一种隔离型三端口直流变换器及其控制方法与流程

本发明涉及电力设计，尤其涉及一种隔离型三端口直流变换器及其控制方法。

背景技术：

1、近年来，以新能源和储能为核心的设备快速发展，新型直流供配电系统逐渐成为未来供电系统的重要方向。尤其在电动汽车等新兴负载的推动下，供电系统的可靠性需求大幅提升。与传统的交流供电系统相比，直流供电系统在效率、可靠性、功率质量以及容量等方面具有显著优势，因此以直流微网为代表的直流供配电系统受到广泛关注。

2、根据母线结构的不同，直流供配电系统可分为单极性直流系统和双极性直流系统。相比之下，双极性直流供配电系统在效率、可靠性和功率容量等方面更具优势，因此近年来受到更广泛的关注，并已在电动汽车充电等应用场景中获得实际应用。

3、双极性直流供配电系统的核心技术在于生成稳定、可靠且对称的双极性直流母线电压。现有的技术研究中，主要有两种实现双极性电压对称的方案：一种是采用独立的电压平衡器来实现电压的对称；另一种是通过合理的电压平衡控制算法来达到目的。然而，这两种方案增加了系统的成本和复杂性，且在负载严重不对称的情况下，难以确保双极性电压的严格对称性。

4、具有对称双极性输出特性的多端口直流变换器，可以在源与双极性直流母线之间实现高效的电能转换，并能够在各种运行条件下确保母线电压的对称性。目前，许多研究针对双极性直流供配电系统提出了对称双极性多端口变换器的拓扑结构。这些新型拓扑通过在传统的两端口变换器中集成平衡电感的双极性电路单元，实现对称的双极性直流母线电压，并在效率和功率密度方面展现了较大的提升空间。

5、为了进一步提升供电系统的性能，亟需提出具有更高效率、更高功率密度和更高可靠性的对称双极性多端口变换器拓扑结构及其控制技术，这将为直流供配电系统的发展提供更加优异的解决方案，满足新能源和储能设备的广泛应用需求。

技术实现思路

1、本发明为解决现有技术的不足，提出一种可实现源与双极性直流母线之间电能变换和对称双极性输出电压控制的三端口变换器及其控制方法。

2、本发明通过以下技术方案实现：

3、一种隔离型三端口直流变换器，其特征在于，包括原边电路、高频变压器和副边电路，所述原边电路包括直流输入源 vin，原边第一开关管s1、原边第二开关管s2、原边第三开关管s3、原边第四开关管s4，所述直流输入源 vin的正端分别与s1的漏极和s3的漏极相连，s1的源极与s2的漏极相连，s3的源极与s4的漏极相连，s2和s4的源极均与直流输入源 vin的负端相连；

4、所述高频变压器 t包括原边绕组 np和副边绕组 ns， np的端子1与原边电路中s1的源极相连， np的端子2与原边电路中s3的源极相连，端子1与端子3为同名端；

5、所述副边电路包括第一钳位电容 cx1、第二钳位电容 cx2、副边第一开关管q1、副边第二开关管q2、耦合电感 cl、第一输出滤波电容 co1、第二输出滤波电容 co2、正极性负载 r1和负极性负载 r2；

6、所述耦合电感 cl包括第一绕组 m1和第二绕组 m2；

7、所述高频变压器 t中副边绕组 ns的端子3分别与 cx1和 cx2的一端相连， cx1的另一端分别与q1的漏极、 m1的端子5相连，q1的源极与q2的漏极相连，q2的源极分别与 cx2的另一端、 m2的端子7相连， m1的端子6分别与 co1的一端和 r1的一端相连， m2的端子8分别与 co2的一端和 r2的一端相连， co1的另一端分别与 co2的另一端、 r1的另一端、 r2的另一端和q1的源极相连；耦合电感 cl中端子5和端子7为同名端。

8、进一步的，所述原边电路还包括电容 c1、原边第一电感 l1、原边第二电感 l2，所述电容 c1的一端分别与s1的漏极和s3的漏极相连，s1的源极与s2的漏极相连，s3的源极与s4的漏极相连，s2和s4的源极均与电容 c1的另一端相连，s1和s3的漏极分别与 l1和 l2的一端相连， l1和 l2的另一端均与直流输入源 vin的正端相连， vin的负端与s2和s4的源极相连。

9、进一步的，所述耦合电感 cl的原副边匝比相等，且副边开关管的占空比为0.5。

10、进一步的，还包括控制电路，所述控制电路包括加法器sum、误差放大器ea、第一比较器cmp1、第二比较器cmp2、第一非门no1、第二非门no2、q触发器；

11、所述加法器sum的输入端连接正极性电压 vo1和负极性电压 vo2，输出端连接误差放大器ea的一个输入端，ea的另一个输入端连接双极性母线参考电压 vo_ref，ea的输出端连接到第一比较器cmp2的正输入端，cmp2的负输入端输入锯齿波 vt；

12、所述第二比较器cmp2的输出端连接q触发器的正输入端，q触发器的负输入端输入0电平，q触发器的输出端连接副边电路第一开关管q1的栅极，q触发器的输出端经过第二非门no2后连接副边电路第二开关管q2的栅极；

13、所述第一比较器cmp1的正输入端连接0.5参考电平，cmp1的负输入端连接锯齿波 vt，cmp1的输出端连接原边电路第一开关管s1和第三开关管s4的栅极，cmp1的输出端经过第一非门no1后连接原边电路第二开关管s2和第三开关管s3的栅极。

14、本方案还提出了一种隔离型三端口直流变换器的控制方法，其中原边电路中的开关管s1和s4具有相同占空比为0.5的驱动信号，s2和s4具有相同且与s1互补的驱动信号，副边电路中开关管q1和q2具有互补的占空比为0.5的驱动信号，q1的驱动信号具有滞后移相角，所述滞后移相角用于控制双极性输出电压。

15、进一步的，包括以下步骤：

16、s1、采样正极性直流母线电压和负极性直流母线电压，并通过加法器sum将正极性母线电压和负极性母线电压的绝对值相加为 vo1- vo2；

17、s2、加法器的输出 vo1- vo2经误差放大与参考电压 vo_ref相减，并经过误差放大获得误差放大信号 vea；

18、s3、误差放大信号 vea经过比较器第二cmp2与锯齿波信号 vt比较，获得q触发器输入信号，q触发器的输出信号为开关q2的驱动信号，经过第二非门no2获得开关q1的驱动信号；

19、s4、0.5参考电平与锯齿波信号 vt经过第一比较器cmp1比较，获得s1和s4的驱动信号，经过第一非门no1获得开关s2和s3的驱动信号。

20、本发明的有益效果：

21、（1）本发明提出的一种隔离型三端口直流变换器，通过耦合电感结构，有效减小了双极性端口的电流纹波，从而避免了体积较大的电解电容的使用，不仅提升了系统的功率密度，使得整体体积更加紧凑，还提高了系统的可靠性，减少电容的使用，进一步降低了系统的维护需求和成本；

22、（2）本发明提出的一种隔离型三端口直流变换器，够在各种负载条件下保持双极性电压的严格对称输出，而不需要额外的电压平衡器或复杂的控制算法，简化了电路结构，降低了系统的复杂性，同时保证了供电系统的高效稳定性，适用于需要高精度电压控制的场合，如电动汽车充电系统等；

23、（3）本发明提出的一种隔离型三端口直流变换器，通过高频变压器实现了输入端和输出端之间的电气隔离，增强了系统的安全性，有效防止了高压输入对输出端设备的影响，在不同电压等级或不同应用场合下，确保了系统的安全运行和稳定性能；

24、（4）本发明提出的一种隔离型三端口直流变换器的控制方法，使所有开关管都能够实现软开关操作，显著减少了开关损耗，提高了系统整体的运行效率，减少了器件的功率损耗，还降低了开关管的应力，延长了器件的使用寿命，进一步提升了系统的可靠性；

25、（5）本发明提出的一种隔离型三端口直流变换器的控制方法，通过控制电路和方法实现双极性输出电压的严格对称，无需引入独立的电压平衡器和复杂的控制算法，降低了硬件成本，并减少了调试和维护的复杂性。

26、为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简要介绍，显而易见的，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域的普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

27、图1为本发明提出的一种隔离型三端口直流变换器的电路原理图一；

28、图2为本发明提出的一种隔离型三端口直流变换器的电路原理图二；

29、图3为本发明提出的一种隔离型三端口直流变换器的电流纹波与耦合电感匝数比波形图；

30、图4为本发明提出的一种隔离型三端口直流变换器的控制电路原理图；

31、图5为本发明提出的一种隔离型三端口直流变换器的sepic电路原理图；

32、图6为本发明提出的一种隔离型三端口直流变换器的交错双向buck/boost电路原理图；

33、图7为本发明提出的一种隔离型三端口直流变换器的关键电路波形图；

34、图8为本发明提出的一种隔离型三端口直流变换器在半个开关周期内的不同开关状态等效电路图；

35、图9为本发明提出的一种隔离型三端口直流变换器的稳态仿真波形图；

36、图10为本发明提出的一种隔离型三端口直流变换器采用耦合电感的电流纹波对比图；

37、图11为本发明提出的一种隔离型三端口直流变换器采用独立电感的电流纹波对比图；

38、图12为本发明提出的一种隔离型三端口直流变换器在负载跳变时的仿真结果图；

39、图13为本发明提出的一种隔离型三端口直流变换器在输入跳变时的仿真结果图；

40、图14为本发明提出的一种隔离型三端口直流变换器在负极性负载功率减小为0时的仿真结果图；