CN108923651A - 单输入双输出三开关组dc-dc变换器及其控制方法 - Google Patents

单输入双输出三开关组dc-dc变换器及其控制方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供单输入双输出三开关组DC‑DC变换器及其控制方法。变换器包括直流输入电源、第一直流负载、第二直流负载、开关桥臂；所述开关桥臂由第一开关组、第二开关组、第三开关组、耦合电感串联而成，每个开关组均由N个功率开关单元串联而成。本发明电路具有三个端口，与一路直流电源、两路直流负载构成三种连接方式，在不同连接情况下，可分别实现升压、降压、升降压功能。本发明采用载波移相PWM控制，对功率开关单元中开关管的导通、关断进行控制，实现负载电压的调节。本发明适合单输入双输出的高压大功率直流应用场合。

Description

单输入双输出三开关组DC-DC变换器及其控制方法
技术领域
本发明涉及分布式发电***和直流输电领域，具体涉及一种单输入双输出三开关组DC-DC变换器及其控制方法。
背景技术
作为解决新能源并网问题的有效手段，柔性多端直流输电和直流电网迅速发展。但目前许多直流电网运行在不同的电压等级，需要通过换流器进行连接。目前用于连接不同直流电网的主要方法有：通过直流变压器将直流电网两两互联、通过多端口直流-直流变换器将多个直流电网互联和采用多端口直流-直流自耦合变压器将多个直流电网互联。在实现多个直流电网连接时，前两种方法不仅需要多个变换器而且电压经过DC-AC和AC-DC两级变换，成本高，损耗大；第三种方法需要多个变换器串联，容错率低，成本高。因此，研究单一高压大功率直流-直流变换器具有重要意义。
发明内容
本发明的目的在于克服上述现有技术的不足，提出一种单输入双输出三开关组DC-DC变换器及其控制方法。
本发明的目的至少通过如下技术方案实现。
单输入双输出三开关组DC-DC变换器，包括直流输入电源、桥臂、第一直流负载和第二直流负载；所述桥臂由第一开关组、第二开关组、第三开关组、耦合电感串联而成；第一开关组、第二开关组、第三开关组均由N个功率开关单元串联而成，N为正整数。第一开关组的上端a和接地点n构成变换器第一端口T1，耦合电感原边的非同名端与第二开关组上端的连接点c与接地点n构为变换器第二端口T2，第二开关组的下端和耦合电感副边同名端的连接点d与接地点n构成变换器第三端口T3，第三开关组的下端作为变换器的接地点n。
进一步的，单输入双输出三开关组DC-DC变换器的第一端口的电压U1、第二端口的电压U2、第三端口的电压U3满足：U1>U2>U3。
进一步的，直流输入电源、第一直流负载、第二直流负载与第一端口、第二端口、第三端口有三种不同连接方式。第一种方式：第一端口连接直流输入电源的正极，直流输入电源的负极与地连接，第二端口连接第一直流负载的一端，第一直流负载的另一端与地连接，第三端口连接第二直流负载的一端，第二直流负载的另一端与地连接，实现降压功能；第二种方式：第一端口T1连接第一直流负载的一端，第一直流负载的另一端与地连接，第二端口T2连接第二直流负载的一端，第二直流负载的另一端与地连接，第三端口T3连接直流输入电源的正极，直流输入电源的负极与地连接，实现升压功能；第三种方式：第一端口T1连接第一直流负载的一端，第一直流负载的另一端与地连接，第二端口T2连接直流输入电源的正极，直流输入电源的负极与地连接，第三端口T3连接第二直流负载的一端，第二直流负载的另一端与地连接，同时实现升降压功能。
进一步的，桥臂中的耦合电感可由上桥臂电感和下桥臂电感两个数值相等的独立电感替代。
进一步的，功率开关单元包括第一开关管、第二开关管、第一二极管、第二二极管和电容；其中，电容的正极与第二开关管的集电极、第二二极管的阴极连接，第二开关管的发射极与第二二极管的阳极、第一开关管的集电极、第一二极管的阴极连接，第一开关管的发射极与第一二极管的阳极、电容的负极连接；第一开关管的集电极作为第一输出端，第一开关管的发射极作为第二输出端。
进一步的，每个开关组的第i个功率开关单元的第二输出端与第i+1个功率开关单元的第一输出端连接，其中i取值为1～N-1。
上述变换器的控制方法是:采用载波移相PWM控制每个开关组的开关管的开通与关断；第一开关组(A1)的第i个功率开关单元和第三开关组的第i个功率开关单元采用相同三角波作为第i个载波uCi，其中，i取值为1～N；N个载波依次滞后相角360°/N；第一开关组输出电压、第三开关组输出电压均采用直流波作为调制波。
进一步的，上述控制方法中，第一调制波uRef1与第i个载波uCi通过第一比较器得到第一开关组的第i个功率开关单元的第一开关管门极的控制电平，当第一调制波uRef1大于第i个载波uCi时，第一比较器输出高电平，当第一调制波uRef1小于第i个载波uCi时，第一比较器输出低电平，其中i的取值为1～N；第二调制波uRef2与第i个载波uCi通过第二比较器得到第三开关组的第i个功率开关单元的第一开关管门极的控制电平，当第二调制波uRef2小于第i个载波uCi时，第二比较器输出高电平，当第二调制波uRef2大于第i个载波uCi时，第二比较器输出低电平；第一开关组的第i个功率开关单元的第一开关管门极的控制电平和第三开关组的第i个功率开关单元的第一开关管门极的控制电平通过异或门得到第二开关组的第i个功率开关单元中第一开关管门极的控制电平；每个开关组的每个功率开关单元中第一开关管门极的控制电平反相后得到该功率开关单元的第二开关管门极的控制电平。
与现有技术相比，本发明具有如下优点和技术效果：单输入双输出三开关组DC-DC变换器具有MMC的优点，通过改变开关组中的模块个数N，可以实现任意输出电压，适合高压、大功率场合的应用，每个功率单元模块中电容电压为U1/N；与现有的DC-DC变换电路拓扑相比，本发明提出的DC-DC变换器能在一个输入直流电源的情况下，实现两路直流输出，极大地降低了工程成本；通过选择变换器端口与直流电源、直流负载间不同的连接方式，单输入双输出三开关组DC-DC变换器能实现升压、降压、同时升降压的功能。
附图说明
图1是单输入双输出三开关组DC-DC变换器第一种连接方式下的电路结构图；
图2是图1所示单输入双输出三开关组DC-DC变换器的功率单元电路结构图；
图3是图1所示的单输入双输出三开关组DC-DC变换器的载波移相PWM控制方法的结构图；
图4是本例单输入双输出三开关组DC-DC变换器所采用载波移相PWM控制方法的调制波和载波波形。
图5是单输入双输出三开关组DC-DC变换器的仿真波形图。
具体实施方式
为进一步阐述本发明的内容和特点，以下结合附图对本发明的具体实施方案进行具体说明，但本发明的实施不限于此。需指出的是，以下若有未特别详细说明之过程或符号，均是本领域技术人员可参照现有技术理解或实现的。
以第一种连接方式为例。
参考图1，本实施例的双输出单相三开关组DC-DC变器，包括直流输入电源Udc、开关桥臂、第一直流负载R1、第二直流负载R2；所述开关桥臂由第一开关组A1、耦合电感Lp：Ls、第二开关组A2、第三开关组A3串联而成；第一开关组A1由N个功率单元SMA11、SMA12、…、SMA1N串联组成，第二开关组A2由N个功率单元SMA21、SMA22、…、SMA2N串联组成，第三开关组A3由N个功率单元SMA31、SMA32、…、SMA3N串联组成。第一开关组A1的下端与耦合电感Lp：Ls原边Lp的同名端b连接，耦合电感Lp：Ls原边Lp的非同名端c与第二开关组A2的上端连接，第二开关组A2的下端与耦合电感Lp：Ls副边Ls的同名端d连接，耦合电感Lp：Ls副边Ls的非同名端e与第三开关组A3的上端连接，第三开关组A3的下端与地端n连接。第一种连接方式下第一端口T1与直流输入电源Udc的正极连接，直流输入电源Udc的负极与地n连接，第二端口T2与第一负载R1的一端连接，第一负载R1的另一端与地n连接，第三端口T3与第二负载R2的一端连接，第二负载R2的另一端与地n连接。如图1所示，第一开关组A1的第i个功率开关单元SMA1i的第二输出端与第一开关组A1的第i+1个功率开关单元SMA1(i+1)的第一输出端连接，其中i取值为1～N-1；第二开关组A2的第i个功率开关单元SMA2i的第二输出端与第二开关组A2的第i+1个功率开关单元SMA2(i+1)的第一输出端连接；第三开关组A3的第i个功率开关单元SMA3i的第二输出端与第三开关组A3的第i+1个功率开关单元SMA3(i+1)的第一输出端连接。开关组中功率模块采用图2所示半桥子模块。
如图1所示，直流电源电压Udc、第一负载两端电压U2和第二负载两端电压U3为：
结合1可得
根据载波移相调制策略，选用两路调制波为：
本例中N＝4,Udc＝240V，故Uc＝240V/4＝60V。为了获得两路输出U2＝120V，U3＝80V，由式3算得调制波uref1＝0，uref1＝-1/3。所得调制波和载波的波形如图4所示。
第一开关组A1的第i个功率开关单元SMA1i和第三开关组A3的第i个功率开关单元SMA3i，采用相同三角波作为载波uCi，其中i的取值为1～4；4个载波(uCl、uC2、uC3、uC4)依次滞后相角90°；第一开关组输出的调制波uRef1＝0，第三开关组输出的调制波第一调制波uRef1分别与4个载波(uCl、uC2、uC3、uC4)比较，得到第一开关组A1的4个功率开关单元(SMA11、SMA12、SMA13、SMA14)中第一开关管S1门极的控制电平(ugA11、ugA12、ugA13、ugA14)，当第一调制波uRef1大于载波uCi时，得到的控制电平ugA1i为高电平，当第一调制波uRef1小于载波uCi时，得到的控制电平ugA1i为低电平，其中i的取值为1～4；第二调制波uRef2分别与4个载波(uCl、uC2、uC3、uC4)比较，得到第三开关组A3的4个功率开关单元(SMA31、SMA32、SMA33、SMA34)中第一开关管S1门极的控制电平(ugA11、ugA12、ugA13、ugA14)，当第二调制波uRef2大于载波uCi时，得到的控制电平ugA3i为低电平，当第二调制波uRef2小于载波uCi时，得到的控制电平ugA3i为高电平；第一开关组A1的第i个功率开关单元SMA1i中第一开关管S1门极的控制电平ugA1i和第三开关组A3的第i个功率开关单元SMA3i中第一开关管S1门极的控制电平ugA3i通过异或计算得到第二开关组A2的第i个功率开关单元SMA2i中第一开关管S1门极的控制电平ugA2i；所述每个开关组的每个功率开关单元中第一开关管S1门极的控制电平反相后得到该功率开关单元中第二开关管S2门极的控制电平。从而分别得到第一开关组A1的输出电压uA1、第二开关组A2的输出电压uA2、和第三开关组A3的输出电压uA2，进而得到第一路输出电压U2和第二路输出电压U3。
图5为N＝4，Udc＝240V时，单输入双输出三开关组DC-DC变换器的仿真波形图，从上到下依次是第一调制波uRef1和第二调制波uRef2、直流输入电压Udc和第一开关组输出电压uA1、第一负载电压U2和第二开关组的电压uA2，第二负载电压U3和第三开关组的电压uA3(U3和uA3波形重合)。从波形图可见，U2等于目标直流输出电压120V，U3虽然为脉动直流，但其平均值为目标直流电压80V。
上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受所述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.单输入双输出三开关组DC-DC变换器，其特征在于：包括一个直流输入电源(Udc)、开关桥臂、第一直流负载(R1)、第二直流负载(R2)；所述开关桥臂由第一开关组(A1)、耦合电感(Lp：Ls)、第二开关组(A2)、第三开关组(A3)串联而成；第一开关组(A1)的上端a构成变换器第一端口(T1)，耦合电感原边(Lp)的非同名端与第二开关组(A2)的上端的连接点c构成变换器第二端口(T2)，第二开关组(A2)的下端与耦合电感副边(Ls)的同名端的连接点d构成变换器第三端口(T3)，第三开关组(A3)的下端与接地点n相连。
2.根据权利要求1所述的单输入双输出三开关组DC-DC变换器，其特征在于：第一开关组(A1)由N个功率单元(SMA11、SMA12、…、SMA1N)串联组成，第二开关组(A2)由N个功率单元(SMA21、SMA22、…、SMA2N)串联组成，第三开关组(A3)由N个功率单元(SMA31、SMA32、…、SMA3N)串联组成；其中，N为正整数。
3.根据权利要求1所述的单输入双输出三开关组DC-DC变换器，其特征在于：第一端口(T1)的电压U1、第二端口(T2)的电压U2、第三端口(T3)的电压U3满足U1>U2>U3。
4.根据权利要求1所述的单输入双输出三开关组DC-DC变换器，其特征在于：直流输入电源(Udc)、第一直流负载(R1)、第二直流负载(R2)与第一端口(T1)、第二端口(T2)、第三端口(T3)有三种不同连接方式；其中第一种方式为：第一端口(T1)连接直流输入电源(Udc)的正极，直流输入电源(Udc)的负极与地(n)连接，第二端口(T2)连接第一直流负载(R1)的一端，第一直流负载(R1)的另一端与地(n)连接，第三端口(T3)连接第二直流负载(R2)的一端，第二直流负载(R2)的另一端与地(n)连接，实现降压功能；第二种方式为：第一端口T1连接第一直流负载(R1)的一端，第一直流负载(R1)的另一端与地(n)连接，第二端口T2连接第二直流负载(R2)的一端，第二直流负载(R2)的另一端与地(n)连接，第三端口T3连接直流输入电源(Udc)的正极，直流输入电源(Udc)的负极与地(n)连接，实现升压功能；第三种方式为：第一端口T1连接第一直流负载(R1)的一端，第一直流负载(R1)的另一端与地(n)连接，第二端口T2连接直流输入电源(Udc)的正极，直流输入电源(Udc)的负极与地(n)连接，第三端口T3连接第二直流负载(R2)的一端，第二直流负载(R2)的另一端与地(n)连接，同时实现升降压功能。
5.根据权利要求1所述的单输入双输出三开关组DC-DC变换器，其特征在于：所述耦合电感可由上桥臂电感(Lp)和下桥臂电感(Ls)两个数值相等的独立电感替代。
6.根据权利要求1所述的单输入双输出三开关组DC-DC变换器，其特征在于：第一开关组(A1)的下端与耦合电感原边(Lp)的同名端(b)连接，耦合电感原边(Lp)的非同名端与第二开关组(A2)的上端连接，连接点为c，第二开关组(A2)的下端与耦合电感副边(Ls)的同名端连接，连接点为d，耦合电感副边(Ls)的非同名端(e)与第三开关组(A3)的上端连接，第三开关组(A3)的下端与地端(n)连接。
7.根据权利要求1所述的单输入双输出三开关组DC-DC变换器，其特征在于：功率开关单元包括第一开关管(S1)、第二开关管(S2)、第一二极管(D1)、第二二极管(D2)和电容(CSM)；其中，电容(CSM)的正极与第二开关管(S2)的集电极、第二二极管(D2)的阴极连接，第二开关管(S2)的发射极与第二二极管(D2)的阳极、第一开关管(S1)的集电极、第一二极管(D1)的阴极连接，第一开关管(S1)的发射极与第一二极管(D1)的阳极、电容(CSM)的负极连接；第一开关管(S1)的集电极作为第一输出端，第一开关管(S1)的发射极作为第二输出端。
8.根据权利要求2所述的单输入双输出三开关组DC-DC变换器，其特征在于：第一开关组(A1)的第i个功率开关单元(SMA1i)的第二输出端与第一开关组(A1)的第i+1个功率开关单元(SMA1(i+1))的第一输出端连接，其中i取值为1～(N-1)；第二开关组(A2)的第i个功率开关单元(SMA2i)的第二输出端与第二开关组(A2)的第i+1个功率开关单元(SMA2(i+1))的第一输出端连接；第三开关组(A3)的第i个功率开关单元(SMA3i)的第二输出端与第三开关组(A3)的第i+1个功率开关单元(SMA3(i+1))的第一输出端连接。
9.用于权利要求1所述的单输入双输出三开关组DC-DC变换器的控制方法，其特征在于：采用载波移相PWM控制第一开关组(A1)、第二开关组(A2)和第三开关组(A3)的开关管的开通与关断；第一开关组(A1)的第i个功率开关单元(SMA1i)和第三开关组(A3)的第i个功率开关单元(SMA3i)采用相同三角波作为第i个载波uCi，其中：i取值为1～N；N个载波(uC1、uC2、…、uCN)依次滞后相角360°/N；第一调制波uRef1采用直流波，第二调制波uRef2也采用直流波。
10.根据权利要求9所述的控制方法，其特征在于：第一调制波uRef1与第i个载波uCi通过第一比较器得到第一开关组(A1)的第i个功率开关单元(SMA1i)的第一开关管(S1)门极的控制电平(ugA1i)，当第一调制波uRef1大于第i个载波uCi时，第一比较器输出高电平，当第一调制波uRef1小于第i个载波uCi时，第一比较器输出低电平，其中i的取值为1～N；第二调制波uRef2与第i个载波uCi通过第二比较器得到第三开关组(A3)的第i个功率开关单元(SMA3i)的第一开关管(S1)门极的控制电平(ugA3i)，当第二调制波uRef2小于第i个载波uCi时，第二比较器输出高电平，当第二调制波uRef2大于第i个载波uCi时，第二比较器输出低电平；第一开关组(A1)的第i个功率开关单元(SMA1i)的第一开关管(S1)门极的控制电平(ugA1i)和第三开关组(A3)的第i个功率开关单元(SMA3i)的第一开关管(S1)门极的控制电平(ugA3i)通过异或门得到第二开关组(A2)的第i个功率开关单元(SMA2i)中第一开关管(S1)门极的控制电平(ugA2i)；每个开关组的每个功率开关单元中第一开关管(S1)门极的控制电平反相后得到该功率开关单元的第二开关管(S2)门极的控制电平。
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