[发明专利]单磁芯三端口直流变换器

说明书

技术领域

本发明涉及功率变换器中的四种单磁芯三端口直流变换器，属于电力电子变换器领域。

背景技术

随着能源危机和环境污染问题日益严重，太阳能、风能、燃料电池等新能源发电技术成为世界各国关注和研究的热点。独立运行的新能源发电系统是新能源发电应用的非常重要的一种方式，可以解决偏远山区、孤岛等无电网地区的供电问题，除此之外，航天卫星中一般以太阳能作为输入源，蓄电池作为备用电源，共同向卫星进行供电，该结构与独立新能源发电系统的结构一致，因此对独立新能源发电系统的研究可以进一步推广应用于航天卫星供电系统等领域。

新能源发电设备固有的缺陷为独立新能源供电系统带来了一些新的难题和挑战，如：燃料电池的响应速度比较缓慢，输出功率不能及时跟踪负载的变化；风能、太阳能发电由于受到风速、风向、日照强度、环境温度等自然条件变化的影响而不能持续、稳定的输出电能，导致系统稳定性问题的增加。因此，独立运行的新能源发电系统必须配备一定容量的储能装置。储能装置起到能量平衡和支撑作用，及时补充系统的短时峰值功率，回收多余功率，保证供电的连续性和可靠性，提高电能的利用率，并且使发电设备在输出功率或负载功率波动较大时，仍能够保持良好的稳定性。

包含储能环节的独立新能源发电系统中，由于需要同时管理输入源、蓄电池和负载三者的功率，一般需要采用两个或多个变换器共同完成系统功率管理的任务，各变换器分散控制，系统体积、重量大，且存在多级功率变换，系统效率较低。针对上述应用背景及存在的问题，研究人员提出采用三端口变换器代替上述多个独立的变换器实现独立新能源发电系统的功率管理，如文献“Danwei Liu，Hui Li.A ZVS Bi-Directional DC-DC Converter for Multiple Energy Storage Elements，IEEE Transactions on Power Electronics，2006，vol.21(5)：1513-1517”，文献“Chuanhong Zhao，Simon D.Round，Johann W.Kolar.An Isolated Three-Port Bidirectional DC-DC Converter With Decoupled Power Flow Management，IEEE Transactions on Power Electronics，2008，23(5)：2443-2553”及文献“Hariharan Krishnaswami，Ned Mohan.Three-Port Series Resonant DC-DC Converter to Interface Renewable Energy Sources With Bidirectional Loadand Energy Storage Ports，IEEE Transactions on Power Electronics，2009，24(10)：2289-2297”提出了几种不同的三端口变换器，其共同特点在于各端口均通过变压器绕组相互隔离，因此端口之间均为隔离变换，使用的开关管数量较多，且变换效率会受到影响。

发明内容

本发明针对现有技术存在的不足，而提出四种可同时实现输入源、蓄电池和负载功率管理与控制的单磁芯三端口直流变换器。

第一种单磁芯三端口直流变换器的结构包括：输入源、蓄电池、第一至第三开关管、第一至第三二极管、滤波电容和滤波电感，其中：第一二极管的阳极连接输入源的正极，第一二极管的阴极分别连接第三开关管的源极和滤波电感的一端，滤波电感的另一端分别连接第二二极管的阳极、第三二极管的阳极和第一开关管的漏极，第二二极管的阴极分别连接滤波电容的一端和负载的一端，第三开关管的漏极分别连接蓄电池的正极和第二开关管的源极，第二开关管的漏极连接第三二极管的阴极，输入源的负极分别连接蓄电池的负极、第一开关管的源极、滤波电容的另一端和负载的另一端。

第二种单磁芯三端口直流变换器的结构包括：输入源、蓄电池、第一至第三开关管、第一至第三二极管、滤波电容和滤波电感，其中：第一开关管的漏极连接输入源的正极，第一开关管的源极分别连接第三开关管的源极、第一二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第三二极管的阳极和第二开关管的漏极，第二开关管的源极分别连接滤波电容的一端和负载的一端，第三开关管的漏极连接第二二极管的阴极，第二二极管的阳极分别连接蓄电池的正极和第三二极管的阴极，输入源的负极分别连接蓄电池的负极、第一二极管的阳极、滤波电容的另一端和负载的另一端。