專利名稱：一種全橋三端口直流變換器及其控制方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種全橋三端口直流變換器及其控制方法，屬于電力電子變換器技術領域，特別涉及新能源發(fā)電技術領域中的電力電子變換器技術領域。
背景技術：
隨著能源危機和環(huán)境污染問題日益嚴重，溫差發(fā)電、太陽能、風能、燃料電池等新能源發(fā)電技術成為世界各國關注和研究的熱點。新能源發(fā)電系統按照是否與公共電網相連，分為并網運行和獨立運行兩種方式。獨立運行的新能源發(fā)電系統是新能源發(fā)電應用的非常重要的一種方式，可以解決偏遠山區(qū)、孤島等無電網地區(qū)的供電問題。新能源發(fā)電設備固有的缺陷為獨立新能源供電系統帶來了一些新的難題和挑戰(zhàn)，如溫差電池、風能、太陽能發(fā)電由于受到溫度、風速日照強度等外界條件變化的影響而不能持續(xù)、穩(wěn)定的輸出電能， 導致系統穩(wěn)定性問題。因此，獨立運行的新能源發(fā)電系統必須配備一定容量的儲能裝置。儲能裝置起到能量平衡和支撐作用，及時補充系統的短時峰值功率，回收多余功率，保證供電的連續(xù)性和可靠性，提高電能的利用率，并且使發(fā)電設備在輸出功率或負載功率波動較大時，仍能夠保持良好的穩(wěn)定性。獨立新能源供電系統中，由于需要同時對新能源發(fā)電設備的輸出功率、蓄電池等儲能裝置的充放電控制功率以及供電負載功率同時進行管理和控制，通常需要采用多個兩端口變換器組合構成功率管理與控制系統，然而由于變換器數目多、各個變換器分時工作， 系統功率密度低、體積重量大、成本高，且由于各個變換器彼此分散控制且各自獨立工作， 有損系統穩(wěn)態(tài)和動態(tài)性能。針對上述應用背景及存在的問題，研究工作者提出采用三端口變換器代替上述多個獨立的變換器實現獨立新能源發(fā)電系統的功率管理。按照端口隔離情況分類，三端口變換器包括端口全部隔離、部分隔離和非隔離三類，端口全部隔離的三端口變換器通常通過多個變壓器繞組稱合的方式構成，如文獻“Hariharan Krishnaswami, Ned Mohan. Three-Port Series Resonant DC-DC Converter to Interface Renewable Energy Sources With Bidirectional Load and Energy Storage Ports, IEEE Transactions on Power Electronics, 2009, 24 (10) :2289_2297”提出的串聯諧振式三端口變換器，該類三端口變換器使用的器件數目多、控制復雜，但由于各個端口彼此隔離，端口適應性較好，部分隔離的三端口變換器通常將隔離變換器與非隔離變換器集成到一起，隔離變換器與非隔離變換器的部分有源或無源器件彼此共用，具有拓撲簡潔、功率密度高等優(yōu)點。

發(fā)明內容
I、發(fā)明目的本發(fā)明針對上述背景技術，提供一種拓撲結構簡潔、集成度高、控制簡單的全橋三端口直流變換器及其控制方法。2、技術方案為實現上述目的，本發(fā)明采取以下技術方案。所述全橋三端口直流變換器包括一個輸入端口、一個雙向輸入/輸出端口和一個輸出負載端口，三個端口分別與輸入源(Uin)、蓄電池(Ub)和負載(R。)相連。
本發(fā)明通過將全橋直流變換器的有源開關與兩路雙向Buck/Boost直流變換器的有源開關共用，來減少有源開關的數量；通過將雙向Buck/Boost直流變換器的濾波電感與全橋直流變換器中變壓器激磁電感復用，來減少無源器件的數量，從而使變換器的器件數目、體積重量得到大幅度降低。進一步的，通過施加合適的控制方法，使得變換器能夠同時有效的實現輸入源、蓄電池和負載之間的功率控制。本發(fā)明所述全橋三端口直流變換器由輸入源(Uin)、第一開關管(S1)、第二開關管 (S2)、第三開關管(S3)、第四開關管(S4)、蓄電池(Ub)、蓄電池側濾波電容(Cb)、包含原邊繞組(Np1)和副變繞組(Nsi)的第一變壓器(!\)、包含原邊繞組(Np2)和副變繞組(Ns2)的第二變壓器(T2)、第一二極管(D1)、第二二極管(D2)、第三二極管(D3)、第四二極管(D4)、輸出濾波電感(L。)、輸出濾波電容(C。)和負載(R。)構成，其中輸入源(Uin)的正極分別連于第一開關管(S1)的漏極和第三開關管(S3)的漏極，輸入源(Uin)的負極分別連于第二開關管
(S2)的源極、第四開關管(S4)的源極、蓄電池(Ub)的負極和蓄電池側濾波電容(Cb)的一端，蓄電池(Ub)的正極分別連于蓄電池側濾波電容(Cb)的另一端、第一變壓器(T1)原邊繞組(Npi)的非同名端和第二變壓器(T2)原邊繞組(Np2)的同名端，第一變壓器(T1)原邊繞組(Npi)的同名端分別連于第一開關管(S1)的源極和第二開關管(S2)的漏極，第二變壓器 (T2)原邊繞組(Np2)的非同名端分別連于第三開關管(S3)的源極和第四開關管(S4)的漏極，第一變壓器(T1)副變繞組(Nsi)的同名端分別連于第一二極管(D1)的陽極和第二二極管(D2)的陰極，第一變壓器(T1)副變繞組(Nsi)的非同名端連于第二變壓器(T2)副變繞組 (Ns2)的同名端，第二變壓器(T2)副變繞組(Ns2)的非同名端分別連于第三二極管(D3)的陽極和第四二極管(D4)的陰極，輸出濾波電感(L。)的一端分別連于第一二極管(D1)的陰極和第三二極管(D3)的陰極，輸出濾波電感(L。)的另一端分別連于輸出濾波電容(C。)的一端和負載(R。)的一端，負載(R。)的另一端分別連于輸出濾波電容(C。)的另一端、第二二極管 (D2)的陽極和第四二極管(D4)的陽極；所述第一變壓器(T1)原邊繞組(Nsi)所對應的激磁電感同時用作濾波電感；所述第二變壓器(T2)原邊繞組(Ns2)所對應的激磁電感同時用作濾波電感。本發(fā)明所述全橋三端口直流變換器的控制方法所述第一開關管(S1)和第二開關管(S2)互補導通，所述第三開關管(S3)和第四開關管(S4)互補導通，第一開關管(S1)和第三開關管(S3)的占空比大小相等，第二開關管(S2)和第四開關管(S4)的占空比大小相等， 第一開關管(S1)的開通時刻超前于第三開關管(S3)的開通時刻，第二開關管(S2)的開通時刻超前于第四開關管(S4)的開通時刻，通過調節(jié)第一開關管(Si)、第二開關管(S2)、第三開關管(S3)和第四開關管(S4)的占空比控制蓄電池(Ub)的充放電功率，通過調節(jié)第一開關管(S1)和第三開關管(S3)開通時刻之間的差值控制負載(R。)的功率，也即通過控制第一開關管(S1)和第三開關管(S3)的移相角控制負載(R。)的功率。本發(fā)明的特點和技術效果
(I)通過一個變換器實現了輸入源、蓄電池和負載的功率管理與控制，系統體積小、功率密度高；(2)輸入源和蓄電池非隔離變換，變換效率高；(3)負載與輸入源及蓄電池電氣隔離，可以適應不同負載及應用場合的應用需求；
(4)整個變換器成為一個整體，采用集中控制，實現更加有效的管理；(5)有源器件和無源器件實現了復用，使用的器件數量少、控制簡單、可靠性高、成本低。


附圖1為本發(fā)明全橋三端口直流變換器的電路結構原理圖。附圖2本發(fā)明全橋三端口直流變換器的主要工作波形圖。附圖3-附圖6是本發(fā)明全橋三端口直流變換器在各開關模態(tài)下的等效電路圖。圖I 圖6中的符號名稱Uin為輸入源！S1' S2、S3及S4分別是第一、第二、第三和第四開關管；Ub為蓄電池；Cb為蓄電池側濾波電容；!\、T2分別為第一、第二變壓器；NP1、Nsi 分別為第一變壓器(T1)的原邊繞組和副邊繞組；NP2、Ns2分比為第二變壓器(T2)的原邊繞組和副邊繞組分比為第一、第二、第三、第四二極管；L。為輸出濾波電感；C。為輸出濾波電容；R。為交流負載；uesi、U(；S2、U㈣、ues4分別為第一、第二、第三和第四開關管的驅動；uNP1為第一變壓器原邊繞組兩端的電壓；uNP2為第二變壓器原邊繞組兩端的電壓；us為第一變壓器和第二變壓器兩個副邊繞組串聯后的總電壓；iNP1為第一變壓器原邊繞組的電流；iNP2為第二變壓器)原邊繞組)的電流；I。為輸出濾波電感的電流；ib為蓄電池側的電流；U。為輸出電壓，t、t0、t” t2、t3、t4為時間。
具體實施例方式下面結合附圖對本發(fā)明作進一步說明。如附圖I所示，本發(fā)明全橋三端口直流變換器共包括三個端口 一個輸入端口、一個雙向輸入/輸出端口和一個負載輸出端口，三個端口分別和輸入源(Uin)、蓄電池(Ub)和負載(R。)相連。本發(fā)明所述全橋三端口直流變換器是通過將兩路雙向Buck/Boost直流變換器與全橋直流變換器集成到一起構成的，其中全橋直流變換器的四個有源開關全部與雙向Buck/Boost直流變換器的有源開關復用，同時，全橋直流變換器的變壓器被拆分成了兩個相同的變壓器，兩個變壓器的原邊繞組和副邊繞組都是直接串聯的，而兩個變壓器原邊繞組對應的激磁電感同時用作了兩個雙向Buck/Boost直流變換器的濾波電感，即本發(fā)明通過電感和變壓器復用的方式減少了無源器件的數量，從而減小變換器的體積、重量，提高變換器的功率密度。如附圖I所示，本發(fā)明所述全橋三端口直流變換器由輸入源(Uin)、第一開關管
(Si)、第二開關管(S2)、第三開關管(S3)、第四開關管(S4)、蓄電池(Ub)、蓄電池側濾波電容 (Cb)、包含原邊繞組(Np1)和副變繞組(Nsi)的第一變壓器(!\)、包含原邊繞組(Np2)和副變繞組(Ns2)的第二變壓器(T2)、第一二極管(D1)、第二二極管(D2)、第三二極管(D3)、第四二極管(D4)、輸出濾波電感(L。)、輸出濾波電容(C。)和負載(R。)構成，其中輸入源(Uin)的正極分別連于第一開關管(S1)的漏極和第三開關管(S3)的漏極，輸入源(Uin)的負極分別連于第二開關管(S2)的源極、第四開關管(S4)的源極、蓄電池(Ub)的負極和蓄電池側濾波電容(Cb)的一端，蓄電池(Ub)的正極分別連于蓄電池側濾波電容(Cb)的另一端、第一變壓器(T1)原邊繞組(Np1)的非同名端和第二變壓器(T2)原邊繞組(Np2)的同名端，第一變壓器(T1)原邊繞組(Npi)的同名端分別連于第一開關管(S1)的源極和第二開關管(S2)的漏極，第二變壓器(T2)原邊繞組(Np2)的非同名端分別連于第三開關管(S3)的源極和第四開關管(S4)的漏極，第一變壓器(T1)副變繞組(Nsi)的同名端分別連于第一二極管(D1)的陽極和第二二極管(D2)的陰極，第一變壓器(T1)副變繞組(Nsi)的非同名端連于第二變壓器 (T2)副變繞組(Ns2)的同名端，第二變壓器(T2)副變繞組(Ns2)的非同名端分別連于第三二極管(D3)的陽極和第四二極管(D4)的陰極，輸出濾波電感(L。)的一端分別連于第一二極管(D1)的陰極和第三二極管(D3)的陰極，輸出濾波電感(L。)的另一端分別連于輸出濾波電容(C。)的一端和負載(R。)的一端，負載(R。)的另一端分別連于輸出濾波電容(C。)的另一端、第二二極管(D2)的陽極和第四二極管(D4)的陽極。所述第一變壓器(T1)原邊繞組(Nsi)所對應的激磁電感同時用作濾波電感。
所述第二變壓器(T2)原邊繞組(Ns2)所對應的激磁電感同時用作濾波電感。所述第一開關管(S1)和第二開關管(S2)互補導通，所述第三開關管(S3)和第四開關管(S4)互補導通，第一開關管(S1)和第三開關管(S3)的占空比大小相等，第二開關管
(52)和第四開關管(S4)的占空比大小相等，第一開關管(S1)的開通時刻超前于第三開關管
(53)的開通時刻，第二開關管(S2)的開通時刻超前于第四開關管(S4)的開通時刻，通過調節(jié)第一開關管(Si)、第二開關管(S2)、第三開關管(S3)和第四開關管(S4)的占空比控制蓄電池(Ub)的充放電功率，通過調節(jié)第一開關管(S1)和第三開關管(S3)開通時刻之間的差值控制負載(R。)的功率，也即通過控制第一開關管(S1)和第三開關管(S3)的移相角控制負載(R。)的功率。根據附圖I及上述分析可知，本發(fā)明全橋三端口直流變換器能夠實現輸入源 (Uin)、蓄電池(Ub)和負載(Ro)任意兩者之間的單級功率變換，因此具有很高的變換效率， 其中輸入源(Uin)和蓄電池(Ub)之間等效為兩路非隔離Buck直流變換器，輸入源(Uin)和負載(R。)之間等效為全橋直流變換器，而蓄電池(Ub)和負載(R。)之間則等效為兩路正反激直流變換器。本發(fā)明在具體實施時，其有源開關和二極管的選取與全橋直流變換器相類似，但變壓器由于同時用作了濾波電感，在設計時需要考慮其偏磁電流的影響，避免變壓器磁芯飽和。下面結合附圖2 附圖6對本發(fā)明全橋三端口直流變換器的具體工作過程進行分析。假設第一、第二變壓器原、副邊繞組的匝數比滿足Npi Np2 Nsi Ns2 = I : I : η : η,η為正數，同時假設輸出濾波電容C。足夠大,輸出電壓為平滑的直流,第一、 第二變壓器激磁電感分別為Lml、Lm2且Lml = Lm2 = Lm,負載R。的電壓為U。。所述變換器的主要工作波形如附圖2所示，變換器在一個開關周期內共有四個主要的開關模態(tài)。開關模態(tài)I [tftj t0時刻之前，S2和S4導通，S1和S3關斷；濾波電感電流H 壓器T1原邊電流iNP1和變壓器T2原邊電流iNP2都線性減小山時刻，S2關斷，S1導通，等效電路如附圖3所示,在該模態(tài)下，us = nUin, iNP1、iNP2、ib及濾波電感電流k。滿足如下關系
權利要求
1.一種全橋三端口直流變換器及其控制方法，其特征在于所述全橋三端口直流變換器由輸入源(Uin)、第一開關管(Si)、第二開關管(S2)、第三開關管(S3)、第四開關管(S4)、蓄電池(Ub)、蓄電池側濾波電容(Cb)、包含原邊繞組(Np1)和副變繞組(Nsi)的第一變壓器(!\)、包含原邊繞組(Np2)和副變繞組(Ns2)的第二變壓器(T2)、 第一二極管(D1)、第二二極管(D2)、第三二極管(D3)、第四二極管(D4)、輸出濾波電感(L。)、 輸出濾波電容(C。)和負載(R。)構成，其中輸入源(Uin)的正極分別連于第一開關管(S1) 的漏極和第三開關管(S3)的漏極，輸入源(Uin)的負極分別連于第二開關管(S2)的源極、 第四開關管(S4)的源極、蓄電池(Ub)的負極和蓄電池側濾波電容(Cb)的一端，蓄電池(Ub) 的正極分別連于蓄電池側濾波電容(Cb)的另一端、第一變壓器(T1)原邊繞組(Npi)的非同名端和第二變壓器(T2)原邊繞組(Np2)的同名端，第一變壓器(T1)原邊繞組(Npi)的同名端分別連于第一開關管(S1)的源極和第二開關管(S2)的漏極，第二變壓器(T2)原邊繞組 (Np2)的非同名端分別連于第三開關管(S3)的源極和第四開關管(S4)的漏極，第一變壓器 (T1)副變繞組(Nsi)的同名端分別連于第一二極管(D1)的陽極和第二二極管(D2)的陰極， 第一變壓器(T1)副變繞組(Nsi)的非同名端連于第二變壓器(T2)副變繞組(Ns2)的同名端， 第二變壓器(T2)副變繞組(Ns2)的非同名端分別連于第三二極管(D3)的陽極和第四二極管 (D4)的陰極，輸出濾波電感(L。)的一端分別連于第一二極管(D1)的陰極和第三二極管(D3) 的陰極，輸出濾波電感(L。)的另一端分別連于輸出濾波電容(C。)的一端和負載(R。)的一端，負載(R。)的另一端分別連于輸出濾波電容(C。)的另一端、第二二極管(D2)的陽極和第四二極管(D4)的陽極；所述第一變壓器(T1)原邊繞組(Nsi)所對應的激磁電感同時用作濾波電感；所述第二變壓器(T2)原邊繞組(Ns2)所對應的激磁電感同時用作濾波電感。
2.一種全橋三端口直流變換器及其控制方法，所述控制方法特征在于所述第一開關管(S1)和第二開關管(S2)互補導通，所述第三開關管(S3)和第四開關管(S4)互補導通，第一開關管(S1)和第三開關管(S3)的占空比大小相等，第二開關管(S2) 和第四開關管(S4)的占空比大小相等，第一開關管(S1)的開通時刻超前于第三開關管(S3) 的開通時刻，第二開關管(S2)的開通時刻超前于第四開關管(S4)的開通時刻，通過調節(jié)第一開關管⑶)、第二開關管(S2)、第三開關管(S3)和第四開關管(S4)的占空比控制蓄電池 (Ub)的充放電功率，通過調節(jié)第一開關管(S1)和第三開關管(S3)開通時刻之間的差值控制負載(R。)的功率，也即通過控制第一開關管(S1)和第三開關管(S3)的移相角控制負載(R。) 的功率。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種全橋三端口直流變換器及其控制方法，屬于電力電子變換器領域。該變換器是由輸入源、蓄電池、原邊電路和副邊電路組成，原邊電路連接輸入源和蓄電池，副邊電路連接負載。變換器共使用了四個開關管和兩個變壓器，變壓器的原邊激磁電感同時用作濾波電感，四個開關管和兩個變壓器構成了一個全橋電路和兩個非隔離雙向變換器，通過對四個開關管的控制，采用一個變換器即可同時實現主電源、蓄電池和負載三者的功率管理。本發(fā)明通過將隔離變換器與非隔離雙向變換器集成到一起，使用的開關器件少，控制簡單，可靠性高，能有效完成系統的功率管理與控制，適用于航天衛(wèi)星供電或新能源發(fā)電系統。
文檔編號H02M3/28GK102624234SQ20121011619
公開日2012年8月1日 申請日期2012年4月20日 優(yōu)先權日2012年4月20日
發(fā)明者吳紅飛, 周子胡, 胡文斐, 邢巖 申請人:南京航空航天大學