CN103618462B - 一种多相谐振型桥式模块化多电平开关电容变换器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种多相谐振型桥式模块化多电平开关电容变换器，将至少两个单元谐振开关电容电路输入端口并联连接，输出端口并联连接。所述单元谐振开关电容电路为桥式模块化多电平开关电容变换器拓扑，每个单元电路实现了谐振软开关，并保证4N倍输入电压的输出，各个单元电路之间采用移相控制。除了实现进一步减少输出电压纹波外，主要解决了单相开关电容变换器输入电流纹波过大的问题，从而进一步提高系统能量转换效率和变换器功率等级。该发明适用于大电流高增益的场合。

Description

一种多相谐振型桥式模块化多电平开关电容变换器

技术领域

本发明涉及一种多相开关电容变换器，尤其涉及一种多相直流-直流开关电容变换器。

背景技术

对传统结构的开关电容变换器而言，运行过程中存在大的电压尖峰和电磁干扰等问题，且随着开关频率的升高，开关损耗亦迅速增大。为了解决上述问题，在变换器中引入零电流开关（zerocurrentswitching-ZCS）技术，该技术充分利用电路中的杂散电感作为谐振电感。目前已提出的含飞跃电容的开关电容变换器（FCSCC）、多电平模块化开关电容变换器（MMSCC）以及对称性多电平模块化开关电容变换器（SMMSCC）跟发明中提出的一种桥式模块化多电平开关电容变换器（BMSCC）相比，在获得同样电压转化比下，使用的器件数目上或是输出阻抗上都无优势。这也是本发明的优势所在。但对于单个ZCS桥式多电平模块化开关电容变换器而言，输入电流纹波大，常常需要较大容量值的电容去滤除电流纹波以适应光伏发电中的应用，而这又势必影响整个变换器能量转换的效率。

发明内容

本发明的目的是提供一种输入电流纹波低，输出电压纹波地，能量转换效率高，功率密度大的开关电容变换器

为了解决上述的技术问题，本发明提供了一种多相谐振型桥式模块化多电平开关电容变换器，包括至少两个单元谐振开关电容电路，所述至少两个单元谐振开关电容电路的输入部分并联连接，共用一个电源；输出部分并联输出为负载供电。所述单元谐振开关电容电路为桥式模块化多电平开关电容变换器拓扑。

作为优选，所述桥式模块化多电平开关电容变换器拓扑包括H桥，谐振电感，至少一个基本开关电容模块。

作为优选，所述H桥由四个MOSFET全控器件S₁、S₂、S₃、S₄组成，其中S₁、S₄同步，S₂、S₃同步；S₁、S₄的驱动信号与S₂、S₃的驱动信号之间相差180°。

作为优选，所述基本开关电容模块由四个开关管和四个电容构成，每增加一个基本开关电容模块，输出电压电平较输入电压电平提高4倍。

作为优选，所述各个单元谐振开关电容电路之间采用移相控制，对于含m个单元谐振开关电容电路的一种的多相谐振型桥式模块化多电平开关电容变换器，其各相驱动信号之间的相位差为2π/m，其中m≥2。

作为优选，对于单向升压电路，所述基本开关电容模块中的开关管为快恢复二极管。

本发明提供的一种多相谐振型桥式模块化多电平开关电容变换器通过将至少两个单元谐振开关电容电路采用输入并联，输出并联的方式，降低了变换器的输出电流纹波，输出电压纹波，提高变换电路转换效率和功率密度，特别适用于光伏模块、TEG模块等低压输出场合。

附图说明

图1为本发明的结构示意图。

图2为单元谐振开关电容电路。

图3为H桥电路图。

图4为基本开关电容模块图。

图5为本发明的优选实施例的结构示意图。

图6为本发明的优选实施例的关键波形图。

图7为单相和三相情况下输入电路纹波示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例，对本发明做进一步的阐述。

参考图1至图4，图1是本发明提供的一种多相谐振型桥式模块化多电平开关电容变换器的结构示意图，其中包含有m个并联连接的单元谐振开关电容电路。图2为单元谐振开关电容电路，包括H桥1、谐振电感2和基本开关电容模块3。图3为H桥电路图，图4为开关电容模块电路。H桥包含四个MOSFET开关管，其中S₁、S₄为同时开通的一对开关管、S₂、S₃为另一对同时开通的开关管。S₂、S₃的驱动信号滞后S₁、S₄的驱动信号180°。基本开关电容模块含有四个开关管和四个电容，每增加一个基本开关电容模块，输出电压电平较输入电压电平增加4倍。所述H桥具有2输入端，4输出端，2输入端分别接电源的正极端（输入电容的上端）、负极端（输入电容的下端），其中三个输出端分别与第一个基本开关电容模块的三个输入端口相连，剩余一个输出端口与第一个基本开关电容模块之间插入谐振电感。基本开关电容模块的四个输出端口分别于下一个基本开关电容模块的四个输入端口相连。最后一个基本开关电容模块为二端口输出，其中一个输出端口为输出电压正极端，另一个输出端口为输出电压的负极端。

进一步参考图5，图5为本发明优选实施例中三相谐振型桥式模块化八电平开关电容变换器的结构示意图。在本实施例中3个单元谐振开关电容单元电路的参数相同。基本开关电容模块中开关管采用的是单向导通的快恢复二极管。第二相2的驱动信号滞后第一相1的驱动信号120°，第三相3的驱动信号滞后第二相2的驱动信号120°，其中驱动波形示意图见图6。图6亦展示了各相H桥中开关管的端电压波形、谐振电感L_r1、L_r2、L_r3的电流波形和输入电流波形。

下面对多相结构在减少输入电流纹波和提高电路转化效率上进行分析说明：

对于只含一个单元谐振开关电容电路的变换器而言，输入电流可以表达为

I_in1=A₁sinθ,θ∈[0π](1)

设平均电流为I_{in1_ave}，则通过方程

$(1/\mathrm{\π}){\∫}_0^{\mathrm{\π}}{A}_1\sin \mathrm{\θd\θ}=I_{\mathrm{in}1\_\mathrm{ave}}---\left(2\right)$

可求得A₁=1.57I_{in1_ave}，

由于输入电流为正弦半波，所以输入电流的纹波为I_{in1_ripple}=A₁。

则流进输入电容的电流有效值为

$I_{\mathrm{in}1\_\mathrm{rms}}=\sqrt{(1/\mathrm{\π}){\∫}_0^{\mathrm{\π}}{(I_{\mathrm{in}1}-I_{\mathrm{in}1\_\mathrm{ave}})}^2\mathrm{d\θ}}---\left(3\right)$

对于含有三个单元谐振开关电容电路的三相谐振型桥式模块化多电平开关电容变换器而言，输入电流表达为

I_in2=B₁sinθ,θ∈[0(2π/3)](4)

同样设平均电流为I_{in2_ave}，有

$(3/2\mathrm{\π}){\∫}_0^{2\mathrm{\π}/3}{B}_1\sin \mathrm{\θd\θ}=I_{\mathrm{in}2\_\mathrm{ave}}---\left(5\right)$

求得B₁=1.209I_{in1_ave}，

输入电流的纹波为I_{in2_ripple}=B₁[sin(π/2)-sin(π/6)]

则流进输入电容的电流有效值为

$I_{\mathrm{in}2\_\mathrm{rms}}=\sqrt{(3/2\mathrm{\π}){\∫}_0^{2\mathrm{\π}/3}{(I_{\mathrm{in}2}-I_{\mathrm{in}2\_\mathrm{ave}})}^2\mathrm{d\θ}}---\left(6\right)$

对两种变换器在同样的工况下进行比较，假定I_{in1_ave}=I_{in2_ave}=10A,可得到：I_{in1_ripple}=A₁=15.7A,I_{in1_rms}=4.8A

B₁=11.1A,I_{in2_ripple}=6.05A,I_{in2_rms}=1.8A

对于输入电容而言，两种情况下的损耗比为:

$K=P_{\mathrm{Loss}1}/P_{\mathrm{Loss}2}=I_{\mathrm{in}2\_\mathrm{rms}}^2/I_{\mathrm{in}1\_\mathrm{rms}}^2=14\%$

可见在三相情况下，输入电容的损耗降低为单相的14%。

参考图7是在单相和三相情况下输入电流的波形示意图，可见随着相数的增多，输入电流纹波大大减少。

综上所述，本发明提供的一种多相谐振型桥式模块化多电平开关电容变换器通过将至少两个单元谐振开关电容电路采用输入并联，输出并联的方式，降低了变换器的输出电流纹波，输出电压纹波，提高变换电路转换效率和功率密度，特别适用于光伏模块、TEG模块等低压输出场合。

本说明书中公开的所有特征，或公开的所有方法或过程中的步骤，除了互相排斥的特征和/或步骤以外，均可以以任何方式组合。

本说明书（包括任何附加权利要求、摘要和附图）中公开的任一特征，除非特别叙述，均可被其他等效或具有类似目的的替代特征加以替换。即，除非特别叙述，每个特征只是一系列等效或类似特征中的一个例子而已。

本发明并不局限于前述的具体实施方式。上述实施例并不应视为限制本发明的范围。本领域的技术人员在阅读并理解了前述详细说明的同时，可以进行修改和变化。具体的保护范围应以权利要求书为准。

Claims (5)

1.一种多相谐振型桥式模块化多电平开关电容变换器，包括至少两个单元谐振开关电容电路，所述单元谐振开关电容电路为桥式模块化多电平开关电容变换器拓扑；其特征在于，所述至少两个单元谐振开关电容电路的输入部分并联连接，共用一个电源；输出部分并联输出为负载供电；

所述桥式模块化多电平开关电容变换器拓扑含有一个H桥、一个谐振电感和至少一个基本开关电容模块；所述H桥由四个全控型器件MOSFET组成，分别为S1、S2、S3、S4；

所述基本开关电容模块由四个开关和四个电容组成，分别为S1a、S2a、S1b、S2b和C1a、C2a、C1b、C2b ，其中S1的漏极、S3的漏极、S1a的源极相连；S1的源极、S2的漏极、C2a的负极、C2b的正极相连；S2的源极、S4的源极、S1b的漏极相连；S3的源极、S4的漏极连接谐振电感然后再与C1a的负极、C1b的正极相连；S1a的漏极、S2a的源极、C1a的正极相连；S2a的漏极、C2a的正极相连；S1b的源极、S2b的漏极、C1b的负极相连；S2b的源极、C2b的负极相连；低压端电源并联滤波电容，电源正极接S1的漏极，负极 接S2的源极，高压端电源正极接第N个基本开关电容模块中S2Na的漏极，负极接S2Nb的源极。

2.根据权利要求1所述的一种多相谐振型桥式模块化多电平开关电容变换器，其特征在于，所述S₁、S₄同步，S₂、S₃同步；S₁、S₄的驱动信号与S₂、S₃的驱动信号之间相差180°。

3.根据权利要求2所述的一种多相谐振型桥式模块化多电平开关电容变换器，其特征在于，每增加一个基本开关电容模块，输出电压电平较输入电压电平提高4倍。

4.根据权利要求1所述的一种多相谐振型桥式模块化多电平开关电容变换器，其特征在于，所述各个单元谐振开关电容电路之间采用移相控制，对于含m个单元谐振开关电容电路的一种的多相谐振型桥式模块化多电平开关电容变换器，其各相驱动信号之间的相位差为2π/m，其中m≥2。

5.根据权利要求4的所述一种多相谐振型桥式模块化多电平开关电容变换器，其特征在于，对于单向升压电路，所述基本开关电容模块中的开关管为快恢复二极管。