基于sdc網(wǎng)絡(luò)的三電平直流變換器簡易構(gòu)造方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于變換器技術(shù)領(lǐng)域，具體設(shè)及一種基于SDC網(wǎng)絡(luò)的Ξ電平直流變換器簡 易構(gòu)造方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 將可再生能源與高效節(jié)能型負(fù)載相結(jié)合，可W有效緩解能源危機和減輕環(huán)境污 染。為此，近年來出現(xiàn)了電動汽車光伏充電粧、光伏儲能電站等多種新型光伏利用形式。在 運些光伏系統(tǒng)中，光伏陣列通過直流變換器與蓄電池組直接連接在一起，構(gòu)成高壓大容量 光伏儲能系統(tǒng)。其中，直流變換器既是光伏接口，同時又是蓄電池的充電器。
[0003] 為了提高光伏儲能系統(tǒng)的ΜΡΡΤ效率并延長蓄電池組的循環(huán)壽命，必須盡可能地減 小光伏電池和蓄電池的電流紋波。為此，接口變換器需要采用輸入、輸出電流均連續(xù)的四階 變換器(如化k、Superbuck等）。與只有一端電流連續(xù)的二階變換器(如Buck，Boost等)相比， 該類變換器只需要在輸入、輸出側(cè)并聯(lián)小容量的薄膜電容就能滿足光伏儲能系統(tǒng)的電流紋 波指標(biāo)要求，系統(tǒng)可靠性大為提高，因此是該應(yīng)用場合的最佳拓?fù)溥x擇。
[0004] 此外，為了滿足高壓大容量光伏儲能系統(tǒng)的電壓等級要求，接口變換器通常要采 用高耐壓的IGBT或者CoolMOS作為開關(guān)管。然而，IGBT的開關(guān)速度較低，不利于系統(tǒng)的小型 化和輕量化;而CoolMOS的價格高昂，導(dǎo)致成本攀升。采用Ξ電平(Three-Level，TL)技術(shù)可 W使開關(guān)器件的電壓應(yīng)力降低一半，并且能有效減小濾波器的體積和重量，從而很好的解 決了上述問題。然而，輸入、輸出電流均連續(xù)的四階變換器的化拓?fù)渖形匆妶蟮?。為此，有?要深入研究化變換器的構(gòu)造方法，W得出上述四階變換器的化拓?fù)洹?br>[0005] 遺憾的是，盡管有許多文獻對于化變換器的軟開關(guān)技術(shù)、中點電位平衡控制策略 進行了大量研究，但是鮮有文獻對化變換器的構(gòu)造方法進行討論。文獻Pinheiro J R， Barbi I. The three-level ZVS-PWM DC-to-DC converter[J]. IEEE Transactions on Power Electronics，1993,8(4) :486-492最早提出了TL變換器的概念，并WZVS半橋TL變換 器為例，分析了化變換器的基本特點。但是，該文獻未能給出化變換器的構(gòu)造方法。文獻阮 新波，李斌，陳乾宏.一種適用于高壓大功率變換器的Ξ電平直流變換器[J].中國電機工程 學(xué)報，2003，23巧）：19-23，指出了半橋化變換器與Ξ相全橋化逆變器的內(nèi)在聯(lián)系，并在此基 礎(chǔ)上得出了化變換器的構(gòu)造方法。盡管基于該構(gòu)造法可演變出所有單管非隔離變換器的化 拓?fù)洌峭茖?dǎo)步驟極為繁雜。文獻馬運東，薛雅麗，阮新波，嚴(yán)仰光.單管直流變換器Ξ電 平拓?fù)涞慕诲e開關(guān)方式[J].電力電子技術(shù)，2003,37(4) :88-91,提出了化變換器的另一種 推導(dǎo)思路:首先尋找巧位電壓源并將其分為兩等份，其次將開關(guān)管用兩只串聯(lián)替代，然后將 不對稱元件進行對稱變換，再加入巧位二極管，最后去掉冗余器件。與文獻《一種適用于高 壓大功率變換器的Ξ電平直流變換器》相比，該構(gòu)造法相對簡單，但是僅適用于6種基本的 單管非隔離直流變換器。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006] 發(fā)明目的:本發(fā)明的目的是為了解決現(xiàn)有技術(shù)中的不足，提供一種基于SDC網(wǎng)絡(luò)的 Ξ電平直流變換器簡易構(gòu)造方法，該構(gòu)造方法更為簡單，且適用于所有的單管非隔離直流 變換器。
[0007] 技術(shù)方案:本發(fā)明所述的一種基于SDC網(wǎng)絡(luò)的Ξ電平直流變換器簡易構(gòu)造方法，包 括如下步驟：
[0008] (1)在原變換器中直接提取或構(gòu)造出SDC網(wǎng)絡(luò)；
[0009] (2)將原變換器中的SDC網(wǎng)絡(luò)進行對稱變換；
[0010] (3)將對稱變換后的變換器與原變換器進行加合，可得到Ξ電平直流變換器。
[0011] 進一步的，所述SDC網(wǎng)絡(luò)包括開關(guān)管S、巧位二極管D和電容C。
[0012] 進一步的，所述SDC網(wǎng)絡(luò)包括陽極SDC網(wǎng)絡(luò)和陰極SDC網(wǎng)絡(luò)。
[0013] 進一步的，所述陰極SDC網(wǎng)絡(luò)中巧位二極管D的陰極與電容C連接，巧位二極管D的 陽極與開關(guān)管S連接。
[0014] 進一步的，所述陽極SDC網(wǎng)絡(luò)中開關(guān)管S關(guān)斷時，巧位二極管D導(dǎo)通，開關(guān)管S的電壓 應(yīng)力為電容C的端電壓
[0015] 進一步的，步驟(2)所述對稱變換是指將陽極SDC網(wǎng)絡(luò)與陰極SDC網(wǎng)絡(luò)進行對稱變 換。
[0016] 進一步的，步驟(3)所述加合時，變換器加合只針對SDC網(wǎng)絡(luò)，在加合后的電路中將 其他部分補齊，輸入端接電壓源，輸出端接負(fù)載;而電感的放置需要遵循W下原則:如果原 變換器中的電感為輸入或輸出濾波電感，則電感仍放置在原來位置;如果原變換器中的電 感不是輸入或輸出濾波電感，則需要首先標(biāo)注電感L的端點：原變換器中電感的兩個端點， 一個為A點，另一個為電源負(fù)極性端;對稱變換后的變換器中電感的兩個端點，一個為B點， 另一個為電源正極性端，然后將電感接在加合后變換器的A、B兩點之間。
[0017] 進一步的，與對應(yīng)的原變換器相比，變換后的變換器電壓增益相同；在相同條件 下，功率管電壓應(yīng)力變?yōu)橐话?濾波電容電壓和濾波電感電流的脈動頻率均為開關(guān)頻率的2 倍。
[0018] 所述的一種基于SDC網(wǎng)絡(luò)的Ξ電平直流變換器簡易構(gòu)造方法，該構(gòu)造方法在所有 單管非隔離直流變換器中均可W得到應(yīng)用。
[0019] 有益效果:本發(fā)明的構(gòu)造方法更加簡單，且與對應(yīng)的原變換器相比，輸入、輸出電 流仍能保持連續(xù)，且電壓增益相同；在相同條件下，功率管電壓應(yīng)力變?yōu)橐话?濾波電容電 壓和濾波電感電流的脈動頻率均為開關(guān)頻率的2倍，可適用于所有單管非隔離直流變換器。
【附圖說明】
[0020] 圖1為本發(fā)明陽極SDC網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)示意圖；
[0021 ]圖2為本發(fā)明陰極SDC網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)示意圖；
[0022] 圖3為Boost變換器結(jié)構(gòu)示意圖；
[0023] 圖4為S邱ic變換器結(jié)構(gòu)示意圖；
[0024] 圖5為Buck變換器結(jié)構(gòu)示意圖；
[00巧]圖6為Buck-Boost變換器結(jié)構(gòu)示意圖；
[00%]圖7為圖6對稱變換后的Buck-Boost變換器結(jié)構(gòu)示意圖；
[0027] 圖8為圖6與圖7相互加合的過程示意圖；
[0028] 圖9為Buck-Boosts電平變換器結(jié)構(gòu)示意圖；
[0029] 圖10本發(fā)明的構(gòu)造步驟流程圖；
[0030] 圖11為本發(fā)明一個實施例的Buck-Boost變換器結(jié)構(gòu)示意圖；
[0031] 圖12為圖10的對稱變換后的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0032] 圖13為圖10與圖11加合后的Ξ電平直流變換器結(jié)構(gòu)示意圖；
[0033] 圖14為圖12不同開關(guān)模態(tài)的等效電路示意圖；
[0034] 圖15為D> 0.5時的波形圖；
[0035] 圖16為D<0.5時的波形圖；
[0036] 圖17為電感電流脈動只示意圖；
[0037] 圖18為Buck-Boost TL變換器在0 = 0.25時的實驗波形圖；
[003引圖19為Buck-Boost化變換器在0 = 0.75時的實驗波形圖。
【具體實施方式】
[0039] 本實施例提出了一種基于SDC網(wǎng)絡(luò)的Ξ電平直流變換器簡易構(gòu)造法。與上述文獻 相比，該方法更為簡單，且適用于所有的單管非隔離直流變換器。首先，給出了SDC網(wǎng)絡(luò)的定 義，并介紹了提取或構(gòu)造 SDC網(wǎng)絡(luò)的基本方法;其次，WBuck-Boost變換器為例，闡述了基于 SDC網(wǎng)絡(luò)構(gòu)造化(Ξ電平)直流變換器的基本步驟;然后，基于該構(gòu)造法推導(dǎo)出輸入、輸出電 流均連續(xù)的四階化變換器族，并對其中的Superbuck化變換器的工作原理和特性進行了分 析;最后，通過100W/100曲Z的原理樣機，對理論分析的正確性進行了實驗驗證。
[0040] 本發(fā)明提出了一種基于SDC網(wǎng)絡(luò)的單管非隔離直流變換器簡易構(gòu)造法。該方法的 關(guān)鍵在于提取或構(gòu)造出如圖1和圖2所示的SDC網(wǎng)絡(luò)。在圖1中，巧位二極管D的陽極與電容C 相連，稱該網(wǎng)絡(luò)為陽極SDC網(wǎng)絡(luò);在圖2中，巧位二極管D的陰極與電容C相連，稱該網(wǎng)絡(luò)為陰 極SDC網(wǎng)絡(luò)。SDC網(wǎng)絡(luò)的關(guān)鍵特征在于:開關(guān)管S關(guān)斷時，巧位二極管D導(dǎo)通，開關(guān)管S的電壓應(yīng) 力為電容C的端電壓，即C為巧位電壓源。
[0041] 在所有的單管非隔離直流變換器中，均可提取或構(gòu)造出SDC網(wǎng)絡(luò)。由此，可將單管 非隔離直流變換器分為兩類:第一類為可W直接提取出SDC網(wǎng)絡(luò)的變換器，第二類為不包含 SDC網(wǎng)絡(luò)，需要構(gòu)造出SDC網(wǎng)絡(luò)的變換器。
[0042] 第一類變換器，如Boost變換器，可W直接提取出如圖3所示虛線框中陰極SDC網(wǎng) 絡(luò);而圖4所示的S邱ic變換器，其開關(guān)管S的電壓應(yīng)力為電容Cl和C。的端電壓之和，因此Cl和 C。為巧位電壓源，此時S、D、Ci和C。構(gòu)成陽極SDC網(wǎng)絡(luò)。
[0043] 第二類變換器，如Buck變換器，其開關(guān)管S的電壓應(yīng)力為輸入電壓化η，故可在輸入 側(cè)并聯(lián)電容Cin，使其端電壓為巧位電壓，從而得到陽極SDC網(wǎng)絡(luò)，如圖5所示；或者如Buck- Boost 變換器 ，其開關(guān)管 S 的電壓應(yīng)力為輸入電壓化η與電容 C。的端電壓之和 ，故在輸入側(cè)并 聯(lián)電容Cin，將Cin和C。視為巧位電壓源，從而S、D、Cin和C。構(gòu)成陽極SDC網(wǎng)絡(luò)，如圖6所示。
[0044] 下面WBuck-Boost變換器為例，闡述基于SDC網(wǎng)絡(luò)構(gòu)造 Ξ電平直流變換器的基本 步驟：
[0045] 第一步:在原變換器中提取或構(gòu)造出SDC網(wǎng)絡(luò)，在Buck-Boost變換器中可構(gòu)造出陽 極SDC網(wǎng)絡(luò)，如圖6所示，圖中，電感L的兩個端點分別為a和〇1(電源負(fù)極性端）。
[0046] 第二步:將原變換器中的SDC網(wǎng)絡(luò)進行對稱變換，對原Buck-Boost變換器進行對稱 變換，可得到由陰極SDC網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成的Buck-Boo St變換器，如圖7所示，圖中，電感L的兩個端點 分別為b(即a的對稱點)和〇2(即01的對稱點）。
[0047] 第Ξ步:將對稱變換后的變換器與原變換器進行加合，可得到化直流變換器。需要 注意的是，變換器加合只針對SDC網(wǎng)絡(luò)。
[0048] 將圖6與圖7中的SDC網(wǎng)絡(luò)進行加合，如圖8所示。然后，在加合后的電路中將其他部 分補齊，即輸入端接電壓源，輸出端接負(fù)載，而電感的放置需要遵循W下原則:如果原變換 器中的電感為輸入或輸出濾波電感，則電感仍放置在原來位置;否則，電感L接在a、b兩點之 間，如圖9所示。
[0049] 圖10為本發(fā)明提出的化變換器的構(gòu)造步驟?？蒞看出，相比現(xiàn)有文獻提出的化變 換器構(gòu)造步驟繁多，且需要對加合電路進行模態(tài)分析，確定所有開關(guān)管的開關(guān)順序，從而對 加合電路進行化簡，其過程相當(dāng)復(fù)雜。與之相比，本發(fā)明提出的基于SDC網(wǎng)絡(luò)的化直流變換 器簡易構(gòu)造法步驟極少，不需要化簡，更為簡單直觀，易于掌握。
[0050] 采用本發(fā)明提出的基于SDC網(wǎng)絡(luò)的化直流變換