CN103904891A - 一种双输入buck直流变换器及其控制*** - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种双输入BUCK直流变换器及其控制***，属于电力电子变换器领域。所述直流变换器包括两个BUCK脉冲电压源单元以及附加电路、输出滤波电路；每个BUCK脉冲电压源单元均包括输入直流电压源、功率开关管和续流二极管；附加电路包括一个功率开关管和一个续流二极管；输出滤波电路包括输出滤波电感L和输出滤波电容c。其控制***包括对两个输入直流电压源进行功率分配和负载电压稳定控制。本发明具有重量轻、体积小、成本低、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优点。

Description

一种双输入BUCK直流变换器及其控制***

技术领域

本发明涉及电力电子变换器领域，尤其涉及一种双输入BUCK结构的直流变换器及其控制***。

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。但是，采用上述***后，普遍存在着控制方法复杂、无法拓扑扩展的问题，另外，也不易实现能量的自动分配功能。

发明内容

本发明目的在于提供一种拓扑结构简单、控制方法简便、能实现能量自动分配利用的双输入BUCK直流变换器及其控制***。

为实现上述目的，采用了以下技术方案：

本发明提供了一种双输入BUCK直流变换器，所述直流变换器由第一BUCK脉冲电压源单元、第二BUCK脉冲电压源单元、附加电路和输出滤波电路组成；

所述第一BUCK脉冲电压源单元由第一输入直流电压源A、第一功率开关管S₁和第一续流二极管D₁组成；其中第一输入直流电压源A的正极与第一续流二极管D₁的阴极连接，第一续流二极管D₁的阳极与第一功率开关管S₁的漏极连接，第一功率开关管S₁的源极与第一输入直流电压源A的负极连接；

所述第二BUCK脉冲电压源单元由第二输入直流电压源B、第二功率开关管S₂和第二续流二极管D₂组成；其中第二输入直流电压源B的正极与第二功率开关管S₂的漏极连接，第二功率开关管S₂的源极与第二续流二极管D₂的阴极连接，第二功率开关管D₂的阳极与第二输入直流电压源B的负极连接；

第一BUCK脉冲电压源单元中第一功率开关管S₁的漏极分别与第二BUCK脉冲电压源单元中第二功率开关管S₂的源极、第二续流二极管D₂的阴极连接；

所述附加电路包括第三功率开关管S₃和第三续流二极管D₃；第三功率开关管S₃的漏极与第三续流二极管D₃的阳极连接，第三续流二极管D₃的阴极分别与第二BUCK脉冲电压源单元中第二输入直流电压源B的正极和第二功率开关管S₂的漏极连接；

所述输出滤波电路包括输出滤波电感L和输出滤波电容c；输出滤波电感L的一端分别与第一BUCK脉冲电压源单元中的第一直流输入电压源A的正极和第一续流二极管D₁的阴极连接，输出滤波电感L另一端分别与附加电路中的第三功率开关管S₃的漏极、第三续流二极管D₃的阳极连接；输出滤波电容c的一端分别与附加电路中第三功率开关管S₃的源极和负载R的一端连接，输出滤波电容c另一端分别与第二BUCK脉冲电压源单元中第二输入直流电压源B的负极、第二续流二极管D₂的阳极、负载R的另一端连接。

本发明还提供了一种双输入BUCK直流变换器控制***，所述***中：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，对两个BUCK脉冲电压源单元进行功率分配和负载电压稳定控制；

第一输入直流电压源A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PI调节器进行能量自动分配；

当负载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，转化为第二功率开关管S₂的占空比，控制第二输入直流电压源B的放电功率；

当负载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，转化为第三功率开关管S₃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。

与现有技术相比，本发明具有如下优点：

1、重量轻、体积小、成本低、损耗小；

2、输出电压波形中的纹波小，而且不需要隔离变压器；

3、采用两路能量输入，充分利用新能源，实现能量优化利用；

4、各端口之间可单级功率变换，避免浪费能量，有效提高效率；

5、可扩展应用，方便实现模块化。

附图说明

图1为本发明双输入BUCK直流变换器电气原理图；

图2为本发明控制***结构框图；

图3为本发明在A、B同时供电、C耗能模式下的原理波形图；

图4为本发明在A、B同时供电、C耗能模式下各个等效开关模态图；

图5为本发明在A供电、B储能、C耗能模式下的原理波形图；

图6为本发明在A供电、B储能、C耗能模式下各个等效开关模态图；

图7为本发明在A不工作、B独立供电、C耗能模式下的原理波形图；

图8为本发明在A不工作、B独立供电、C耗能模式下各个等效开关模态图；

图9为本发明扩展为N输入BUCK直流变换器的电气原理图。

附图中符号意义：

A—第一输入直流电压源、B—第二输入直流电压源、C—负载R、V₁—第一输入直流电压源的输入电压、V₂—第二输入直流电压源的输入电压、S₁—第一功率开关管、S₂—第二功率开关管、S₃—第三功率开关管、D₁—第一续流二极管、D₂—第二续流二极管、D₃—第三续流二极管、L—输出滤波电感、c—输出滤波电容、V_GS1—第一功率开关管驱动电压V_GS2—第二功率开关管驱动电压、V_GS3—第三功率开关管驱动电压、i_L—电感电流、i_S1—第一功率开关管电流、i_S2—第二功率开关管电流、i_S3—第三功率开关管电流、i_D1—第一续流二极管电流、i_D2—第二续流二极管电流、i_D3—第三续流二极管电流、d₁—第一功率开关管的占空比、d₂—第二功率开关管的占空比、d₃—第三功率开关管的占空比、V_o—输出电压。

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

在图1所示双输入BUCK直流变换器的电气原理图中，本发明所述直流变换器由第一BUCK脉冲电压源单元、第二BUCK脉冲电压源单元、附加电路和输出滤波电路连接组成；

所述第一BUCK脉冲电压源单元由第一输入直流电压源A、第一功率开关管S₁和第一续流二极管D₁组成；其中第一输入直流电压源A的正极与第一续流二极管D₁的阴极连接，第一续流二极管D₁的阳极与第一功率开关管S₁的漏极连接，第一功率开关管S₁的源极与第一输入直流电压源A的负极连接；

所述第二BUCK脉冲电压源单元由第二输入直流电压源B、第二功率开关管S₂和第二续流二极管D₂组成；其中第二输入直流电压源B的正极与第二功率开关管S₂的漏极连接，第二功率开关管S₂的源极与第二续流二极管D₂的阴极连接，第二功率开关管D₂的阳极与第二输入直流电压源B的负极连接；

第一BUCK脉冲电压源单元中第一功率开关管S₁的漏极分别与第二BUCK脉冲电压源单元中第二功率开关管S₂的源极、第二续流二极管D₂的阴极连接；

所述附加电路包括第三功率开关管S₃和第三续流二极管D₃；第三功率开关管S₃的漏极与第三续流二极管D₃的阳极连接，第三续流二极管D₃的阴极分别与第二BUCK脉冲电压源单元中第二输入直流电压源B的正极和第二功率开关管S₂的漏极连接；

所述输出滤波电路包括输出滤波电感L和输出滤波电容c；输出滤波电感L的一端分别与第一BUCK脉冲电压源单元中的第一直流输入电压源A的正极和第一续流二极管D₁的阴极连接，输出滤波电感L另一端分别与附加电路中的第三功率开关管S₃的漏极、第三续流二极管D₃的阳极连接；输出滤波电容c的一端分别与附加电路中第三功率开关管S₃的源极和负载R的一端连接，输出滤波电容c另一端分别与第二BUCK脉冲电压源单元中第二输入直流电压源B的负极、第二续流二极管D₂的阳极、负载R的另一端连接。

在图2所示的控制***结构框图中，在所述双输入BUCK直流变换器中，第一输入直流电压源A为光伏电池，作为主供电电源；第二输入直流电压源B为蓄电池，作为从供电电源。***采用主从控制方式，存在三种工作模式：

（1）当第一输入直流电压源A提供的能量不足以满足负载R需要时，保证第一输入直流电压源A尽可能多的发出能量，可令其工作在最大功率点，剩余能量由第二输入直流电压源B补充；

（2）当第一输入直流电压源A提供的能量大于负载R需要时，第一输入直流电压源A向负载R和第二输入直流电压源B供电，第二输入直流电压源B处于充电状态；

（3）当第一输入直流电压源A由于环境因素或自身故障不能输出能量时，负载功率完全由第二输入直流电压源B提供。

设第一输入直流电压源A可以提供的最大功率为P_1max，负载R所需功率为P_o，双输入BUCK直流变换器通过模式判断器和多路选择开关MUX完成能量管理：

当P_o>P_1max时，模式判断器选通模式I，多路选择开关MUX的输出端Ao、Bo、Co分别与AX、BX、CX相连，调节第一输入直流电压源A输入电流参考值以实现第一输入直流电压源A的最大功率输出，即实现最大功率点跟踪（Maximum Power Point Tracking，MPPT），第二输入直流电压源B通过PI调节器，转化为第二功率开关管S₂的占空比，控制第二输入直流电压源B的放电功率，维持负载电压稳定，第三功率开关管S₃处于高电平状态；

当P_o<P_1max时，模式判断器选通模式II，多路选择开关MUX的输出端Ao、Bo、Co分别与AY、BY、CY相连，调节第一输入直流电压源A输入电流参考值以实现第一输入直流电压源A的最大功率输出，即实现最大功率点跟踪（Maximum Power Point Tracking，MPPT），第二输入直流电压源B通过PI调节器，转化为第三功率开关管S₃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，第二功率开关管S₂处于低电平状态；

当P_1max=0时，模式判断器选通模式III，多路选择开关MUX的输出端Ao、Bo、Co分别与AZ、BZ、CZ相连，第一输入直流电压源A封锁，第二输入直流电压源B通过PI调节器，转化为第二功率开关管S₂的占空比，控制第二输入直流电压源B的放电功率，维持负载电压稳定，第三功率开关管S₃处于高电平状态。

下面结合图3～图8对本发明变换器的工作模式进行具体分析。

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。

（一）双输入BUCK直流变换器处于A、B同时供电、C耗能模式下时，在一个开关周期内共有四种开关模态，变换器原理波形如图3所示。在该模式下，存在d₁>d₂和d₁<d₂两种情况。

1.开关模态I：

如图4(a)所示，S₁、S₂、S₃开通，电感电流i_L增大，A与B串联向C供电，电流通路为V₂-S₂-S₁-V₁-L-S₃-C。

2.开关模态II：

如图4(b)所示，S₁、S₃开通，S₂关断，D₂导通，电感电流i_L增加，A单独向C供电，电流通路为V₁-L-S₃-C-D₂-S₁。

3.开关模态III：

如图4(c)所示，S₂、S₃开通，S₁关断，D₁导通，电感电流i_L增加，B单独向C供电，电流通路为V₂-S₂-D₁-L-S₃-C。

4.开关模态IV：

如图4(d)所示，S₃开通，S₁、S₂关断，D₁、D₂导通，电感L通过D₁、D₂续流，向C供电，电感电流i_L减小，电流通路为L-S₃-C–D₂-D₁。

在A、B同时供电、C耗能模式下，存在d₁>d₂和d₁<d₂两种情况。当d₁>d₂时，变换器工作时序为I-II-IV；当d₁<d₂时，变换器工作时序为I-III-IV。占空比d₁用来控制电源A输出功率，占空比d₂用来控制电源B的放电功率，维持负载电压稳定。根据滤波电感伏秒平衡特性可知，稳态时，输出电压V_o=V₁d₁+V₂d₂。

（二）双输入BUCK直流变换器处于A供电、B储能、C耗能模式下时，在一个开关周期内共有三种开关模态，变换器原理波形如图5所示。

1.开关模态I：

如图6(a)所示，S₁、S₃开通，S₂关断，D₂导通，电感电流i_L增加，A单独向C供电，电流通路为V₁-L-S₃-C-D₂-S₁。

2.开关模态II：

如图6(b)所示，S₃开通，S₁、S₂关断，D₁、D₂导通，电感L通过D₁、D₂续流，向C供电，电感电流i_L减小，电流通路为L-S₃-C–D₂-D₁。

3.开关模态III：

如图6(c)所示，S₁、S₂、S₃关断，D₁、D₂、D₃导通，电感L通过D₃续流，向B电源充电，电感电流i_L减小，电流通路为L-D₃-V₂-D₂-D₁。

在A供电，B储能，C耗能模式下，占空比d₁用来控制电源A输出功率，占空比d₃用来控制电源B的充电功率，维持负载电压稳定。根据滤波电感伏秒平衡特性可知，稳态时，输出电压

（三）双输入BUCK直流变换器处于A不工作、B独立供电、C耗能模式下时，在一个开关周期内共有两种开关模态，变换器原理波形如图7所示。

1.开关模态I：

如图8(a)所示，S₂、S₃开通，S₁关断，D₁导通，电感电流i_L增加，B单独向C供电，电流通路为V₂-S₂-D₁-L-S₃-C。

2.开关模态II：

如图8(b)所示，S₃开通，S₁、S₂关断，D₁、D₂导通，电感L通过D₁、D₂续流，向C供电，电感电流i_L减小，电流通路为L-S₃-C–D₂-D₁。

在A不工作、B独立供电、C耗能模式下，占空比d₂用来控制电源B的放电功率，维持负载电压稳定。根据滤波电感伏秒平衡特性可知，稳态时，输出电压V_o=V₂d₂。

如图9所示，双输入BUCK直流变换器易扩展为N输入直流变换器，它包括N个BUCK脉冲电压源单元、附加电路和输出滤波器。其中1～(N-1)源可以是光伏电池、风力发电机组、燃料电池等发电单元，从而可以弥补这些发电形式所存在的电力供应不稳定、不连续、随气候条件变化等特点，为多能源联合供电的分布式供电***提供了一种新的拓扑选择。

Claims (2)

1.一种双输入BUCK直流变换器，其特征在于：所述直流变换器由第一BUCK脉冲电压源单元、第二BUCK脉冲电压源单元、附加电路和输出滤波电路组成；

所述第一BUCK脉冲电压源单元由第一输入直流电压源A、第一功率开关管S₁和第一续流二极管D₁组成；其中第一输入直流电压源A的正极与第一续流二极管D₁的阴极连接，第一续流二极管D₁的阳极与第一功率开关管S₁的漏极连接，第一功率开关管S₁的源极与第一输入直流电压源A的负极连接；

所述第二BUCK脉冲电压源单元由第二输入直流电压源B、第二功率开关管S₂和第二续流二极管D₂组成；其中第二输入直流电压源B的正极与第二功率开关管S₂的漏极连接，第二功率开关管S₂的源极与第二续流二极管D₂的阴极连接，第二功率开关管D₂的阳极与第二输入直流电压源B的负极连接；

第一BUCK脉冲电压源单元中第一功率开关管S₁的漏极分别与第二BUCK脉冲电压源单元中第二功率开关管S₂的源极、第二续流二极管D₂的阴极连接；

所述附加电路包括第三功率开关管S₃和第三续流二极管D₃；第三功率开关管S₃的漏极与第三续流二极管D₃的阳极连接，第三续流二极管D₃的阴极分别与第二BUCK脉冲电压源单元中第二输入直流电压源B的正极和第二功率开关管S₂的漏极连接；

所述输出滤波电路包括输出滤波电感L和输出滤波电容c；输出滤波电感L的一端分别与第一BUCK脉冲电压源单元中的第一直流输入电压源A的正极和第一续流二极管D₁的阴极连接，输出滤波电感L另一端分别与附加电路中的第三功率开关管S₃的漏极、第三续流二极管D₃的阳极连接；输出滤波电容c的一端分别与附加电路中第三功率开关管S₃的源极和负载R的一端连接，输出滤波电容c另一端分别与第二BUCK脉冲电压源单元中第二输入直流电压源B的负极、第二续流二极管D₂的阳极、负载R的另一端连接。

2.一种双输入BUCK直流变换器控制***，其特征在于：所述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，对两个BUCK脉冲电压源单元进行功率分配和负载电压稳定控制；

第一输入直流电压源A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PI调节器进行能量自动分配；

当负载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，转化为第二功率开关管S₂的占空比，控制第二输入直流电压源B的放电功率；

当负载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，转化为第三功率开关管S₃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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