多輸入直流變換器的研究現(xiàn)狀與發(fā)展

　　1.引言

　　隨著社會經(jīng)濟的不斷發(fā)展，人類對能源的需求日益增加，使得石油、煤和天然氣等不可再生能源供應(yīng)日益緊張、環(huán)境污染嚴(yán)重、導(dǎo)致全球氣候異常，核能用于電力發(fā)電又會產(chǎn)生核廢料污染環(huán)境、也可能產(chǎn)生核事故對人類造成大規(guī)模影響。因此尋找新的可再生能源、開發(fā)和利用可再生能源是人類所面臨的最為緊迫課題之一。目前可再生能源發(fā)電主要有光伏、燃料電池、風(fēng)力、地?zé)岬阮愋?，均存在電力供?yīng)不穩(wěn)定、不連續(xù)、隨氣候條件變化等缺陷，但人類對供電質(zhì)量和供電可靠性的要求越來越高，為了解決這一矛盾就必須研究并采用多種能源聯(lián)合供電的分布式供電系統(tǒng)。

　　傳統(tǒng)的可再生能源分布式供電系統(tǒng)，如圖1 所示。由圖1 可知，該系統(tǒng)由三部分構(gòu)成：1)光伏電池、燃料電池、風(fēng)力發(fā)電機等可再生能源發(fā)電設(shè)備和單向直流變換器;2)蓄電池、超級電容等輔助能量存儲設(shè)備和雙向直流變換器;3)與直流母線相連的負載變換器和負載。該系統(tǒng)的多種能源需要分別經(jīng)過單向直流變換器進行電能變換后連接到公共的直流母線上，因此需要多個單輸入直流變換器、存在電路結(jié)構(gòu)復(fù)雜、成本高等缺點。

　　為了降低成本，就必須對電路結(jié)構(gòu)進行簡化，可采一個多輸入直流變換器取代多個單輸入直流變換器，組成新型的可再生能源分布式供電系統(tǒng)，如圖2所示。由圖2 可知，多個性質(zhì)、幅值和特性相同或差別很大的輸入源可以通過一個多輸入直流變換器實現(xiàn)在一個高頻開關(guān)周期內(nèi)同時或分時向負載供電，該供電系統(tǒng)具有電路結(jié)構(gòu)更簡潔、成本更低、系統(tǒng)的穩(wěn)定性和靈活性得到提高、可實現(xiàn)可再生能源的優(yōu)先利用等優(yōu)點。

　　按照多路輸入源與直流負載是否存在電氣隔離，多輸入直流變換器可分為非隔離型和隔離型兩類。按照多路輸入源在一個高頻開關(guān)周期內(nèi)向負載供電的方式不同，多輸入直流變換器可分為分時供電型與同時供電型兩類。分時供電型多輸入直流變換器在任一時刻只有一路輸入源向負載供電;同時供電型多輸入直流變換器在任一時刻既可以有一路輸入源，也可以有多路輸入源同時向負載供電。本文把多輸入直流變換器分為非隔離分時供電型、非隔離同時供電型、隔離分時供電型、隔離同時供電型四類，并論述多輸入直流變換器的研究現(xiàn)狀與發(fā)展。

　　2.非隔離分時供電型多輸入直流變換器

　　非隔離分時供電型多輸入直流變換器電路拓撲有Buck、Buck-Boost 等類型，其電路拓撲如圖3 所示。該類變換器采用單向?qū)ǖ墓β书_關(guān)S1、S2、…、Sn將多路輸入源并聯(lián)在一起，在一個高頻開關(guān)周期內(nèi)的任一時刻均只有一路輸入源向負載供電。當(dāng)功率開關(guān)S1、S2、…、Sn 采用具有反并聯(lián)二極管的MOSFET、IGBT 等器件時，必須串聯(lián)阻斷二極管D1、D2、…、Dn。當(dāng)多路輸入源獨立向負載供電時，圖3(a)所示Buck型多輸入直流變換器相當(dāng)于一個單輸入的Buck 型變換器[1];圖3(b) 所示Buck-Boost 型多輸入直流變換器相當(dāng)于一個單輸入的Buck-Boost 型變換器[2]。

　　非隔離分時供電型Buck、Buck-Boost 多輸入直流變換器具有電路結(jié)構(gòu)簡潔、各路輸入源通過功率開關(guān)并聯(lián)易于擴展為n 路輸入等優(yōu)點;但該類變換器也存在需要串聯(lián)阻斷二極管，導(dǎo)通損耗增大，任一時刻只能有一路輸入源給負載供電，占空比調(diào)節(jié)范圍小，輸出與多輸入源、多輸入源之間均無電氣隔離，電磁兼容性差，輸出與輸入電壓匹配能力弱等缺點，電路的實用性較差。

　　3.非隔離同時供電型多輸入直流變換器非隔離同時供電型多輸入直流變換器電路拓撲有雙輸入Buck[3]、雙輸入Buck / Buck-Boost[4]、三輸入Buck / Boost / Buck-Boost[5]等類型，如圖4 所示。

　　該類電路拓撲是將多個非隔離型單輸入直流變換器組合成一個多輸入直流變換器，在—個高頻開關(guān)周期內(nèi)，兩路輸入源既可以獨立向負載供電，也可以同時向負載供電。非隔離同時供電型多輸入直流變換器，具有控制十分靈活，占空比調(diào)節(jié)范圍寬，任一時刻，多路輸入源既可以獨立向負載供電，也可以同時向負載供電等優(yōu)點;但該類變換器也存在難以擴展為n 路輸入，輸出與多路輸入源之間、多路輸入源之間均無電氣隔離，電磁兼容性差，輸出與輸入電壓匹配能力弱等缺點。

　　4.隔離分時供電型多輸入直流變換器隔離分時供電型多輸入直流變換器與非隔離分時供電型多輸入直流變換器具有相同的電路結(jié)構(gòu)，在3 所示電路中插入高頻變壓器可派生出Buck 、Buck-Boost 型隔離分時供電型多輸入直流變換器[6]，如圖5 所示。

　　隔離分時供電Buck、Buck-Boost 型多輸入直流變換器由一個多原邊繞組的高頻(儲能式)變壓器將多個相互隔離的高頻逆變電路和一個共用的輸出整流濾波電路聯(lián)接構(gòu)成。由于在變壓器充磁的任一時刻，繞組電壓總是被某一路輸入源電壓箝位，因此在一個高頻開關(guān)周期內(nèi)的任一時刻均只能有一路輸入源向負載供電。當(dāng)輸入源單獨向負載供電時，圖5(a)所示Buck 型多輸入直流變換器相當(dāng)于一個單輸入的正激變換器;圖5(b)所示Buck-Boost 型多輸入直流變換器相當(dāng)于一個單輸入的反激變換器。

　　隔離分時供電型多輸入直流變換器，具有電路結(jié)構(gòu)簡潔，各輸入源通并聯(lián)連接易于擴展為n 路輸入，多路輸入源之間、輸出與多路輸入源之間雙向隔離，電磁兼容性和電壓匹配能力強等優(yōu)點，但該類變換器也存在與功率開關(guān)串聯(lián)的阻斷二極管增加了額外的導(dǎo)通損耗，任一時刻只能有一種輸入源給負載供電，占空比調(diào)節(jié)范圍小，高頻逆變電路與變壓器原邊繞組利用率低等缺點。

　　5.隔離同時供電型多輸入直流變換器

　　隔離同時供電型多輸入直流變換器電路拓撲，如圖6 所示。該類拓撲是一類較新穎的電路拓撲，圖6(a)所示全橋Buck 型雙輸入直流變換器[7]具有電路結(jié)構(gòu)簡單，多路輸入源向負載供電時可共用直流變換器的部分結(jié)構(gòu)，多路輸入源可同時或分時供電，輸出與多路輸入源之間具有電氣隔離等優(yōu)點。但也存在開關(guān)管電應(yīng)力較高，擴展為n 路輸入時控制復(fù)雜，輸入源之間無電氣隔離，輸入電流紋波大等缺點。難以應(yīng)用在各輸入源性質(zhì)差別較大的新能源聯(lián)合供電場合。圖6(b)所示全橋Boost 型多輸入直流變換器[8]，通過一個多原邊繞組的高頻變壓器將多個相互隔離的、帶有儲能電感的高頻逆變電路和一個共用的輸出整流濾波電路聯(lián)接構(gòu)成的。這類多輸入直流變換器屬于電流型變換器，通過磁通疊加的方法，變換器可實現(xiàn)多路輸入源同時向負載供電，即在一個高頻開關(guān)周期內(nèi)的任一時刻既可以有一路輸入源，也可以有多路輸入源同時向負載供電。為了防止多路輸入源向負載傳遞能量的過程互相影響，當(dāng)高頻逆變電路中采用具有反并聯(lián)二極管的MOSFET、IGBT 等功率開關(guān)時，必須將其與反向阻斷二極管相串聯(lián)。全橋Boost 型多輸入直流變換器的輸入源只能通過全橋逆變電路的一個橋臂向該路儲能電感充磁，否則，當(dāng)變壓器全橋逆變電路的兩個橋臂均直通時，變壓器繞組電壓被箝位為零，多路輸入源向負載傳遞能量的過程將互相影響。為了解決這個問題，該多輸入直流變換器需采用移相控制技術(shù)。該變換器具有電路結(jié)構(gòu)簡潔，多路輸入源可同時或分時供電，易于擴展為n 路輸入，輸出與多路輸入源、多路輸入源之間的雙向隔離，電磁兼容性和電壓匹配能力強，輸入電流紋波小等優(yōu)點。但是與功率開關(guān)管串聯(lián)的阻斷二極管，使得導(dǎo)通損耗增大。

　　6.設(shè)計實例

　　以全橋Boost 型雙輸入直流變換器電路拓撲為例，采用第一路輸入最大功率和第二路補充負載所需不足功率的主從式電壓、電流瞬時值反饋移相全橋控制策略。第一路輸入源模擬光伏電池電壓Ui1=40-48-60VDC，第二路輸入源模擬風(fēng)力發(fā)電機輸出電壓Ui2=40-48-60VDC，輸出電壓Uo=380VDC，額定輸出功率Po=1kW，第一路最大輸入功率P1=760W，開關(guān)頻率fs=50kHz ， 高頻變壓器匝比為N11:N12:N2=9:9:32，輸入儲能電感L1=L2=80μH，輸入濾波電容Ci1=Ci2=2700μF，輸出濾波電容Cf=5.4μF，額定負載RL=144.4 ，箝位電容CC1=CC2=3.3μF。變換器兩路同時供電額定工作時的原理試驗波形如圖7 所示。

　　原理試驗結(jié)果表明：1)兩路上橋臂開關(guān) S11、S12、S21、S22 實現(xiàn)了 ZVS 關(guān)斷，如圖 7(a)所示;2)兩路下橋臂開關(guān) S13、S14、S23、S24 實現(xiàn)了 ZVS 開通，有源鉗位電路有效抑制了功率開關(guān)關(guān)斷電壓尖峰，如圖7(b)所示;3)Sc1、Sc2 實現(xiàn)了 ZVS 開通，如圖 7(c)所示;4)變壓器原邊繞組電UN11、UN12 是幅值分別為±UoN11/N2、 ±UoN12/N2 的高頻交流脈沖波，如圖9(d)所示; 5)第一路輸入源電壓幅值為48V，電流幅值為16A，如圖 9(e)所示;6)變換器輸出電壓 Uo 的幅值為 380 V，輸出電流幅值為2.65A，如圖 6(f)所示;7)額定工作時變換器的效率為89%?？傊?，全橋Boost型雙輸入直流變換器具有多路輸入源可同時或分時供電，電磁兼容性和電壓匹配能力強，開關(guān)損耗低，輸入電流紋波小，輸出電壓穩(wěn)定等優(yōu)點，采用第一路輸入最大功率第二路補充負載所需不足功率的主從式電壓、電流瞬時值反饋移相全橋控制策略，能夠?qū)崿F(xiàn)可再生能源的優(yōu)先利用、能夠提高可再生能源聯(lián)合供電的穩(wěn)定性和靈活性。因此，全橋Boost 型多輸入直流變換器拓撲非常適合應(yīng)用在多種性質(zhì)不同的可再生能源聯(lián)合供電的分布式供電系統(tǒng)。

　　以上論述可知，目前國內(nèi)外專家學(xué)者對多輸入直流變換器的研究，主要有非隔離分時供電型、非隔離同時供電型、隔離分時供電型、隔離同時供電型多輸入直流變換器，各類型多輸入直流變換器都有著各自的優(yōu)缺點。隨著可再生能源分布式發(fā)電的發(fā)展，多輸入直流變換器的應(yīng)用越來越廣泛，因此，尋求一類具有電路結(jié)構(gòu)簡潔、成本低、效率高、允許多種可再生能源分時或同時供電、能夠提高可再生能源聯(lián)合供電的穩(wěn)定性和靈活性、能夠?qū)崿F(xiàn)可再生能源的優(yōu)先利用的多輸入直流變換器及其控制策略已迫在眉睫。因此，多輸入直流變換器的研究具有重要的理論價值和工程應(yīng)用價值，符合我國可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略的要求。

　　參考文獻

　　[1] Benavides N D and Chapman P L, “Power budgeting ofa multiple-input Buck-Boost converter,” IEEE

　　Transactions on Power Electronics, 2005, 20(6):

　　1303-1309.

　　[2] Bryan G Dobbs and Patrick L Chapman, “A multiple-input

　　DC-DC converter topology,” IEEE Power Electronic

　　Letters, 2003, 1(1): 6-9.

　　[3] Yuan-Chuan Liu, Yaow-Ming Chen, “A systematic

　　approach to synthesizing multi-Input DC/DC converters,”

　　IEEE Power Electronics Specialists Conference, 2007,

　　17-21: 2626-2632.

　　[4] Chen Y M, Liu Y C, Lin S H, “Double-input PWM

　　DC-DC converter for high/low voltage sources,” IEEE

　　Transactions on lndustrial Electronics,2006,53(5):

　　1538-1545.

　　[5] Yan Li, Trillion Q. Zheng, Chuang Zhao, Rui Du,

　　Quandong Wang, “A Novel Buck/Boost/Buck-Boost

　　Three-Input DC/DC Converte,” IEEE Industrial

　　Electronics Society 37th Annual Conference, 2011, 7-10:

　　1091-1096.

　　[6] Matsuo H, Wenzhong Lin, Fujio Kurokaw, “Tetsuro

　　Shigemizu and Nobuya Watanabe. Characteristics of the

　　multiple-input DC-DC converter,” IEEE Transactions on

　　Power Electronics. 2004, 51(3): 625-631.

　　[7] Yan Li, Chuang Zhao, Jia Yao Chen, Rui Du, Yujin

　　Zhang, “Optimizing Design of Soft-Switching Dual-Input

　　Full-Bridge DC/DC Converter,” IEEE Vehicle Power and

　　Propulsion Conference, 2011, 6-9: 1-6.

　　[8] 陳道煉，陳亦文，徐志望.全橋Boost 型多輸入直流變

　　換器.中國電機工程學(xué)報,2010,30(27):42-48.

　　作者簡介：

　　李華輝 1985 年生，男，碩士研究生，研究方向

　　為新能源供電系統(tǒng)電力電子變流技術(shù)。

　　陳道煉 1964 年生，男，博士后，IEEE 高級會員，

　　新世紀(jì)百千萬人才工程國家級人選，閩江學(xué)者，教授、

　　博士生導(dǎo)師，主要從事電力電子學(xué)研究。