CN101814827B

CN101814827B - 两级式的高压输入低压大电流输出型直流变换器

Info

Publication number: CN101814827B
Application number: CN2010101425369A
Authority: CN
Inventors: 曹剑坤; 朱琦; 王慧贞
Original assignee: Nanjing University of Aeronautics and Astronautics
Current assignee: Nanjing University of Aeronautics and Astronautics
Priority date: 2010-04-09
Filing date: 2010-04-09
Publication date: 2012-08-15
Anticipated expiration: 2030-04-09
Also published as: CN101814827A

Abstract

一种应用于高压输入低压大电流输出的直流变换器，包括了主电路和控制电路。主电路由n个相同结构的模块构成，n个模块的输入端与输出端均并联，每个模块均为前后级结构，前级为非隔离型的直流变换器，后级为隔离型的直流变压器。控制电路包括前级输出滤波电感电流均流外环、后级输出电压中环、前级输出滤波电感电流内环的三环控制电路，各模块间的同步交错分频电路，电压开环控制电路。本变换器应用于高压输入低压大电流输出的场合，具有体积小、效率高、可靠性高的优点。

Description

两级式的高压输入低压大电流输出型直流变换器

技术领域

本发明涉及一种多模块两级式结构、高电压输入低电压大电流输出特点的隔离型直流变换器，属于功率变换中的大功率直流降压技术。

背景技术

目前，高压输入低压大电流输出型的直流变换器被应用到通信电源、制碱冶金工业和航天电源系统等各个领域。为了提高变换器的效率和可靠性，针对高压输入低压大电流输出型直流变换器的拓扑和控制方法的研究有很多。

在电路的输入端与输出端要求隔离的场合下，此类直流变换器通常使用高频隔离变压器实现磁隔离。高频隔离变压器的损耗和体积在大功率直流变压器中占有较大比例，因此如何优化设计以减小高频隔离变压器的损耗和体积至关重要。单级式的高压输入低压大电流输出型直流变换器虽然减小了开关器件的数量，但是在输入电压波动范围较大的情况下，电路中高频隔离变压器的设计比较困难。

在大功率和可靠性要求高的应用场合下，多模块串并联组合变换器将多个DC/DC变换器模块的输入端和输出端进行串并联组合，每个模块均分总的输出功率。这样不仅使得单个模块设计和系统热设计更为简单，而且整个系统的可靠性得到提高。

本专利提出一种新型的大功率高压输入低压大电流输出型直流变换器的拓扑结构及其控制方案——前级稳压，后级变压、隔离控制的多模块两级式高压输入低压大电流输出型直流变换器。

发明内容

本发明旨在传统的两级式变换器的基础上，借鉴多模块输入串并联组合变换器的优点，结合直流变压器的特点，提出一种新型的多模块两级式变换器组合，用以解决大功率高压输入低压大电流输出场合的功率变换问题。

该变换器包含主电路和控制电路。主电路的特征在于：n个模块的输入端与输出端均并联起来，每个模块均为前后级结构。n个模块的拓扑结构均相同，以单个模块为例，其前级采用非隔离型的Buck拓扑，其后级采用隔离型全桥结构的直流变压器。每个非隔离型的Buck拓扑包括开关管、二极管、输出滤波电感、输出滤波电容。每个全桥结构的直流变压器包括全桥电路、串联电容、副边含中心抽头的高频隔离变压器、输出双半波整流电路、输出滤波电容。

控制电路中每个模块的后级直流变压器采用电压开环控制，桥臂开关管驱动信号的占空比接近0.5并且固定。系统的均流控制和稳压控制均由三环控制电路提供，通过均流误差信号来调整系统输出电压闭环调节器的基准电压，系统输出电压闭环调节器的输出作为每个模块中前级输出电流闭环调节器的基准，前级输出电流闭环调节器的输出分别与各自的调制波交截后分别产生各模块中前级开关管的驱动逻辑，通过控制前级开关管的占空比来控制系统的输出电压和各模块的均流。各模块间的同步交错分频电路产生的分别相差2π/n度的同步信号使得n个模块中前后两级的工作时钟同步，并且n个模块的调制波分别相差2π/n度。

本专利采用的多模块前后级结构直流变换器，前级使用非隔离型直流变换器结构实现稳压功能，后级使用隔离型的直流变压器拓扑利用高频隔离变压器实现降压功能。这种大功率直流变换器的优点是：

(1)直流变换器的各模块在同一频率下同步交错并联工作的设计思路减小了输入、输出滤波器体积和电路中的EMI；

(2)采用多模块并联结构的直流变换器不但增大了输出电流，而且使系统的热设计和模块化设计更加简单，因此该结构的直流变换器非常适用于高压输入低压大电流输出型场合；

(3)后级全桥型直流变压器的特点是桥臂开关管采用占空比接近0.5并且固定的电压开环控制，直流变压器的输出端无需滤波电感，减小了系统的体积和重量，而且各桥臂开关管利用其等效结电容与折算到高频变压器原边的漏感在开关时刻谐振以实现各桥臂开关管的软开关，减少了损耗，提高效率；

(4)每个大模块的后级直流变换器仅实现降压和隔离功能，不调节系统的输出电压，整个大模块的电压闭环通过控制前级开关管的占空比来实现系统输出端的稳压。采用这种前级稳压后级隔离降压的设计思路后，充分发挥了后级直流变压器电压开环控制的优点，由于其桥臂开关管的占空比接近0.5并且固定、后级直流变压器的输入电压稳定，所以后级直流变压器中的高频隔离变压器易于优化设计。

附图说明

图1是本发明示意图。

图2是本发明单模块的电路拓扑结构示意图。

图3是各模块间的同步交错分频电路的示意图。

图4是单模块的三环控制电路的控制框图。

图5是电压开环控制电路的控制框图。

图1——图5的主要符号名称：(1)U_in，U_o，u_o，u_ref——分别为前级输入电压，后级输出电压，后级输出端的电压采样，后级输出电压调节器的基准电压。(2)I_av，i_l——各模块均流母线电流，直流变换器模块1中流过电感的电流采样。(3)S₁-S₅——分别为1号模块的开关管和对应的体二极管。(4)D₁-D₃——分别为1号模块的二极管。(5)C_S1-C_S5，C_D1-C_D3，C_r，C_o1，C_o2——分别为1号模块开关管的等效结电容，1号模块二极管的等效结电容，高频隔离变压器原边的隔直电容，直流变换器模块1中的输出电容，直流变压器模块1中的输出电容。(6)L₁——直流变换器模块1中的电感。(7)CP——各模块间同步交错分频电路的时钟信号。(8)T——为高频隔离变压器。(9)Q₁-Q_n——分别为n个模块的同步信号。

具体实施方式

多模块两级式高压输入低压大电流输出型直流变换器的主电路如图1所示，其特征在于：主电路由相同结构的n个模块构成——1号模块、2号模块……n号模块，n个模块的输入端与输出端均并联，每个模块均为前后级结构，前级为直流变换器，后级为直流变压器。

以1号模块为例，具体的主电路拓扑如图2所示。1号模块由前级直流变换器模块1和后级直流变压器模块1构成。图2左侧的虚线框内为前级直流变换器模块1的具体拓扑，前级直流变换器模块1采用非隔离型的Buck拓扑结构，每个Buck模块包含一个开关管、一个二极管、一个电感和一个输出电容。其连接方式为：开关管S₁的漏极与输入直流电源U_in的正输出端相连，二级管D₁的阳极与输入直流电源U_in的负输出端相连、阴极与开关管S₁的源极相连，电感L₁两端连在二级管D₁的阴极和直流变换器的正输出端，输出滤波电容C_o1的两端连在前级直流变换器的正、负输出端之间。图2右侧的虚线框内为后级直流变压器模块1的具体拓扑，后级直流变压器模块1采用隔离型的全桥拓扑结构。全桥型直流变压器的主电路包括全桥电路、串联隔直电容、副边含中心抽头的高频隔离变压器、输出双半波整流电路、输出滤波电容。其连接方式为：全桥电路中包含四个开关管，开关管S₂与开关管S₃串联构成一个桥臂，开关管S₄与开关管S₅串联构成另一个桥臂，开关管S₂的漏极与开关管S₄的漏极相连后接于前级直流变换器的正输出端，开关管S₃的源极与开关管S₅的源极相连后接于前级直流变换器的负输出端，开关管S₂与开关管S₃的串联节点经串联隔直电容C_r连于高频隔离变压器T原边绕组的同名端，开关管S₄与开关管S₅的串联节点连于高频隔离变压器T原边绕组的异名端，高频隔离变压器T的副边绕组经输出双半波整流电路后连于输出滤波电容C_o2的两端。输出双半波整流电路的具体连接方式为，二极管D₂的阴极与二极管D₃的阴极连接后与系统的正相输出端相连接，二极管D₂的阳极与高频隔离变压器T副边绕组的同名端相连，二极管D₃的阳极与高频隔离变压器T副边绕组的异名端相连，高频隔离变压器T副边绕组的中心抽头与系统的负相输出端相连接。2号模块至n号模块内部器件的具体连接方式均与1号模块相同，不再熬述。

n个模块采用交错并联技术，由n个D触发器产生n路分别相差2π/n度的同步脉冲信号。图3所示的FF₀为逻辑与门，FF₁-FF_n为n个D触发器，时钟信号CP输入后经过FF₁-FF_n的分频和脉冲分配作用后，由Q₁-Q_n分别输出n路互差2π/n度的脉冲同步信号分别使n个模块前后级的三角波载波同步并且移相。其具体连接方式为：时钟信号CP接在每个D触发器的C1输入端，从第一个D触发器FF₁开始每个D触发器的正逻辑输出端与后一个D触发器的1D输入端相连接，前n-1个D触发器的负逻辑输出端接到逻辑与门FF₀的输入端，逻辑与门FF₀的输出端接到第一个D触发器的1D输入端。Q₁-Q_n分别为n个D触发器的正逻辑输出端信号，该信号的频率为时钟信号CP频率的1/n。

多模块两级式高压输入低压大电流输出型直流变换器的每个模块均采用三环控制方案。以1号模块为例，三闭环控制方案的控制框图如图3所示，各模块均流母线电流I_av连接到均流外环调节器的同相输入端，直流变换器模块1的输出滤波电感电流采样i₁连接到均流外环调节器的反相输入端，均流外环调节器的输出连接到电压中环调节器的同相输入端，后级输出端基准电压u_ref也连接到电压中环调节器的同相输入端，后级输出端的采样电压u_o接在电压中环调节器的反相输入端，电压中环调节器的输出与前级输出滤波电感电流采样i₁分别接入电流内环调节器的同相输入端和反相输入端。电流内环调节器的输出与经同步信号调节后的三角波载波交截产生PWM波，该PWM波控制前级直流变换器模块1的开关管S₁，调节后级的输出电压。2号模块的三环控制方案至n号模块的三环控制方案均与1号模块的三环控制方案相同，不再熬述。

后级直流变压器采用控制占空比接近0.5并且固定的电压开环控制，以1号模块为例，每个模块中后级全桥型直流变压器各桥臂开关管驱动信号的产生电路如图5所示，固定的电压给定信号与经同步信号调节后的三角波载波交截产生PWM波，该PWM波通过驱动逻辑生成电路的一系列逻辑运算后控制后级直流变压器的开关管S₂-S₅，使得后级电路正常开环工作。2号模块后级的电压开环控制方案至n号模块后级的电压开环控制方案均与1号模块后级的电压开环控制方案相同，不再熬述。

各模块后级直流变压器中，各桥臂开关管的等效结电容与折算到高频变压器原边的漏感在开关时刻产生谐振，实现了各桥臂开关管的软开关，减小了各桥臂开关管的开关损耗。

Claims

1.一种多模块两级式高压输入低压大电流输出型直流变换器，其特征在于：主电路由结构相同的n个模块输入端并联、输出端并联构成，每个模块均采用前后级的拓扑结构，1号模块由前级直流变换器模块1和后级直流变压器模块1组成，2号模块由前级直流变换器模块2和后级直流变压器模块2组成，n号模块由前级直流变换器模块n和后级直流变压器模块n组成，每个模块中前级直流变换器的拓扑结构为非隔离型的Buck结构，后级直流变压器采用隔离型的全桥结构直流变压器；所述n个模块中的每个均有各自的三环控制电路，三环控制电路中均流母线电流连接到均流外环调节器的同相输入端，前级的输出滤波电感电流采样连接到均流外环调节器的反相输入端，均流外环调节器的输出连接到电压中环调节器的同相输入端，后级输出端基准电压也连接到电压中环调节器的同相输入端，后级输出端的采样电压接在电压中环调节器的反相输入端，电压中环调节器的输出与前级的输出滤波电感电流采样分别接入电流内环调节器的同相输入端和反相输入端，电流内环调节器的输出与经同步信号调节后的三角波载波交截产生PWM波，该PWM波控制前级的开关管，调节后级的输出电压；各模块间的同步交错分频电路产生n路分别移相2π/n度的逻辑脉冲，该逻辑脉冲可作为同步信号使n个模块前后级的三角波载波同步并且移相；后级的全桥型直流变压器采用电压开环控制，桥臂开关管驱动信号的占空比接近0.5并且固定。

2.根据权利要求1所述的多模块两级式高压输入低压大电流输出型直流变换器，其特征在于：每个模块的前级与后级均在同一开关频率下工作，n个模块实现了交错并联控制和均流控制；由于后级为开环固定占空比控制的直流变压器，系统的输出电压闭环调节器通过调节前级直流变换器中开关管的占空比来控制系统的输出电压，三环控制电路中的电压采样取自后级输出电压，电流采样取自前级的输出滤波电感电流；从前后级模块功能区分的角度考虑，每个模块的前级直流变换器实现非隔离式稳压功能，每个模块的后级直流变压器实现隔离和降压功能。