一种新型双输入升降压式dc-dc变换器的制造方法
【专利摘要】本实用新型提供了一种新型双输入升降压式DC-DC变换器电路拓扑，属于电力电子【技术领域】。该变换器的结构是由传统三电平Buck-BoostDC-DC变换器推导而来，其结构包括2个直流输入源Vin1和Vin2，2只开关管Q1和Q2，2个升压电感Lf1和Lf2，2个续流二极管VD1和VD2，2个输出分压电容Cf1和Cf2以及1个负载电阻RLd。其中，Q1和Q2可以同时驱动，也可以错开一定角度驱动；2个输出分压电容Cf1和Cf2容量很大且相等；两输入源Vin1和Vin2的幅值和特性可以相同，也可以不同。本实用新型提出的双输入升降压式DC-DC变换器可以工作在单输入状态，也可以工作在双输入状态，可提高分布式发电系统的稳定性和灵活性。另外，本实用新型具有电路结构简单、系统体积小、成本低的优点。
【专利说明】—种新型双输入升降压式DC-DC变换器
【技术领域】
[0001]本实用新型涉及一种新型双输入升降压式DC-DC变换器电路拓扑，属于电力电子功率变换器【技术领域】。
【背景技术】
[0002]随着世界能源危机和环境污染的日益严重，太阳能供电系统在我国应用越来越广泛。然而作为独立的供电系统，太阳能因容易受环境的影响，存在电力供应不稳定、不连续的缺点。将风能与太阳能组成联合供电系统，可大大减小电力供应不稳定的缺点，提高系统稳定性。
[0003]传统的风光联合供电系统中两种能源形式各需要一个直流变换器，将风能和太阳能变成直流输出后并联在公共的直流母线上，结构复杂、成本高、系统效率低。为简化系统结构、降低成本，可以用一个双输入直流变换器代替两个单输入直流变换器。
[0004]目前，国内外对于双输入直流变换器的研究文献有很多。根据输入源的工作模态，双输入直流变换器主要分为两类。一类属于分时型供电结构，该结构电路结构简单，两输入源均属于并联结构，容易拓展成多个输入的情况，但在任一时刻只能有一种输入源单独给负载供电。另一类属于同时供电结构，在一个开关周期内两输入源可以同时给负载提供能量，也可以一个输入源单独给负载提供能量，实现了能源的综合利用，但目前研究较多的为双输入Buck变换器拓扑和双输入Boost变换器拓扑，该两种变换器只能够单独的实现降压和升压功能，电压增益较低，均不能很好地满足系统灵活性和稳定性的要求。
【发明内容】
[0005]针对上述问题，本实用新型提供了一种新的双输入升降压式DC-DC变换器电路拓扑结构，它是由传统的Buck-Boost三电平直流变换器推导而来的。
[0006]本实用新型采用的技术方案如下:
[0007]—种新型双输入升降压式DC-DC变换器，包括两个直流输入源、两只开关管、两个中间储能电感、两个续流二极管、两个输出分压电容以及一个负载电阻Rw，其中，两个直流输入源串联连接，直流输入源Vinl的正极接开关管％的漏极，开关管Q1的源极接续流二极管VD1的阴极，续流二极管VD1的阳极接负载电阻Ru的一端，负载电阻Ru的另一端与续流二极管VD2的阴极相连，续流二极管VD2的阳极接开关管Q2的漏极，开关管Q2的源极接直流输入源Vin2的负极；
[0008]两个输出分压电容串联连接后与负载电阻Ru并联，输出分压电容Cfl的负极接续流二极管VD1的阳极，输出分压电容Cf2的正极接续流二极管VD2的阴极；
[0009]两个中间储能电感串联连接，中间储能电感Lfl的正极连接续流二极管VD1的阴极，中间储能电感Lf2的负极连接续流二极管VD2的阳极；输出分压电容Cfl的正极与中间储能电感Lfl的负极相连，中间储能电感Lfl的负极与直流输入电源Vin2的正极相连。
[0010]两个直流输入源的幅值和特性可以相同，也可以差别很大；直流输入源Vinl和Vin2可以同时或分别向负载供电。开关管Q1和Q2可以同时驱动，也可以错开一定角度工作。
[0011]本实用新型允许两种能源输入，输入源的幅值和特性可以相同，也可以差别很大，两种输入源可以分别或同时向负载供电，输出电压范围宽、电压增益大，因此提高了系统的稳定性和灵活性，实现了能源的综合利用。另外，本实用新型相对于带有两个单输入直流变换器的分布式发电系统而言，具有电路结构简单、系统体积小、成本低的优点。
【专利附图】
【附图说明】
[0012]图1为本实用新型的双输入升降压式DC-DC变换器电路拓扑原理图。
[0013]图2为本实用新型的双输入升降压式DC-DC变换器不同开关模态的等效电路，其中:(a) Q1和Q2同时导通；(b) Q1导通，Q2关断；(c) Q1关断，Q2导通；(d) Q1和Q2同时关断；(e)电感电流等于零。
[0014]图3为本实用新型的双输入升降压式DC-DC变换器电路拓扑稳态工作波形，其中:(a) Q1和Q2同时驱动的稳态工作波形；(WQ1和Q2相差180°驱动的稳态工作波形。
[0015]图4为本实用新型两路输入源同时工作时的稳态仿真实验的波形图，其中=(B)Q1和Q2同时驱动的稳态仿真波形；(WQ1和Q2相差180°驱动的稳态仿真波形。
[0016]图5为本实用新型一路输入源单独工作时的稳态仿真实验的波形图，其中:(a)Vinl单独工作时稳态仿真波形；(b)Vin2单独工作时稳态仿真波形。
[0017]图6为本实用新型两路输入源同时工作时输入源变化的仿真实验的波形图，其中:(a)Vinl=60V, Vin2=140V ； (b)Vinl=80V, Vin2=140Vo
[0018]图7为本实用新型两路输入源同时工作时负载变化的仿真实验的波形图，其中:(a) RLd=50 Ω ； (b)RLd=100Q 0
[0019]图8为本实用新型两路输入源同时工作时占空比变化的仿真实验的波形图，其中:(a)D1=0.4, D2=0.3 ； (b)D1=0.6, D2=0.3。
【具体实施方式】
[0020]以下结合附图对本实用新型做出进一步说明。
[0021]附图1为本实用新型的双输入升降压式DC-DC变换器电路图。
[0022]双输入升降压式DC-DC变换器，包括2个直流输入源Vinl和Vin2，2只开关管Q1和Q2, 2个中间储能电感Lfl和Lf2, 2个续流二极管VD1和VD2, 2个输出分压电容Cfl和Cf2以及I个负载电阻Ru。其中，2个直流输入源Vinl和Vin2串联连接，Vinl的正极接开关管Q1的漏极，开关管Q1的源极接续流二极管VD1的阴极，续流二极管VD1的阳极接负载电阻Ru的一端，负载电阻Rw的另一端与续流二极管VD2的阴极相连，续流二极管VD2的阳极接开关管Q2的漏极，开关管Q2的源极接直流输入源Vin2的负极；2个输出分压电容Cfl和Cf2串联连接后与负载电阻Ru并联，输出分压电容Cfl的负极接续流二极管VD1的阳极，输出分压电容Cf2的阳极接续流二极管VD2的阴极；两中间储能电感Lfl和Lf2串联连接，中间储能电感Lfl的正极连接续流二极管VD1的阴极，中间储能电感Lf2的负极连接续流二极管VD2的阳极；输出分压电容Cfl的正极与中间储能电感Lfl的负极相连，中间储能电感Lfl的负极与直流输入电源Vin2的正极相连。
[0023]根据附图1具体分析电路的工作模态。其中Vinl、Vin2分别为两路直流输入电压，V0和I。分别为输出电压和输出电流，Qp Q2为两只开关管，VD1, VD2为续流二极管，Lfl和Lf2是中间储能电感，Cfl和Cf2是两个输出分压电容，其容量很大且相等，Ru是负载电阻。Q1^Q2可以同时开通，也可以错开一定角度工作。本实用新型以相同开关频率、两开关管同时驱动的情况为例，介绍其工作原理。根据两只开关管的开关状态，变换器存在以下5种开关模态。附图2给出了本实用新型的双输入升降压式DC-DC变换器不同开关模态的等效电路。
[0024](I)开关模态I。如图2(a)所示，开关管Q1和Q2同时导通，续流二极管VD1和VD2均关断，VD1和VD2所承受的电压应力分别为Vinl+VCfl和Vin2+VCf2。直流输入电源Vinl和Vin2分别对中间储能电感Lfl和Lf2充电，电感Lfl和Lf2的电流线性增大，输出分压电容Cfl和Cf2两者串联共同向负载Ru供电。此时，电感Lfl两端电HVm=Vinl,电感Lf2两端电压Vw2=Vin2。
[0025](2)开关模态II。如图2(b)所示，开关管Q1导通、Q2关断，续流二极管VD1关断、VD2导通，直流输入电源Vinl对中间储能电感Lfl充电，电感Lfl的电流线性增加，输出分压电容Cfl放电，中间储能电感Lf2通过续流二极管VD2向电容Cf2和负载电阻Rw供电，电感Lf2的电流线性减小。此时，电感Lfl两端电压Vm=Vinl,电感Lf2两端电压VW2=-VCf2。
[0026](3)开关I旲态III。如图2(c)所不，开关管Q1关断、Q2导通，续流二极管VD1导通、VD2关断，直流输入电源Vin2对电感Lf2充电，电感Lf2的电流线性增加，输出分压电容Cf2放电，电感Lfl通过续流二极管VD1向电容Cfl和负载电阻Rw供电，电感Lfl的电流线性减小。此时电感Lfl两端电压Vm=-Vm,电感Lf2两端电压Vw2=Vin2。
[0027](4)开关模态IV。如图2 (d)所示，开关管Q1和Q2同时关断，续流二极管VD1和VD2均导通，中间储能电感Lfl和Lf2通过续流二极管VD1和VD2向分压电容Cfl、Cf2和负载电阻RLd供电，电感Lfl和Lf2的 电流线性减小。此时电感Lfl两端电压Vm=-Vm,电感Lf2两端电压 VLf2__Vcf2。
[0028](5)开关模态V。如图2(e)所示，当中间储能电感Lfl和Lf2电感量较小或负载减轻时，电感电流将会为零，负载由输出滤波电容供电。
[0029]从上述各工作模态分析可知，Vinl单独向负载供电时，模态II和模态IV交替工作，续流二极管VD2始终导通，稳态时电感电流iW2始终等于输出电流，故Vu2==O,所以电容Cf2被二极管VD2始终箝位在-0.7V左右(理想状态下为0V)，该变换器相当于一个传统Buck-Boost DC-DC变换器。Vin2单独向负载供电时，原理类似。两路输入源同时工作时，该变换器相当于将两个传统Buck-Boost DC-DC变换器的输出端串联。开关管Q1和续流二极管VD1所承受的电压应力为Vinl+Vm,开关管Q2和续流二极管VD2所承受的电压应力为Vin2+Vra2，相对于传统的Buck-Boost DC-DC变换器，降低了开关器件的电压应力。因此实际应用时，该变换器拓扑更适宜工作在双输入状态，这样有利于降低开关器件的电压应力，减小续流二极管的导通时间。
[0030]附图3给出了 Vinl〈V。，Vin2〈V。的变换器稳态工作波形，其中Vesi和ves2分别为开关管QjPQ2驱动信号。假设占空比D1O2，其中图3(a)为两开关管同时驱动，在一个开关周期Ts内，电路工作时序分别为模态1、III和模态IV。图3(b)为两开关管相差180°驱动，在一个开关周期Ts内，电路工作时序分别为模态1、I1、IV和模态III。
[0031]根据附图3，对电感Lfl和Lf2分别应用电感的伏秒平衡原理，可得:
[0032]VinlD1Ts-Vcfl(1-D1)Ts=O(I)
[0033]Vin2D2Ts-Vcf2(1-D2)Ts=O(2)[0034]由式⑴和式⑵可得稳态输入/输出关系:
[0035]K = ^Cfl + Kn = ^nl(3)
[0036]对电容Cfl和Cf2分别应用电容安秒平衡原理，可得:
[0037]/Lfi =⑷
[0038]7LC ^⑶
[0039]所以两输入源输入电流的平均值分别为:
DI
[0040]Iinl = DlIui = -f-r-(b)
I 丨
r ^ r DJ
[0041 ] Zin2 = D21Ln =(7)
[0042]式中，Im、Iu2分别为电感Lfl、Lf2的稳态平均电流。
[0043]附图4-8为本实用新型进行仿真实验的波形图。
[0044]其中，附图4为两路输入源同时工作的稳态仿真波形，图4(a)为两开关管同时驱动的情况，图4(b)为两开关管交错180°驱动的情况。从图4中可以看出:无论两开关管是同时驱动还是交错180°驱动，开关管Q1导通时，电感Lfl的电流线性增大，电容Cfl放电；当开关管Q1关断时，电感Lfl的电流线性减小，电容Cfl充电。开关管Q2导通时，电感Lf2的电流线性增大，电容Cf2放电；当开关管Q2关断时，电感Lf2的电流线性减小，电容Cf2充电。
[0045]附图5为一路输入源单独工作的稳态仿真波形，图5 (a) Vinl单独工作时稳态仿真波形，图5(b)Vin2单独工作时稳态仿真波形。从图5(a)中可以看出:Vinl单独向负载供电时，开关管Q1导通时，电感Lfl的电流线性增大，电容Cfl放电；当开关管Q1关断时，电感Ln的电流线性减小，电容Cfl充电。电容Cf2在整个开关周期中均被箝位在-0.7V左右(理想状态下为0V)。从图5(b)中可以看出:Vin2单独向负载供电时，开关管Q2导通时，电感Lf2的电流线性增大，电容Cf2放电；当开关管Q2关断时，电感Lf2的电流线性减小，电容Cf2充电。电容Cfl在整个开关周期中均被箝位在-0.7V左右(理想状态下为0V)。
[0046]从图4和图5可以看出，双输入Buck-Boost DC-DC变换器两驱动信号既可以同时驱动也可以交错180°驱动；既允许两路输入源同时向负载供电，又允许一路输入源单独向负载供电。仿真结果验证了双输入Buck-Boost DC-DC变换器工作原理分析的正确性。
[0047]附图6给出了输入源变化时，两电容电压和输出电压的仿真波形。图6(a)为Vinl=60V, Vin2=140V, D1=0.4，D2=0.3 时的仿真波形，从图中可以看出 Vm=40V，VCf2=60V,V0=IOOV。图6(b)为Vinl=80V, Vin2=140V, D1=0.4，D2=0.3时的仿真波形，从图中可以看出VCfl=53V, VCf2=60V, V0=113Vo 均满足公式(3)。
[0048]附图7给出了负载变化时，两电容电压和输出电压的仿真波形。图7(a)为Vinl=60V, Vin2=140V, D1=0.4，D2=0.3，RLd=50 Ω 时的仿真波形，0 7(b) % Vinl=60V, Vin2=140V,D1=O-1D2=OH=IOOQ时的仿真波形。从图7中可以看出双输入Buck-Boost DC-DC变换器两电容电压值和输出电压值均保持不变，且满足公式(3)。[0049]附图8给出了输入电压和负载不变，开关管占空比变化时，两电容电压和输出电压的仿真波形。图8(a)为Vinl=60V，Vin2=HOVJ1=0.4,D2=0.3时的仿真波形，从图中可以看出 VCfl=40V, VCf2=60V, V0=IOOVo 图 8 (b)为 Vinl=60V, Vin2=140V, D1=0.6，D2=0.3 时的仿真波形，从图中可以看出Vm=90V，VCf2=60V, V0=150Vo均满足公式(3)。
[0050]仿真结果表明:双输入Buck-Boost DC-DC变换器在输入源变化、负载变化和开关管占空比变化三种情况，稳态输入/输出关系均满足公式(3)，从而验证了其正确性。
[0051]本实用新型提出的双输入升降压式DC-DC变换器既可以工作在单输入状态又可工作在双输入状态，当一路输入源单独工作时，该电路拓扑相当于一个传统的Buck-BoostDC-DC变换器，当两路输入源同时工作时，该电路拓扑相当于将两个传统Buck-Boost DC-DC变换器的输出串联，增大了系统电压增益，提高了系统稳定性和灵活性。另外，本实用新型相对于带有两个单输入直流变换器的分布式发电系统而言，具有电路结构简单、系统体积小、成本低的优点。
【权利要求】
1.一种新型双输入升降压式DC-DC变换器，其特征在于:包括两个直流输入源、两只开关管、两个中间储能电感、两个续流二极管、两个输出分压电容以及一个负载电阻怂d，其中， 两个直流输入源串联连接，直流输入源Kinl的正极接开关管Q1的漏极，开关管Q1的源极接续流二极管VD1的阴极，续流二极管VD1的阳极接负载电阻怂d的一端，负载电阻的另一端与续流二极管VD2的阴极相连，续流二极管VD2的阳极接开关管Q2的漏极，开关管Q2的源极接直流输入源Kin2的负极； 两个输出分压电容串联连接后与负载电阻并联，输出分压电容^^的负极接续流二极管VD1的阳极，输出分压电容&2的正极接续流二极管VD2的阴极； 两个中间储能电感串联连接，中间储能电感Zfl的正极连接续流二极管VD1的阴极,中间储能电感Zf2的负极连接续流二极管VD2的阳极；输出分压电容Cfl的正极与中间储能电感Zfl的负极相连，中间储能电感Zfl的负极与直流输入电源Kin2的正极相连。
2.根据权利要求1所述的一种新型双输入升降压式DC-DC变换器，其特征在于:所述两个直流输入源的幅值和特性相同或者不同，两个直流输入源同时或分别向负载供电。
3.根据权利要求1所述的一种新型双输入升降压式DC-DC变换器，其特征在于:所述两只开关管为同时驱动或者为错开一定角度的工作方式。
4.根据权利要求1、2或3所述的一种新型双输入升降压式DC-DC变换器，其特征在于:所述两个输出分压电 容值相等。
【文档编号】H02M3/07GK203434858SQ201320355930
【公开日】2014年2月12日 申请日期:2013年6月20日 优先权日:2013年6月20日
【发明者】廖志凌, 施卫东, 徐艳杰, 蔡晓磊 申请人:江苏大学