通过电感L1加在变压器原边绕组W1上，电感L1电流线性上升，副边绕组W2同名端为负，再经过电容Cf滤波给负载RL供电。同时，直流源Vin2的电压加在电感L2两端，电感L2储能。
3.开关模态III[如图4所示]
在此模态下，输入通道2单独供电，输入通道1的电感L1充电储能。开关管Q1、Qm1、Qm4开通，二极管D2、DR1、DR4导通，开关管Q2、Qm2、Qm3关断，二极管D1、DR2、DR3反偏截止。直流源Vin2的电压通过电感L2加在变压器原边绕组W1上，电感L2电流线性上升，副边绕组W2同名端为正，再经过电容Cf滤波给负载RL供电。同时，直流源Vin1的电压加在电感L1两端，电感L1储能。
4.开关模态IV[如图5所示]
在此模态下，输入通道2单独供电，输入通道1的电感L1充电储能。开关管Q1、Qm2、Qm3开通，二极管D2、DR2、DR3导通，开关管Q2、Qm1、Qm4关断，二极管D1、DR1、DR4反偏截止。直流源Vin2的电压通过电感L2加在变压器原边绕组W1上，电感L2电流线性上升，副边绕组W2同名端为负，再经过电容Cf滤波给负载RL供电。同时，直流源Vin1的电压加在电感L1两端，电感L1储能。
5.开关模态V[如图6所示]
在此模态下，输入通道1和2联合供电。开关管Qm1、Qm4开通，二极管D1、D2、DR1、DR4导通，开关管Q1、Q2、Qm2、Qm3关断，二极管DR2、DR3反偏截止。直流源Vin1的电压通过电感L1加在变压器原边绕组W1上，电感L1电流线性上升；直流源Vin2的电压通过电感L2加在变压器原边绕组W1上，电感L2电流线性上升。副边绕组W2同名端为正，再经过电容Cf滤波给负载RL供电。
6.开关模态VI[如图7所示]
在此模态下，输入通道1和2联合供电。开关管Qm2、Qm3开通，二极管D1、D2、DR2、DR3导通，开关管Q1、Q2、Qm1、Qm4关断，二极管DR1、DR4反偏截止。直流源Vin1的电压通过电感L1加在变压器原边绕组W1上，电感L1电流线性上升；直流源Vin2的电压通过电感L2加在变压器原边绕组W1上，电感L2电流线性上升。副边绕组W2同名端为负，再经过电容Cf滤波给负载RL供电。
7.开关模态VII[如图8所示]
该模态下，输入通道1和输入通道2的电感L1、L2充电储能。开关管Q1、Q2开通，全桥开关管Qm1～Qm4均关断，二极管D1、D2反偏截止，整流二极管DR1、DR2、DR3、DR4导通，副边绕组W2上的能量通过DR1、DR2、DR3、DR4分流给负载RL释放能量。
8.开关模态VIII[如图9所示]
该模态下，输入通道1和输入通道2的电感L1、L2充电储能。开关管Q1、Q2开通，全桥开关管Qm1～Qm4均关断，二极管D1、D2、DR1、DR2、DR3、DR4反偏截止，电感L1、L2中储存的能量已经释放完毕，负载RL的电流由电容Cf提供。
由以上分析可知，本发明变换器的开关管数量大大降低，变换器的控制策略也可以有多种选择，当N个输入通道电路中的开关管同时关断时，所有直流源并联给负载供电，同时本变换器的变压器只有一个原边绕组，有利于简化变压器的设计，进而减小变换器的体积。
Claims (3)
1.一种单原边绕组电流源型多输入全桥变换器，其特征在于：
该变换器是由N个输入通道电路、全桥变换器电路(20)和输出整流电路(30)组成，N为大于1的自然数，其中：
所述N个输入通道电路中的每个输入通道电路均是由直流源、电感、开关管和二极管组成，直流源的正极连接电感的一端，电感的另一端分别连接开关管的漏极和二极管的阳极，开关管的源极连接直流源的负极，所述N个输入通道电路中的二极管的阴极相互连接构成N个输入通道电路的正输入端，N个输入通道电路中的直流源的负极相互连接构成N个输入通道电路的负输入端；
全桥变换器电路(20)是由四个全桥开关管(Qm1～Qm4)和变压器组成，第一和第三全桥开关管(Qm1、Qm3)的漏极相连并连接N个输入通道电路中的二极管阴极的连接点，第二和第四全桥开关管(Qm2、Qm4)的源极相连并连接N个输入通道电路中的直流源负极的连接点，第一全桥开关管(Qm1)的源极分别连接第二全桥开关管(Qm2)的漏极和变压器原边绕组(W1)的同名端，第三全桥开关管(Qm3)的源极分别连接第四全桥开关管(Qm4)的漏极和变压器原边绕组(W1)的异名端；
输出整流电路(30)是由四个整流二极管(DR1～DR4)和滤波电容(Cf)组成，第一整流二极管(DR1)的阳极分别连接第二整流二极管(DR2)的阴极和变压器副边绕组(W2)的同名端，第三整流二极管(DR3)的阳极分别连接第四整流二极管(DR4)的阴极和变压器副边绕组(W2)的异名端，第一整流二极管(DR1)的阴极分别连接第三整流二极管(DR3)的阴极、滤波电容(Cf)的一端和负载(RL)的一端，第二整流二极管(DR2)的阳极分别连接第四整流二极管(DR4)的阳极、滤波电容(Cf)的另一端和负载(RL)的另一端。
2.根据权利要求1所述的单原边绕组电流源型多输入全桥变换器，其特征在于：所述N个输入通道电路中的开关管的电压应力最大值为nVo，n为变压器原副边绕组匝数比，Vo为本变换器的输出电压。
3.根据权利要求1所述的单原边绕组电流源型多输入全桥变换器，其特征在于：所述全桥变换器电路(20)中的四个全桥开关管(Qm1～Qm4)的电压应力最大值为nVo，n为变压器原副边绕组匝数比，Vo为本变换器的输出电压。
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