各種直流變換器電路拓撲的原理與特點(diǎn)

作者：admin   發(fā)布日期：2014-05-23 09:59   信息來(lái)源：http://www.www.pcmenaggio.com

　摘 要：本文把多輸入直流變換器分為非隔離分時(shí)供電型、非隔離同時(shí)供電型、隔離分時(shí)供電型、隔離同時(shí)供電型四類(lèi)，介紹了各種電路拓撲的原理與特點(diǎn)，并論述多輸入直流變換器的研究現狀與發(fā)展。給出了全橋Boost 型雙輸入直流變換器的原理試驗波形，試驗結果表明在多種能源聯(lián)合供電場(chǎng)合具有重要的應用價(jià)值。

　　關(guān)鍵詞：多輸入,直流變換器,全橋Boost,電源                        電焊機   整流器   可控硅

　　1.引言

　　隨著(zhù)社會(huì )經(jīng)濟的不斷發(fā)展，人類(lèi)對能源的需求日益增加，使得石油、煤和天然氣等不可再生能源供應日益緊張、環(huán)境污染嚴重、導致全球氣候異常，核能用于電力發(fā)電又會(huì )產(chǎn)生核廢料污染環(huán)境、也可能產(chǎn)生核事故對人類(lèi)造成大規模影響。因此尋找新的可再生能源、開(kāi)發(fā)和利用可再生能源是人類(lèi)所面臨的最為緊迫課題之一。目前可再生能源發(fā)電主要有光伏、燃料電池、風(fēng)力、地熱等類(lèi)型，均存在電力供應不穩定、不連續、隨氣候條件變化等缺陷，但人類(lèi)對供電質(zhì)量和供電可靠性的要求越來(lái)越高，為了解決這一矛盾就必須研究并采用多種能源聯(lián)合供電的分布式供電系統。

　　傳統的可再生能源分布式供電系統，如圖1 所示。由圖1 可知，該系統由三部分構成：1)光伏電池、燃料電池、風(fēng)力發(fā)電機等可再生能源發(fā)電設備和單向直流變換器;2)蓄電池、超級電容等輔助能量存儲設備和雙向直流變換器;3)與直流母線(xiàn)相連的負載變換器和負載。該系統的多種能源需要分別經(jīng)過(guò)單向直流變換器進(jìn)行電能變換后連接到公共的直流母線(xiàn)上，因此需要多個(gè)單輸入直流變換器、存在電路結構復雜、成本高等缺點(diǎn)。

　　為了降低成本，就必須對電路結構進(jìn)行簡(jiǎn)化，可采一個(gè)多輸入直流變換器取代多個(gè)單輸入直流變換器，組成新型的可再生能源分布式供電系統，如圖2所示。由圖2 可知，多個(gè)性質(zhì)、幅值和特性相同或差別很大的輸入源可以通過(guò)一個(gè)多輸入直流變換器實(shí)現在一個(gè)高頻開(kāi)關(guān)周期內同時(shí)或分時(shí)向負載供電，該供電系統具有電路結構更簡(jiǎn)潔、成本更低、系統的穩定性和靈活性得到提高、可實(shí)現可再生能源的優(yōu)先利用等優(yōu)點(diǎn)。

　　按照多路輸入源與直流負載是否存在電氣隔離，多輸入直流變換器可分為非隔離型和隔離型兩類(lèi)。按照多路輸入源在一個(gè)高頻開(kāi)關(guān)周期內向負載供電的方式不同，多輸入直流變換器可分為分時(shí)供電型與同時(shí)供電型兩類(lèi)。分時(shí)供電型多輸入直流變換器在任一時(shí)刻只有一路輸入源向負載供電;同時(shí)供電型多輸入直流變換器在任一時(shí)刻既可以有一路輸入源，也可以有多路輸入源同時(shí)向負載供電。本文把多輸入直流變換器分為非隔離分時(shí)供電型、非隔離同時(shí)供電型、隔離分時(shí)供電型、隔離同時(shí)供電型四類(lèi)，并論述多輸入直流變換器的研究現狀與發(fā)展。

　　2.非隔離分時(shí)供電型多輸入直流變換器

　　非隔離分時(shí)供電型多輸入直流變換器電路拓撲有Buck、Buck-Boost 等類(lèi)型，其電路拓撲如圖3 所示。該類(lèi)變換器采用單向導通的功率開(kāi)關(guān)S1、S2、…、Sn將多路輸入源并聯(lián)在一起，在一個(gè)高頻開(kāi)關(guān)周期內的任一時(shí)刻均只有一路輸入源向負載供電。當功率開(kāi)關(guān)S1、S2、…、Sn 采用具有反并聯(lián)二極管的MOSFET、IGBT 等器件時(shí)，必須串聯(lián)阻斷二極管D1、D2、…、Dn。當多路輸入源獨立向負載供電時(shí)，圖3(a)所示Buck型多輸入直流變換器相當于一個(gè)單輸入的Buck 型變換器[1];圖3(b) 所示Buck-Boost 型多輸入直流變換器相當于一個(gè)單輸入的Buck-Boost 型變換器[2]。

　　非隔離分時(shí)供電型Buck、Buck-Boost 多輸入直流變換器具有電路結構簡(jiǎn)潔、各路輸入源通過(guò)功率開(kāi)關(guān)并聯(lián)易于擴展為n 路輸入等優(yōu)點(diǎn);但該類(lèi)變換器也存在需要串聯(lián)阻斷二極管，導通損耗增大，任一時(shí)刻只能有一路輸入源給負載供電，占空比調節范圍小，輸出與多輸入源、多輸入源之間均無(wú)電氣隔離，電磁兼容性差，輸出與輸入電壓匹配能力弱等缺點(diǎn)，電路的實(shí)用性較差。

　　3.非隔離同時(shí)供電型多輸入直流變換器非隔離同時(shí)供電型多輸入直流變換器電路拓撲有雙輸入Buck[3]、雙輸入Buck / Buck-Boost[4]、三輸入Buck / Boost / Buck-Boost[5]等類(lèi)型，如圖4 所示。

　　該類(lèi)電路拓撲是將多個(gè)非隔離型單輸入直流變換器組合成一個(gè)多輸入直流變換器，在—個(gè)高頻開(kāi)關(guān)周期內，兩路輸入源既可以獨立向負載供電，也可以同時(shí)向負載供電。非隔離同時(shí)供電型多輸入直流變換器，具有控制十分靈活，占空比調節范圍寬，任一時(shí)刻，多路輸入源既可以獨立向負載供電，也可以同時(shí)向負載供電等優(yōu)點(diǎn);但該類(lèi)變換器也存在難以擴展為n 路輸入，輸出與多路輸入源之間、多路輸入源之間均無(wú)電氣隔離，電磁兼容性差，輸出與輸入電壓匹配能力弱等缺點(diǎn)。

　　4.隔離分時(shí)供電型多輸入直流變換器隔離分時(shí)供電型多輸入直流變換器與非隔離分時(shí)供電型多輸入直流變換器具有相同的電路結構，在3 所示電路中插入高頻變壓器可派生出Buck 、Buck-Boost 型隔離分時(shí)供電型多輸入直流變換器[6]，如圖5 所示。

　　隔離分時(shí)供電Buck、Buck-Boost 型多輸入直流變換器由一個(gè)多原邊繞組的高頻(儲能式)變壓器將多個(gè)相互隔離的高頻逆變電路和一個(gè)共用的輸出整流濾波電路聯(lián)接構成。由于在變壓器充磁的任一時(shí)刻，繞組電壓總是被某一路輸入源電壓箝位，因此在一個(gè)高頻開(kāi)關(guān)周期內的任一時(shí)刻均只能有一路輸入源向負載供電。當輸入源單獨向負載供電時(shí)，圖5(a)所示Buck 型多輸入直流變換器相當于一個(gè)單輸入的正激變換器;圖5(b)所示Buck-Boost 型多輸入直流變換器相當于一個(gè)單輸入的反激變換器。

　　隔離分時(shí)供電型多輸入直流變換器，具有電路結構簡(jiǎn)潔，各輸入源通并聯(lián)連接易于擴展為n 路輸入，多路輸入源之間、輸出與多路輸入源之間雙向隔離，電磁兼容性和電壓匹配能力強等優(yōu)點(diǎn)，但該類(lèi)變換器也存在與功率開(kāi)關(guān)串聯(lián)的阻斷二極管增加了額外的導通損耗，任一時(shí)刻只能有一種輸入源給負載供電，占空比調節范圍小，高頻逆變電路與變壓器原邊繞組利用率低等缺點(diǎn)。

　　5.隔離同時(shí)供電型多輸入直流變換器

　　隔離同時(shí)供電型多輸入直流變換器電路拓撲，如圖6 所示。該類(lèi)拓撲是一類(lèi)較新穎的電路拓撲，圖6(a)所示全橋Buck 型雙輸入直流變換器[7]具有電路結構簡(jiǎn)單，多路輸入源向負載供電時(shí)可共用直流變換器的部分結構，多路輸入源可同時(shí)或分時(shí)供電，輸出與多路輸入源之間具有電氣隔離等優(yōu)點(diǎn)。但也存在開(kāi)關(guān)管電應力較高，擴展為n 路輸入時(shí)控制復雜，輸入源之間無(wú)電氣隔離，輸入電流紋波大等缺點(diǎn)。難以應用在各輸入源性質(zhì)差別較大的新能源聯(lián)合供電場(chǎng)合。圖6(b)所示全橋Boost 型多輸入直流變換器[8]，通過(guò)一個(gè)多原邊繞組的高頻變壓器將多個(gè)相互隔離的、帶有儲能電感的高頻逆變電路和一個(gè)共用的輸出整流濾波電路聯(lián)接構成的。這類(lèi)多輸入直流變換器屬于電流型變換器，通過(guò)磁通疊加的方法，變換器可實(shí)現多路輸入源同時(shí)向負載供電，即在一個(gè)高頻開(kāi)關(guān)周期內的任一時(shí)刻既可以有一路輸入源，也可以有多路輸入源同時(shí)向負載供電。為了防止多路輸入源向負載傳遞能量的過(guò)程互相影響，當高頻逆變電路中采用具有反并聯(lián)二極管的MOSFET、IGBT 等功率開(kāi)關(guān)時(shí)，必須將其與反向阻斷二極管相串聯(lián)。全橋Boost 型多輸入直流變換器的輸入源只能通過(guò)全橋逆變電路的一個(gè)橋臂向該路儲能電感充磁，否則，當變壓器全橋逆變電路的兩個(gè)橋臂均直通時(shí)，變壓器繞組電壓被箝位為零，多路輸入源向負載傳遞能量的過(guò)程將互相影響。為了解決這個(gè)問(wèn)題，該多輸入直流變換器需采用移相控制技術(shù)。該變換器具有電路結構簡(jiǎn)潔，多路輸入源可同時(shí)或分時(shí)供電，易于擴展為n 路輸入，輸出與多路輸入源、多路輸入源之間的雙向隔離，電磁兼容性和電壓匹配能力強，輸入電流紋波小等優(yōu)點(diǎn)。但是與功率開(kāi)關(guān)管串聯(lián)的阻斷二極管，使得導通損耗增大。

　　6.設計實(shí)例

　　以全橋Boost 型雙輸入直流變換器電路拓撲為例，采用第一路輸入最大功率和第二路補充負載所需不足功率的主從式電壓、電流瞬時(shí)值反饋移相全橋控制策略。第一路輸入源模擬光伏電池電壓Ui1=40-48-60VDC，第二路輸入源模擬風(fēng)力發(fā)電機輸出電壓Ui2=40-48-60VDC，輸出電壓Uo=380VDC，額定輸出功率Po=1kW，第一路最大輸入功率P1=760W，開(kāi)關(guān)頻率fs=50kHz ， 高頻變壓器匝比為N11:N12:N2=9:9:32，輸入儲能電感L1=L2=80μH，輸入濾波電容Ci1=Ci2=2700μF，輸出濾波電容Cf=5.4μF，額定負載RL=144.4 ，箝位電容CC1=CC2=3.3μF。變換器兩路同時(shí)供電額定工作時(shí)的原理試驗波形如圖7 所示。

　　原理試驗結果表明：1)兩路上橋臂開(kāi)關(guān) S11、S12、S21、S22 實(shí)現了 ZVS 關(guān)斷，如圖 7(a)所示;2)兩路下橋臂開(kāi)關(guān) S13、S14、S23、S24 實(shí)現了 ZVS 開(kāi)通，有源鉗位電路有效抑制了功率開(kāi)關(guān)關(guān)斷電壓尖峰，如圖7(b)所示;3)Sc1、Sc2 實(shí)現了 ZVS 開(kāi)通，如圖 7(c)所示;4)變壓器原邊繞組電UN11、UN12 是幅值分別為±UoN11/N2、 ±UoN12/N2 的高頻交流脈沖波，如圖9(d)所示; 5)第一路輸入源電壓幅值為48V，電流幅值為16A，如圖 9(e)所示;6)變換器輸出電壓 Uo 的幅值為 380 V，輸出電流幅值為2.65A，如圖 6(f)所示;7)額定工作時(shí)變換器的效率為89%�？傊�，全橋Boost型雙輸入直流變換器具有多路輸入源可同時(shí)或分時(shí)供電，電磁兼容性和電壓匹配能力強，開(kāi)關(guān)損耗低，輸入電流紋波小，輸出電壓穩定等優(yōu)點(diǎn)，采用第一路輸入最大功率第二路補充負載所需不足功率的主從式電壓、電流瞬時(shí)值反饋移相全橋控制策略，能夠實(shí)現可再生能源的優(yōu)先利用、能夠提高可再生能源聯(lián)合供電的穩定性和靈活性。因此，全橋Boost 型多輸入直流變換器拓撲非常適合應用在多種性質(zhì)不同的可再生能源聯(lián)合供電的分布式供電系統。

　　以上論述可知，目前國內外專(zhuān)家學(xué)者對多輸入直流變換器的研究，主要有非隔離分時(shí)供電型、非隔離同時(shí)供電型、隔離分時(shí)供電型、隔離同時(shí)供電型多輸入直流變換器，各類(lèi)型多輸入直流變換器都有著(zhù)各自的優(yōu)缺點(diǎn)。隨著(zhù)可再生能源分布式發(fā)電的發(fā)展，多輸入直流變換器的應用越來(lái)越廣泛，因此，尋求一類(lèi)具有電路結構簡(jiǎn)潔、成本低、效率高、允許多種可再生能源分時(shí)或同時(shí)供電、能夠提高可再生能源聯(lián)合供電的穩定性和靈活性、能夠實(shí)現可再生能源的優(yōu)先利用的多輸入直流變換器及其控制策略已迫在眉睫。因此，多輸入直流變換器的研究具有重要的理論價(jià)值和工程應用價(jià)值，符合我國可持續發(fā)展戰略的要求。