一种非隔离DC/DC变换器的功率环试验电路及控制方法与流程

本发明属于电力电子变换器技术领域，尤其涉及三类非隔离的直流-直流(dc/dc)变换器的满载功率运行试验电路及控制方法。

背景技术：

随着分布式新能源应用的逐渐增多，直流系统越来越被重视。dc/dc变换器作为直流电能的变换装置，其应用得到了很大的发展。dc/dc变换器是将一种形式的直流电压变换成另一种形式的直流电压。光伏、储能以及直流负载等设备中根据使用场合的需求，采用了各种类型的非隔离dc/dc变换器。

在这些电力电子变换器的开发过程中，一项重要的试验项目就是变换器的满功率运行试验，通过该试验考核变换器的控制性能、温升、效率和可靠性等指标。通常试验中采用符合dc/dc变换器功率等级的直流电源和直流负载，将变换器接入其中，进行满载或过载运行。这样既需要较高的试验装置成本，试验过程中产生的电能也没有合理回收；有的试验系统中采用双向直流电源馈网或者直流储能装置，但这又增加了试验装置的成本。

技术实现要素：

本发明针对满功率运行试验系统中较高的装置成本和电能浪费的问题，在三类非隔离dc/dc变换器拓扑——降压式变换电路buck、升压式变换电路boost、升降压放大器noninvertingbuck-boost的基础上，提出了一种非隔离dc/dc变换器的功率环试验电路及控制方法。本发明基于双自由度的拓扑思路，即利用辅助电路连接关系，在原dc/dc变换器的基础上增加一个能量控制的自由度，从而构成双自由度的功率环试验电路和控制方法。试验电路拓扑可以应用于各种电压和功率等级的直流电路中，同时也可扩展到其它具有相似电路的应用中。

本发明的一种非隔离dc/dc变换器的功率环试验电路，在待测的非隔离dc/dc变换器电路上设置辅助电路，辅助电路包括两部分：一部分是连接变换电路的输出正极与输入正极的导线，称为辅助线路；另一部分是由igbt(insulatedgatebipolartransistor，绝缘栅双极型晶体管)开关管和二极管串联的半桥电路。所述的辅助电路与被测的dc/dc变换器置于同样的散热条件下，共同组成试验电路。

所述的半桥电路中的igbt开关管和二极管的规格与被测的dc/dc变换器电路中的igbt开关管和二极管规格相同。

被测的非隔离dc/dc变换器电路为buck电路时，所述的半桥电路设置方式是：半桥电路的桥臂中点连接buck电路的电感的输出端，桥臂两端分别与输出电容的正负极并联。在buck电路中设置辅助线路。

被测的非隔离dc/dc变换器电路为boost电路时，所述的半桥电路设置方式是：半桥电路的桥臂中点连接boost电路中的电感的输入端，半桥电路的桥臂两端分别与输入电容的正负极并联。在boost电路中设置辅助线路。

被测的非隔离dc/dc变换器电路为noninvertingbuck-boost电路时，在电路中不设置半桥电路，只设置辅助线路。

相应地，本发明提供的非隔离dc/dc变换器的功率环试验电路的控制方法包括：所述的被测的非隔离dc/dc变换器电路在设置辅助电路后，包括两个开关管t1和t2，其中开关管t1连接在电路中的电感l的输入端，开关管t1连接在电路中的电感l的输出端，开关管t1按照设置的固定占空比进行开关动作，开关管t2对电感l中的电流进行闭环控制；在闭环调节过程中，开关管t2的驱动脉冲先将电感l的电流值调整至设定指令值，在电感l的电流值进入稳态后，开关管t2的驱动脉冲与开关管t1的驱动脉冲为互补关系。

本发明与现有技术相比，具有以下明显优势：

本发明增加的辅助电路为与被测变换器同规格的电力电子器件和连接导线，相比于现有的采用双向直流电源或储能的方案，极大节省了实验装置的成本，同时避免了能源浪费，本发明所提供的方案能够满足现有的满功率试验方案中对控制器件、散热性能和电磁干扰等的测试指标的考核，在电流等级和功率等级高的变换器试验项目中，本发明能够体现出很大的成本优势。

附图说明

图1是本发明buck电路增加辅助电路形成的功率环试验电路示意图；

图2是本发明boost电路增加辅助电路形成的功率环试验电路示意图；

图3是本发明noninvertingbuck-boost电路增加辅助电路形成的功率环试验电路示意图；

图4是本发明buck电路、boost电路和noninvertingbuck-boost电路的控制结果图。

具体实施方式

为了便于本领域普通技术人员理解和实施本发明，下面结合附图对本发明作进一步的详细描述。

本发明是在只需要较小功率的单向直流源的条件下，能够使得dc/dc变换器按照设计功率运行，从而考核变换器在该功率下性能的试验电路和控制方法。在三类非隔离的dc/dc变换器拓扑的基础上增加(或不增加)辅助电路，然后和直流源共同构成功率环试验电路。电路中除了被测变换器装置外，加入由主动型开关管和二极管组成的辅助电路(t1、d1或者t2、d2)和辅助线路，电流io所在线路为辅助线路。本发明是将原本输出到直流负载上消耗掉的功率根据输入侧电压要求重新并入输入端，即电流io反馈输入功率至输入侧，这样变换器本体和辅助电路中运行的是设定功率，而输入侧的直流源的输出功率仅是损耗功率。

本发明的非隔离dc/dc变换器的功率环试验电路，针对三类非隔离dc/dc变换器，一类是降压式变换电路buck电路，一类是升压式变换电路boost电路，还有一类是同相升/降压式变换电路noninvertingbuck-boost电路，通过在变换电路上连接辅助电路，组成功率环试验电路。辅助电路实现包括两部分，一是增加连接变换电路的输出正极与输入正极的导线，即辅助线路；二是设置一个由igbt开关管和二极管串联的半桥电路。辅助电路与被测dc/dc变换器置于同样的散热条件下，共同组成试验电路。

下面结合附图和实施例来对三类非隔离的dc/dc变换器分别进行说明。

对于buck电路，在buck电路的输出端增加由一个igbt开关管和一个二极管串联的半桥电路，增加的igbt开关管和二极管的规格分别和buck电路中的igbt开关管和二极管同规格，半桥电路的桥臂中点连接buck电路的电感的输出端，桥臂两端分别与输出电容的正负极并联，此外还将输出电容的正极与输入电容的正极用导线连接，形成电流io所在线路。所增加的辅助电路与被测buck变换器处于同样的散热条件下。电流io所在线路即辅助线路。

如图1所示，为对某一buck电路增加辅助电路形成的功率环试验电路。其中，bat是试验所需的直流电源，也可以由交流电源整流得到，调节其输出电压值等于直流母线电压值。buck电路由直流电容c1、开关管t1、二极管d1、直流电感l和直流电容c2组成。在此基础上接入由开关管t2和二极管d2串联组成的半桥电路，同时将输出电容c2正极通过导线与输入电容c1正极用导线连接，形成电流io所在线路，共同构成测试所需的功率环电路。图1中，开关管t2和二极管d2连接的一端与电感l的输出端连接，开关管t2的另一端连接电容c2的负极，二极管d2的另一端连接电容c2的正极。

电流io所在线路，是电容c1正极和输出电容c2正极的连接线，就是变换电路的输出正极与输入正极的连接导线。直流电容c1是输入电容，直流电容c2是输出电容。

开关管t1和t2在附图中有一点区别，实际上所增加的开关管和电路中已有的开关管是相同的或t2是同规格的反并联二极管的开关管。

对于boost电路，在boost电路的输入端增加一个igbt开关管和二极管串联的半桥电路，半桥电路的桥臂中点连接boost电路的电感的输入端，半桥电路的桥臂两端分别与输入电容c1的正负极并联。将输出电容c2的正极与输入电容c1的正极用导线连接，形成电流io所在线路。所增加的辅助电路与被测boost变换器处于同样的散热条件下。增加的igbt开关管和二极管的规格分别和boost电路中的igbt开关管和二极管同规格。

如图2所示是某一boost电路增加辅助电路形成的功率环试验电路。bat是试验所需的直流电源。与buck电路不同的是，boost电路是由直流电容c1、开关管t2、二极管d2、直流电感l和直流电容c2组成。在此基础上接入由开关管t1和二极管d1组成的半桥电路，同时将输出电容c2正极通过导线与输入电容c1正极连接，共同构成测试所需的功率环电路。图2中，开关管t1与二极管d1连接的一端与电感l的输入端连接，开关管t1的另一端连接输入电容c1的正极，二极管d1的另一端连接输入电容c1的负极。

对于noninvertingbuck-boost电路，辅助电路是将输出电容c2的正极与输入电容c1的正极用导线连接，形成电流io所在线路。

如图3所示，是某一noninvertingbuck-boost电路增加辅助电路形成的功率环试验电路。noninvertingbuck-boost电路是buck电路和boost电路结合得到的一种形式，图3中，bat是试验所需的直流电源。noninvertingbuck-boost电路包括直流电容c1、开关管t1、二极管d1、开关管t2、二极管d2、直流电感l和直流电容c2。功率环实验电路只需将输入电容c1正极与输出电容c2正极通过导线连接即可。noninvertingbuck-boost电路不需要增加半桥电路。

本发明对三类非隔离dc/dc变换器实现的试验电路的功率环实验控制方法，结合开环和闭环控制实现变换器中传输不同的功率等级。在直流源设定的输出电压等级下，通过对其中一个igbt开关管的开环控制和对dc/dc变换器中电感电流的闭环控制实现对dc/dc变换器设定功率的控制。对三类非隔离dc/dc变换器的功率环试验控制方法是相同的。

本发明实现对非隔离dc/dc变换器的功率环试验的控制方法为：开关管t1按照固定占空比进行开关动作，开关管t2则对电感l中的电流进行闭环控制，在闭环调节过程中，开关管t2的驱动脉冲先将电感电流值调整至设定指令值，在进入稳态后与开关管t1的驱动脉冲为互补关系，如图4的第一通道和第二通道。图4所示的第三通道为变换器的输出电压，由于试验电路中输出与输入并联，所以输出电压就是输入电压的设定值。图4所示的第四通道为输出电流，其幅值达到指令值。图4所示的第五通道为电感电流的实际值，其平均值为指令值。图4所示的第六、七通道分别为开关管t1和开关管t2的端电压和电流，可以看到电压、电流都达到测试要求的功率等级。从中可看出，通过本发明的功率环试验电路，满足了buck电路、boost电路和noninvertingbuck-boost电路的功率等级需求。

此外，本发明设计的功率环试验电路中，所增加的辅助电路也可以用同样规格的被测变换器，只需与被测变换器按照相应的连接关系连接即可，两者互为测试对象，同时进行试验考核，从而进一步降低试验的测试成本，提高了测试效率。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式而非对其限制，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。