專利名稱：單隔離降壓型多輸入直流變換器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明所涉及的單隔離降壓型多輸入直流變換器，屬于電力電子變換技術(shù)。
背景技術(shù)：
直流變換器是應(yīng)用功率半導(dǎo)體器件，將一種直流電能變換成另一種直流電能的靜止變換 裝置，供直流負載使用。輸出直流負載與輸入直流電源間有高頻電氣隔離的變換器，稱為隔 離型直流變換器。高頻電氣隔離元件在變換器中主要起到了如下作用1)實現(xiàn)了變換器輸 出與輸入之間的電氣隔離，提高了變換器運行的安全可靠性和電磁兼容性；2)實現(xiàn)了變換器 輸出電壓與輸入電壓之間的匹配，即實現(xiàn)了變換器的輸出電壓可以高于、等于或低于輸入電 壓的技術(shù)效果，其應(yīng)用范圍得到了大大拓寬；3)當(dāng)高頻變壓器或高頻儲能式變壓器的工作 頻率在20kHz以上時，其體積、重量大大降低了，音頻噪音消除了。因此，在以直流發(fā)電機、 蓄電池、太陽能電池和燃料電池等為主直流電源的二次電能變換場合，隔離型直流變換器具 有重要的應(yīng)用價值。
太陽能、風(fēng)能、潮汐能和地?zé)崮艿瓤稍偕茉?也稱為綠色能源)，具有清潔無污染、廉 價、可靠、豐富等優(yōu)點，因而具有廣泛的應(yīng)用前景。由于石油、煤和天然氣等化石能源(不可 再生的能源)日益緊張、環(huán)境污染嚴(yán)重、導(dǎo)致全球變暖以及核能的生產(chǎn)又會產(chǎn)生核廢料和污 染環(huán)境等原因，可再生能源的開發(fā)和利用越來越受到人們的重視?？稍偕茉窗l(fā)電主要有光 伏、風(fēng)力、燃料電池、水力、地?zé)岬阮愋停嬖陔娏?yīng)不穩(wěn)定、不連續(xù)、隨氣候條件變 化等缺陷，因此需要采用多種能源聯(lián)合供電的分布式供電系統(tǒng)。
傳統(tǒng)的可再生能源分布式供電系統(tǒng)，如圖1所示。該系統(tǒng)通常是采用多個單輸入直^l變 換器將太陽能電池、燃料電池、風(fēng)力發(fā)電機等可再生能源發(fā)電設(shè)備輸出的直流電變換成負載 變換器所需要的公共直流母線電壓Ud。,然后再通過與直流母線相連的負載變換器將IL變換成 負載所需要的直流或交流電壓，根據(jù)負載的性質(zhì)選擇負載變換器的類型。為了使可再生能源 發(fā)電部分能夠協(xié)調(diào)工作，多種能源必須分別進行電能變換后連接到公共的直流母線上，因此 需要多個單輸入直流變換器并在輸出端加以并聯(lián)，因而存在電路結(jié)構(gòu)復(fù)雜、成本高等缺陷。
為了簡化電路結(jié)構(gòu)，可以用一個多輸入直流變換器取代多個單輸入直流變換器，組成新 型的可再生能源分布式供電系統(tǒng)，如圖2所示。多輸入直流變換器允許多種能源輸入，輸入 源的性質(zhì)、幅值和特性可以相同，也可以差別很大。該供電系統(tǒng)具有電路結(jié)構(gòu)簡潔、成本低、一個高頻丌關(guān)周期內(nèi)多個輸入源可同時或分時向負載供電、可提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性和靈活性、 可實現(xiàn)能源的優(yōu)先利用等優(yōu)點。
因此，尋求一類允許多種可再生能源聯(lián)合供電的多輸入直流變換器已迫在眉睫，對于簡 化系統(tǒng)電路結(jié)構(gòu)、降低成本、允許一個高頻開關(guān)周期內(nèi)多個輸入源同時或分時向負載供電、 提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性和靈活性、實現(xiàn)可再生能源的優(yōu)先利用將具有十分重要的意義。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明目的是要提供一種具有輸入直流電源共地、高頻逆變電路之間未隔離、輸出與 輸入之間隔離、電壓匹配能力強、多個輸入電源分時供電、電路拓撲簡潔、共用輸出高頻 變壓器和整流濾波電路、功率密度高、變換效率高、輸出電壓紋波小、成本低、應(yīng)用 前景廣泛等特點的單隔離降壓型多輸入直流變換器。
本發(fā)明的單隔離降壓型多輸入直流變換器，是由一個多輸入單輸出高頻逆變電路將多 個共地的輸入LC濾波器和一個共用的輸出高頻隔離變壓整流濾波電路聯(lián)接構(gòu)成，多輸 入單輸出高頻逆變電路的每個輸入端與每個輸入LC濾波器的輸出端一一對應(yīng)聯(lián)接，多 輸入單輸出高頻逆變電路的輸出端與高頻變壓器的輸入端相聯(lián)接，所述的多輸入單輸 出高頻逆變電路由多個帶有選擇功率開關(guān)的單輸入單輸出高頻逆變電路構(gòu)成，在任意 時刻相當(dāng)于一個單輸入單輸出高頻逆變電路，所述的輸出高頻隔離變壓整流濾波電路 由高頻變壓器、高頻整流器、輸出LC濾波器依序級聯(lián)構(gòu)成。
本發(fā)明將傳統(tǒng)的可再生能源分布式供電系統(tǒng)中輸出端并聯(lián)的多個單輸入直流變換器電路 結(jié)構(gòu)，構(gòu)建為單隔離降壓型多輸入直流變換器電路結(jié)構(gòu)，提出了單隔離降壓型多輸入直流變 換器新概念、電路結(jié)構(gòu)和拓撲族。
本發(fā)明的單隔離降壓型多輸入直流變換器，能夠?qū)⒍鄠€共地、不穩(wěn)定的輸入直流電壓變 換成一個所需電壓大小、穩(wěn)定的、高質(zhì)量的輸出直流電壓，具有輸入直流電源共地、高頻逆 變電路之間未隔離、輸出與輸入隔離、電壓匹配能力強、多輸入電源分時供電、電路拓撲 簡潔、共用輸出高頻變壓器和整流濾波電路、功率密度高、變換效率高、輸出電壓紋 波小、成本低、應(yīng)用前景廣泛等特點。單隔離降壓型多輸入直流變換器的綜合性能，將 比傳統(tǒng)的輸出端并聯(lián)的多個單輸入直流變換器優(yōu)越。


圖l，傳統(tǒng)的可再生能源分布式供電系統(tǒng)。圖2，新型的可再生能源分布式供電系統(tǒng)。
圖3，單隔離降壓型多輸入直流變換器原理框圖。
圖4，單隔離降壓型多輸入直流變換器電路結(jié)構(gòu)圖。
圖5，單隔離降壓型多輸入直流變換器分時供電時原理波形圖。
圖6，單隔離降壓型多輸入直流變換器電路拓撲實例---單管正激式電路原理圖。
圖7，單隔離降壓型多輸入直流變換器電路拓撲實例二 一一并聯(lián)交錯單管正激式電路原 理圖。
圖8,單隔離降壓型多輸入直流變換器電路拓撲實例三 一一推挽式電路原理圖。 圖9，單隔離降壓型多輸入直流變換器電路拓撲實例四 一一推挽正激式電路原理圖。 圖10，單隔離降壓型多輸入直流變換器電路拓撲實例五 一一雙管正激式電路原理圖。 圖ll，單隔離降壓型多輸入直流變換器電路拓撲實例六 一一并聯(lián)交錯雙管正激式電路原理圖。
圖12，單隔離降壓型多輸入直流變換器電路拓撲實例七 一一半橋式電路原理圖。 圖13，單隔離降壓型多輸入直流變換器電路拓撲實例八——全橋式電路原理圖。 圖14，單隔離降壓型多輸入直流變換器分時供電時主從式電壓、電流瞬時值反饋控制框圖。 圖15，單隔離降壓型多輸入直流變換器分時供電時主從式電壓、電流瞬時值反饋控制原理 波形圖。
具體實施例方式
下面結(jié)合說明書附圖及實施例對本發(fā)明做進一步描述。
單隔離降壓型多輸入直流變換器電路結(jié)構(gòu)，是由一個多輸入單輸出高頻逆變電路將 多個共地的輸入LC濾波器和一個共用的輸出高頻隔離變壓整流濾波電路聯(lián)接構(gòu)成，多 輸入單輸出高頻逆變電路的每個輸入端與每個輸入LC濾波器的輸出端一一對應(yīng)聯(lián)接， 多輸入單輸出高頻逆變電路的輸出端與高頻變壓器的輸入端相聯(lián)接，所述的多輸入單
輸出高頻逆變電路由多個帶有選擇功率開關(guān)的單輸入單輸出高頻逆變電路構(gòu)成，在任 意時刻相當(dāng)于一個單輸入單輸出高頻逆變電路，所述的輸出高頻隔離變壓整流濾波電 路由高頻變壓器、高頻整流器、輸出LC濾波器依序級聯(lián)構(gòu)成。
單隔離降壓型多輸入直流變換器原理框圖、電路結(jié)構(gòu)、分時供電時原理波形，分別如圖 3、 4、 5所示。由于單隔離降壓型多輸入直流變換器是電壓型變換器，其原理相當(dāng)于多個降 壓型單輸入直流變換器在輸出端電壓的疊加，即輸出電壓U。與輸入直流電壓(Uu、 Ui2、、 UJ、高頻變壓器匝比N2/N,、占空比(Dt、 D2、、 D )之間的關(guān)系為U。= (D,Uu+D2仏2 +...+D Uln) N2/N,。 U。在適當(dāng)?shù)恼伎毡?D、D2、…、D )和高頻變壓器匝比N〃N,時可以大
于、等于或小于輸入直流電壓之和Uu+Ui2+…+Ui。，所以這類變換器電路結(jié)構(gòu)中的高頻變壓 器不但起到了提高變換器運行的安全可靠性和電磁兼容性，更重要的是起到了匹配輸出電壓 與輸入電壓的作用，即實現(xiàn)了變換器的輸出電壓高于、等于或低于輸入直流電壓之和
Uu+Ui2+…+Ui。的技術(shù)效果，其應(yīng)用范圍得到了大大拓寬。由于(XDjD2+…+D。 <1，所以 U。< (Uu+Ui2+…+lU N2/Nb即輸出直流電壓U?？偸堑陀谳斎胫绷麟妷?Uu、 Ui2、、 Uin) 與高頻變壓器匝比&/%乘積之和(Ui,+Ui2+…+lL) N2/N1;又由于變換器的n輸入單輸出 高頻逆變電路之間未隔離，變換器輸出直流負載與輸入電源之間相互隔離，故將這類變 換器稱為單隔離降壓型多輸入直流變換器。該電路結(jié)構(gòu)中的高頻逆變器由多個能夠承受 雙向電壓應(yīng)力、單向電流應(yīng)力的兩象限高頻功率開關(guān)構(gòu)成，高頻整流器由一個或多個 高頻整流二極管和續(xù)流二極管構(gòu)成。該電路結(jié)構(gòu)n個輸入源在一個高頻開關(guān)周期內(nèi)只 能分時對直流負載供電，占空比可以相同(D產(chǎn)Df^D丄也可以不同(Di^D2^…半Dn)。 當(dāng)電源向負載傳遞功率時，n輸入單輸出高頻逆變器將n個輸入直流電壓調(diào)制成幅值 隨輸入直流電壓變化的雙極性兩態(tài)或三態(tài)的多電平高頻電壓波Uw，經(jīng)高頻變壓器T電氣隔離、 傳輸和電壓匹配后，高頻整流器將其整流成多電平高頻脈沖直流電壓，經(jīng)輸出LC濾波器 后得到高質(zhì)量的直流電壓U。，高頻逆變器的n個輸入脈沖直流電流經(jīng)輸入LC濾波器Lu-Cu、 Li2-Ci2、…、Li「"后在輸入直流電源U"、Ui2、…、仏 中可獲得平滑的輸入直流電流Iu、 Ii2、…、 Iin。
本發(fā)明的單隔離降壓型多輸入直流變換器，由于共用一個高頻變壓器和一個輸出整流濾 波電路，與傳統(tǒng)的可再生能源分布式供電系統(tǒng)中輸出端并聯(lián)的多個單輸入直流變換器電路結(jié) 構(gòu)存在著重要的區(qū)別。因此，本發(fā)明所述變換器具有創(chuàng)造性，具有高頻逆變電路之間未隔 離、輸出與輸入之間隔離、變換效率高(意味著能量損耗小)、功率密度高(意味著體積、 重量小)、輸出電壓紋波小、成本低、應(yīng)用前景廣泛等優(yōu)點，在大力倡導(dǎo)建設(shè)節(jié)能型、節(jié)約型 社會的今天，更具有重要價值。
單隔離降壓型多輸入直流變換器電路拓撲族實施例，如圖6、 7、 8、 9、 10、 11、 12、 13所示。圖6為單管正激式電路，圖7為并聯(lián)交錯單管正激式，圖8為推挽式電路， 圖9為推挽正激式電路，圖10雙管正激式電路，圖11為并聯(lián)交錯雙管正激式，圖12 為半橋式電路，圖13為全橋式電路。需要說明的是，圖6、 7'中的RCD箝位電路和圖 10、 11中的箝位二極管是用來實現(xiàn)高頻變壓器T (L、 T2)的磁復(fù)位；圖9所示推挽正 激式電路中，Ss是在其它功率開關(guān)均截止時導(dǎo)通，為Cs提供充電回路；圖9、 10、 11、 12、 13所示高頻逆變電路中的功率開關(guān)S3、 S4、 S3與So S3、 &與S4采用了能承受單向電壓應(yīng)力、雙向電流應(yīng)力的兩象限高頻功率開關(guān)，目的是為了省去阻斷二極管；圖12 所示半橋電路中，功率開關(guān)S"、 Sm、、 S^采用了雙向電壓應(yīng)力、雙向電流應(yīng)力的四 象限卨頻功率開關(guān)，目的是為電容C,增添放電回路。從高頻逆變器側(cè)看，單管正激式、 并聯(lián)交錯單管正激式、推挽式、推挽正激式電路高頻功率開關(guān)的電壓應(yīng)力為輸入電壓值的 兩倍(2Uu、 2Ui2、…、2UJ，雙管正激式、并聯(lián)交錯雙管正激式、半橋式、全橋式電路高 頻功率開關(guān)的電壓應(yīng)力為輸入電壓值(U 、 Ui2、…、Uu):從輸出高頻整流器看，高頻整流二 極管和續(xù)流二極管的電壓應(yīng)力為折算到副邊的輸入電壓值(Ui美M、 UuNs/N)…、UJVU)。 單管正激式、并聯(lián)交錯單管正激式、推挽式、推挽正激式電路適用于低壓輸入變換場合， 雙管正激式、并聯(lián)交錯雙管正激式、半橋式、全橋式電路適用于高壓輸入變換場合。單管 正激式、雙管正激式適用于小功率變換場合，半橋式電路適用于中功率變換場合，并聯(lián)交 錯單管正激式、推挽式、推挽正激式、并聯(lián)交錯雙管正激式、全橋式電路適用于大功率 變換場合。該電路拓撲族適用于將多個共地、不穩(wěn)定的輸入直流電壓變換成一個所需電壓大 小、穩(wěn)定的、高質(zhì)量的輸出直流電壓，可用來實現(xiàn)具有優(yōu)良性能和廣泛應(yīng)用前景的新型可再 生能源分布式供電系統(tǒng)中的多輸入直流變換器，如光伏電池40-60VDC/360VDC、 10kw質(zhì)子交 換膜燃料電池85-120V/360VDC、中小型戶用風(fēng)力發(fā)電24-36-48VDC/360VDC、大型風(fēng)力發(fā)電 1000VDC/360VDC等多輸入源對直流負載供電。
單隔離降壓型多輸入直流變換器可用來實現(xiàn)多種能源分時供電，可采用第l、 2、…、 n-l路輸出功率固定和第n路補充負載所需的不足功率的主從式電壓、電流瞬時值反 饋控制策略，其控制框圖和控制原理波形分別如圖14、 15所示。將變換器l、 2、、 n-l 的輸入電流反饋信號Iuf、 Im、、 Ii(H"分別與基準(zhǔn)電流Im、 I&、、 Iu^,r進4亍 比較，其誤差信號經(jīng)比例積分調(diào)節(jié)器后得到了誤差電流放大信號1"、 1"、、 I(n-l)e， 將變換器的輸出電壓反饋信號U。f與基準(zhǔn)電壓Ur進行比較，其誤差信號經(jīng)比例積分調(diào) 節(jié)器后得到了誤差電壓放大信號Ue, Ile、 I2e、…、U-us、 Ue分別與鋸齒形載波u。進行 交截，得至U了 PWM信號Uh"、 uhf2、…、Uhfn及其反向信號uhfl2、 uhf22、…、uhf 2。 Uh"分 別與下降沿二分頻信號Us,及其反向信號、相與，經(jīng)驅(qū)動電路后得到功率開關(guān)S12、 Su (S14)的驅(qū)動信號；Uhf2、…、U^分別與Uh 、 Uhf2、…、UhfH的反向信號相與后、再 分別與iW、 Ay相與，經(jīng)驅(qū)動電路后得到功率開關(guān)Sm和S21 (S24)、 S32fQS31 (S34)、
S^和Sni (S 4)的驅(qū)動信號；將Uhfn分別與Us,、 i^相與經(jīng)驅(qū)動電路后得到功率開關(guān)S3、 S4的驅(qū)動信號；Uhfn經(jīng)反相、驅(qū)動電路后得到功率開關(guān)Ss的驅(qū)動信號。
因此，當(dāng)輸入電壓或負載變化時，通過調(diào)節(jié)基準(zhǔn)電壓Ur和基準(zhǔn)電流Im、 Ii2r、、 Ii( -I)r，即調(diào)節(jié)了誤差電壓信號U。和誤差電流信號Ila、 I26、 ，、 I(Hu來改變占空比Dt、D2、…、D ，便可實現(xiàn)單隔離降壓型多輸入直流變換器輸出電壓、輸入電流(輸出功率) 的穩(wěn)定與調(diào)節(jié)。
對于圖6、 IO所示單管正激式、雙管正激式電路而言，占空比(D,、 D2、、 Dn) 就是相應(yīng)功率開關(guān)的占空比，即Dp T隨/Ts、 D2= T。N2/TS、、 D = T,/Ts (Ts為高頻開關(guān)周 期)圖7、 8、 9、 11、 12、 13所示推挽式、推挽正激式、并聯(lián)交錯單管正激式、并聯(lián) 交錯雙管正激式、半橋式、全橋式電路而言，占空比(Dl、 D2、、 Dn)是相應(yīng)功率開 關(guān)占空比的兩倍，即D,= T0N1/ (Ts/2)、 D2= T0N2/ (Ts/2)、、 D = T0N / (Ts/2),但在圖12 所示半橋式電路中，應(yīng)將半個輸入直流電壓值(Uit/2、 Ui2/2、、 Uin/2)代入到電壓 傳輸比式子中進行計算。
權(quán)利要求
1. 一種單隔離降壓型多輸入直流變換器，其特征在于這種變換器由一個多輸入單輸出高頻逆變電路將多個共地的輸入LC濾波器和一個共用的輸出高頻隔離變壓整流濾波電路聯(lián)接構(gòu)成，多輸入單輸出高頻逆變電路的每個輸入端與每個輸入LC濾波器的輸出端一一對應(yīng)聯(lián)接，多輸入單輸出高頻逆變電路的輸出端與高頻變壓器的輸入端相聯(lián)接，所述的多輸入單輸出高頻逆變電路由多個帶有選擇功率開關(guān)的單輸入單輸出高頻逆變電路構(gòu)成，在任意時刻相當(dāng)于一個單輸入單輸出高頻逆變電路，所述的輸出高頻隔離變壓整流濾波電路由高頻變壓器、高頻整流器、輸出LC濾波器依序級聯(lián)構(gòu)成。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的單隔離降壓型多輸入直流變換器，其特征在于所述單隔離降壓型多輸入直流變換器的電路拓撲為單管正激式、并聯(lián)交錯單管正激式、推挽式、推挽正 激式、雙管正激式、并聯(lián)交錯雙管正激式、半橋式、全橋式電路。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種單隔離降壓型多輸入直流變換器，其電路結(jié)構(gòu)是由一個多輸入單輸出高頻逆變電路將多個共地的輸入LC濾波器和一個共用的輸出高頻隔離變壓整流濾波電路聯(lián)接構(gòu)成，多輸入單輸出高頻逆變電路的每個輸入端與每個輸入LC濾波器的輸出端一一對應(yīng)聯(lián)接，多輸入單輸出高頻逆變電路的輸出端與高頻變壓器的輸入端相聯(lián)接。這種變換器具有輸入直流電源共地、高頻逆變電路之間未隔離、輸出與輸入隔離、電壓匹配能力強、多輸入電源分時供電、電路拓撲簡潔、共用輸出高頻變壓器和整流濾波電路、功率密度高、變換效率高、輸出電壓紋波小、成本低、應(yīng)用前景廣泛等特點，為多種可再生能源聯(lián)合供電的分布式供電系統(tǒng)奠定了關(guān)鍵技術(shù)。
文檔編號H02M3/28GK101534059SQ20091011146
公開日2009年9月16日 申請日期2009年4月14日 優(yōu)先權(quán)日2009年4月14日
發(fā)明者陳艷慧, 陳道煉 申請人:福州大學(xué)