CN106655774A - 一种多输入高增益dc/dc变换器 - Google Patents

一种多输入高增益dc/dc变换器 Download PDF

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Abstract

一种多输入高增益DC/DC变换器，相比现有的变换器，它具有多个输入端，且每个输入端电流均可控，后级高增益单元数可调，应用于不同的场合时，可灵活调节输入端口数和增益单元数，每增加一个增益单元数可提高1倍以上增益，其输出电压与输入电压的比值为其中D为占空比，m、n分别为输入端口数与增益单元数。可满足多种功率等级的高增益变换要求。而且输入端的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

一种多输入高增益DC/DC变换器
技术领域
本发明涉及一种直流-直流变换器，具体涉及一种多路输入的高增益DC/DC变换器。
背景技术
日前，世界能源形势紧张，传统的化石能源日益枯竭，并且，因此而造成的环境压力也日益增大。针对这种状况，可再生能源以其安全、清洁、永续的特点逐步取代传统能源，而可再生能源发电系统通常需要多个发电单元组成，所需要的变换器数量也会增加。因此，在实现高增益的同时，为了简化电路结构、降低系统成本，研究多输入高增益DC/DC变换器对于实现高增益和变换器均流具有重要意义。
目前，实现高增益的变换器主要有三种：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。
现有多输入DC/DC变换器大多是在基本的变换器基础上进行端口改进，难以实现高增益且各输入端电流难以控制，需要复杂的辅助电路和控制电路。
发明内容
为解决现有技术中变换器存在高增益与多路输入难以同时实现、各路输入电流难以控制等问题。本发明提供一种多路输入的高增益DC/DC变换器，该变换器根据不用的应用场合，可以调整输入端口数，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，降低了电路复杂度，同时大大的降低了成本。
本发明采取的技术方案为：
一种多路输入的高增益DC/DC变换器，该变换器包含m个输入端，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个输入端中，
第一电感L1的输入端接输入电源1的正极，第一电感L1的输出端接电容C11的一端，在第一电感L1和电容C11的结点和输入电源1的负极之间接第一功率开关S1，第一功率开关S1源极接输入电源1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；
第二电感L2的输入端接输入电源2的正极，第二电感L2的输出端接电容C12的一端，在第二电感L2和电容C12的结点和输入电源2的负极之间接第二功率开关S2，第二功率开关S2源极接输入电源2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电感Lm-1的输入端接输入电源m-1的正极，第m-1电感Lm-1的输出端接电容C1，m-1的一端，在第m-1电感L1，m-1和电容C1，m-1的结点和输入电源m-1的负极之间接第m-1功率开关Sm-1，第m-1功率开关Sm-1源极接输入电源m-1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电感Lm的输入端接输入电源m的正极，第m电感Lm的输出端接电容C2,m-1的一端，在第m电感Lm和电容C2，m-1的结点和输入电源m的负极之间接第m功率开关Sm，第m功率开关Sm源极接输入电源m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个增益单元中，
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的另一端与所有输入电源的负极相连。
一种多路输入的高增益DC/DC变换器控制方法，控制方式为：各相功率开关采用交错控制策略；即每相开关驱动相位之间相差360°/n。
一种多路输入的高增益DC/DC变换器控制方法，控制方式为：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°。
本发明一种多路输入的高增益DC/DC变换器，技术效果如下：
1：本发明输入端口数和增益单元数均可调，根据实际需求每增加一路输入或一个增益单元数，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：
其中D为占空比，m、n分别为输入端口数与增益单元数。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，该变换器输入端口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，可以调整输入端口数，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，降低了电路复杂度，同时大大的降低了成本。
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相独立输入端口及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。
实施实例1：如图2所示，一种三相输入高增益升压变换器，它包含3个独立的输入端口，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个输入端口中：
第一电感L1的输入端接输入电源1的正极，输出端接电容C11的一端，在第一电感L1和电容C11的结点和输入电源1的负极之间接第一功率开关S1，第一功率开关S1源极接输入电源1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。
第二电感L2的输入端接输入电源的正极，输出端接电容C12的一端，在第二电感L2和电容C12的结点和输入电源2的负极之间接第二功率开关S2，第二功率开关S2源极接输入电源2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。
第三电感L3的输入端接输入电源3的正极，输出端接电容C22的一端，在第三电感L3和电容C22的结点和输入电源3的负极之间接第三功率开关S3，第三功率开关S3源极接输入电源3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的另一端与所有输入电源的负极相连。
控制方式为各相功率开关采用交错控制策略；即每相开关驱动相位之间相差120°，根据功率开关状态的不同，可以将电路分为4种工作状态：
(1)控制器控制第一功率开关S1关断，第二功率开关S2和第三功率开关S3导通，此时可再生能源发电单元1通过电感L1、给电容C11放电，通过二极管D22向电容C22充电，给电容C32放电，再通过二极管D31向电容C31充电；此时第二功率开关S2和第三功率开关S3均导通，可再生能源发电单元2和可再生能源发电单元3分别通过功率开关S2、S3向电感L2、L3充电；二极管D0、D11、D12、D21、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，此时可再生能源发电单元2通过电感L2、给电容C12放电，再通过二极管D11给电容C11充电，给电容C21放电，通过二极管D32向电容C32充电；此时第一功率开关S1和第三功率开关S3均导通，可再生能源发电单元1和可再生能源发电单元3分别通过功率开关S1、S3向电感L1、L3充电；二极管D0、D12、D21、D22、D31均关断。
(3)控制器控制第三功率开关S3关断，第一功率开关S1和第二功率开关S2导通，此时可再生能源发电单元3通过电感L3和二极管D12向电容C12充电、给电容C22放电，通过二极管D21向电容C21充电，给电容C31放电，再通过二极管D0向高压直流母线供电；此时第一功率开关S1和第二功率开关S2均导通，可再生能源发电单元1和可再生能源发电单元2分别通过功率开关S1、S2向电感L1、L2充电；二极管D11、D22、D31、D32均关断。
(4)功率开关均导通，此时可再生能源发电单元1、可再生能源发电单元2、可再生能源发电单元3分别通过功率开关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。
实施例2：
如图2所示,其多路输入高增益升压电路的连接关系与实施例1相同，但控制方式有所改变，其控制方式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，可以将电路分为3种工作状态：
(1)功率开关均导通，此时可再生能源发电单元1、可再生能源发电单元2、可再生能源发电单元3分别通过功率开关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，此时可再生能源发电单元2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，可再生能源发电单元1和可再生能源发电单元3分别通过功率开关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，此时可再生能源发电单元1通过电感L1、给电容C12和电容C32放电，同时可再生能源发电单元3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，可再生能源发电单元2通过功率开关S2向电感L2充电；二极管D0、D11、D22、D31、D32均关断。
本发明的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 (3)

1.一种多路输入的高增益DC/DC变换器，其特征在于：
该变换器包含m个输入端，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个输入端中，
第一电感L1的输入端接输入电源1的正极，第一电感L1的输出端接电容C11的一端，在第一电感L1和电容C11的结点和第一电感L1和电容C11的结点之间接第一功率开关S1，第一功率开关S1源极接输入电源1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；
第二电感L2的输入端接输入电源2的正极，第二电感L2的输出端接电容C12的一端，在第二电感L2和电容C12的结点和输入电源2的负极之间接第二功率开关S2，第二功率开关S2源极接输入电源2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电感Lm-1的输入端接输入电源m-1的正极，第m-1电感Lm-1的输出端接电容C1，m-1的一端，在第m-1电感L1，m-1和电容C1，m-1的结点和输入电源m-1的负极之间接第m-1功率开关Sm-1，第m-1功率开关Sm-1源极接输入电源m-1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电感Lm的输入端接输入电源m的正极，第m电感Lm的输出端接电容C2,m-1的一端，在第m电感Lm和电容C2，m-1的结点和输入电源m的负极之间接第m功率开关Sm，第m功率开关Sm源极接输入电源m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个增益单元中，
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的另一端与所有输入电源的负极相连。
2.一种多路输入的高增益DC/DC变换器的控制方法，其特征在于：控制方式为：各相功率开关采用交错控制策略；即每相开关驱动相位之间相差360°/n。
3.一种多路输入的高增益DC/DC变换器控制方法，其特征在于：控制方式为：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°。
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