CN102148566B - 一种升压型电压平衡变换器 - Google Patents

Abstract

本发明是一种升压型电压平衡变换器，其特征在于：它包括输入直流电压源、升压电感电路、桥式电路和一个输出滤波电路。它可以通过输出电压控制器、输出电压平衡控制器和PWM发生器进行控制。本发明不但实现升压的目的，而且在输出端构造一根中线实现输出电压平衡，将一个低输入直流电压变换成高输出直流电压，并且利用中线将高输出压直流电压换成两个大小相等、极性相反低直流电压，以解决输出高压时电解电容串联均压问题，满足变换器对输入电压平衡要求或用电设备对不同输入电压的要求。每只功率器件的电压应力是输出电压一半，可以采用低压功率器件，有利于提高变换器的效率。

Description

一种升压型电压平衡变换器

技术领域

本发明涉及一种电能变换装置中的直流非隔离变换装置，特别是一种升压型电压平衡变换器。

背景技术

升压变换器被广泛地应用在新能源发电系统、蓄电池供电等系统之中，通过升压变换器将低输入电压升高到满足用电设备的要求的高电压。例如，在新能源发电系统中利用升压变换器将新能源输出低电压变换成高电压，并入直流电网；在不间断供电（UPS）中，利用升压变换器将蓄电池的输出电压升高到满足其后变换器输入电压的要求。但是传统的非隔离升压变换器的输出电压只有一种规格直流电压，无法同时满足各种后级功率变换器或用电设备对输入电压的要求。例如，半桥（包括三电平半桥）变换器的输入端电压必须平衡（输入端直流分压电容要均压），否则，半桥变换器输出电压、电流波形就会发生畸变或无法很好地实现功率器件三电平状态影响功率器件安全。同时，在升压变换系统中由于输出电压较高，所以输出端通常采用电解电容串联。由于串联电解电容不可能做到阻抗特性完全一致，所以串联电容会出现不均压显现，这将严重缩短电解电容寿命。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是针对传统的升压变换器输出端只有一种直流电压而无法同时满足后级变换器或用电设备对输入电压平衡的要求的不足，提供一种结构更为合理、可将一种低压直流输入变换成一种高压直流输出，并在高压直流输出端构造一根中线将高压直流输出变换成两个大小相等的直流电压串联，以解决输出高压时电解电容串联均压问题以及满足后级变换器或用电设备对输入电压平衡的要求的升压型电压平衡变换器。

本发明所要解决的技术问题是通过以下的技术方案来实现的。本发明是一种升压型电压平衡变换器，其特点是，它包括输入直流电压源U_in、升压电感电路、桥式电路和输出滤波电路；

所述的升压电感电路包括第一升压电感L₁和第二升压电感L₂，第一升压电感L₁的一端、第二升压电感L₂的一端分别与输入直流电压源U_in的正端、负端相连；

所述的桥式电路包括第一续流二极管D₁、第一功率开关管S₁、第二功率开关管S₂和第二续流二极管D₂，第一功率开关管S₁漏极和第一续流二极管D₁的阳极相连接，其连接处与第一升压电感L₁的另一端相连接，第一功率开关管S₁源极和第二功率开关管S₂漏极相连接，第二功率开关管S₂源极和第二续流二极管D₂的阴极相连接，其连接处与第二升压电感L₂另一端相连接；

所述的输出滤波电路包括第一滤波电容C₁和第二滤波电容C₂，第一滤波电容C₁的一端与第一续流二极管D₁的阴极相连接，第二滤波电容C₂的一端与第二续流二极管D₂的阳极相连接，第一滤波电容C₁的另一端和第二滤波电容C₂的另一端串联连接，其连接处与第一功率开关管S₁源极和第二功率开关管S₂漏极相连接处以及中线L_N相连接。

以上所述的升压型电压平衡变换器可以通过输出电压控制器、输出电压平衡控制器和PWM发生器进行的控制；

    所述的输出电压控制器包括电压环调节器I和电流环调节器，其中输出电压U_o的参考值U_ref和输出电压U_o的差值经电压环调节器I得到控制信号U_e1，控制信号U_e1作为电流环调节器中的第一升压电感L₁电流i_L1反馈信号参考值和第一升压电感L₁电流i_L1反馈信号的差值经电流环调节器得到控制信号U_e2；U_o=U_out1+U_out2，U_out1为第一滤波电容C₁上电压，U_out2为第二滤波电容C₂上电压；

所述的输出电压平衡控制器为电压环调节器II，第二滤波电容C₂上电压U_out2的参考值U_ref/2和第二滤波电容C₂上电压U_out2的差值经电压环调节器II得到控制信号U_e3，并和控制信号U_e2的作差运算得到控制信号U_e4；

所述的PWM发生器包括比较器I、比较器II和三角波U_tr，控制信号U_e2送入比较器I生成驱动信号U_gs1驱动第一功率开关管S₁，控制信号U_e4送入比较器II，生成驱动信号U_gs2驱动第二功率开关管S₂。

与现有技术相比，本发明升压型电压平衡变换器不但能够实现传统的升压变换器升压的功能，而且能够在输出端构造一根中线形成一个稳定的、电压等于输出电压一半的中线电压。它不但实现升压的目的，而且能够解决串联电解电容均压问题，满足后级变换器或用电设备对输入电压平衡要求。同时，每只功率器件的电压应力只有输出电压的一半，可以采用低压功率器件，有利于提高变换器的效率。

附图说明

图1为本发明升压型电压平衡变换器的电路图。

图2为本发明升压型电压平衡变换器的控制图。

图3为本发明升压型电压平衡变换器的负载R₂>R₁时主要波形图。

图4是本发明升压型电压平衡变换器的负载R₂>R₁时模态1、模态5等效电路图。

图5为本发明升压型电压平衡变换器的负载R₂>R₁时模态2、模态4等效电路图。

图6为本发明升压型电压平衡变换器的负载R₂>R₁时模态3等效电路图。

图7为本发明升压型电压平衡变换器的负载R₁>R₂时主要波形图。

图8为本发明升压型电压平衡变换器的仿真电路图。

图9为本发明升压型电压平衡变换器的负载R₂>R₁时电感电流、功率器件上电压和驱动仿真图。

图10是本发明一种升压型电压平衡变换器的负载R₂>R₁时输入直流电压、输出电压仿真图。

图11为本发明升压型电压平衡变换器的负载R₁>R₂时电感电流、功率器件上电压和驱动仿真图。

图12为本发明升压型电压平衡变换器的负载R₁>R₂时输入直流电压、输出电压仿真图。

图1-12中的符号及元件名称说明如下： 

U_in：直流输入电压源，L₁、L₂：第一升压电感、第二升压电感，i_L1、i_L2：第一升压电感L₁电流、第二升压电感L₂电流，S₁、S₂：第一功率开关管、第二功率开关管，D₁、D₂：第一续流二极管、第二续流二极管，C₁、C₂：第一滤波电容、第二滤波电容，L_N：输出中线，U_out1、U_out2：第一滤波电容C₁上电压、第二滤波电容C₂上电压，U_o：第一滤波电容C₁和第二滤波电容C₂上电压之和，U_ref：输出电压U_o参考值，U_ref/2：第二滤波电容C₂上电压U_out2参考值，U_e1：电压环调节器I输出控制信号，U_e2：电流环调节器输出控制信号，U_e3：电压环调节器II输出控制信号，U_e4：电流环调节器输出减去电压环调节器II输出控制信号，U_tr：三角波，U_gs1、U_gs2：第一功率开关管S₁驱动信号、第二功率开关管S₂驱动信号，R₁、R₂：第一滤波电容C₁上负载、第二滤波电容C₂上负载，U_ds1、U_ds2：第一功率开关管S₁漏-源极电压、第二功率开关管S₂漏-源极电压，U_d1、U_d2：第一续流二极管阴极-阳极电压、第二续流二极管阴极-阳极电压。

具体实施方式

以下参照附图，进一步描述本发明的具体技术方案，以便于本领域的技术人员进一步地理解本发明，而不构成对其权利的限制。

实施例1，参照图1-2，一种升压型电压平衡变换器，它包括输入直流电压源U_in1、升压电感电路2、桥式电路3和输出滤波电路4；

所述的升压电感电路2包括第一升压电感L₁和第二升压电感L₂，第一升压电感L₁的一端、第二升压电感L₂的一端分别与输入直流电压源U_in1的正端、负端相连；

所述的桥式电路3包括第一续流二极管D₁、第一功率开关管S₁、第二功率开关管S₂和第二续流二极管D₂，第一功率开关管S₁漏极和第一续流二极管D₁的阳极相连接，其连接处与第一升压电感L₁的另一端相连接，第一功率开关管S₁源极和第二功率开关管S₂漏极相连接，第二功率开关管S₂源极和第二续流二极管D₂的阴极相连接，其连接处与第二升压电感L₂另一端相连接；

所述的输出滤波电路4包括第一滤波电容C₁和第二滤波电容C₂，第一滤波电容C₁的一端与第一续流二极管D₁的阴极相连接，第二滤波电容C₂的一端与第二续流二极管D₂的阳极相连接，第一滤波电容C₁的另一端和第二滤波电容C₂的另一端串联连接，其连接处与第一功率开关管S₁源极和第二功率开关管S₂漏极相连接处以及中线L_N相连接。

实施例2，实施例1所述的升压型电压平衡变换器可以通过输出电压控制器5、输出电压平衡控制器6和PWM发生器7进行的控制；

    所述的输出电压控制器5包括电压环调节器I和电流环调节器，其中输出电压U_o（U_o=U_out1+U_out2）的参考值U_ref和输出电压U_o的差值经电压环调节器I得到控制信号U_e1，控制信号U_e1作为电流环调节器中的第一升压电感L₁电流i_L1反馈信号参考值和第一升压电感L₁电流i_L1反馈信号的差值经电流环调节器得到控制信号U_e2； U_out1为第一滤波电容C₁上电压，U_out2为第二滤波电容C₂上电压；

所述的输出电压平衡控制器6为电压环调节器II，第二滤波电容C₂上电压U_out2的参考值U_ref/2和第二滤波电容C₂上电压U_out2的差值经电压环调节器II得到控制信号U_e3，并和控制信号U_e2的作差运算得到控制信号U_e4；

所述的PWM发生器7包括比较器I、比较器II和三角波U_tr，控制信号U_e2送入比较器I生成驱动信号U_gs1驱动第一功率开关管S₁，控制信号U_e4送入比较器II，生成驱动信号U_gs2驱动第二功率开关管S₂。

根据以上可以得出：当第二滤波电容C₂上负载R₂大于第一滤波电容C₁上负载R₁时，第二功率开关管S₂导通时间大于第一功率开关管S₁导通时间；反之，第二功率开关管S₂导通时间小于第一功率开关管S₁导通时间。

实施例3，参照图3-6，本实施例仅给出本发明升压型电压平衡变换器以第二滤波电容C₂上负载R₂大于第一滤波电容C₁上负载R₁来详细说明本发明升压型电压平衡变换器的工作原理。第二滤波电容C₂上负载R₂小于第一滤波电容C₁上负载R₁情况在此忽略。具体描述如下：

模态1:                                                （第一功率开关管S₁、第二功率开关管S₂同时导通，见图4）。

在该时间段内，第一功率开关管S₁、第二功率开关管S₂同时导通，加在第一电感L₁和第二电感L₂上的电压为输入直流电压U_in，在该电压作用下电感电流i_L1和i_L2线性增加，直到t₁时刻关断第一功率开关管S₁为止。负载R₁和R₂分别由第一滤波电容C₁和第二滤波电容C₂供电。

由于第一功率开关管S₁、第二功率开关管S₂同时导通，所以加在第一续流二极管D₁和第二续流二极管D₂阴-阳极电压U_d1、U_d2分别为第一电容滤波C₁和第二滤波电容C₂上电压U_out1、U_out2。在稳态时，U_out1=U_out2=U_o/2，所以U_d1、U_d2分别输出电压二分之一。

模态2: 

（第一功率开关管S₁截止，第二功率开关管S₂导通，见图5）

在t₁时刻关断第一功率开关管S₁，由于电感电流不能突变，所以第一电感L₁和第二电感L₂电流i_L1、i_L2通过第一续流二极管D₁、第二功率开关管S₂进行续流。电感电流i_L1、i_L2在电压（U_out1-U_in）作用线性下降，并对第一滤波电容C₁和其上负载R₁供电；负载R₂继续由第二滤波电容C₂供电。

由于第二功率开关管S₂和第一续流二极管D₁导通，所以第一功率开关管S₁漏-源极电压U_ds1为U_out1，即U_o/2；第二续流二极管D₂阴-阳极电压U_d2维持不变。该过程一直持续到t₂时刻关断第二功率开关管S₂。

模态3: 

（第一功率开关管S₁截止，第二功率开关管S₂截止，见图6）

在t₂时刻关断第二功率开关管S₂，第一电感L₁和第二电感L₂电流i_L1、i_L2将通过第一续流二极管D₁和第二续流二极管D₂继续续流。电感电流i_L1、i_L2在电压（U_o-U_in）作用下线性下降，并且向第一滤波电容C₁和其上负载R₁以及第二滤波电容C₂和其上负载R₂供电。

由于第一续流二极管D₁和第二续流二极管D₂导通续流，所以第一功率开关管S₁漏-源极电压U_ds1和第二功率开关管S₂漏-源极电压U_ds2分别为U_ou1、U_out2，即U_o/2。该过程一直持续到t₃时刻开通第二功率开关管S₂。

模态4: 

（第一功率开关管S₁截止，第二功率开关管S₂导通，见图5）

在t₃时刻开通第二功率开关管S₂，第一电感L₁和第二电感L₂电流i_L1、i_L2将通过第一续流二极管D₁和第二功率开关管S₂继续续流。该过程和模态2完全一致，直到t₄时刻开通第一功率开关管S₁为止。

模态5: 

（第一功率开关管S₁、第二功率开关管S₂导通，见图4）

在t₄时刻开通第一功率开关管S₁，第一功率开关管S₁、第二功率开关管S₂同时导通，进入模态1状态。从进入下一个工作周期。

实施例4，参照图2、图8-12，用实施例1所述的非隔离升压式电压平衡器进行原理性仿真验证。

仿真参数如下：开关频率为25kHz，第一升压电感L₁电感量和第二升压电感L₂电感量分别为100μH，第一滤波电容C₁和第二滤波电容C₂分别为560μF，输入电压为96V，输出电压U_o（U_out1+U_out2）希望控制在300V。

图9、图10给出了负载R₁等于20Ω，R₂等于50Ω仿真结果；图11、图12给出了负载R₁等于50Ω，R₂等于20Ω仿真结果。

从图9、图10可以看出：当R₂大于R₁时，输出电压U_o=300V，第一滤波电容C₁和第二滤波电容C₂上电压U_out1、U_out2分别被控制在150V。显然仿真结果实现输出电压平衡目的。同时，第二功率开关管S₂的驱动信号U_gs2宽度大于第一功率开关管S₁的驱动信号U_gs1宽度，第一升压电感L₁和第二升压电感L₂电流iL1、iL2以及功率器件上的电压U_ds2、U_ds2、U_d1、U_d2最大值等于输出电压的一半。

从图11、图12也可以看出：当R₁大于R₂时，输出电压U_o（U_out1+U_out2）控制在U_o=300V，第一滤波电容C₁和第二滤波电容C₂上电压U_out1、U_out2分别被控制在150V。显然仿真结果也实现输出电压平衡目的。同时，第一功率开关管S₁的驱动信号U_gs1宽度大于第二功率开关管S₂的驱动信号U_gs2宽度，第一升压电感L₁和第二升压电感L₂电流i_L1、i_L2以及功率器件上的电压U_ds2、U_ds2、U_d1、U_d2最大值等于输出电压一半。

仿真结果表明：本发明升压型电压平衡变换器能够很好地实现升压和输出电压平衡的目的。

Claims (1)

1.一种升压型电压平衡变换器，其特征在于：它包括输入直流电压源U_in（1）、升压电感电路（2）、桥式电路（3）和输出滤波电路（4）；

所述的升压电感电路（2）包括第一升压电感L₁和第二升压电感L₂，第一升压电感L₁的一端、第二升压电感L₂的一端分别与输入直流电压源U_in（1）的正端、负端相连；

所述的桥式电路（3）包括第一续流二极管D₁、第一功率开关管S₁、第二功率开关管S₂和第二续流二极管D₂，第一功率开关管S₁漏极和第一续流二极管D₁的阳极相连接，其连接处与第一升压电感L₁的另一端相连接，第一功率开关管S₁源极和第二功率开关管S₂漏极相连接，第二功率开关管S₂源极和第二续流二极管D₂的阴极相连接，其连接处与第二升压电感L₂另一端相连接；

所述的输出滤波电路（4）包括第一滤波电容C₁和第二滤波电容C₂，第一滤波电容C₁的一端与第一续流二极管D₁的阴极相连接，第二滤波电容C₂的一端与第二续流二极管D₂的阳极相连接，第一滤波电容C₁的另一端和第二滤波电容C₂的另一端串联连接，其连接处与第一功率开关管S₁源极和第二功率开关管S₂漏极相连接处以及中线L_N相连接；

该变换器通过输出电压控制器（5）、输出电压平衡控制器（6）和PWM发生器（7）进行的控制；

所述的输出电压控制器（5）包括电压环调节器I和电流环调节器，其中输出电压U_o的参考值U_ref和输出电压U_o的差值经电压环调节器I得到控制信号U_e1，控制信号U_e1作为电流环调节器中的第一升压电感L₁电流i_L1反馈信号参考值和第一升压电感L₁电流i_L1反馈信号的差值经电流环调节器得到控制信号U_e2；U_o=U_out1+U_out2，U_out1为第一滤波电容C₁上电压，U_out2为第二滤波电容C₂上电压；

所述的输出电压平衡控制器（6）为电压环调节器II，第二滤波电容C₂上电压U_out2的参考值U_ref/2和第二滤波电容C₂上电压U_out2的差值经电压环调节器II得到控制信号U_e3，并和控制信号U_e2的作差运算得到控制信号U_e4；

所述的PWM发生器（7）包括比较器I、比较器II和三角波U_tr，控制信号U_e2送入比较器I生成驱动信号U_gs1驱动第一功率开关管S₁，控制信号U_e4送入比较器II，生成驱动信号U_gs2驱动第二功率开关管S₂。

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