CN102324852A - 一种多相错相并联双级变换器 - Google Patents

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高军
陈利强
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Abstract

本发明公开了一种多相错相并联双级变换器,包括控制电路和并联连接在输入正负母线和输出正负母线之间的至少2个带有前级调节器的谐振变换电路,带有前级调节器的谐振变换电路的谐振电路开环工作,通过前级调节器实现输出电压控制;控制电路控制各谐振变换电路同频错相工作,同时通过电流反馈控制保证各谐振变换电路的输出电流相同。本发明解决了各谐振变换电路因参数差异而造成的不均流问题,减小了电路输入端和输出端的纹波电流。

Description

一种多相错相并联双级变换器
[技术领域]
[0001] 本发明涉及DC-DC变换电路,尤其涉及一种包括至少2个带有前级调节器的谐振变换电路的多相错相并联双级变换器。
[背景技术]
[0002] 传统的谐振变换电路具有原边开关管容易实现软开关,副边开关管可以实现软恢复,开关损耗低,效率高的优点,但是,谐振变换电路有一个很大的缺点,就是输出电流纹波很大。解决上述问题的一个方法是将两个或多个谐振变换电路错相并联工作,这种方法可以大大减小输出纹波电流。但是,当交错并联的多个谐振变换电路谐振参数差异比较大时, 容易出现多个变换电路的输出电流不均衡,甚至出现某些电路不能向变压器副边传递功率的情况。
[发明内容]
[0003] 本发明要解决的技术问题是提供一种各谐振变换电路均流工作,输入端和输出端纹波电流小的多相错相并联双级变换器。
[0004] 为了解决上述技术问题,本发明采用的技术方案是,一种多相错相并联双级变换器,包括控制电路和并联连接在输入正负母线和输出正负母线之间的至少2个带有前级调节器的谐振变换电路,带有前级调节器的谐振变换电路的谐振电路开环工作,通过前级调节器实现输出电压控制;控制电路控制各谐振变换电路同频错相工作,同时通过电流反馈控制保证各谐振变换电路的输出电流相同。
[0005] 以上所述的多相错相并联双级变换器,所述的谐振变换电路包括变压器以及输出整流电路。前级调节器的输入端与输入直流母线耦合,输出端作为所述谐振电路的输入;谐振电路的输出端与变压器原边耦合,变压器副边连接输出整流电路的输入端,输出整流电路的输出端与输出直流母线耦合;前级调节器的开关管驱动信号和谐振电路的开关管驱动信号由控制电路供给;输出母线电压、各谐振变换电路的电流信号作为反馈信号输入控制电路。
[0006] 以上所述的多相错相并联双级变换器,所述的控制电路包括开环PWM发波电路、 电压环、与谐振变换电路数量相同的电流环和PWM发生器,开环PWM发波电路产生谐振变换电路所需的固定的控制PWM信号,保证各谐振变换电路同频错相工作;电压环通过比较输出母线电压和内部电压基准信号输出各电流环的基准电流;各电流环以电压环的输出的同一基准电流作为给定基准,通过与对应的谐振变换电路的电流信号做比较,由PWM发生器控制各对应谐振变换电路的输出电流;同时,各电流环控制对应PWM发生器输出的各前级变换器的开关管驱动信号同频错相,控制各对应前级变换器同频错相工作。
[0007] 以上所述的多相错相并联双级变换器,所述的前级调节器是Buck型调节器或 Boost型调节器,所述的谐振变换电路是串联谐振变换电路、并联谐振变换电路或串并联谐振变换电路;所述的谐振变换电路是全桥、半桥或三电平结构。[0008] 以上所述的多相错相并联双级变换器,所述的前级调节器为Buck型调节器,所述前级调节器包括第一开关管、第一二极管,电感元件和第一电容,包括下述两种连接方式:
[0009] 第一开关管的一端与输入负母线相连,另一端与所述第一二极管的阳极、电感元件的第一端相连,控制端连接到控制电路对应的PWM发生器的控制信号输出端;第一二极管的阴极接输入正母线;第一电容的一端与输入正母线相连,另一端与电感元件的第二端相连;第一电容的两端作为前级调节器的输出端;
[0010] 或第一开关管的一端与输入正母线相连,另一端与第一二极管的阴极、电感元件的第一端相连,控制端连接到控制电路对应的PWM发生器的控制信号输出端;第一二极管的阳极接输入负母线;第一电容的一端与输入负母线相连,另一端与电感元件的第二端相连;第一电容的两端作为前级调节器的输出端。
[0011] 以上所述的多相错相并联双级变换器,所述的谐振电路包括第二开关管、第三开关管、第四开关管、第五开关管,第一电感和第二电容,第二开关管、第三开关管、第四开关管和第五开关管组成全桥结构,全桥结构的输入端连接所述前级调节器的输出端;所述第一电感,第二电容与的变压器原边串联,串联电路的两端分别连接所述全桥结构的两个中点;第二开关管、第三开关管、第四开关管和第五开关管的控制端接所述开环PWM发波电路控制信号的输出端;其中,所述第一电感是实际的电感器件或是电路的等效漏感。
[0012] 以上所述的多相错相并联双级变换器,所述的输出整流电路包括第一整流二极管、第二整流二极管、第三整流二极管和第四整流二极管、第一整流二极管、第二整流二极管、第三整流二极管和第四整流二极管组成全桥整流结构;全桥整流结构的中点连接变压器副边的输出端,全桥整流结构的正负端分别连接输出母线的正负端。
[0013] 以上所述的多相错相并联双级变换器,各电流环的电流信号的采样电流包括输出正母线或负母线的电流、变压器原边电流、变压器副边电流或前级调节器电感元件电流。
[0014] 以上所述的多相错相并联双级变换器,包括滤波电容,所述的滤波电容连接在输出正负母线之间。
[0015] 本发明多路谐振变换电路错相工作,减小了输入端和输出端的纹波电流。同时,控制电路通过电流反馈控制保证各谐振变换电路的输出电流相同,可以解决各谐振变换电路因参数差异而造成的不均流问题。
[附图说明]
[0016] 下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
[0017] 图1是本发明多相错相并联双级变换器实施例1的原理图。
[0018] 图2是本发明多相错相并联双级变换器实施例2的原理图。
[0019] 图3是本发明多相错相并联双级变换器实施例3的原理图。
[0020] 图4是本发明多相错相并联双级变换器实施例4的原理图。
[0021] 图5是本发明多相错相并联双级变换器实施例5的原理图。
[0022] 图6是本发明多相错相并联双级变换器实施例6的原理图。
[具体实施方式]
[0023] 本发明实施例1的多相错相并联双级变换器,包括控制电路3和并联连接在输入正负母线和输出正负母线之间的2个带有前级调节器开环工作的谐振变换电路1和2,通过前级调节器实现输出电压控制;控制电路控制2个谐振变换电路同频错相工作,同时通过电流反馈控制保证2个谐振变换电路的输出电流相同。本发明各实施例都以2个谐振变换电路并联为例,但在实际应用中可以采用多个谐振变换电路并联。
[0024] 实施例1中的前级调节器11、21是Buck调节器。
[0025] 第一前级调节器11包括开关管Qll、二极管Dll,电感元件Lll和电容Cll。开关管Qll的一端与输入负母线相连,另一端与所述二极管Dll的阳极、电感元器件Lll的第一端相连,控制端连接到控制电路3 ;二极管Dll的阴极连接输入正母线;电容Cll的一端与输入正母线相连,另一端与电感Lll的第二端相连。
[0026] 第二前级调节器21包括开关管Q21、二极管D21,电感元件L21和电容C21。开关管Q21的一端与输入负母线相连,另一端与二极管D21的阳极和电感元器件L21的第一端相连,控制端连接到控制电路3 ;二极管D21的阴极连接输入正母线;电容C21的一端与输入正母线相连,另一端与电感L21的第二端相连。
[0027] 第一谐振变换电路的后级12包括谐振电路121、变压器Tll和整流电路122。谐振电路121的输出端与变压器Tll的输入端相连,变压器Tll的输出端与整流电路122相连。
[0028] 第二谐振变换电路的后级22包括谐振电路221、变压器T21和整流电路222。谐振电路221的输出端与变压器T21的输入端相连,变压器T21的输出端与整流电路222相连。
[0029] 谐振电路121包括开关管Q12、Q13、Q14、Q15,电感Lrll和电容Crll。其中,Q12、 Q13、Q14、Q15组成全桥结构,全桥结构的正负端分别连接第一调整电路输出电容Cll的正负端。电感Lrll,电容Crll和变压器Tll输入端串联连接,串联电路的两端分别连接全桥结构的两个中点。Q12、Q13、Q14、Q15的控制端与控制电路3相连接。其中,电感Lrll可以是实际的器件,也可以是电路的等效漏感。
[0030] 谐振电路221包括开关管Q22、Q23、Q24、Q25,电感Lr21和电容Cr21。其中,Q22、 Q23、Q24、Q25组成全桥结构,全桥结构的正负端分别连接第二调整电路输出电容C21的正负端。电感Lr21,电容Cr21和变压器T21输入端串联连接,串联电路的两端分别连接全桥结构的两个中点。Q22、Q23、QM、Q25的控制端与控制电路3相连接。其中,电感Lr21可以是实际的器件,也可以是电路的等效漏感。
[0031] 整流电路122包括二极管012、013、014、015,组成全桥结构。全桥结构的中点连接变压器Tll的输出端,全桥结构的正负端分别连接输出母线的正负端。
[0032] 整流电路222包括二极管022、023、024、025,组成全桥结构。全桥结构的中点连接变压器T21的输出端,全桥结构的正负端分别连接输出母线的正负端。
[0033] 输出正负母线之间连接有滤波电容Co。
[0034] 在实际应用中,整流电路122、222可以是全桥整流,也可以是变压器中心抽头式全波整流;可以是二极管整流,也可以是采用开关管外加控制的同步整流方式。
[0035] 变压器Tll,T21的激磁电感可以是集成在变压器内部,也可以是并联在变压器输入端或输出端的外置电感。
[0036] 控制电路3包括开环PWM发波电路、1个电压环、电流环1、电流环2、PWM发生器1和PWM发生器2 (电流环、PWM发生器的数量与谐振变换电路的数量相同)。
[0037] 开环PWM发波电路产生谐振变换电路12,22所需的固定的控制PWM信号。
[0038] 电压环的输入信号为滤波电容Co上的输出母线电压Vo以及给定的电压基准 Vref,输出信号为电流给定电流基准Iref,送给两个电流环作为其输入信号。
[0039] 电流环1的输入信号为电压环输出的给定电流基准信号Iref和谐振变换电路12 的输出电流信号II,电流环1的输出信号控制PWM发生器1,为前级调节器11中开关管Qll 提供控制信号PWM1。如图1所示,本实施例谐振变换电路22的输出电流信号Il的采样点 Il是输出整流电路122负端a到公共连接点c之间,但也可以从变压器Tll的原边电流或副边电流或者前级调节器输出电感Lll的电流采样,因为这些点都表征了谐振变换电路1 输出电流的大小。
[0040] 电流环2的输入信号为电压环输出的给定电流基准信号Iref和谐振变换电路22 的输出电流信号12,电流环2的输出信号控制PWM发生器2,为前级调节器21中开关管Q21 提供控制信号PWM2。如图1所示,本实施例谐振变换电路22的输出电流信号12的采样点 12在输出整流电路222负端b到公共连接点c之间,但也可以从变压器T21的原边电流或副边电流或者前级调节器输出电感L21的电流采样,因为这些点都表征了谐振变换电路2 输出电流的大小。
[0041] 本实施例中,开环PWM发波电路产生所述谐振变换电路所需的固定的控制PWM信号,控制开关管Q12、Q15和Q22、Q25以及Q13、Q14和Q23、Q24可以同频错相任意角度(包括但不限于90度)开环工作,实现两路谐振变换电路同频错相工作。电压环通过比较输出母线电压和内部电压基准信号,输出用于各电流环的基准电流,多个电流环的给定基准为同一个信号,通过与各路谐振变换电路的电流信号做比较,控制各路谐振变换电路的输出电流满足同一个电流大小,保证了各路谐振变换电路的电流均衡,以达到稳定输出电压的目的。同时,控制电路控制两路前级变换器的开关管驱动信号同频错相工作,保证了两路前级变换器的开关管Qll和Q21同频错相任意角度工作(包括180度错相和以同频同相工作),减小了输入侧的纹波电流。另外,控制电路控制开关管Q12、Q15和Q22、Q25以及Q13、 Q14和Q23、QM同频错相90度(包括但不限于90度)开环工作,减小了输出侧的纹波电流。
[0042] 本发明的前级调节器的开关管驱动信号、谐振变换电路的开关管驱动信号以及输出整流电路如果采用同步整流的开关管驱动信号由控制电路给出。输出母线电压、各路带有前级调节器的谐振变换电路的电流信号作为反馈信号输入到控制电路。
[0043] 本发明的谐振变换电路可以是串联谐振变换电路、并联谐振变换电路或串并联谐振变换电路,可以是全桥、半桥或三电平结构,前级调节器可以是Buck或Boost型电路。
[0044] 图2所示的本发明实施例2是在实施例1基础上将前级调节器的开关管和滤波电感置于输入母线正端的结构。在实施例2中,开关管Qll的一端与输入正母线相连,另一端与二极管Dll的阴极、电感元器件Lll的第一端相连,控制端连接到控制电路;二极管Dll 的阳极连接输入负母线;电容Cll的一端与输入负母线相连,另一端与电感Lll的第二端相连。开关管Q21的一端与输入正母线相连,另一端与二极管D21的阴极、电感元器件L21的第一端相连,控制端连接到控制电路;二极管D21的阳极连接输入负母线;电容C21的一端与输入负母线相连,另一端与电感L21的第二端相连。[0045] 图3所示的本发明实施例3是在实施例1的基础上输出整流电路改用了变压器中心抽头的全波整流结构。
[0046] 图4所示的本发明实施例4是在实施例3的基础上输出整流电路改用同步整流结构。
[0047] 图5所示的本发明实施例5是在实施例1的基础上谐振变换电路改用了半桥形式的一种实施例电路,同时输出整流电路改用了变压器中心抽头的全波整流结构,其中变压器激磁电感采用了外置形式。
[0048] 图6所示的本发明实施例6是在实施例5的基础上输出整流电路改用同步整流方式。
[0049] 本发明以上实施例使多路谐振变换电路错相工作,减小了输入端和输出端的纹波电流。同时,通过单电压环和多电流环的控制,多个电流环采用一个电流给定基准,保证了各个变换器输出电流相同,解决了多个变换电路因参数差异而造成的不均流问题。
[0050] 本发明是通过以上实施例进行描述的,本技术领域人员知悉,在不脱离本发明的精神和范围情况下,可以对这些特征进行等效替换或改变。因此,本发明不受上述公开的实施例的限制,所有落入本发明权利要求范围内的实施例都属于本发明保护的范围。

Claims (9)

1. 一种多相错相并联双级变换器,包括控制电路和并联连接在输入正负母线和输出正负母线之间的至少2个带有前级调节器的谐振变换电路,其特征在于,带有前级调节器的谐振变换电路的谐振电路开环工作,通过前级调节器实现输出电压控制;控制电路控制各谐振变换电路同频错相工作,同时通过电流反馈控制保证各谐振变换电路的输出电流相同。
2.根据权利要求1所述的多相错相并联双级变换器,其特征在于,所述的谐振变换电路包括变压器以及输出整流电路,前级调节器的输入端与输入直流母线耦合,输出端作为所述谐振电路的输入;谐振电路的输出端与变压器原边耦合,变压器副边连接输出整流电路的输入端,输出整流电路的输出端与输出直流母线耦合;前级调节器的开关管驱动信号和谐振电路的开关管驱动信号由控制电路供给;输出母线电压、各谐振变换电路的电流信号作为反馈信号输入控制电路。
3.根据权利要求2所述的多相错相并联双级变换器,其特征在于,所述的控制电路包括开环PWM发波电路、电压环、与谐振变换电路数量相同的电流环和PWM发生器,开环PWM 发波电路产生谐振变换电路所需的固定的控制PWM信号,保证各谐振变换电路同频错相工作;电压环通过比较输出母线电压和内部电压基准信号输出各电流环的基准电流;各电流环以电压环的输出的同一基准电流作为给定基准,通过与对应的谐振变换电路的电流信号做比较,由PWM发生器控制各对应谐振变换电路的输出电流;同时,各电流环控制对应PWM 发生器输出的各前级变换器的开关管驱动信号同频错相,控制各对应前级变换器同频错相工作。
4.根据权利要求3所述的多相错相并联双级变换器,其特征在于,所述的前级调节器是Buck型调节器或Boos t型调节器,所述的谐振变换电路是串联谐振变换电路、并联谐振变换电路或串并联谐振变换电路;所述的谐振变换电路是全桥、半桥或三电平结构。
5.根据权利要求3所述的多相错相并联双级变换器,其特征在于,所述的前级调节器为Buck型调节器,所述前级调节器包括第一开关管、第一二极管,电感元件和第一电容,包括下述两种连接方式:第一开关管的一端与输入负母线相连,另一端与所述第一二极管的阳极、电感元件的第一端相连,控制端连接到控制电路对应的PWM发生器的控制信号输出端;第一二极管的阴极接输入正母线;第一电容的一端与输入正母线相连,另一端与电感元件的第二端相连; 第一电容的两端作为前级调节器的输出端;或第一开关管的一端与输入正母线相连,另一端与第一二极管的阴极、电感元件的第一端相连,控制端连接到控制电路对应的PWM发生器的控制信号输出端;第一二极管的阳极接输入负母线;第一电容的一端与输入负母线相连,另一端与电感元件的第二端相连; 第一电容的两端作为前级调节器的输出端。
6.根据权利要求3所述的多相错相并联双级变换器,其特征在于,所述的谐振电路包括第二开关管、第三开关管、第四开关管、第五开关管,第一电感和第二电容,第二开关管、 第三开关管、第四开关管和第五开关管组成全桥结构,全桥结构的输入端连接所述前级调节器的输出端;所述第一电感,第二电容与变压器原边串联,串联电路的两端分别连接所述全桥结构的两个中点;第二开关管、第三开关管、第四开关管和第五开关管的控制端接所述开环PWM发波电路控制信号的输出端;其中,所述第一电感是实际的电感器件或是电路的等效漏感。
7.根据权利要求3所述的多相错相并联双级变换器,其特征在于,所述的输出整流电路包括第一整流二极管、第二整流二极管、第三整流二极管和第四整流二极管、第一整流二极管、第二整流二极管、第三整流二极管和第四整流二极管组成全桥整流结构;全桥整流结构的中点连接变压器副边的输出端,全桥整流结构的正负端分别连接输出母线的正负端。
8.根据权利要求5所述的多相错相并联双级变换器,其特征在于,各电流环的电流信号的采样电流包括输出正母线或负母线的电流、变压器原边电流、变压器副边电流或前级调节器电感元件电流。
9.根据权利要求1至8任一权利要求所述的多相错相并联双级变换器,其特征在于,包括滤波电容,所述的滤波电容连接在输出正负母线之间。
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