CN103441674A - 双向双输入cuk/buckboost直流变换器及其功率分配方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种双向双输入CUK/BUCKBOOST直流变换器及其功率分配方法，双向双输入CUK/BUCKBOOST直流变换器包括CUK脉冲电压源单元、BUCKBOOST脉冲电流源单元和输出滤波电路；所述的CUK脉冲电压源单元包括第一输入直流电压源A、第一功率开关管M₁、第二功率开关管M₃、第一电感L₁和第一电容C₁；所述的BUCKBOOST脉冲电流源单元包括第二输入直流电压源B、第三功率开关管M₂、第四功率开关管M₄和第二电感L₂；所述的输出滤波电路包括输出滤波电容c。其功率分配方法包括对CUK脉冲电压源单元和BUCKBOOST脉冲电流源单元进行功率分配和负载回馈功率控制。本发明具有：能实现升降压、实现能量回馈、输出极性反转、输出电压调节范围大、损耗小、电路效率高、输出电压波形中的纹波小、不需要隔离变压器等特点。

Description

双向双输入CUK/BUCKBOOST直流变换器及其功率分配方法

技术领域

本发明涉及电力电子变换器领域，尤其涉及一种双向双输入CUK/BUCKBOOST直流变换器及其功率分配方法。

背景技术

随着环境保护问题的日益突出，人们越来越重视可再生能源的开发利用。可再生能源具有廉价、可靠、清洁无污染、能源丰富等特点，因此可再生能源发电展现了良好的市场前景。目前，应用较多的可再生能源发电形式有光伏发电，燃料电池供电、风力发电、水利发电、地热发电等等，但这些发电形式均存在电力供应不稳定、不连续、随气候条件变化等特点，因此需要采用多种能源联合供电的分布式供电***。

在传统的新能源联合供电***中，每种能源形式通常需要一个DC/DC变换器，将各种能源变成直流输出，并联在公共的直流母线上，供给直流负载，但其结构较复杂，且成本较高。为了简化电路结构，降低***成本，可以用一个多输入直流变换器（Multiple-Input Converter，MIC）代替多个单输入直流变换器。MIC允许多种能源输入，而且输入源的性质、幅值和特性可以相同，也可以差别很大，多输入源可以分别或同时向负载供电，因此提高了***的稳定性和灵活性，实现能源的优化利用，并且降低***成本。

发明内容

为了克服现有技术中存在的上述问题，本发明的目的在于提供一种拓扑结构和控制方法均较简单，且能实现能量的自动分配利用的拓扑结构。

为了解决上述存在的技术问题，本发明是通过以下技术方案实现的：

一种双向双输入CUK/BUCKBOOST直流变换器，包括CUK脉冲电压源单元、BUCKBOOST脉冲电流源单元和输出滤波电路；

所述的CUK脉冲电压源单元包括第一输入直流电压源A、第一功率开关管M₁、第二功率开关管M₃、第一电感L₁和第一电容C₁，第一输入直流电压源A的正极与第一电感L₁的一端连接，第一电感L₁的另一端与第一功率开关管M₁的漏极、第一电容C₁的一端连接，第一电容C₁的另一端与第二功率开关管M₃的源极连接，第二功率开关管M₃的漏极与第一输入直流电压源A的负极、第一功率开关管M₁的源极连接；

所述的BUCKBOOST脉冲电流源单元包括第二输入直流电压源B、第三功率开关管M₂、第四功率开关管M₄和第二电感L₂，第二输入直流电压源B的正极与第三功率开关管M₂的漏极连接，第三功率开关管M₂的源极与第四功率开关管M₄的漏极、第二电感L₂的一端连接；

所述的BUCKBOOST脉冲电流源单元中第二电感L₂的一端与所述的CUK脉冲电压源单元中第一电容C₁的一端、第二功率开关管M₃的源极连接；所述的BUCKBOOST脉冲电流源单元中第二输入直流电压源B的负极与所述的CUK脉冲电压源单元中第一输入直流电压源A的负极、第一功率开关管M₁的源极、第二功率开关管M₃的漏极连接；

所述的输出滤波电路包括输出滤波电容c，其中输出滤波电容c的一端分别与BUCKBOOST脉冲电流源单元中的第四功率开关管M₄的源极和负载R的一端连接，输出滤波电容c的另一端分别与BUCKBOOST脉冲电流源单元中第二输入直流电压源B的负极、CUK脉冲电压源单元中第一输入直流电压源A的负极、第一功率开关管M₁的源极、第二功率开关管M₃的漏极以及负载R的另一端连接。

本发明的目的还在于提供了一种双向双输入CUK/BUCKBOOST直流变换器的功率分配方法，它包括如下内容：

第一输入直流电压源A为光伏电池，第二输入直流电压源B为蓄电池，对CUK脉冲电压源单元、BUCKBOOST脉冲电流源单元进行功率分配和负载回馈功率控制；第一输入直流电压源A以最大功率输入，并通过最大功率跟踪算法保持最大功率输入，第二输入直流电压源B作为功率缓冲单元，并通过一个带反向输出的调节器进行能量自动分配；

当负载R需求功率大于第一输入直流电压源A提供的功率时，第二输入直流电压源B放电；调节器输出为正值，转化为第三功率开关管M₂的占空比，控制第二输入直流电压源B的放电功率；

当负载R需求功率小于第一输入直流电压源A提供的功率时，第二输入直流电压源B充电；负载电压升高，调节器输出为负值，转化为第二功率开关管M₃和第四功率开关管M₄的占空比，控制第二输入直流电压源B的充电功率，维持负载电压稳定。

与已有技术相比，本发明提供的双向双输入CUK/BUCKBOOST直流变换器及其功率分配方法具有以下有益效果：

本发明能实现升降压、能实现能量回馈、输出极性反转、输出电压调节范围大、损耗小、电路的效率高、输出电压波形中的纹波小、不需要隔离变压器等特点。采用两路能量输入，可充分利用新能源，并能双向传递能量，实现能量优化利用；易实现模块化，易扩展应用。

本发明与双输入CUK/BUCKBOOST电路相比，能实现能量回馈。由于在原来的双输入基础上增加了双向的功能，当负载需要的功率较多时，两个输入源同时给负载供电，与传统的双输入CUK/BUCKBOOST电路相同，当负载需要的功率较少时，新能源发出的电能大于负载需要的能量，通过适当的控制，实现能量反向流动，将多余的能量储存在蓄电池中，当新能源发出的电能不足时，蓄电池再放电，以维持输出电压的稳定，进而实现能量的优化分配。

附图说明

图1为本发明的双向双输入CUK/BUCKBOOST变换器电气原理图；

图2为本发明的控制***结构框图；

图3至图9是本发明的双向双输入CUK/BUCKBOOST直流变换器在不同开关模态的等效电路；

图10为本发明的A、B同时供电的原理波形图；

图11为本发明的A独立供电的原理波形图；

图12为本发明的B独立供电的原理波形图；

图13为本发明的A供电，B储能，C耗能的原理波形图；

图14为本发明的A供电，B储能，C反馈能量的原理波形图；

图15为本发明的仿真波形；

图16为本发明在太阳能汽车电机***中的电气原理图。

图中符号含义：V₁、V₂分别是第一输入直流电压源A、第二输入直流电压源B；R是负载C；M₁、M₂、M₃、M₄分别是第一、第三、第二和第四功率开关管；D₁、D₂、D₃、D₄分别是第一、第三、第二和第四功率开关管体二极管；L₁、L₂是第一电感和第二电感；C₁是第一电容；c是输出滤波电容；V_M1、V_M2、V_M3、V_M4分别是第一、第三、第二和第四功率开关管的驱动电压；i_L1、i_L2是第一电感电流和第二电感电流，I_L2是第二电感电流平均值；i_M1、i_M2、i_M3、i_M4分别是第一、第三、第二和第四功率开关管的电流；V_O为输出电压；t、t₀～t₄为时间。

具体实施方式

下面结合附图与具体实施方式对本发明作进一步详细描述：

如图1所示，一种双向双输入CUK/BUCKBOOST直流变换器，包括CUK脉冲电压源单元、BUCKBOOST脉冲电流源单元和输出滤波电路；

所述的CUK脉冲电压源单元包括第一输入直流电压源A（以下简称电源A）、第一功率开关管M₁、第二功率开关管M₃、第一电感L₁和第一电容C₁，电源A的正极与第一电感L₁的一端连接，第一电感L₁的另一端与第一功率开关管M₁的漏极、第一电容C₁的一端连接，第一电容C₁的另一端与第二功率开关管M₃的源极连接，第二功率开关管M₃的漏极与电源A的负极、第一功率开关管M₁的源极连接；

所述的BUCKBOOST脉冲电流源单元包括第二输入直流电压源B（以下简称电源B）、第三功率开关管M₂、第四功率开关管M₄和第二电感L₂，电源B的正极与第三功率开关管M₂的漏极连接，第三功率开关管M₂的源极与第四功率开关管M₄的漏极、第二电感L₂的一端连接；

所述的BUCKBOOST脉冲电流源单元中第二电感L₂的一端与所述的CUK脉冲电压源单元中第一电容C₁的一端、第二功率开关管M₃的源极连接；所述的BUCKBOOST脉冲电流源单元中电源B的负极与所述的CUK脉冲电压源单元中电源A的负极、第一功率开关管M₁的源极、第二功率开关管M₃的漏极连接；

所述的输出滤波电路包括输出滤波电容c，其中输出滤波电容c的一端分别与BUCKBOOST脉冲电流源单元中的第四功率开关管M₄的源极和负载R的一端连接，输出滤波电容c的另一端分别与电源B的负极、电源A的负极、第一功率开关管M₁的源极、第二功率开关管M₃的漏极以及负载R的另一端连接。

如图2所示，根据本发明的控制***结构框图，在双向双输入CUK/BUCKBOOST直流变换器中，选择主从控制方式分配两路输入源输入功率，电源A选用太阳能电池作为主供电设备，电源B选用蓄电池作为后备能源供电设备，符合可再生能源供电***对能源的优先利用的要求。同时调节电源A输入电流参考值以实现太阳能电池的最大功率输出，即实现最大功率点跟踪（Maximum Power Point Tracking，MPPT）。电源B通过一个带反向输出的调节器(例如PI调节器)进行能量自动分配：当负载需求功率大于电源A输入功率时，调节器输出为正值，转化为第三功率开关管M₂的占空比，控制电源B的放电功率；当负载需求功率小于电源A输入功率时，负载电压升高，调节器输出为负值，转化为第二功率开关管M₃和第四功率开关管M₄的占空比，控制电源B的充电功率，维持负载电压稳定。

下面结合图3～图9对本发明直流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所有开关管均为理想器件，不考虑开关时间、导通压降；②所有电感和电容均为理想器件。

根据功率开关管M₁～M₄的开关状态，可将变换器分为以下七种工作模态。

1.开关模态I：

如图3所示，M₁、M₂开通，M₃、M₄关断，D₃和D₄导通，电感L₂通过二极管D₃从电源B中汲取能量，电容器C₁通过功率管M₁和二极管D₄向负载R供电，电感电流i_L2增大，电流通路分别为V₂-M₂-L₂-D₃和C₁-M₁-R-D₄-L₂，同时，电感L₁从电源A汲取能量，建立电感电流i_L1，电流通路为V₁-L₁-M₁。

2.开关模态II：

如图4所示，M₁开通，M₂、M₃和M₄关断，D₄导通，电容器C₁通过功率管M₁和二极管D₄向负载R供电，电感电流i_L2增大，电流通路为C₁-M₁-R-D₄-L₂，同时，电感L₁从电源A汲取能量，建立电感电流i_L1，电流通路为V₁-L₁-M₁。

3.开关模态III：

如图5所示，M₂开通，M₁、M₃和M₄关断，D₃导通，电感L₂通过二极管D₃从电源B中汲取能量，电感电流i_L2增大，电流通路为V₂-M₂-L₂-D₃。

4.开关模态IV：

如图6所示，M₁、M₂、M₃和M₄关断，D₃和D₄导通，电感L₂将经过输出滤波电容c，负载R和二极管D₃、D₄续流，电感电流i_L2减小，电流通路为L₂-D₃-R-D₄，同时电感L₁通过二极管D₃向电容C₁充电完成续流，电流通路为V₁-L₁-C₁-D₃。

5.开关模态V：

如图7所示，M₁、M₂、M₃和M₄关断，D₃和D₄导通，电感L₂将经过输出滤波电容c，负载R和二极管D₃、D₄续流，电感电流i_L2减小，电流通路为L₂-D₃-R-D₄。

6.开关模态VI：

如图8所示，M₃、M₄开通，M₁、M₂关断，电感L₂从负载单元C中汲取能量，电感电流i_L2反向增大，电流通路为R-M₃-L₂-M₄。

7．开关模态VII：

如图9所示，M₃开通，M₁、M₂和M₄关断，D₂导通，电感L₂通过二极管D₂续流，给电源B充电，电感电流i_L2反向减小，电流通路为L₂-D₂-V₂-M₃；负载的电流则由输出滤波电容c放电提供。

由上述分析可知，以电源A（太阳能电池）和电源B（蓄电池）作为两个输入电压源，根据电路中能量的传递，双向双输入CUK/BUCKBOOST直流变换器存在5种工作模式：

一、电源A、电源B同时供电，电路工作时序为I、IV模态，变换器原理波形如图10所示，电感电流i_L2恒大于零；

二、电源A单独供电，电路工作时序为II、IV模态，变换器原理波形如图11所示，电感电流i_L2恒大于零；

三、电源B单独供电，电路工作时序为III、V模态，变换器原理波形如图12所示，电感电流i_L2恒大于零；

四、电源A供电，电源B储能，负载C耗能，电路工作时序为II、IV、VI、VII模态，变换器原理波形如图13所示，电感电流i_L2过零，但平均值I_L2大于零；

五、电源A供电，电源B储能，负载C反馈，电路工作时序为II、IV、VI、VII模态，变换器原理波形如图14所示，电感电流i_L2过零，但平均值I_L2小于零。

如图15所示：其中（a）为负载切换信号，（b）为输出电压V_O波形，（c）为电感电流i_L2波形。首先，两输入电源同时供电，稳定后，切除部分负载，使电源A输入功率大于负载功率，自动切换到能量回馈工作模态。按照其工作模态不同可以分为两个工作阶段：

阶段1：两个输入电源同时给负载供电，其中对电源A进行最大功率跟踪，使电源A以最大功率输入，通过电压调节器控制电源B输入的功率，使其提供不足的功率。从（b）中可以看出输出电压稳定在50V，从（c）中可以看出电感电流i_L2恒大于零。

阶段2：切除部分负载，导致瞬态功率不平衡，电源A通过最大功率跟踪算法，工作在最大功率点，并保持恒定，由于输出电压大于给定值，使电压环调节器输出减小，变为负值，电源B切换到储能工作模态，使输入功率和负载消耗功率平衡。从（b）中可以看出输出电压通过调节又稳定在50V，从（c）中可以看出电感电流i_L2有正的部分和负的部分，说明可以进行能量回馈，自动实现能量分配。

在以上工作过程中，也包含了两输入电源单独给负载供电和负载侧回馈能量的工作模态，这里不在详细说明。通过***明本发明所提出拓扑和功率分配方法的可行性和正确性。

下面以该拓扑在太阳能汽车中的应用为例进行说明：

图16为该发明在太阳能汽车电机***中的电气原理图，其具体实施步骤如下：

1、太阳能电池和蓄电池同时给电机***供电，当汽车启动或者重载时，需求功率较大，按照本发明所提出的功率分配方法，对太阳能电池进行最大功率跟踪，控制M₁通断，使太阳能电池以最大功率给电机***供电，再控制M₂通断，使蓄电池提供不足的功率，这样可以充分利用太阳能，相对于单电源供电，可以提高瞬时功率。

2、太阳能电池单独供电，当蓄电池故障或者太阳能电池正好满足电机***需求时，太阳能电池单独供电。此时，通过控制M₁通断，保持功率平衡，确保电机***运转正常。

3、蓄电池单独供电。在阴天或者太阳能电池故障时，蓄电池单独供电。通过电压调节器控制M₂的通断，稳定输出电压，满足电机***需求。

4、太阳能电池供电，蓄电池储能，电机***耗能。当光照较强烈，太阳能电池发出的功率大于电机***需求的功率时，控制M₄的通断，将太阳能多余的功率储存到蓄电池中，避免能量浪费，光能得以充分利用。

5、太阳能电池供电，蓄电池储能，电机***回馈能量。当汽车在制动或者下坡时，电机***工作在再生制动状态，将机械能转化为电能回馈到输入侧，在这种情况下，太阳能电池发出的能量和电机***回馈的能量都要储存到蓄电池中，通过最大功率跟踪，控制M₁通断，使太阳能电池以最大功率输出，控制M₄通断，将能量储存到蓄电池中，避免能量浪费。

Claims (2)

1.一种双向双输入CUK/BUCKBOOST直流变换器，其特征在于：包括CUK脉冲电压源单元、BUCKBOOST脉冲电流源单元和输出滤波电路；

所述的CUK脉冲电压源单元包括第一输入直流电压源A、第一功率开关管M₁、第二功率开关管M₃、第一电感L₁和第一电容C₁，第一输入直流电压源A的正极与第一电感L₁的一端连接，第一电感L₁的另一端与第一功率开关管M₁的漏极、第一电容C₁的一端连接，第一电容C₁的另一端与第二功率开关管M₃的源极连接，第二功率开关管M₃的漏极与第一输入直流电压源A的负极、第一功率开关管M₁的源极连接；

所述的BUCKBOOST脉冲电流源单元包括第二输入直流电压源B、第三功率开关管M₂、第四功率开关管M₄和第二电感L₂，第二输入直流电压源B的正极与第三功率开关管M₂的漏极连接，第三功率开关管M₂的源极与第四功率开关管M₄的漏极、第二电感L₂的一端连接；

所述的BUCKBOOST脉冲电流源单元中第二电感L₂的一端与所述的CUK脉冲电压源单元中第一电容C₁的一端、第二功率开关管M₃的源极连接；所述的BUCKBOOST脉冲电流源单元中第二输入直流电压源B的负极与所述的CUK脉冲电压源单元中第一输入直流电压源A的负极、第一功率开关管M₁的源极、第二功率开关管M₃的漏极连接；

所述的输出滤波电路包括输出滤波电容c，其中输出滤波电容c的一端分别与BUCKBOOST脉冲电流源单元中的第四功率开关管M₄的源极和负载R的一端连接，输出滤波电容c的另一端分别与BUCKBOOST脉冲电流源单元中第二输入直流电压源B的负极、CUK脉冲电压源单元中第一输入直流电压源A的负极、第一功率开关管M₁的源极、第二功率开关管M₃的漏极以及负载R的另一端连接。

2.一种双向双输入CUK/BUCKBOOST直流变换器的功率分配方法：其特征在于：

它包括如下内容：

第一输入直流电压源A为光伏电池，第二输入直流电压源B为蓄电池，对CUK脉冲电压源单元、BUCKBOOST脉冲电流源单元进行功率分配和负载回馈功率控制；第一输入直流电压源A以最大功率输入，并通过最大功率跟踪算法保持最大功率输入，第二输入直流电压源B作为功率缓冲单元，并通过一个带反向输出的调节器进行能量自动分配；

当负载R需求功率大于第一输入直流电压源A提供的功率时，第二输入直流电压源B放电；调节器输出为正值，转化为第三功率开关管M₂的占空比，控制第二输入直流电压源B的放电功率；

当负载R需求功率小于第一输入直流电压源A提供的功率时，第二输入直流电压源B充电；负载电压升高，调节器输出为负值，转化为第二功率开关管M₃和第四功率开关管M₄的占空比，控制第二输入直流电压源B的充电功率，维持负载电压稳定。

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