一种多输入Ｂｕｃｋ直流变换器及其控制系统技术方案

本发明专利技术提供一种多输入Ｂｕｃｋ直流变换器及其控制系统，本发明专利技术的多输入Ｂｕｃｋ直流变换器由多个Ｂｕｃｋ单元和输出滤波器构成。它将多个输入电压源经过各自的Ｂｕｃｋ单元串联起来，再经过公共的输出滤波器向负载供电。本发明专利技术的控制系统，包括ｎ－１个用于控制各输入通道电路输入电流的输入电流闭环电路、一个用于控制输出电压的输出电压闭环电路和一个用于控制电感电流的电感电流闭环电路组成。本发明专利技术可以使多个输入源同时或单独向负载供电，输入源的性质、幅值和特性可以相同，也可以不同。本发明专利技术的控制系统由单电压闭环切换至电压电流双闭环的工作模式，系统的动态性能得到了提高；同时增加了短路保护功能，在过载甚至短路的情况下，限制电感电流。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种多输入Buck直流变换器，属于电力电子变换的技术范畴。
技术介绍
随着化石能源的日益衰竭和环境污染问题的更加严重，人类在不断研发节能技术 的同时，也在致力于新能源的开发和利用。新能源是相对于常规能源而言，以采用新技术和 新材料获得，并在新技术基础上系统开发利用的能源，它主要包括太阳能、风能、生物质能、 氢能、水能、地热能、海洋能等。新能源中大部分为可再生能源，它们资源潜力大，可以再生 或永远不会衰竭，而且在使用过程中不污染环境，是有利于人与自然和谐发展的重要能源。 虽然新能源的开发利用是解决能源危机及环境污染的最有效措施，但大多数新能 源受到气候条件限制较大，具有电力供应不稳定、不连续的缺点。许多专家提出采用新能源 联合发电来应对世界能源危机。新能源联合发电是利用各种新能源之间或新能源与其它能 源之间的互补性所组成的电力系统。 针对基于直流母线的新能源联合供电系统，为了协调工作，每种能源形式均需要 一个DC/DC变换器，将各能源转化的电能变为直流输出，并联在公共的直流母线上。传统的 新能源联合供电系统中的变换器一般都是单输入单输出变换器可以是电气隔离也可以是 电气非隔离的，能量流动方向可以是单向也可以是双向的。由于每种能源形式均需要一个 DC-DC变换器，系统的结构较为复杂，成本较高。在小功率应用场合，各种能源距离相对较 近，可以用一个多输入变换器(Multiple-Input Converter,MIC)代替多个单输入直流变换 器，如附图1所示，可使电路结构更加简单，控制更加灵活。 MIC是一种将多个输入源联合起来向单个负载供电的变换器，它允许多种能源输 入，输入源的性质、幅值和特性可以相同，也可以不同。在一个开关周期内，多输入源可以分 别或同时向负载供电。 近年来，国内外的学者已经提出了一些MIC电路拓扑。 通常多个幅值不等的电压源是不能直接并联的。于是将多个直流电压源通过串联 的开关管并联在一起可以生成MIC电路拓扑。由于电压的箝位，此类电路拓扑只能分时工 作，即在任一瞬间只允许一路电压源向负载传送能量。
技术实现思路
专利技术目的 本专利技术针对新能源联合供电系统的应用场合，提供一种新的MIC电路拓扑多输 入Buck直流变换器。它可以将多种新能源结合起来向单个负载供电，构成新能源联合供电 系统，简化结构，减小系统的成本。 技术方案 本专利技术为实现上述目的采用如下技术方案 —种多输入Buck直流变换器，包括n个输入通道电路、一个输出滤波器，n为大于1的自然数；其中每个输入通道电路包括直流电源、功率开关管和续流二极管，直流电源的 正极连接功率开关管的漏极，功率开关管的源极连接续流二极管的阴极，续流二极管的阳 极连接直流电源的负极，n个输入通道电路以续流二极管串接；输出滤波器包括输出滤波 电感Lf，输出滤波电容Cf，其中滤波电感Lf的一端分别连接第一输入通道电路中的第一功 率开关管Qi的源极和第一续流二极管D工的阴极，滤波电感Lf的另一端分别连接输出滤波 电容Cf的一端、负载Rw的一端，输出滤波电容Cf的另一端分别与第n输入通道电路中的第 n续流二极管Dn的阳极和第n直流电源Vim的负极、负载Rw的另一端连接。 本专利技术还提出一种用于控制本专利技术的控制系统，包括n-1个用于控制各输入通道 电路输入电流的输入电流闭环电路、一个用于控制输出电压的输出电压闭环电路和一个用 于控制电感电流的电感电流闭环电路组成，n为大于1的自然数； 其中输入电流闭环电路包括电流调节器、P丽比较器以及门级驱动电路依次串联 组成；输出电压闭环电路包括电压调节器、电压P丽比较器以及电压门级驱动电路依次串 联组成；电感电流闭环电路包括一个输出限流调节器组成； 各电流闭环电路之间，第n-l电流闭环电路与输出电压闭环电路之间，输出电压闭环电路与电感电流闭环电路之间，均采用模式切换用二极管连接。 有益效果 ①本专利技术的多输入直流变换器中，由于存在多个输入源及相应的开关管，因此可以对多个占空比进行控制，也就是存在多个控制自由度，这就为多输入源的能量管理提供了可能性。换句话来说，多输入直流变换器的控制策略需要实现两大功能 (1)保证输出电压稳定；(2)实现多个输入源的功率分配。在给定输入电压的情况下，控制任一输入源的输入电流，就相当于控制了该输入源的输入功率。本专利技术使用元器件少，结构简单；多个输入源可以同时也可以分别向负载供电。 ②本专利技术所提出的控制策略，能够优先利用优先级别较高的输入源，负载不足功 率由优先级低一级的的输入源提供，尽量不使用后备电源。并且在负载功率较轻，优先级别 低一级的输入源将退出工作时，控制系统可以自动从独立单电压闭环切换至双闭环工作模 式，即，电压外环电流内环的结构，稳定输出电压，从而在不增加控制系统复杂程度的基础 上，提高系统的动态响应。该控制系统还增加了短路保护功能，在系统过载甚至短路的情况 下，限制电感电流。附图说明 图1是本专利技术的多输入Buck直流变换器的电路原理图。 图2是本专利技术的多输入Buck直流变换器控制系统框图。 图3是本专利技术的双输入Buck直流变换器。 图4至图7是本专利技术的双输入Buck变换器不同开关模态的等效电路。 图8本专利技术的双输入Buck变换器的主要工作波形 图9本专利技术的双输入Buck变换器控制系统框图 图10至图15是本专利技术采用双输入直流变换器的新能源联合供电系统的各种工作 模式的示意图。上述附图中的符号Vinl、 Vin2. . . Vin为各个输入源的输入电压；Iinl、 Iin2. . . Iin为各个输入源的输入电流；DpD^ . .Dn为续流二极管，；Lf是输出滤波电感，Cf是输出滤波电容， Ru是负载；V。和I。分别为输出电压和输出电流；1# n#输入源的输入电流、输出电压和 电感电流。Iinl—Mf、 Iin2—ref. Mf分别为1#，2#. (n_l)#源的输入电流参考值。Dcl、Dc2. . . D。(n+1)为模式切换用二极管。具体实施例方式下面结合附图对本专利技术的技术方案进行详细说明 如图1所示，多输入Buck直流变换器的电路图。 —种多输入Buck直流变换器，包括n个输入通道电路、一个输出滤波器4， n为大 于1的自然数；其中输入通道电路包括直流电源、功率开关管和续流二极管，直流电源的正 极连接功率开关管的漏极，功率开关管的源极连接续流二极管的阴极，续流二极管的阳极 连接直流电源的负极，n个输入通道电路以续流二极管串接；输出滤波器4包括输出滤波电 感Lf，输出滤波电容Cf，其中滤波电感Lf的一端分别连接第一输入通道电路l中的第一功 率开关管的源极和第一续流二极管D工的阴极，滤波电感Lf的另一端分别连接输出滤波 电容Cf的一端、负载Ru的一端，输出滤波电容Cf的另一端分别与第n输入通道电路n中的 第n续流二极管Dn的阳极和第N直流电源Vim的负极、负载Ru的另一端连接。 如图2所示，多输入Buck直流变换器的控制框图，包括n-1个用于控制各输入通 道电路输入电流的输入电流闭环电路、一个用于控制输出电压的输出电压闭环电路11和 一个用于控制电感电流的电感电流闭环电路13组成，n为大于1的自然数； 其中输入电流闭环电路包括电流调节器、本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种多输入Ｂｕｃｋ直流变换器，其特征在于：包括ｎ个输入通道电路、一个输出滤波器（４），ｎ为大于１的自然数；其中每个输入通道电路包括直流电源、功率开关管和续流二极管，直流电源的正极连接功率开关管的漏极，功率开关管的源极连接续流二极管的阴极，续流二极管的阳极连接直流电源的负极，ｎ个输入通道电路以续流二极管串接；输出滤波器（４）包括输出滤波电感Ｌ↓［ｆ］，输出滤波电容Ｃ↓［ｆ］，其中滤波电感Ｌ↓［ｆ］的一端分别连接第一输入通道电路（１）中的第一功率开关管Ｑ↓［１］的源极和第一续流二极管Ｄ↓［１］的阴极，滤波电感Ｌ↓［ｆ］的另一端分别连接输出滤波电容Ｃ↓［ｆ］的一端、负载Ｒ↓［Ｌｄ］的一端，输出滤波电容Ｃ↓［ｆ］的另一端分别与第ｎ输入通道电路（ｎ）中的第ｎ续流二极管Ｄ↓［ｎ］的阳极和第ｎ直流电源Ｖ↓［ｉｎｎ］的负极、负载Ｒ↓［Ｌｄ］的另一端连接。

【技术特征摘要】
一种多输入Buck直流变换器，其特征在于包括n个输入通道电路、一个输出滤波器(4)，n为大于1的自然数；其中每个输入通道电路包括直流电源、功率开关管和续流二极管，直流电源的正极连接功率开关管的漏极，功率开关管的源极连接续流二极管的阴极，续流二极管的阳极连接直流电源的负极，n个输入通道电路以续流二极管串接；输出滤波器(4)包括输出滤波电感Lf，输出滤波电容Cf，其中滤波电感Lf的一端分别连接第一输入通道电路(1)中的第一功率开关管Q1的源极和第一续流二极管D1的阴极，滤波电感Lf的另一端分别连接输出滤波电容Cf的一端、负载RLd的一端，输出滤波电容Cf的另一端分别与第n输入通道电路(n)中的第n续流二极管Dn的阳极和第n直流电源Vinn的负极、负载RLd...

【专利技术属性】
技术研发人员：李艳，阮新波，杨东升，刘福鑫，
申请(专利权)人：南京航空航天大学，
类型：发明
国别省市：84[中国|南京]