一种太阳能空调双输入直流变换器

许敏, 张有林

(珠海格力电器股份有限公司，广东 珠海 519070)

0 引 言

随着国家对新能源的倡导以及政策倾斜。新能源的开发与应用得到广泛关注，并在一系列工程项目及机电产品中具体实施。以空调为例，采用太阳能或太阳能、蓄电池及市电等混合供电的空调暖通系统已经不是新鲜事物。新能源的研究利用与具体实施中一个共性的问题是新能源输出功率形式与负载或者并网市电间的功率变换问题。而多能源的共同供电是其中一个重要研究领域。

目前，在太阳能功率变换装置中，几千瓦等级大都采用不隔离的功率变换方式。采用不隔离的太阳能功率变换器虽然成本、效率上有一定优势，但存在对地泄漏电流的问题。国内外学者先后从不同角度提出了多种解决系统对地泄漏电流的功率变换拓扑与控制策略。文献[1]提出了有源共模干扰抑制方案。通过电容等检出共模信号，然后经过射极跟随与放大反向后再串入共模回路以抵消共模干扰。文献[2]提出了三相四桥臂方案。该方案增加了辅助桥臂，调制上不能使用零矢量，该方案容易使线电压畸变。此外还有H5、H6 、HERIC、REFU等拓扑。但这些方案大都增加了成本与系统复杂性。综合对比，有些方案成本反而比隔离方案高。

另外，根据电池板的摆放位置以及电池板特性的差异通常把电池板分成几组，从而形成电压或容量等参数不同的几组太阳能电源输入。因此需要多输入的直流变换器。目前在多输入直流变换器上国内外学者也有相关研究,并衍生出多种拓扑。文献[3-4]将多个电源串联功率管后并联在一起。文献[5]系统总结了多输入直流变换器的拓扑基本单元、新拓扑产生原则。并归纳了一系列拓扑。

在研制太阳能空调的过程中，为了克服太阳能变换器对地泄漏电流问题，以及针对太阳能电池多组输入的情况，提出并深入研究了一种双输入隔离型直流变换方案。此方案在采用一个磁芯的情况下，通过其上的耦合线圈在实现原边与副边隔离的同时更实现了输入太阳能电池组之间的隔离。

1 工作原理

图1为双输入隔离型直流变换器的原理图。两个输入功率管采用分时导通的方式。为了抑制漏感产生的电压应力。两个输入原边都设置了吸收电路。由于系统母线电压为380 V的高压，输出绕组采用桥式整流拓扑。

图1 双输入直流变换器

图中功率管MOS11导通时，电源S11的能量经过原边绕组NP1、磁芯、副边绕组NS及整流二极管D31、D34、电感L31传输到负载。另一电源输入绕组NP2虽然有感应电压，但只有吸收回路一个回路，基本不产生输出功率。

功率管MOS11关断时，磁芯中的励磁能量、漏感中的能量以及副边电感的续流等因素，续流二级管的导通过程等存在一个动态过程。随着这个过程的结束，变换器进入副边电感续流阶段。此后另一路绕组电路的功率管MOS21导通，其过程与前述相同。

根据副边电感电流的连续性，此变换器工作模式可分为电感电流不连续模式DCM,电感电流连续模式CCM以及临界导通模式CRM。为了避免两路输入电源在变压器磁场中的相互耦合及磁复位问题给变换器控制带来的困难，方案中采用每个输入电源分时工作，副边电感电流不连续DCM的工作方式。即在功率管导通之前副边电感续流电流已经下降到零。

2 模态分析

此方案采用副边电感电流不连续模式DCM。分析此模式时变换器的模态,如图2所示。图2中有电流的环路用粗线条表示。分析前先进行一些必要的假设:两路太阳能电池输出时间常数很大，变化缓慢，可看成恒压源VS11，VS21。副边输出电容很大，输出电压可看作恒压源VO。以上前提下，根据两路输入电源中功率管的开关状态可将电路分成八种工作模态。

图2(a)为工作模态1，在此时间段功率管MOS11导通，原边绕组NP1流过负载镜像电流以及励磁电流，电源VS11向负载输出功率。副边绕组NS电流经过二极管D31、D34以及副边电感L31给负载供电。在此过程中副边电感电流线性上升。

此阶段励磁电流为：

(1)

上式中由于漏感Lrp1远小于励磁电感Lmp1，予以忽略。令励磁电流初值为零。

副边电感L31电流为：

(2)

原边电流为：

(3)

式(2)、式(3)中N1=NP1/NS为原边绕组N1与副边绕组NS的匝比。副边电感为L31。

图2(b)为工作模态2， 此模态功率管MOS11关断。是漏感能量泄放、副边电感续流的暂态过程。

源于漏感的两个电流回路为：原边绕组Np1的漏感Lrp1能量吸收回路；副边绕组NS的漏感Lrs1能量泄放回路。两个回路的电流分别为：

图2 工作模态

(4)

(5)

式(5)事实上是整流作用二极管与续流作用二级管的换相过程。Lrs1是对绕组NP1的漏感，r为副边内阻。考虑励磁电流相对较小，予以忽略，副边电感峰值电流为N1IM1。

图2(c)工作模态3，此过程为副边电感的续流过程。续流回路为桥式整流的两路回路并联进行。续流电流为：

(6)

图3(d)为工作模态4，此时间段是半个周期的终结。在此期间，两路电源的功率管都截止，副边电感能量泄放续流完成,副边电感L31的电流为零，变换器处于初始状态。

图2(e)～图2(h)是另外一路电源VS21的工作模态过程。此过程和VS11的供电过程完全一样，不再累述。

3 稳态分析

方案中采用每个输入太阳能电源分时导通工作方式。且副边电感电流均处于断续导通模式DCM工作方式。

变换器工作于DCM模式时，原边输入电流由零上升到峰值，再从峰值下降到零。上升值与下降值相等，于是有：

(7)

式中:D11、D12分别为功率管MOS11导通及副边电感续流占空比;TS为开关周期。简化式(7)得到：

(8)

同理，在此周期中电源S22供电，功率管MOS21导通时有：

(9)

式中:D21、D22分别为功率管MOS21导通及副边电感续流占空比，N2=NP2/NS为原边绕组NP2与副边绕组NS的匝比。

在一个周期中副边电感电流是由两路电源相继输入导致的两个三角形，如图3所示。电感的平均电流I31为：

(10)

由于电感平均电流即为负载电流VO/RL,则：

根据式(8)、式(9)及式(11)可得稳态下输出与两路输入电压及其占空比的关系式：

(12)

由式(12)可看出，在电感电流不连续DCM模式下变换器输出是与副边负载、电感量及两路原边输入电压、占空比、原副边匝比相关的非线性系统。当一路太阳能电池板不接，即输入电压为零时即为一个副边为全桥整流的正激变换器。

4 仿真与实验验证

对此太阳能两输入隔离型变换器进行了仿真与实验方面的验证。系统输入为两路太阳能电池板，一路为8块电池板串联输出电压150 V左右，另一路为7块电池板串联130 V左右。输出电压380 V，输出功率900 W左右。开关频率50 kHz由TI公司TMS320F28069 DSP输出。

图3为副边输出电感电流波形，由图可见电感电流处于不连续状态。在一个周期中有两个三角形的波形，一个电流峰值稍高，分别对应两路输入绕组电路的功率传输。图4为两输入绕组电流波形，及相对应的副边电感电流波形。图5为整流桥输出电压波形及输出负载电压波形VO。其中整流桥输出电压在副边电感续流阶段降为零。

图3 副边电感电流

图4 两输入回路、副边电感电流波形

图5 整流桥输出电压与输出负载波形

由上述仿真波形可见:变换器工作于电感电流断续模式DCM;两路输入电源实现了独立的功率传输;且输出负载电压可以稳定控制在380 V左右。此直流变换方案较好地实现了隔离、功率变换与传输功能。

5 结束语

针对混合供电太阳能空调中太阳能变换器，提出了一种双输入隔离型直流变换解决方案。此方案在采用一个高频变压器的情况下实现了太阳能电池板与空调系统及电网的隔离、两组太阳能电池板之间的隔离。且两组输入实现了独立的功率控制。通过仿真以及基于DSP的数字控制系统对提出方案进行了验证，结果表明了该方案的正确性与可行性。