一种基于耦合电感的二次型高增益三端口DC-DC变换器

本发明属于电力电子变换器领域，具体涉及一种基于耦合电感的二次型高增益三端口dc-dc变换器。

背景技术：

1、能源问题关乎人类社会的发展，随着传统化石能源的开发与利用，能源短缺和环境污染问题不断加重，世界各国纷纷展开对太阳能、风能、潮汐能、地热能、氢能等各种新能源的研究。然而，新能源具有间歇性和动态响应慢等问题，往往需要增加储能装置组成混合供电系统来提高供电的稳定性。为实现新能源端口、储能端口和负载端口之间的能量流动，需设计相应的功率变换器，传统方法多采用多个分立的功率变换单元，这存在体积大、成本高、不易控制等缺点。而集成三端口dc-dc变换器可通过一个变换器实现三个端口之间的功率流动，具有体积小、成本低、集成度高、方便控制等优点。

2、三端口dc-dc变换器可分为隔离型和非隔离型。隔离型变换器由于变压器的使用可以获得较高电压增益，但存在体积大和电磁损耗等问题。在低功率的新能源应用场合，非隔离型三端口dc-dc变换器具有不可比拟的优势。但是传统非隔离三端口变换器具有电压增益低、开关管电压应力大等不足。

技术实现思路

1、本发明的目的在于提供一种基于耦合电感的二次型高增益三端口dc-dc变换器，针对传统非隔离型三端口dc-dc变换器电压增益较低的问题，本发明采用耦合电感单元与二次型升压结构来提高电压增益，避免开关管的极限占空比，同时应用开关电容单元降低电压应力，吸收漏感能量，提高变换器的效率，扩大变换器的应用范围。

2、实现本发明目的的技术解决方案为：一种基于耦合电感的二次型高增益三端口dc-dc变换器，包括第一输入源vfc、第二输入源vb、输入电感lin、耦合电感、第一二极管d1、第二二极管d2、第三二极管d3、第四二极管d4、第五二极管d5、第六二极管d6、第七二极管d7、第一功率开关管s1、第二功率开关管s2、第三功率开关管s3、第一电容c1、第二电容c2、第三电容c3、第四电容c4、负载r。

3、其中，第一输入源vfc的正极接输入电感lin的一端，第一输入源vfc的负极接第一电容c1的负极，第一二极管d1的阴极接第一电容c1的正极和耦合电感一次侧绕组同名端，第一二极管d1的阳极接输入电感lin的另一侧和第二二极管d2的阳极，第二二极管d2的阴极接耦合电感一次侧绕组的非同名端，第二输入源vb的正极接第三二极管d3的阴极和第三功率开关管s3的漏极，第二输入源vb的负极接第四二极管d4的阳极和第二功率开关管s2的源极，第三二极管d3的阳极和第二功率开关管s2的漏极接第二二极管d2的阴极，第三功率开关管s3的源极和第四二极管d4的阴极接第一功率开关管s1的漏极，第一功率开关管s1的源极接第一输入源vfc的负极，第五二极管d5的阳极和耦合电感二次侧绕组同名端接第二二极管d2的阴极，耦合电感二次侧绕组非同名端接第二电容c2的负极，第五二极管d5的阴极接第六二极管d6的阳极，第六二极管d6的阴极接第二电容c2的正极，第七二极管d7的阳极接第六二极管d6的阴极，第七二极管d7的阴极接第三电容c3的正极和负载r的正极，第三电容c3的负极接第四电容c4的正极，第四电容c4的负极接第一输入源vfc的负极，负载r的正极接第三电容c3的正极，负载r的负极接第四电容c4的负极和第一输入源vfc的负极。

4、所述输入电感lin、第一二极管d1，第一电容c1、第二二极管d2、耦合电感一次侧绕组np、第一功率开关管s1、第四二极管d4、第二功率开关管s2构成二次型升压结构，可以满足第一输入源vfc输入电流连续，提升电压增益，实现宽范围电压输入的应用要求；所述第三二极管d3、第四二极管d4、第一功率开关管s1、第二输入源vb构成蓄电池充电路径，第一功率开关管s1、第二功率开关管s2、第三功率开关管s3、第二输入源vb构成蓄电池放电路径；所述第五二极管d5、第六二极管d6、第二电容c2、第四电容c4、耦合电感二次侧绕组构成耦合电感开关电容倍压单元，提供较高的电压增益。

5、本发明与现有技术相比，其显著优点为：

6、(1)本发明通过一个集成的三端口dc-dc变换器实现了两个电源和一个负载之间的能量流动，减少了器件数量，降低了成本，提高了系统的集成度。

7、(2)本发明所提变换器可通过调节耦合电感匝比来调节增益，避免了开关管的极限占空比，同时可以取得低电压应力，降低电容充电时的电流尖峰。

8、(3)本发明通过控制功率开关管的导通与关断，改变电路中电容的连接方式和二极管的通断情况，达到提高增益和吸收耦合电感漏感能量的效果。

技术特征：

1.一种基于耦合电感的二次型高增益三端口dc-dc变换器，其特征在于，包括第一输入源vfc、第二输入源vb、二次型升压结构、蓄电池充电结构、蓄电池放电结构以及耦合电感开关电容倍压单元，所述第一输入源vfc的两端与二次型升压结构的输入端连接，所述二次型升压结构包括输入电感lin、第一二极管d1，第一电容c1、第二二极管d2、耦合电感一次侧绕组np、第一功率开关管s1、第四二极管d4、第二功率开关管s2，所述蓄电池充电结构包括第三二极管d3、第四二极管d4、第一功率开关管s1、第二输入源vb，所述蓄电池放电结构包括第一功率开关管s1、第二功率开关管s2、第三功率开关管s3、第二输入源vb，所述耦合电感开关电容倍压单元包括第五二极管d5、第六二极管d6、第二电容c2、第四电容c4、耦合电感二次侧绕组，其中，第一输入源vfc的正极接输入电感lin的一端，第一输入源vfc的负极接第一电容c1的负极，第一二极管d1的阴极接第一电容c1的正极和耦合电感一次侧绕组同名端，第一二极管d1的阳极接输入电感lin的另一端和第二二极管d2的阳极，第二二极管d2的阴极接耦合电感一次侧绕组的非同名端，第二输入源vb的正极接第三二极管d3的阴极和第三功率开关管s3的漏极，第二输入源vb的负极接第四二极管d4的阳极和第二功率开关管s2的源极，第三二极管d3的阳极和第二功率开关管s2的漏极接第二二极管d2的阴极，第三功率开关管s3的源极和第四二极管d4的阴极接第一功率开关管s1的漏极，第一功率开关管s1的源极接第一输入源vfc的负极，第五二极管d5的阳极和耦合电感二次侧绕组同名端接第二二极管d2的阴极，耦合电感二次侧绕组非同名端接第二电容c2的负极，第五二极管d5的阴极接第六二极管d6的阳极，第六二极管d6的阴极接第二电容c2的正极，第七二极管d7的阳极接第六二极管d6的阴极，第七二极管d7的阴极接第三电容c3的正极和负载rl的正极，第三电容c3的负极接第四电容c4的正极，第四电容c4的负极接第一输入源vfc的负极，负载rl的正极接第三电容c3的正极，负载rl的负极接第四电容c4的负极和第一输入源vfc的负极。

2.根据权利要求1所述的基于耦合电感的二次型高增益三端口dc-dc变换器，其特征在于：通过控制第一功率开关管s1、第二功率开关管s2、第三功率开关管s3的开通关断状态，变换器具有三种工作模式，分别为单输入单输出模式、单输入双输出模式、双输入单输出模式，在一个开关周期内，当第二功率开关管s2保持开通状态并且第三功率开关管s3保持关断状态，第一功率开关管s1为可调的功率开关管，变换器工作于单输入单输出模式，此时第一输入源vfc提供的功率经过二次型结构、耦合电感开关电容倍压单元流向负载r，向负载r供电；在一个开关周期内，当第三功率开关管s3保持关断状态，第一功率开关管s1和第二功率开关管s2为可调的功率开关管，变换器工作于单输入双输出模式，此时第一输入源vfc提供的功率经过二次型结构、耦合电感开关电容倍压单元流向负载r，给负载r供电，第一输入源vfc提供的功率经过二次型结构流向第二输入源vb，给第二输入源vb充电；在一个开关周期内，当第二功率开关管s2保持开通状态，第一功率开关管s1和第三功率开关管s3为可调的功率开关管，变换器工作于双输入单输出模式，此时第一输入源vfc与第二输入源vb串联，经过二次型结构、耦合电感开关电容倍压单元向负载r供电。

3.根据权利要求2所述的基于耦合电感的二次型高增益三端口dc-dc变换器，其特征在于，单输入单输出模式，在一个开关周期内，通过控制第一功率开关管s1的开通关断有五种工作模态，其中：在第一模态下，第一功率开关管s1导通，在这个过程中，第七二极管d7由于耦合电感漏感的原因继续导通，第五二极管d5和第六二极管d6关断；在第二模态下，第一功率开关管s1导通，第六二极管d6导通，第五二极管d5和第七二极管d7关断，第一输入源vfc为输入电感lin充电，第一电容c1为耦合电感一次侧充电，第四电容c4联合耦合电感二次侧绕组为第二电容c2充电，负载由第三电容c3和第四电容c4提供能量；在第三模态下，第一功率开关管s1关断，第一二极管d1、第五二极管d5、第六二极管d6导通，第二二极管d2、第七二极管d7截止；这个过程中，第四电容c4通过第五二极管d5吸收漏感的部分能量；在第四模态下，第一功率开关管s1关断，第六二极管d6断开，第一二极管d1、第五二极管d5、第七二极管d7导通，第一输入源vfc与输入电感lin串联为第一电容c1充电，同时第一输入源vfc、输入电感lin、耦合电感、第二电容c2串联为负载r提供能量；在第五模态下，第五二极管d5由于电流下降到零而截止。

4.根据权利要求2所述的基于耦合电感的二次型高增益三端口dc-dc变换器，其特征在于，单输入双输出模式下通过控制第一功率开关管s1与第二功率开关管s2的开通关断，有六种工作模态；其中：在第一模态下，第一功率开关管s1导通，第二功率开关管s2关断，在这个过程中，第七二极管d7由于耦合电感漏感的原因继续导通，第五二极管d5和第六二极管d6关断；在第二模态下，第一功率开关管s1导通，第二功率开关管s2关断，第七二极管d7关断，第五二极管d5和第六二极管d6截止，第一输入源vfc为输入电感lin与蓄电池vb充电，第一电容c1与耦合电感串联为蓄电池vb充电，负载由第三电容c3和第四电容c4提供能量；在第三模态下，第二功率开关管s2导通，第一功率开关管s1导通，第六二极管d6导通，第五二极管d5和第七二极管d7关断，第一输入源vfc为输入电感lin充电，第一电容c1为耦合电感一次侧充电，第四电容c4联合耦合电感二次侧绕组为第二电容c2充电，负载由第三电容c3和第四电容c4提供能量；在第四模态下，第一功率开关管s1关断，第二功率开关管s2关断，第一二极管d1、第五二极管d5、第六二极管d6导通，第二二极管d2、第七二极管d7截止；这个；过程中，第四电容c4通过第五二极管d5吸收漏感的部分能量；在第五模态下，第一功率开关管s1关断，第二功率开关管s2关断，第六二极管d6断开，第一二极管d1、第五二极管d5、第七二极管d7导通，第一输入源vfc与输入电感lin串联为第一电容c1充电，同时第一输入源vfc、输入电感lin、耦合电感、第二电容c2串联为负载r提供能量；在第六模态下，第五二极管d5由于电流下降到零而截止。

5.根据权利要求2所述的基于耦合电感的二次型高增益三端口dc-dc变换器，其特征在于，双输入单输出模式在一个开关周期内，第二功率开关管s2一直处于开通状态，通过控制第一功率开关管s1与第三功率开关管s3的开通关断，此模式有六种工作模态，其中：在第一模态下，第一功率开关管s1开通，第三功率开关管s3开通，在这个过程中，第七二极管d7由于耦合电感漏感的原因继续导通，第五二极管d5和第六二极管d6关断；在第二模态下，第一功率开关管s1开通，第三功率开关管s3开通，第七二极管d7关断，第五二极管d5和第六二极管d6截止，第一输入源vfc与为蓄电池vb串联为输入电感lin充电，第一电容c1与蓄电池vb串联为耦合电感一次侧充电，第四电容c4与蓄电池vb、耦合电感二次侧串联为第二电容c2充电，负载由第三电容c3和第四电容c4提供能量；在第三模态下，第三功率开关管s3关断，第一功率开关管s1开通，第六二极管d6导通，第五二极管d5和第七二极管d7关断，第一输入源vfc为输入电感lin充电，第一电容c1为耦合电感一次侧充电，第四电容c4联合耦合电感二次侧绕组为第二电容c2充电，负载由第三电容c3和第四电容c4提供能量；在第四模态下，第三功率开关管s3关断，第一功率开关管s1导通，第六二极管d6断开；在第五模态下，第一功率开关管s1关断，第三功率开关管s3关断，第一二极管d1、第五二极管d5、第七二极管d7导通，第一输入源vfc与输入电感lin串联为第一电容c1充电，同时第一输入源vfc、输入电感lin、耦合电感、第二电容c2串联为负载r提供能量；在第六模态下，第五二极管d5由于电流下降到零而截止。

技术总结
本发明公开了一种基于耦合电感的二次型高增益三端口DC‑DC变换器，属于电力电子变换器领域。该变换器设有燃料电池FC、蓄电池Bat和电阻负载R三个端口，在Boost变换器基础上，采用二次型结构，同时结合耦合电感倍压单元，通过控制3个开关管的通断，改变电路中耦合电感、电容的连接方式以及二极管的通断情况，从而提高FC端口到R端口、Bat端口到R端口的电压增益。本发明具有输入电流连续、电压增益高、输入输出共地、集成度高和稳定性高等优点，适用于燃料电池、光伏电池等新能源混合发电系统。

技术研发人员：戚志东,柏理音,胡西瑞,周轩浩,储开慧,单梁,徐胜元
受保护的技术使用者：南京理工大学
技术研发日：
技术公布日：2024/2/25