多输入直流变换器的研究现状与发展

　　1.引言

　　随着社会经济的不断发展，人类对能源的需求日益增加，使得石油、煤和天然气等不可再生能源供应日益紧张、环境污染严重、导致全球气候异常，核能用于电力发电又会产生核废料污染环境、也可能产生核事故对人类造成大规模影响。因此寻找新的可再生能源、开发和利用可再生能源是人类所面临的最为紧迫课题之一。目前可再生能源发电主要有光伏、燃料电池、风力、地热等类型，均存在电力供应不稳定、不连续、随气候条件变化等缺陷，但人类对供电质量和供电可靠性的要求越来越高，为了解决这一矛盾就必须研究并采用多种能源联合供电的分布式供电系统。

　　传统的可再生能源分布式供电系统，如图1 所示。由图1 可知，该系统由三部分构成：1)光伏电池、燃料电池、风力发电机等可再生能源发电设备和单向直流变换器;2)蓄电池、超级电容等辅助能量存储设备和双向直流变换器;3)与直流母线相连的负载变换器和负载。该系统的多种能源需要分别经过单向直流变换器进行电能变换后连接到公共的直流母线上，因此需要多个单输入直流变换器、存在电路结构复杂、成本高等缺点。

　　为了降低成本，就必须对电路结构进行简化，可采一个多输入直流变换器取代多个单输入直流变换器，组成新型的可再生能源分布式供电系统，如图2所示。由图2 可知，多个性质、幅值和特性相同或差别很大的输入源可以通过一个多输入直流变换器实现在一个高频开关周期内同时或分时向负载供电，该供电系统具有电路结构更简洁、成本更低、系统的稳定性和灵活性得到提高、可实现可再生能源的优先利用等优点。

　　按照多路输入源与直流负载是否存在电气隔离，多输入直流变换器可分为非隔离型和隔离型两类。按照多路输入源在一个高频开关周期内向负载供电的方式不同，多输入直流变换器可分为分时供电型与同时供电型两类。分时供电型多输入直流变换器在任一时刻只有一路输入源向负载供电;同时供电型多输入直流变换器在任一时刻既可以有一路输入源，也可以有多路输入源同时向负载供电。本文把多输入直流变换器分为非隔离分时供电型、非隔离同时供电型、隔离分时供电型、隔离同时供电型四类，并论述多输入直流变换器的研究现状与发展。

　　2.非隔离分时供电型多输入直流变换器

　　非隔离分时供电型多输入直流变换器电路拓扑有Buck、Buck-Boost 等类型，其电路拓扑如图3 所示。该类变换器采用单向导通的功率开关S1、S2、…、Sn将多路输入源并联在一起，在一个高频开关周期内的任一时刻均只有一路输入源向负载供电。当功率开关S1、S2、…、Sn 采用具有反并联二极管的MOSFET、IGBT 等器件时，必须串联阻断二极管D1、D2、…、Dn。当多路输入源独立向负载供电时，图3(a)所示Buck型多输入直流变换器相当于一个单输入的Buck 型变换器[1];图3(b) 所示Buck-Boost 型多输入直流变换器相当于一个单输入的Buck-Boost 型变换器[2]。

　　非隔离分时供电型Buck、Buck-Boost 多输入直流变换器具有电路结构简洁、各路输入源通过功率开关并联易于扩展为n 路输入等优点;但该类变换器也存在需要串联阻断二极管，导通损耗增大，任一时刻只能有一路输入源给负载供电，占空比调节范围小，输出与多输入源、多输入源之间均无电气隔离，电磁兼容性差，输出与输入电压匹配能力弱等缺点，电路的实用性较差。

　　3.非隔离同时供电型多输入直流变换器非隔离同时供电型多输入直流变换器电路拓扑有双输入Buck[3]、双输入Buck / Buck-Boost[4]、三输入Buck / Boost / Buck-Boost[5]等类型，如图4 所示。

　　该类电路拓扑是将多个非隔离型单输入直流变换器组合成一个多输入直流变换器，在—个高频开关周期内，两路输入源既可以独立向负载供电，也可以同时向负载供电。非隔离同时供电型多输入直流变换器，具有控制十分灵活，占空比调节范围宽，任一时刻，多路输入源既可以独立向负载供电，也可以同时向负载供电等优点;但该类变换器也存在难以扩展为n 路输入，输出与多路输入源之间、多路输入源之间均无电气隔离，电磁兼容性差，输出与输入电压匹配能力弱等缺点。

　　4.隔离分时供电型多输入直流变换器隔离分时供电型多输入直流变换器与非隔离分时供电型多输入直流变换器具有相同的电路结构，在3 所示电路中插入高频变压器可派生出Buck 、Buck-Boost 型隔离分时供电型多输入直流变换器[6]，如图5 所示。

隔离分时供电Buck、Buck-Boost 型多输入直流变换器由一个多原边绕组的高频(储能式)变压器将多个相互隔离的高频逆变电路和一个共用的输出整流滤波电路联接构成。由于在变压器充磁的任一时刻，