一种非隔离型多模式三端口DC-DC变换器及控制方法

一种非隔离型多模式三端口dc-dc变换器及控制方法
技术领域
1.本发明属于电力电子技术领域，具体涉及一种非隔离型多模式三端口dc-dc变换器及控制方法。


背景技术：

2.三端口变换器(tpc)可以实现多输入多输出的功能，提高变换器的可靠性，在光伏发电、混合动力系统、电动汽车以及燃料电池系统等领域均被广泛应用。在光伏电池应用中的tpc可以包括单向端口的pv源，作为双向端口的电池和输出端口，然而大多数研究只针对单向输出端口的tpc，且工作模式较为单一，模式之间转换时间长，对于其他功率流模式及变换器的双向运行讨论较少。
3.针对tpc的研究，有研究者提出一种基于变压器耦合双输入变换器，它具有平衡控制能力，可以在最大功率点跟踪和单向输出端口的电池电压调节之间选择，然而，由于其自身拓扑结构的限制，不允许其工作在无负载模式，模式转换也存在延时，同时伴随着50％的电压过冲。还有研究者提出一种双向输出端口tpc，其可在不同开关模式下实现电源和负载间所有可能的功率流组合，但却存在元件数量增多的缺陷。对于集成式tpc，由于在控制器中周期性地插入开关模式就易导致响应噪声和延迟。由此可见，tpc存在应用模式单一、模式切换延迟、结构负载，这些都将制约tpc在光伏发电领域的应用。


技术实现要素：

4.为克服上述现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种非隔离型多模式三端口dc-dc变换器及其控制方法，涵盖了三端口之间所有可能的功率流组合，元件数量少，效率高，能够实现无缝平稳切换工作模式、最大功率跟踪、电池保护和输出电压调节。
5.为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：
6.一种非隔离型多模式三端口dc-dc变换器，其特征在于，包括光伏电压源v
pv
、电池电压源v
bat
、第一功率开关管s1、第二功率开关管s2、第三功率开关管s3、第一二极管d1、第二二极管d2、第一电感l1、第二电感l2、第一电容c1、第二电容c2、第三电容c3及输出电压vo；
7.所述第一功率开关管的漏极连接第一二极管的负极和第一电容的正极，源极连接第一电感的一端和第二二极管的负极；
8.所述第二功率开关管的漏极连接第一电感的另一端、电池电压源的正极和第三电容的正极，源极连接第二电感的一端和第三功率开关管的漏极；
9.所述第三功率开关管的源极连接第二电容的负极、输出电压的负极和光伏电压源的负极；
10.所述第二电感的另一端连接第二电容的正极、第三电容的负极、电池电压源的负极、第二二极管的负极、第一电容的负极和输出电压的正极；
11.所述第一二极管的正极连接光伏电压源的正极。
12.所述输出电压vo端口在不同工作模式下等效成连接负载r及直流电压源v
dc
；
13.所述第一功率开关管、第二功率开关管、第三功率开关管、型号均为irfb5620的mosfet开关管。
14.所述第一功率开关管、第二功率开关管、第三功率开关管均设有并联连接的二极管。
15.所述第一功率开关管、第二功率开关管、第三功率开关管工作频率均为50khz。
16.所述光伏电压源型号为ea-psi9360-15；
17.所述电池电压源电压为25v，电流为7.2a；
18.所述第一二极管、第二二极管型号均为mbr20100ct；
19.所述第一电容容值100μf,第二电容容值180μf,第三电容容值120μf；
20.所述第一电感、第二电感感值均为184μh。
21.利用一种非隔离型多模式三端口dc-dc变换器的控制方法，包括以下步骤：
22.步骤一，对三端口dc-dc变换器光伏侧的电压、电流进行采样；对电池测、母线侧的电压进行采样；
23.步骤二，将所采电压、电流值进行数字化处理后送入dsp控制器，dsp控制器输出占空比对三端口dc-dc变换器进行控制；
24.步骤三，通过控制三只功率开关管的导通与关断，可实现七种工作模式；
25.模式一：在该模式下功率流流向为从光伏电压源v
pv
流向电池电压源v
bat
和直流母线；输出电压vo端口等效成连接负载r；第二功率开关管s2、第三功率开关管s3始终保持关断状态；该模式包括两个工作阶段；在第一阶段，第一功率开关管s1开通，第一二极管d1正向偏置处于导通状态，第二二极管d2反向偏置处于截止状态，光伏电压源v
pv
给第一电感l1充电，在第二阶段，第一功率开关管s1关断，第一二极管d1、第二二极管d2均正向偏置处于导通状态，第一电感l1通过第二二极管d2向电池电压源v
bat
放电；
26.模式二：在该模式下功率流流向为从电池电压源v
bat
流向直流母线；输出电压vo端口等效成连接负载r；第一功率开关管s1始终保持关断状态，第一二极管d1、第二二极管d2均反向偏置处于截止状态；该模式包括两个工作阶段；在第一阶段，第二功率开关管s2开通，第三功率开关管s3关断，电池电压源v
bat
和第三电容c3给第二电感充电，第二电感两端电压充电到第二电容向直流母线放电；在第二阶段，第二功率开关管s2关断，第三功率开关管s3开通，第二电感l2向直流母线放电，直至
27.模式三：在该模式下功率流流向为从直流母线流向电池电压源v
bat
；输出电压vo端口等效成连接直流电压源v
dc
；第一功率开关管s1始终保持关断状态，第一二极管d1、第二二极管d2均反向偏置处于截止状态；该模式包括两个工作阶段；在第一阶段，第二功率开关管s2关断，第三功率开关管s3开通，第三电容c3给第二电感l2充电；在第二阶段，第二功率开关管s2开通，第三功率开关管s3关断，第二电感l2向电池电压源v
bat
和第三电容c3放电；
28.模式四：在该模式下功率流流向为从光伏电压源v
pv
和电池电压源v
bat
流向直流母线；输出电压vo端口等效成连接负载r；第一二极管d1始终正向偏置处于导通状态；该模式包括四个工作阶段；在第一阶段，第一功率开关管s1、第二功率开关管s2开通，第三功率开关管s3关断，第二二极管d2反向偏置处于截止状态，光伏电压源v
pv
给第一电感l1充电，电池电压源v
bat
通过第二功率开关管s2向第二电感l2充电；在第二阶段，第一功率开关管s1、第三功率
开关管s3开通，第二功率开关管s2关断，第二二极管d2反向偏置处于截止状态，光伏电压源v
pv
继续给第一电感l1充电，第二电感l2向直流母线和第二电容c2放电；在第三阶段，第三功率开关管s3开通，第一功率开关管s1、第二功率开关管s2关断，第二二极管d2正向偏置处于导通状态，第一电感l1向电池电压源v
bat
放电，第二电感l2继续向直流母线放电；在第四阶段，第二功率开关管s2开通，第一功率开关管s1、第三功率开关管s3关断，第二二极管d2正向偏置处于导通状态，电池电压源v
bat
和第一电感l1给第二电感l2充电；
29.模式五：在该模式下功率流流向为从光伏电压源v
pv
和直流母线流向电池电压源v
bat
；输出电压vo端口等效成连接直流电压源v
dc
；第一二极管d1始终正向偏置处于导通状态；该模式包括四个工作阶段；在第一阶段，第一功率开关管s1、第三功率开关管s3开通，第二功率开关管s2关断，第二二极管d2反向偏置处于截止状态，光伏电压源v
pv
给第一电感l1充电，直流母线通过第三功率开关管s3给第二电感l2充电，在第二阶段，第一功率开关管s1、第二功率开关管s2开通，第三功率开关管s3关断，第二二极管d2反向偏置处于截止状态，光伏电压源v
pv
继续给第一电感l1充电，第二电感l2向电池电压源v
bat
放电；在第三阶段，第二功率开关管s2开通，第一功率开关管s1、第三功率开关管s3关断，第二二极管d2正向偏置处于导通状态，第一电感l1向电池电压源v
bat
放电，第二电感l2继续向电池电压源v
bat
放电；在第四阶段，第三功率开关管s3开通，第一功率开关管s1、第二功率开关管s2关断，第二二极管d2正向偏置处于导通状态，第一电感l1继续向电池电压源v
bat
放电，直流母线给第二电感l2充电；
30.模式六：在该模式下功率流流向为从光伏电压源v
pv
流向直流母线；输出电压vo端口等效成连接负载r；第一功率开关管s1始终保持开通状态；第一二极管d1始终正向偏置处于导通状态，第二二极管d2始终反向偏置处于截止状态；该模式包括两个工作阶段；在第一阶段，第一功率开关管s1、第二功率开关管s2开通，第三功率开关管s3关断，光伏电压源v
pv
给第一电感l1和第二电感l2充电，在第二阶段，第一功率开关管s1、第三功率开关管s3开通，第二功率开关管s2关断，光伏电压源v
pv
继续给第一电感l1充电，第二电感l2向直流母线放电；
31.模式七：在该模式下功率流流向为从光伏电压源v
pv
流向电池电压源v
bat
；输出电压vo端口等效成连接负载r；第一二极管d1始终正向偏置处于导通状态；该模式包括四个工作阶段；在第一阶段，第一功率开关管s1、第三功率开关管s3开通，第二功率开关管s2关断，第二二极管d2反向偏置处于截止状态，光伏电压源v
pv
给第一电感l1充电，第二电容c2给第二电感l2充电，在第二阶段，第一功率开关管s1、第二功率开关管s2开通，第三功率开关管s3关断，第二二极管d2反向偏置处于截止状态，光伏电压源v
pv
继续给第一电感l1充电，第二电感l2向电池电压源v
bat
放电；在第三阶段，第二功率开关管s2开通，第一功率开关管s1、第三功率开关管s3关断，第二二极管d2正向偏置处于导通状态，第一电感l1向电池电压源v
bat
放电，第二电感l2继续向电池电压源v
bat
放电；在第四阶段，第三功率开关管s3开通，第一功率开关管s1、第二功率开关管s2关断，第二二极管d2正向偏置处于导通状态，第一电感l1继续向电池电压源v
bat
放电，第二电容c2给第二电感l2充电。
32.与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
33.本发明提供一种非隔离型多模式三端口dc-dc变换器，采用非隔离型结构，与隔离
型三端口变换器相比结构更加紧凑、成本较低、尺寸较小；有七种工作模式，可在不同开关模式下实现源、储、荷之间所有可能的功率流组合，达到最大功率点跟踪、电池保护、输出电压调节的控制目标；只需在任意两个端口之间有一个电源处理级即可实现高效率和对端口的完全控制；通过应用简单的开关控制方案即可实现各模式的平滑切换；与现有集成式三端口变换器相比，在模式切换上不存在延迟，电压过冲小，恢复时间短；此外，该电路拓扑能够提供低于或高于直流母线的电压，电压范围宽，组件数量少，在所有工作模式下都能够保持较高的工作效率，适用于独立和并网应用。
附图说明
34.图1为本发明具体实施例中的一种非隔离型多模式三端口dc-dc变换器的拓扑结构图。
35.图2为本发明具体实施例中第一种模式第一工作阶段示意图。
36.图3为本发明具体实施例中第一种模式第二工作阶段示意图。
37.图4为本发明具体实施例中第二种模式第一工作阶段示意图。
38.图5为本发明具体实施例中第二种模式第二工作阶段示意图。
39.图6为本发明具体实施例中第三种模式第一工作阶段示意图。
40.图7为本发明具体实施例中第三种模式第二工作阶段示意图。
41.图8为本发明具体实施例中第四种模式第一工作阶段示意图。
42.图9为本发明具体实施例中第四种模式第二工作阶段示意图。
43.图10为本发明具体实施例中第四种模式第三工作阶段示意图。
44.图11为本发明具体实施例中第四种模式第四工作阶段示意图。
45.图12为本发明具体实施例中第五种模式第一工作阶段示意图。
46.图13为本发明具体实施例中第五种模式第二工作阶段示意图。
47.图14为本发明具体实施例中第五种模式第三工作阶段示意图。
48.图15为本发明具体实施例中第五种模式第四工作阶段示意图。
49.图16为本发明具体实施例中第六种模式第一工作阶段示意图。
50.图17为本发明具体实施例中第六种模式第二工作阶段示意图。
51.图18为本发明具体实施例中第七种模式第一工作阶段示意图。
52.图19为本发明具体实施例中第七种模式第二工作阶段示意图。
53.图20为本发明具体实施例中第七种模式第三工作阶段示意图。
54.图21为本发明具体实施例中第七种模式第四工作阶段示意图。
55.图22为本发明具体实施例中的控制结构框图。
56.图23为本发明具体实施例中七种工作模式流程图。
57.图中：v
pv
为光伏电压源；v
bat
为电池电压源；s1为第一功率开关管；s2为第二功率开关管；s3为第三功率开关管；d1为第一二极管；d2为第二二极管；l1为第一电感；l2为第二电感；c1为第一电容；c2为第二电容；c3为第三电容；vo为输出电压。
具体实施方式
58.下面将结合附图和实施例对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描
述的实施例仅仅是本发明一部分的实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本发明保护的范围。
59.需要说明的是，本发明的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的本发明的实施例能够以除了在这里图示或描述的那些以外的顺序实施。此外，术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。
60.下面结合附图对本发明做进一步详细描述：
61.参见图1，本发明一种非隔离型多模式三端口dc-dc变换器，包括光伏电压源v
pv
、电池电压源v
bat
、第一功率开关管s1、第二功率开关管s2、第三功率开关管s3、第一二极管d1、第二二极管d2、第一电感l1、第二电感l2、第一电容c1、第二电容c2、第三电容c3及输出电压vo；
62.所述第一功率开关管的漏极连接第一二极管的负极和第一电容的正极，源极连接第一电感的一端和第二二极管的负极；
63.所述第二功率开关管的漏极连接第一电感的另一端、电池电压源的正极和第三电容的正极，源极连接第二电感的一端和第三功率开关管的漏极；
64.所述第三功率开关管的源极连接第二电容的负极、输出电压的负极和光伏电压源的负极；
65.所述第二电感的另一端连接第二电容的正极、第三电容的负极、电池电压源的负极、第二二极管的负极、第一电容的负极和输出电压的正极；
66.所述第一二极管的正极连接光伏电压源的正极。
67.本发明的一种优选实例为，所述输出电压vo端口在不同工作模式下等效成连接负载r及直流电压源v
dc
；
68.本发明的另一种优选实例为，所述第一功率开关管、第二功率开关管、第三功率开关管、型号均为irfb5620的mosfet开关管。
69.本发明的另一种优选实例为，所述第一功率开关管、第二功率开关管、第三功率开关管均设有并联连接的二极管。
70.本发明的另一种优选实例为，所述第一功率开关管、第二功率开关管、第三功率开关管工作频率均为50khz。
71.本发明的另一种优选实例为，所述光伏电压源型号为ea-psi9360-15；
72.本发明的另一种优选实例为，所述电池电压源电压为25v，电流为7.2a；
73.本发明的另一种优选实例为，所述第一二极管、第二二极管型号均为mbr20100ct；
74.本发明的另一种优选实例为，所述第一电容容值100μf,第二电容容值180μf,第三电容容值120μf；
75.本发明的另一种优选实例为，所述第一电感、第二电感感值均为184μh。
76.本发明公开的一种非隔离型多模式三端口dc-dc变换器，包括以下步骤：
77.步骤一，对三端口dc-dc变换器光伏侧的电压、电流进行采样；对电池测、母线侧的
电压进行采样；
78.步骤二，将所采电压、电流值进行数字化处理后送入dsp控制器，dsp控制器输出占空比对三端口dc-dc变换器进行控制；
79.步骤三，通过控制三只功率开关管的导通与关断，能够实现七种工作模式；
80.模式一：在该模式下功率流流向为从光伏电压源v
pv
流向电池电压源v
bat
和直流母线；输出电压vo端口等效成连接负载r；第二功率开关管s2、第三功率开关管s3始终保持关断状态；该模式包括两个工作阶段；在第一阶段，如图2所示，第一功率开关管s1开通，第一二极管d1正向偏置处于导通状态，第二二极管d2反向偏置处于截止状态，光伏电压源v
pv
给第一电感l1充电，在第二阶段，如图3所示，第一功率开关管s1关断，第一二极管d1、第二二极管d2均正向偏置处于导通状态，第一电感l1通过第二二极管d2向电池电压源v
bat
放电；
81.模式二：在该模式下功率流流向为从电池电压源v
bat
流向直流母线；输出电压vo端口等效成连接负载r；第一功率开关管s1始终保持关断状态，第一二极管d1、第二二极管d2均反向偏置处于截止状态；该模式包括两个工作阶段；在第一阶段，如图4所示，第二功率开关管s2开通，第三功率开关管s3关断，电池电压源v
bat
和第三电容c3给第二电感充电，第二电感两端电压充电到第二电容向直流母线放电；在第二阶段，如图5所示，第二功率开关管s2关断，第三功率开关管s3开通，第二电感l2向直流母线放电，直至
82.模式三：在该模式下功率流流向为从直流母线流向电池电压源v
bat
；输出电压vo端口等效成连接直流电压源v
dc
；第一功率开关管s1始终保持关断状态，第一二极管d1、第二二极管d2均反向偏置处于截止状态；该模式包括两个工作阶段；在第一阶段，如图6所示，第二功率开关管s2关断，第三功率开关管s3开通，第三电容c3给第二电感l2充电；在第二阶段，如图7所示，第二功率开关管s2开通，第三功率开关管s3关断，第二电感l2向电池电压源v
bat
和第三电容c3放电；
83.模式四：在该模式下功率流流向为从光伏电压源v
pv
和电池电压源v
bat
流向直流母线；输出电压vo端口等效成连接负载r；第一二极管d1始终正向偏置处于导通状态；该模式包括四个工作阶段；在第一阶段，如图8所示，第一功率开关管s1、第二功率开关管s2开通，第三功率开关管s3关断，第二二极管d2反向偏置处于截止状态，光伏电压源v
pv
给第一电感l1充电，电池电压源v
bat
通过第二功率开关管s2向第二电感l2充电；在第二阶段，如图9所示，第一功率开关管s1、第三功率开关管s3开通，第二功率开关管s2关断，第二二极管d2反向偏置处于截止状态，光伏电压源v
pv
继续给第一电感l1充电，第二电感l2向直流母线和第二电容c2放电；在第三阶段，如图10所示，第三功率开关管s3开通，第一功率开关管s1、第二功率开关管s2关断，第二二极管d2正向偏置处于导通状态，第一电感l1向电池电压源v
bat
放电，第二电感l2继续向直流母线放电；在第四阶段，如图11所示，第二功率开关管s2开通，第一功率开关管s1、第三功率开关管s3关断，第二二极管d2正向偏置处于导通状态，电池电压源v
bat
和第一电感l1给第二电感l2充电；
84.模式五：在该模式下功率流流向为从光伏电压源v
pv
和直流母线流向电池电压源v
bat
；输出电压vo端口等效成连接直流电压源v
dc
；第一二极管d1始终正向偏置处于导通状态；该模式包括四个工作阶段；在第一阶段，如图12所示，第一功率开关管s1、第三功率开关
管s3开通，第二功率开关管s2关断，第二二极管d2反向偏置处于截止状态，光伏电压源v
pv
给第一电感l1充电，直流母线通过第三功率开关管s3给第二电感l2充电，在第二阶段，如图13所示，第一功率开关管s1、第二功率开关管s2开通，第三功率开关管s3关断，第二二极管d2反向偏置处于截止状态，光伏电压源v
pv
继续给第一电感l1充电，第二电感l2向电池电压源v
bat
放电；在第三阶段，如图14所示，第二功率开关管s2开通，第一功率开关管s1、第三功率开关管s3关断，第二二极管d2正向偏置处于导通状态，第一电感l1向电池电压源v
bat
放电，第二电感l2继续向电池电压源v
bat
放电；在第四阶段，如图15所示，第三功率开关管s3开通，第一功率开关管s1、第二功率开关管s2关断，第二二极管d2正向偏置处于导通状态，第一电感l1继续向电池电压源v
bat
放电，直流母线给第二电感l2充电；
85.模式六：在该模式下功率流流向为从光伏电压源v
pv
流向直流母线；输出电压vo端口等效成连接负载r；第一功率开关管s1始终保持开通状态；第一二极管d1始终正向偏置处于导通状态，第二二极管d2始终反向偏置处于截止状态；该模式包括两个工作阶段；在第一阶段，如图16所示，第一功率开关管s1、第二功率开关管s2开通，第三功率开关管s3关断，光伏电压源v
pv
给第一电感l1和第二电感l2充电，在第二阶段，如图17所示，第一功率开关管s1、第三功率开关管s3开通，第二功率开关管s2关断，光伏电压源v
pv
继续给第一电感l1充电，第二电感l2向直流母线放电；
86.模式七：在该模式下功率流流向为从光伏电压源v
pv
流向电池电压源v
bat
；输出电压vo端口等效成连接负载r；第一二极管d1始终正向偏置处于导通状态；该模式包括四个工作阶段；在第一阶段，如图18所示，第一功率开关管s1、第三功率开关管s3开通，第二功率开关管s2关断，第二二极管d2反向偏置处于截止状态，光伏电压源v
pv
给第一电感l1充电，第二电容c2给第二电感l2充电，在第二阶段，如图19所示，第一功率开关管s1、第二功率开关管s2开通，第三功率开关管s3关断，第二二极管d2反向偏置处于截止状态，光伏电压源v
pv
继续给第一电感l1充电，第二电感l2向电池电压源v
bat
放电；在第三阶段，如图20所示，第二功率开关管s2开通，第一功率开关管s1、第三功率开关管s3关断，第二二极管d2正向偏置处于导通状态，第一电感l1向电池电压源v
bat
放电，第二电感l2继续向电池电压源v
bat
放电；在第四阶段，如图21所示，第三功率开关管s3开通，第一功率开关管s1、第二功率开关管s2关断，第二二极管d2正向偏置处于导通状态，第一电感l1继续向电池电压源v
bat
放电，第二电容c2给第二电感l2充电；
87.参见图22，为变换器的控制结构框图；第二功率开关管s2、第三功率开关管s3在不同模式下互补导通，控制目标包括最大功率跟踪、电池保护和输出电压调节；最大功率跟踪通过第一功率开关管s1实现，第二功率开关管s2、第三功率开关管s3同时负责电池保护和输出电压调节；采用型号为tms32f28397d的dsp控制器对变换器进行控制；
88.参见图23，为七种工作模式流程图；
89.当系统仅无光伏电压源时，若电池电压源能够为直流母线提供所需电力，则功率流向为从电池电压源到直流母线；若电池电压源不能够为直流母线提供所需电力，则功率流向为从直流母线到电池电压源；若电池达到充电极限，直流母线无法再向其充电，则系统关闭；
90.当系统仅无负载时，若光伏电压源的功率小于电池电压源最大允许吸收功率，则若光伏电压源将工作在mppt模式下；若光伏电压源的功率大于电池电压源最大允许吸收功率，则不采用mppt模式；若电池达到充电极限，则系统关闭；
91.当光伏电压源功率大于电池电压源功率时，若p
pv-p
dc
＜p
bat.max
，则采用mppt模式；若p
pv-p
dc
＞p
bat.max
，则不采用mppt模式；
92.当光伏电压源功率小于电池电压源功率时，若p
dc-p
pv
＜p
bat.max
且电池电压源可以放电时，则功率流向为从光伏电压源和电池电压源到直流母线；若p
dc-p
pv
＜p
bat.max
且电池电压源不可以继续放电时，则功率流向为从光伏电压源和直流母线到电池电压源；
93.当p
dc-p
pv
＞p
bat.max
时，若电池电压源还能继续充电，则功率流向为从光伏电压源到电池电压源，若达到充电极限不能继续充电，则系统关闭。
94.以上内容仅为说明本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本发明权利要求书的保护范围之内。