CN106533173B - 一种输入相数可调的高增益dc/dc变换器 - Google Patents

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Abstract

一种输入相数可调的高增益DC/DC变换器，相比现有的变换器，其输入相数和增益单元数均可调，应用于不同的场合时，可灵活调节输入相数和增益单元数，每增加一个输入相数或一个增益单元数均可提高1倍以上增益，其输出电压与输入电压的比值为
Figure DDA0001196152770000011
其中D为占空比，m、n分别为输入相数与增益单元数。可满足大型大功率高增益场合。而且每一相输入电流和输出电压均可控，不存在不均流的问题，省去了大量传感器的控制和复杂化的控制策略设计。同时，与现有的高增益技术相比，本发明不存在耦合电感、不存在变压器，开关和二极管的电压应力也得到了降低，提高了变换器的整体工作效率。

Description

一种输入相数可调的高增益DC/DC变换器
技术领域
本发明涉及一种直流-直流变换器，具体是一种输入相数可调的高增益DC/DC变换器。
背景技术
现有技术中，传统的交错并联升压变换器存在升压比较小、功率开关和二极管的电压应力过大等问题，在输入输出电压相差较大的场合难以胜任。而现有的高增益直流升压变换器也存在输入相数难以调节及均流难等问题，在大功率应用场合中的应用受到了限制，如光伏并网或海上风电中。目前，实现高增益变换器主要有三种：第一种，是利用开关电容在升压的同时降低功率器件的电压应力，如MMC技术，但该方法结构复杂，所需器件较多。第二种，是借助于变压器，在直流—直流的变换器中间加入一个高频变压器，通过增加变压器的变比来实现高增益，因此，该变换器由原来的直流—直流变为直流—交流—交流—直流变换器，降低了能量的转换效率。第三种，是利用耦合电感来实现高增益，但耦合电感的使用不仅会造成开关器件电压应力过高，而且会引起磁干扰，增加了变换器的工作损耗。同时，上述方案在实现高增益时还存在输入相数扩展难度大的问题，特别是各相输入电流之间均流难度大。
发明内容
为解决现有技术中高增益变换器输入相数难以扩展及均流难的问题，本发明提供一种输入相数可调的高增益DC/DC变换器，该变换器根据不用的应用场合，可以调整不同的输入相数，且每一路输入电流和输出电压均可控。与传统接入多个变换器的方式相比，大大的降低了成本。
本发明采取的技术方案为：
一种输入相数可调的高增益DC/DC变换器，该变换器包含m个输入相，n个增益单元，m个功率开关S1、S2...Sm，m个电感L1、L2...Lm，n(m-1)+1个电容C0、C11、C12、C13...Cn,m-1，n(m-1)+1个二极管D0、D11、D12、D13、Dn,m-1；
m输入相数中，
第一相中第一电感L1的输入端接电源的正极，输出端接电容C11的一端，在第一电感L1和电容C11的结点和电源的负极之间接第一功率开关S1，第一功率开关S1源极接电源的负极，第一功率开关S1漏极与第一电感L1和电容C11的结点相连；
第二相中第二电感L2的输入端接电源的正极，输出端接电容C12的一端，在第二电感L2和电容C12的结点和电源的负极之间接第二功率开关S2，第二功率开关S2源极接电源的负极，第二功率开关S2漏极与第二电感L2和电容C12的结点相连；
以此类推到第m-1相：
第m-1相中第m-1电感Lm-1的输入端接电源的正极，输出端接电容C1，m-1的一端，在第m-1电感L1，m-1和电容C1，m-1的结点和电源的负极之间接第m-1功率开关Sm-1，第m-1功率开关Sm-1源极接电源的负极，第m-1功率开关Sm-1漏极与第m-1电感L1，m-1和电容C1，m-1的结点相连。
第m相中第m电感Lm的输入端接电源的正极，输出端接电容C2,m-1的一端，在第m电感Lm和电容C2，m-1的结点和电源的负极之间接第m功率开关Sm，第m功率开关Sm源极接电源的负极，第m功率开关Sm漏极与第m电感Lm和电容C2，m-1的结点相连；
n增益单元中，
增益一单元中，第一电感L1输出端接电容C11的一端，第二电感L2第一电感L1输出端接电容C12的一端...第m-1电感Lm-1输出端接电容C1，m-1的一端。二极管D11的阴极连电容C11的另一端，阳极连电容C12的另一端；二极管D12的阴极连电容C12的另一端，阳极连电容C13的另一端...二极管D1，m-2的阴极连电容C1，m-2的另一端，阳极连电容C1，m-1的另一端，二极管D1，m-1的阴极连电容C1，m-1的另一端，阳极连电容C2，m-1的一端。由C11的另一端引出二极管D2，m-1给电容C2，m-1充电，二极管D2，m-1阳极连C11的另一端，阴极连C2，m-1的另一端；
增益二单元中，电容C21的一端接电容C12的另一端，电容C22的一端接电容C13的另一端...电容C2,m-2的一端接电容C1,m-1的另一端。二极管D21的阴极连电容C21的另一端，阳极连电容C22的另一端；二极管D22的阴极连电容C22的另一端，阳极连电容C23的另一端...二极管D2，m-2的阴极连电容C2，m-2的另一端，阳极连电容C2，m-1的另一端，二极管D2，m-1的阴极连电容C2，m-1的另一端，阳极连电容C3，m-1的一端。由C21的另一端引出二极管D3，m-1给电容C3，m-1充电，二极管D3，m-1阳极连C21的另一端，阴极连C3，m-1的另一端；
增益三单元中，电容C31的一端接电容C22的另一端，电容C32的一端接电容C23的另一端...电容C3,m-2的一端接电容C2,m-1的另一端。二极管D31的阴极连电容C31的另一端，阳极连电容C32的另一端；二极管D32的阴极连电容C32的另一端，阳极连电容C33的另一端...二极管D3，m-2的阴极连电容C3，m-2的另一端，阳极连电容C3，m-1的另一端，二极管D3，m-1的阴极连电容C3，m-1的另一端，阳极连电容C4，m-1的一端。由C31的另一端引出二极管D4，m-1给电容C4，m-1充电，二极管D4，m-1阳极连C31的另一端，阴极连C4，m-1的另一端；
以此类推到n增益单元，
增益n单元中，电容Cn，1的一端接电容Cn-1，2的另一端，电容Cn，2的一端接电容Cn-1，3的另一端...电容Cn,m-2的一端接电容Cn-1,m-1的另一端。二极管Dn,1的阴极连电容Cn,1的另一端，阳极连电容Cn,2的另一端；二极管Dn,2的阴极连电容Cn,2的另一端，阳极连电容Cn,3的另一端...二极管Dn，m-2的阴极连电容Cn-1，m-2的另一端，阳极连电容Cn，m-1的另一端；
最后在电容Cn，1的另一端引出二极管D0的阳极，二极管D0的阴极与电容C0的一端相连，电容C0的另一端与电源的负极相连。
一种输入相数可调的高增益DC/DC变换器控制方法，相邻功率开关之间采用交错控制策略；即每相邻两相之间开关驱动相位相差180°。
本发明一种输入相数可调的高增益DC/DC变换器，技术效果如下：
1、本发明利用输入相数可调的交错并联方式实现变换器高增益输出，每增加一输入相数或一增益单元数，均可提高原基础上1倍以上基础增益，输出电压与输入电压的比值为：
Figure BDA0001196152750000031
其中D为占空比，m、n分别为输入相数与增益单元数。该变换器与现有技术相比，不存在耦合电感，不存在变压器，开关和二极管电压应力也大大降低，该变换器输入相数和增益单元均可调，应用范围广泛，更适用于大型高增益场合。
2、该变换器根据不用的应用场合，可以调整不同的输入相数，且每一路输入电流和输出电压均可控。与传统接入多个变换器的方式相比，大大的降低了成本。
3、该变换器增益单元数可调，能适应更大的大电流输入场合，相较于传统的交错并联存在不均流，每相电流大小不可控，必须增加多个传感器和控制策略等问题，该变换器输入电流和输出电压均可控，在开关占空比相同时，每相电流都相同。
附图说明
图1是本发明电路原理总图。
图2是本发明电路含有3相输入及3个增益单元时的电路拓扑图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步详细说明。
如图2所示，一种三相输入高增益升压变换器，它包含3个输入相，3个增益单元，3个功率开关S1、S2、S3，3个电感L1、L2、L3，7个电容C0、C11、C12、C21、C22、C31、C32、其中，7个二极管D0、D11、D12、D21、D22、D31、D32；
其中：3个输入相数中，
第一相中第一电感L1的输入端接电源的正极，输出端接电容C11的一端，在第一电感L1和电容C11的结点和电源的负极之间接第一功率开关S1，第一功率开关S1源极接电源的负极，第一功率开关S1漏极与第一电感L1和电容C11的结点相连。
第二相中第二电感L2的输入端接电源的正极，输出端接电容C12的一端，在第二电感L2和电容C12的结点和电源的负极之间接第二功率开关S2，第二功率开关S2源极接电源的负极，第二功率开关S2漏极与第二电感L2和电容C12的结点相连。
第三相中第三电感L3的输入端接电源的正极，输出端接电容C22的一端，在第三电感L3和电容C22的结点和电源的负极之间接第三功率开关S3，第三功率开关S3源极接电源的负极，第三功率开关S3漏极与第三电感L3和电容C22的结点相连。
3纵向增益单元中，
增益一单元中，第一电感L1输出端接电容C11的一端，第二电感L2第一电感L1输出端接电容C12的一端，第三电感L3输出端接电容C22的一端。二极管D11的阴极连电容C11的另一端，阳极连电容C12的另一端；二极管D12的阴极连电容C12的另一端，阳极连电容C22的一端。由C11的另一端引出二极管D22给电容C22充电，二极管D22阳极连C11的另一端，阴极连C22的另一端。
增益二单元中，电容C21的一端接电容C12的另一端，电容C22的一端接第三电感L3的输出端，二极管D21的阴极连电容C21的另一端，阳极连电容C22的另一端；二极管D22的阴极连电容C22的另一端，阳极连电容C32的一端。由C21的另一端引出二极管D32给电容C32充电，二极管D32阳极连C21的另一端，阴极连C32的另一端。
增益三单元中，电容C31的一端接电容C22的另一端，二极管D31的阴极连电容C31的另一端，阳极连电容C32的另一端。
最后在电容C31的另一端引出二极管D0的阳极，二极管D0的阴极与电容C0的一端相连，电容C0的另一端与电源的负极相连。
根据功率开关状态的不同，可以将电路分为三种工作状态：
(1)、功率开关均导通，此时输入电源通过功率开关S1和功率开关S2功率开关S3分别向电感L1和电感L2电感L3充电；二极管D0、D11、D12、D21、D22、D31、D32均关断。
(2)、控制器控制第二功率开关S2关断，第一功率开关S1和第三功率开关S3导通，此时低压电源通过电感L2、给电容C12放电，再通过二极管D11和二极管D32分别向电容C11和电容C32充电；同时给电容C21放电，通过二极管D32和二极管D31分别向电容C32和电容C31充电；此时第一功率开关S1和第三功率开关S3均导通，低压电源通过功率开关S1、S3向电感L1、L3充电；二极管D0、D12、D21均关断。
(3)、控制器控制第一功率开关S1和第三功率开关S3关断，第二功率开关S2导通，此时低压电源通过电感L1、给电容C12和电容C32放电，同时低压电源通过电感L3给电容C22和C31放电，分别通过二极管D12、二极管D21向电容C12、电容C21充电，同时通过二极管D0向高压直流母线供电；此时第一功率开关S1和第三功率开关S3均导通，低压电源通过功率开关S2向电感L2充电；二极管D0、D11、D22、D31、D32均关断。
通过上述三种工作状态，实现了变换器的7倍增益，且180°相移的并联交错控制方式可以通过三个输入电感分担输入电流，进而有效的减小元器件的电流应力。
本发明的上述实施实例仅仅是为说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其他不同形式的变化和变动。这里无法对所有的实施方式予以穷举。凡是属于本发明的技术方案,所引申出的显而易见的变化或变动仍处于本发明的保护范围之列。

Claims (1)

1.一种输入相数可调的高增益DC/DC变换器的控制方法，其特征在于：该高增益DC/DC变换器包含m个输入相，n个增益单元，m个功率开关S1、S2...Sm，m个电感L1、L2...Lm，n(m-1)+1个电容C0、C11、C12、C13...Cn,m-1，n(m-1)+1个二极管D0、D11、D12、D13、Dn,m-1；m输入相数中，
第一相中第一电感L1的输入端接电源的正极，输出端接电容C11的一端，在第一电感L1和电容C11的结点和电源的负极之间接第一功率开关S1，第一功率开关S1源极接电源的负极，第一功率开关S1漏极与第一电感L1和电容C11的结点相连；
第二相中第二电感L2的输入端接电源的正极，输出端接电容C12的一端，在第二电感L2和电容C12的结点和电源的负极之间接第二功率开关S2，第二功率开关S2源极接电源的负极，第二功率开关S2漏极与第二电感L2和电容C12的结点相连；
以此类推到第m-1相：
第m-1相中第m-1电感Lm-1的输入端接电源的正极，输出端接电容C1，m-1的一端，在第m-1电感L1，m-1和电容C1，m-1的结点和电源的负极之间接第m-1功率开关Sm-1，第m-1功率开关Sm-1源极接电源的负极，第m-1功率开关Sm-1漏极与第m-1电感L1，m-1和电容C1，m-1的结点相连；
第m相中第m电感Lm的输入端接电源的正极，输出端接电容C2,m-1的一端，在第m电感Lm和电容C2，m-1的结点和电源的负极之间接第m功率开关Sm，第m功率开关Sm源极接电源的负极，第m功率开关Sm漏极与第m电感Lm和电容C2，m-1的结点相连；
n增益单元中，
增益一单元中，第一电感L1输出端接电容C11的一端，第二电感L2第一电感L1输出端接电容C12的一端...第m-1电感Lm-1输出端接电容C1，m-1的一端；二极管D11的阴极连电容C11的另一端，阳极连电容C12的另一端；二极管D12的阴极连电容C12的另一端，阳极连电容C13的另一端...二极管D1，m-2的阴极连电容C1，m-2的另一端，阳极连电容C1，m-1的另一端，二极管D1，m-1的阴极连电容C1，m-1的另一端，阳极连电容C2，m-1的一端；由C11的另一端引出二极管D2，m-1给电容C2，m-1充电，二极管D2，m-1阳极连C11的另一端，阴极连C2，m-1的另一端；
增益二单元中，电容C21的一端接电容C12的另一端，电容C22的一端接电容C13的另一端...电容C2,m-2的一端接电容C1,m-1的另一端；二极管D21的阴极连电容C21的另一端，阳极连电容C22的另一端；二极管D22的阴极连电容C22的另一端，阳极连电容C23的另一端...二极管D2，m-2的阴极连电容C2，m-2的另一端，阳极连电容C2，m-1的另一端，二极管D2，m-1的阴极连电容C2，m-1的另一端，阳极连电容C3，m-1的一端；由C21的另一端引出二极管D3，m-1给电容C3，m-1充电，二极管D3，m-1阳极连C21的另一端，阴极连C3，m-1的另一端；
增益三单元中，电容C31的一端接电容C22的另一端，电容C32的一端接电容C23的另一端...电容C3,m-2的一端接电容C2,m-1的另一端；二极管D31的阴极连电容C31的另一端，阳极连电容C32的另一端；二极管D32的阴极连电容C32的另一端，阳极连电容C33的另一端...二极管D3，m-2的阴极连电容C3，m-2的另一端，阳极连电容C3，m-1的另一端，二极管D3，m-1的阴极连电容C3，m-1的另一端，阳极连电容C4，m-1的一端；由C31的另一端引出二极管D4，m-1给电容C4，m-1充电，二极管D4，m-1阳极连C31的另一端，阴极连C4，m-1的另一端；以此类推到n增益单元，
增益n单元中，电容Cn，1的一端接电容Cn-1，2的另一端，电容Cn，2的一端接电容Cn-1，3的另一端...电容Cn,m-2的一端接电容Cn-1,m-1的另一端；二极管Dn,1的阴极连电容Cn,1的另一端，阳极连电容Cn,2的另一端；二极管Dn,2的阴极连电容Cn,2的另一端，阳极连电容Cn,3的另一端...二极管Dn，m-2的阴极连电容Cn-1，m-2的另一端，阳极连电容Cn，m-1的另一端；
最后在电容Cn，1的另一端引出二极管D0的阳极，二极管D0的阴极与电容C0的一端相连，电容C0的另一端与电源的负极相连；
其中，m ≥3，n ≥3；
所述控制方法为：相邻功率开关之间采用交错控制策略；即每相邻两相之间开关驱动相位相差180°,根据功率开关状态的不同，能够将电路分为三种工作状态：
(1)、功率开关均导通，此时输入电源通过功率开关S1和功率开关S2功率开关S3分别向电感L1和电感L2电感L3充电；二极管D0、D11、D12、D21、D22、D31、D32均关断；
(2)、控制器控制第二功率开关S2关断，第一功率开关S1和第三功率开关S3导通，此时低压电源通过电感L2、给电容C12放电，再通过二极管D11和二极管D32分别向电容C11和电容C32充电；同时给电容C21放电，通过二极管D32和二极管D31分别向电容C32和电容C31充电；此时第一功率开关S1和第三功率开关S3均导通，低压电源通过功率开关S1、S3向电感L1、L3充电；二极管D0、D12、D21均关断；
(3)、控制器控制第一功率开关S1和第三功率开关S3关断，第二功率开关S2导通，此时低压电源通过电感L1、给电容C12和电容C32放电，同时低压电源通过电感L3给电容C22和C31放电，分别通过二极管D12、二极管D21向电容C12、电容C21充电，同时通过二极管D0向高压直流母线供电；此时第一功率开关S1和第三功率开关S3均导通，低压电源通过功率开关S2向电感L2充电；二极管D0、D11、D22、D31、D32均关断。
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