一种非隔离型三端口直流变换器及变化控制方法与流程

本发明涉直流-直流变换器，尤其是一种非隔离型三端口直流变换器及变化控制方法。

背景技术：

1、随着新能源发电技术和分布式储能系统的快速发展，直流微电网及直流配电技术受到了广泛关注。在这些应用场景中，由于光伏电池板输出电压较低且波动较大，而直流母线或负载往往需要较高的电压等级，因此，能够实现低压直流到高压直流变换的dc-dc变换器成为了其中的关键核心设备。

2、然而，当下的应用场景中，往往采用多个独立变换器分立组合，导致元器件无法复用，系统体积庞大、成本高昂；端口间能量传递需要经过多级变换，易产生环流和冗余交换，严重缩短储能元件的寿命；分立式结构需增设额外的通信与集中控制环节，增加了系统复杂度；传统拓扑受限于开关占空比，电压增益通常仅在1~10倍之间，无法满足新能源低压输入、高压输出的高增益需求。

3、因此，需要一种非隔离型三端口直流变换器及变化控制方法来满足当下环境需要。

技术实现思路

1、鉴于上述现有存在的问题，提出了本发明。

2、因此，本发明提供了一种非隔离型三端口直流变换器及变化控制方法解决现有技术中多个独立变换器分立组合导致元器件无法复用，系统体积庞大、成本高昂；端口间能量传递需要经过多级变换，易产生环流和冗余交换，严重缩短储能元件的寿命；分立式结构增加了系统复杂度；传统拓扑电压增益通常仅在1~10倍之间，无法满足新能源低压输入、高压输出的高增益需求的问题。

3、为解决上述技术问题，本发明提供如下技术方案：

4、第一方面，本发明提供了一种非隔离型三端口直流变换器，包括：

5、输入端口、蓄电池端口、输出端口，以及开关管组、标准电感、耦合电感、第一中间储能电容、第二中间储能电容、输出电容和二极管组；

6、输入端口依次通过1号二极管与标准电感连接至2号开关管；

7、蓄电池端口连接于1号开关管与4号开关管的公共连接点；

8、输出端口连接于5号开关管与输出电容的公共连接点；

9、耦合电感通过第一中间储能电容与3号开关管连接，并通过第二中间储能电容与4号二极管连接。

10、作为本发明所述的非隔离型三端口直流变换器的一种优选方案，其中：

11、1号二极管的阳极与输入端口的正极连接，1号二极管的阴极与1号开关管和标准电感连接；

12、2号开关管的漏极与标准电感、耦合电感以及3号二极管的阳极连接，2号开关管的源极与2号二极管的阳极和第一中间储能电容的负极连接；

13、第一中间储能电容的正极与耦合电感原边的同名端和3号开关管的漏极连接，第二中间储能电容的正极与3号二极管的阴极和4号二极管的阳极连接；

14、第二中间储能电容的负极与耦合电感副边的非同名端连接；

15、5号二极管的阳极与4号开关管的漏极和4号二极管的阴极连接，5号二极管的阴极与5号开关管的漏极连接；

16、4号开关管的源极与1号开关管的漏极和蓄电池端口的正极连接；

17、5号开关管的源极与输出电容的正极和输出端口的正极连接。

18、第二方面，本发明提供了一种变化控制方法，包括：。

19、变换器工作设置单输入单输出模式、双输入单输出模式或单输入双输出模式；

20、单输入单输出模式下，变换器选择性地执行以下任一种供电状态：

21、状态一，输入端口向输出端口供电；

22、状态二，输入端口向蓄电池端口供电；

23、状态三，蓄电池端口向输出端口供电；

24、在双输入单输出模式下，控制输入端口和蓄电池端口共同向输出端口供电；

25、在单输入双输出模式下，控制输入端口同时向蓄电池端口和输出端口供电。

26、作为本发明所述的一种变化控制方法的一种优选方案，其中：

27、在单输入单输出模式下处于状态一时，输入端口向输出端口供电，一个开关周期包括：

28、第一模态，控制2号开关管和3号开关管导通，其余开关管关断，输入端口和第一中间储能电容通过2号开关管和3号开关管为标准电感和耦合电感充电，耦合电感通过原边向副边传递能量为第二中间储能电容充电；

29、第二模态，控制5号开关管导通，其余开关管关断，输入端口、标准电感和耦合电感通过2号二极管为第一中间储能电容充电，并通过第二中间储能电容、4号二极管和5号二极管为输出电容和输出端口充电。

30、作为本发明所述的一种变化控制方法的一种优选方案，其中：

31、在单输入单输出模式下处于状态二时，输入端口向蓄电池端口供电，一个开关周期包括：

32、第一模态，控制2号开关管和3号开关管导通，其余开关管关断，输入端口和第一中间储能电容通过2号开关管和3号开关管为标准电感和耦合电感充电，耦合电感通过原边向副边传递能量为第二中间储能电容充电；

33、第二模态，控制4号开关管导通，其余开关管关断，输入端口、标准电感和耦合电感通过2号二极管为第一中间储能电容充电，并通过第二中间储能电容和4号二极管为蓄电池端口充电

34、作为本发明所述的一种变化控制方法的一种优选方案，其中：

35、在单输入单输出模式下处于状态三时，蓄电池端口向输出端口供电时，一个开关周期包括：

36、第一模态，控制1号开关管、2号开关管和3号开关管导通，其余开关管关断，蓄电池端口和第一中间储能电容通过1号开关管、2号开关管和3号开关管为标准电感和耦合电感充电，所述耦合电感通过原边向副边传递能量为第二中间储能电容充电；

37、第二模态，控制1号开关管和5号开关管导通，其余开关管关断，蓄电池端口、标准电感和耦合电感通过2号二极管为第一中间储能电容充电，并通过第二中间储能电容、4号二极管和5号二极管为输出电容和输出端口充电。

38、作为本发明所述的一种变化控制方法的一种优选方案，其中：

39、在双输入单输出模式下，变换器在一个控制周期内分时执行单输入单输出模式下的状态一和状态三；

40、状态一运行期间，由输入端口向输出端口供电；

41、状态三运行期间，由蓄电池端口向输出端口供电；

42、通过状态一与状态三的时序配合，使输入端口和蓄电池端口分时交替地向输出端口供电，实现两者共同为输出端口供电。

43、作为本发明所述的一种变化控制方法的一种优选方案，其中：

44、在单输入双输出模式下，输入端口同时向蓄电池端口和输出端口供电，一个开关周期包括：

45、第一模态，控制2号开关管和3号开关管导通，其余开关管关断，输入端口和第一中间储能电容通过2号开关管和3号开关管为标准电感和耦合电感充电，耦合电感通过原边向副边传递能量为第二中间储能电容充电；

46、第二模态，控制4号开关管导通，其余开关管关断，输入端口、标准电感和耦合电感通过2号二极管为第一中间储能电容充电，并通过第二中间储能电容和4号二极管为蓄电池端口充电；

47、第三模态，控制5号开关管导通，其余开关管关断，输入端口、标准电感和耦合电感通过2号二极管为第一中间储能电容充电，并通过第二中间储能电容、4号二极管和5号二极管为输出端口充电。

48、作为本发明所述的一种变化控制方法的一种优选方案，其中：

49、变换器的电压增益与耦合电感的匝数比正相关，且与2号开关管和3号开关管的占空比正相关。

50、作为本发明所述的一种变化控制方法的一种优选方案，其中：

51、在单输入单输出模式下，调节2号开关管和3号开关管在一个开关周期内的开通时长，改变输出端口与输入端口之间的电压增益；

52、通过控制开通时长，使输出端口的输出电压在输入端口的输入电压的1倍至200倍之间可调。

53、与现有技术相比，本发明的有益效果：与现有技术相比，本发明通过单一的集成变换器替代传统多个独立变换器分立组合的方案，在有效提高器件复用率、大幅缩小系统体积并降低制造成本的同时，借助集中控制免去了复杂的变换器间通信与协调环节，使控制逻辑更加简便可靠；同时，拓扑能够消除多级能量转换带来的环流与冗余充放电损耗，从而有效保护储能元件并延长其使用寿命；最关键的是，本发明的电压增益在占空比0~0.9范围内可达1至200倍，彻底打破了传统变换器增益仅局限在1~10倍的瓶颈，能够充分满足新能源发电系统等低压输入、高压输出的实际应用需求。