适用于新能源直流并网的高效直流变换器及其控制方法技术

本发明专利技术公开了一种适用于新能源直流并网的高效直流变换器。变换器输入侧包括一个输入滤波电容、6个开关管、一个电感和两个变压器的原边。第一开关管和第二开关管组成第一桥臂，第二桥臂则由第三和第四开关管组成，第三桥臂由第五和第六开关管组成，输入滤波电容和三个桥臂依次并联。第一变压器原边、与之串联的电感、第一桥臂和第二桥臂组成第一全桥；第二变压器原边、第二桥臂和第三桥臂组成第二全桥。变换器输出侧由两个变压器的副边、两个二极管和两个电容组成。第一变压器和第二变压器的副边按同名端在上的方向直接串联，然后与两个二极管和两个电容共同组成倍压整流电路。本发明专利技术具有系统功率损耗小、所需电感量小、控制简单等优点。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种适用于新能源直流并网的高效直流变换器，属于电力电子
，适用于高压直流输出的大功率场合。
技术介绍
日益增长的气候变化和全球变暖的关注，以及石油价格的飙升，已经推动了可再生能源技术在过去的几十年里快速发展。其中，太阳能和风能是最受欢迎的可再生能源，人们对两者的开发利用已经进行了大量的研究。由于不断增加的可再生能源的电力渗透，直流电网逐渐得到重视。同时，由于现代电力电子技术的迅猛发展，许多可再生能源很方便地就能通过电力电子装置直接得到直流电源。此外，如燃料电池储能系统等自身就是直流系统。因此，将这些直流电源和储能装置直接连接到直流电网的研究活动已被广泛地进行。在这其中，大功率DC/DC变换器是新能源与直流电网或者直流输电之间非常重要的一环。关于中高频隔离DC/DC变换器已经有了大量的研究，并且在传输效率、系统可靠性等方面有了不少突破。然而，仍然存在几个主要的问题阻碍了变换器功率水平的进一步增长，如较高的功率损失和较大的输出滤波电感。
技术实现思路
技术问题：本专利技术针对传统全桥变换器的软开关技术要么辅助电路比较复杂不容易控制，要么会产生环流增加半导体器件导通损耗等情况，同时考虑到高效率的大功率DC/DC变换器在不断壮大的新能源发电中的重要性，提出了一种既能有效减小系统功率损耗又能实现控制相对简单的电路拓扑及其控制方法。技术方案：一种适用于新能源直流并网的高效直流变换器，所述直流变换器输入侧包括输入滤波电容、第一至第六开关管、第一变压器原边、包含有第一变压器原边漏感的输入侧电感和包含有第二变压器原边漏感的第二变压器原边；所述第一开关管的发射极连接第二开关管的集电极组成第一桥臂，第三开关管的发射极连接第四开关管的集电极组成第二桥臂，第五开关管的发射极连接第六开关管的集电极组成第三桥臂；所述输入滤波电容的正极分别连接第一开关管、第三开关管和第五开关管的集电极，负极分别连接第二开关管、第四开关管和第六开关管的发射极，且输入滤波电容两侧连接输入电压；所述第一变压器原边和输入侧电感串联后，一端连接第一开关管和第二开关管的中间节点，一端连接第三开关管和第四开关管的中间节点，使得第一变压器原边、输入侧电感、第一桥臂和第二桥臂组成第一全桥，且第一变压器原边同名端靠近第一桥臂；所述第二变压器原边一端连接第三开关管和第四开关管的中间节点，一端连接第五开关管和第六开关管的中间节点，使得第二变压器原边、第二桥臂和第三桥臂组成第二全桥，且第二变压器原边同名端靠近第三桥臂；所述直流变换器输出侧是包含有第一至第二变压器的副边、第一至第二二极管和第一至第二输出电容的倍压整流电路；所述第一二极管的正极连接第二二极管的负极，第二二极管的正极连接第二输出电容的负极，第二输出电容的正极连接第一输出电容的负极，第一输出电容的正极连接第一二极管的正极；所述第一变压器的副边的异名端连接第二变压器的副边的同名端，第二变压器的副边的异名端连接第一至第二输出电容的中间节点，第一变压器的副边的同名端连接第一至第二二极管的中间节点；且串联后的第一至第二输出电容两侧连接输出电压。本专利技术还提供一种适用于新能源直流并网的高效直流变换器的控制方法，具体方法如下：(1)第一开关管和第四开关管驱动波形完全一样，第二开关管和第三开关管驱动波形完全一样，第一至第四开关管的驱动占空比恒为0.5，且第一开关管驱动与第二开关管驱动互补，第四开关管驱动与第三开关管驱动互补；(2)第五开关管的开通起点与第一开关管的开通起点相同，第六开关管的开通起点与第二开关管的开通起点相同；(3)第五开关管和第六开关管驱动的占空比相等，通过闭环控制来调节二者的占空比使电路达稳态。本专利技术还提供适用于新能源直流并网的高效直流变换器的控制方法实现的工作方法，一个周期内包括六种工作模态；其中：Vin为输入电压，Vo为输出电压，Q1为第一开关管，Q2为第二开关管，Q3为第三开关管，Q4为第四开关管，Q5为第五开关管，Q6为第六开关管；T1为原副边匝比为1:N1的第一变压器，T2为原副边匝比为1:N2的第二变压器，Cin为输入滤波电容，Lf为包含有第一变压器原边漏感的输入侧电感；D1为第一二极管，D2为第二二极管，Co1为第一输出电容和Co2为第二输出电容；ip_1为从第一变压器原边同名端流入的电流，ip_2为从第二变压器原边同名端流入的电流，iD_1为流经第一二极管的电流，iD_2为流经第二二极管的电流；所述六种工作模态如下，其中：t0≤t＜t6为一个完整的开关周期：t0≤t＜t3为前半周期，t3≤t＜t6后半周期：模态一：t0≤t＜t1t0时刻是一个新开关周期的起点；在所述t0时刻，开关管Q2和Q3关断，开关管Q1、Q4和Q5开通，Q6处于关断状态保持不变；在t0时刻之前，电流ip_1、ip_2、iD_1、iD_2均已为0，所以Q2和Q3实现了零电流关断，开关管Q1、Q4和Q5则为零电流开通；t0≤t＜t1时间区间内，电流ip_1、ip_2、iD_1均正向线性上升，iD_2仍为0；输入侧电流分为两路：第一路从Vin的正极出发，流经Q1、Lf、T1的原边和Q4，回到Vin的负极；第二路从Vin的正极出发，流经Q5、T2的原边和Q4，回到Vin的负极；输出侧电流线性上升，流经Co2、两个电压器副边和D1，方向为变压器副边同名端流出的方向；模态二：t1≤t＜t2t1时刻Q5关断，其余5个开关管状态保持不变；t1≤t＜t2时间区间内，ip_1、ip_2、iD_1均线性下降，iD_2保持为0；输入侧第一路电流方向和电流通路与模态一中相同；第二路电流方向与模态一中相同，但由于Q5的关断，只在由Q4、T2的原边和Q6的反并联二极管组成的环路内流动；输出侧电流线性下降，电流方向和电流通路与模态一中相同；模态三：t2≤t＜t3t2时刻，6个开关管状态保持不变，ip_1、ip_2、iD_1均下降为0，iD_2也仍为0；t2≤t＜t3时间区间内，两个变压器和输入侧的6个开关管均无电流通过，输出侧也只由两个电容Co1和Co2向负载供电；模态四：t3≤t＜t4t3时刻是前半个开关周期的结束点，也是后半个开关周期的起点；在t3时刻，开关管Q1和Q4关断，开关管Q2、Q3和Q6开通，Q5处于关断状态保持不变；在t3时刻之前，电流ip_1、ip_2、iD_1、iD_2均已为0，所以Q1和Q4实现了零电流关断，开关管Q2、Q3和Q6则为零电流开通；t3≤t＜t4时间区间内，ip_1、ip_2反向线性上升，iD_2正向线性上升，iD_1仍为0；输入侧电流也分为两路：第一路从Vin的正极出发，流经Q3、T1的原边、Lf和Q2，回到Vin的负极；第二路从Vin的正极出发，流经Q3、T2的原边和Q6，回到Vin的负极；输出侧电流线性上升，流经D2、两个电压器副边和Co1，为变压器副边同名端流入的方向。模态五：t4≤t＜t5t4时刻Q6关断，其余5个开关管状态保持不变；t4≤t＜t5时间区间内，ip_1、ip_2、iD_2均线性下降，iD_1保持为0；输入侧第一路电流方本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种适用于新能源直流并网的高效直流变换器，其特征在于，所述直流变换器输入侧包括输入滤波电容、第一至第六开关管、第一变压器原边、包含有第一变压器原边漏感的输入侧电感和包含有第二变压器原边漏感的第二变压器原边；所述第一开关管的发射极连接第二开关管的集电极组成第一桥臂，第三开关管的发射极连接第四开关管的集电极组成第二桥臂，第五开关管的发射极连接第六开关管的集电极组成第三桥臂；所述输入滤波电容的正极分别连接第一开关管、第三开关管和第五开关管的集电极，负极分别连接第二开关管、第四开关管和第六开关管的发射极，且输入滤波电容两侧连接输入电压；所述第一变压器原边和输入侧电感串联后，一端连接第一开关管和第二开关管的中间节点，一端连接第三开关管和第四开关管的中间节点，使得第一变压器原边、输入侧电感、第一桥臂和第二桥臂组成第一全桥，且第一变压器原边同名端靠近第一桥臂；所述第二变压器原边一端连接第三开关管和第四开关管的中间节点，一端连接第五开关管和第六开关管的中间节点，使得第二变压器原边、第二桥臂和第三桥臂组成第二全桥，且第二变压器原边同名端靠近第三桥臂；所述直流变换器输出侧是包含有第一至第二变压器的副边、第一至第二二极管和第一至第二输出电容的倍压整流电路；所述第一二极管的正极连接第二二极管的负极，第二二极管的正极连接第二输出电容的负极，第二输出电容的正极连接第一输出电容的负极，第一输出电容的正极连接第一二极管的正极；所述第一变压器的副边的异名端连接第二变压器的副边的同名端，第二变压器的副边的异名端连接第一至第二输出电容的中间节点，第一变压器的副边的同名端连接第一至第二二极管的中间节点；且串联后的第一至第二输出电容两侧连接输出电压。...

【技术特征摘要】
1.一种适用于新能源直流并网的高效直流变换器，其特征在于，所述直流变换器输入侧
包括输入滤波电容、第一至第六开关管、第一变压器原边、包含有第一变压器原边漏感的输
入侧电感和包含有第二变压器原边漏感的第二变压器原边；
所述第一开关管的发射极连接第二开关管的集电极组成第一桥臂，第三开关管的发射极
连接第四开关管的集电极组成第二桥臂，第五开关管的发射极连接第六开关管的集电极组成
第三桥臂；所述输入滤波电容的正极分别连接第一开关管、第三开关管和第五开关管的集电
极，负极分别连接第二开关管、第四开关管和第六开关管的发射极，且输入滤波电容两侧连
接输入电压；所述第一变压器原边和输入侧电感串联后，一端连接第一开关管和第二开关管
的中间节点，一端连接第三开关管和第四开关管的中间节点，使得第一变压器原边、输入侧
电感、第一桥臂和第二桥臂组成第一全桥，且第一变压器原边同名端靠近第一桥臂；
所述第二变压器原边一端连接第三开关管和第四开关管的中间节点，一端连接第五开关
管和第六开关管的中间节点，使得第二变压器原边、第二桥臂和第三桥臂组成第二全桥，且
第二变压器原边同名端靠近第三桥臂；
所述直流变换器输出侧是包含有第一至第二变压器的副边、第一至第二二极管和第一至
第二输出电容的倍压整流电路；所述第一二极管的正极连接第二二极管的负极，第二二极管
的正极连接第二输出电容的负极，第二输出电容的正极连接第一输出电容的负极，第一输出
电容的正极连接第一二极管的正极；所述第一变压器的副边的异名端连接第二变压器的副边
的同名端，第二变压器的副边的异名端连接第一至第二输出电容的中间节点，第一变压器的
副边的同名端连接第一至第二二极管的中间节点；且串联后的第一至第二输出电容两侧连接
输出电压。
2.如权利要求1任一所述的一种适用于新能源直流并网的高效直流变换器的控制方法，
其特征在于，具体方法如下：
(1)第一开关管和第四开关管驱动波形完全一样，第二开关管和第三开关管驱动波形完
全一样，第一至第四开关管的驱动占空比恒为0.5，且第一开关管驱动与第二开关管驱动互
补，第四开关管驱动与第三开关管驱动互补；
(2)第五开关管的开通起点与第一开关管的开通起点相同，第六开关管的开通起点与第
二开关管的开通起点相同；
(3)第五开关管和第六开关管驱动的占空比相等，通过闭环控制来调节二者的占空比使
电路达稳态。
3.如权利要求2所述适用于新能源直流并网的高效直流变换器的控制方法实现的工作方

\t法，其特征在于，一个周期内包括六种工作模态；其中：Vin为输入电压，Vo为输出电压，Q1为第一开关管，Q2为第二开关管，Q3为第三开关管，Q4为第四开关管，Q5为第五开关管，
Q6为第六开关管；T1为原副边匝比为1:N1的第一变压器，T2为原副边匝比为1:N2的第二变
压器，Cin为输入滤波电容，Lf为包含有第一变压器原边漏感的输入侧电感；D1为第一二极
管，D2为第二二极管，Co1为第一输出电容和Co2为第二输出电容；ip_1为从第一变压器原边
同名端流入的电流，ip_2为从第二变压器原边同名端流入的电流，iD_1为流经第一二极管的电
流，iD_...

【专利技术属性】
技术研发人员：陈武，宁光富，
申请(专利权)人：东南大学，
类型：发明
国别省市：江苏;32