CN101867314B - 采用对称交联结构的变换电路 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种采用对称交联结构的变换电路，其中包括二个同类的变换器，所述二个变换器对称交联。本发明采用对称交联结构的变换电路显著提高了Boost或Buck变换器的电压传输比和调节性能，显著降低了功率器件的电压应力，且在更大的适用范围内具有与Boost或Buck变换器相当或者更高的转换效率。

Description

采用对称交联结构的变换电路

【技术领域】

本发明涉及电力电子技术领域，具体涉及一种分别针对Boost和Buck变换器的采用对称交联结构的变换电路。 

【背景技术】

目前，包括Boost变换器(升压电路)以及Buck变换器(降压电路)的变换电路是电力电子应用技术领域两种最基本的电路，是其他变换电路的基础。目前看来，Boost和Buck变换器是功率变换器的最基础、经典、高效且经济的电路。 

然而，现有技术Boost以及Buck变换器存在以下问题： 

一、主要元器件必须同时承担来自输入和输出两个端口不对称的电压电流应力。尽管一个端口如果是高电压那么他必然是低电流，另一个端口则相反，但是我们只能采用高压大电流的器件来同时满足两个端口的电流电压的最大应力。这意味着器件工作效率低，成本高。遗憾的是，截止目前为止针对Boost和Buck变换器的各种优化改进以及包括无损吸收、软开关和同步整流技术在内的各种新技术的应用在这个最核心的问题上并没有突破。 

二、上述问题的产生是由于电压的改变，随着电压变化比的增加，器件应力矛盾进一步扩大，电路更加偏离高效工作区，损耗急剧增加；并且，较高的电压变化比还将导致调节困难，容易失控。显然，Boost和Buck变换器并不适应大动态、大电压变化比的应用，这大大限制了其适用范围。 

为满足大电压变化比应用，目前一般的解决办法是采用有高频变压器(或者偶合电感)参与的各种其他类型的变换电路，由变压器来提高电压变化比；显然，变压器增加了额外的损耗，效率会降低，变压器还有漏感以及分布电容引起的其他问题，其生产工艺、成本、可靠性以及额外的干扰也是问题。也有个别不采用变压器的高变压比直接变换技术被提出，虽然能够使高变压比更加容易实现，但是仍然没有使功率器件电流电压应力冲突以及在高变压比条件下调节困难这二个问题得到解决，且效率较低。还有一种级联技术被提出，试图用多个单级电路的功率接力实现高变压比输出；问题是，如果增加一级电路意味着增加一级损耗，如果减少一级电 路意味着必须提高其他单级的变压比，也增加损耗；况且，在多个电路级联情况下各级电路的器件应力选择、控制和可靠性的矛盾也是较难折中的。此外，上述为适应较大电压变化比应用的各种方法均会不同程度降低其同时满足较低电压变化比应用的变换性能。 

三、由于Boost以及Buck变换器电路是不对称结构，由高频环节产生的高频高压信号对输入输出的滤波环节产生较大的应力，其射频污染也是很显著的。尽管目前被推崇的并联交错技术较好地解决了差模滤波问题，但是它只是在控制层面实现了对称，其电路结构仍然是不对称的。由于电路结构不对称可能引起的其他问题并没有获得根本地解决。 

【发明内容】

为了解决现有技术的上述技术问题，有必要提供一种高性能的采用对称交联结构的变换电路。 

本发明解决现有的技术问题所采用的技术方案为一种采用对称交联结构的变换电路，该变换电路包括二个同类变换器，所述二个变换器对称交联。 

本发明针对Boost采用对称交联结构的变换电路即对称交联Boost变换电路。其中所述二个变换器是二个对称的Boost变换器。 

本发明针对Buck采用对称交联结构的变换电路即对称交联Buck变换电路，其中所述二个变换器是二个对称的Buck变换器。 

在所述对称交联Boost变换电路中，所述二个对称的Boost变换器在输入侧并联且在输出侧串联。 

在所述对称交联Buck变换电路中，所述二个对称的Buck变换器在输入侧串联且在输出侧并联。 

在所述对称交联Boost变换电路中，所述变换电路包括电源、第一电感、第二电感、第一二极管、第二二极管、第一电容、第二电容、第一开关、第二开关和负载，该电源的正极依次经由第一电感、第一二极管的正极与负极、负载的正极与负极、第二二极管的正极与负极、第二电感连接到电源的负极，该第一电容两端连接在负载的正极和电源的负极之间，该第二电容两端连接在电源的正极和负载的负极之间，该第一开关两端连接在第一二极管的正极和电源的负极之间，该第二开关两端连接在第二二极管的负极和电源的正极之间。 

在所述对称交联Buck变换电路中，所述变换电路包括电源、第一电感、第二电感、第一二极管、第二二极管、第一电容、第二电容、第一开 关、第二开关和负载，该电源的正极依次经由第一开关、第一二极管的负极与正极、负载的负极与正极、第二二极管的负极与正极、第二开关连接到电源的负极，该第一电感两端连接在第一二极管的负极和负载的正极之间，该第二电感两端连接在第二二极管的正极和负载的负极之间，该第一电容两端连接在电源的正极和负载的负极之间，该第二电容两端连接在电源的负极和负载的正极之间。 

相较于现有技术，本发明采用对称交联结构的变换电路在不降低性能的前提下显著拓展了Boost或Buck变换器的电压变化比，在更大的适用范围内具有与Boost或Buck变换器相当的或者更高的转换效率，在较高电压变化比情况下具有更好的调节性能。这些特点使其在诸如光伏应用或者功率因素校正(PFC)应用这类大动态、大跨度电压变化比应用中具有显著更好的适应性。 

本发明采用对称交联结构的变换电路显著降低了功率器件的电压应力，这使得可以采用较低耐压的器件达到同样的出力，而一般较低耐压的器件具有更小的内阻和损耗，也提高了效率。 

本发明采用对称交联结构的变换电路具有完全对称的电路结构，这种对称性使得交错控制技术的应用更为方便和奏效，高频差模干扰能够被有效抑制；同时，由于电路结构不对称经由散热器、机壳引起的共模干扰也能够被有效抑制。并且，由于输出输入电平也是完全对称的，这使得采用本发明采用对称交联结构的变换电路实现DC-AC变换成为可能。此外，由于其中的二个对称变换器是可以独立运行的，允许分别施于不同的控制以实现具有特殊功能的变换器，甚至可以互为事故备用来提高可靠性。此外，对称结构也意味着热应力的均匀分布，对提高功率密度是有利的。 

另外，本发明采用对称交联结构的变换电路在级联应用时，由于电压变化比的提高，一方面可以显著减少级联级数以提高效率和降低成本，另一方面可以更加明显地划分每一级功率器件的电压应力等级以达到最充分发挥器件及电路潜能之目的。如果对每级采用不同类型的电路以及实施不同的控制策略，还能够更加容易地组成具有综合功能或者特殊功能的变换器。此外，较大的电压变化比还允许采用更加动态分配的中间电压以达到更加优异的性能。 

本发明采用对称交联结构的变换电路是电力电子应用技术领域一类全新的拓扑族，其显著的特征是：电路结构以及主要电流电压转换关系和器 件工作应力显著不同于现有已知的任何基本变换电路。与Boost和Buck变换器比较，显著扩展了电流电压传输比，显著改善了调节性能，显著降低器件工作应力。本发明采用对称交联结构的变换电路为电力电子应用技术领域增加了一类高性能功率变换器电路形式，具有重要意义和广泛的应用前景。 

【附图说明】

图1是本发明一种采用对称交联结构的变换电路第一实施方式的电路结构示意图。 

图2是本发明一种采用对称交联结构的变换电路第二实施方式的电路结构示意图。 

图3是本发明一种采用对称交联结构的变换电路第三实施方式的电路结构示意图。 

图4是本发明一种采用对称交联结构的变换电路第四实施方式的电路结构示意图。 

图5是本发明一种采用对称交联结构的变换电路第五实施方式的电路结构示意图。 

图6是本发明一种采用对称交联结构的变换电路第六实施方式的电路结构示意图。 

【具体实施方式】

下面结合附图和本发明的实施方式作进一步详细说明。 

请参阅图1，是本发明一种采用对称交联结构的变换电路第一实施方式的电路结构示意图，即对称交联Boost变换电路。该变换电路包括电源Ui、第一电感L1、第二电感L2、第一二极管D1、第二二极管D2、第一电容C1、第二电容C2、第一开关K1、第二开关K2和负载Rz。该电源的正极依次经由第一电感、第一二极管的正极与负极、负载的正极与负极、第二二极管的正极与负极、第二电感连接到电源的负极，该第一电容两端连接在负载的正极和电源的负极之间，该第二电容两端连接在电源的正极和负载的负极之间，该第一开关两端连接在第一二极管的正极和电源的负极之间，该第二开关两端连接在第二二极管的负极和电源的正极之间。 

事实上，该变换电路是由两个对称的Boost变换器在输入端并联且在输出端串联而形成的电路，因此二个Boost变换器的输入电压都等于电源 电压Ui。其中，每个Boost变换器是独立运行的，按照各自运行参数获得的电压增益在各自的输出端(第一电容C1两端及第二电容C2两端)形成各自的输出电压：第一输出电压U1和第二输出电压U2。 

如图1所示，所述对称交联Boost变换电路中二个Boost变换器的输出端是串联的，总输出电压为二个独立的Boost变换器输出电压之和与输入电压之差。 

因此，对称交联Boost变换电路的输出电压Uo是由其中二个对称的Boost变换器在输入电压Ui相同(其他参数可以不同)的情况下、独立运行形成的两个输出电压(U1、U2)相互叠加后、与输入电压Ui反向耦合形成的，即： 

Uo＝U1+U2-Ui  ---------------(1) 

当占空比为Du(0＜＝Du＜1)时，现有技术Boost变换器输入输出电压传输关系为： 

Uo＝Ui/(1-Du)。 

对于所述对称交联Boost变换电路中二个对称的Boost变换器而言，输入端是并联的，输入电压Ui相同；如果占空比Du以及其他参数也相同，就有： 

U1＝U2＝Ui/(1-Du) 

代入(1)式有： 

Uo＝2Ui/(1-Du)-Ui 

即： 

Uo＝Ui(1+Du)/(1-Du)或： 

Uo/Ui＝(1+Du)/(1-Du)。 

上式表示对称交联Boost变换电路的电压传输关系，相较于Boost变换器，电压增益Uo/Ui提高到(1+Du)倍。这说明：一方面，占空比Du仍然在0～1的全范围连续可调；另一方面，在高升压比状态，当占空比Du接近于1时，升压比达到Boost变换器的接近2倍。 

上述优良升压和调节性能的获得，并没有以增加器件应力为代价，相反：由于二个对称的Boost变换器其输入侧是并联的，所以来自输入侧的电流应力由二个电路平均分担，单个电路只承担其最大电流应力的1/2；由于其输出侧是串联的，每个电路只承担来自于各自电路输出侧的电压应力，相对于总输出电压Uo而言，电路中开关和二极管等主要功率器件的 电压应力较之Boost变换器降低到1/(1+Du)倍；特别地，在高升压比状态，当占空比Du接近于1时，器件的最大电压应力仅相当于输出电压Uo的接近1/2。 

如果其中二个Boost变换器的占空比Du以及其他参数各不相同，所述对称交联Boost变换电路的输出电压Uo仍然满足(1)式，依然可以按照其中每个Boost变换器在统一的输入电压Ui情况下分别求得各自独立工作时的输出电压U1、U2后，按照(1)式求得总输出电压Uo。这意味着二个Boost变换器可以分别控制，以达到某些特殊应用的目的。 

请参阅图2，是本发明一种采用对称交联结构的变换电路第二实施方式的电路结构示意图。即对称交联Buck变换电路。该变换电路包括电源Ui、第一电感L1、第二电感L2、第一二极管D1、第二二极管D2、第一电容C1、第二电容C2、第一开关K1、第二开关K2和负载Rz。该电源的正极依次经由第一开关、第一二极管的负极与正极、负载的负极与正极、第二二极管的负极与正极、第二开关连接到电源的负极，该第一电感两端连接在第一二极管的负极和负载的正极之间，该第二电感两端连接在第二二极管的正极和负载的负极之间，该第一电容两端连接在电源的正极和负载的负极之间，该第二电容两端连接在电源的负极和负载的正极之间。 

事实上，该变换电路是由两个对称的Buck变换器在输入端串联且在输出端并联而形成的电路，因此二个Buck变换器的输入电流都等于电源电流Ii。其中，每个Buck变换器是独立运行的，按照各自运行参数获得各自的电流增益和输出电流I1、I2。 

对于直流功率而言，二个Buck变换器的输入电流Ii与它们各自的开关(K1、K2)上通过的平均电流相等，各自的输出电流I1、I2与它们各自的电感(L1、L2)上通过的平均电流相等，并且分别在在第一二极管D1(其电流为Id1)的负极节点和第二二极管D2(其电流为Id2)的正极节点满足电流连续性关系，因此有： 

I1＝Ii+Id1 

I2＝Ii+Id2---------------(2) 

如图2所示，所述对称交联Buck变换电路中二个Buck变换器的输出端是并联的，各自的输出电流I1、I2分别在负载Rz两端的节点汇集并满足电流连续性关系，其总输出电流Io为： 

Io＝Id2+I1 

Io＝Id1+I2---------------(3) 

将(2)式代入(3)式，有： 

Io＝I1+I2-Ii-------------(4) 

即：对称交联Buck变换电路的输出电流为两个独立的Buck变换器输出电流之和与输入电流之差。 

因此，对称交联Buck变换电路的输出电流是由其中二个对称的Buck器在输入电流Ii相同(其他参数可以不同)的情况下、独立运行形成的两个输出电流(I1、I2)相互叠加后、与输入电流Ii反向偶合形成的。 

当占空比为Du(0＜＝D2＜＝1)时，现有技术Buck变换器输入输出电压传输关系为： 

Uo＝Ui Du 

由于功率变换器的电压变化比为其电流变化比的倒数，因此有： 

Io＝Ii/Du 

对于所述对称交联Buck变换电路中二个对称的Buck变换器而言，输入端是串联的，输入电流Ii相同；如果占空比Du以及其他参数也相同，就有： 

I1＝I2＝Ii/Du 

代入(4)式有： 

Io＝2Ii/Du-Ii 

整理后即： 

Io＝Ii(2-Du)/Du  或： 

Io/Ii＝(2-Du)/Du 

上式表示对称交联Buck变换电路的电流传输关系，相较于Buck变换器，电流增益提高到(2-Du)倍。 

功率变换器的电压变化比为其电流变化比的倒数，因此有： 

Uo/Ui＝Du/(2-Du) 

上式表示对称交联Buck变换电路的电压传输关系，相较于Buck变换器，电压变化比降低到1/(2-Du)。这说明：一方面，占空比Du仍然在0～1的全范围连续可调；另一方面，在高降压比状态，当占空比Du接近于0时，降压比达到Buck变换器的接近1/2。 

上述优良的降压和调节性能的获得，同样没有以增加器件应力为代价，相反：由于二个对称的Buck变换器其输出侧是并联的，所以来自输出侧 的电流应力由二个电路平均分担，单个电路只承担其最大电流应力的1/2；由于其输入侧是串联的，每个电路只承担来自于各自电路输入侧的电压应力，相对于总输入电压Ui而言，电路中开关和二极管等主要功率器件的电压应力较之Buck变换器降低到1/(2-Du)；特别地，在高降压比状态，当占空比Du接近于0时，器件的最大电压应力仅相当于输入电压Ui的接近1/2。 

如果二个对称的Buck变换器的占空比Du以及其他参数各不相同，输出电流Io仍然满足(4)式，依然可以按照其中每个Buck变换器在统一的输入电流Ii情况下分别求得各自独立工作时的输出电流I1、I2后，按照(4)式求得总输出电流Io，进而求得输出电压Uo。这意味着二个Buck变换器可以分别控制，以达到某些特殊应用的目的。 

请参阅图3，是本发明一种采用对称交联结构的变换电路第三实施方式的电路结构示意图。它是在第一实施方式即对称交联Boost变换电路基础上，针对其输入输出滤波结构进行优化后的一种实施方式。 

由于本发明采用对称交联结构的变换电路中的二个变换器的输入输出端口并非简单的串联或并联，以图1所示的对称交联Boost变换电路为例，其中二个对称的Boost变换器的输出端在相互串联的同时，还与输入电源Ui反向串联。因此，本发明采用对称交联结构的变换电路的输出与输入存在着某种耦合关系，如果不将输入输出端口从电气回路上分开，必然会导致其输入输出端口滤波电路工况的复杂性。在本实施方式中，只需要将第一实施方式所述第一电容C1和第二电容C2的连接方式改变为相互串联后与负载Rz并联，该串联的中间节点连接到电源Ui的某一端(一般将此点作为地线)即可。这样连接后，并没有改变对称交联Boost变换电路的工况，但却将输入输出端口从电气回路上分开，形成各自独立的滤波环境。 

请参阅图4，是本发明一种采用对称交联结构的变换电路第四实施方式的电路结构示意图。它是在第二实施方式即对称交联Buck变换电路基础上，针对其输入输出滤波结构进行优化后的一种实施方式。 

由于对称交联Buck变换电路不能像对称交联Boost变换电路那样简单地依靠改变某个滤波电容的接线方式达到分开输入与输出端口的目的，因此其输入输出端口可能出现较大的滤波应力，具体表现为实际电路中电容C1、C2上可能会出现较大的瞬态电流应力。如果这种应力冲突达到了不能接受的程度，可以采纳本实施方式。 

本实施方式中增加了如图4所示的输出滤波电路，目的仍然是在输入输出端口形成各自相对独立的滤波环境。新增的电容C3、电感L3与电容C4构成典型的滤波网络(其中电容C3并不是必须的)。在实际应用中，电容C1、C2以及C3可以采用较小容量较小内阻的器件来承担可能产生的瞬态电流应力，而一个位于输出端口的较小电感量的L3和一个典型容量的C4即可实现预期的滤波效果。本实施方式也适用于所述对称交联Boost变换电路。 

本发明采用对称交联结构的变换电路中的二个对称的同类变换器是相互独立工作的，只是在输入输出端口根据需要进行了交联。其中二个对称的Boost以及Buck变换器的电路工况的独立性并没有改变，这使得针对Boost以及Buck变换器的各种优化改进新技术方法仍然可以在本发明采用对称交联结构的变换电路构架上无障碍地得到应用。这些技术包括：各种无损吸收技术、各种有源或者无源软开关技术，同步整流技术，磁集成技术，级联技术，基于偶合电感以及叠加原理的各种增压或者扩流技术，交错控制技术以及PFC控制技术等等。而且，由于电路结构的对称性，上述技术在本发明采用对称交联结构的变换电路中的应用可能会更加简洁、方便和奏效。上述所有这些技术方法与本发明的结合应用，均不能理解为是另外一种有别于本发明的创新技术。 

比如，如图5所示，将现有技术之同步整流技术与本发明结合，就是本发明的第五实施方式：对称交联同步整流双向变换电路。该变换电路是在本发明第一或者第二实施方式的基础上，用同步控制的第三开关K3、第四开关K4代替所述第一二极管D1、第二二极管D2，以减少二极管的损耗，提高效率；同时，由于用开关代替二极管，使得本实施方式将第一实施方式的对称交联Boos t变换电路和第二实施方式的对称交联Buck变换电路结合为了一个电路，对其中四个开关的适当控制，不仅可以实现同步整流，还可以实现功率的双向传输，其中每个传输方向的变换特性，仍然符合本发明采用对称交联结构的变换电路全部特征。 

再比如，如图6所示，将现有技术之无损吸收技术或者软开关技术与本发明结合，就是本发明的第六实施方式：对称交联无损吸收或者软开关变换电路。具体应用方法是在以上实施方式所述电路连接方式中，以第一电感L1和第一开关K1的连接节点a、第二电感与第二开关的连接节点b以及四个输入输出节点c、d、e、f为接入点，增加所需要的相关附加电路 和控制(所述接入可以是连接或者断开后连接)。这些相关附加电路可以是由若干电感、电容、开关和二极管等器件组成的有损或者无损吸收电路、有源或者无源软开关电路等任意现有技术方案。特别地，由于电路是对称的，这使得在某些情况下可以不必为本发明采用对称交联结构的变换电路中二个对称的变换器分别附加软开关电路，而只需要以所述a、b二个关键节点为基础附加一套软开关电路即可达目的。这使得软开关技术在本发明采用对称交联结构的变换电路上的应用变得更加简洁和有效。同样，软开关技术与本发明的结合改善了工况、提高了效率，但是本发明采用对称交联结构的变换电路的基本特征并没有因此而改变。 

其他技术与本发明的结合应用不能一一枚举，因此无论何种现有的或者创新的技术，只要采用了本发明的电路构架，都在本发明保护范围之内。 

以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换，都应当视为属于本发明的保护范围。 

Claims (7)

1.一种采用对称交联结构的变换电路，其特征在于：所述变换电路包括二个同类变换器，所述二个变换器对称交联，所述二个变换器是二个对称的Boost变换器，所述二个对称的Boost变换器在输入侧并联且在输出侧串联，所述变换电路包括电源、第一电感、第二电感、第一二极管、第二二极管、第一电容、第二电容、第一开关、第二开关和负载，该电源的正极依次经由第一电感、第一二极管的正极与负极、负载的正极与负极、第二二极管的正极与负极、第二电感连接到电源的负极，该第一电容两端连接在负载的正极和电源的负极之间，该第二电容两端连接在电源的正极和负载的负极之间，该第一开关两端连接在第一二极管的正极和电源的负极之间，该第二开关两端连接在第二二极管的负极和电源的正极之间。

2.根据权利要求1所述的采用对称交联结构的变换电路，其特征在于：所述第一电容和第二电容的相互串联后与负载并联，且串联的中间节点连接到电源的一端。

3.根据权利要求1所述的采用对称交联结构的变换电路，其特征在于：第三、四开关代替所述第一、二二极管。

4.根据权利要求1所述的采用对称交联结构的变换电路，其特征在于： 以第一电感和第一开关的连接节点、第二电感与第二开关的连接节点以及四个输入输出节点为吸收或者软开关附加电路的接入点。

5.一种采用对称交联结构的变换电路，其特征在于：所述变换电路包括二个同类变换器，所述二个变换器对称交联，所述二个变换器是二个对称的Buck变换器，所述二个对称的Buck变换器在输入侧串联且在输出侧并联，所述变换电路包括电源、第一电感、第二电感、第一二极管、第二二极管、第一电容、第二电容、第一开关、第二开关和负载，该电源的正极依次经由第一开关、第一二极管的负极与正极、负载的负极与正极、第二二极管的负极与正极、第二开关连接到电源的负极，该第一电感两端连接在第一二极管的负极和负载的正极之间，该第二电感两端连接在第二二极管的正极和负载的负极之间，该第一电容两端连接在电源的正极和负载的负极之间，该第二电容两端连接在电源的负极和负载的正极之间。

6.根据权利要求5所述的采用对称交联结构的变换电路，其特征在于：第三、四开关代替所述第一、二二极管。

7.根据权利要求5所述的采用对称交联结构的变换电路，其特征在于： 以第一电感和第一开关的连接节点、第二电感与第二开关的连接节点以及四个输入输出节点为吸收或者软开关附加电路的接入点。

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