CN108988644A - 一种dc/dc变换器拓扑结构 - Google Patents

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Abstract

本发明属于电网控制电路拓扑结构领域，尤其涉及一种DC/DC变换器拓扑结构。本发明中的DC/DC变换器拓扑结构，其各个电源能够单独或者同时与负载或者电网之间传递或者接收电能，实现能量灵活的双向流动管理，三绕组高频耦合变压器实现了电气隔离，同时可根据前后端电压配比关系快速定型设计其匝数比，简化电路及设备设计复杂度，利用开关管的并联电容以及变压器漏感实现谐振与能量转换，在不借助外设辅助电路的情况下实现软开关，有利于简化电路结构，降低电路成本，同时能够满足不同功率下能量转换需求，提高了变换器的应用范围。

Description

一种DC/DC变换器拓扑结构
技术领域
本发明属于电网控制电路拓扑结构领域，尤其涉及一种DC/DC变换器拓扑结构。
背景技术
随着社会经济的不断发展，人们电能的需求越来越高，受能源危机以及环境问题的限制，人们开始大力发展各种可再生清洁能源，包括风力、水力、太阳能以及生物质能、地热能、潮汐能等，其中风力以及太阳能资源较为丰富，对环境友好，且资源分布广泛，是最常见的两种清洁能源。但同时，这些可再生能源大多数不能持续稳定输出，例如太阳能、风能、潮汐能收到环境因素的限制其输出间歇且不确定，这导致这些不稳定的电能在输入电网过程中给电力***带来运行和控制的不稳定性。受可再生能源输出功率的随机性影响，电网电压的频率、电能特性等无法准确控制，容易引起电网性能下降，电力***维护难度增加。电力调度控制效果下降等问题，因此需要各类变换器实现不同能量之间的耦合转换，在将各种可再生能源等独立电源中的电能引入电网的同时，降低这些电源对电网的不利影响。但现有变换器存在结构复杂、难以有效实现电气隔离、难以满足高压负载以及不易实现软开关等问题。
发明内容
本发明创造的目的在于，提供一种DC/DC变换器拓扑结构，以求简化电路结构，降低电路成本，满足不同功率下能量转换需求，提高变换器的应用范围。
为实现上述目的，本发明创造采用如下技术方案。
一种DC/DC变换器拓扑结构，包括第一输入变换单元、第二输入变换单元以及输出变换单元，两个输入变换单元和输出变换单元之间设置有三绕组高频耦合变压器作为能量传输元件，两个输入变换单元和输出变换单元分别设置于三饶子高频耦合变压器两侧；
第一输入变换单元为电压型全桥结构，包括第一电源，第一电源的输出端串联有第一电感，第一电源和第一电感的两端并联有第一电容，第一电容与由四个开关管组成的第一双向全桥结构并联，双向全桥中两个半桥的中间点相连后接入三绕组高频耦合变压器；
第二输入变换单元为电压型全桥结构，包括由超级电容构成的第二电源，第二电源的输出端串联有第二电感，第二电源和第二电感的两端并联有第二电容，第二电容与由四个开关管组成的第二双向全桥结构并联，双向全桥中两个半桥的中间点相连后接入三绕组高频耦合变压器；第一双向全桥和第二双向全桥中的每一个开关管均工作在额定功率下，且每一个开关管的两端均跨接有飞跨电容以及钳位二极管；
输出变换单元包括第三双向全桥，第三双向全桥的两个半桥的中间点相连后接入三绕组高频耦合变压器以输出电能，第三双向全桥的两端连接至直流***或者交流***。
进一步的，第一电源由蓄电池串联组成。
进一步的，直流***是指直流母线或者直流负载或者直流微网；交流***包括逆变器，还包括交流母线或者交流微网或者交流负载。
进一步的，开关管并联的钳位二极管为与之相应的寄生二极管。
其有益效果在于：在该DC/DC变换器工作在正向模式时，由蓄电池和超级电容向输出端供电，同时蓄电池向超级电容充电；在该DC/DC变换器工作在反向模式时，电网则向蓄电池以及超级电容提供电能，同时蓄电池向超级电容充电。在该DC/DC变换器拓扑结构中，假设其中一侧如蓄电池停止工作，则该拓扑结构成为双端口变换器，只有超级电容和负载之间进行电能转换，此时该双端口变换器可实现三种不同工作模式，包括内部模式、超前外部模式、滞后外部模式；因此本发明该DC/DC变换器可拆分为三个互相耦合的双全桥变换器，通过对本发明中超级电容侧占空比与相位角进行控制，能够实现前述三种不同工作模式的结合。通过耦合变压器和负载电网进行能量转换传递，储能***通过基础的电压控制使输出侧在负载的变化情况依旧能保持电压稳定，通过对蓄电池以及超级电容进行充放电过程进行状态管理，实现对储能元件的保护，通过电流控制使得输入电流保持连续，基于本发明中的DC/DC变换器拓扑结构，其各个电源能够单独或者同时与负载或者电网之间传递或者接收电能，实现能量灵活的双向流动管理，三绕组高频耦合变压器实现了电气隔离，同时可根据前后端电压配比关系快速定型设计其匝数比，简化电路及设备设计复杂度，利用开关管的并联电容以及变压器漏感实现谐振与能量转换，在不借助外设辅助电路的情况下实现软开关，有利于简化电路结构，降低电路成本，同时能够满足不同功率下能量转换需求，提高了变换器的应用范围。
附图说明
图1是本发明一种DC/DC变换器拓扑结构的示意图；
图2是三绕组高频耦合变压器的等效模型以及简化结构图；
图3是本发明DC/DC变换器拓扑结构等效电路图；
图4是本发明DC/DC变换器在一个周期内的电压电流波形图。
具体实施方式
以下结合具体实施例对本发明创造作详细说明。
如图1所示，一种DC/DC变换器拓扑结构，包括第一输入变换单元、第二输入变换单元以及一个输出变换单元，两个输入变换单元和一个输出变换单元之间设置有三绕组高频耦合变压器作为能量传输元件，两个输入变换单元和输出变换单元分别设置于三饶子高频耦合变压器两侧。
第一输入变换单元为电压型全桥结构，包括由蓄电池串联组成的第一电源，第一电源的输出端串联有第一电感，第一电源和第一电感的两端并联有第一电容，第一电容与由四个开关管组成的第一双向全桥结构并联，双向全桥中两个半桥的中间点相连后接入三绕组高频耦合变压器；第二输入变换单元为电压型全桥结构，包括由超级电容构成的第二电源，第二电源的输出端串联有第二电感，第二电源和第二电感的两端并联有第二电容，第二电容与由四个开关管组成的第二双向全桥结构并联，双向全桥中两个半桥的中间点相连后接入三绕组高频耦合变压器；第一双向全桥和第二双向全桥中的每一个开关管均工作在额定功率下，且每一个开关管的两端均跨接有飞跨电容以及钳位二极管。
输出变换单元包括第三双向全桥，第三双向全桥的两个半桥的中间点相连后接入三绕组高频耦合变压器以输出电能，第三双向全桥的两端连接至直流***或者交流***；
在该DC/DC变换器拓扑结构中，三绕组高频耦合变压器的等效模型以及简化结构如图2所示，通过该结构储能设备(包括蓄电池以及超级电容)与输出端之间实现电气隔离，同时通过磁耦合的方式使电源与负载相互连接，通过绕组间的变比实现低压电源和高压输出之间的电压匹配，一方面变压器绕组的漏感实现能量传递，另一方面还将其作为谐振软开关元件，提高了***效率，其中Lm1和Lm2为变压器的等效激励电感，Lr1、Lr2以及Lr3分别为变压器个绕组之间的漏感，基于上述基础，对变压器进行等效电路简化后，该DC/DC 变换器拓扑结构等效为图3所示的电路，其中ir1、ir2以及ir3分别表示变换器各端口对应的三绕组漏电流，vr1、vr2以及vr3则分别表示折算到高频变压器各原绕组和副绕组的电压。变换器通过变压器(图3中用Tr表示)的漏感来实现高、低压侧的电能转换。
分析上述结构可知，在微电网储能结构中，该DC/DC变换器工作在正向模式时，由蓄电池和超级电容向输出端供电，同时蓄电池向超级电容充电；在该DC/DC变换器工作在反向模式时，电网则向蓄电池以及超级电容提供电能，同时蓄电池向超级电容充电。在该DC/DC变换器拓扑结构中，假设其中一侧如蓄电池停止工作，则该拓扑结构成为双端口变换器，只有超级电容和负载之间进行电能转换，此时该双端口变换器可实现三种不同工作模式，包括内部模式、超前外部模式、滞后外部模式；因此本发明该DC/DC变换器可拆分为三个互相耦合的双全桥变换器，通过对本发明中超级电容侧占空比与相位角进行控制，能够实现前述三种不同工作模式的结合。
进一步地，直流***是指直流母线或者直流负载或者直流微网；交流***包括逆变器，还包括交流母线或者交流微网或者交流负载。
进一步地，开关管并联的钳位二极管为与之相应的寄生二极管
其具体实施方式如下。
对本方案中的DC/DC变换器的工作原理进行分析，以图3中等效电路图的原边为参考，本发明中DC/DC变换器在一个周期内的电压电流波形如图4所示，变换器在一个周期内重复上述工作模式，因此在一个工作周期内其可以分为t1-t20二十个状态区间，包括：
t0-t1(t0是指周期起始时间点)，该状态紧接上一稳定状态的t20，S1、S4、S5、S8导通，D9、D12导通。vcr6＝vcr7＝U2，三端所加电压均为正电压，v2侧占空比小于1，ir1线性降低，ir2和ir3线性增加。
t1-t2，S5断开，Cr5、Cr6与Tr谐振，Cr5充能，Cr6放电，vcr5从0开始增加，vcr6从U2开始降低，其变化速度受t1时刻开关管电流大小影响，在t2时刻，Cr6由0开始变成负，D6正向导通，Cr5加至U2。
t2-t3，t2时刻，D6导通，S6两端电压钳位为0。驱动S6实现零电压导通，该状态下v2＝0， ir2和ir3线性下降，ir1线性增加。
t3-t4，t3在时刻，S1、S4断开，Cr1、Cr2、Cr5、Cr6与Tr谐振，Cr1和Cr4充电，Cr2和Cr3放电
t5-t20时刻变化状态如图4所示；
从图4中可知，本发明中的DC/DC变换器将蓄电池与超级电容连接在一起，通过耦合变压器和负载电网进行能量转换传递，储能***通过基础的电压控制使输出侧在负载的变化情况依旧能保持电压稳定，通过对蓄电池以及超级电容进行充放电过程进行状态管理，实现对储能元件的保护，通过电流控制使得输入电流保持连续。
基于本发明中的DC/DC变换器拓扑结构，其各个电源能够单独或者同时与负载或者电网之间传递或者接收电能，实现能量的可双向流动管理，三绕组高频耦合变压器实现了电气隔离，同时可根据前后端电压配比关系快速定型设计其匝数比，简化电路及设备设计复杂度，利用开关管的并联电容以及变压器漏感实现谐振与能量转换，在不借助外设辅助电路的情况下实现软开关，有利于简化电路结构，降低电路成本，同时能够满足不同功率下能量转换需求，提高了变换器的应用范围。
最后应当说明的是，以上实施例仅用以说明本发明创造的技术方案，而非对本发明创造保护范围的限制，尽管参照较佳实施例对本发明创造作了详细地说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明创造的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明创造技术方案的实质和范围。

Claims (4)

1.一种DC/DC变换器拓扑结构，其特征在于，包括第一输入变换单元、第二输入变换单元以及输出变换单元，所述两个输入变换单元和输出变换单元之间设置有三绕组高频耦合变压器作为能量传输元件，两个输入变换单元和输出变换单元分别设置于三饶子高频耦合变压器两侧；
所述第一输入变换单元为电压型全桥结构，包括第一电源，第一电源的输出端串联有第一电感，第一电源和第一电感的两端并联有第一电容，第一电容与由四个开关管组成的第一双向全桥结构并联，双向全桥中两个半桥的中间点相连后接入三绕组高频耦合变压器；所述第二输入变换单元为电压型全桥结构，包括由超级电容构成的第二电源，第二电源的输出端串联有第二电感，第二电源和第二电感的两端并联有第二电容，第二电容与由四个开关管组成的第二双向全桥结构并联，双向全桥中两个半桥的中间点相连后接入三绕组高频耦合变压器；所述第一双向全桥和第二双向全桥中的每一个开关管均工作在额定功率下，且每一个开关管的两端均跨接有飞跨电容以及钳位二极管；
所述输出变换单元包括第三双向全桥，第三双向全桥的两个半桥的中间点相连后接入三绕组高频耦合变压器以输出电能，第三双向全桥的两端连接至直流***或者交流***。
2.根据权利要求1所述一种DC/DC变换器拓扑结构，其特征在于，所述第一电源由蓄电池串联组成。
3.根据权利要求1所述一种DC/DC变换器拓扑结构，其特征在于，所述直流***是指直流母线或者直流负载或者直流微网；所述交流***包括逆变器，还包括交流母线或者交流微网或者交流负载。
4.根据权利要求1所述一种DC/DC变换器拓扑结构，其特征在于，所述钳位二极管为与开关管相应的寄生二极管。
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