降压式电压平衡变换器的制作方法

专利名称：降压式电压平衡变换器的制作方法
技术领域：
本发明涉及的是一种降压式电压平衡变换器，属电能变换装置中的直流 非隔离变换技术。
背景技术：
目前，随着环境问题的日益突出和电力电子等技术的迅速发展，基于直
流微型电网(DC Micro-Grid)的可再生能源(如太阳能、风能等可再生能源) 分布式发电系统得到了越来越多的关注。在直流微型电网中，通常采用两根 直流输电线传送电能，但是由于挂在直流输电线上的变换器具有多样性(如 半桥拓扑变换器、全桥拓扑变换器等各种电能变换器)，所以在直流微型电网 中采用两根直流输电线输电方式，由于只存在一个直流电压，通常无法同时 满足各种变换器对输入电压的要求。例如，对于半桥拓扑DC/AC逆变器来说 就需要一个稳定的输入中点电压，其值等于输入直流电压的二分之一，而在 采用两根直流输电线输电方式中就无法直接获得这个稳定的中点电压。
因此，在釆用两根直流输电线输电方式的直流微型电网中，需要在用户 端将两根直流输电线输入方式转变成三根直流输电线输出方式的电能变换装 置——电压平衡变换器，通过电压平衡变换器的输出端构造一个中线，形成 一个中点电位，其中线电压大小等于输入电压的二分之一。

发明内容
本发明所要解决的技术问题是针对现有技术的不足，提供一种结构简单 合理、可将两根直流输电线输入方式转变成三根直流输电线输出方式的降压式电压平衡变换器。
本发明所要解决的技术问题是通过以下技术方案来实现的。本发明是一 种降压式电压平衡变换器，其特点是，它包括第一降压桥臂电路、中间直流 环节电路和第二降压桥臂电路；
所述的中间直流环节电路包括第一电容d和第二电容G、第一电感L, 和第二电感b，其中第一电容d—端与第二电容C2—端串联，其串联点为第
一串联点N，输出中线L、、第一电感L,和第二电感L2的一端均与第一串联点N 相连接；
所述的第一降压桥臂电路包括第一功率开关管S,和第一功率二极管D,， 第一功率开关管S,的源极和第一功率二极管Dt的阴极串联，其串联点为第二 串联点，第二串联点和第一电感Li的另一端相连接，第一功率二极管D,阳极 和第二电容G另一端相连接，第一功率开关管S,的漏极和第一电容d另一端 相连接；
所述的第二降压桥臂电路包括第二功率开关管S2和第二功率二极管D2， 第二功率开关管S2的漏极和第二功率二极管D2的阳极串联，其串联点为第三 串联点，第三串联点和第二电感L2的另一端相连接，第二功率二极管D2阴极 和第一电容d的另一端相连接，第二功率开关管&源极和第二电容G另一端 相连接。
本发明所要解决的技术问题还可以通过以下的技术方案来进一步实现。 以上所述的降压式电压平衡变换器，其特点是，第一降压桥臂电路和第二降 压桥臂电路都采用固定频率的PWM控制，并且共用一个电压环调节器，电压 环调节器的输出直接控制第一降压桥臂电路工作，电压环调节器的输出取反 后直接控制第二降压桥臂电路工作。
本发明降压式电压平衡变换器，当第一电容电压大于第二电容电压时， 第一降压桥臂电路工作，将第一电容上的能量向第二电容上转移，第一电容电压降低，第二电容电压升高，从而保证两个电容电压相等，第二降压桥臂 电路不工作；当第二电容电压大于第一电容电压时，第二降压桥臂电路工作， 将第二电容上的能量向第一电容上转移，第二电容电压降低，第一电容电压 升高，从而保证两个电容电压相等，第一降压桥臂电路不工作。
本发明降压式电压平衡变换器采用的控制电路原理框图见图6。其控制原
理框图描述如下基准电压Uref (注Uef是输入直流电压Uin的二分之一， 并且随着输入电压Uin的变化而变化)与第二电容C2上的电压Uc2的差值经 电压环调节器得到电压误差信号Ue。为了避免干扰信号的影响，所以在锯齿 V,、 V2波中加入一个偏置直流电压。
(O当第二电容C2的电压Uc2小于Uef时，Ue为正，其与锯齿波V,比 较后得到第一功率开关管S,的驱动信号UgSl，驱动其工作。通过对第一电容 C,放电来对第二电容C2充电，使第一电容C,电压降低，第二电容C2电压升 高，从而达到两个电容电压相等。此时，Ue取反后为负，其与锯齿波V2比较 后得不到第二功率开关管S2的驱动信号Ugs2，所以第二功率开关管S2无驱 动信号，而停止工作。
(2)当第二电容C2的电压Uc2大于Uef时，Ue为负，其与锯齿波V,比 较后得不到第一功率开关管S,的驱动信号Ugsl，所以第一功率开关管S,无 驱动信号，而停止工作。此时，Ue取反后为正，其与锯齿波V2比较后得到第 二功率开关管S2的驱动信号Ugs2，驱动其工作。通过对第二电容C2放电来 对第一电容C,充电，使第二电容C2电压降低，第一电容C,电压升高，从而 达到两个电容电压相等。
本发明降压式电压平衡变换器由于存在两个电感串联结构，所以不存在 两个功率开关管直通问题，整个电路结构和控制方案均较为简单，易于实现， 适用于直流微型电网分布式直流发电系统以及需要稳定的中点电压的应用场


图1是本发明降压式电压平衡变换器的电路图。
图2-5是本发明降压式电压平衡变换器开关模态示意其中-
图2是降压式电压平衡变换器第一降压桥臂电路工作模态I的示意图； 图3是降压式电压平衡变换器第一降压桥臂电路工作模态II的示意图； 图4是降压式电压平衡变换器第二降压桥臂电路工作模态I的示意图； 图5是降压式电压平衡变换器第二降压桥臂电路工作模态II的示意图。 图6是本发明降压式电压平衡变换器采用的控制原理框图。 图7是本发明降压式电压平衡变换器仿真和实验电路图。 图8是本发明降压式电压平衡变换器主要仿真波形图。 图9-10是本发明降压式电压平衡变换器主要实验波形图。 图1-10中的符号及元件名称说明如下
S,、 S2、第一功率开关管和第二功率开关管，D,、 D2:第一功率二极管 和第二功率二极管，L,、 L2:第一电感和第二电感，C,、 C2:第-一电容和第二 电容，U。utl、 U。ut2:第一电容电压和第二电容电压，Uin:输入直流电压，N: 降压式电压平衡变换器输出中点，LN:输出中线，Uref:基准电压，Ue:电 压环调节器输出，iu:流过第一电感L,的电流，iu:流过第二电感L2的电流， Ugsl:第一功率开关管S,的驱动信号，Ugs2:第二功率开关管S2的驱动信号，
V,、 V2:锯齿波，iR1。adl:流过负载R,。ad,的电流，iRl。ad2:流过负载Rl。ad2的电流。
具体实施例方式
以下参照附图，进一步描述本发明的具体技术方案，以便于本领域的技 术人员进一步地理解本发明，而不构成对其权利的限制。
实施例l。参照图l。
一种降压式电压平衡变换器，它包括第一降压桥臂电路l、中间直流环节电路2和第二降压桥臂电路3;
所述的中间直流环节电路2包括第一电容C,和第二电容C,、第一电感 ^和第二电感U，其中第一电容d—端与第二电容C2—端串联，其串联点为
第一串联点N，输出中线"、第一电感L,和第二电感U的一端均与第一串联
点N相连接；
所述的第一降压桥臂电路1包括第一功率开关管S,和第一功率二极管D,， 第一功率开关管S,的源极和第一功率二极管D'的阴极串联，其串联点为第二 串联点4，第二串联点4和第一电感L的另一端相连接，第一功率二极管Di 阳极和第二电容C2另一端相连接，第一功率开关管S,的漏极和第一电容C,另 一端相连接；
所述的第二降压桥臂电路3包括第二功率开关管S2和第二功率二极管D2， 第二功率开关管S2的漏极和第二功率二极管D2的阳极串联，其串联点为第三 串联点5，第三串联点5和第二电感L2的另一端相连接，第二功率二极管D2 阴极和第一电容C,的另一端相连接，第二功率开关管S2源极和第二电容G另 一端相连接。
实施例2。参照图2-5。实施例l所述的降压式电压平衡变换器中，第一 降压桥臂电路1和第二降压桥臂电路3都采用固定频率的PWM控制，并且共 用一个电压环调节器，电压环调节器的输出直接控制第一降压桥臂电路1工 作，电压环调节器的输出取反后直接控制第二降压桥臂电路3工作。分述如 下
一、第一降压桥臂电路l工作。
当第一电容d电压大于第二电容C2电压时，第一降压桥臂电路1工作， 将第一电容d上的能量向第二电容C2上转移，第一电容d电压降低，第二 电容C2电压升高，从而保证两个电容上电压相等，第二降压桥臂电路3不工 作。此模式下电路有两个工作模态1.工作模态I——第一功率开关管S,导通，第一功率二极管D,截止
如图2所示，第一电容C,部分能量通过第一功率开关管S,向第一电感 L,中存储，第一电感L,的电流iu线性上升，第一电容C,电压下降。 2.工作模态II——第一功率开关管S,截止，第一功率二极管D,导通
如图3所示，第一电感L,中存储的能量通过第一功率二极管D,向第二电 容C2传递，第一电感L,的电流L线性上下降，第二电容C2电压上升。
二、第二降压桥臂电路3工作。
当第二电容C2电压大于第一电容Q电压时，第二降压桥臂电路3工作，
将第二电容C2上的能量向第一电容d上转移，第二电容C2电压降低，第一
电容C,电压升高，从而保证两个电容上电压相等，第一降压桥臂电路l不工 作。此模式下电路有两个工作模态
1. 工作模态I——第二功率开关管S2导通，第二功率二极管D2截止
如图4所示，第二电容C2部分能量通过第二功率开关管S2向第二电感
L2中存储，第一电感L2的电流i^线性上升，第二电容C2电压下降。
2. 工作模态II——第二功率开关管S2截止，第二功率二极管D2导通 如图5所示，第二电感L2中存储的能量通过第二功率二极管D2向第一电
容d传递，第一电感L2的电流iu线性上下降，第二电容d电压上升。
实施例3。参照图6-10。用实施例1所述的降压式电压平衡变换器所做的 主要仿真实验。
图8中仿真参数功率开关管的工作频率为50KHZ，输入电压Uh是360V 直流电同时再上叠加幅值为10V/1000Hz正弦交流电，第一电感L"第二电感 L2分别为230uH，第一电容d、第二电容C2分别为470uF，第一电容Q上 阻性负载R,。acu为20Q，第二电容C2上阻性负载R,a。d2为30Q,并在80ms时 刻将第二电容C2上阻性负载Rlaod2从30 Q变为15 Q 。
在图8中，从第一电感电流iu、第二电感电流iu、第二电容电压UC2
8(U。ut2)以及输入电压关系中，可以看出在输入电压变化过程中，即使负载 不同，降压式电压平衡变换器的输出电压U。utl (U。utl=Uin-U。ut2)等于输出电 压U。ut2 (即Ue2)，很好地得到了一个中点电压，实现了输出电压平衡。从第
一电感电流iu到第二电感电流i^之间存在一个时间间隔，从控制原理图6
中可以看出这是由于电压环调节器控制延迟和锯齿波信号存在一个直流偏置 电压造成的。
图9-10是本发明降压式电压平衡变换器主要实验波形图。图9-10中实 验条件功率开关管S,和S2的工作频率为50KHZ，第一电感L,、第二电感 L2分别为230uH，第一电容C,、第二电容C2分别为470uF。实验结果为图 9中流过负载Rlc)adl的电流iR1。adl是3.34A,流过负载RlQad2的电流iR|。ad2是0.62A, 降压式电压平衡变换器的输出电压U。ut产177.7V、 U。ut2=177.6V;图10中流过 负载Rl。ad2的电流iRl。adl是4.40A,流过负载Rlc)ad2的电流iR1。ad2是0.8A;降压 式电压平衡变换器的输出电压U。ut产175.5V、 U。ut2=175.4V。
在图9和实验条件中可以看出当负载R,』大于负载R^2时，第二功
率开关管S2工作，第二电容C2通过第二电感L2向第一电容d放电；在图IO
和实验条件中可以看出当负载R^cn小于负载R^d2时，第一功率开关管S, 工作，第一电容C,通过第二电感L,向第二电容C2放电。
从实验仿真结果表明降压式电压平衡变换器能够获得一个稳定的中点
输出电压，从而可以构造一个中线(输出中线U)。
权利要求
1、一种降压式电压平衡变换器，其特征在于，它包括第一降压桥臂电路(1)、中间直流环节电路(2)和第二降压桥臂电路(3)；所述的中间直流环节电路(2)包括第一电容C1和第二电容C2、第一电感L1和第二电感L2，其中第一电容C1一端与第二电容C2一端串联，其串联点为第一串联点N，输出中线L、第一电感L1和第二电感L2的一端均与第一串联点N相连接；所述的第一降压桥臂电路(1)包括第一功率开关管S1和第一功率二极管D1，第一功率开关管S1的源极和第一功率二极管D1的阴极串联，其串联点为第二串联点(4)，第二串联点(4)和第一电感L1的另一端相连接，第一功率二极管D1阳极和第二电容C2另一端相连接，第一功率开关管S1的漏极和第一电容C1另一端相连接；所述的第二降压桥臂电路(3)包括第二功率开关管S2和第二功率二极管D2，第二功率开关管S2的漏极和第二功率二极管D2的阳极串联，其串联点为第三串联点(5)，第三串联点(5)和第二电感L2的另一端相连接，第二功率二极管D2阴极和第一电容C1的另一端相连接，第二功率开关管S2源极和第二电容C2另一端相连接。
2、 根据权利要求l所述的降压式电压平衡变换器，其特征在于，第一降压 桥臂电路(1)和第二降压桥臂电路(3)都采用固定频率的PWM控制， 并且共用一个电压环调节器，电压环调节器的输出直接控制第一降压桥 臂电路(1)工作，电压环调节器的输出取反后直接控制第二降压桥臂 电路(3)工作。
全文摘要
本发明是一种降压式电压平衡变换器，其特征在于，它包括第一降压桥臂电路、中间直流环节电路和第二降压桥臂电路；所述的中间直流环节电路包括第一电容C₁和第二电容C₂、第一电感L₁和第二电感L₂；所述的第一降压桥臂电路包括第一功率开关管S₁和第一功率二极管D₁；所述的第二降压桥臂电路包括第二功率开关管S₂和第二功率二极管D₂。本发明降压式电压平衡变换器可以解决在直流微型电网中将两根直流输电线输电方式转变成三根直流输电线输电方式的问题。它由于存在两个电感串联结构，所以不存在两个功率开关管直通问题，整个电路结构和控制方案均较为简单，易于实现，适用于直流微型电网分布式直流发电系统以及需要稳定的中点电压的应用场合。
文档编号H02M3/135GK101552555SQ200910031399
公开日2009年10月7日 申请日期2009年4月30日 优先权日2009年4月30日
发明者张先进, 范才红 申请人:淮海工学院