专利名称：一种隔离型基于三端口功率变换器的新能源供电设备的制作方法
技术领域：
本实用新型属于新能源功率变换技术领域，具体涉及一种隔离型基于三端口功率变换器的新能源供电设备。
背景技术：
在新能源供电系统中，由于新能源产生的电能都是电压较低的直流电，而在很多应用场景中(如并网发电系统)需要电压较高的直流电，因此新能源供电系统都具有功率变换器把低电压直流电转换为适合的高电压直流电；此外，功率变换器还需要负责新能源、蓄电池、负载三者之间的能量管理与控制。常规的升压型(Boost)交错并联直流-直流变换器的输出电压增益较小，功率开关管的电压应力较大，功率开关管为硬开关工作，开关损耗较大，续流二极管的反向恢复电流较大，反向恢复损耗较大。近年来，相继研究了一些软开关电路，通过附加有源功率开关和无源电感、电容等器件或是通过附加二极管和无源电感、电容等器件来实现功率开关管的软开关。在实际新能源供电系统中为实现并网或者独立系统中能量的持续性需要加入蓄电池从而实现可调度的系统。为此需要多个功率变换器装置或者多级装置，从而增加了系统控制的复杂度和成本。故传统的新能源供电系统如图I所示，该系统需要两套功率变换器装置来实现新能源-蓄电池、新能源-负载以及蓄电池-负载的功率转换；而大量的功率变换器件成本高、效率低。如图2所示，基于三端口功率变换器的新能源供电系统可以很好的解决传统功率变换器件多的问题；其中典型的一种结构如图3所示，该电路结构的优点是所用开关管较少，但是缺点也很明显，主要缺点如下(I)因为是单磁芯结构所以传输功率有限，利用该拓扑结构不能利用在功率较大的场合；(2)由于该电路的本质是半桥结构所以存在副边升压能力有限，从而限制了该拓扑结构在高升压场合的应用，例如输入源为光伏电池、燃料电池，输出负载为并网或独立运行的逆变器；(3)由于原边电流纹波较大，在需要控制输入源最佳工作点的情况下例如燃料电池或者光伏电池板，该拓扑的在控制上将遇到很大的困难。
发明内容针对现有技术所存在的上述技术缺陷，本实用新型提供了一种隔离型基于三端口功率变换器的新能源供电设备，能够实现开关管的软开关，原边电流低纹波，功率转换效率闻。一种隔离型基于三端口功率变换器的新能源供电设备，包括一新能源电池、一能量存储器、一逆阻二极管、两个耦合电感、四个主开关管、两个钳位开关管、两个钳位电容、两个整流二极管和两个滤波电容；其中新能源电池的正极与逆阻二极管的阳极相连，逆阻二极管的阴极与第一主开关管的漏极和第二主开关管的漏极相连，第一主开关管的源极与第三主开关管的漏极、第一钳位开关管的源极和第一耦合电感原边线圈的非同名端相连，第二主开关管的源极与第四主开关管的漏极、第二钳位开关管的源极和第二耦合电感原边线圈的非同名端相连，第三主开关管的源极与第四主开关管的源极和能量存储器的负极相连，第一钳位开关管的漏极与第一钳位电容的一端相连，第二钳位开关管的漏极与第二钳位电容的一端相连，新能源电池的负极与第一钳位电容的另一端、第二钳位电容的另一端、第一耦合电感原边线圈的同名端、第二耦合电感原边线圈的同名端和能量存储器的正极相连；第一耦合电感副边线圈的非同名端与第二耦合电感副边线圈的非同名端相连，第二耦合电感副边线圈的同名端与第一整流二极管的阳极和第二整流二极管的阴极相连，第一率禹合电感副边线圈的同名端与第一滤波电容的一端和第二滤波电容的一端相连，第一整流二极管的阴极与第一滤波电容的另一端相连并构成正输出端，第二整流二极管的阳极与 第二滤波电容的另一端相连并构成负输出端；所述的主开关管的栅极以及钳位开关管的栅极均接收外部设备提供的控制信号。所述的主开关管和钳位开关管均采用NMOS管。新能源电池是一种直接把可再生能源(如核能、太阳能、风能、生物质能、地热能等)转化成电能的装置，优选地，所述的新能源电池为光伏电池；相对于其他新能源电池，其不受环境限制，使用方便。能量存储器是一种用于存储电能的装置(如蓄电池、超级电容等)，优选地，所述的能量存储器为蓄电池；其具有较高的能量存储密度，且价格便宜，具有普适性。本实用新型的工作原理为当新能源电池可工作时，第一主开关管和第二主开关管工作，钳位开关管不工作，新能源电池输出的电能给负载供电，第一耦合电感和第二耦合电感中的漏感中的能量给蓄电池充电，且能限制开关管电压应力；当新能源电池不工作时，蓄电池通过顺序导通第三主开关管、第四主开关管、第一钳位开关管、第二钳位开关管给负载供电，第三主开关管和第一钳位开关管构成软开关电路，第四主开关管和第二钳位开关管构成软开关电路。本实用新型采用交错并联结构，可以很好的提高设备的功率传输能力，其功率传输能力可扩展至IOKW;由于是交错并联的结构，通过控制主开关管的相位，可以实现输入电流的低纹波，从而易于实现新能源电池的最大功率点跟踪控制；同时，本实用新型采用了有源钳位结构可以实现主开关管的软开关，从而降低了损耗，提高了效率；另外，本实用新型采用了负载侧两个耦合电感式串联结构，可以实现较高升压能力；新能源电池工作时，既可以给负载侧供电，同时可以给蓄电池供电；当新能源电池不工作时，通过蓄电池仍然可以给负载侧供电。
图I为基于多功率变换器的新能源供电系统的结构示意图。图2为基于三端口功率变换器的新能源供电系统的结构示意图。图3为传统基于三端口功率变换器的新能源供电系统的电路结构示意图。[0023]图4为本实用新型新能源供电系统的电路结构示意图。图5为本实用新型光伏电池供电时功率变换工作状态I的电路原理示意图。图6为本实用新型光伏电池供电时功率变换工作状态2的电路原理示意图。图7为本实用新型光伏电池供电时功率变换工作状态3的电路原理示意图。图8为本实用新型光伏电池供电时功率变换工作状态4的电路原理示意图。图9为本实用新型光伏电池供电时功率变换工作状态5的电路原理示意图。 图10为本实用新型光伏电池供电时功率变换工作状态6的电路原理示意图。图11为本实用新型光伏电池供电时功率变换工作状态7的电路原理示意图。图12为本实用新型光伏电池供电时功率变换工作状态8的电路原理示意图。图13为本实用新型蓄电池供电时功率变换工作状态I的电路原理示意图。图14为本实用新型蓄电池供电时功率变换工作状态2的电路原理示意图。图15为本实用新型蓄电池供电时功率变换工作状态3的电路原理示意图。图16为本实用新型蓄电池供电时功率变换工作状态4的电路原理示意图。图17为本实用新型蓄电池供电时功率变换工作状态5的电路原理示意图。图18为本实用新型蓄电池供电时功率变换工作状态6的电路原理示意图。图19为本实用新型蓄电池供电时功率变换工作状态7的电路原理示意图。图20为本实用新型蓄电池供电时功率变换工作状态8的电路原理示意图。
具体实施方式
为了更为具体地描述本实用新型，
以下结合附图及具体实施方式
对本实用新型的技术方案及其工作原理进行详细说明。如图4所示，一种隔离型基于三端口功率变换器的新能源供电设备，包括一光伏电池F、一蓄电池E、一逆阻二极管D、两个耦合电感L1 L2、四个主开关管S1 S4、两个钳位开关管Q1 Q2、两个钳位电容C1 C2、两个整流二极管Z1 Z2和两个滤波电容Co1 Co2 ；其中光伏电池F的正极与逆阻二极管D的阳极相连，逆阻二极管D的阴极与第一主开关管S1的漏极和第二主开关管S2的漏极相连，第一主开关管S1的源极与第三主开关管S3的漏极、第一钳位开关管Q1的源极和第一耦合电感L1原边线圈的非同名端相连，第二主开关管S2的源极与第四主开关管S4的漏极、第二钳位开关管Q2的源极和第二耦合电感L2原边线圈的非同名端相连，第三主开关管S3的源极与第四主开关管S4的源极和蓄电池E的负极相连，第一钳位开关管Q1的漏极与第一钳位电容C1的一端相连，第二钳位开关管Q2的漏极与第二钳位电容C2的一端相连，光伏电池F的负极与第一钳位电容(^的另一端、第二钳位电容C2的另一端、第一耦合电感L1原边线圈的同名端、第二耦合电感L2原边线圈的同名端和蓄电池E的正极相连；第一耦合电感L1副边线圈的非同名端与第二耦合电感L2副边线圈的非同名端相连，第二耦合电感L2副边线圈的同名端与第一整流二极管Z1的阳极和第二整流二极管Z2的阴极相连，第一稱合电感L1副边线圈的同名端与第一滤波电容Co1的一端和第二滤波电容Co2的一端相连,第一整流二极管Z1的阴极与第一滤波电容Co1的另一端相连并接电阻负载R的一端，第二整流二极管Z2的阳极与第二滤波电容Co2的另一端相连并接电阻负载R的另一端；主开关管S1 S4的栅极以及钳位开关管Q1 Q2的栅极均接收外部设备提供的控制信号；本实施方式中，主开关管S1 S4和钳位开关管Q1 Q2均米用NMOS管。本实施方式分以下两种工作状态(I)光伏电池F正常工作运行(白天阳光普照)，输出回路能量由光伏电池F提供，钳位开关管Q1 Q2处于常闭状态，不参与工作过程；电路工作状态包括以下几个过程工作状态I (如图5所示)，主开关管SpS2均开通，QpQ2关断，在输入电压作用下耦合电感原边储能，原边励磁电流线性增加，电容C0l、Co2串联向负载R供电。工作状态2 (如图6所示)，S1关断，耦合电感L1励磁电流给S1寄生电容充电，开关管S1间电压线性增加，耦合电感L2原边励磁电流继续线性增加，电容C0l、Co2串联向负载R供电。 工作状态3 (如图7所示)，S1寄生电容两端电压升高到一定值后整流二极管Z2导通，此时耦合电感L1工作在反激状态，L2工作在正激状态，光伏电池F和耦合电感中的能量开始向电容Co2传递，同时电容C0l、Co2串联向负载R供电。工作状态4(如图8所示)，S1寄生电容两端电压升到箝位电压时S3反并二极管导通，L2继续储能电流线性增大，耦合电感L1中能量向电容Co2充电，同时也为蓄电池E充电。工作状态5 (如图9所示)，S3开通，此时S3为零电压开关开通，流过其反并二极管电流迅速向S3转移。工作状态6 (如图10所示)，S3关断，漏感L1与开关管S1寄生电容谐振，漏感上的一部分能量向负载R传递，另一部分向L2传递。工作状态7 (如图11所示)，S1寄生电容两端电压降为0，寄生电容与漏感L1谐振过程结束，此时S1反并二极管导通续流，漏感电流在电容Co2的电压作用下线性下降。工作状态8 (如图12所示)，S1导通，此时S1为零电压开关开通，整流二极管继续续流导通直至电流降为O，二极管Z2截止。此时SpS2均开通，原边励磁电流线性增加，电容Co” Co2串联向负载R供电。开关管S2在一个周期内的工作状态与S1同理。(2)当光伏电池F不工作(夜晚或阴雨天无光照)，输出回路能量由蓄电池E提供，主开关管Si、S2处于常闭状态，不参与工作过程；电路工作状态包括以下几个过程工作状态I (如图13所示)，33、54均开通，Q1'Q2关断，在输入电压作用下耦合电感原边储能，原边励磁电流线性增加，电容Co1、Co2串联向负载R供电。工作状态2 (如图14所示)，S3关断，电感L1励磁电流给S3寄生电容充电，开关管间电压线性增加，L2原边励磁电流继续线性增加，电容Co1、Co2串联向负载R供电。工作状态3 (如图15所示)，S3寄生电容两端电压升高到一定值后整流二极管Z1导通，此时耦合电感L1工作在反激状态，L2I作在正激状态，蓄电池E和耦合电感中的能量开始向电容Co1传递，同时电容Co1、Co2串联向负载R供电。工作状态4(如图16所示)，S3寄生电容两端电压升到箝位电压时Q1反并二极管导通，L2继续储能电流线性增大，耦合电感L1中能量向输出电容Co1充电。工作状态5 (如图17所示)，Q1开通，此时Q1为零电压开关开通，流过其反并二极管电流迅速向Q1转移。工作状态6 (如图18所示)，Q1关断，漏感L1与开关管S3寄生电容Cs3谐振，漏感L1上的一部分能量向负载R传递，另一部分向蓄电池E传递。工作状态7 (如图19所示)，S3寄生电容两端电压降为0，寄生电容与漏感L1谐振过程结束，此时S3反并二极管导通续流，漏感电流在电容Co1的电压作用下线性下降。工作状态8 (如图20所示)，S3导通，此时S3为零电压开关开通，整流二极管继续续流导通直至电流降为O，二极管Z1截止。此时s3、s4均开通，原边励磁电流线性增加，电容Co” Co2串联向负载R供电。开关管S4在一个周期内的工作状态与S3同理。·
权利要求1.一种隔离型基于三端口功率变换器的新能源供电设备，其特征在于，包括一新能源电池、一能量存储器、一逆阻二极管、两个耦合电感、四个主开关管、两个钳位开关管、两个钳位电容、两个整流二极管和两个滤波电容；其中 新能源电池的正极与逆阻二极管的阳极相连，逆阻二极管的阴极与第一主开关管的漏极和第二主开关管的漏极相连，第一主开关管的源极与第三主开关管的漏极、第一钳位开关管的源极和第一耦合电感原边线圈的非同名端相连，第二主开关管的源极与第四主开关管的漏极、第二钳位开关管的源极和第二耦合电感原边线圈的非同名端相连，第三主开关管的源极与第四主开关管的源极和能量存储器的负极相连，第一钳位开关管的漏极与第一钳位电容的一端相连，第二钳位开关管的漏极与第二钳位电容的一端相连，新能源电池的负极与第一钳位电容的另一端、第二钳位电容的另一端、第一耦合电感原边线圈的同名端、第二耦合电感原边线圈的同名端和能量存储器的正极相连； 第一耦合电感副边线圈的非同名端与第二耦合电感副边线圈的非同名端相连，第二耦合电感副边线圈的同名端与第一整流二极管的阳极和第二整流二极管的阴极相连，第一耦合电感副边线圈的同名端与第一滤波电容的一端和第二滤波电容的一端相连，第一整流二 极管的阴极与第一滤波电容的另一端相连并构成正输出端，第二整流二极管的阳极与第二滤波电容的另一端相连并构成负输出端； 所述的主开关管的栅极以及钳位开关管的栅极均接收外部设备提供的控制信号。
2.根据权利要求I所述的隔离型基于三端口功率变换器的新能源供电设备，其特征在于所述的主开关管和钳位开关管均采用NMOS管。
3.根据权利要求I所述的隔离型基于三端口功率变换器的新能源供电设备，其特征在于所述的新能源电池为光伏电池。
4.根据权利要求I所述的隔离型基于三端口功率变换器的新能源供电设备，其特征在于所述的能量存储器为蓄电池。
专利摘要本实用新型公开了一种隔离型基于三端口功率变换器的新能源供电设备，由一新能源电池、一能量存储器、一逆阻二极管、两个耦合电感、四个主开关管、两个钳位开关管、两个钳位电容、两个整流二极管和两个滤波电容相互连接构成；本实用新型采用交错并联结构通过控制主开关管的相位，可以实现输入电流的低纹波，从而易于实现新能源电池的最大功率点跟踪控制；同时，本实用新型采用了有源钳位结构可以实现主开关管的软开关，从而降低了损耗，提高了效率；另外，本实用新型采用了负载侧两个耦合电感式串联结构，可以实现较高升压能力；新能源电池工作时，既可以给负载侧供电，同时可以给蓄电池供电；当新能源电池不工作时，通过蓄电池仍然可以给负载侧供电。
文档编号H02M3/315GK202798466SQ20122034752
公开日2013年3月13日 申请日期2012年7月18日 优先权日2012年7月18日
发明者胡义华, 徐惠, 邓焰, 龙江涛, 路晓寻 申请人:浙江大学