双输入直流变换器的制作方法
专利名称：双输入直流变换器的制作方法
技术领域：
本发明涉及功率变换器中的三种双输入直流变换器，属于电力电子变换器领域。
背景技术：
随着能源危机和环境污染问题日益严重，太阳能、风能、燃料电池等新能源发电技 术成为世界各国关注和研究的热点。研究和利用新能源发电技术是解决能源危机和环境污染的有效措施，但大多数新 能源受到气候条件的限制，存在能量密度低、电力供应不稳定、不连续等缺点。为了克服上 述缺点，可以采用新能源联合发电，利用各种新能源之间或新能源与其它能源之间的互补 性，从而获得较为稳定的电能，如风光互补发电系统、光伏-市电联合供电系统等。为了使 多个输入源联合起来向负载供电，一般需要采用多个变换器组合构成系统，采用该种方式 的系统体积、重量大，分散控制、系统动态响应速度慢。为了解决上述问题，研究人员提出了 多输入变换器的概念。双输入变换器是多输入变换器中最典型的一种，通过采用双输入变 换器可以实现两个输入源联合向负载供电，具有系统集成度高、效率高等优点。如 文 献"Yuan-Chuan Liu, Yaow-Ming Chen. A systematic approach to synthesizing multi-input DC-DC converters, IEEE Transactions on Power Electronics, 2009,24(1) :116-127" R 文 K"Yan Li, Xinbo Ruan, Dongsheng Yang, Fuxin Liu and Chi K.Tse. Synthesis of multiple-input DC/DC converters, IEEE Transactions on Power Electronics, 2010, 25 (9) :2372_2385”分别提出了多输入变换器 的拓扑生成方法，并构造了多种多输入直流变换器拓扑，上述两篇文献中多输入直流变换 器的构造方法类似，在构造的多输入直流变换器中，特别是输入源和负载全部隔离的多输 入直流变换器，其所用的器件数目多、器件利用率低，且电路结构、控制等均较为复杂。
发明内容
本发明针对现有多输入直流变换器存在的缺陷，而提出三种器件数量少、器件利 用率高、电路结构简单且控制简单的双输入直流变换器。第一种双输入直流变换器的结构包括第一和第二输入源、第一至第四开关管、隔 直电容、变压器、第一和第二二极管、滤波电感及滤波电容，其中第一开关管的漏极连接第 一输入源的正极，第二开关管的源极连接第一输入源的负极，第三开关管的漏极连接第二 输入源的正极，第四开关管的源极分别连接第二输入源的负极和第一输入源的负极，第一 开关管的源极分别连接第二开关管的漏极和隔直电容的一端；所述变压器由原边绕组及第 一和第二副边绕组组成，原边绕组的同名端分别连接第三开关管的源极和第四开关管的漏 极，原边绕组的非同名端连接隔直电容的另一端，第一副边绕组的同名端连接第一二极管 的阳极，第二副边绕组的非同名端连接第二二极管的阳极，第一二极管的阴极分别连接第 二二极管的阴极和滤波电感的一端，滤波电感的另一端分别连接滤波电容的一端和负载的 一端，第一副边绕组的非同名端分别连接第二副边绕组的同名端、滤波电容的另一端和负载的另一端。第二种双输入直流变换器的结构包括第一和第二输入源、第一至第四开关管、谐 振电容、谐振电感、变压器、第一和第二二极管及滤波电容，其中第一开关管的漏极连接 第一输入源的正极，第二开关管的源极连接第一输入源的负极，第三开关管的漏极连接第 二输入源的正极，第四开关管的源极分别连接第二输入源的负极和第一输入源的负极，第 一开关管的源极分别连接第二开关管的漏极和谐振电容的一端，谐振电容的另一端连接谐 振电感的一端；所述变压器由原边绕组及第一和第二副边绕组组成，原边绕组的同名端分 别连接第三开关管的源极和第四开关管的漏极，原边绕组的非同名端连接谐振电感的另一 端，第一副边绕组的同名端连接第一二极管的阳极，第二副边绕组的非同名端连接第二二 极管的阳极，第一二极管的阴极分别连接第二二极管的阴极、滤波电容的一端和负载的一 端，第一副边绕组的非同名端分别连接第二副边绕组的同名端、滤波电容的另一端和负载 的另一端。第三种双输入直流变换器的结构包括第一和第二输入源、第一和第二开关管、隔 直电容、变压器、第一和第二二极管、滤波电感及滤波电容，其中第一开关管的漏极连接 第一输入源的正极，第二开关管的源极连接第二输入源的负极，第一开关管的源极分别连 接第二开关管的漏极和隔直电容的一端；所述变压器由原边绕组及第一和第二副边绕组组 成，原边绕组的同名端连接隔直电容的另一端，原边绕组的非同名端分别连接第一输入源 的负极和第二输入源的正极，第一副边绕组的同名端连接第一二极管的阳极，第二副边绕 组的非同名端连接第二二极管的阳极，第一二极管的阴极分别连接第二二极管的阴极和滤 波电感的一端，滤波电感的另一端分别连接滤波电容的一端和负载的一端，第一副边绕组 的非同名端分别连接第二副边绕组的同名端、滤波电容的另一端和负载的另一端。本发明具有如下技术效果(1)两个输入源可以各自独立向负载供电，也可以同时向负载供电。(2)输入源与负载电气隔离，变换器输出负载侧匹配能力强，可以适应不同应用场 合的应用需求。(3)两个输入源共用变压器原边绕组，变换器拓扑结构简单、所用开关器件数量 少、器件利用率高、功率密度高、体积小、成本低；(4)变换器控制简单，实现容易。
图1为本发明第一种双输入直流变换器的电路原理图。图2为本发明第二种双输入直流变换器的电路原理图。图3为本发明第三种双输入直流变换器的电路原理图。图4(a)为图1所示变换器的第一输入源单独向负载供电时的等效电路图；图 4(b)为图1所示变换器的第二输入源单独向负载供电时的等效电路图。图5(a) (c)为图1所示变换器的第一输入源单独向负载供电时各工作模态的 等效电路图。图6为图1所示变换器的第一输入源单独向负载供电时的原理波形图。图7(a) (c)为图1所示变换器的两个输入源共同向负载供电时各工作模态的等效电路图。图8为图1所示变换器的两个输入源共同向负载供电时的原理波形图。以上附图中的符号名称Vinl、Vin2分别为第一、第二输入源J^i^Sy、分别为第 一、第二、第三、第四开关管；T为变压器；Np为变压器原边绕组；NS1、Ns2分别为变压器第一、 第二副边绕组；Cb为隔直电容；C；为谐振电容A为谐振电感；Dp D2分别为第一、第二二极 管；C0为滤波电容；L。为滤波电感；R。为负载力S1、Ves2、Ves3、Ves4分别为第一、第二、第三、第 四开关管的驱动电压；V。为输出电压；va为隔直电容两端的电压；vNP为变压器原边绕组电 压；iP为变压器原边绕组电流；、为滤波电感电流；t、t0 t4为时间。
具体实施例方式下面结合附图对本发明作出进一步说明。如图1所示，本发明的第一种双输入直流变换器，包括第一和第二输入源Vinl、Vin2， 第一至第四开关管Si、S2, S3、S4,隔直电容Cb，变压器T，第一和第二二极管Dp D2,滤波电感 L0及滤波电容C。，其中第一开关管S1的漏极连接第一输入源Vinl的正极，第二开关管&的 源极连接第一输入源Vinl的负极，第三开关管&的漏极连接第二输入源Vin2的正极，第四开 关管、的源极分别连接第二输入源Vin2的负极和第一输入源Vinl的负极，第一开关管S1的 源极分别连接第二开关管&的漏极和隔直电容Cb的一端；所述变压器T由原边绕组Np及 第一和第二副边绕组NS1、Ns2组成，原边绕组Np的同名端分别连接第三开关管&的源极和 第四开关管、的漏极，原边绕组Np的非同名端连接隔直电容Cb的另一端，第一副边绕组Nsi 的同名端连接第一二极管D1的阳极，第二副边绕组Ns2的非同名端连接第二二极管&的阳 极，第一二极管D1的阴极分别连接第二二极管&的阴极和滤波电感L。的一端，滤波电感L。 的另一端分别连接滤波电容C。的一端和负载I 。的一端，第一副边绕组Nsi的非同名端分别 连接第二副边绕组Ns2的同名端、滤波电容C。的另一端和负载I 。的另一端。如图2所示，本发明的第二种双输入直流变换器，包括第一和第二输入源Vinl、Vin2， 第一至第四开关管Si、S2, S3、S4，谐振电容(；，谐振电感Lp变压器T，第一和第二二极管Dp D2及滤波电容C。，其中第一开关管S1的漏极连接第一输入源Vinl的正极，第二开关管&的 源极连接第一输入源Vinl的负极，第三开关管&的漏极连接第二输入源Vin2的正极，第四开 关管、的源极分别连接第二输入源Vin2的负极和第一输入源Vinl的负极，第一开关管S1的 源极分别连接第二开关管&的漏极和谐振电容C；的一端，谐振电容C；的另一端连接谐振 电感k的一端；所述变压器T由原边绕组Np及第一和第二副边绕组NS1、NS2组成，原边绕组 Np同名端分别连接第三开关管&的源极和第四开关管、的漏极，原边绕组Np的非同名端 连接谐振电感k的另一端，第一副边绕组Nsi的同名端连接第一二极管D1的阳极，第二副边 绕组Ns2的非同名端连接第二二极管&的阳极，第一二极管D1的阴极分别连接第二二极管 D2的阴极、滤波电容C。的一端和负载I 。的一端，第一副边绕组Nsi的非同名端分别连接第二 副边绕组Ns2的同名端、滤波电容C。的另一端和负载R。的另一端。如图3所示，本发明的第三种双输入直流变换器，包括第一和第二输入源Vinl、Vin2， 第一和第二开关管SpS2,隔直电容Cb，变压器T，第一和第二二极管DpD2,滤波电感L。及滤 波电容C。，其中第一开关管S1的漏极连接第一输入源Vinl的正极，第二开关管&的源极连 接第二输入源Vin2的负极，第一开关管S1的源极分别连接第二开关管&的漏极和隔直电容Cb的一端；所述变压器T由原边绕组Np及第一和第二副边绕组^、NS2组成，原边绕组Np的 同名端连接隔直电容Cb的另一端，原边绕组Np的非同名端分别连接第一输入源Vinl的负极 和第二输入源Vin2的正极，第一副边绕组Nsi的同名端连接第一二极管D1的阳极，第二副边 绕组Ns2的非同名端连接第二二极管&的阳极，第一二极管D1的阴极分别连接第二二极管 D2的阴极和滤波电感L0的一端，滤波电感L。的另一端分别连接滤波电容C。的一端和负载 R0的一端，第一副边绕组Nsi的非同名端分别连接第二副边绕组Ns2的同名端、滤波电容C。 的另一端和负载R。的另一端。具体实施时，开关管可以采用金属氧化物半导体场效应晶体管M0SFET，对于功率 较大、电压等级较高的应用场合，开关管也可以采用IGBT。本发明的第一和第二种变换器电 路设计可以参照现有的全桥变换器，本发明的第三种变换器电路设计可参照现有的半桥变 换器。本发明的第一、第二种双输入直流变换器的两个输入源可以各自独立向负载供 电，也可以同时向负载供电，第三种双输入直流变换器用于两个输入源同时向负载供电。下面以图1所示的双输入直流变换器为例，来说明本发明的具体工作原理。假设滤波电容C。足够大，输出电压V。为平滑的直流，隔直电容Cb足够大，隔直电容 Cb上的电Sva也为平滑的直流，变压器原、副边绕组匝数比满足Np Nsi Ns2=I η η, η为正数。当第一输入源Vinl独立向负载供电时，第三开关管& 一直关断，第四开关管、一 直导通，变换器等效电路如图4(a)所示；当第二输入源Vin2独立向负载供电时，第一开关管 S1 一直关断，第二开关管& 一直导通，变换器等效电路如图4(b)所示。上述两种单一输入源向负载独立供电的情况下，变换器的工作原理类似。下面以 第一输入源Vinl独立向负载供电为例来说明变换器的具体工作原理。在该种方式下，通过 调节第一、第二开关管S1A2的占空比实现输出电压V。的调节，电路可以采取多种PWM调制 策略，如第一、第二开关管Sp &可以互补导通，也可以按照相等的占空比交错180°导通， 下面分析变换器采取第一、第二开关管S1A2相等占空比交错180°导通的PWM控制策略时 的工作过程。变换器在一个开关周期内共有四种开关模态，其原理波形如图6所示。模态1 [t0 tj :t0时刻之前，开关管S1及S2都关断，t0时刻，开关管S1导通，同 时第一二极管D1关断，变换器等效电路如图5 (a)所示，变压器原边绕组电压vNP = Vinl-Vcb, 电感电流、线性上升；模态2[、 t2] 时刻，开关管S1关断，第一、第二二极管Dp D2导通，变压器原 边绕组电压Vnp等于0，原边绕组电流iP等于0，电感电流、通过第一、第二二极管DpD2续 流，电感电流、线性下降，变换器等效电路如图5(b)所示；模态3[t2 t3] :t2时刻，开关管&导通，同时第二二极管D2关断，变压器等效电 路如图5(C)所示，变压器原边绕组电压vNP = -Vcb,电感电流、线性上升；模态4[t3 t4] :t3时亥lj，开关管&关断，第一、第二二极管Dp D2导通，变换器工 作过程和等效电路与模态2完全相同。根据变压器及滤波电感伏秒平衡关系可知，稳态时，隔直电容Vb上的电压va = Vinl/2，输出电压V。= 2nDVinl，其中=D为开关管S1与S2的占空比；η同上文中η，下同。
6
当两个输入源共同向负载供电时，变换器也可以采用多种PWM调制方式。下面以 S1^S4同时导通与关断，S2A3同时导通与关断，所有开关管占空比都相等的PWM调制方式为 例，对其具体工作原理进行说明。两个输入源共同向负载供电时，变换器的工作方式与单一输入源向负载供电方式 相似，在一个开关周期内共有四种开关模态，变换器原理波形如图8所示。模态1 [t0 tj :t0时刻之前，开关管S1 S4都关断，t0时刻，开关管S”S4导通，同 时第一二极管D1关断，变换器等效电路如图7 (a)所示，变压器原边绕组电压vNP = Vinl-Vcb, 电感电流、线性上升；模态2[、 t2] 时刻，开关管S1A4关断，第一、第二二极管D1A2导通，变压器 原边绕组电压Vnp等于0，原边绕组电流iP等于0，电感电流、通过第一、第二二极管DpD2 续流，电感电流、线性下降，变换器等效电路如图7(b)所示；模态3[t2 t3] :t2时刻，开关管S2A3导通，同时第二二极管D2关断，变压器等效 电路如图7(c)所示，变压器原边绕组电压vNP = Vin2-Vcb,电感电流、线性上升；模态4[t3 t4] :t3时亥lj，开关管S2、&关断，第一、第二二极管D^D2导通，变换器 工作过程和等效电路与模态2完全相同。根据变压器及滤波电感伏秒平衡关系可知，稳态时，隔直电容Cb上的电压va = (Vinl-Vin2)/2，输出电压V。= nD’(Vinl+Vin2)，其中D’为开关管S1 、的占空比。
权利要求
1.一种双输入直流变换器，其特征在于包括第一和第二输入源(κ^、κ^2)、第一至第 四开关管(&、&、α、5·4)、隔直电容⑷)、变压器σ)、第一和第二二极管(Α、込)、滤波电感 (、)及滤波电容(O，其中第一开关管(乂)的漏极连接第一输入源(Ftol)的正极，第二 开关管( )的源极连接第一输入源(Ktol)的负极，第三开关管(S3)的漏极连接第二输入 源的正极，第四开关管( )的源极分别连接第二输入源(^32)的负极和第一输入源 (G1)的负极，第一开关管(S1)的源极分别连接第二开关管( )的漏极和隔直电容(G)的一 端；所述变压器(Π由原边绕组(4)及第一和第二副边绕组OVf Ns2)组成，原边绕组(怂) 的同名端分别连接第三开关管(S3)的源极和第四开关管( )的漏极，原边绕组(怂)的非同 名端连接隔直电容(G)的另一端，第一副边绕组(A1)的同名端连接第一二极管(A)的阳 极，第二副边绕组(M2)的非同名端连接第二二极管(丛)的阳极，第一二极管(A)的阴极分 别连接第二二极管(丛)的阴极和滤波电感(、)的一端，滤波电感(、)的另一端分别连接滤 波电容(G)的一端和负载(凡)的一端，第一副边绕组(A1)的非同名端分别连接第二副边 绕组(A2)的同名端、滤波电容(C；)的另一端和负载(凡)的另一端。
2.一种双输入直流变换器，其特征在于包括第一和第二输入源(Κ^、Κ^2)、第一至第 四开关管丨知知知乂乂谐振电容化丄谐振电感⑷^变压器^乂第一和第二二极管⑷、 D2)及滤波电容(6；)，其中第一开关管)的漏极连接第一输入源(Vinl)的正极，第二开关 管( )的源极连接第一输入源(Vinl)的负极，第三开关管(S3)的漏极连接第二输入源(Vln2) 的正极，第四开关管(S4)的源极分别连接第二输入源(Vln2)的负极和第一输入源(Vlnl)的负 极，第一开关管(S1)的源极分别连接第二开关管( )的漏极和谐振电容(G)的一端，谐振 电容(G)的另一端连接谐振电感(4)的一端；所述变压器(Π由原边绕组(怂)及第一和第 二副边绕组(MpM2)组成，原边绕组(怂)的同名端分别连接第三开关管(S3)的源极和第四 开关管( )的漏极，原边绕组(4)的非同名端连接谐振电感(4)的另一端，第一副边绕组 (A1)的同名端连接第一二极管(A)的阳极，第二副边绕组(A2)的非同名端连接第二二极 管(込)的阳极，第一二极管(A)的阴极分别连接第二二极管(込)的阴极、滤波电容(G)的 一端和负载(兄)的一端，第一副边绕组(A1)的非同名端分别连接第二副边绕组(M2)的同 名端、滤波电容(G)的另一端和负载(凡)的另一端。
3.一种双输入直流变换器，其特征在于包括第一和第二输入源(Κ^、Κ^2)、第一和第 二开关管(乂、&)、隔直电容吣)、变压器(Π、第一和第二二极管(仏、込)、滤波电感(、)及 滤波电容(O，其中第一开关管的漏极连接第一输入源(Ktol)的正极，第二开关管 ( )的源极连接第二输入源(Kto2)的负极，第一开关管(乂)的源极分别连接第二开关管( ) 的漏极和隔直电容(G)的一端；所述变压器(r)由原边绕组(怂)及第一和第二副边绕组 (U,2)组成，原边绕组㈧)的同名端连接隔直电容(G)的另一端，原边绕组Op的非同 名端分别连接第一输入源(Ktol)的负极和第二输入源(G2)的正极，第一副边绕组(M1)的 同名端连接第一二极管(A)的阳极，第二副边绕组(A2)的非同名端连接第二二极管(丛)的 阳极，第一二极管(A)的阴极分别连接第二二极管(込)的阴极和滤波电感(、)的一端，滤 波电感(、)的另一端分别连接滤波电容(G)的一端和负载(凡)的一端，第一副边绕组(M1) 的非同名端分别连接第二副边绕组(A2)的同名端、滤波电容(G)的另一端和负载(凡)的 另一端。
全文摘要
本发明公开了三种双输入直流变换器，属于电力电子变换器领域。所述三种变换器的结构均是由两个输入源、开关管、变压器及副边电路等构成，两个输入源共地且位于变压器原边，输入源与负载通过变压器电气隔离。本发明变换器所用的两个输入源可各自单独向负载供电，也可以同时向负载供电，变换器负载匹配能力强，两个输入源共用变压器原边，开关器件数量少，变换效率高，尤其适用于新能源发电系统等领域。
文档编号H02M3/335GK102097943SQ20101059252
公开日2011年6月15日 申请日期2010年12月17日 优先权日2010年12月17日
发明者吴红飞, 邢岩 申请人:南京航空航天大学
技术领域：
本发明涉及功率变换器中的三种双输入直流变换器，属于电力电子变换器领域。
背景技术：
随着能源危机和环境污染问题日益严重，太阳能、风能、燃料电池等新能源发电技 术成为世界各国关注和研究的热点。研究和利用新能源发电技术是解决能源危机和环境污染的有效措施，但大多数新 能源受到气候条件的限制，存在能量密度低、电力供应不稳定、不连续等缺点。为了克服上 述缺点，可以采用新能源联合发电，利用各种新能源之间或新能源与其它能源之间的互补 性，从而获得较为稳定的电能，如风光互补发电系统、光伏-市电联合供电系统等。为了使 多个输入源联合起来向负载供电，一般需要采用多个变换器组合构成系统，采用该种方式 的系统体积、重量大，分散控制、系统动态响应速度慢。为了解决上述问题，研究人员提出了 多输入变换器的概念。双输入变换器是多输入变换器中最典型的一种，通过采用双输入变 换器可以实现两个输入源联合向负载供电，具有系统集成度高、效率高等优点。如 文 献"Yuan-Chuan Liu, Yaow-Ming Chen. A systematic approach to synthesizing multi-input DC-DC converters, IEEE Transactions on Power Electronics, 2009,24(1) :116-127" R 文 K"Yan Li, Xinbo Ruan, Dongsheng Yang, Fuxin Liu and Chi K.Tse. Synthesis of multiple-input DC/DC converters, IEEE Transactions on Power Electronics, 2010, 25 (9) :2372_2385”分别提出了多输入变换器 的拓扑生成方法，并构造了多种多输入直流变换器拓扑，上述两篇文献中多输入直流变换 器的构造方法类似，在构造的多输入直流变换器中，特别是输入源和负载全部隔离的多输 入直流变换器，其所用的器件数目多、器件利用率低，且电路结构、控制等均较为复杂。
发明内容
本发明针对现有多输入直流变换器存在的缺陷，而提出三种器件数量少、器件利 用率高、电路结构简单且控制简单的双输入直流变换器。第一种双输入直流变换器的结构包括第一和第二输入源、第一至第四开关管、隔 直电容、变压器、第一和第二二极管、滤波电感及滤波电容，其中第一开关管的漏极连接第 一输入源的正极，第二开关管的源极连接第一输入源的负极，第三开关管的漏极连接第二 输入源的正极，第四开关管的源极分别连接第二输入源的负极和第一输入源的负极，第一 开关管的源极分别连接第二开关管的漏极和隔直电容的一端；所述变压器由原边绕组及第 一和第二副边绕组组成，原边绕组的同名端分别连接第三开关管的源极和第四开关管的漏 极，原边绕组的非同名端连接隔直电容的另一端，第一副边绕组的同名端连接第一二极管 的阳极，第二副边绕组的非同名端连接第二二极管的阳极，第一二极管的阴极分别连接第 二二极管的阴极和滤波电感的一端，滤波电感的另一端分别连接滤波电容的一端和负载的 一端，第一副边绕组的非同名端分别连接第二副边绕组的同名端、滤波电容的另一端和负载的另一端。第二种双输入直流变换器的结构包括第一和第二输入源、第一至第四开关管、谐 振电容、谐振电感、变压器、第一和第二二极管及滤波电容，其中第一开关管的漏极连接 第一输入源的正极，第二开关管的源极连接第一输入源的负极，第三开关管的漏极连接第 二输入源的正极，第四开关管的源极分别连接第二输入源的负极和第一输入源的负极，第 一开关管的源极分别连接第二开关管的漏极和谐振电容的一端，谐振电容的另一端连接谐 振电感的一端；所述变压器由原边绕组及第一和第二副边绕组组成，原边绕组的同名端分 别连接第三开关管的源极和第四开关管的漏极，原边绕组的非同名端连接谐振电感的另一 端，第一副边绕组的同名端连接第一二极管的阳极，第二副边绕组的非同名端连接第二二 极管的阳极，第一二极管的阴极分别连接第二二极管的阴极、滤波电容的一端和负载的一 端，第一副边绕组的非同名端分别连接第二副边绕组的同名端、滤波电容的另一端和负载 的另一端。第三种双输入直流变换器的结构包括第一和第二输入源、第一和第二开关管、隔 直电容、变压器、第一和第二二极管、滤波电感及滤波电容，其中第一开关管的漏极连接 第一输入源的正极，第二开关管的源极连接第二输入源的负极，第一开关管的源极分别连 接第二开关管的漏极和隔直电容的一端；所述变压器由原边绕组及第一和第二副边绕组组 成，原边绕组的同名端连接隔直电容的另一端，原边绕组的非同名端分别连接第一输入源 的负极和第二输入源的正极，第一副边绕组的同名端连接第一二极管的阳极，第二副边绕 组的非同名端连接第二二极管的阳极，第一二极管的阴极分别连接第二二极管的阴极和滤 波电感的一端，滤波电感的另一端分别连接滤波电容的一端和负载的一端，第一副边绕组 的非同名端分别连接第二副边绕组的同名端、滤波电容的另一端和负载的另一端。本发明具有如下技术效果(1)两个输入源可以各自独立向负载供电，也可以同时向负载供电。(2)输入源与负载电气隔离，变换器输出负载侧匹配能力强，可以适应不同应用场 合的应用需求。(3)两个输入源共用变压器原边绕组，变换器拓扑结构简单、所用开关器件数量 少、器件利用率高、功率密度高、体积小、成本低；(4)变换器控制简单，实现容易。
图1为本发明第一种双输入直流变换器的电路原理图。图2为本发明第二种双输入直流变换器的电路原理图。图3为本发明第三种双输入直流变换器的电路原理图。图4(a)为图1所示变换器的第一输入源单独向负载供电时的等效电路图；图 4(b)为图1所示变换器的第二输入源单独向负载供电时的等效电路图。图5(a) (c)为图1所示变换器的第一输入源单独向负载供电时各工作模态的 等效电路图。图6为图1所示变换器的第一输入源单独向负载供电时的原理波形图。图7(a) (c)为图1所示变换器的两个输入源共同向负载供电时各工作模态的等效电路图。图8为图1所示变换器的两个输入源共同向负载供电时的原理波形图。以上附图中的符号名称Vinl、Vin2分别为第一、第二输入源J^i^Sy、分别为第 一、第二、第三、第四开关管；T为变压器；Np为变压器原边绕组；NS1、Ns2分别为变压器第一、 第二副边绕组；Cb为隔直电容；C；为谐振电容A为谐振电感；Dp D2分别为第一、第二二极 管；C0为滤波电容；L。为滤波电感；R。为负载力S1、Ves2、Ves3、Ves4分别为第一、第二、第三、第 四开关管的驱动电压；V。为输出电压；va为隔直电容两端的电压；vNP为变压器原边绕组电 压；iP为变压器原边绕组电流；、为滤波电感电流；t、t0 t4为时间。
具体实施例方式下面结合附图对本发明作出进一步说明。如图1所示，本发明的第一种双输入直流变换器，包括第一和第二输入源Vinl、Vin2， 第一至第四开关管Si、S2, S3、S4,隔直电容Cb，变压器T，第一和第二二极管Dp D2,滤波电感 L0及滤波电容C。，其中第一开关管S1的漏极连接第一输入源Vinl的正极，第二开关管&的 源极连接第一输入源Vinl的负极，第三开关管&的漏极连接第二输入源Vin2的正极，第四开 关管、的源极分别连接第二输入源Vin2的负极和第一输入源Vinl的负极，第一开关管S1的 源极分别连接第二开关管&的漏极和隔直电容Cb的一端；所述变压器T由原边绕组Np及 第一和第二副边绕组NS1、Ns2组成，原边绕组Np的同名端分别连接第三开关管&的源极和 第四开关管、的漏极，原边绕组Np的非同名端连接隔直电容Cb的另一端，第一副边绕组Nsi 的同名端连接第一二极管D1的阳极，第二副边绕组Ns2的非同名端连接第二二极管&的阳 极，第一二极管D1的阴极分别连接第二二极管&的阴极和滤波电感L。的一端，滤波电感L。 的另一端分别连接滤波电容C。的一端和负载I 。的一端，第一副边绕组Nsi的非同名端分别 连接第二副边绕组Ns2的同名端、滤波电容C。的另一端和负载I 。的另一端。如图2所示，本发明的第二种双输入直流变换器，包括第一和第二输入源Vinl、Vin2， 第一至第四开关管Si、S2, S3、S4，谐振电容(；，谐振电感Lp变压器T，第一和第二二极管Dp D2及滤波电容C。，其中第一开关管S1的漏极连接第一输入源Vinl的正极，第二开关管&的 源极连接第一输入源Vinl的负极，第三开关管&的漏极连接第二输入源Vin2的正极，第四开 关管、的源极分别连接第二输入源Vin2的负极和第一输入源Vinl的负极，第一开关管S1的 源极分别连接第二开关管&的漏极和谐振电容C；的一端，谐振电容C；的另一端连接谐振 电感k的一端；所述变压器T由原边绕组Np及第一和第二副边绕组NS1、NS2组成，原边绕组 Np同名端分别连接第三开关管&的源极和第四开关管、的漏极，原边绕组Np的非同名端 连接谐振电感k的另一端，第一副边绕组Nsi的同名端连接第一二极管D1的阳极，第二副边 绕组Ns2的非同名端连接第二二极管&的阳极，第一二极管D1的阴极分别连接第二二极管 D2的阴极、滤波电容C。的一端和负载I 。的一端，第一副边绕组Nsi的非同名端分别连接第二 副边绕组Ns2的同名端、滤波电容C。的另一端和负载R。的另一端。如图3所示，本发明的第三种双输入直流变换器，包括第一和第二输入源Vinl、Vin2， 第一和第二开关管SpS2,隔直电容Cb，变压器T，第一和第二二极管DpD2,滤波电感L。及滤 波电容C。，其中第一开关管S1的漏极连接第一输入源Vinl的正极，第二开关管&的源极连 接第二输入源Vin2的负极，第一开关管S1的源极分别连接第二开关管&的漏极和隔直电容Cb的一端；所述变压器T由原边绕组Np及第一和第二副边绕组^、NS2组成，原边绕组Np的 同名端连接隔直电容Cb的另一端，原边绕组Np的非同名端分别连接第一输入源Vinl的负极 和第二输入源Vin2的正极，第一副边绕组Nsi的同名端连接第一二极管D1的阳极，第二副边 绕组Ns2的非同名端连接第二二极管&的阳极，第一二极管D1的阴极分别连接第二二极管 D2的阴极和滤波电感L0的一端，滤波电感L。的另一端分别连接滤波电容C。的一端和负载 R0的一端，第一副边绕组Nsi的非同名端分别连接第二副边绕组Ns2的同名端、滤波电容C。 的另一端和负载R。的另一端。具体实施时，开关管可以采用金属氧化物半导体场效应晶体管M0SFET，对于功率 较大、电压等级较高的应用场合，开关管也可以采用IGBT。本发明的第一和第二种变换器电 路设计可以参照现有的全桥变换器，本发明的第三种变换器电路设计可参照现有的半桥变 换器。本发明的第一、第二种双输入直流变换器的两个输入源可以各自独立向负载供 电，也可以同时向负载供电，第三种双输入直流变换器用于两个输入源同时向负载供电。下面以图1所示的双输入直流变换器为例，来说明本发明的具体工作原理。假设滤波电容C。足够大，输出电压V。为平滑的直流，隔直电容Cb足够大，隔直电容 Cb上的电Sva也为平滑的直流，变压器原、副边绕组匝数比满足Np Nsi Ns2=I η η, η为正数。当第一输入源Vinl独立向负载供电时，第三开关管& 一直关断，第四开关管、一 直导通，变换器等效电路如图4(a)所示；当第二输入源Vin2独立向负载供电时，第一开关管 S1 一直关断，第二开关管& 一直导通，变换器等效电路如图4(b)所示。上述两种单一输入源向负载独立供电的情况下，变换器的工作原理类似。下面以 第一输入源Vinl独立向负载供电为例来说明变换器的具体工作原理。在该种方式下，通过 调节第一、第二开关管S1A2的占空比实现输出电压V。的调节，电路可以采取多种PWM调制 策略，如第一、第二开关管Sp &可以互补导通，也可以按照相等的占空比交错180°导通， 下面分析变换器采取第一、第二开关管S1A2相等占空比交错180°导通的PWM控制策略时 的工作过程。变换器在一个开关周期内共有四种开关模态，其原理波形如图6所示。模态1 [t0 tj :t0时刻之前，开关管S1及S2都关断，t0时刻，开关管S1导通，同 时第一二极管D1关断，变换器等效电路如图5 (a)所示，变压器原边绕组电压vNP = Vinl-Vcb, 电感电流、线性上升；模态2[、 t2] 时刻，开关管S1关断，第一、第二二极管Dp D2导通，变压器原 边绕组电压Vnp等于0，原边绕组电流iP等于0，电感电流、通过第一、第二二极管DpD2续 流，电感电流、线性下降，变换器等效电路如图5(b)所示；模态3[t2 t3] :t2时刻，开关管&导通，同时第二二极管D2关断，变压器等效电 路如图5(C)所示，变压器原边绕组电压vNP = -Vcb,电感电流、线性上升；模态4[t3 t4] :t3时亥lj，开关管&关断，第一、第二二极管Dp D2导通，变换器工 作过程和等效电路与模态2完全相同。根据变压器及滤波电感伏秒平衡关系可知，稳态时，隔直电容Vb上的电压va = Vinl/2，输出电压V。= 2nDVinl，其中=D为开关管S1与S2的占空比；η同上文中η，下同。
6
当两个输入源共同向负载供电时，变换器也可以采用多种PWM调制方式。下面以 S1^S4同时导通与关断，S2A3同时导通与关断，所有开关管占空比都相等的PWM调制方式为 例，对其具体工作原理进行说明。两个输入源共同向负载供电时，变换器的工作方式与单一输入源向负载供电方式 相似，在一个开关周期内共有四种开关模态，变换器原理波形如图8所示。模态1 [t0 tj :t0时刻之前，开关管S1 S4都关断，t0时刻，开关管S”S4导通，同 时第一二极管D1关断，变换器等效电路如图7 (a)所示，变压器原边绕组电压vNP = Vinl-Vcb, 电感电流、线性上升；模态2[、 t2] 时刻，开关管S1A4关断，第一、第二二极管D1A2导通，变压器 原边绕组电压Vnp等于0，原边绕组电流iP等于0，电感电流、通过第一、第二二极管DpD2 续流，电感电流、线性下降，变换器等效电路如图7(b)所示；模态3[t2 t3] :t2时刻，开关管S2A3导通，同时第二二极管D2关断，变压器等效 电路如图7(c)所示，变压器原边绕组电压vNP = Vin2-Vcb,电感电流、线性上升；模态4[t3 t4] :t3时亥lj，开关管S2、&关断，第一、第二二极管D^D2导通，变换器 工作过程和等效电路与模态2完全相同。根据变压器及滤波电感伏秒平衡关系可知，稳态时，隔直电容Cb上的电压va = (Vinl-Vin2)/2，输出电压V。= nD’(Vinl+Vin2)，其中D’为开关管S1 、的占空比。
权利要求
1.一种双输入直流变换器，其特征在于包括第一和第二输入源(κ^、κ^2)、第一至第 四开关管(&、&、α、5·4)、隔直电容⑷)、变压器σ)、第一和第二二极管(Α、込)、滤波电感 (、)及滤波电容(O，其中第一开关管(乂)的漏极连接第一输入源(Ftol)的正极，第二 开关管( )的源极连接第一输入源(Ktol)的负极，第三开关管(S3)的漏极连接第二输入 源的正极，第四开关管( )的源极分别连接第二输入源(^32)的负极和第一输入源 (G1)的负极，第一开关管(S1)的源极分别连接第二开关管( )的漏极和隔直电容(G)的一 端；所述变压器(Π由原边绕组(4)及第一和第二副边绕组OVf Ns2)组成，原边绕组(怂) 的同名端分别连接第三开关管(S3)的源极和第四开关管( )的漏极，原边绕组(怂)的非同 名端连接隔直电容(G)的另一端，第一副边绕组(A1)的同名端连接第一二极管(A)的阳 极，第二副边绕组(M2)的非同名端连接第二二极管(丛)的阳极，第一二极管(A)的阴极分 别连接第二二极管(丛)的阴极和滤波电感(、)的一端，滤波电感(、)的另一端分别连接滤 波电容(G)的一端和负载(凡)的一端，第一副边绕组(A1)的非同名端分别连接第二副边 绕组(A2)的同名端、滤波电容(C；)的另一端和负载(凡)的另一端。
2.一种双输入直流变换器，其特征在于包括第一和第二输入源(Κ^、Κ^2)、第一至第 四开关管丨知知知乂乂谐振电容化丄谐振电感⑷^变压器^乂第一和第二二极管⑷、 D2)及滤波电容(6；)，其中第一开关管)的漏极连接第一输入源(Vinl)的正极，第二开关 管( )的源极连接第一输入源(Vinl)的负极，第三开关管(S3)的漏极连接第二输入源(Vln2) 的正极，第四开关管(S4)的源极分别连接第二输入源(Vln2)的负极和第一输入源(Vlnl)的负 极，第一开关管(S1)的源极分别连接第二开关管( )的漏极和谐振电容(G)的一端，谐振 电容(G)的另一端连接谐振电感(4)的一端；所述变压器(Π由原边绕组(怂)及第一和第 二副边绕组(MpM2)组成，原边绕组(怂)的同名端分别连接第三开关管(S3)的源极和第四 开关管( )的漏极，原边绕组(4)的非同名端连接谐振电感(4)的另一端，第一副边绕组 (A1)的同名端连接第一二极管(A)的阳极，第二副边绕组(A2)的非同名端连接第二二极 管(込)的阳极，第一二极管(A)的阴极分别连接第二二极管(込)的阴极、滤波电容(G)的 一端和负载(兄)的一端，第一副边绕组(A1)的非同名端分别连接第二副边绕组(M2)的同 名端、滤波电容(G)的另一端和负载(凡)的另一端。
3.一种双输入直流变换器，其特征在于包括第一和第二输入源(Κ^、Κ^2)、第一和第 二开关管(乂、&)、隔直电容吣)、变压器(Π、第一和第二二极管(仏、込)、滤波电感(、)及 滤波电容(O，其中第一开关管的漏极连接第一输入源(Ktol)的正极，第二开关管 ( )的源极连接第二输入源(Kto2)的负极，第一开关管(乂)的源极分别连接第二开关管( ) 的漏极和隔直电容(G)的一端；所述变压器(r)由原边绕组(怂)及第一和第二副边绕组 (U,2)组成，原边绕组㈧)的同名端连接隔直电容(G)的另一端，原边绕组Op的非同 名端分别连接第一输入源(Ktol)的负极和第二输入源(G2)的正极，第一副边绕组(M1)的 同名端连接第一二极管(A)的阳极，第二副边绕组(A2)的非同名端连接第二二极管(丛)的 阳极，第一二极管(A)的阴极分别连接第二二极管(込)的阴极和滤波电感(、)的一端，滤 波电感(、)的另一端分别连接滤波电容(G)的一端和负载(凡)的一端，第一副边绕组(M1) 的非同名端分别连接第二副边绕组(A2)的同名端、滤波电容(G)的另一端和负载(凡)的 另一端。
全文摘要
本发明公开了三种双输入直流变换器，属于电力电子变换器领域。所述三种变换器的结构均是由两个输入源、开关管、变压器及副边电路等构成，两个输入源共地且位于变压器原边，输入源与负载通过变压器电气隔离。本发明变换器所用的两个输入源可各自单独向负载供电，也可以同时向负载供电，变换器负载匹配能力强，两个输入源共用变压器原边，开关器件数量少，变换效率高，尤其适用于新能源发电系统等领域。
文档编号H02M3/335GK102097943SQ20101059252
公开日2011年6月15日 申请日期2010年12月17日 优先权日2010年12月17日
发明者吴红飞, 邢岩 申请人:南京航空航天大学
最新回复(0)