专利名称：单原边绕组电压源型多输入全桥变换器的制作方法
技术领域：
本发明涉及功率变换器中的一种单原边绕组电压源型多输入全桥变换器，属于电 力电子变换器领域。
背景技术：
随着化石能源的不断紧缺和环境污染的不断加剧，新能源和可再生能源的开发利 用得到越来越广泛的关注，分布式发电系统已成为研究热点，直直变换器是其中的一个重 要组成部分。而新能源和可再生能源，如太阳能、风能等，其随气候和地区的差异变化较 大，电力供应不稳定、不连续，另外，燃料电池输出电压随负载的变化而变化，因此为了确保 连续可靠地给负载供电，需要多种新能源优势互补构成联合供电系统。由于系统中有多个输入源，每种输入源的电压并不稳定，所以需要直直变换器对 电压进行调节。直直变换器按输入源数可分为两类单输入直直变换器和多输入直直变换 器。在大多数场合由于只有一个输入源，因此只采用单输入直直变换器，而新能源联合供电 系统有多个输入源，因此，既可以采用多个单输入直直变换器，也可采用一个多输入直直变 换器。在一些中小功率且输入新能源发电装置靠近的场合，如使用多个单输入直直变换器， 就会使结构变得复杂，且成本较高。在这种应用场合，为了简化电路结构，可以用一个多输 入直直变换器代替多个单输入直直变换器。在需要隔离的大功率应用场合，全桥变换器因为其结构简单的特点被广泛应用。 现有的多输入全桥变换器可利用磁通耦合实现多输入，但是该变换器原边绕组数与输入源 数相同，开关管器件数量多，结构复杂且成本高，控制方法比较单一。
发明内容
本发明针对现有技术存在的缺陷，而提出一种单原边绕组电压源型多输入全桥变 换器。该变换器是由N个输入通道电路、全桥变换器电路和输出整流电路组成，N为大于 1的自然数，其中每个输入通道电路均是由输入源、开关管和续流二极管组成，输入源的正极连接 开关管的漏极，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输入源的负 极，N个输入通道电路以续流二极管串接，构成N个输入通道电路的正、负输入端；全桥变换器电路是由四个全桥开关管和变压器组成，第一和第三全桥开关管的漏 极相连并连接第一输入通道电路中的续流二极管的阴极，第二和第四全桥开关管的源极相 连并连接第N输入通道电路中的续流二极管的阳极，第一全桥开关管的源极分别连接第二 全桥开关管的漏极和变压器原边绕组的同名端，第三全桥开关管的源极分别连接第四全桥 开关管的漏极和变压器原边绕组的异名端；输出整流电路是由四个整流二极管、滤波电感和滤波电容组成，第一整流二极管 的阳极分别连接第三整流二极管的阴极和变压器副边绕组的同名端，第二整流二极管的阳极分别连接第四整流二极管的阴极和变压器副边绕组的异名端，第一整流二极管的阴极分 别连接第二整流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，第三整流二极管的阳极分别连接第四整流二极管的阳极、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)在输入输出实现隔离的条件下减少了输入侧的绕组数，简化了变压器的设计， 进而减小了变换器的体积；(2)减少了变换器开关管的数量，简化了电路结构；(3)多个输入源可同时或分时向负载供电，大大增加了变换器的控制策略，使控制
多样化。
图1为本发明变换器的电路结构原理图。图2 图9为双输入时本发明变换器各开关模态的等效电路原理图。以上附图中的符号名称1、2、N为输入通道电路的编号；20为全桥变换器电路； 30为输出整流电路；￥‘2...,、(^2...,、D1U分别为输入通道电路中的输入源、开关管、续流 二极管；O11 Qm4分别为第一至第四全桥开关管；Wp W2分别为变压器的原边和副边绕组； Dei Dk4分别为第一至第四整流二极管；Lf为滤波电感；Cf为滤波电容氓为负载；V。为变 换器的输出电压。
具体实施例方式下面结合附图对本发明作进一步说明。本发明引入脉冲电压源单元(Pulsating Voltage Source Cell，PVSC)的概念，将 Buck型PVSC (输入通道)串联后直接替代全桥变换器的输入，构成单原边绕组电压源型多 输入全桥变换器。如图1所示，本发明变换器的电路结构是由N个输入通道电路、全桥变换器电路20 和输出整流电路30组成，N为大于1的自然数，其中每个输入通道电路均是由输入源、开 关管和续流二极管组成，输入源的正极连接开关管的漏极，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输入源的负极，N个输入通道电路以续流二极管串接(即 第一续流二极管D1的阳极连接第二续流二极管込的阴极，第二续流二极管&的阳极连接 第三续流二极管D3的阴极，以此类推，第N-I续流二极管Dim的阳极连接第N续流二极管Dn 的阴极)，第一续流二极管D1的阴极作为N个输入通道电路的正输入端，第N续流二极管Dn 的阳极作为N个输入通道电路的负输入端；全桥变换器电路20是由四个全桥开关管Q111 Qffl4和变压器组成，变压器包括变压器原边绕组W1和变压器副边绕组W2,第一和第三全桥开 关管Qml、Qm3的漏极相连并连接第一输入通道电路1中的续流二极管D1的阴极，第二和第四 全桥开关管Qm2、Qm4的源极相连并连接第N输入通道电路N中的续流二极管Dn的阳极，第一 全桥开关管O11的源极分别连接第二全桥开关管Qm2的漏极和变压器原边绕组W1的同名端， 第三全桥开关管Qm3的源极分别连接第四全桥开关管Qm4的漏极和变压器原边绕组W1的异 名端；输出整流电路30是由四个整流二极管Dki Dk4、滤波电感Lf和滤波电容Cf组成，四
4个整流二极管Dki Dk4组成全桥整流电路结构，第一整流二极管Dki的阳极分别连接第三整 流二极管Dk3的阴极和变压器副边绕组W2的同名端，第二整流二极管Dk2的阳极分别连接第 四整流二极管Dk4的阴极和变压器副边绕组W2的异名端，第一整流二极管Dki的阴极分别连 接第二整流二极管Dk2的阴极和滤波电感Lf的一端，滤波电感Lf的另一端分别连接滤波电 容Cf的一端和负载&的一端，第三整流二极管Dk3的阳极分别连接第四整流二极管Dk4的阳 极、滤波电容Cf的另一端和负载&的另一端。输入通道电路1 N中，输入源即脉冲电压源；全桥变换器电路20中，全桥开关管 Qffll与Qm4组成互补导通的桥臂，全桥开关管Qm2与Qm3组成互补导通的桥臂。下面以双输入为例，并结合图2 图9对本发明变换器的工作原理进行具体分析。 在图2 图9中，全桥开关管O11 Qm4采用带有体二极管的开关器件。在分析之前先作如下假设①所有开关管和二极管均为理想器件，不考虑开关时 间、导通压降；②所有电感、电容和变压器均为理想元件，变压器原副边绕组匝数比η = W1 W2。根据开关管Q” ( 及O11 Qm4的开关状态，可将变换器分为以下八种工作模态。1、开关模态I [如图2所示]在此模态下，开关管Gl1导通，％关断，Qffll^Qffl4导通，Qm2、Qm3关断，此时Vinl正向加在 变压器原边绕组上，A、B两点间电压vAB = Vinlo在副边侧，Dei和Dk4导通，Rd2和Rd3反偏截 止。整流后的电压vM。t = Vinl/n，加在滤波电感Lf上的电压为Vinl/n-V。。如果Vinl/n >。， Lf的电流线性上升；反之，如果Vinl/n<V。JjLf的电流线性下降。在此开关模态中，％上 承受的电压为Vin2，D1上承受的电压为Vinl，Qm2、Qm3承受的电压均为Vinl，De2, De3上承受的电 压均为VinlAi。2、开关模态II [如图3所示]在此模态下，开关管Gj1导通，％关断，Qm2、Qm3导通，Qml、Qm4关断，此时vAB = -Vinl。 在副边侧，De2和Dk3导通，Dlil和Dk4截止，vre。t = Vinl/n，加在滤波电感Lf上的电压为Vinl/ n-V0O同理，Lf的电流是上升还是下降取决于VinlAi和V。的大小。在此模态中，( 上承受 的电压为Vin2，D1上承受的电压为Vinl，Qml、Qm4承受的电压均为Vinl，Dei, De4上承受的电压均 为 Vini 乂3、开关模态III [如图4所示]在此模态下，开关管％导通，A关断，Qml、Qm4导通，Qm2、Qm3关断，此时Vab = Vin2。在 副边侧，Dki和Dk4导通，Dk2和Dk3截止，Vrat = Vin2/n,加在滤波电感Lf上的电压为Vin2/n_V。， Lf的电流是上升还是下降取决于Vin2Ai和V。的大小。在此模态中，Q1上承受的电压为Vinl， D2上承受的电压为Vin2，Qm2, Qm3承受的电压均为Vin2，De2, De3上承受的电压均为Vin2/n。4、开关模态IV[如图5所示]在此模态下，开关管Q2导通，Q1关断，Qm2, Qm3导通，Qml、Qm4关断，此时vAB = -Vin20 在副边侧，De2和Dk3导通，Dki和Dk4截止，vre。t = Vin2/n，加在Lf上的电压为Vin2/n_V。，Lf的 电流是上升还是下降取决于Vin2Ai和V。的大小。在此模态中，Q1上承受的电压为Vinl，D2上 承受的电压为Vin2，Qml, Qm4承受的电压均为Vin2，Dei, De4上承受的电压均为Vin2/n。5、开关模态￥[如图6所示]在此模态下，开关管Qp Q2导通，Qml、Qm4导通，Qm2、Qm3关断，Vinl+Vin2加在变压器原边绕组上，即vAB = Vinl+Vin2。在副边侧，Dei和Dk4导通，Dk2和Dk3截止。整流后的电压Vrat =(Vinl+Vin2)/n，滤波电感Lf电流线性上升。在此模态中，D1* D2上承受的电压分别为Vinl 和 Vin2, Qm2、Qm3 承受的电压均为Vinl+Vin2，De2> De3上承受的电压均为(Vinl+Vin2)/n。6、开关模态VI [如图7所示]在此模态下，开关管Q1W2开通，Qm2、Qm3导通，Qml、Qm4关断，此时Vab = _(Vinl+Vin2)。 在副边侧，De2和Dk3导通，Dki和Dk4截止，Vre。t = (Vinl+Vin2)/n，滤波电感Lf电流线性上升。 在此模态中，D1和D2上承受的电压分别为Vinl和Vin2，Qm2, Qm3承受的电压均为Vinl+Vin2，Dei 和Dk4上承受的电压均为(Vinl+Vin2) /η。7、开关模态VII [如图8所示]在此模态下，开关管A、％均关断，Q^Qm4同时导通，而Qm2、Qm3关断，此时νΑΒ = 0。 副边四个整流二极管Dki Dk4同时导通，vrat = 0，滤波电感Lf电流线性下降。在此模态 中，Gl1和％上承受的电压分别为Vinl和Vin2。8、开关模态VIII [如图9所示]在此模态下，开关管A、％均关断，Qm2、Qm3同时导通，而Qml、Qm4关断，此时vAB = 0。 副边四个整流二极管Dki Dk4同时导通，Vrert = 0，滤波电感！^电流线性下降，在此模态中， Q1和％上承受的电压分别为Vinl和Vin2。由以上分析可知，本发明变换器的开关管数量大大降低，变换器的控制策略也可 以有多种选择，当N个输入通道电路中的开关管同时导通时，所有输入源串联给负载供电， 同时本变换器的变压器只有一个原边绕组，有利于简化变压器的设计，进而减小变换器的 体积。
权利要求
1. 一种单原边绕组电压源型多输入全桥变换器，其特征在于该变换器是由N个输入通道电路、全桥变换器电路00)和输出整流电路(30)组成，N 为大于1的自然数，其中所述N个输入通道电路中的每个输入通道电路均是由输入源、开关管和续流二极管组 成，输入源的正极连接开关管的漏极，开关管的源极连接续流二极管的阴极，续流二极管的 阳极连接输入源的负极，所述N个输入通道电路以续流二极管串接，构成N个输入通道电路 的正、负输入端；全桥变换器电路00)是由四个全桥开关管(O11 Qm4)和变压器组成，第一和第三全桥 开关管(Qml、Qm3)的漏极相连并连接第一输入通道电路(1)中的续流二极管的阴极，第二和 第四全桥开关管(Qm2、Qffl4)的源极相连并连接第N输入通道电路(N)中的续流二极管的阳 极，第一全桥开关管(Qml)的源极分别连接第二全桥开关管(Qm2)的漏极和变压器原边绕组 (W1)的同名端，第三全桥开关管(Qm3)的源极分别连接第四全桥开关管(Qm4)的漏极和变压 器原边绕组(W1)的异名端；输出整流电路(30)是由四个整流二极管(Dki Dk4)、滤波电感(Lf)和滤波电容(Cf) 组成，第一整流二极管(Dki)的阳极分别连接第三整流二极管(Dk3)的阴极和变压器副边绕 组(W2)的同名端，第二整流二极管(Dk2)的阳极分别连接第四整流二极管(Dk4)的阴极和变 压器副边绕组(W2)的异名端，第一整流二极管(Dki)的阴极分别连接第二整流二极管(Dk2) 的阴极和滤波电感(Lf)的一端，滤波电感(Lf)的另一端分别连接滤波电容(Cf)的一端和 负载( )的一端，第三整流二极管(Dk3)的阳极分别连接第四整流二极管(Dk4)的阳极、滤 波电容(Cf)的另一端和负载( )的另一端。
全文摘要
本发明公开了一种单原边绕组电压源型多输入全桥变换器，属于电力电子变换器领域。该变换器是由N个输入通道电路、全桥变换器电路(20)和输出整流电路(30)组成，N为大于1的自然数，每个输入通道电路均是由输入源、开关管和续流二极管组成，N个输入通道电路以续流二极管串接，全桥变换器电路(20)由四个全桥开关管和一个变压器组成，输出整流电路(30)由全桥整流电路、滤波电感和滤波电容组成。本发明变换器的变压器原边只有一个绕组，开关管的个数为4+N，变换器体积小、结构简单，当输入通道中的开关管同时导通时，输入源串联给负载供电，实现了多个输入源同时或分时向负载供电。
文档编号H02M3/335GK102064706SQ20111002124
公开日2011年5月18日 申请日期2011年1月19日 优先权日2011年1月19日
发明者周晨, 张 杰, 王勤, 阮新波 申请人:南京航空航天大学