CN103633845A - 一种dc-dc变换器 - Google Patents

Abstract

本发明公开的DC-DC变换器，通过双相DC-AC变换器将直流电压信号转换为交流电压信号，再通过不可控整流电路将所述交流电压信号转换为与所述直流电压信号电压不同的另一直流电压信号，最终实现直流电压的变换；其中：所述双相DC-AC变换器中两组并联连接且对称的桥臂，分别包括串联连接且分别接收控制信号的若干个子模块，通过控制接入电路的子模块的个数即可实现不同的电压变化，使其适用于高压大功率场合。

Description

一种DC-DC变换器

技术领域

本发明涉及输配电技术领域，尤其涉及一种DC-DC变换器。

背景技术

DC-DC变换器是直流电网的重要组成部分，一般直流电网中使用的变换器电压等级较高，而现有的高压直流变换器技术仍不够成熟，因此目前急切需要一种可应用于高压大功率场合的DC-DC变换器。

发明内容

有鉴于此，本发明提供了一种DC-DC变换器，以应用于高压大功率场合。

为了实现上述目的，现提出的方案如下：

一种DC-DC变换器，包括：接收控制信号的双相DC-AC变换器及与其相连接的不可控整流电路；其中：

所述双相DC-AC变换器包括两组并联连接且对称的桥臂，每组桥臂包括两个串联连接且对称的半桥臂；每个半桥臂分别包括：串联连接且分别接收控制信号的若干个子模块；每组桥臂的中间点分别与所述不可控整流电路输入端相连。

优选的，所述双相DC-AC变换器还包括：第一平波电抗器及第二平波电抗器，均用于减少电流波纹；其中，所述第一平波电抗器连接于所述双相DC-AC变换器的一个输入端与所述两组桥臂的一个连接点之间；所述第二平波电抗器连接于所述双相DC-AC变换器的另一个输入端与所述两组桥臂的另一个连接点之间。

优选的，所述双相DC-AC变换器的每个半桥臂还包括：一个电抗器，用于抑制桥臂间的环流。

优选的，所述双相DC-AC变换器的子模块包括：

第一绝缘栅双极型晶体管；

漏极与所述第一绝缘栅双极型晶体管源极相连的第二绝缘栅双极型晶体管；所述第一绝缘栅双极型晶体管源极与所述第二绝缘栅双极型晶体管漏极的连接点为所述子模块的高电平输出端；所述第二绝缘栅双极型晶体管源极为所述子模块的低电平输出端；

与所述第一绝缘栅双极型晶体管反相并联的第一续流二极管；

与所述第二绝缘栅双极型晶体管反相并联的第二续流二极管；

连接于所述第一绝缘栅双极型晶体管漏极与所述第二绝缘栅双极型晶体管源极之间的电容。

优选的，所述不可控整流电路包括：不可控整流桥及与所述不可控整流桥并联的电容；所述不可控整流桥的两个中间点分别为所述不可控整流电路的输入端；所述不可控整流桥与所述电容的两个连接点分别为所述不可控整流电路的输出端。

从上述的技术方案可以看出，本发明公开的DC-DC变换器，通过双相DC-AC变换器将直流电压信号转换为交流电压信号，再通过不可控整流电路将所述交流电压信号转换为与所述直流电压信号电压不同的另一直流电压信号，最终实现直流电压的变换；其中：所述双相DC-AC变换器中两组并联连接且对称的桥臂，分别包括串联连接且分别接收控制信号的若干个子模块，通过控制接入电路的子模块的个数即可实现不同的电压变化，使其适用于高压大功率场合。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例公开的DC-DC变换器结构示意图；

图2为本发明另一实施例公开的DC-DC变换器结构示意图；

图3为本发明另一实施例公开的DC-DC变换器结构示意图；

图4为本发明另一实施例公开的DC-DC变换器结构示意图；

图5为本发明另一实施例公开的子模块电路示意图；

图6为本发明另一实施例公开的DC-DC变换器结构示意图；

图7为本发明另一实施例公开的DC-DC变换器单向等值电路示意图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明提供了一种DC-DC变换器，以应用于高压大功率场合。

具体的，如图1所示，包括：

接收控制信号的双相DC-AC变换器101及与其相连接的不可控整流电路102；其中：

双相DC-AC变换器101包括两组并联连接且对称的桥臂，每组桥臂包括两个串联连接且对称的半桥臂103；每个半桥臂103分别包括：串联连接且分别接收控制信号的若干个子模块SM1～SMn；每组桥臂的中间点分别与不可控整流电路102输入端相连。

具体的工作原理为：

双相DC-AC变换器101将直流电压信号转换为交流电压信号，不可控整流电路102将所述交流电压信号转换为与所述直流电压信号电压不同的另一直流电压信号，最终实现直流电压的变换。

本实施例公开的DC-DC变换器，双相DC-AC变换器101中两组并联连接且对称的桥臂分别包括两个串联连接且对称的半桥臂103；每个半桥臂103分别包括串联连接且分别接收控制信号的若干个子模块，通过不同的控制信号控制接入电路的子模块的个数即可实现不同的电压变化，使其适用于高压大功率场合。

本发明另一实施例还提供了另外一种DC-DC变换器，具体的，如图2所示，包括：

接收控制信号的双相DC-AC变换器101及与其相连接的不可控整流电路102；其中：

双相DC-AC变换器101包括两组并联连接且对称的桥臂、第一平波电抗器L_X1及第二平波电抗器L_X2；每组桥臂包括两个串联连接且对称的半桥臂103；每个半桥臂103分别包括：串联连接且分别接收控制信号的若干个子模块SM1～SMn；每组桥臂的中间点分别与不可控整流电路102输入端相连；第一平波电抗器L_X1连接于双相DC-AC变换器101的一个输入端与所述两组桥臂的一个连接点之间，第二平波电抗器L_X2连接于所述双相DC-AC变换器的另一个输入端与所述两组桥臂的另一个连接点之间。

第一平波电抗器L_X1及第二平波电抗器L_X2用于减少电流波纹，有利于所述直流电压的变换。

本实施例内其余的特征及具体的工作原理与上述实施例相同，此处不再赘述。

本发明另一实施例还提供了另外一种DC-DC变换器，具体的，如图3所示，包括：

接收控制信号的双相DC-AC变换器101及与其相连接的不可控整流电路102；其中：

双相DC-AC变换器101包括两组并联连接且对称的桥臂；每组桥臂包括两个串联连接且对称的半桥臂103；每个半桥臂103分别包括：串联连接且分别接收控制信号的若干个子模块SM1～SMn以及与若干个子模块SM1～SMn串联连接的电抗器L；每组桥臂的中间点分别与不可控整流电路102输入端相连。

每个半桥臂103中的电抗器L可以抑制桥臂间的环流，保证所述直流电压变换的有效率。

优选的，如图4所示，双相DC-AC变换器101还包括：第一平波电抗器L_X1及第二平波电抗器L_X2；第一平波电抗器L_X1连接于双相DC-AC变换器101的一个输入端与所述两组桥臂的一个连接点之间，第二平波电抗器L_X2连接于所述双相DC-AC变换器的另一个输入端与所述两组桥臂的另一个连接点之间。

第一平波电抗器L_X1及第二平波电抗器L_X2用于减少电流波纹，有利于所述直流电压的变换。

本实施例内其余的特征及具体的工作原理与上述实施例相同，此处不再赘述。

本发明另一实施例还提供了另外一种DC-DC变换器，具体的，如图1所示，包括：

接收控制信号的双相DC-AC变换器101及与其相连接的不可控整流电路102；其中：

双相DC-AC变换器101包括两组并联连接且对称的桥臂；每组桥臂包括两个串联连接且对称的半桥臂103；每个半桥臂103分别包括：串联连接且分别接收控制信号的若干个子模块SM1～SMn；每组桥臂的中间点分别与不可控整流电路102输入端相连；

其中，如图5所示，若干个子模块SM1～SMn中的每个子模块分别包括：

第一绝缘栅双极型晶体管VT1；

漏极与第一绝缘栅双极型晶体管VT1源极相连的第二绝缘栅双极型晶体管VT2；第一绝缘栅双极型晶体管VT1源极与第二绝缘栅双极型晶体管VT2漏极的连接点为所述子模块的高电平输出端；第二绝缘栅双极型晶体管VT2源极为所述子模块的低电平输出端；

与第一绝缘栅双极型晶体管VT1反相并联的第一续流二极管VD1；

与第二绝缘栅双极型晶体管VT2反相并联的第二续流二极管VD2；

连接于第一绝缘栅双极型晶体管VT1漏极与第二绝缘栅双极型晶体管VT2源极之间的电容C。

具体的工作原理为：

第一绝缘栅双极型晶体管VT1与第二绝缘栅双极型晶体管VT2作为开关，接收所述控制信号，控制所述子模块是否接入电路；电容C用作直流储能。U_SM为子模块的端口输出电压，i_SM为该子模块所在桥臂的电流，U_C为子模块中电容C两端的电压。每个子模块都是两端元件，通过控制第一绝缘栅双极型晶体管VT1和第二绝缘栅双极型晶体管VT2的开通和关断，子模块输出电压U_SM可以同时在两种电流方向的情况下交替输出电容电压Uc与0。

优选的，如图6中双相DC-AC变换器101所示，每个半桥臂103还包括：与若干个子模块SM1～SMn串联连接的电抗器L；每组桥臂的中间点分别与不可控整流电路102输入端相连；双相DC-AC变换器101还包括：第一平波电抗器L_X1及第二平波电抗器L_X2；第一平波电抗器L_X1连接于双相DC-AC变换器101的一个输入端与所述两组桥臂的一个连接点之间，第二平波电抗器L_X2连接于所述双相DC-AC变换器的另一个输入端与所述两组桥臂的另一个连接点之间

优选的，如图6中不可控整流电路102所示，不可控整流电路102包括：不可控整流桥及与所述不可控整流桥并联的电容C1；所述不可控整流桥的两个中间点分别为不可控整流电路102的输入端；所述不可控整流桥与电容C1的两个连接点分别为不可控整流电路102的输出端。

以任意一个半桥臂103为例，共有n个子模块，可将这n个子模块输出的总电压等效为可控电压源。若半桥臂的子模块数量足够多，通过控制各个子模块的投入和切出，即可输出多种波形的电压。

图7为所述DC-DC变换器单向变换时的等值电路图。由于变换器中两组桥臂具有严格的对称性，故以一组桥臂为例，图7中R_eq为半桥臂等值电阻；u_A1、u_A2分别是该组上、下半桥臂等效可控电压源输出电压，表达式如下

$\left\{\begin{array}{c}{u}_{A1}=\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{u}_{\mathrm{cA}1i}{S}_{A1i}\\ u_{A2}=\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{u}_{\mathrm{cA}2i}{S}_{A2i}\end{array}\right.---\left(1\right)$

式中，u_cA1i、u_cA2i为该组上下桥臂各子模块的电容电压，S_A1i、S_A2i为该组上下桥臂各子模块的开关函数。

图7中u_Ao是该组桥臂中间点A点的对地电压，双相DC-AC变换器101输入端压差U_in，双相DC-AC变换器101的高电平输入端P点相对于参考中性点的电压为

双相DC-AC变换器101的低电平输入端N点相对于参考中性点的电压为

满足公式

$\left\{\begin{array}{c}{u}_{A1}=\frac{1}{2}{U}_{\mathrm{in}}-u_{\mathrm{Ao}}\\ u_{A2}=\frac{1}{2}{U}_{\mathrm{in}}+u_{\mathrm{Ao}}\end{array}\right.---\left(2\right)$

将（2）式中的上下两式相加，得到

u_A1+u_A2=U_in   （3）

由于该拓扑结构的两组单元具有严格的对称性，每组单元的上、下两个桥臂同样也具有严格的对称性，因此输入直流电流I_in在两组桥臂间被均分，每组的输出端电流也被上、下两个半桥臂均分。因此，上述组上、下半桥臂电流分别为：

$\left\{\begin{array}{c}{i}_{A1}=-\frac{1}{2}{I}_{\mathrm{in}}-\frac{1}{2}{i}_A\\ i_{A2}=\frac{1}{2}{i}_A-\frac{1}{2}{I}_{\mathrm{in}}\end{array}\right.---\left(4\right)$

两组桥臂的工作原理相同。为了使一组桥臂上的电容有充电和放电两个过程，上述组桥臂中间点A点的对地电压u_Ao的极性必须不断改变，从而使一组桥臂上的电流方向发生改变，以保证子模块能量守恒从而使电容电压保持恒定。由图7对地电压u_Bo为相位互差180°的对称方波时，通过不可控整流电路102可以得到稳定的直流电压，电压的幅值与方波的大小相同。若触发产生的方波幅值小于输入的直流电压

拓扑可实现直流降压目的。

由公式（2）可知，上述组上半桥臂电压

其中双相DC-AC变换器101输入端压差U_in为定值，u_A1为不对称方波，方波的低值为 $\frac{1}{2}{U}_{\mathrm{in}}-\frac{1}{2}{U}_{\mathrm{out}}(U_{\mathrm{in}}>U_{\mathrm{out}}),$ 高值为 $\frac{1}{2}{U}_{\mathrm{in}}+\frac{1}{2}{U}_{\mathrm{out}},$ 其中，u_OUT为不可控整流电路102输出端压差。同理，上述组下半桥臂输出电压u_A2也为不对称方波，幅值相等，相位相差180°。

若采取相应的稳压措施，各子模块的电容电压近似相等大小为Uc，则（1）式可简化为

$\left\{\begin{array}{c}{u}_{A1}=N_{A1}\·U_c\\ u_{A2}=N_{A2}\·U_c\end{array}\right.---\left(5\right)$

式中，N_A1，N_A2分别为上述组上半桥臂和下半桥臂投入的子模块个数。

输入输出公式

$\left\{\begin{array}{c}{U}_{\mathrm{in}}=n{U}_c\\ U_{\mathrm{out}}=\left|u_{\mathrm{Ao}}\right|\end{array}\right.---\left(6\right)$

将式（5）、（6）带入公式（2）中可得

$U_{\mathrm{out}}=|\frac{n}{2}-N_{A1}|U_c---\left(7\right)$

因此，所述DC-DC变换器单向变换时的变比

$k=\frac{U_{\mathrm{out}}}{U_{\mathrm{in}}}=\frac{|n-2N_{A1}|}{2n}---\left(8\right)$

由（8）式可知当输入电压值确定，通过一定的调制策略改变N_A1的大小可实现变换器的变比可调，进而使其适用于高压大功率场合。

本实施例内其余的特征及具体的工作原理与上述实施例相同，此处不再赘述。

对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (5)

1.一种DC-DC变换器，其特征在于，包括：接收控制信号的双相DC-AC变换器及与其相连接的不可控整流电路；其中：

所述双相DC-AC变换器包括两组并联连接且对称的桥臂，每组桥臂包括两个串联连接且对称的半桥臂；每个半桥臂分别包括：串联连接且分别接收控制信号的若干个子模块；每组桥臂的中间点分别与所述不可控整流电路输入端相连。

2.根据权利要求1所述的DC-DC变换器，其特征在于，所述双相DC-AC变换器还包括：第一平波电抗器及第二平波电抗器，均用于减少电流波纹；其中，所述第一平波电抗器连接于所述双相DC-AC变换器的一个输入端与所述两组桥臂的一个连接点之间；所述第二平波电抗器连接于所述双相DC-AC变换器的另一个输入端与所述两组桥臂的另一个连接点之间。

3.根据权利要求1所述的DC-DC变换器，其特征在于，所述双相DC-AC变换器的每个半桥臂还包括：一个电抗器，用于抑制桥臂间的环流。

4.根据权利要求1所述的DC-DC变换器，其特征在于，所述双相DC-AC变换器的子模块包括：

第一绝缘栅双极型晶体管；

漏极与所述第一绝缘栅双极型晶体管源极相连的第二绝缘栅双极型晶体管；所述第一绝缘栅双极型晶体管源极与所述第二绝缘栅双极型晶体管漏极的连接点为所述子模块的高电平输出端；所述第二绝缘栅双极型晶体管源极为所述子模块的低电平输出端；

与所述第一绝缘栅双极型晶体管反相并联的第一续流二极管；

与所述第二绝缘栅双极型晶体管反相并联的第二续流二极管；

连接于所述第一绝缘栅双极型晶体管漏极与所述第二绝缘栅双极型晶体管源极之间的电容。

5.根据权利要求1所述的DC-DC变换器，其特征在于，所述不可控整流电路包括：不可控整流桥及与所述不可控整流桥并联的电容；所述不可控整流桥的两个中间点分别为所述不可控整流电路的输入端；所述不可控整流桥与所述电容的两个连接点分别为所述不可控整流电路的输出端。

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