CN107086782B - 一种基于倍压单元的相数可调的高升压dc/dc变换器 - Google Patents

一种基于倍压单元的相数可调的高升压dc/dc变换器 Download PDF

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Abstract

一种基于倍压单元的相数可调的高升压DC/DC变换器，相比现有的变换器，除了具有输入相数和倍压单元数均可自由调节和自动均流的特点以外，其倍压单元的电容电压逐级升高，电容电压纹波对其增益的影响较低。所述倍压单元由一个二极管和一个电容构成具有三个端口的单元，二极管的阳极端作为第一端口，电容一端与二极管的阴极的结点作为第二端口，电容的另一端作为第三端口。应用于不同的场合时，通过灵活调节输入相数和倍压单元的个数，可得到不同的电压增益，其输出电压与输入电压的比值为m•n，其中D为占空比，m、n分别为输入相数与倍压单元的个数。可满足大型大功率高升压场合。与现有的高升压技术相比，本发明不存在耦合电感、不存在隔离变压器，开关和二极管的电流应力和电压应力也得到了降低，提高了变换器的整体工作效率。

Description

一种基于倍压单元的相数可调的高升压DC/DC变换器
技术领域
本发明涉及一种直流-直流变换器，具体是一种基于倍压单元的相数可调的高升压DC/DC变换器。
背景技术
现有技术中，关于应用于中高压直流输电系统应用场合的DC/DC变换器的研究较少，且大多数为隔离型变换器，该类变换器一般采用改变中间隔离变压器匝数比的方式实现高升压，能量传输效率不高，损耗大，控制策略复杂且变压器笨重而占地体积大等诸多缺点使其在诸如海上风电等应用场合中受到了限制，而非隔离型变换器普遍存在升压能力不够，元器件应力过高等缺点，因此迫切需要一种器件低应力，控制简单，同时能实现高升压的大容量DC/DC变换器。目前，针对此问题研究的变换器主要有三种：第一种，是利用开关谐振电容通过谐振实现高升压，此类拓扑虽然有较高的升压能力，但由于谐振产生的高谐振电流会增大元器件的开关应力。第二种，是基于耦合电感的DC/DC变换器，该类变换器使用耦合电感不仅会造成开关器件电压应力过高，而且会引起磁干扰，同时漏感的存在降低了变换器的工作效率。第三种是基于模块化多电平技术的变换器，通过子模块之间的串并联来减小元器件应力以实现高升压，其高度模块化结构可实现冗余控制，系统可靠性高，但该类变换器通常需要加入复杂的控制策略。
发明内容
为解决现有技术中非隔离型高升压变换器升压比不高的问题，本发明提供一种基于倍压单元的相数可调的高升压DC/DC变换器，其倍压单元的电容电压逐级升高，通过调整不同的倍压单元个数可以实现高升压能力和元器件电压应力的调节，通过调整不同输入相数，可以实现元器件电流应力的调节。
本发明采取的技术方案为：
一种基于倍压单元的相数可调的高升压DC/DC变换器，其特征在于：该变换器包含m个输入相数，n·m个倍压单元，m个功率开关S1、S2...Sm，m个电感L1、L2...Lm，n·m个电容Co、C1、C2...Cnm-1，n·m个二极管Do、D1、D2...Dnm-1；
所述倍压单元由一个二极管和一个电容构成具有三个端口的单元，二极管的阳极端作为第一端口，电容一端与二极管的阴极的结点作为第二端口，电容的另一端作为第三端口；
第一电感L1的输入端接输入电源的正极，第一电感L1的输出端依次连接第一倍压单元的第一端口和第m、2m...(n-1)m倍压单元的第三端口；第二电感L2的输入端接输入电源的正极，第二电感L2的输出端依次连接第1、m+1...(n-1)m+1倍压单元的第三端口，第三电感L3的输入端接输入电源的正极，第三电感L3的输出端依次连接第2、m+2...(n-1)m+2倍压单元的第三端口，以此类推到第m电感Lm的输入端依次连接输入电源的正极，第m电感Lm的输出端接第m-1、2m-1...nm-1倍压单元的第三端口；
n·m个倍压单元的连接关系为：第一倍压单元的第二端口接第二倍压单元的第一端口，第二倍压单元的第二端口接第三倍压单元的第一端口；以此类推到第nm-1倍压单元的第二端口接第nm倍压单元的第一端口，第nm倍压单元的第二端口接负载RL的正极，负载RL的负极接输入电源的负极；
第一电感输出端和第一倍压单元的第一端口的结点与输入电源的负极之间接第一功率开关S1，第一功率开关S1源极接输入电源的负极，第一功率开关S1漏极与第一倍压单元的第一端口相连；第二电感输出端和第一倍压单元的第三端口的结点与输入电源的负极之间接第二功率开关S2，第二功率开关S2源极接输入电源的负极，第二功率开关S2漏极与第一倍压单元的第三端口相连；第三电感输出端和第二倍压单元的第三端口的结点与输入电源的负极之间接第三功率开关S3，第三功率开关S3源极接输入电源的负极，第三功率开关S3漏极与第二倍压单元的第三端口相连；第m电感输出端和第m-1倍压单元的第三端口的结点与输入电源的负极之间接第m功率开关Sm，第m功率开关Sm源极接输入电源的负极，第m功率开关Sm漏极与第m-1倍压单元的第三端口相连；
m个功率开关S1、S2...Sm的栅极分别接各自的控制器，功率开关的驱动相位之间相差180°，即采用交错控制策略，每相邻两相之间开关驱动相位相差180°。
本发明一种基于倍压单元的高升压DC/DC变换器，技术效果如下：
1、本发明利用电压逐级升高的倍压单元电容来实现高升压能力，每增加一输入相数或一倍压单元数，均可提高原基础上数倍以上基础增益，输出电压与输入电压的比值为：
Figure BDA0001307736320000021
其中D为占空比，m、n分别为输入相数与倍压单元数。该变换器与现有技术相比，不存在耦合电感，不存在变压器，具有良好的应用前景。
2、该变换器可实现自动均流，相较于该类其他变换器存在的不均流，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，该变换器在开关占空比相同时，每相电流都相等。
3、该变换器可以通过调节输入相数和倍压单元的个数实现开关管和二极管电压电流应力的调节，增加输入相数可以减小元器件的电流应力，增加倍压单元个数可以减小元器件的电压应力。
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4相输入相数8个倍压单元时的电路拓扑图。
图3是本发明变换器中单一倍压单元的电路图。
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，一种基于倍压单元的4输入相数DC/DC变换器，它包含4个输入相，8个倍压单元，4个功率开关S1、S2、S3、S4，4个电感L1、L2、L3、L4，8个电容C0、C1、C2、C3、C4、C5、C6、C7，8个二极管D0、D1、D2、D3、D4、D5、D6、D7；
其中：4个输入相数中：
第一电感L1的输入端接输入电源的正极，输出端依次连接第一倍压单元的第一端口和第四倍压单元的第三端口；第二电感L2的输入端接输入电源的正极，输出端依次连接第一和第五倍压单元的第三端口，第三电感L3的输入端接输入电源的正极，输出端依次连接第二和第六倍压单元的第三端口，第四电感L4的输入端接输入电源的正极，输出端依次连接第三和第七倍压单元的第三端口。
8个倍压单元的连接关系为：第一倍压单元的第二端口接第二倍压单元的第一端口，第二倍压单元的第二端口接第三倍压单元的第一端口；以此类推到第七倍压单元的第二端口接第八倍压单元的第一端口，第八倍压单元的第二端口接负载RL的正极，负载RL的负极接输入电源的负极。
第一电感输出端和第一倍压单元的第一端口的结点与输入电源的负极之间接第一功率开关S1，第一功率开关S1源极接输入电源的负极，第一功率开关S1漏极与第一倍压单元的第一端口相连；第二电感输出端和第一倍压单元的第三端口的结点与输入电源的负极之间接第二功率开关S2，第二功率开关S2源极接输入电源的负极，第二功率开关S2漏极与第一倍压单元的第三端口相连；第三电感输出端和第二倍压单元的第三端口的结点与输入电源的负极之间接第三功率开关S3，第三功率开关S3源极接输入电源的负极，第三功率开关S3漏极与第二倍压单元的第三端口相连；第四电感输出端和第三倍压单元的第三端口的结点与输入电源的负极之间接第四功率开关S4，第四功率开关S4源极接输入电源的负极，第四功率开关S4漏极与第三倍压单元的第三端口相连。四个功率开关S1、S2、S3、S4的栅极分别接各自的控制器，功率开关的驱动相位之间相差180°，即采用交错控制策略，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、S2、S3、S4分别向电感L1、L2、L3、L4充电；所有二极管均关断。
(2)、控制器控制功率开关S1、S3关断，功率开关S2、S4导通，此时低压电源通过电感L1、二极管D1、开关S2向电容C1充电，通过电容C4、二极管D5向电容C5充电，给C4放电；同时低压电源通过电感L3、电容C2、二极管D3、开关S4向电容C3充电，给C2放电，通过电容C6和二极管D7向电容C7充电，给C6放电；此时第二功率开关S2和第四功率开关S4均导通，低压电源通过功率开关S2、S4向电感L2、L4充电；二极管D2、D4、D6、D0均关断。
(3)、控制器控制功率开关S2、S4关断，功率开关S1、S3导通，此时低压电源通过电感C1、二极管D2、开关S2向电容C2充电，给C1放电，通过电容C5、二极管D6向电容C6充电，给C5放电；同时低压电源通过电容C3、二极管D4、开关S4向电容C4充电，给C3放电，通过电容C7和二极管D0向电容C0充电，给C7放电，同时向负载RL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S1、S3向电感L1、L3充电；二极管D1、D3、D5、D7均关断。
通过上述工作状态，由电容的安秒平衡易得：
ick(1-D)Ts＝ic(k-1)(1-D)Ts,k∈[2，7] (1)
ico(1-D)Ts＝ic7(1-D)Ts (2)
由(1)、(2)可得
ico＝ic1＝ic2…＝ic7 (3)
电感放电时的电流关系为:
Figure BDA0001307736320000041
联立(3)、(4)式可得：
IL1＝IL2＝IL3＝IL4 (5)
其中，IL1、IL2、IL3、IL4、分别表示流过电感L1、L2、L3、L4上的电流平均值。
通过上述分析，可以看出该变换器实现了自动均流，且180°相移的并联交错控制方式通过四个输入电感分担输入电流，在实现高升压的同时能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)

1.一种基于倍压单元的相数可调的高升压DC/DC变换器的自动均流方法，其特征在于：该方法包括一种基于倍压单元的相数可调的高升压DC/DC变换器，所述变换器包含m个输入相数，n·m个倍压单元，m个功率开关S1、S2...Sm，m个电感L1、L2...Lm，n·m个电容Co、C1、C2...Cnm-1，n·m个二极管Do、D1、D2...Dnm-1；
所述倍压单元由一个二极管和一个电容构成具有三个端口的单元，二极管的阳极端作为第一端口，电容一端与二极管的阴极的结点作为第二端口，电容的另一端作为第三端口；
第一电感L1的输入端接输入电源的正极，第一电感L1的输出端依次连接第一倍压单元的第一端口和第m、2m...(n-1)m倍压单元的第三端口；第二电感L2的输入端接输入电源的正极，第二电感L2的输出端依次连接第1、m+1...(n-1)m+1倍压单元的第三端口，第三电感L3的输入端接输入电源的正极，第三电感L3的输出端依次连接第2、m+2...(n-1)m+2倍压单元的第三端口，以此类推到第m电感Lm的输入端依次连接输入电源的正极，第m电感Lm的输出端接第m-1、2m-1...nm-1倍压单元的第三端口；
n·m个倍压单元的连接关系为：第一倍压单元的第二端口接第二倍压单元的第一端口，第二倍压单元的第二端口接第三倍压单元的第一端口；以此类推到第nm-1倍压单元的第二端口接第nm倍压单元的第一端口，第nm倍压单元的第二端口接负载RL的正极，负载RL的负极接输入电源的负极；
第一电感输出端和第一倍压单元的第一端口的结点与输入电源的负极之间接第一功率开关S1，第一功率开关S1源极接输入电源的负极，第一功率开关S1漏极与第一倍压单元的第一端口相连；第二电感输出端和第一倍压单元的第三端口的结点与输入电源的负极之间接第二功率开关S2，第二功率开关S2源极接输入电源的负极，第二功率开关S2漏极与第一倍压单元的第三端口相连；第三电感输出端和第二倍压单元的第三端口的结点与输入电源的负极之间接第三功率开关S3，第三功率开关S3源极接输入电源的负极，第三功率开关S3漏极与第二倍压单元的第三端口相连；第m电感输出端和第m-1倍压单元的第三端口的结点与输入电源的负极之间接第m功率开关Sm，第m功率开关Sm源极接输入电源的负极，第m功率开关Sm漏极与第m-1倍压单元的第三端口相连；
m个功率开关S1、S2...Sm的栅极分别接各自的控制器，功率开关的驱动相位之间相差180°，即采用交错控制策略，每相邻两相之间开关驱动相位相差180°；
当m＝4，n＝2时，所述自动均流方法包括以下步骤：
(1)、功率开关均导通，此时低压电源通过功率开关S1、S2、S3、S4分别向电感L1、L2、L3、L4充电；所有二极管均关断；
(2)、控制器控制功率开关S1、S3关断，功率开关S2、S4导通，此时低压电源通过电感L1、二极管D1、开关S2向电容C1充电，通过电容C4、二极管D5向电容C5充电，给C4放电；同时低压电源通过电感L3、电容C2、二极管D3、开关S4向电容C3充电，给C2放电，通过电容C6和二极管D7向电容C7充电，给C6放电；此时第二功率开关S2和第四功率开关S4均导通，低压电源通过功率开关S2、S4向电感L2、L4充电；二极管D2、D4、D6、D0均关断；
(3)、控制器控制功率开关S2、S4关断，功率开关S1、S3导通，此时低压电源通过电感C1、二极管D2、开关S2向电容C2充电，给C1放电，通过电容C5、二极管D6向电容C6充电，给C5放电；同时低压电源通过电容C3、二极管D4、开关S4向电容C4充电，给C3放电，通过电容C7和二极管D0向电容C0充电，给C7放电，同时向负载RL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S1、S3向电感L1、L3充电；二极管D1、D3、D5、D7均关断；
通过上述工作状态，由电容C1、C2、C3的安秒平衡易得：
Figure FDA0002448610220000021
由上式可得：
IL1＝IL2＝IL3＝IL4；
通过上述分析，可以看出该变换器实现了自动均流，且180°相移的并联交错控制方式通过四个输入电感分担输入电流。
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GR01 Patent grant
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Application publication date: 20170822

Assignee: Yichang Yizhixing Technology Co.,Ltd.

Assignor: CHINA THREE GORGES University

Contract record no.: X2023980034895

Denomination of invention: A High Boost DC/DC Converter with Adjustable Phase Number Based on Voltage Doubling Unit

Granted publication date: 20200609

License type: Common License

Record date: 20230426

EE01 Entry into force of recordation of patent licensing contract
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Application publication date: 20170822

Assignee: NANJING YANXU ELECTRICAL TECHNOLOGY Co.,Ltd.

Assignor: CHINA THREE GORGES University

Contract record no.: X2023980039976

Denomination of invention: A High Boost DC/DC Converter with Adjustable Phase Number Based on Voltage Doubling Unit

Granted publication date: 20200609

License type: Common License

Record date: 20230823

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