專利名稱：雙隔離升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)明所涉及的雙隔離升降壓型多輸入直流變換器，屬電力電子變換技術(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(fù)載使用。輸出直流負(fù)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(shí)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(yùn)行的安全可靠性和電磁兼容性；2)實(shí)現(xiàn)了變換器 輸出電壓與輸入電壓之間的匹配，即實(shí)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(shí)，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(jī)、 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(jià)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(jià)、可靠、豐富等優(yōu)點(diǎn)，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(gè)單輸入直流變 換器將太陽能電池、燃料電池、風(fēng)力發(fā)電機(jī)等可再生能源發(fā)電設(shè)備輸出的直流電變換成負(fù)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(fù)載變換器將IL變換成 負(fù)載所需要的直流或交流電壓，根據(jù)負(fù)載的性質(zhì)選擇負(fù)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(jìn)行電能變換后連接到公共的直流母線上，因此 需要多個(gè)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(gè)多輸入直流變換器取代多個(gè)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(gè)高頻開關(guān)周期內(nèi)多個(gè)輸入源可同時(shí)或分時(shí)向負(fù)載供電、可提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性和靈活性、 可實(shí)現(xiàn)能源的優(yōu)先利用等優(yōu)點(diǎn)。
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(gè)高頻開關(guān)周期內(nèi)多個(gè)輸入源同時(shí)或分時(shí)向負(fù)載供電、 提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性和靈活性、實(shí)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或不共地、高頻逆變電路之間以及輸 出與輸入之間雙隔離、電壓匹配能力強(qiáng)、多個(gè)輸入電源分時(shí)供電、電路拓?fù)渥詈啙?、共?高頻儲能式變壓器和輸出回路、功率密度高、變換效率高、負(fù)載短路時(shí)可靠性高、適 合于中小功率輸出、成本低、應(yīng)用前景廣泛等優(yōu)點(diǎn)的雙隔離升降壓型多輸入直流變換器。
本發(fā)明的雙隔離升降壓型多輸入直流變換器，是由一個(gè)多輸入單輸出的高頻儲能式變 壓器將多個(gè)相互隔離的、帶有輸入LC濾波器的高頻逆變電路和一個(gè)共用的輸出整流濾 波電路聯(lián)接構(gòu)成，高頻儲能式變壓器的每個(gè)輸入端與每個(gè)高頻逆變電路的輸出端一一 對應(yīng)聯(lián)接，高頻儲能式變壓器的輸出端與輸出整流濾波電路的輸入端相聯(lián)接，所述每 個(gè)帶有輸入LC濾波器的高頻逆變電路均由輸入LC濾波器、高頻逆變器依序級聯(lián)構(gòu)成， 所述輸出整流濾波電路由高頻整流器、輸出電容濾波器依序級聯(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(gè)單輸入直流變換器電路 結(jié)構(gòu)，構(gòu)建為雙隔離升降壓型多輸入直流變換器電路結(jié)構(gòu)，提出了雙隔離升降壓型多輸入直 流變換器新概念、電路結(jié)構(gòu)和拓?fù)渥濉?br> 本發(fā)明的雙隔離升降壓型多輸入直流變換器，能夠?qū)⒍鄠€(gè)共地或不共地、不穩(wěn)定的輸入 直流電壓變換成一個(gè)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 地或不共地、高頻逆變電路之間以及輸出與輸入之間雙隔離、電壓匹配能力強(qiáng)、多輸入電 源分時(shí)供電、電路拓?fù)渥詈啙崱⒐灿酶哳l儲能式變壓器和輸出回路、功率密度高、變換 效率高、負(fù)載短路時(shí)可靠性高、成本低、應(yīng)用前景廣泛等優(yōu)點(diǎn)。雙隔離升降壓型多輸入 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(gè)單輸入直流變換器優(yōu)越。


圖1，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，雙隔離升降壓型多輸入直流變換器原理框圖。
圖4，雙隔離升降壓型多輸入直流變換器電路結(jié)構(gòu)圖。
圖5，雙隔離升降壓型多輸入直流變換器分時(shí)供電時(shí)原理波形圖。
圖6，雙隔離升降壓型多輸入直流變換器電路拓?fù)鋵?shí)例---雙管反激式電路原理圖。
圖7，雙隔離升降壓型多輸入直流變換器電路拓?fù)鋵?shí)例二 _一并聯(lián)交錯(cuò)雙管反激式電路 原理圖。
圖8，雙隔離升降壓型多輸入直流變換器電路拓?fù)鋵?shí)例三一一并聯(lián)交錯(cuò)單管反激式電路 原理圖。
圖9，雙隔離升降壓型多輸入直流變換器分時(shí)供電時(shí)主從式電壓、電流瞬時(shí)值反饋控制框 圖。
圖10，雙隔離升降壓型多輸入直流變換器分時(shí)供電時(shí)主從式電壓、電流瞬時(shí)值反饋控制原 理波形圖。
具體實(shí)施例方式
下面結(jié)合附圖及實(shí)施例對本發(fā)明做進(jìn)一步說明。
雙隔離升降壓型多輸入直流變換器電路結(jié)構(gòu)，是由一個(gè)多輸入單輸出的高頻儲能式 變壓器將多個(gè)相互隔離的、帶有輸入LC濾波器的高頻逆變電路和一個(gè)共用的輸出整流 濾波電路聯(lián)接構(gòu)成，高頻儲能式變壓器的每個(gè)輸入端與每個(gè)高頻逆變電路的輸出端一 一對應(yīng)聯(lián)接，高頻儲能式變壓器的輸出端與輸出整流濾波電路的輸入端相聯(lián)接，所述 每個(gè)帶有輸入LC濾波器的高頻逆變電路均由輸入LC濾波器、高頻逆變器依序級聯(lián)構(gòu)成， 所述輸出整流濾波電路由高頻整流器、輸出電容濾波器依序級聯(lián)構(gòu)成。
雙隔離升降壓型多輸入直流變換器原理框圖、電路結(jié)構(gòu)、分時(shí)供電時(shí)原理波形，分別如 圖3、 4、 5所示。由于雙隔離升降壓型多輸入直流變換器是電流型變換器，其原理相當(dāng)于多 個(gè)升降壓型單輸入直流變換器在輸入端電流的疊加，即輸出電壓U。與輸入直流電壓(Uu、 Ui2、…、Uin)、高頻變壓器匝比(N2/N 、 N2/N12、…、N2/Nln)、占空比(D^ D2、…、D ) 之間的關(guān)系為U, D2Ui2N2/N12+ +Dn UinN2/Nln) / (l- D,_D2——D )。 U。在適
當(dāng)?shù)恼伎毡?D。 D2、、 D )和高頻儲能式變壓器匝比(N2/Nu、 N2/N12、、 N2/Nln) 時(shí)可以大于、等于或小于Uu+Ui2+…+Uin，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(yùn)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(shí)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。當(dāng)0. 5〈D,+D2+…+D^1或0<D,+D2+ +Dn<0. 5時(shí)，分別存在U?！礥i凡/Nu + Ui2N2/N2+…+lLN2/N,n或U?！碪uN2/N" + Ui美/N^+…+lLN2/Nin，即輸出
直流電壓U。高于或低于輸入直流電壓(Uu、 U,2、…、Uin)與高頻變壓器匝比(N2/Nn、 N2/Nl2、…、N復(fù))的乘積之和(U(,N2/N,,+Ui2N2/N2+ +UinN2/Nln);又由于變換器的n 個(gè)帶有輸入LC濾波器的高頻逆變電路之間相互隔離，變換器輸出直流負(fù)載與輸入電源 之間相互隔離，故將這類變換器稱為雙隔離升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(gè)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(gè)或多個(gè)高頻整流二極管構(gòu)成。該電路結(jié)構(gòu)n個(gè)輸入源在一個(gè)高 頻開關(guān)周期內(nèi)只能分時(shí)對直流負(fù)載供電，占空比可以相同(D^D^…二Dn)，也可以不同
當(dāng)電源向負(fù)載傳遞功率時(shí)，高頻逆變器將輸入直流電壓調(diào)制成高頻脈沖直流電流iN11、 i,、…、i,，經(jīng)高頻儲能式變壓器T電氣隔離、傳輸和電流匹配后，經(jīng)高頻整流、電容濾 波器后得到高質(zhì)量的直流電壓U。，高頻脈沖直流電流i,、i,、…、;U經(jīng)輸入LC濾波器U-Cu、 U-Ci2、…、Li「"后在輸入直流電源Uu、 Ui2、…、Ik中可獲得平滑的輸入直流電流Iu、 Ii2、、 Ii 。在一個(gè)高頻開關(guān)周期內(nèi)，每個(gè)高頻脈沖直流電流i,、 i,、…、i,的初始值與iN11、 iN12、、 iN1 的峰值滿足磁勢平衡方程。
本發(fā)明的雙隔離升降壓型多輸入直流變換器，由于共用一個(gè)高頻儲能式變壓器和一個(gè)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(gè)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 間以及輸出與輸入之間雙隔離、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)、負(fù)載短路時(shí)可靠性高、成本低、應(yīng)用前景廣泛等優(yōu)點(diǎn)，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(jià)值。
雙隔離升降壓型多輸入直流變換器電路拓?fù)渥鍖?shí)施例，如圖6、 7、 8所示。圖6為 雙管反激式電路，圖7為并聯(lián)交錯(cuò)雙管反激式電路，圖8為并聯(lián)交錯(cuò)單管反激式電路。 圖6、 7中的二極管箝位電路是用來抑制高頻儲能式變壓器原邊漏感引起的關(guān)斷電壓尖 峰。從高頻逆變器側(cè)看，雙管反激式、并聯(lián)交錯(cuò)雙管反激式電路高頻功率開關(guān)的電壓應(yīng)力 為輸入電壓值(Uu、 Ui2、、 Uin)，并聯(lián)交錯(cuò)單管反激式電路高頻功率開關(guān)的電壓應(yīng)力為輸 入電壓值與折算到原邊的輸出電壓值(Uu+UoNu/N2、 Ui2+UoN12/N2、、 Uin+UoNln/N2)。從輸出 高頻整流器看，高頻整流二極管的電壓應(yīng)力為最大的折算到副邊的輸入電壓值與輸出電壓值 之和[max (Ui美/N"、 Ui2N2/N12、、 UinNn/Nln) +U。]。雙管反激式、并聯(lián)交錯(cuò)雙管反激式電 路適用于高壓輸入變換場合，并聯(lián)交錯(cuò)單管反激式電路適用于低壓輸入變換場合。并聯(lián)交 錯(cuò)雙管反激式、并聯(lián)交錯(cuò)單管反激式電路適用于中功率變換場合，雙管反激式電路適用于小功率變換場合。該電路拓?fù)渥暹m用于將多個(gè)共地或不共地、不穩(wěn)定的輸入直流電壓變換 成一個(gè)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(shí)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中小功率分布式供電系統(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(fù)載供電。
雙隔離升降壓型多輸入直流變換器可用來實(shí)現(xiàn)多種能源分時(shí)供電，可采用第1、 2、、 n-l路輸出功率固定和第n路補(bǔ)充負(fù)載所需的不足功率的主從式電壓、電流瞬時(shí)值反 饋控制策略，其控制框圖和控制原理波形分別如圖9、 IO所示。將變換器l、 2、…、n-1 的輸入電流反饋信號工m、 Ii2f、、 Iiu-m分別與基準(zhǔn)電流Iilr、 I&、…、Iu"&進(jìn)行 比較，其誤差信號經(jīng)比例積分調(diào)節(jié)器后得到了誤差電流放大信號1"、 12。、 I( M"， 將變換器的輸出電壓反饋信號U。f與基準(zhǔn)電壓Ur進(jìn)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U。， L。、 I2。、…、u-ue、 U。分別與鋸齒形載波u。進(jìn)行
交截，.得到了 PWM信號 UhflUhf2、 …、Uhfn 及其反向信號 UhfL2、 Uhf22、 …、Uhfn2o Uhfl 分
別與下降沿二分頻信號Usy及其反向信號i^相與，綠驅(qū)動電路后得到功率開關(guān)S12(S13)、
Sn (S14)的驅(qū)動信號；Uhf2、…、11 分別與Uhfl、 Uhf2、…、Uhfw的反向信號相與后、
再分別與usy、、相與，經(jīng)驅(qū)動電路后得到功率開關(guān)s22 (s23)和s21 (s24)、 s32 (s33) 和Sw (s34)、 s 2 (s 3)禾n snl (s 4)的驅(qū)動信號。
因此，當(dāng)輸入電壓或負(fù)載變化時(shí)，通過調(diào)節(jié)基準(zhǔn)電壓l^和基準(zhǔn)電流Iw、 I&、…、
Inn-1)r，即調(diào)節(jié)了誤差電壓信號Ue和誤差電流信號Ile、 I2s、、 I(H)e來改變占空比 D2、、 D ，便可實(shí)現(xiàn)雙隔離升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所示雙管反激式電路而言，占空比(D,、 D2、、 D )就是相應(yīng)功率開關(guān) 的占空比，即D產(chǎn)WTS、 D2= T。N2/TS、、 D = T。Nn/Ts (Ts為高頻開關(guān)周期)，對于圖7、 8 所示并聯(lián)交錯(cuò)雙管反激式、并聯(lián)交錯(cuò)單管反激式電路而言，占空比(Dn D2、、 D ) 就是相應(yīng)功率開關(guān)占空比的兩倍，即D產(chǎn)TV/(Ts/2)、 D2=T。N2/(Ts/2)、 '、 D = W(Ts/2)。
權(quán)利要求
1. 一種雙隔離升降壓型多輸入直流變換器，其特征在于這種變換器由一個(gè)多輸入單輸出的高頻儲能式變壓器將多個(gè)相互隔離的、帶有輸入LC濾波器的高頻逆變電路和一個(gè)共用的輸出整流濾波電路聯(lián)接構(gòu)成，高頻儲能式變壓器的每個(gè)輸入端與每個(gè)高頻逆變電路的輸出端一一對應(yīng)聯(lián)接，高頻儲能式變壓器的輸出端與輸出整流濾波電路的輸入端相聯(lián)接，所述每個(gè)帶有輸入LC濾波器的高頻逆變電路均由輸入LC濾波器、高頻逆變器依序級聯(lián)構(gòu)成，所述輸出整流濾波電路由高頻整流器、輸出電容濾波器依序級聯(lián)構(gòu)成。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的雙隔離升降壓型多輸入直流變換器，其特征在于所述雙隔離 升降壓型多輸入直流變換器的電路拓?fù)錇殡p管反激式、并聯(lián)交錯(cuò)雙管反激式、并聯(lián)交錯(cuò) 單管反激式電路。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種雙隔離升降壓型多輸入直流變換器，其電路結(jié)構(gòu)是由一個(gè)多輸入單輸出的高頻儲能式變壓器將多個(gè)相互隔離的、帶有輸入LC濾波器的高頻逆變電路和一個(gè)共用的輸出整流濾波電路聯(lián)接構(gòu)成，高頻儲能式變壓器的每個(gè)輸入端與每個(gè)高頻逆變電路的輸出端一一對應(yīng)聯(lián)接，高頻儲能式變壓器的輸出端與輸出整流濾波電路的輸入端相聯(lián)接。本發(fā)明具有輸入直流電源共地或不共地、高頻逆變電路之間以及輸出與輸入之間雙隔離、電壓匹配能力強(qiáng)、多輸入電源分時(shí)供電、電路拓?fù)渥詈啙崱⒐灿酶哳l儲能式變壓器和輸出回路、功率密度高、變換效率高、負(fù)載短路時(shí)可靠性高、成本低等優(yōu)點(diǎn)，為多種可再生能源聯(lián)合供電的中小功率分布式供電系統(tǒng)奠定了關(guān)鍵技術(shù)。
文檔編號H02M3/28GK101534057SQ20091011144
公開日2009年9月16日 申請日期2009年4月9日 優(yōu)先權(quán)日2009年4月9日
發(fā)明者陳亦文, 陳道煉 申請人:福州大學(xué)