CN110557025B - 一种适用于直流微网的多端口双向dc-dc变换器 - Google Patents

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Abstract

一种适用于直流微网的多端口双向DC‑DC变换器，它包括第一模块、若干第二模块，第一模块包括电感L1，电感L1的A端接储能单元Uin1的阳极、B端接功率开关S1的漏极和功率开关Q1的源极，功率开关S1的源极接地。本发明的目的是为了解决现有直流微网***在引入储能单元以后，当储能单元串联接入时会导致电荷不平衡，影响储能单元的充电容量和寿命；当储能单元并联接入时，储能单元输出电压低的技术问题。

Description

一种适用于直流微网的多端口双向DC-DC变换器
技术领域
本发明属于电子技术领域，具体涉及一种适用于直流微网的多端口双向DC-DC变换器。
背景技术
近年来，直流微网***发展迅速，由于新能源发电出力不可靠，给直流微网***带来扰动，因此，引入储能单元到直流微网中来平顺直流母线电压的波形和输出功率，保障直流微网***的可靠性和稳定性。
例如申请公布号为CN110212513A的中国专利公开了一种稳定直流微网母线电压波动的灵活虚拟电容控制方法，它针对由新能源发电单元、蓄电池储能单元、交直流负荷单元及交流主网构成的直流微网。储能单元接入方式有多种，储能单元串联接入时，会导致电荷不平衡的问题，影响储能单元的充电容量和寿命；储能单元并联接入时，储能单元输出电压低；每个储能单元通过一个双向DC/DC变换器连接到直流母线可避免上述问题，但是变换器数量多、结构复杂、成本高、效率低。
发明内容
本发明的目的是为了解决现有直流微网***在引入储能单元以后，当储能单元串联接入时会导致电荷不平衡，影响电池的充电容量和寿命；当储能单元并联接入时，储能单元输出电压低的技术问题。
一种适用于直流微网的多端口双向DC-DC变换器，它包括第一模块、若干第二模块，第一模块包括电感L1，电感L1的A端接储能单元Uin1的阳极、B端接功率开关S1的漏极和功率开关Q1的源极，功率开关S1的源极接地；
第二模块包括电感L2，电感L2的A端接储能单元Uin2的阳极、B端接功率开关S2的漏极和电容C1的A端，功率开关S2的源极接地；
功率开关Q1的漏极接功率开关Q2的源极和电容C1的B端。
从第一模块的近端至远端依次设有若干第二模块，第二模块中的功率开关Qm的漏极用于与下一个第二模块中的功率开关Qm+1的源极或者与直流电源U0的阳极连接，直流电源U0的阴极与第一模块中功率开关S1的源极连接。
上述第m个第二模块中，电感Lm的A端接储能单元Uinm的阳极、B端接功率开关Sm的漏极和电容Cm-1的A端，功率开关Sm的源极接地，电容Cm-1的B端接功率开关Qm的源极和功率开关Qm-1的漏极，功率开关Qm的漏极接直流源U0的阳极。
上述开关管S1、S2、S3...Sm中相邻功率开关之间采用交错控制策略，每相邻两功率开关之间开关驱动相位相差180°，开关管Q1、Q2、Q3...Qm不工作，电路工作于Boost状态；开关管Q1、Q2、Q3...Qm中相邻功率开关之间采用交错控制策略，每相邻两功率开关之间开关驱动相位相差180°，开关管S1、S2、S3...Sm不工作，电路工作于Buck状态。
1)m为奇数时：当S1、S3、S5…Sm均导通，S2、S4、S6…Sm-1、Q1、Q2、Q3…Qm驱动信号关断时，电路工作逻辑为：Q2、Q4、Q6…Qm-1反并联二极管DQ2、DQ4、DQ6…DQm-1均导通，电路工作于Boost状态，储能单元Uin1、Uin3、Uin5…Uinm分别通过S1、S3、S5…Sm给电感L1、L3、L5…Lm充电，电感L1、L3、L5…Lm电流上升，储能单元Uin2通过DQ2给电感L2放电，L2电流下降、给电容C1放电，C1电压下降；电流通过S3给电容C2充电，C2电压上升，储能单元Uin4通过DQ4给电感L4放电，L4电流下降、给电容C3放电，C3电压下降、给电容C4充电，C4电压上升…储能单元Uinm-1通过DQm-1给电感Lm-1放电，Lm-1电流下降、给电容Cm-2放电，Cm-2电压下降、给电容Cm-1充电，Cm-1电压上升；
当S2、S4、S6…Sm-1均导通，S1、S3、S5…Sm、Q1、Q2、Q3…Qm驱动信号关断，Q1、Q3、Q5…Qm反并联二极管DQ1、DQ3、DQ5…DQm均导通时，电路工作于Boost状态，储能单元Uin2、Uin4、Uin6…Uinm-1分别通过S2、S4、S6…Sm-1给电感L2、L4、L6…Lm-1充电，电感L2、L4、L6…Lm-1电流上升，电流通过DQ1给储能单元Uin1放电、给电感L1放电，L1电流下降；电流通过S2给电容C1充电，C1电压上升，电流通过DQ3给储能单元Uin3放电、给电感L3放电，L3电流下降、给电容C2放电，C2电压下降、给电容C3充电；电流通过S4给电容C3充电，C3电压上升…电流通过DQm-2给储能单元Uinm-2放电、给电感Lm-2放电，Lm-2电流下降、给电容Cm-3放电，Cm-3电压下降；电流通过Sm-1给电容Cm-2充电，Cm-2电压上升，储能单元Uinm通过DQm给电感Lm放电，Lm电流下降、给电容Cm-1放电，Cm-1电压下降、给直流源U0供电；
当S1、S2、S3…Sm均导通，Q1、Q2、Q3…Qm驱动信号关断时，电路工作于Boost状态，储能单元Uin1、Uin2、Uin3…Uinm分别通过S1、S2、S3…Sm给电感L1、L2、L3…Lm充电，电感L1、L2、L3…Lm电流上升；
当Q1、Q3、Q5…Qm均导通，S1、S2、S3…Sm驱动信号关断,S2、S4、S6…Sm-1反并联二极管DS2、DS4、DS6…DSm-1均导通时,电路工作于Buck状态，电流通过DS2给电容C1放电，C1电压下降、电流通过Q1给电感L1充电，L1电流上升，给储能单元Uin1充电，电流通过DS2给电感L2放电，L2电流下降，给储能单元Uin2充电，电流通过DS4给电容C3放电，C3电压下降；电流通过Q3给电容C2充电，C2电压上升；给电感L3充电，L3电流上升；给储能单元Uin3充电…电流通过DSm-1给电容Cm-2放电，Cm-2电压下降；电流通过Qm-2给电容Cm-3充电，Cm-3电压上升；给电感Lm-2充电，Lm-2电流上升；给储能单元Uinm-2充电，电流通过DSm-1给电感Lm-1放电，Lm-1电流下降，给储能单元Uinm-1充电，U0通过Qm给电感Lm充电，Lm电流上升、给电容Cm-1充电，Cm-1电压上升、给储能单元Uinm充电。
当Q2、Q4、Q6…Qm-1均导通，S1、S2、S3…Sm驱动信号关断,S1、S3、S5…Sm反并联二极管DS1、DS3、DS5…DSm均导通时,电路工作于Buck状态，电流通过DS1给电感L1放电，L1电流下降，给储能单元Uin1充电，电流通过DS3给电容C2放电，C2电压下降，电流通过Q2给电容C1充电，C1电压上升、给电感L2充电，L2电流上升、给储能单元Uin2充电，电流通过DS3给电感L3放电，L3电流下降、给储能单元Uin3充电…电流通过DSm给电容Cm-1放电，Cm-1电压下降，电流通过Qm-1给电容Cm-2充电，Cm-2电压上升、给电感Lm-1充电，Lm-1电流上升、给储能单元Uinm-1充电，电流通过DSm给电感Lm放电，Lm电流下降、给储能单元Uinm充电；
当S1、S2、S3…Sm、Q1、Q2、Q3…Qm驱动信号均关断，S1、S2、S3…Sm反并联二极管DS1、DS2、DS3…DSm均导通时，电路工作于Buck状态，电流通过DS1、DS2、DS3…DSm分别给电感L1、L2、L3…Lm放电，L1、L2、L3…Lm电流下降、给储能单元Uin1、Uin2、Uin3…Uinm充电；
2)m为偶数时：当S1、S3、S5…Sm-1均导通，S2、S4、S6…Sm、Q1、Q2、Q3…Qm驱动信号关断时，电路工作逻辑为：Q2、Q4、Q6…Qm反并联二极管DQ2、DQ4、DQ6…DQm均导通，电路工作于Boost状态，储能单元Uin1、Uin3、Uin5…Uinm-1分别通过S1、S3、S5…Sm-1给电感L1、L3、L5…Lm-1充电，电感L1、L3、L5…Lm-1电流上升，储能单元Uin2通过DQ2给电感L2放电，L2电流下降、给电容C1放电，C1电压下降；电流通过S3给电容C2充电，C2电压上升…储能单元Uinm-2通过DQm-2给电感Lm-2放电，Lm-2电流下降、给电容Cm-3放电，Cm-3电压下降、给电容Cm-2充电，Cm-2电压上升，储能单元Uinm通过DQm给电感Lm放电，Lm电流下降、给电容Cm-1放电，Cm-1电压下降、给直流源U0充电；
当S2、S4、S6…Sm均导通，S1、S3、S5…Sm-1、Q1、Q2、Q3…Qm驱动信号关断，Q1、Q3、Q5…Qm-1反并联二极管DQ1、DQ3、DQ5…DQm-1均导通时，电路工作于Boost状态，储能单元Uin2、Uin4、Uin6…Uinm分别通过S2、S4、S6…Sm给电感L2、L4、L6…Lm充电，电感L2、L4、L6…Lm电流上升，电流通过DQ1给储能单元Uin1放电、给电感L1放电，L1电流下降；电流通过S2给电容C1充电，C1电压上升，电流通过DQ3给储能单元Uin3放电、给电感L3放电，L3电流下降、给电容C2放电，C2电压下降、给电容C3充电；电流通过S4给电容C3充电，C3电压上升…电流通过DQm-1给储能单元Uinm-1放电、给电感Lm-1放电，Lm-1电流下降、给电容Cm-2放电，Cm-2电压下降；电流通过Sm给电容Cm-1充电，Cm-1电压上升；
当S1、S2、S3…Sm均导通，Q1、Q2、Q3…Qm驱动信号关断时，电路工作于Boost状态，储能单元Uin1、Uin2、Uin3…Uinm分别通过S1、S2、S3…Sm给电感L1、L2、L3…Lm充电，电感L1、L2、L3…Lm电流上升；
当Q1、Q3、Q5…Qm-1均导通，S1、S2、S3…Sm驱动信号关断,S2、S4、S6…Sm反并联二极管DS2、DS4、DS6…DSm均导通时,电路工作于Buck状态，电流通过DS2给电容C1放电，C1电压下降、电流通过Q1给电感L1充电，L1电流上升，给储能单元Uin1充电，电流通过DS2给电感L2放电，L2电流下降，给储能单元Uin2充电，电流通过DS4给电容C3放电，C3电压下降；电流通过Q3给电容C2充电，C2电压上升；给电感L3充电，L3电流上升；给储能单元Uin3充电…电流通过DSm给电容Cm-1放电，Cm-1电压下降；电流通过Qm-1给电容Cm-2充电，Cm-2电压上升；给电感Lm-1充电，Lm-1电流上升；给储能单元Uinm-1充电，电流通过DSm给电感Lm放电，Lm电流下降，给储能单元Uinm充电；
当Q2、Q4、Q6…Qm均导通，S1、S2、S3…Sm驱动信号关断,S1、S3、S5…Sm-1反并联二极管DS1、DS3、DS5…DSm-1均导通时,电路工作于Buck状态，电流通过DS1给电感L1放电，L1电流下降，给储能单元Uin1充电，电流通过DS3给电容C2放电，C2电压下降，电流通过Q2给电容C1充电，C1电压上升、给电感L2充电，L2电流上升、给储能单元Uin2充电，电流通过DS3给电感L3放电，L3电流下降、给储能单元Uin3充电…电流通过DSm-1给电容Cm-2放电，Cm-2电压下降，电流通过Qm-2给电容Cm-3充电，Cm-3电压上升、给电感Lm-2充电，Lm-2电流上升、给储能单元Uinm-2充电，直流源U0通过Qm给电感Lm充电，Lm电流上升、给储能单元Uinm充电；
当S1、S2、S3…Sm、Q1、Q2、Q3…Qm驱动信号均关断，S1、S2、S3…Sm反并联二极管DS1、DS2、DS3…DSm均导通时，电路工作于Buck状态，电流通过DS1、DS2、DS3…DSm分别给电感L1、L2、L3…Lm放电，L1、L2、L3…Lm电流下降、给储能单元Uin1、Uin2、Uin3…Uinm充电。
采用上述技术方案，本发明能带来以下技术效果：
1、本发明可以实现模块化调整，输入输出电压增益根据模块的数量灵活调节，可适用于不同功率等级及升压、降压比的应用场合，且该变换器与现有技术相比，功率开关应力也较低，该变换器增益可调，能量可以双向流动，应用范围广泛；
2、通过控制储能单元数量、调节占空比大小可以控制变换器功率的大小，实现功率控制。
附图说明
下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明：
图1是本发明电路原理总图；
图2是该适用于直流微网的多端口双向DC/DC变换器4个模块的拓扑图；
图3～图12为该变换器m＝4时的仿真波形图；
图13为实施例中S1、S3均导通，S2、S4、Q1、Q2、Q3、Q4驱动信号关断时的原理图；
图14为实施例中S2、S4均导通，S1、S3、Q1、Q2、Q3、Q4驱动信号关断时的原理图；
图15为实施例中S1、S2、S3、S4均导通，Q1、Q2、Q3、Q4驱动信号关断时的原理图；
图16为实施例中Q1、Q3均导通，S1、S2、S3、S4驱动信号关断时的原理图；
图17为实施例中Q2、Q4均导通，S1、S2、S3、S4驱动信号关断时的原理图；
图18为实施例中S1、S2、S3、S4、Q1、Q2、Q3、Q4驱动信号均关断时的原理图。
具体实施方式
如图1所示一种适用于直流微网的多端口双向DC-DC变换器，它包括第一模块、若干第二模块，第一模块包括电感L1，电感L1的A端接储能单元Uin1的阳极、B端接功率开关S1的漏极和功率开关Q1的源极，功率开关S1的源极接地；
第二模块包括电感L2，电感L2的A端接储能单元Uin2的阳极、B端接功率开关S2的漏极和电容C1的A端，功率开关S2的源极接地；
功率开关Q1的漏极接功率开关Q2的源极和电容C1的B端。
从第一模块的近端至远端依次设有若干第二模块，第二模块中的功率开关Qm的漏极用于与下一个第二模块中的功率开关Qm+1的源极或者与直流电源U0的阳极连接，直流电源U0的阴极与第一模块中功率开关S1的源极连接。
进一步的，第m个第二模块中，电感Lm的A端接储能单元Uinm的阳极、B端接功率开关Sm的漏极和电容Cm-1的A端，功率开关Sm的源极接地，电容Cm-1的B端接功率开关Qm的源极和功率开关Qm-1的漏极，功率开关Qm的漏极接直流源U0的阳极。
开关管S1、S2、S3...Sm中相邻功率开关之间采用交错控制策略，每相邻两功率开关之间开关驱动相位相差180°，开关管Q1、Q2、Q3...Qm不工作，电路工作于Boost状态；开关管Q1、Q2、Q3...Qm中相邻功率开关之间采用交错控制策略，每相邻两功率开关之间开关驱动相位相差180°，开关管S1、S2、S3...Sm不工作，电路工作于Buck状态。
储能单元包括电池、电容；电容优选超级电容。
实施例：
如图2所示，一种适用于直流微网的多端口双向DC/DC变换器，它包含4个模块。其中第一个模块包含1个储能单元，1个电感，2个功率开关；第四个模块包含1个储能单元，1个电感，2个功率开关,1个电容，1个直流电源；其他模块包含1个储能单元，1个电感，2个功率开关,1个电容。这样一共有4个储能单元Uin1、Uin2、Uin3、Uin4，1个直流电源U0，4个电感L1、L2、L3、L4，8个功率开关S1、S2、S3、S4、Q1、Q2、Q3、Q4,3个电容C1、C2、C3。其中，4个储能单元Uin1、Uin2、Uin3、Uin4和直流源U0的阴极均接地，4个模块的连接方式如下：
第一模块，电感L1的A端接储能单元Uin1的阳极、B端接功率开关S1的漏极和功率开关Q1的源极，功率开关S1的源极接地。功率开关Q1的漏极接功率开关Q2的源极和电容C1的B端。
第二模块，电感L2的A端接储能单元Uin2的阳极、B端接功率开关S2的漏极和电容C1的A端，功率开关S2的源极接地。电容C1的B端接功率开关Q2的源极和功率开关Q1的漏极，功率开关Q2的漏极接电容C2的B端和功率开关Q3的源极。
第三模块，电感L3的A端接储能单元Uin3的阳极、B端接功率开关S3的漏极和电容C2的A端，功率开关S3的源极接地。电容C2的B端接功率开关Q2的漏极和功率开关Q3的源极，功率开关Q3的漏极接电容C3的B端和功率开关Q4的源极。
第四模块，电感L4的A端接储能单元Uin4的阳极、B端接功率开关S4的漏极和电容C3的A端，功率开关S4的源极接地。电容C3的B端接功率开关Q3的漏极和功率开关Q4的源极，功率开关Q4的源极接电容C3的B端和功率开关Q3的漏极，功率开关Q4的漏极接直流源U0的阳极。
所述适用于直流微网的多端口双向DC/DC变换器，其控制方式为S1、S2、S3、S4中相邻功率开关之间采用交错控制策略，即每相邻两功率开关之间开关驱动相位相差180°，Q1、Q2、Q3、Q4不工作，电路工作于Boost状态；Q1、Q2、Q3、Q4中相邻功率开关之间采用交错控制策略，即每相邻两功率开关之间开关驱动相位相差180°，S1、S2、S3、S4不工作，电路工作于Buck状态。
为简化分析过程，假设：①4个电感电流连续；②3个电容足够大，其上电压保持不变；③所有器件均理想；④功率开关S1、S2、S3、S4采用交错控制策略，并且占空比D>0.5；功率开关Q1、Q2、Q3、Q4采用交错控制策略，并且占空比D<0.5。
根据功率开关状态的不同，可以将电路分为6种工作状态：。
如图13所示，S1、S3均导通，S2、S4、Q1、Q2、Q3、Q4驱动信号关断，Q2、Q4反并联二极管DQ2、DQ4均导通，电路工作于Boost状态。储能单元Uin1、Uin3分别通过S1、S3给电感L1、L3充电，电感L1、L3电流上升。储能单元Uin2通过DQ2给电感L2放电，L2电流下降、给电容C1放电，C1电压下降；电流通过S3给电容C2充电，C2电压上升。储能单元Uin4通过DQ4给电感L4放电，L4电流下降、给电容C3放电，C3电压下降、给直流源U0供电。
如图14所示，S2、S4均导通，S1、S3、Q1、Q2、Q3、Q4驱动信号关断，Q1、Q3反并联二极管DQ1、DQ3均导通，电路工作于Boost状态。储能单元Uin2、Uin4分别通过S2、S4给电感L2、L4充电，电感L2、L4电流上升。电流通过DQ1给储能单元Uin1放电、给电感L1放电，L1电流下降；电流通过S2给电容C1充电，C1电压上升。电流通过DQ3给储能单元Uin3放电、给电感L3放电，L3电流下降、给电容C2放电，C2电压下降；电流通过S4给电容C3充电，C3电压上升。
如图15所示，S1、S2、S3、S4均导通，Q1、Q2、Q3、Q4驱动信号关断，电路工作于Boost状态。储能单元Uin1、Uin2、Uin3、Uin4分别通过S1、S2、S3、S4给电感L1、L2、L3、L4充电，电感L1、L2、L3、L4电流上升。
如图16所示，Q1、Q3均导通，S1、S2、S3、S4驱动信号关断,S2、S4反并联二极管DS2、DS4均导通,电路工作于Buck状态。电流通过DS2给电容C1放电，C1电压下降、电流通过Q1给电感L1充电，L1电流上升，给储能单元Uin1充电。电流通过DS2给电感L2放电，L2电流下降，给储能单元Uin2充电。电流通过DS4给电容C3放电，C3电压下降；电流通过Q3给电容C2充电，C2电压上升；给电感L3充电，L3电流上升；给储能单元Uin3充电。电流通过DS4给电感L4放电，L4电流下降，给储能单元Uin4充电。
如图17所示，Q2、Q4均导通，S1、S2、S3、S4驱动信号关断,S1、S3反并联二极管DS1、DS3均导通,电路工作于Buck状态。电流通过DS1给电感L1放电，L1电流下降，给储能单元Uin1充电。电流通过DS3给电容C2放电，C2电压下降，电流通过Q2给电容C1充电，C1电压上升、给电感L2充电，L2电流上升、给储能单元Uin2充电。电流通过DS3给电感L3放电，L3电流下降、给储能单元Uin3充电。直流源U0通过Q4给电容C3充电，C3电压上升、给电感L4充电，L4电流上升、给储能单元Uin4充电。
如图18所示，S1、S2、S3、S4、Q1、Q2、Q3、Q4驱动信号均关断，S1、S2、S3、S4反并联二极管DS1、DS2、DS3、DS4均导通。电流通过DS1、DS2、DS3、DS4分别给电感L1、L2、L3、L4放电，L1、L2、L3、L4电流下降、给储能单元Uin1、Uin2、Uin3、Uin4充电。
仿真参数：所有开关频率f＝50kHz，开关占空比D分别为0.882、0.88、0.878、0.876(Boost工况)；0.118、0.12、0.122、0.124(Buck工况)，4个储能单元电压分别为11.8V、12V、12.2V、12.4V，直流源电压u0＝400V，额定功率P0＝480W。Boost工况：图3为开关S1、S2、S3、S4的驱动信号、电压波形。图4为开关S1、S2、S3、S4的驱动信号、电流波形。图5是4个储能单元输入电压uin1、uin2、uin3、uin4波形和输出电压u0波形，可以看出实现了储能单元高升压给直流母线供电。图6为电感L1、L2、L3、L4的电流波形。图7为电容C1、C2、C3的电压波形。Buck工况：图8为开关Q1、Q2、Q3、Q4的驱动信号、电压波形。图9为开关Q1、Q2、Q3、Q4的驱动信号、电流波形。图10是4个储能单元输出电压uin1、uin2、uin3、uin4波形和输入电压u0波形，可以看出实现了直流母线降压给储能单元充电。图11为电感L1、L2、L3、L4的电流波形。图12为电容C1、C2、C3的电压波形。
相比现有技术，本发明的特点如下：
1、本发明可以实现模块化调整，输入输出电压增益根据模块的数量灵活调节，可适用于不同功率等级及升压、降压比的应用场合，且该变换器与现有技术相比，功率开关应力也较低，该变换器增益可调，能量可以双向流动，应用范围广泛，其中：
输入输出增益为：
Figure BDA0002221606220000081
(Boost工况)，
Figure BDA0002221606220000082
(Buck工况)
开关管电压应力为：
Figure BDA0002221606220000083
(1≤i≤m-1)；
Figure BDA0002221606220000084
(Boost工况)
Figure BDA0002221606220000085
(1≤i≤m-1)；
Figure BDA0002221606220000086
(Buck工况)
式中，uin为储能单元电压，u0为直流源电压，m为模块个数，D为开关占空比。(i＝1，2，...，m)；
2、通过控制储能单元数量、调节占空比大小可以控制变换器功率的大小，实现功率控制。
3、每个模块中：
开关管的电流应力为：
Figure BDA0002221606220000087
(Boost工况)
Figure BDA0002221606220000091
(Buck工况)
开关管反并联二极管的电流应力为：
Figure BDA0002221606220000092
(Boost工况)，
Figure BDA0002221606220000093
(Buck工况)
式中，D为开关占空比，m为模块个数。

Claims (1)

1.一种适用于直流微网的多端口双向DC-DC变换器，其特征在于：它包括第一模块、第二模块、第三模块至第m模块，
第一模块包括储能单元Uin1、电感L1、功率开关S1和功率开关Q1，电感L1的A端接储能单元Uin1的阳极、B端接功率开关S1的漏极和功率开关Q1的源极，功率开关S1的源极接地；
第二模块包括储能单元Uin2、电感L2、功率开关S2、电容C1和功率开关Q2，电感L2的A端接储能单元Uin2的阳极、B端接功率开关S2的漏极和电容C1的A端，功率开关S2的源极接地；
第一模块的功率开关Q1的漏极接第二模块的功率开关Q2的源极和电容C1的B端；
第三模块包括储能单元Uin3、电感L3、功率开关S3、电容C2和功率开关Q3，电感L3的A端接储能单元Uin3的阳极、B端接功率开关S3的漏极和电容C2的A端，功率开关S3的源极接地，第二模块的功率开关Q2的漏极接第三模块的功率开关Q3的源极和电容C2的B端；
以此类推，第m模块包括储能单元Uinm、电感Lm、功率开关Sm、电容Cm-1、功率开关Qm和直流源U0，电感Lm的A端接储能单元Uinm的阳极、B端接功率开关Sm的漏极和电容Cm-1的A端，功率开关Sm的源极接地，第m-1模块的功率开关Qm-1的漏极接第m模块的功率开关Qm的源极和电容Cm-1的B端，功率开关Qm的漏极接直流源U0的阳极；
开关管S1、S2、S3...Sm中相邻功率开关之间采用交错控制策略，每相邻两功率开关之间开关驱动相位相差180°，开关管Q1、Q2、Q3...Qm不工作，电路工作于Boost状态；开关管Q1、Q2、Q3...Qm中相邻功率开关之间采用交错控制策略，每相邻两功率开关之间开关驱动相位相差180°，开关管S1、S2、S3...Sm不工作，电路工作于Buck状态；
电路在工作时：
1)在m为奇数时：当S1、S3、S5…Sm均导通，S2、S4、S6…Sm-1、Q1、Q2、Q3…Qm驱动信号关断时，电路工作逻辑为：Q2、Q4、Q6…Qm-1反并联二极管DQ2、DQ4、DQ6…DQm-1均导通，电路工作于Boost状态，储能单元Uin1、Uin3、Uin5…Uinm分别通过S1、S3、S5…Sm给电感L1、L3、L5…Lm充电，电感L1、L3、L5…Lm电流上升，储能单元Uin2通过DQ2给电感L2放电，L2电流下降、给电容C1放电，C1电压下降；电流通过S3给电容C2充电，C2电压上升，储能单元Uin4通过DQ4给电感L4放电，L4电流下降、给电容C3放电，C3电压下降、给电容C4充电，C4电压上升…储能单元Uinm-1通过DQm-1给电感Lm-1放电，Lm-1电流下降、给电容Cm-2放电，Cm-2电压下降、给电容Cm-1充电，Cm-1电压上升；
当S2、S4、S6…Sm-1均导通，S1、S3、S5…Sm、Q1、Q2、Q3…Qm驱动信号关断，Q1、Q3、Q5…Qm反并联二极管DQ1、DQ3、DQ5…DQm均导通时，电路工作于Boost状态，储能单元Uin2、Uin4、Uin6…Uinm-1分别通过S2、S4、S6…Sm-1给电感L2、L4、L6…Lm-1充电，电感L2、L4、L6…Lm-1电流上升，电流通过DQ1给储能单元Uin1放电、给电感L1放电，L1电流下降；电流通过S2给电容C1充电，C1电压上升，电流通过DQ3给储能单元Uin3放电、给电感L3放电，L3电流下降、给电容C2放电，C2电压下降、给电容C3充电；电流通过S4给电容C3充电，C3电压上升…电流通过DQm-2给储能单元Uinm-2放电、给电感Lm-2放电，Lm-2电流下降、给电容Cm-3放电，Cm-3电压下降；电流通过Sm-1给电容Cm-2充电，Cm-2电压上升，储能单元Uinm通过DQm给电感Lm放电，Lm电流下降、给电容Cm-1放电，Cm-1电压下降、给直流源U0供电；
当S1、S2、S3…Sm均导通，Q1、Q2、Q3…Qm驱动信号关断时，电路工作于Boost状态，储能单元Uin1、Uin2、Uin3…Uinm分别通过S1、S2、S3…Sm给电感L1、L2、L3…Lm充电，电感L1、L2、L3…Lm电流上升；
当Q1、Q3、Q5…Qm均导通，S1、S2、S3…Sm驱动信号关断,S2、S4、S6…Sm-1反并联二极管DS2、DS4、DS6…DSm-1均导通时,电路工作于Buck状态，电流通过DS2给电容C1放电，C1电压下降、电流通过Q1给电感L1充电，L1电流上升，给储能单元Uin1充电，电流通过DS2给电感L2放电，L2电流下降，给储能单元Uin2充电，电流通过DS4给电容C3放电，C3电压下降；电流通过Q3给电容C2充电，C2电压上升；给电感L3充电，L3电流上升；给储能单元Uin3充电…电流通过DSm-1给电容Cm-2放电，Cm-2电压下降；电流通过Qm-2给电容Cm-3充电，Cm-3电压上升；给电感Lm-2充电，Lm-2电流上升；给储能单元Uinm-2充电，电流通过DSm-1给电感Lm-1放电，Lm-1电流下降，给储能单元Uinm-1充电，U0通过Qm给电感Lm充电，Lm电流上升、给电容Cm-1充电，Cm-1电压上升、给储能单元Uinm充电；
当Q2、Q4、Q6…Qm-1均导通，S1、S2、S3…Sm驱动信号关断,S1、S3、S5…Sm反并联二极管DS1、DS3、DS5…DSm均导通时,电路工作于Buck状态，电流通过DS1给电感L1放电，L1电流下降，给储能单元Uin1充电，电流通过DS3给电容C2放电，C2电压下降，电流通过Q2给电容C1充电，C1电压上升、给电感L2充电，L2电流上升、给储能单元Uin2充电，电流通过DS3给电感L3放电，L3电流下降、给储能单元Uin3充电…电流通过DSm给电容Cm-1放电，Cm-1电压下降，电流通过Qm-1给电容Cm-2充电，Cm-2电压上升、给电感Lm-1充电，Lm-1电流上升、给储能单元Uinm-1充电，电流通过DSm给电感Lm放电，Lm电流下降、给储能单元Uinm充电；
当S1、S2、S3…Sm、Q1、Q2、Q3…Qm驱动信号均关断，S1、S2、S3…Sm反并联二极管DS1、DS2、DS3…DSm均导通时，电路工作于Buck状态，电流通过DS1、DS2、DS3…DSm分别给电感L1、L2、L3…Lm放电，L1、L2、L3…Lm电流下降、给储能单元Uin1、Uin2、Uin3…Uinm充电；
2)在m为偶数时：当S1、S3、S5…Sm-1均导通，S2、S4、S6…Sm、Q1、Q2、Q3…Qm驱动信号关断时，电路工作逻辑为：Q2、Q4、Q6…Qm反并联二极管DQ2、DQ4、DQ6…DQm均导通，电路工作于Boost状态，储能单元Uin1、Uin3、Uin5…Uinm-1分别通过S1、S3、S5…Sm-1给电感L1、L3、L5…Lm-1充电，电感L1、L3、L5…Lm-1电流上升，储能单元Uin2通过DQ2给电感L2放电，L2电流下降、给电容C1放电，C1电压下降；电流通过S3给电容C2充电，C2电压上升…储能单元Uinm-2通过DQm-2给电感Lm-2放电，Lm-2电流下降、给电容Cm-3放电，Cm-3电压下降、给电容Cm-2充电，Cm-2电压上升，储能单元Uinm通过DQm给电感Lm放电，Lm电流下降、给电容Cm-1放电，Cm-1电压下降、给直流源U0充电；
当S2、S4、S6…Sm均导通，S1、S3、S5…Sm-1、Q1、Q2、Q3…Qm驱动信号关断，Q1、Q3、Q5…Qm-1反并联二极管DQ1、DQ3、DQ5…DQm-1均导通时，电路工作于Boost状态，储能单元Uin2、Uin4、Uin6…Uinm分别通过S2、S4、S6…Sm给电感L2、L4、L6…Lm充电，电感L2、L4、L6…Lm电流上升，电流通过DQ1给储能单元Uin1放电、给电感L1放电，L1电流下降；电流通过S2给电容C1充电，C1电压上升，电流通过DQ3给储能单元Uin3放电、给电感L3放电，L3电流下降、给电容C2放电，C2电压下降、给电容C3充电；电流通过S4给电容C3充电，C3电压上升…电流通过DQm-1给储能单元Uinm-1放电、给电感Lm-1放电，Lm-1电流下降、给电容Cm-2放电，Cm-2电压下降；电流通过Sm给电容Cm-1充电，Cm-1电压上升；
当S1、S2、S3…Sm均导通，Q1、Q2、Q3…Qm驱动信号关断时，电路工作于Boost状态，储能单元Uin1、Uin2、Uin3…Uinm分别通过S1、S2、S3…Sm给电感L1、L2、L3…Lm充电，电感L1、L2、L3…Lm电流上升；
当Q1、Q3、Q5…Qm-1均导通，S1、S2、S3…Sm驱动信号关断,S2、S4、S6…Sm反并联二极管DS2、DS4、DS6…DSm均导通时,电路工作于Buck状态，电流通过DS2给电容C1放电，C1电压下降、电流通过Q1给电感L1充电，L1电流上升，给储能单元Uin1充电，电流通过DS2给电感L2放电，L2电流下降，给储能单元Uin2充电，电流通过DS4给电容C3放电，C3电压下降；电流通过Q3给电容C2充电，C2电压上升；给电感L3充电，L3电流上升；给储能单元Uin3充电…电流通过DSm给电容Cm-1放电，Cm-1电压下降；电流通过Qm-1给电容Cm-2充电，Cm-2电压上升；给电感Lm-1充电，Lm-1电流上升；给储能单元Uinm-1充电，电流通过DSm给电感Lm放电，Lm电流下降，给储能单元Uinm充电；
当Q2、Q4、Q6…Qm均导通，S1、S2、S3…Sm驱动信号关断,S1、S3、S5…Sm-1反并联二极管DS1、DS3、DS5…DSm-1均导通时,电路工作于Buck状态，电流通过DS1给电感L1放电，L1电流下降，给储能单元Uin1充电，电流通过DS3给电容C2放电，C2电压下降，电流通过Q2给电容C1充电，C1电压上升、给电感L2充电，L2电流上升、给储能单元Uin2充电，电流通过DS3给电感L3放电，L3电流下降、给储能单元Uin3充电…电流通过DSm-1给电容Cm-2放电，Cm-2电压下降，电流通过Qm-2给电容Cm-3充电，Cm-3电压上升、给电感Lm-2充电，Lm-2电流上升、给储能单元Uinm-2充电，直流源U0通过Qm给电感Lm充电，Lm电流上升、给储能单元Uinm充电；
当S1、S2、S3…Sm、Q1、Q2、Q3…Qm驱动信号均关断，S1、S2、S3…Sm反并联二极管DS1、DS2、DS3…DSm均导通时，电路工作于Buck状态，电流通过DS1、DS2、DS3…DSm分别给电感L1、L2、L3…Lm放电，L1、L2、L3…Lm电流下降、给储能单元Uin1、Uin2、Uin3…Uinm充电。
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Assignor: CHINA THREE GORGES University

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Denomination of invention: A Multi Port Bidirectional DC-DC Converter Suitable for DC Microgrids

Granted publication date: 20210126

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