一种升降压非隔离型三端口直流变换器

摘要

本发明公开了一种升降压型非隔离三端口直流变换器，由第一开关管S1、第二开关管S2、交错180°相位导通的第三开关管Sf1和第四开关管Sf2、第一二极管D1、第二二极管D2、第三二极管D3、第一电感L1、第二电感L2、第一电容C1、第二电容C2、第一直流电源Vs1、第二直流电源Vs2和负载R构成；第一直流电源Vs1和第二直流电源Vs2同时向负载R提供电能时，负载R所需功率优先由第一直流电源Vs1提供，剩余功率由第二直流电源Vs2提供。可以有效的减少元器件的使用数目，降低系统成本，增强不同能源间的协调控制，能够有效的提高新能源联合供电系统运行的可靠性。

权利要求

1.一种升降压型非隔离三端口直流变换器，其特征在于，包括第一直流电源(Vs1)和第二直流电源(Vs2)，第一直流电源(Vs1)的正端连接第一开关管(S1)的漏极，第一开关管(S1)的源极连接第二直流电源(Vs2)的负端；第一二极管(D1)的阳极、第四开关管(Sf2)的漏极和第二电容(C2)的一端与第二直流电源(Vs2)的负端连接，第二直流电源(Vs2)的正端与第二开关管(S2)的漏极连接，第二开关管(S2)的源极连接第一二极管(D1)的阴极和第一电感(L1)的一端，第一电感(L1)的另一端连接第三开关管(Sf1)的漏极和第二二极管(D2)的阳极，第二二极管(D2)的阴极连接第一电容(C1)的一端和负载(R)的一端，负载(R)的另一端连接第二电容(C2)的另一端和第三二极管(D3)的阳极，第三二极管(D3)的阴极连接第四开关管(Sf2)的源极和第二电感(L2)的一端，第二电感(L2)的另一端连接第一直流电源(Vs1)的负端、第三开关管(Sf1)的源极和第一电容(C1)的另一端。

2.根据权利要求1所述的一种升降压型非隔离三端口直流变换器，其特征在于，第一直流电源(Vs1)和第二直流电源(Vs2)同时向负载(R)提供电能时，负载(R)所需功率优先由第一直流电源(Vs1)提供，剩余功率由第二直流电源(Vs2)提供。

3.根据权利要求1所述的一种升降压型非隔离三端口直流变换器，其特征在于，通过给定第一开关管(S1)和第二开关管(S2)的占空比为1或0来控制第一直流电源(Vs1)和第二直流电源(Vs2)的接入或切除，通过调节第二开关管(S2)、第三开关管(Sf1)和第四开关管(Sf2)的占空比1或0来控制第一直流电源(Vs1)和第二直流电源(Vs2)向负载(R)所传输功率的大小。

4.根据权利要求1所述的一种升降压型非隔离三端口直流变换器，其特征在于，当第一开关管(S1)、第二开关管(S2)、第三开关管(Sf1)和第三二极管(D3)均导通，第四开关管(Sf2)、第一二极管(D1)和第二二极管(D2)均关断时，第一直流电源(Vs1)和第二直流电源(Vs2)通过第一开关管(S1)、第二开关管(S2)、第三开关管(Sf1)向第一电感(L1)充电储能，第一直流电源(Vs1)通过第一开关管(S1)、第二电容(C2)和第三二极管(D3)向第二电感(L2)充电储能，第一电容(C1)释放储存的能量向负载(R)提供所需电能。

5.根据权利要求1所述的一种升降压型非隔离三端口直流变换器，其特征在于，当第一开关管(S1)、第三开关管(Sf1)、第一二极管(D1)和第三二极管(D3)均导通，第二开关管(S2)、第四开关管(Sf2)和第二二极管(D2)均关断时，第一直流电源(Vs1)通过第一开关管(S1)、第一二极管(D1)、第三开关管(Sf1)向第一电感(L1)充电储能，第一直流电源(Vs1)通过第一开关管(S1)、第二电容(C2)和第三二极管(D3)向第二电感(L2)充电储能，第一电容(C1)释放储存的能量向负载(R)提供所需电能。

6.根据权利要求1所述的一种升降压型非隔离三端口直流变换器，其特征在于，当第一开关管(S1)、第四开关管(Sf2)、第一二极管(D1)和第二二极管(D2)均导通，第二开关管(S2)、第三开关管(Sf1)和第三二极管(D3)均关断时，第一直流电源(Vs1)、第一电感(L1)、第二电感(L2)和第二电容(C2)通过第一开关管(S1)、第一二极管(D1)和第四开关管(Sf2)向负载供电并给第一电容(C1)充电。

说明书

一种升降压非隔离型三端口直流变换器

技术领域

[0001] 本发明属于电力电子变换器技术领域，涉及一种升降压型非隔离三端口直流变换器。

背景技术

[0002] 随着社会的迅速发展，能源和环境的危机日益严重，这些现象使得研究者对新能源的研究和利用得到巨大的重视。近几年来，太阳能应用比较广泛，但单独的光伏发电有一
定的不足，当光照强度或阴雨天时，光伏电池的发电量会受到严重的影响，太阳能具有的随
机性和间断性的特征，对光伏发电应用具有一定的阻碍作用。合理地将燃料电池和光伏电
池组合使用，可以在光照连续低于平均值的时候，使光伏电池的输出曲线不会出现较大的
波动。

[0003] 为了将光伏电池和氢氧燃料电池合理组合使用，需要采用太阳能和生物能等多能源形式相互补充支持的多能源联合供电系统。在传统的基于直流母线的新能源联合供电系
统中，为了协调工作，每种能源形式均需要一个直流变换器，并联在公共的直流母线上。由
于变换器数目多、各个变换器分时工作，系统功率密度低、体积重量大、成本高、能量经过多
级功率变换而降低了系统能效。

[0004] 文献“吴红飞,夏炎冰,邢岩.基于双输入/双输出变换器的三端口变换器拓扑[J].中国电机工程学报,2011,31(27):45‑51.”系统的提出了非隔离型三端口变换器的构成方
法，但该构成方法都是基于传统Buck、Boost和Buck/Boost生成的非隔离型三端口变换器的
拓扑实例，由此得到的非隔离型三端口变换器主要存在以下问题：1传统Boost实际应用中
受寄生参数的影响，升压能力有限，不能很好满足太阳能发电装置对升压能力的要求；2在
变换器运行过程中，电力电子开关器件需承受的电压电流应力大；3各端口的控制相互耦
合，控制系统的设计和实现复杂。

发明内容

[0005] 本发明的目的是提供一种升降压型非隔离三端口直流变换器，解决了现有技术中存在的多能源联合发电系统使用两端口变换器存在协调控制困难、升压能力不足和发电系
统效率低和工作可靠性低的问题。

[0006] 本发明所采用的技术方案是，一种升降压型非隔离三端口直流变换器，包括第一直流电源Vs1和第二直流电源Vs2，第一直流电源Vs1的正端连接第一开关管S1的漏极，第一
开关管S1的源极连接第二直流电源Vs2的负端；第一二极管D1的阳极、第四开关管Sf2的漏
极和第二电容C2的一端与第二直流电源Vs2的负端连接，第二直流电源Vs2的正端与第二开
关管S2的漏极连接，第二开关管S2的源极连接第一二极管D1的阴极和第一电感L1的一端，
第一电感L1的另一端连接第三开关管Sf1的漏极和第二二极管D2的阳极，第二二极管D2的
阴极连接第一电容C1的一端和负载R的一端，负载R的另一端连接第二电容C2的另一端和第
三二极管D3的阳极，第三二极管D3的阴极连接第四开关管Sf2的源极和第二电感L2的一端，
第二电感L2的另一端连接第一直流电源Vs1的负端、第三开关管Sf1的源极和第一电容C1的
另一端。

[0007] 本发明的特点还在于：

[0008] 第一直流电源Vs1和第二直流电源Vs2同时向负载R提供电能时，负载R所需功率优先由第一直流电源Vs1提供，剩余功率由第二直流电源Vs2提供。

[0009] 通过给定第一开关管S1和第二开关管S2的占空比为1或0来控制第一直流电源Vs1和第二直流电源Vs2的接入或切除，通过调节第二开关管S2、第三开关管Sf1和第四开关管
Sf2的占空比1或0来控制第一直流电源Vs1和第二直流电源Vs2向负载R所传输功率的大小。

[0010] 当第一开关管S1、第二开关管S2、第三开关管Sf1和第三二极管D3均导通，第四开关管Sf2、第一二极管D1和第二二极管D2均关断时，第一直流电源Vs1和第二直流电源Vs2通
过第一开关管S1、第二开关管S2、第三开关管Sf1向第一电感L1充电储能，第一直流电源Vs1
通过第一开关管S1、第二电容C2和第三二极管D3向第二电感L2充电储能，第一电容C1释放
储存的能量向负载R提供所需电能。

[0011] 当第一开关管S1、第三开关管Sf1、第一二极管D1和第三二极管D3均导通，第二开关管S2、第四开关管Sf2和第二二极管D2均关断时，第一直流电源Vs1通过第一开关管S1、第
一二极管D1、第三开关管Sf1向第一电感L1充电储能，第一直流电源Vs1通过第一开关管S1、
第二电容C2和第三二极管D3向第二电感L2充电储能，第一电容C1释放储存的能量向负载R
提供所需电能。

[0012] 当第一开关管S1、第四开关管Sf2、第一二极管D1和第二二极管D2均导通，第二开关管S2、第三开关管Sf1和第三二极管D3均关断时，第一直流电源Vs1、第一电感L1、第二电
感L2和第二电容C2通过第一开关管S1、第一二极管D1和第四开关管Sf2向负载供电并给第
一电容C1充电。

[0013] 本发明的有益效果是：

[0014] (1)本发明两个输入端口能够分别实现升压和降压功能，两输入电压差变化范围宽，使用范围广；

[0015] (2)借助交错控制技术，能够为负载端提供高电压增益；

[0016] (3)两个输入端口既可以同时向负载提供电能，也可以单独向负载提供电能且相互之间不受影响，能够保证电能的稳定输出；

[0017] (4)两个输入端口和输出端口之间都实现了单级功率变换，能够实现更高的变换效率；

[0018] (5)解决了传统氢光多能源联合发电系统使用多个两端口变换器存在成本高、协调控制困难和工作可靠性等问题。

附图说明

[0019] 图1是本发明升降压型非隔离三端口直流变换器电路原理图；

[0020] 图2是本发明升降压型非隔离三端口直流变换器的第二直流电源Vs2单独工作时的等效电路图；

[0021] 附图3是本发明升降压型非隔离三端口直流变换器在第一直流电源Vs1和第二直流电源Vs2共同工作时的主要工作波形图；

[0022] 附图4本发明升降型非隔离三端口直流变换器t0～t1时间段内的等效电路图；

[0023] 附图5本发明升降型非隔离三端口直流变换器t1～t2时间段内等效电路图；

[0024] 附图6本发明升降型非隔离三端口直流变换器t2～t3时间段内等效电路图；

[0025] 图中：S1.第一开关管，S2.第二开关管，Sf1.第三开关管，Sf2.第四开关管，D1.第一二极管，D2.第二二极管，D3.第三二极管，L1.第一电感，L2.第二电感，C1.第一电容，C2.
第二电容，Vs1.第一直流电源，Vs2.第二直流电源，R.负载，uGs1、uGs2、uGsf1和uGsf2分别为第
一、第二、第三和第四开关管的驱动；T为开关周期；t0、t1和t2为时间；iL1和iL2分别为第一
电感电流和第二电感电流。

具体实施方式

[0026] 下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明。

[0027] 如图1所示，一种升降压型非隔离三端口直流变换器，由第一开关管S1、第二开关管S2、交错180°相位导通的第三开关管Sf1和第四开关管Sf2、第一二极管D1、第二二极管
D2、第三二极管D3、第一电感L1、第二电感L2、第一电容C1、第二电容C2、第一直流电源Vs1、
第二直流电源Vs2和负载R构成；

[0028] 包括第一直流电源Vs1和第二直流电源Vs2，第一直流电源Vs1的正端连接第一开关管S1的漏极，第一开关管S1的源极连接第二直流电源Vs2的负端；第一二极管D1的阳极、
第四开关管Sf2的漏极和第二电容C2的一端，以及第二直流电源Vs2的正端与第二开关管S2
的漏极连接，第二开关管S2的源极连接第一二极管D1的阴极和第一电感L1的一端，第一电
感L1的另一端连接第三开关管Sf1的漏极和第二二极管D2的阳极，第二二极管D2的阴极连
接第一电容C1的一端和负载R的一端，负载R的另一端连接第二电容C2的另一端和第三二极
管D3的阳极，第三二极管D3的阴极连接第四开关管Sf2的源极和第二电感L2的一端，第二电
感L2的另一端连接第一直流电源Vs1的负端、第三开关管Sf1的源极和第一电容C1的另一
端。

[0029] 如图2所示，第二开关管S2、第四开关管Sf2、第一二极管D1、第二二极管D2、第三二极管D3、第一电感L1、第二电感L2、第一电容C1、第二电容C2和负载R构成Buck变换器，可以
实现降压功能。当第一开关管S1和第三开关管Sf1都处于关断状态，第四开关管Sf2一直处
于导通状态，即仅有第二直流电源Vs2向负载R提供电能。

[0030] 附图3为第一直流电源Vs1和第二直流电源Vs2同时向负载R提供电能时升降压型非隔离三端口直流变换器的主要工作波形。第一开关管S1一直处于导通模式，调节第三开
关管Sf1和第四开关管Sf2的占空比来控制第一直流电源Vs1向负载R输送功率大小，调节第
二开关管S2的占空比来控制第二直流电源Vs2向负载R输送功率大小。

[0031] 第一直流电源Vs1和第二直流电源Vs2同时向负载R提供电能时，负载R所需功率优先由第一直流电源Vs1提供，剩余功率由第二直流电源Vs2提供。

[0032] 通过给定第一开关管S1和第二开关管S2的占空比为1或0来控制第一直流电源Vs1和第二直流电源Vs2的接入或切除，通过调节第二开关管S2、第三开关管Sf1和第四开关管
Sf2的占空比1或0来控制第一直流电源Vs1和第二直流电源Vs2向负载R所传输功率的大小。

[0033] t0～t1时间段内，第一开关管S1、第二开关管S2、第三开关管Sf1和第三二极管D3均导通，第四开关管Sf2、第一二极管D1和第二二极管D2均关断时，第一直流电源Vs1和第二
直流电源Vs2通过第一开关管S1、第二开关管S2、第三开关管Sf1向第一电感L1充电储能，第
一直流电源Vs1通过第一开关管S1、第二电容C2和第三二极管D3向第二电感L2充电储能，第
一电容C1释放储存的能量向负载R提供所需电能。

[0034] t1～t2时间段内，第一开关管S1、第三开关管Sf1、第一二极管D1和第三二极管D3均导通，第二开关管S2、第四开关管Sf2和第二二极管D2均关断时，第一直流电源Vs1通过第
一开关管S1、第一二极管D1、第三开关管Sf1向第一电感L1充电储能，第一直流电源Vs1通过
第一开关管S1、第二电容C2和第三二极管D3向第二电感L2充电储能，第一电容C1释放储存
的能量向负载R提供所需电能。

[0035] t2～t3时间段内，第一开关管S1、第四开关管Sf2、第一二极管D1和第二二极管D2均导通，第二开关管S2、第三开关管Sf1和第三二极管D3均关断时，第一直流电源Vs1、第一
电感L1、第二电感L2和第二电容C2通过第一开关管S1、第一二极管D1和第四开关管Sf2向负
载供电并给第一电容C1充电。

[0036] 本发明两个输入端口能够分别实现升压和降压功能，两输入电压差变化范围宽，使用范围广；借助交错控制技术，能够为负载端提供高电压增益；两个输入端口既可以同时
向负载提供电能，也可以单独向负载提供电能且相互之间不受影响，能够保证电能的稳定
输出；两个输入端口和输出端口之间都实现了单级功率变换，能够实现更高的变换效率；解
决了传统氢光多能源联合发电系统使用多个两端口变换器存在成本高、协调控制困难和工
作可靠性等问题。