摘要： 在两种以上能源输入的分布式供电系统中，采用多输入直流变换器替代多个单输入直流变换器，能够简化电路结构，降低系统成本。本文提出了一种新的双输入Buck直流变换器，该电路具有电路结构简单、开关器件电压应力低、既可单独向负载供电，又可同时向负载供电等优点。本文分析了双输入Buck多电平直流变换器工作原理，给出变换器的稳态关系式，提出控制策略及功率分配方式，最后通过一个420W的原理样机验证了理论分析的正确性和控制策略的有效性。
1 引言
化石能源作为不可再生能源正日益枯竭，它所造成的环境污染日益严重。可再生能源具有廉价、可靠、清洁无污染、能源丰富的特点，因此可再生能源发电展现了良好的市场前景。目前，应用较多的可再生能源发电形式有光伏发电、燃料电池供电、风力发电、水力发电、地热发电等等，但均存在电力供应不稳定、不连续、随气候条件变化等缺点，因此需要采用多种能源联合供电的分布式供电系统。
传统的新能源分布式供电系统中每种能源形式均需要一个DC-DC变换器，将各能源变成直流输出，并联在公共的直流母线上，供给直流负载，结构较复杂，且成本较高。为了简化电路结构，可以用一个多输入直流变换器(Multiple-InputConverter，MIC)代替多个单输入直流变换器。MIC允许多种能源输入，输入源的性质、幅值和特性可以相同，也可以差别很大，多输入源可以分别或同时向负载供电，因此提高了系统的稳定性和灵活性，实现能源的优先利用，并且降低系统成本。
根据多种输入源连接方式的不同，MIC可分两类：
(a)分时供电型：任一时刻均只有一种输入源向负载供电[1-6]。文献[1]中给出的电路拓扑是将多种输入源通过开关管并联在一起其中开关管必须为单向导通的器件，若使用M0SFET或IGBT，则需要串联二极管。此类MIC具有如下优点：
(1)电路结构简单，多输入源分别向负载供电时，共用续流二极管、输出滤波电感、电容。
(2)各支路是并联连接，因此容易扩展成n个输入情况。但该类电路也存在如下缺点：
1)电路中增加了一个二极管，存在额外的导通损耗。
2)在任一时刻均只能有一种输入源给负载提供能量。
(b)同时供电型：多种输入源既可以独向负载供电，也可以联合向负载供电[7-15]。文献[7]提出了一种适合高低压源输入的MIC。与分时供电型相比，该电路的优点是：
(1)对开关器件无特殊要求，无需串联反向阻断二极管。
(2)控制十分灵活。在一个开关周期内，两种输入源既可独立向负载供电，也可串联向负载供电。但是，此电路拓扑中开关管Q2和二极管D2的电压应力很高，为输出电压与2#输入电压之和。
本文提出了一种新的同时供电型双输入Buck变换器，其开关管和二极管的电压应力分别为两个输入电压，电压应力降低了。
2 双输入Buck变换器的工作原理
图1给出了双输入直流变换器的电路图，其中Vin1和Vin2分别是1#、2#输入源电压，Q1、Q2为开关管，D1、D2为续流二极管，Lf是输出滤波电感，Cf是输出滤波电容，RLd是负载。Q1、Q2可以同时开通，也可以错开一定角度工作。
根据开关的工作状态，在一个开关周期内，变换器存在以下四种开关模态。图2给出了不同开关模态的等效电路。
(1)模态I：参见图2(a)，Q1导通，Q2关断，AB两点间电压υAB=Vin1，加在电感Lf上的电压为υAB与输出电压Vo之差，若Vo<Vin1，电感电流iLf开始上升；若Vo>Vin1，iLf下降。
(2)模态Ⅱ：参见图2(b)，Q1和Q2同时导通，υAB=Vin1+Vin2，iLf上升。
(3)模态Ⅲ：参见图2(c)，Q1关断，Q2导通，υAB=Vin2，若Vo<Vin2，iLf上升；若Vo>Vin2，iLf下降。
(4)模态Ⅳ：参见图2(d)，Q1和Q2同时关断，iLf通过二极管Dl和D2续流，υAB=0，iLf下降。
由模态分析可知，Vin1独立向负载供电时，D2始终导通，Vin1、Q1、D1、Lf、Cf和RLd相当于一个Buck变换器。Vin2独立向负载供电时，D1始终导通，Vin2、Q2、D2、Lf、Cf和RLd也相当于一个Buck变换器。Q1、Q2同时导通时，Vin1、Vin2串联向负载供电。Q1、D1的电压应力为Vin1，Q2和D2的电压应力为Vin2。Ql、Q2的开关频率可以相等也可以不相等，为了减小电路中的电磁干扰，方便滤波器的设计，在开关频率相同时，两只开关管的工作也可以有相位差或同时开通。本文只将相同频率并且同时开通的控制方式作为研究对象。图3给出Vin1>Vo，Vin2>Vo的电路主要工作波形。假设Q1的占空比小于Q2的占空比，在一个开关周期内，电路工作时序为Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ模态。[#page#]
3 基本数量关系
根据上面的分析可以看出，该变换器可以看成2个独立的Buck变换器工作，因此其输入输出关系是
Vo=Vin1·Dy1+Vin2·Dy2 (1)
从式(1)可以看出，输出电压是D1，D2的函数。式中Dy1，Dy2分别为Q1，Q2的占空比，TS为开关周期。
假设电感足够大，电感电流可以看成一个直流电流，即负载电流Io，因此，电源侧的输入电流平均值Iin1和Iin2分别为：
Iin1=Dy1·Io (2)
Iin2=Dy2·Io (3)
4 能量管理
在MIC中，由于存在多个输入源及相应的开关管，因此需要对多个占空比进行控制，也就是存在多个控制自由度，这就为多输入源的能量管理提供了可能性。换句话来说，多输入直流变换器的控制策略需要实现两大功能：(1)保证输出电压稳定；(2)实现多输入源的功率分配。
以双输入直流变换器为例，在给定两路输入电压的情况下，控制任一输入源的输入电流，就相当于控制了该输入源的输入功率。按照两路输入源功率分配方式的不同，控制策略可分为两种：
(1)按固定比例分配两路输入源输入功率：如果将2#输入源输入电流参考值始终是电感电流的1/2，那么在全负载范围内，2#源输入功率随负载功率变化而变化的，而剩余功率由另一路提供。
(2)按主从方式分配两路输入源输入功率：假设2#输入源为主供电设备，即负载所需功率尽可能由2#输入源提供，不足功率由1#源提供，因此若输出功率小于此时2#源能提供的功率，1#源将关闭。例如在氢一光互补供电系统中，太阳能电池作为主供电设备（2#输入源），燃料电池为后备能源供电设备（1#输入源），可以选择这种功率分配方式，因为它符合可再生能源供电系统对能源的优先利用的要求。调节2#输入源输入电流参考值还可以实现太阳能电池的最大功率输出，即实现最大功率点跟踪(Maximum Power Point Tracking，MPPT)。
在双输入Buck直流变换器中，选择主从控制方式分配两路输入源输入功率，由于采用直流电压源作为双输入源，因此下面将2#输入电流参考值Lin2-ref设计在固定值，以验证电路的工作原理和控制策略。本文提出的控制策略如表1所示，分为四种工作模式。各种模式的控制框图如图4所示。
表1 电路工作模式
Po>Pin2 Po<Pin2
恒压 模式I 模式Ⅱ
限流 模式Ⅲ 模式Ⅳ
工作模式I正常工作情况下，稳压工作，即输出功率Po小于额定功率，限流环输出饱和值。如果输出功率Po大于2#源所能提供的最大功率Pin2，2#将以最大功率输出，负载剩余功率将由1#输入源提供；电压调节器输出控制Q1开关管的占空比稳定输出电压。Iin2_ref'=Iin2_ref电流调节器输出控制Q2开关管的占空比使得2#源的输入功率为Pin2。控制框图如图4(a)所示。
工作模式Ⅱ与模式I相同，限流环输出饱和值。增大负载电阻，即输出功率Po小于2#源所能提供的最大功率Pin2。如果保持Iin2_ref'=Iin2_ref，则电流环输出饱和值，若2#输入电压大于输出电压，输出电压将不稳定。为了解决这个问题，在这种模式下，将电压调节器输出与Iin2_ref叠加后作为Iin2_ref'，由于电压调节器输出为负值，Q1的占空比为0，1#源关闭；电压调节器与电流调节器组成双闭环，电流环为内环，电压环为外环，调节Q2的占空比使输出电压稳定。控制框图如图4(b)所示。
工作模式Ⅲ在过载情况下，进入限流模式，即输出功率Po大于负载限定功率时，限流调节器将取代电压调节器工作；如果负载电阻较大，即输出功率Po大于2#源所能提供的最大输出功率Pin2，2#将以最大功率输出，负载剩余功率将由1#输入源提供；电压调节器输出控制Ql开关管的占空比稳定输出电压。Iin2_ref'=Iin2_ref，电流调节器输出控制Q2开关管的占空比使得2#源的输入功率为Pin2。控制框图如图4(c)所示。
工作模式Ⅳ与模式Ⅲ相同，限流调节器将取代电压调节器工作，减小负载电阻，即输出功率小于2#源所能提供的最大输出功率。限流调节器输出为负值，Q1的占空比为0，l#源关闭；电压调节器与电流调节器组成双闭环，电流为内环，电压为外环，调节Q2的占空比使输出电压稳定。控制框图如图4(d)所示。 [#page#]
5 实验结果
为了验证新提出的双输入Buck直流变换器的工作原理，在实验室完成了一个420W的原理样机，实验所用数据为：
输入电压范围：Vin1=80V~160V；Vin2=60V~120V。
输出电压：Vo=100V。
额定输出电流：Io=4.2A。
2#输入电流参考值：2A。
输出滤波电感：Lf=840μH；输出滤波电容：Cf=470μF。
开关管（Q1和Q2）：W20NM60(20A/600V)。
二极管（D1和D2）：DSEI12-06(12A/600V)。
开关频率：fS=50kHz。
图5给出了额定输入电压分别为Vin1=160V，Vin2=120V时的驱动电压、电感电流、AB间电压的实验波形。图5(a)为输出电流Io=0.8A的实验波形，此时Ql占空比为0，1#源输入电流为0A，调节Q2的占空比使得输出电压稳定。图5(b)为输出电流Io=4.2A时的实验波形。此时调节Ql的占空比使得输出电压稳定，调节Q2的占空比使得2#输入电流稳定，2#输入电流为2A。验证了表1所示的理论分析正确性。
图6给出了额定输入电压分别为Vin1=80V，Vin2=60V时的驱动电压、电感电流、AB间电压的实验波形。图6(a)为输出电流Io=0.8A的实验波形，此时Q2占空比为1，2#输入电流为0.8A，调节Q1占空比使得输出电压稳定。图6(b)为输出电流Io=4.2A时的实验波形。此时调节Q1的占空比使得输出电压稳定，调节Q2的占空比使得2#输入源输入电流稳定，2#输入电流为2A。验证了理论分析的正确性。
6 结语
本文提出了一种双输入Buck直流变换器。它具有电路结构简单、开关器件的电压应力低、多输入源既可分别向负载供电，也可以同时向负载供电等优点。本文分析了双输入Buck变换器的工作原理，给出输入输出关系，提出控制策略及功率分配方式，并通过一个420W的原理样机验证了理论分析的正确性及控制策略的有效性。
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作者简介
李艳，女，1977年生，博士研究生。研究方向为中小功率高频软开关直-直变换器和新能源供电系统。
阮新波，男，1970年生，博士，教授、博士生导师，研究方向为功率电子变换技术、航空航天供电系统、新能源供电系统和电力电子系统集成。
