CN103326562A - 一种新型风光互补双输入sepic dc-dc变换器 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种新型风光互补双输入SEPIC DC-DC变换器，包括两个直流输入源V in1、V in2，两只开关管Q 1、Q 2，三个储能电感L 1、L 2、L 3，两个续流二极管D 1、D 2，两个中间储能电容C b1、C b2，两个输出分压电容C f1、C f2，一个负载电阻R Ld。其中，Q 1和Q 2可同时开通，也可错开一定角度工作；2个输出分压电容C f1和C f2容量很大且相等；两输入源V in1和V in2的性质、幅值和特性可以相同，也可以不同。本发明双输入SEPIC DC-DC变换器既可工作在单输入状态，又可工作在双输入状态，可提高分布式发电***的稳定性和灵活性；另外，本发明相对于带有两个单输入直流变换器的分布式发电***而言，具有结构简单、体积小、成本低的优点。
Description
技术领域
本发明涉及一种新型风光互补双输入SEPIC DC-DC变换器，属于电力电子功率变换器技术领域。
背景技术
随着经济社会的发展，化石能源的大量消耗所带来的能源危机和环境污染日益严重，寻找积极有效的应对措施来解决能源危机和环境污染问题，已成为国内外极为关注的热点之一。而太阳能、风能等可再生能源具有可靠、清洁无污染、能源丰富的特点，因此成为了补充能源较好的方式。目前，应用较多的可再生能源发电形式有光伏发电、风力发电、燃料电池供电、水力发电等等，但均存在电力供应不稳定、不连续、随气候条件变化等缺点，因此需要采用多种能源联合供电的分布式供电***。
目前分布式风光互补供电***中有两个输入源，每种输入源的电压并不稳定，所以需要DC-DC变换器来进行调节。传统的分布式风光互补供电***是应用两个单输入DC-DC变换器，分别将风能和太阳能发出的电变成直流电，并联在公共的直流母线上，供给直流负载，但这种供电***普遍存在结构较复杂，且成本较高的缺点。为了简化电路结构、减小***体积、降低***成本，可以用一个双输入DC-DC变换器代替两个单输入DC-DC变换器。近年来，一些国内外学者也提出了一些双输入DC-DC变换拓扑结构，但普遍存在着电压增益低，调压范围不够大或两输入源不能同时给负载供电的缺点。
发明内容
针对现有技术中DC-DC变换器存在的上述问题，本发明提供一种新型风光互补双输入SEPIC DC-DC变换器，它由传统的SEPIC三电平DC-DC变换器演绎推导而来。
本发明的技术方案是：
一种新型风光互补双输入SEPIC DC-DC变换器，包括两个直流输入源V in1、V in2 ，两只开关管Q 1、Q 2，三个储能电感L 1、L 2、L 3，两个续流二极管D 1、D 2，两个中间储能电容C b1、C b2 ，两个输出分压电容C f1、C f2 ，一个负载电阻R Ld；所述直流输入源 V in1和V in2串联连接，电感L 1的一端与V in1的正极相连，电感L 1的另一端与电容C b1的正极相连，开关管Q 1的漏极与电容C b1的正极相连，开关管Q 1的源极与V in1的负极相连，二极管D 1的阳极与电容C b1的负极相连，二极管D 1的阴极与输出分压电容C f1的正极相连，电容C f1的负极与V in1的负极、以及C f2的正极相连，电感L 2的一端与V in2的负极相连，电感L 2的另一端与电容C b2的负极、开关管Q 2 的源极相连，开关管Q 2的漏极与Q 1的源极相连，电容C b2的负极与开关管Q 2的源极相连，二极管D 2的阴极与电容C b2的正极相连，二极管D 2的阳极与输出分压电容C f2的负极相连，电容C f2的正极与电容C f1的负极相连，电感L 3的一端与电容C b1的负极相连，电感L 3的另一端与电容C b2的正极相连，2个输出分压电容C f1和C f2串联连接后并联于负载电阻R Ld的两端，负载电阻R Ld一端与电容C f1的正极相连，R Ld另一端与电容C f2的负极相连。
进一步，所述两个输出分压电容C f1和C f2相等。
进一步，所述两个直流输入源V in1、V in2的性质、幅值和特性相同或不相同，所述不相同包括差别很大的情况。
进一步，所述新型风光互补双输入SEPIC DC-DC变换器包括以下工作模态：
（1）Q 1和Q 2同时导通：D 1和D 2截止，Cb1和Cb2放电，Cf1和Cf2放电，D 1和D 2所承担的电压应力均为(V cb1+ V cb2+V o)/2，其中，V o为输出电压，负载由两只输出滤波电容供电，输入电压V in1加在储能电感L 1上、V in2加在中间储能电感L 2上，两个电容串联电压V cb1+ V cb2加在储能电感L 3上，电感L 3电流增加；
（2）Q 1导通，Q 2关断：D 1截止，D 2导通，Cb1放电，Cb2充电，Cf1放电，Cf2充电，Q 2上电压应力为储能电容C b2与输出电容C f2上的电压之和，D 1上电压应力为储能电容C b1与输出电容C f1上的电压之和，中间储能电感L 3上的电压为储能电容C b1电压V cb1与输出电容C f2上的电压V cf2之差；
（3）Q 1关断，Q 2导通：D 2截止，D 1导通，Cb1充电，Cb2放电，Cf1充电，Cf2放电，Q 1上电压应力为储能电容C b1与输出电容C f1上的电压之和，D 2上电压应力均为储能电容C b2与输出电容C f2上的电压之和。中间储能电感L 3上的电压为储能电容C b2电压V cb1与输出电容C f1上的电压V cf1之差；
（4）Q 1和 Q 2同时关断：D 1和D 2导通，Cb1、Cb2充电，Cf1、Cf2充电，储能电感L 3电流通过二极管D 1和D 2续流，储能电感L 3上两端为电压V o，电感L 3电流下降；
（5）中间储能电感量较小或负载减轻时：电感电流将会为零，负载由输出滤波电容供电。
本发明所述的输出电压与两输入电压之间的关系为：
本发明的有益效果是：
本发明允许太阳能和风能两种能源输入，输入源的性质、幅值和特性可以相同，也可以差别很大，两种输入源可以分别或同时向负载供电，输入电压范围宽、电压增益大，因此提高了***的稳定性和灵活性，实现能源的综合利用，并且具有结构简单、体积小、降低***成本的优点。
附图说明
图1为本发明的风光互补双输入SEPIC DC-DC变换器电路的拓扑原理图；
图2为本发明的风光互补双输入SEPIC DC-DC变换器在第一种工作模态下的等效电路；
图3为本发明的风光互补双输入SEPIC DC-DC变换器在第二种工作模态下的等效电路；
图4为本发明的风光互补双输入SEPIC DC-DC变换器在第三种工作模态下的等效电路；
图5为本发明的风光互补双输入SEPIC DC-DC变换器在第四种工作模态下的等效电路；
图6为本发明的风光互补双输入SEPIC DC-DC变换器在第五种工作模态下的等效电路。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步详细说明。
本发明所述的一种风光互补双输入SEPIC DC-DC变换器，电路拓扑结构如图1，包括：2个直流输入源V in1和V in2 ，2只开关管Q 1和Q 2，3个储能电感L 1，L 2和L 3，2个续流二极管D 1和D 2，2个中间储能电容C b1和C b2 ，2个输出分压电容C f1和C f2 以及1个负载电阻R Ld。其中，2个直流输入源 V in1和V in2串联连接，电感L 1的一端与V in1的正极相连，电感L 1的另一端与电容C b1的正极相连，开关管Q 1的漏极与电容C b1的正极相连，开关管Q 1的源极与V in1的负极相连，二极管D 1的阳极与电容C b1的负极相连，二极管D 1的阴极与输出分压电容C f1的正极相连，电容C f1的负极与V in1的负极、以及C f2的正极相连，电感L 2的一端与V in2的负极相连，电感L 2的另一端与电容C b2的负极、开关管Q 2 的源极相连，开关管Q 2的漏极与Q 1的源极相连，电容C b2的负极与开关管Q 2的源极相连，二极管D 2的阴极与电容C b2的正极相连，二极管D 2的阳极与输出分压电容C f2的负极相连，电容C f2的正极与电容C f1的负极相连，电感L 3的一端与电容C b1的负极相连，电感L 3的另一端与电容C b2的正极相连，2个输出分压电容C f1和C f2串联连接，负载电阻R Ld一端与电容C f1的正极相连，R Ld另一端与电容C f2的负极相连。
根据图1开关管的工作状态，变换器存在以下几种工作模态：
（1）工作模态Ⅰ。如图2所示，Q 1和Q 2同时导通，D 1和D 2截止，Cb1和Cb2放电，Cf1和Cf2放电，D 1和D 2所承担的电压应力均为(V cb1+ V cb2+V o)/2。负载由两只输出滤波电容供电。输入电压V in1加在储能电感L 1上、V in2加在中间储能电感L 2上，两个电容串联电压V cb1+ V cb2加在储能电感L 3上，电感L 3电流增加。
（2）工作模态Ⅱ。如图3所示，Q 1导通，Q 2关断，D 1截止，D 2导通，Cb1放电，Cb2充电，Cf1放电，Cf2充电，Q 2上电压应力为储能电容C b2与输出电容C f2上的电压之和，D 1上电压应力为储能电容C b1与输出电容C f1上的电压之和。中间储能电感L 3上的电压为储能电容C b1电压V cb1与输出电容C f2上的电压V cf2之差。
（3）工作模态Ⅲ。如图4所示，Q 1关断，Q 2导通，D 2截止，D 1导通，Cb1充电，Cb2放电，Cf1充电，Cf2放电，Q 1上电压应力为储能电容C b1与输出电容C f1上的电压之和，D 2上电压应力均为储能电容C b2与输出电容C f2上的电压之和。中间储能电感L 3上的电压为储能电容C b2电压V cb1与输出电容C f1上的电压V cf1之差。
（4）工作模态Ⅳ。如图5所示，Q 1和 Q 2同时关断，D 1和D 2导通，Cb1、Cb2充电，Cf1、Cf2充电，储能电感L 3电流通过二极管D 1和D 2续流，储能电感L 3上两端为电压-V o，电感L 3电流下降。
（5）工作模态Ⅴ。如图6所示，当中间储能电感量较小或负载减轻时，，电感电流将会为零，负载由输出滤波电容供电。
根据附图1，对电感L1、 L2、 L3分别应用电感的伏秒平衡原理，可得
进一步简化上面各式，可得
又由于
因此可以得到输出电压与两输入电压之间的关系为
本发明提出的风光互补双输入SEPIC DC-DC变换器，既可以工作在单输入状态，又可工作在双输入状态，提高了多种新能源分布式发电***的稳定性和灵活性，实现能源的综合利用。另外，本发明相对于带有两个单输入DC-DC变换器的分布式发电***而言，具有结构简单、体积小、成本低的优点。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (4)
1.一种新型风光互补双输入SEPIC DC-DC变换器，其特征在于：包括两个直流输入源V in1、V in2 ，两只开关管Q 1、Q 2，三个储能电感L 1、L 2、L 3，两个续流二极管D 1、D 2，两个中间储能电容C b1、C b2 ，两个输出分压电容C f1、C f2 ，一个负载电阻R Ld；所述直流输入源 V in1和V in2串联连接，电感L 1的一端与V in1的正极相连，电感L 1的另一端与电容C b1的正极相连，开关管Q 1的漏极与电容C b1的正极相连，开关管Q 1的源极与V in1的负极相连，二极管D 1的阳极与电容C b1的负极相连，二极管D 1的阴极与输出分压电容C f1的正极相连，电容C f1的负极与V in1的负极、以及C f2的正极相连，电感L 2的一端与V in2的负极相连，电感L 2的另一端与电容C b2的负极、开关管Q 2 的源极相连，开关管Q 2的漏极与Q 1的源极相连，电容C b2的负极与开关管Q 2的源极相连，二极管D 2的阴极与电容C b2的正极相连，二极管D 2的阳极与输出分压电容C f2的负极相连，电容C f2的正极与电容C f1的负极相连，电感L 3的一端与电容C b1的负极相连，电感L 3的另一端与电容C b2的正极相连，2个输出分压电容C f1和C f2串联连接后并联于负载电阻R Ld的两端，负载电阻R Ld一端与电容C f1的正极相连，R Ld另一端与电容C f2的负极相连。
2.根据权利要求1所述的一种新型风光互补双输入SEPIC DC-DC变换器，其特征在于：所述两个输出分压电容C f1和C f2相等。
3.根据权利要求1所述的一种新型风光互补双输入SEPIC DC-DC变换器，其特征在于：所述两个直流输入源V in1、V in2的性质、幅值和特性相同或不相同，所述不相同包括差别很大的情况。
4.根据权利要求1至3中任意一项所述的一种新型风光互补双输入SEPIC DC-DC变换器，其特征在于：所述新型风光互补双输入SEPIC DC-DC变换器包括以下工作模态：
（1）Q 1和Q 2同时导通，D 1和D 2截止，Cb1和Cb2放电，Cf1和Cf2放电，D 1和D 2所承担的电压应力均为(V cb1+ V cb2+V o)/2，其中，V o为输出电压，负载由两只输出滤波电容供电，输入电压V in1加在储能电感L 1上、V in2加在中间储能电感L 2上，两个电容串联电压V cb1+ V cb2加在储能电感L 3上，电感L 3电流增加；
（2）Q 1导通，Q 2关断，D 1截止，D 2导通，Cb1放电，Cb2充电，Cf1放电，Cf2充电，Q 2上电压应力为储能电容C b2与输出电容C f2上的电压之和，D 1上电压应力为储能电容C b1与输出电容C f1上的电压之和，中间储能电感L 3上的电压为储能电容C b1电压V cb1与输出电容C f2上的电压V cf2之差；
（3）Q 1关断，Q 2导通，D 2截止，D 1导通，Cb1充电，Cb2放电，Cf1充电，Cf2放电，Q 1上电压应力为储能电容C b1与输出电容C f1上的电压之和，D 2上电压应力均为储能电容C b2与输出电容C f2上的电压之和，中间储能电感L 3上的电压为储能电容C b2电压V cb1与输出电容C f1上的电压V cf1之差；
（4）Q 1和 Q 2同时关断，D 1和D 2导通，Cb1、Cb2充电，Cf1、Cf2充电，储能电感L 3电流通过二极管D 1和D 2续流，储能电感L 3上两端为电压V o，电感L 3电流下降；
（5）当中间储能电感量较小或负载减轻时，电感电流将会为零，负载由输出滤波电容供电，输出电压与两输入电压之间的关系为：
。
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