專利名稱：降壓式電壓平衡變換器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及的是一種降壓式電壓平衡變換器，屬電能變換裝置中的直流 非隔離變換技術(shù)。
背景技術(shù)：
目前，隨著環(huán)境問題的日益突出和電力電子等技術(shù)的迅速發(fā)展，基于直
流微型電網(wǎng)(DC Micro-Grid)的可再生能源(如太陽能、風(fēng)能等可再生能源) 分布式發(fā)電系統(tǒng)得到了越來越多的關(guān)注。在直流微型電網(wǎng)中，通常采用兩根 直流輸電線傳送電能，但是由于掛在直流輸電線上的變換器具有多樣性(如 半橋拓?fù)渥儞Q器、全橋拓?fù)渥儞Q器等各種電能變換器)，所以在直流微型電網(wǎng) 中采用兩根直流輸電線輸電方式，由于只存在一個(gè)直流電壓，通常無法同時(shí) 滿足各種變換器對(duì)輸入電壓的要求。例如，對(duì)于半橋拓?fù)銬C/AC逆變器來說 就需要一個(gè)穩(wěn)定的輸入中點(diǎn)電壓，其值等于輸入直流電壓的二分之一，而在 采用兩根直流輸電線輸電方式中就無法直接獲得這個(gè)穩(wěn)定的中點(diǎn)電壓。
因此，在釆用兩根直流輸電線輸電方式的直流微型電網(wǎng)中，需要在用戶 端將兩根直流輸電線輸入方式轉(zhuǎn)變成三根直流輸電線輸出方式的電能變換裝 置——電壓平衡變換器，通過電壓平衡變換器的輸出端構(gòu)造一個(gè)中線，形成 一個(gè)中點(diǎn)電位，其中線電壓大小等于輸入電壓的二分之一。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單 合理、可將兩根直流輸電線輸入方式轉(zhuǎn)變成三根直流輸電線輸出方式的降壓式電壓平衡變換器。
本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是通過以下技術(shù)方案來實(shí)現(xiàn)的。本發(fā)明是一 種降壓式電壓平衡變換器，其特點(diǎn)是，它包括第一降壓橋臂電路、中間直流 環(huán)節(jié)電路和第二降壓橋臂電路；
所述的中間直流環(huán)節(jié)電路包括第一電容d和第二電容G、第一電感L, 和第二電感b，其中第一電容d—端與第二電容C2—端串聯(lián)，其串聯(lián)點(diǎn)為第
一串聯(lián)點(diǎn)N，輸出中線L、、第一電感L,和第二電感L2的一端均與第一串聯(lián)點(diǎn)N 相連接；
所述的第一降壓橋臂電路包括第一功率開關(guān)管S,和第一功率二極管D,， 第一功率開關(guān)管S,的源極和第一功率二極管Dt的陰極串聯(lián)，其串聯(lián)點(diǎn)為第二 串聯(lián)點(diǎn)，第二串聯(lián)點(diǎn)和第一電感Li的另一端相連接，第一功率二極管D,陽極 和第二電容G另一端相連接，第一功率開關(guān)管S,的漏極和第一電容d另一端 相連接；
所述的第二降壓橋臂電路包括第二功率開關(guān)管S2和第二功率二極管D2， 第二功率開關(guān)管S2的漏極和第二功率二極管D2的陽極串聯(lián)，其串聯(lián)點(diǎn)為第三 串聯(lián)點(diǎn)，第三串聯(lián)點(diǎn)和第二電感L2的另一端相連接，第二功率二極管D2陰極 和第一電容d的另一端相連接，第二功率開關(guān)管&源極和第二電容G另一端 相連接。
本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題還可以通過以下的技術(shù)方案來進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)。 以上所述的降壓式電壓平衡變換器，其特點(diǎn)是，第一降壓橋臂電路和第二降 壓橋臂電路都采用固定頻率的PWM控制，并且共用一個(gè)電壓環(huán)調(diào)節(jié)器，電壓 環(huán)調(diào)節(jié)器的輸出直接控制第一降壓橋臂電路工作，電壓環(huán)調(diào)節(jié)器的輸出取反 后直接控制第二降壓橋臂電路工作。
本發(fā)明降壓式電壓平衡變換器，當(dāng)?shù)谝浑娙蓦妷捍笥诘诙娙蓦妷簳r(shí)， 第一降壓橋臂電路工作，將第一電容上的能量向第二電容上轉(zhuǎn)移，第一電容電壓降低，第二電容電壓升高，從而保證兩個(gè)電容電壓相等，第二降壓橋臂 電路不工作；當(dāng)?shù)诙娙蓦妷捍笥诘谝浑娙蓦妷簳r(shí)，第二降壓橋臂電路工作， 將第二電容上的能量向第一電容上轉(zhuǎn)移，第二電容電壓降低，第一電容電壓 升高，從而保證兩個(gè)電容電壓相等，第一降壓橋臂電路不工作。
本發(fā)明降壓式電壓平衡變換器采用的控制電路原理框圖見圖6。其控制原
理框圖描述如下基準(zhǔn)電壓Uref (注Uef是輸入直流電壓Uin的二分之一， 并且隨著輸入電壓Uin的變化而變化)與第二電容C2上的電壓Uc2的差值經(jīng) 電壓環(huán)調(diào)節(jié)器得到電壓誤差信號(hào)Ue。為了避免干擾信號(hào)的影響，所以在鋸齒 V,、 V2波中加入一個(gè)偏置直流電壓。
(O當(dāng)?shù)诙娙軨2的電壓Uc2小于Uef時(shí)，Ue為正，其與鋸齒波V,比 較后得到第一功率開關(guān)管S,的驅(qū)動(dòng)信號(hào)UgSl，驅(qū)動(dòng)其工作。通過對(duì)第一電容 C,放電來對(duì)第二電容C2充電，使第一電容C,電壓降低，第二電容C2電壓升 高，從而達(dá)到兩個(gè)電容電壓相等。此時(shí)，Ue取反后為負(fù)，其與鋸齒波V2比較 后得不到第二功率開關(guān)管S2的驅(qū)動(dòng)信號(hào)Ugs2，所以第二功率開關(guān)管S2無驅(qū) 動(dòng)信號(hào)，而停止工作。
(2)當(dāng)?shù)诙娙軨2的電壓Uc2大于Uef時(shí)，Ue為負(fù)，其與鋸齒波V,比 較后得不到第一功率開關(guān)管S,的驅(qū)動(dòng)信號(hào)Ugsl，所以第一功率開關(guān)管S,無 驅(qū)動(dòng)信號(hào)，而停止工作。此時(shí)，Ue取反后為正，其與鋸齒波V2比較后得到第 二功率開關(guān)管S2的驅(qū)動(dòng)信號(hào)Ugs2，驅(qū)動(dòng)其工作。通過對(duì)第二電容C2放電來 對(duì)第一電容C,充電，使第二電容C2電壓降低，第一電容C,電壓升高，從而 達(dá)到兩個(gè)電容電壓相等。
本發(fā)明降壓式電壓平衡變換器由于存在兩個(gè)電感串聯(lián)結(jié)構(gòu)，所以不存在 兩個(gè)功率開關(guān)管直通問題，整個(gè)電路結(jié)構(gòu)和控制方案均較為簡(jiǎn)單，易于實(shí)現(xiàn)， 適用于直流微型電網(wǎng)分布式直流發(fā)電系統(tǒng)以及需要穩(wěn)定的中點(diǎn)電壓的應(yīng)用場(chǎng)


圖1是本發(fā)明降壓式電壓平衡變換器的電路圖。
圖2-5是本發(fā)明降壓式電壓平衡變換器開關(guān)模態(tài)示意其中-
圖2是降壓式電壓平衡變換器第一降壓橋臂電路工作模態(tài)I的示意圖； 圖3是降壓式電壓平衡變換器第一降壓橋臂電路工作模態(tài)II的示意圖； 圖4是降壓式電壓平衡變換器第二降壓橋臂電路工作模態(tài)I的示意圖； 圖5是降壓式電壓平衡變換器第二降壓橋臂電路工作模態(tài)II的示意圖。 圖6是本發(fā)明降壓式電壓平衡變換器采用的控制原理框圖。 圖7是本發(fā)明降壓式電壓平衡變換器仿真和實(shí)驗(yàn)電路圖。 圖8是本發(fā)明降壓式電壓平衡變換器主要仿真波形圖。 圖9-10是本發(fā)明降壓式電壓平衡變換器主要實(shí)驗(yàn)波形圖。 圖1-10中的符號(hào)及元件名稱說明如下
S,、 S2、第一功率開關(guān)管和第二功率開關(guān)管，D,、 D2:第一功率二極管 和第二功率二極管，L,、 L2:第一電感和第二電感，C,、 C2:第-一電容和第二 電容，U。utl、 U。ut2:第一電容電壓和第二電容電壓，Uin:輸入直流電壓，N: 降壓式電壓平衡變換器輸出中點(diǎn)，LN:輸出中線，Uref:基準(zhǔn)電壓，Ue:電 壓環(huán)調(diào)節(jié)器輸出，iu:流過第一電感L,的電流，iu:流過第二電感L2的電流， Ugsl:第一功率開關(guān)管S,的驅(qū)動(dòng)信號(hào)，Ugs2:第二功率開關(guān)管S2的驅(qū)動(dòng)信號(hào)，
V,、 V2:鋸齒波，iR1。adl:流過負(fù)載R,。ad,的電流，iRl。ad2:流過負(fù)載Rl。ad2的電流。
具體實(shí)施例方式
以下參照附圖，進(jìn)一步描述本發(fā)明的具體技術(shù)方案，以便于本領(lǐng)域的技 術(shù)人員進(jìn)一步地理解本發(fā)明，而不構(gòu)成對(duì)其權(quán)利的限制。
實(shí)施例l。參照?qǐng)Dl。
一種降壓式電壓平衡變換器，它包括第一降壓橋臂電路l、中間直流環(huán)節(jié)電路2和第二降壓橋臂電路3;
所述的中間直流環(huán)節(jié)電路2包括第一電容C,和第二電容C,、第一電感 ^和第二電感U，其中第一電容d—端與第二電容C2—端串聯(lián)，其串聯(lián)點(diǎn)為
第一串聯(lián)點(diǎn)N，輸出中線"、第一電感L,和第二電感U的一端均與第一串聯(lián)
點(diǎn)N相連接；
所述的第一降壓橋臂電路1包括第一功率開關(guān)管S,和第一功率二極管D,， 第一功率開關(guān)管S,的源極和第一功率二極管D'的陰極串聯(lián)，其串聯(lián)點(diǎn)為第二 串聯(lián)點(diǎn)4，第二串聯(lián)點(diǎn)4和第一電感L的另一端相連接，第一功率二極管Di 陽極和第二電容C2另一端相連接，第一功率開關(guān)管S,的漏極和第一電容C,另 一端相連接；
所述的第二降壓橋臂電路3包括第二功率開關(guān)管S2和第二功率二極管D2， 第二功率開關(guān)管S2的漏極和第二功率二極管D2的陽極串聯(lián)，其串聯(lián)點(diǎn)為第三 串聯(lián)點(diǎn)5，第三串聯(lián)點(diǎn)5和第二電感L2的另一端相連接，第二功率二極管D2 陰極和第一電容C,的另一端相連接，第二功率開關(guān)管S2源極和第二電容G另 一端相連接。
實(shí)施例2。參照?qǐng)D2-5。實(shí)施例l所述的降壓式電壓平衡變換器中，第一 降壓橋臂電路1和第二降壓橋臂電路3都采用固定頻率的PWM控制，并且共 用一個(gè)電壓環(huán)調(diào)節(jié)器，電壓環(huán)調(diào)節(jié)器的輸出直接控制第一降壓橋臂電路1工 作，電壓環(huán)調(diào)節(jié)器的輸出取反后直接控制第二降壓橋臂電路3工作。分述如 下
一、第一降壓橋臂電路l工作。
當(dāng)?shù)谝浑娙載電壓大于第二電容C2電壓時(shí)，第一降壓橋臂電路1工作， 將第一電容d上的能量向第二電容C2上轉(zhuǎn)移，第一電容d電壓降低，第二 電容C2電壓升高，從而保證兩個(gè)電容上電壓相等，第二降壓橋臂電路3不工 作。此模式下電路有兩個(gè)工作模態(tài)1.工作模態(tài)I——第一功率開關(guān)管S,導(dǎo)通，第一功率二極管D,截止
如圖2所示，第一電容C,部分能量通過第一功率開關(guān)管S,向第一電感 L,中存儲(chǔ)，第一電感L,的電流iu線性上升，第一電容C,電壓下降。 2.工作模態(tài)II——第一功率開關(guān)管S,截止，第一功率二極管D,導(dǎo)通
如圖3所示，第一電感L,中存儲(chǔ)的能量通過第一功率二極管D,向第二電 容C2傳遞，第一電感L,的電流L線性上下降，第二電容C2電壓上升。
二、第二降壓橋臂電路3工作。
當(dāng)?shù)诙娙軨2電壓大于第一電容Q電壓時(shí)，第二降壓橋臂電路3工作，
將第二電容C2上的能量向第一電容d上轉(zhuǎn)移，第二電容C2電壓降低，第一
電容C,電壓升高，從而保證兩個(gè)電容上電壓相等，第一降壓橋臂電路l不工 作。此模式下電路有兩個(gè)工作模態(tài)
1. 工作模態(tài)I——第二功率開關(guān)管S2導(dǎo)通，第二功率二極管D2截止
如圖4所示，第二電容C2部分能量通過第二功率開關(guān)管S2向第二電感
L2中存儲(chǔ)，第一電感L2的電流i^線性上升，第二電容C2電壓下降。
2. 工作模態(tài)II——第二功率開關(guān)管S2截止，第二功率二極管D2導(dǎo)通 如圖5所示，第二電感L2中存儲(chǔ)的能量通過第二功率二極管D2向第一電
容d傳遞，第一電感L2的電流iu線性上下降，第二電容d電壓上升。
實(shí)施例3。參照?qǐng)D6-10。用實(shí)施例1所述的降壓式電壓平衡變換器所做的 主要仿真實(shí)驗(yàn)。
圖8中仿真參數(shù)功率開關(guān)管的工作頻率為50KHZ，輸入電壓Uh是360V 直流電同時(shí)再上疊加幅值為10V/1000Hz正弦交流電，第一電感L"第二電感 L2分別為230uH，第一電容d、第二電容C2分別為470uF，第一電容Q上 阻性負(fù)載R,。acu為20Q，第二電容C2上阻性負(fù)載R,a。d2為30Q,并在80ms時(shí) 刻將第二電容C2上阻性負(fù)載Rlaod2從30 Q變?yōu)?5 Q 。
在圖8中，從第一電感電流iu、第二電感電流iu、第二電容電壓UC2
8(U。ut2)以及輸入電壓關(guān)系中，可以看出在輸入電壓變化過程中，即使負(fù)載 不同，降壓式電壓平衡變換器的輸出電壓U。utl (U。utl=Uin-U。ut2)等于輸出電 壓U。ut2 (即Ue2)，很好地得到了一個(gè)中點(diǎn)電壓，實(shí)現(xiàn)了輸出電壓平衡。從第
一電感電流iu到第二電感電流i^之間存在一個(gè)時(shí)間間隔，從控制原理圖6
中可以看出這是由于電壓環(huán)調(diào)節(jié)器控制延遲和鋸齒波信號(hào)存在一個(gè)直流偏置 電壓造成的。
圖9-10是本發(fā)明降壓式電壓平衡變換器主要實(shí)驗(yàn)波形圖。圖9-10中實(shí) 驗(yàn)條件功率開關(guān)管S,和S2的工作頻率為50KHZ，第一電感L,、第二電感 L2分別為230uH，第一電容C,、第二電容C2分別為470uF。實(shí)驗(yàn)結(jié)果為圖 9中流過負(fù)載Rlc)adl的電流iR1。adl是3.34A,流過負(fù)載RlQad2的電流iR|。ad2是0.62A, 降壓式電壓平衡變換器的輸出電壓U。ut產(chǎn)177.7V、 U。ut2=177.6V;圖10中流過 負(fù)載Rl。ad2的電流iRl。adl是4.40A,流過負(fù)載Rlc)ad2的電流iR1。ad2是0.8A;降壓 式電壓平衡變換器的輸出電壓U。ut產(chǎn)175.5V、 U。ut2=175.4V。
在圖9和實(shí)驗(yàn)條件中可以看出當(dāng)負(fù)載R,』大于負(fù)載R^2時(shí)，第二功
率開關(guān)管S2工作，第二電容C2通過第二電感L2向第一電容d放電；在圖IO
和實(shí)驗(yàn)條件中可以看出當(dāng)負(fù)載R^cn小于負(fù)載R^d2時(shí)，第一功率開關(guān)管S, 工作，第一電容C,通過第二電感L,向第二電容C2放電。
從實(shí)驗(yàn)仿真結(jié)果表明降壓式電壓平衡變換器能夠獲得一個(gè)穩(wěn)定的中點(diǎn)
輸出電壓，從而可以構(gòu)造一個(gè)中線(輸出中線U)。
權(quán)利要求
1、一種降壓式電壓平衡變換器，其特征在于，它包括第一降壓橋臂電路(1)、中間直流環(huán)節(jié)電路(2)和第二降壓橋臂電路(3)；所述的中間直流環(huán)節(jié)電路(2)包括第一電容C1和第二電容C2、第一電感L1和第二電感L2，其中第一電容C1一端與第二電容C2一端串聯(lián)，其串聯(lián)點(diǎn)為第一串聯(lián)點(diǎn)N，輸出中線L、第一電感L1和第二電感L2的一端均與第一串聯(lián)點(diǎn)N相連接；所述的第一降壓橋臂電路(1)包括第一功率開關(guān)管S1和第一功率二極管D1，第一功率開關(guān)管S1的源極和第一功率二極管D1的陰極串聯(lián)，其串聯(lián)點(diǎn)為第二串聯(lián)點(diǎn)(4)，第二串聯(lián)點(diǎn)(4)和第一電感L1的另一端相連接，第一功率二極管D1陽極和第二電容C2另一端相連接，第一功率開關(guān)管S1的漏極和第一電容C1另一端相連接；所述的第二降壓橋臂電路(3)包括第二功率開關(guān)管S2和第二功率二極管D2，第二功率開關(guān)管S2的漏極和第二功率二極管D2的陽極串聯(lián)，其串聯(lián)點(diǎn)為第三串聯(lián)點(diǎn)(5)，第三串聯(lián)點(diǎn)(5)和第二電感L2的另一端相連接，第二功率二極管D2陰極和第一電容C1的另一端相連接，第二功率開關(guān)管S2源極和第二電容C2另一端相連接。
2、 根據(jù)權(quán)利要求l所述的降壓式電壓平衡變換器，其特征在于，第一降壓 橋臂電路(1)和第二降壓橋臂電路(3)都采用固定頻率的PWM控制， 并且共用一個(gè)電壓環(huán)調(diào)節(jié)器，電壓環(huán)調(diào)節(jié)器的輸出直接控制第一降壓橋 臂電路(1)工作，電壓環(huán)調(diào)節(jié)器的輸出取反后直接控制第二降壓橋臂 電路(3)工作。
全文摘要
本發(fā)明是一種降壓式電壓平衡變換器，其特征在于，它包括第一降壓橋臂電路、中間直流環(huán)節(jié)電路和第二降壓橋臂電路；所述的中間直流環(huán)節(jié)電路包括第一電容C₁和第二電容C₂、第一電感L₁和第二電感L₂；所述的第一降壓橋臂電路包括第一功率開關(guān)管S₁和第一功率二極管D₁；所述的第二降壓橋臂電路包括第二功率開關(guān)管S₂和第二功率二極管D₂。本發(fā)明降壓式電壓平衡變換器可以解決在直流微型電網(wǎng)中將兩根直流輸電線輸電方式轉(zhuǎn)變成三根直流輸電線輸電方式的問題。它由于存在兩個(gè)電感串聯(lián)結(jié)構(gòu)，所以不存在兩個(gè)功率開關(guān)管直通問題，整個(gè)電路結(jié)構(gòu)和控制方案均較為簡(jiǎn)單，易于實(shí)現(xiàn)，適用于直流微型電網(wǎng)分布式直流發(fā)電系統(tǒng)以及需要穩(wěn)定的中點(diǎn)電壓的應(yīng)用場(chǎng)合。
文檔編號(hào)H02M3/135GK101552555SQ200910031399
公開日2009年10月7日 申請(qǐng)日期2009年4月30日 優(yōu)先權(quán)日2009年4月30日
發(fā)明者張先進(jìn), 范才紅 申請(qǐng)人:淮海工學(xué)院