CN106787723A - 一种多输入高升压dc/dc变换器 - Google Patents

一种多输入高升压dc/dc变换器 Download PDF

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刘崧
黄悦华
王辉
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Abstract

本发明提供一种多输入高升压DC/DC变换器,相比现有的变换器,其输入端口数可调,输入输出增益可调,可方便应用于不同的应用场合。若设定所述多输入高升压DC/DC变换器有m个输入端,则包含m个电感,m个功率开关,m个输出二极管和n个增益单元;每个增益单元由m个二极管和m个电容构成,电路中每增加一个增益单元都可在原电路的增益基础之上提高一倍的基础增益。可满足大功率高升压DC‑DC升压场合的需要。而且输入端的输入电流和输出电压均可控,实现了自动均流,省去了大量传感器的控制和复杂化的控制策略设计。同时,与现有的高升压技术相比,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,变换器整体工作效率较高。

Description

一种多输入高升压DC/DC变换器
技术领域
本发明涉及一种直流-直流变换器,具体涉及一种多输入高升压DC/DC变换器。
背景技术
随着传统的化石能源日益枯竭和因此而造成的环境问题。光伏发电、燃料电池发电以其安全、清洁的特点受到了较多的关注和应用,光伏或者燃料电池发电系统通常含有多个发电单元,每一个发电单元的输出电压一般均在5oV以内,均需要一个具备高升压能力的DC-DC变换器进行升压。因而如采用传统的单输入单输出变换器,存在系统结构复杂,变换器数量多,成本高等问题。目前,针对光伏或燃料电池发电系统,较多的解决方案均放在实现高升压这一目标上,对于变换器数量多的问题研究还较少。而目前文献中所提多输入DC/DC变换器通常均有传统基本DC-DC变换器拓扑组合变换而来,因而多不具备高升压能力,难以在光伏、燃料电池等新能源发电系统中应用。
发明内容
针对现有技术存在的上述不足,本发明为解决现有多输入DC/DC变换器升压能力不够的问题,提供一种具有高升压能力的多输入高升压DC/DC变换器。
本发明采取的技术方案为:
一种多输入高升压DC/DC变换器,包括:
m个输入端,m个功率开关S1、S2...Sm,m个电感L1、L2...Lm,1个输出滤波电容Co,m个输出二极管D1、D2、D3...Dm,n个增益单元;
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相,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C1m的一端,在第m电感Lm和电容C1m的结点和变换器的负极之间接第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C1m的结点相连;
n个增益单元中:
增益单元1由m个电容C11、C12...C1m,m个二极管D11、D12...D1m构成,其内部结构中二极管D11的阴极连电容C11的一端,阳极连电容C12的另一端,二极管D12的阴极连电容C12的一端,阳极连电容C13的另一端,以此类推,二极管D1(m-1)的阴极连电容C1(m-1)的一端,阳极连电容C1m的另一端,二极管D1m的阴极连电容C1m的一端,阳极连电容C11的另一端。增益单元1的端口电容C11的一端接第一电感L1输出端,电容C12的一端接第二电感L2输出端,以此类推,电容C1m的一端接第m电感Lm输出端;
增益单元2由m个电容C21、C22...C2m,m个二极管D21、D22...D2m构成,其内部结构中二极管D21的阴极连电容C21的一端,阳极连电容C22的另一端,二极管D22的阴极连电容C22的一端,阳极连电容C23的另一端,以此类推,二极管D2(m-1)的阴极连电容C2(m-1)的一端,阳极连电容C2m的另一端,二极管D2m的阴极连电容C2m的一端,阳极连电容C21的另一端,增益单元2的端口电容C21的一端接电容C11的另一端,电容C22的一端接电容C12的另一端,以此类推,电容C2m的一端接电容C1m的另一端;
以此类推到增益单元n,增益单元n由m个电容Cn1、Cn2...Cnm,m个二极管Dn1、Dn2...Dnm构成,其内部结构中二极管Dn1的阴极连电容Cn1的一端,阳极连电容Cn2的另一端,二极管Dn2的阴极连电容Cn2的一端,阳极连电容Cn3的另一端,以此类推,二极管Dn(m-1)的阴极连电容Cn(m-1)的一端,阳极连电容Cnm的另一端,二极管Dnm的阴极连电容Cnm的一端,阳极连电容Cn1的另一端,增益单元n的端口电容Cn1的一端接电容C(n-1)1的另一端,电容Cn2的一端接电容C(n-1)2的另一端,以此类推,电容Cnm的一端接电容C(n-1)m的另一端;
最后,分别在电容Cn1、Cn2...Cnm的另一端各自引出二极管D1、D2...Dm的阳极,二极管D1、D2...Dm的阴极与电容Co和负载Ro的一端相连,电容Co和负载Ro的另一端与所有输入电源的负极相连。
一种多输入高升压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°。
本发明一种多输入高升压DC/DC变换器,有益效果如下:
1:本发明利用多输入多升压单元实现变换器高升压输出,根据需求每增加一增益单元,可提高原基础上1倍基础增益。且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,更适用于大型高升压场合。
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,能够实现自动均流,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。
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,相较于传统变换器存在不均流,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,每相电流都相等。
附图说明
图1是本发明电路原理总图。
图2是多输入升压型变换器4相2单位拓扑图。
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4相2单元高升压变换器,它包含4个输入电源,2个增益单元,4个功率开关S1、S2、S3、S4,4个电感L1、L2、L3、L4,8个电容Co、C11、C12、C13、C14、C21、C22、C23、C24其中,12个二极管D1、D2、D3、D4、D11、D12、D13、D14、D21、D22、D23、D24;其中:
4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2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C13的一端,在第三电感L3和电容C13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C13的结点相连。
第四电感L4的输入端接输入电源4的正极,输出端接电容C14的一端,在第四电感L4和电容C14的结点和输入电源4的负极之间接第四功率开关S4,第四功率开关S4源极接输入电源4的负极,第四功率开关S4漏极与第四电感L4和电容C14的结点相连。
2增益单元中,
增益单元1由4个电容C11、C12、C13、C14,4个二极管D11、D12、D13、D14构成,其内部结构中二极管D11的阴极连电容C11的一端,阳极连电容C12的另一端,二极管D12的阴极连电容C12的一端,阳极连电容C13的另一端,二极管D13的阴极连电容C13的一端,阳极连电容C14的另一端,二极管D14的阴极连电容C14的一端,阳极连电容C11的另一端。增益单元1的端口电容C11的一端接第一电感L1输出端,电容C12的一端接第二电感L2输出端,电容C13的一端接第二电感L3输出端,电容C14的一端接第四电感L4输出端。
增益单元2由4个电容C21、C22、C23、C24,4个二极管D21、D22、D23、D24构成,其内部结构中二极管D21的阴极连电容C21的一端,阳极连电容C22的另一端,二极管D22的阴极连电容C22的一端,阳极连电容C23的另一端,二极管D23的阴极连电容C23的一端,阳极连电容C24的另一端,二极管D24的阴极连电容C24的一端,阳极连电容C21的另一端。增益单元2的端口电容C21的一端接电容C11的另一端,电容C22的一端接电容C12的另一端,电容C23的一端接电容C13的另一端,电容C24的一端接电容C14的另一端。
最后分别在电容C21、C22、C23、C24的另一端各自引出二极管D1、D2、D3、D4的阳极,二极管D1、D2、D3、D4的阴极与电容Co和负载Ro的一端相连,电容Co和负载Ro的另一端与所有输入电源的负极相连。
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,此时输入电源1、输入电源2、输入电源3、输入电源4分别通过功率开关S1、功率开关S2、功率开关S3、功率开关S4分别向电感L1、电感L2、电感L3、电感L4充电;所有二极管均关断。
(2)控制器控制第一功率开关S1、第三功率开关S3关断,第二功率开关S2和第四功率开关S4导通,此时输入电源1通过电感L1、二极管D11给电容C12充电,给电容C11放电,通过二极管D21向电容C22充电;给电容C21放电,同时通过二极管D1向负载Ro供电。输入电源3通过电感L3、二极管D13给电容C14充电,给电容C13放电,通过二极管D23向电容C24充电;给电容C23放电,同时通过二极管D3向负载Ro供电。此时第二功率开关S2和第四功率开关S4均导通,输入电源2和输入电源4分别通过功率开关S2、S4向电感L2、L4充电;二极管D2、D4、D12、D14、D22、D24均关断。
(3)控制器控制第二功率开关S2、第四功率开关S4关断,第一功率开关S1和第三功率开关S3导通,此时输入电源2通过电感L2、二极管D12给电容C13充电,给电容C12放电,通过二极管D22向电容C23充电;给电容C22放电,同时通过二极管D2向负载Ro供电。输入电源4通过电感L4、二极管D14给电容C11充电,给电容C14放电,通过二极管D24向电容C21充电;给电容C24放电,同时通过二极管D4向负载Ro供电。此时第一功率开关S1和第三功率开关S3均导通,输入电源1和输入电源3分别通过功率开关S1、S3向电感L1、L3充电;二极管D1、D3、D11、D13、D21、D23均关断。
通过上述三种工作状态可知,实现了4路电源同时供电,可以有效降低多个分布式发电单元供电时所需的升压变换器数量。且系统还具有结构简单、成本低、功率密度高等优点。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)

1.一种多输入高升压DC/DC变换器,其特征在于,包括:
m个输入端,m个功率开关S1、S2...Sm,m个电感L1、L2...Lm,1个输出滤波电容Co,m个输出二极管D1、D2、D3...Dm,n个增益单元;
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相,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C1m的一端,在第m电感Lm和电容C1m的结点和变换器的负极之间接第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C1m的结点相连;
n个增益单元中:
增益单元1由m个电容C11、C12...C1m,m个二极管D11、D12...D1m构成,其内部结构中二极管D11的阴极连电容C11的一端,阳极连电容C12的另一端,二极管D12的阴极连电容C12的一端,阳极连电容C13的另一端,以此类推,二极管D1(m-1)的阴极连电容C1(m-1)的一端,阳极连电容C1m的另一端,二极管D1m的阴极连电容C1m的一端,阳极连电容C11的另一端;
增益单元1的端口电容C11的一端接第一电感L1输出端,电容C12的一端接第二电感L2输出端,以此类推,电容C1m的一端接第m电感Lm输出端;
增益单元2由m个电容C21、C22...C2m,m个二极管D21、D22...D2m构成,其内部结构中二极管D21的阴极连电容C21的一端,阳极连电容C22的另一端,二极管D22的阴极连电容C22的一端,阳极连电容C23的另一端,以此类推,二极管D2(m-1)的阴极连电容C2(m-1)的一端,阳极连电容C2m的另一端,二极管D2m的阴极连电容C2m的一端,阳极连电容C21的另一端,增益单元2的端口电容C21的一端接电容C11的另一端,电容C22的一端接电容C12的另一端,以此类推,电容C2m的一端接电容C1m的另一端;
以此类推到增益单元n,增益单元n由m个电容Cn1、Cn2...Cnm,m个二极管Dn1、Dn2...Dnm构成,其内部结构中二极管Dn1的阴极连电容Cn1的一端,阳极连电容Cn2的另一端,二极管Dn2的阴极连电容Cn2的一端,阳极连电容Cn3的另一端,以此类推,二极管Dn(m-1)的阴极连电容Cn(m-1)的一端,阳极连电容Cnm的另一端,二极管Dnm的阴极连电容Cnm的一端,阳极连电容Cn1的另一端,增益单元n的端口电容Cn1的一端接电容C(n-1)1的另一端,电容Cn2的一端接电容C(n-1)2的另一端,以此类推,电容Cnm的一端接电容C(n-1)m的另一端;
最后,分别在电容Cn1、Cn2...Cnm的另一端各自引出二极管D1、D2...Dm的阳极,二极管D1、D2...Dm的阴极与电容Co和负载Ro的一端相连,电容Co和负载Ro的另一端与所有输入电源的负极相连。
2.一种多输入高升压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°。
3.一种多输入高升压DC/DC变换器控制方法,其特征在于:根据功率开关状态的不同,将电路分为3种工作状态:
(1)、功率开关均导通,此时输入电源1、输入电源2、输入电源3、输入电源4分别通过功率开关S1、功率开关S2、功率开关S3、功率开关S4分别向电感L1、电感L2、电感L3、电感L4充电;所有二极管均关断;
(2)、控制器控制第一功率开关S1、第三功率开关S3关断,第二功率开关S2和第四功率开关S4导通,此时输入电源1通过电感L1、二极管D11给电容C12充电,给电容C11放电,通过二极管D21向电容C22充电;给电容C21放电,同时通过二极管D1向负载Ro供电,输入电源3通过电感L3、二极管D13给电容C14充电,给电容C13放电,通过二极管D23向电容C24充电;给电容C23放电,同时通过二极管D3向负载Ro供电,此时第二功率开关S2和第四功率开关S4均导通,输入电源2和输入电源4分别通过功率开关S2、S4向电感L2、L4充电;二极管D2、D4、D12、D14、D22、D24均关断;
(3)、控制器控制第二功率开关S2、第四功率开关S4关断,第一功率开关S1和第三功率开关S3导通,此时输入电源2通过电感L2、二极管D12给电容C13充电,给电容C12放电,通过二极管D22向电容C23充电;给电容C22放电,同时通过二极管D2向负载Ro供电,输入电源4通过电感L4、二极管D14给电容C11充电,给电容C14放电,通过二极管D24向电容C21充电;给电容C24放电,同时通过二极管D4向负载Ro供电,此时第一功率开关S1和第三功率开关S3均导通,输入电源1和输入电源3分别通过功率开关S1、S3向电感L1、L3充电;二极管D1、D3、D11、D13、D21、D23均关断。
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