【《双输入Buck变换器的工作原理概述》2400字】

第第页共22页双输入Buck变换器的工作原理概述目录TOC\o"1-3"\h\u9438双输入Buck变换器的工作原理概述 1293091.1双输入Buck变换器的电路拓扑 1110201.2双输入Buck变换器的工作原理 2277281.3输出电压及输入电流的关系 3148761.4相关直流变换器性能的比较 4257541.5能量管理与控制策略 41.1双输入Buck变换器的电路拓扑依据两个输入源在任一时刻是否能同时向负载进行供电有两种模态，一种是在任一某时刻两个输入源中只有一个能向负载供电，即为分时供电；另一种则是在任一某时刻两个输入源能一起向负载供电。如图2-1所示为双输入分时Buck变换器的电路结构，它是由两个输入源的开关并联，并具有反向阻断的能力。但它在任一时刻，只有一电压大的那个输入源能向负载供电，而电压小的输入源支路会被阻断而无法供电。所以双输入分时Buck变换器就相当于两个单输入Buck变换器并联组合在一起。采用类似的思路，可以得到本文将研究的，优化后的双输入Buck变换器，它的两个输入源能实现同时向负载供电供电或各自单独向负载供电。它的电路结构如图2-2所示。图2-1双输入分时Buck变换器图2-2双输入Buck变换器1.2双输入Buck变换器的工作原理为了方便后续内容上的表达，将对电路中所有元器件做具体的符号定义。假设Vin1和Vin2分别是1#源太阳能电池、2#源城市电网的输入电压、D1、D2分别是两个输入源的续流二极管，Q1、Q2分别是两个输入源的开关管，Cf是滤波电容，Lf是滤波电感，RLd是负载，RCf是滤波电容的等效串联电阻。双输入Buck变换器有以下四种工作模式：模式1，如图2-3(a)所示，仅由1#输入源就能满足负载提供所需的功率，这一情况在负载所需求的功率＜1#源能输出的最大功率时发生。如果最大输入电流参考值Iin1_ref保持不变，那么1#源将在最高功率模式下输出功率。此时电压调节器调节后的输出电压是负值。而关断开关管Q2，同时使VD2保持导通状态的时候，电压调节器的输出电压Ve将成为驱动信号使Iin1_ref变小，等效于减小了输入电流的值。此时使用电流调节器与电压调节器调节占空比保证输出电压的稳定。模式2，如图2-3(b)所示，当负载所需功率＞1#源可提供的最大功率时，就会出现两个输入源同时向负载供电的情况。此时输出电压为正，二极管D1和D2始终保持截止状态，1#源在不足以完全满足负载所需功率时，由2#源补足。1#源的输入电流参考值设为Iin1_ref，使得1#源在最高功率模式下向负载输出功率。并使用电压调节器保证输出电压的稳定。模式3，如图2-3(c)所示，当1#源出现故障等影响而导致无法向负载正常供电时,则系统会直接关断开关管Q1。此时只有2#源向负载单独地提供能量。并使用电压调节器保证输出电压的稳定。模式4，如图2-3(d)所示，两个输入源都不向负载供电，各开关管和二极管全部处于关断状态。此时滤波电感Lf将开始释放能量，直到滤波电感Lf中的能量全部释放完毕之后，负载将由输出滤波电容Cf进行供电。(a)(b)(c)(d)图2-3双输入Buck变换器不同开关模式下的电路图1.3输出电压及输入电流的关系图2-2中我们给出了双输入Buck变换器的电路图，根据第二章第二节对电路中元件的名称的定义并结合图2-2，我们可以得出该变换器的输出电压以及1#、2#源的平均输入电流如下:Vo=VAB=Dy1Vin1+Dy2Vin2（1）Iin2=Dy1Il（2）Iin2=Dy2Il（3）上述式中的Dy1，Dy2分别为开关管Q1和Q2占空比的稳态值。1.4相关直流变换器性能的比较第一，从1.1节和1.2节可以看出，本设计所研究的双输入Buck变换器的不仅可以实现单独地向负载提供能量，还可以实现同时向负载提供能量；而单输入Buck变换器或双输入分时Buck变换器在任一时间点仅支持一个输入源向负载提供能量，从新能源的利用效率来看有了显著的提高。第二，本课题所研究的双输入Buck变换器相较于双输入分时Buck变换器来说不仅可以实现电路的基本运行，而且减少了相关器件的使用数量。第三，本课题所研究的双输入Buck变换器相较于双输入分时Buck变换器来说不仅减少了使用器件的数量并降低了系统的成本，而且可以利用新能源与其他能源之间的互补性来达到相对稳定的功率输出的目的。1.5能量管理与控制策略因为双输入Buck变换器中的输出电压是关于占空比的函数，所以既能调节输出电压，也能合理地分配两个输入源的输入功率。比如，在太阳能电池和城市电网的联合发电系统中，因为太阳能是新能源，所以应首先利用它，而城市电网将作为应急电力能源，本文设1#源为太阳能电池，2#源为城市电网，1#源所能提供的最大功率为Pin1_ref，负载所需功率为Po。依据能量管理的策略可以分为以下几点：①当太阳能电池足以可靠的提供负载所需的功率时，就可以使用太阳能电池为负载单独地供电，使其可以在稳定模式下运行并稳定地输出电压，此时城市电网将退出工作；②当太阳能电池无法满足向负载提供其所需的功率时，首先还是应尽可能多地使用太阳能，以便太阳能电池可以在最大功率的状态下运行向负载提供能量，其次城市电网则用来提供另外不足部分的负载功率。一方面，我们需要制定一种更明智的策略和方法来确保电压的稳定性，以便在两个输入源一起向负载提供能量时，整个系统能达到最优的功率分配；另一方面，除输入源故障等因素的影响外，必须确保太阳能电池首先以最大功率模式向负载供能，然后在太阳能电池供能不足时由2#源提供负载所需的能量。此策略不仅能有效减少传统能源消耗不足的现象发生，还能充分连接城市电网电源，确保整个系统正常稳定的向负载供电。图2-4是能量管理及控制策略的系统框图。根据能量管理的需求，在具备稳定的输出电压的情况下，优先利用尽可能多的太阳能。紧接着，根据每种工作模式的要求，给出各自的控制电路，并得出切换模式的方法，以实现各模式之间的平滑切换。下面依据图2-4的框图并按照能量管理的要求，来分析并介绍双输入Buck变换器的三种工作模式:模式一：当Po>Pin1_ref时，太阳能电池和城市电网将同时供电。此时电压调节器可调节开关管Q2的占空比来输出正值的电压，并会导致二极管VD1断开。可以看出，电流调节器和电压调节器是彼此独立地参与工作的。模式二：当Po<Pin1_ref时,该系统的城市电网将不再工作,仅由太阳能电池为该系统的负载提