多源融合功率变换拓扑电路及其变换拓扑方法与流程

本发明涉及空间电源系统功率变换技术领域，尤其涉及一种多源融合功率变换拓扑电路及其变换拓扑方法。

背景技术：

能源是以星表（月球或火星）基地为代表的众多人类探索空间活动中首要解决的问题。光伏能源系统由于长月/火夜及表面尘埃、光照常数小等原因，无法单独满足星表基地供电需求，而核电源又具有能量密度大、寿命长、不依赖光照等特点，因此，多种形式能源联合供电成为理想方案。

大型可重构卫星平台是未来发展趋势，而某个分布式卫星能源供给不足，其它能源多余分布式卫星通过能源调度方式为其补给成为必然选择，因此，需要可重构分布式卫星功率变换拓扑能适应多种形式能源。

目前，光伏能源系统是直流形式供给，而核能源是交流形式输出，现有的航天功率调节拓扑技术只适用于单一种类能源输入形式，无法满足未来航天器大功率、多种能源融合供电的需求。

技术实现要素：

本发明提供一种多源融合功率变换拓扑电路及其变换拓扑方法，集成交流变换和直流变换功能，既满足以核电源为代表的交流源功率变换需求，又适用于以太阳电池为代表的直流能源系统。

为了达到上述目的，本发明提供一种多源融合功率变换拓扑电路，该电路的输入端同时连接交流源vac和直流源vdc，该电路的输出端连接负载ro，该电路包含：

第一转换开关s1和第二转换开关s2；

第一mos管q1、第二mos管q2、第三mos管q3和第四mos管q4；

第一mos管寄生二极管d1、第二mos管寄生二极管d2、第三mos管寄生二极管d3和第四mos管寄生二极管d4；

第一储能电感l1和第二储能电感l2；

第一功率二极管d5和第二功率二极管d6；

输出电容co；

负载ro；

所述的第一mos管q1、第二mos管q2、第三mos管q3和第四mos管q4的源极都连接负载ro，第一mos管q1、第二mos管q2、第三mos管q3和第四mos管q4的栅极分别连接控制电路；

所述的第一转换开关s1的两个静触头分别连接交流源vac的正极端和直流源vdc的正极端，第一转换开关s1的动触片连接第一储能电感l1的输入端和第一mos管寄生二极管d1的漏极；交流源vac的负极端和直流源vdc的负极端连接第二mos管q2的漏极；

所述的第二转换开关s2的两个静触头分别连接第一储能电感l1的输入端和第二mos管q2的漏极，第二转换开关s2的动触片连接第二储能电感l2的输入端；

所述的第一功率二极管d5的阳极连接第一储能电感l1的输出端和第四mos管q4的漏极，第一功率二极管d5的阴极连接输出电容co的正极端和负载ro；

所述的第二功率二极管d6的阳极连接第二储能电感l2的输出端和第三mos管q3的漏极，第二功率二极管d6的阴极连接输出电容co的正极端；

所述的输出电容co并联在负载ro两端；

所述的第一mos管寄生二极管d1的阳极连接第一mos管q1的源极，第一mos管寄生二极管d1的阴极连接第一mos管q1的漏极；所述的第二mos管寄生二极管d2的阳极连接第二mos管q2的源极，第二mos管寄生二极管d2的阴极连接第二mos管q2的漏极；所述的第三mos管寄生二极管d3的阳极连接第三mos管q3的源极，第三mos管寄生二极管d3的阴极连接第三mos管q3的漏极；所述的第四mos管寄生二极管d4的阳极连接第四mos管q4的源极，第四mos管寄生二极管d4的阴极连接第四mos管q4的源极。

本发明还提供一种多源融合功率变换拓扑方法，包含以下步骤：

当输入为交流电源，将第一转换开关s1连接至交流源vac，将第二转换开关s2连接至第二mos管q2的漏极，第一mos管q1、第二mos管q2、第三mos管q3和第四mos管q4组成的半桥同步整流电路；

当输入为直流电源，将第一转换开关s1连接至直流源vdc，将第二转换开关s2连接至第一储能电感l1的输入端，第一mos管q1不工作，控制电路控制第二mos管q2处于持续导通状态，第三mos管q3、第四mos管q4、第一功率二极管d5和第二功率二极管d6组成交错并联boost电路。

当输入为交流电源时，当所述的半桥同步整流电路工作于正半周时，控制电路控制第二mos管q2和第四mos管q4导通，第一储能电感l1充电，第二mos管寄生二极管d2导通，输出电容co放电向负载ro提供能量；半桥同步整流电路工作于正半周时，控制电路控制第二mos管q2导通，控制电路控制第四mos管q4关断，第一储能电感l1通过第一功率二极管d5向负载ro供电，同时为输出电容co充电；半桥同步整流电路工作于负半周时，控制电路控制第一mos管q1和第三mos管q3导通，第二储能电感l2充电，第一mos管寄生二极管d1导通，输出电容co放电向负载ro提供能量；半桥同步整流电路工作于正半周时，控制电路控制第一mos管q1导通，控制电路控制第三mos管q3关断，第二储能电感l2通过第二功率二极管d6向负载ro供电，同时为输出电容co充电。

当输入为直流电源时，当控制电路控制第三mos管q3导通，控制电路控制第四mos管q4关断，第一功率二极管d5导通，第二功率二极管d6截止；当控制电路控制第三mos管q3导通，控制电路控制第四mos管q4导通，第一功率二极管d5和第二功率二极管d6都截止，第一储能电感l1和第二储能电感l2充电，输出电容co放电向负载ro提供能量；当控制电路控制第三mos管q3关断，控制电路控制第四mos管q4导通，第一功率二极管d5截止，第二功率二极管d6导通，第一储能电感l1充电，第二储能电感l2通过第二功率二极管d6向输出电容co充电并为负ro载供电；当控制电路控制第三mos管q3关断，控制电路控制第四mos管q4关断，第一功率二极管d5和第二功率二极管d6都导通，第一储能电感l1通过第一功率二极管d5向输出电容co充电并为负载ro供电，第二储能电感l2通过第二功率二极管d6向输出电容co充电并为负ro载供电。

本发明将交流变换和直流变换功能集成在一起，基于交错并联boost拓扑电路，通过对开关管q3和开关管q4的功能复用，与开关管q1和开关管q2共同实现半桥同步整流，既满足以核电源为代表的交流源功率变换需求，又适用于以太阳电池为代表的直流能源系统。

附图说明

图1是本发明提供一种多源融合功率变换拓扑电路的电路原理图。

图2为交流输入源正半周，开关管导通时电路原理图。

图3为交流输入源正半周，开关管关断时电路原理图。

图4为交流输入源负半周，开关管导通时电路原理图。

图5为交流输入源负半周，开关管关断时电路原理图。

图6为直流输入源，开关管q3导通、q4关断时电路原理图。

图7为直流输入源，开关管q3导通、q4导通时电路原理图。

图8为直流输入源，开关管q3关断、q4导通时电路原理图。

图9为直流输入源，开关管q3关断、q4关断时电路原理图。

具体实施方式

以下根据图1～图9，具体说明本发明的较佳实施例。

如图1所示，本发明提供一种多源融合功率变换拓扑电路，该电路的输入端同时连接交流源vac和直流源vdc，该电路的输出端连接负载ro，该电路包含：

第一转换开关s1和第二转换开关s2；

第一mos管q1、第二mos管q2、第三mos管q3和第四mos管q4；

第一mos管寄生二极管d1、第二mos管寄生二极管d2、第三mos管寄生二极管d3和第四mos管寄生二极管d4；

第一储能电感l1和第二储能电感l2；

第一功率二极管d5和第二功率二极管d6；

输出电容co；

所述的第一mos管q1、第二mos管q2、第三mos管q3和第四mos管q4的源极都连接负载ro，第一mos管q1、第二mos管q2、第三mos管q3和第四mos管q4的栅极分别连接控制电路（图中未显示）；

所述的第一转换开关s1的两个静触头分别连接交流源vac的正极端和直流源vdc的正极端，第一转换开关s1的动触片连接第一储能电感l1的输入端和第一mos管寄生二极管d1的漏极；交流源vac的负极端和直流源vdc的负极端连接第二mos管q2的漏极；

所述的第二转换开关s2的两个静触头分别连接第一储能电感l1的输入端和第二mos管q2的漏极，第二转换开关s2的动触片连接第二储能电感l2的输入端；

所述的第一功率二极管d5的阳极连接第一储能电感l1的输出端和第四mos管q4的漏极，第一功率二极管d5的阴极连接输出电容co的正极端和负载ro；

所述的第二功率二极管d6的阳极连接第二储能电感l2的输出端和第三mos管q3的漏极，第二功率二极管d6的阴极连接输出电容co的正极端；

所述的输出电容co并联在负载ro两端；

所述的第一mos管寄生二极管d1的阳极连接第一mos管q1的源极，第一mos管寄生二极管d1的阴极连接第一mos管q1的漏极；所述的第二mos管寄生二极管d2的阳极连接第二mos管q2的源极，第二mos管寄生二极管d2的阴极连接第二mos管q2的漏极；所述的第三mos管寄生二极管d3的阳极连接第三mos管q3的源极，第三mos管寄生二极管d3的阴极连接第三mos管q3的漏极；所述的第四mos管寄生二极管d4的阳极连接第四mos管q4的源极，第四mos管寄生二极管d4的阴极连接第四mos管q4的源极。

当输入为交流电源，将第一转换开关s1连接至交流源vac，将第二转换开关s2连接至第二mos管q2的漏极，此时第一mos管q1、第二mos管q2、第三mos管q3和第四mos管q4组成半桥同步整流电路；

当输入为直流电源，将第一转换开关s1连接至直流源vdc，将第二转换开关s2连接至第一储能电感l1的输入端，此时第三mos管q3、第四mos管q4、第一功率二极管d5和第二功率二极管d6组成交错并联boost电路。

本发明还提供一种多源融合功率变换拓扑方法，包含以下步骤：

当输入为交流电源，将第一转换开关s1连接至交流源vac，将第二转换开关s2连接至第二mos管q2的漏极，第一mos管q1、第二mos管q2、第三mos管q3和第四mos管q4组成的半桥同步整流电路工作于正半周时，控制电路控制第二mos管q2和第四mos管q4导通，第一储能电感l1充电，第二mos管寄生二极管d2导通，输出电容co放电向负载ro提供能量；半桥同步整流电路工作于正半周时，控制电路控制第二mos管q2导通，控制电路控制第四mos管q4关断，第一储能电感l1通过第一功率二极管d5向负载ro供电，同时为输出电容co充电；半桥同步整流电路工作于负半周时，控制电路控制第一mos管q1和第三mos管q3导通，第二储能电感l2充电，第一mos管寄生二极管d1导通，输出电容co放电向负载ro提供能量；半桥同步整流电路工作于正半周时，控制电路控制第一mos管q1导通，控制电路控制第三mos管q3关断，第二储能电感l2通过第二功率二极管d6向负载ro供电，同时为输出电容co充电。不仅实现了功率因数校正技术，通过级联boost拓扑技术也提高了变换器的整体效率。

当输入为直流电源，将第一转换开关s1连接至直流源vdc，将第二转换开关s2连接至第一储能电感l1的输入端，第三mos管q3、第四mos管q4、第一功率二极管d5和第二功率二极管d6组成交错并联boost电路，第一mos管q1不工作，第二mos管q2的控制端持续输入高电平信号，使第二mos管q2处于持续导通状态；当控制电路控制第三mos管q3导通，控制电路控制第四mos管q4关断，第一功率二极管d5导通，第二功率二极管d6截止；当第三mos管q3导通，第四mos管q4导通，第一功率二极管d5和第二功率二极管d6都截止，第一储能电感l1和第二储能电感l2充电，输出电容co放电向负载ro提供能量；当控制电路控制第三mos管q3关断，控制电路控制第四mos管q4导通，第一功率二极管d5截止，第二功率二极管d6导通，第一储能电感l1充电，第二储能电感l2通过第二功率二极管d6向输出电容co充电并为负ro载供电；当控制电路控制第三mos管q3关断，控制电路控制第四mos管q4关断，第一功率二极管d5和第二功率二极管d6都导通，第一储能电感l1通过第一功率二极管d5向输出电容co充电并为负载ro供电，第二储能电感l2通过第二功率二极管d6向输出电容co充电并为负ro载供电。第三mos管q3和第四mos管q4工作于交错状态，流经的电流也呈交错的状态，从而减小了电流纹波的有效值，降低了开关管工作频率。

本发明提供的一种多源融合功率变换拓扑电路既可以工作于交流源输入，也可以工作于直流源输入，以下将分别针对交流源和直流源工作模态进行分析。

当负载所需功率较大时，将第一转换开关s1连接至交流源vac，将第二转换开关s2连接至第二mos管q2的漏极。

如图2所示为交流输入源正半周，开关管q4导通，电感l1充电，电感l1电压上升，寄生二极管d2导通，输出电容co放电向负载ro提供能量。

如图3所示为交流输入源正半周，开关管q4关断，电感l1电压下降，并通过功率二极管d5向负载ro供电，同时为输出电容co充电。

如图4所示为交流输入源负半周，开关管q3导通，电感l2充电，电感l2电压上升，寄生二极管d1导通，输出电容co放电向负载ro提供能量。

如图5所示为交流输入源负半周，开关管q3关断，电感l2电压下降，并通过功率二极管d6向负载ro供电，同时为输出电容co充电。

当负载用电功率较小时，将第一转换开关s1连接至直流源vdc，将第二转换开关s2连接至第一储能电感l1的输入端。

如图6所示，开关管q3导通，开关管q4处于关断状态，功率二极管d6截止，功率二极管d5导通。此时开关管q1不参与工作，开关管q2由pwm信号输入高电平，处于持续导通状态。

如图7所示，开关管q3和开关管q4都导通，功率二极管d5和d6均截止，电感l1和电感l2电压上升并将电能转换成磁能储存起来，这时负载ro所需的能量由输出电容co提供。此时开关管q1不参与工作，开关管q2由pwm信号输入高电平，处于持续导通状态。

如图8所示，开关管q4导通，开关管q3处于关断状态，功率二极管d6导通，功率二极管d5处于截止状态，电感l1电流上升，电感l2通过功率二极管d6向输出电容co充电并为负载ro供电，其电流下降。此时开关管q1不参与工作，开关管q2由pwm信号输入高电平，处于持续导通状态。

如图9所示，开关管q3和开关管q4均关断，功率二极管d5和功率二极管d6都处于导通状态，电感l1和电感l2电流均处于下降状态，电感l1和电感l2分别通过功率二极管d5和功率二极管d6将能量释放提供负载ro用电。此时开关管q1不参与工作，开关管q2由pwm信号输入高电平，处于持续导通状态。

本发明提出一种航天器新型多源融合功率变换拓扑技术，将交流变换和直流变换功能集成在一起，基于交错并联boost拓扑电路，通过对开关管q3和开关管q4的功能复用，与开关管q1和开关管q2共同实现半桥同步整流，既满足以核电源为代表的交流源功率变换需求，又适用于以太阳电池为代表的直流能源系统。

尽管本发明的内容已经通过上述优选实施例作了详细介绍，但应当认识到上述的描述不应被认为是对本发明的限制。在本领域技术人员阅读了上述内容后，对于本发明的多种修改和替代都将是显而易见的。因此，本发明的保护范围应由所附的权利要求来限定。