CN108306507A - 具有三个输入源的中间电容式升压型直流变换器及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种具有三个输入源的中间电容式升压型直流变换器及方法，该直流变换器包括第一输入电源、第二输入电源、第三输入电源、Ⅰ级buck‑boost电路、Ⅱ级buck‑boost电路、Ⅲ级buck‑boost电路和Ⅳ级buck‑boost电路；第一输入电容与第一输入电源并联；第二输入电源的正极与第一输出电容和第二输入电容的连接点连接，第二输入电源的负极与第三输入电容和第二输出电容的连接点连接，第四输入电容与第三输入电源并联；I级buck‑boost电路控制第一输入电源向第一输出电容传输能量，Ⅳ级buck‑boost电路控制第三输入电源向第二输出电容传输能量，Ⅱ级buck‑boost电路和Ⅲ级buck‑boost电路控制第二输入电源分配给第一输出电容和第二输出电容能量的大小，平衡直流变换器输出电压。

Description

具有三个输入源的中间电容式升压型直流变换器及方法
技术领域
本发明涉及电力电子功率变换技术领域，具体涉及一种具有三个输入源的中间电容式升压型直流变换器及其控制方法。
背景技术
21世纪以来，能源危机的问题越来越严重，可再生能源是各国的研究热题。常见的新能源发电并网变换器有单级式和两级式结构，单级式结构拓扑简单，成本较低，但需要输入电源具有较高的电压，以满足并网电压的要求，而两级式结构可以通过前级结构升压和能量管理，提高并网系统的可控性，但额外的结构会提高成本和引入损耗。
为了降低成本和提高效率，基于新能源发电的两级式变换器正向大功率容量、高电压等级方向发展。随着功率容量的增大，就需要将传统变换器进行并联或串联。传统的交错并联boost电路将两个boost电路进行并联以减小流过每个器件的电流，提高变换器的容量，但该结构没有改变器件的电压应力，因此很难应用于较高的电压等级。随着电压等级的提高，三电平boost电路被广泛应用，因为它可以将器件的电压应力降低为输出电压的一半，但是它的升压比和传统的boost电路相同，电压增益不够高，且器件的电流应力依然较高。
发明内容
为了克服上述现有技术的不足，本发明提供了一种具有三个输入源的中间电容式升压型直流变换器及方法，该直流变换器可以同时接入三个独立可变的直流电源，并对其输出电压、电流实现控制，使整个直流变换器能够输出较高的直流电压；此外，该结构大幅降低了器件的电压、电流应力，从而降低了整个直流变换器的工作损耗，提高了工作效率；且该结构作为前级结构时，可以通过管理三个电源输出能量的传输来平衡直流电压，抑制中性点电压偏移；其后级可以连接直流负载、两电平逆变器和三电平逆变器，当连接三电平逆变器时，能够降低交流输出波形的谐波含量和EMI，提高并网电能质量。
本发明所采用的技术方案是：
一种具有三个输入源的中间电容式升压型直流变换器，包括第一输入电源、第二输入电源、第三输入电源、由第一输入电容、第一输出电容、第一可控功率开关、第一储能电感和第一功率二极管组成的Ⅰ级buck-boost电路、由第二输入电容、第一输出电容、第二可控功率开关、第二储能电感和第二功率二极管组成的Ⅱ级buck-boost电路、由第三输入电容、第二输出电容、第三可控功率开关、第三储能电感和第三功率二极管组成的Ⅲ级buck-boost电路和由第四输入电容、第二输出电容、第四可控功率开关、第四储能电感和第四功率二极管组成的Ⅳ级buck-boost电路；
所述第一输入电容与所述第一输入电源并联，所述第一输入电容、第一输出电容、第二输入电容、第三输入电容、第二输出电容和第四输入电容依次串联连接；所述第二输入电源的正极与第一输出电容和第二输入电容的连接点连接，所述第二输入电源的负极与第三输入电容和第二输出电容的连接点连接，所述第四输入电容与所述第三输入电源并联，所述I级buck-boost电路控制所述第一输入电源向所述第一输出电容传输能量，所述Ⅳ级buck-boost电路控制所述第三输入电源向所述第二输出电容传输能量，所述Ⅱ级buck-boost电路和所述Ⅲ级buck-boost电路控制所述第二输入电源分配给所述第一输出电容和所述第二输出电容能量的大小，平衡直流变换器输出电压。
进一步的，所述Ⅰ级buck-boost电路中，所述第一可控功率开关的集电极与第一输入电容和第一输入电源的正极的连接点连接，所述第一储能电感的一端与第一输入电容和第一输出电容的连接点连接，另一端分别与所述第一可控功率开关的发射极和所述第一功率二级管的阴极连接，所述第一功率二级管的阳极与所述第一输出电容和第二输入电容的连接点连接。
进一步的，所述Ⅱ级buck-boost电路中，所述第二储能电感的一端与所述第一输出电容和第二输入电容的连接点连接，另一端分别与所述第二可控功率开关的集电极和所述第二功率二极管的阳极连接，所述第二功率二极管的阴极与所述第一输入电容和第一输出电容的连接点连接，所述第二可控功率开关的发射极与第二输入电容和第三输入电容的连接点连接。
进一步的，所述Ⅲ级buck-boost电路中，所述第三可控功率开关的集电极与所述第二输入电容和第三输入电容的连接点连接，所述第三储能电感的一端与所述第三输入电容和第二输出电容的连接点连接，另一端分别与所述第三可控功率开关的发射极和所述第三功率二极管的阴极连接，所述第三功率二极管的阳极与第二输出电容和第四输入电容的连接点连接。
进一步的，所述Ⅳ级buck-boost电路中，所述第四储能电感的一端与所述第二输出电容和第四输入电容的连接点连接，另一端分别与所述第四可控功率开关的集电极和所述第四功率二极管的阳极连接，所述第四功率二极管的阴极与所述第三输入电容和第二输出电容的连接点连接，所述第四可控功率开关的发射极与第四输入电容和第三输入电源的负极的连接点连接。
进一步的，所述第一输入电容和第一输入电源的正极的连接点为直流变换器的正极，所述第四输入电容和第三输入电源的负极的连接点为直流变换器的负极，所述第二输入电容和第三输入电容的连接点为直流变换器的中性点，从所述直流变换器的中性点可以引出中性线，其后级连接直流负载、两电平逆变器或三电平逆变器。
具有三个输入源的中间电容式升压型直流变换器的控制方法，所述方法包括：
采集所述第一输入电源的正极和第一输入电容的连接点与所述直流变换器的中性点之间的输出电压V1，所述第三输入电源的负极和第四输入电容的连接点与所述直流变换器的中性点之间的输出电压V2；
比较所述输出电压V1与输出电压V2是否存在电压差，若存在电压差，则调节第二可控功率开关和第三可控功率开关的占空比d2和d3，平衡两个输出电压，使输出电压满足V1＝V2。
进一步的，若输出电压V1>V2，增大所述第二可控功率开关的占空比d2，减小所述第三可控功率开关的占空比d3，平衡输出电压V1和V2，使输出电压满足V1＝V2。
进一步的，若输出电压V1<V2，减小所述第二可控功率开关的占空比d2，增大所述第三可控功率开关的占空比d3，平衡输出电压V1和V2，使输出电压满足V1＝V2。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
(1)本发明通过多个电容的分压和多个buck-boost电路的级联实现了器件电压、电流应力的降低，从而降低了变换器的工作损耗，提高了工作效率；
(2)本发明可以同时接入三个独立可变的直流电源，并对其输出电压、电流实现控制，提高了整个变换器的直流输出电压和容量；
(3)本发明的变换器结构作为前级结构时，可以通过管理三个电源输出能量的传输来平衡直流电压，抑制中性点电压偏移；该变换器的后级可以连接直流负载、两电平逆变器和三电平逆变器，当连接三电平逆变器时，能够降低交流输出波形的谐波含量和EMI，提高并网电能质量。
附图说明
构成本申请的一部分的说明书附图用来提供对本申请的进一步理解，本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的不当限定。
图1是传统的交错并联boost电路结构示意图；
图2是三电平boost电路结构示意图；
图3是本发明的具有三个输入源的中间电容式升压型直流变换器电路结构示意图；
图4是本发明的具有三个输入源的中间电容式升压型直流变换器电路能量流动示意图；
图5a是具有三个输入源的中间电容式升压型直流变换器电路工作状态1示意图；
图5b是具有三个输入源的中间电容式升压型直流变换器电路工作状态2示意图；
图5c是具有三个输入源的中间电容式升压型直流变换器电路工作状态3示意图；
图5d是具有三个输入源的中间电容式升压型直流变换器电路工作状态4示意图；
图5e是具有三个输入源的中间电容式升压型直流变换器电路工作状态5示意图；
图5f是具有三个输入源的中间电容式升压型直流变换器电路工作状态6示意图；
图6是本发明的具有三个输入源的中间电容式升压型直流变换器的控制方法流程图。
具体实施方式
下面结合附图与实施例对本发明作进一步说明。
应该指出，以下详细说明都是示例性的，旨在对本申请提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本申请所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。
需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。
正如背景技术中所介绍的，传统的交错并联boost电路如图1所示，仅降低了器件的电流应力；三电平boost电路如图2所示，仅降低了器件的电压应力。这就造成了这两种拓扑在应用于大容量、高电压等级中时，每个开关器件的损耗较大，导致系统工作效率比较低。有鉴于此，本申请提出了一种具有三个输入源的中间电容式升压型直流变换器，能够同时降低器件的电压和电流应力，此外，还能够同时接入并管理三个独立可变的电源。
本申请的一种典型的实施方式中，如图3所示，提供了一种具有三个输入源的中间电容式升压型直流变换器，该直流变换器由四个buck-boost电路级联构成，分别是Ⅰ级buck-boost电路、Ⅱ级buck-boost电路、Ⅲ级buck-boost电路和Ⅳ级buck-boost电路，所述Ⅰ级buck-boost电路由第一输入电容C1、第一输出电容C2、第一可控功率开关S1、第一储能电感L1和第一功率二极管D1组成；所述Ⅱ级buck-boost电路由第二输入电容C3、第一输出电容C2、第二可控功率开关S2、第二储能电感L2和第二功率二极管D2组成，所述Ⅲ级buck-boost电路由第三输入电容C4、第二输出电容C5、第三可控功率开关S3、第三储能电感L3和第三功率二极管D3组成，所述Ⅳ级buck-boost电路由第四输入电容C6、第二输出电容C5、第四可控功率开关S4、第四储能电感L4和第四功率二极管D4组成；该直流变换器还包括第一输入电源Sdc1、第二输入电源Sdc2和第三输入电源Sdc3。
所述第一输入电容C1与所述第一输入电源Sdc1并联；所述第一输入电源Sdc1的正极与所述第一输入电容C1的连接点为a点；所述第一输入电容C1与所述第一输出电容C2串联，二者连接点为b点；所述第一输出电容C2与所述第二输入电容C3串联，二者连接点为c点；所述第二输入电容C3与所述第三输入电容C4串联，二者连接点为d点；所述第三输入电容C4与所述第二输出电容C5串联，二者连接点为e点；所述第二输出电容C5与所述第四输入电容C6串联，二者连接点为f点；所述第四输入电容C6与所述第三输入电源Sdc3并联；所述第三输入电源Sdc3的负极与所述第四输入电容C6的连接点为g点。
在所述Ⅰ级buck-boost电路中，所述第一可控功率开关S1的集电极与所述第一输入电源Sdc1的正极和第一输入电容C1的连接点a相连；所述第一储能电感L1的一端与所述第一输入电容C1和第一输出电容C2的连接点b相连，另一端分别与所述第一可控功率开关S1的发射极和所述第一功率二极管D1的阴极相连；所述第一功率二极管D1的阳极与所述第一输出电容C2和第二输入电容C3的连接点c相连；
在所述Ⅱ级buck-boost电路中，所述第二储能电感L2的一端与所述第一输出电容C2和第二输入电容C3的连接点c相连，另一端分别与所述第二功率二极管D2的阳极和所述第二可控功率开关S2的集电极相连；所述第二功率二极管D2的阴极与所述第一输入电容C1和第一输出电容C2的连接点b相连；所述第二输入电源Sdc2的正极与所述第一输出电容C2和第二输入电容C3的连接点c相连，其负极与所述第三输入电容C4和第二输出电容C5的连接点e相连；所述第二可控功率开关S2的发射极与所述第二输入电容C3和第三输入电容C4的连接点d相连；
在所述Ⅲ级buck-boost电路中，所述第三可控功率开关S3的集电极与所述第二输入电容C3和第三输入电容C4的连接点d相连；所述第三储能电感L3一端与所述第三输入电容C4和第二输出电容C5的连接点e相连，另一端分别与所述第三可控功率开关S3的发射极和所述第三功率二极管D3的阴极相连；所述第三功率二极管D3的阳极与所述第二输出电容C5和第四输入电容C6的连接点f相连。
在所述Ⅳ级buck-boost电路中，所述的第四储能电感L4的一端与所述第二输出电容C5和第四输入电容C6的连接点f相连，另一端分别与所述第四功率二极管D4的阳极和所述第四可控功率开关S4的集电极相连；所述第四功率二极管D4的阴极与所述第三输入电容C4和第二输出电容C5的连接点e相连；所述第四可控功率开关S4的发射极与所述第三输入电源Sdc3的负极和第四输入电容C6的连接点g相连；所述第一输入电源Sdc1的正极和第一输入电容C1的连接点a与所述第三输入电源Sdc3的负极和第四输入电容C6的连接点g之间的电压为直流变换器的输出电压Vbus；所述第二输入电容C3和第三输入电容C4的连接点d为直流变换器的中性点，从所述d点可以引出中性线；所述第一输入电源Sdc1的正极和第一输入电容C1的连接点a与所述d点之间的电压为直流变换器上半部分电容电压和V1；所述d点与所述第三输入电源Sdc3的负极和第四输入电容C6的连接点g之间的电压为直流变换器下半部分电容电压和V2。
在本实施例中，所述第一输入电源Sdc1和第三输入电源Sdc3分别并联一个输入电容C1和输入电容C6，所述第二输入电源Sdc2并联两个串联的输入电容C3和C4。
在本实施例中，所述第一输入电容C1、第二输入电容C3、第三输入电容C4和第四输入电容C6分别作为四个buck-boost电路的输入端，电源的能量通过输入电容流入buck-boost电路；四个buck-boost电路的输入电容和输出电容串联共同为后级提供能量，减小了器件的电压应力，提高了直流输出电压的增益。
在本实施例中，通过buck-boost电路中可控功率开关的导通和关断对储能电感进行充电和放电，对流入buck-boost电路中的能量进行管理，并将能量传输给相应的输出电容。
在本实施例中，上端的所述I级和Ⅱ级buck-boost电路共用一个所述第一输出电容C2，下端的所述Ⅲ级和Ⅳ级buck-boost电路共用一个所述第二输出电容C5，从而减小了变换器的器件电流应力。
在本实施例中，所述I级buck-boost电路控制所述第一输入电源Sdc1向所述第一输出电容C2传递能量，所述Ⅳ级buck-boost电路控制所述第三输入电源Sdc3向所述第二输出电容C5传递能量，中间的所述Ⅱ级buck-boost电路和Ⅲ级buck-boost电路通过管理所述第二输入电源分配给所述第一输出电容C2和所述第二输出电容C5能量的大小，补偿所述第一输入电源和所述第三输入电源输出能量的不平衡，从而平衡直流变换器上半部分电容电压和V1和直流变换器下半部分电容电压和V2，抑制中性点电压偏移。
在本实施例中，所述第一输入电容和第一输入电源的正极的连接点为直流变换器的正极，所述第四输入电容和第三输入电源的负极的连接点为直流变换器的负极，从所述第二输入电容C3和所述第三输入电容C4的连接点d可以引出中性线，因此，其后级可以连接直流负载、两电平逆变器和三电平逆变器，当连接三电平逆变器时，能够降低交流输出波形的谐波含量和EMI，提高并网电能质量。
每个buck-boost电路一侧通过输入电容与输入电源相连，另一侧通过共用的输出电容与另一个buck-boost电路相连。所述Ⅰ级buck-boost电路和所述Ⅳ级buck-boost电路分别控制所述第一输入电源Sdc1和所述第三输入电源Sdc3的输出能量；所述Ⅱ级buck-boost电路和Ⅲ级buck-boost电路共同控制所述第二输入电源Sdc2的输出能量。变换器中的能量流动如图4所示，上端的所述Ⅰ级buck-boost电路和Ⅱ级buck-boost电路分别将储存在所述第一输入电容C1和第二输入电容C3中的能量传输到所述第一输出电容C2，下端的所述Ⅲ级buck-boost电路和Ⅳ级buck-boost电路分别将储存在所述第三输入电容C4和第四输入电容C6中的能量传输到所述第二输出电容C5，从而减小了流过每个buck-boost电路的电流。
该结构共有4个可控功率开关，因此共有16种开关状态，如表1所示，根据储能电感、输入电容、输出电容的充放电状态将其分为6种工作状态，如下所示：
状态1：四个输入电容通过可控功率开关分别给相应的储能电感充电，如图5a所示。
状态2：三个输入电容分别给相应的储能电感充电，一个储能电感将储存的能量通过功率二极管释放给一个输出电容，图5b是状态2的一种开关状态0111。
状态3：两个输入电容分别给相应的储能电感充电，两个储能电感将储存的能量释放给同一个输出电容，图5c是状态3的一种开关状态1100。
状态4：两个输入电容分别给相应的电感充电，两个电感将储存的能量释放给不同的输出电容，图5d是状态4的一种开关状态0110。
状态5：一个输入电容给相应的电感充电，三个电感将储存的能量分别释放给输出电容，图5e是状态5的一种开关状态0001。
状态6：四个储能电感将储存的能量分别释放给相应的输出电容，如图5f所示。
表1 四个可控功率开关的工作状态
在一个开关周期内，输入电容不断从电源吸收能量，当可控功率开关导通时，输入电容通过可控功率开关给储能电感充电，当可控功率开关关断时，储能电感将储存在其中的能量释放给输出电容。同时，所有的输入、输出电容串联共同为后级提供能量。当一个周期内输出电容吸收和释放的能量达到平衡时，输出电容电压达到稳态。此时，在每一个开关周期内，电感的电流增量为0，由此可以推导出当各个buck-boost电路工作在电流连续模式下，输出电容电压和输入电容电压之间的电压增益比，其数学表达式如下：
其中，VC2、VC5分别为第一输出电容电压和第二输出电容电压，VC1、VC3、VC4和VC6分别为第一输入电容电压、第二输入电容电压、第三输入电容电压和第四输入电容电压，d1、d2、d3和d4分别为第一可控功率开关S1、第二可控功率开关S2、第三可控功率开关S3和第四可控功率开关S4的导通占空比。
直流输出电压可以表示为如下形式：
该结构可以从所述d点引出中性线，此时，其后级可以连接三电平逆变器。为了保证三电平逆变器能够正常工作，三个电源的输出能量需要满足一定的要求以确保直流电压平衡，其数学表达式如下：
|P1-P3|≤P2
其中，P1为第一输入电源Sdc1的输出功率，P3为第三输入电源Sdc3的输出功率，P2为第二输入电源Sdc2的输出功率。当P1与P3不相等时，要控制直流电压平衡，只需让中间的所述Ⅱ级buck-boost电路和Ⅲ级buck-boost电路将不等的能量分别传输给所述第一输出电容C2和所述第二输出电容C5，以补偿所述第一输入电源Sdc1和所述第三输入电源Sdc3的输出功率的不平衡,使输出电压满足V1＝V2。其数学表达式如下：
其中，PC3是第二输入电容C3从第二输入电源Sdc2吸收的功率，PC4是第三输入电容C4从第二输入电源Sdc2吸收的功率。
该具有三个输入源的中间电容式升压型直流变换器的控制方法如图6所示，首先，检测所述第一输入电源的正极和第一输入电容的连接点与所述直流变换器的中性点之间的输出电压V1，所述第三输入电源的负极和第四输入电容的连接点与所述直流变换器的中性点之间的输出电压V2；当检测到输出电压V1>V2时，调节所述第二可控功率开关S2和所述第三可控功率开关S3的占空比d2和d3，具体的来说，增大d2，减小d3，从而增大所述Ⅱ级buck-boost电路从所述第二输入电源Sdc2吸收的能量，减小所述Ⅲ级buck-boost电路从所述第二输入电源Sdc2吸收的能量，从而抑制中性点电压的偏移；反之，如果检测到输出电压V1<V2时,则减小d2，增大d3，从而减小所述Ⅱ级buck-boost电路从所述第二输入电源Sdc2吸收的能量，增大所述Ⅲ级buck-boost电路从所述第二输入电源Sdc2吸收的能量，平衡输出电压V1和V2，使输出电压满足V1＝V2。
本发明实施例提出的具有三个输入源的中间电容式升压型直流变换器，该变换器可以同时接入三个独立可变的直流电源，并对其输出电压、电流实现控制，使整个直流变换器能够输出较高的直流电压。此外，该变换器结构大幅降低了器件的电压、电流应力，从而降低了整个直流变换器的工作损耗，提高了工作效率；且该变换器结构作为前级结构时，可以通过管理三个电源输出能量的传输来平衡直流电压，抑制中性点电压偏移。因此，该变换器的后级可以连接直流负载、两电平逆变器和三电平逆变器，当连接三电平逆变器时，能够降低交流输出波形的谐波含量和EMI，提高并网电能质量。
上述虽然结合附图对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对本发明保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围以内。

Claims (9)

1.一种具有三个输入源的中间电容式升压型直流变换器，其特征是，包括第一输入电源、第二输入电源、第三输入电源、由第一输入电容、第一输出电容、第一可控功率开关、第一储能电感和第一功率二极管组成的Ⅰ级buck-boost电路、由第二输入电容、第一输出电容、第二可控功率开关、第二储能电感和第二功率二极管组成的Ⅱ级buck-boost电路、由第三输入电容、第二输出电容、第三可控功率开关、第三储能电感和第三功率二极管组成的Ⅲ级buck-boost电路和由第四输入电容、第二输出电容、第四可控功率开关、第四储能电感和第四功率二极管组成的Ⅳ级buck-boost电路；
所述第一输入电容与所述第一输入电源并联，所述第一输入电容、第一输出电容、第二输入电容、第三输入电容、第二输出电容和第四输入电容依次串联连接；所述第二输入电源的正极与第一输出电容和第二输入电容的连接点连接，所述第二输入电源的负极与第三输入电容和第二输出电容的连接点连接，所述第四输入电容与所述第三输入电源并联，所述I级buck-boost电路控制所述第一输入电源向所述第一输出电容传输能量，所述Ⅳ级buck-boost电路控制所述第三输入电源向所述第二输出电容传输能量，所述Ⅱ级buck-boost电路和Ⅲ级buck-boost电路控制所述第二输入电源分配给所述第一输出电容和第二输出电容能量的大小，平衡直流变换器输出电压。
2.根据权利要求1所述的具有三个输入源的中间电容式升压型直流变换器，其特征是，所述Ⅰ级buck-boost电路中，所述第一可控功率开关的集电极与第一输入电容和第一输入电源的正极的连接点连接，所述第一储能电感的一端与第一输入电容和第一输出电容的连接点连接，另一端分别与所述第一可控功率开关的发射极和所述第一功率二级管的阴极连接，所述第一功率二级管的阳极与所述第一输出电容和第二输入电容的连接点连接。
3.根据权利要求1所述的具有三个输入源的中间电容式升压型直流变换器，其特征是，所述Ⅱ级buck-boost电路中，所述第二储能电感的一端与所述第一输出电容和第二输入电容的连接点连接，另一端分别与所述第二可控功率开关的集电极和所述第二功率二极管的阳极连接，所述第二功率二极管的阴极与所述第一输入电容和第一输出电容的连接点连接，所述第二可控功率开关的发射极与第二输入电容和第三输入电容的连接点连接。
4.根据权利要求1所述的具有三个输入源的中间电容式升压型直流变换器，其特征是，所述Ⅲ级buck-boost电路中，所述第三可控功率开关的集电极与所述第二输入电容和第三输入电容的连接点连接，所述第三储能电感的一端与所述第三输入电容和第二输出电容的连接点连接，另一端分别与所述第三可控功率开关的发射极和所述第三功率二极管的阴极连接，所述第三功率二极管的阳极与第二输出电容和第四输入电容的连接点连接。
5.根据权利要求1所述的具有三个输入源的中间电容式升压型直流变换器，其特征是，所述Ⅳ级buck-boost电路中，所述第四储能电感的一端与所述第二输出电容和第四输入电容的连接点连接，另一端分别与所述第四可控功率开关的集电极和所述第四功率二极管的阳极连接，所述第四功率二极管的阴极与所述第三输入电容和第二输出电容的连接点连接，所述第四可控功率开关的发射极与第四输入电容和第三输入电源的负极的连接点连接。
6.根据权利要求1所述的具有三个输入源的中间电容式升压型直流变换器，其特征是，所述第一输入电容和第一输入电源的正极的连接点为直流变换器的正极，所述第四输入电容和第三输入电源的负极的连接点为直流变换器的负极，所述第二输入电容和第三输入电容的连接点为直流变换器的中性点，从所述直流变换器的中性点引出中性线，其后级连接直流负载、两电平逆变器或三电平逆变器。
7.如权利要求1-6中任一项所述的具有三个输入源的中间电容式升压型直流变换器的控制方法，其特征是，所述方法包括：
采集所述第一输入电源的正极和第一输入电容的连接点与所述直流变换器的中性点之间的输出电压V1，所述第三输入电源的负极和第四输入电容的连接点与所述直流变换器的中性点之间的输出电压V2；
比较所述输出电压V1与所述输出电压V2是否存在电压差，若存在电压差，则调节第二可控功率开关和第三可控功率开关的占空比d2和d3，平衡两个输出电压，使输出电压满足V1＝V2。
8.根据权利要求7所述的具有三个输入源的中间电容式升压型直流变换器的控制方法，其特征是，若输出电压V1>V2，增大所述第二可控功率开关的占空比d2，减小所述第三可控功率开关的占空比d3，平衡输出电压V1和V2，使输出电压满足V1＝V2。
9.根据权利要求7所述的具有三个输入源的中间电容式升压型直流变换器的控制方法，其特征是，若输出电压V1<V2，减小所述第二可控功率开关的占空比d2，增大所述第三可控功率开关的占空比d3，平衡输出电压V1和V2，使输出电压满足V1＝V2。
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Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN109004851A (zh) * 2018-08-08 2018-12-14 上海空间电源研究所 一种空间高压高频大功率交错式三电平pfc变换器及方法
CN109347331A (zh) * 2018-12-05 2019-02-15 深圳市英可瑞科技股份有限公司 一种三电平开关电源系统及其母线均压控制方法

Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US5894414A (en) * 1997-03-03 1999-04-13 Lucent Technologies Inc. Three phase rectifier using three single phase converters and a single DC/DC converter
CN103825453A (zh) * 2014-02-26 2014-05-28 重庆大学 一种变结构多输入高增益直流变换器
CN106560988A (zh) * 2016-12-02 2017-04-12 上海捷谷新能源科技有限公司 带扰动的dc‑dc转换器

Patent Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US5894414A (en) * 1997-03-03 1999-04-13 Lucent Technologies Inc. Three phase rectifier using three single phase converters and a single DC/DC converter
CN103825453A (zh) * 2014-02-26 2014-05-28 重庆大学 一种变结构多输入高增益直流变换器
CN106560988A (zh) * 2016-12-02 2017-04-12 上海捷谷新能源科技有限公司 带扰动的dc‑dc转换器

Non-Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
MOISES C. 等: "A high step-up gain DC-DC converter based on the stacking of three conventional buck boost DC-DC converters", 《XI BRAZILIAN POWER ELECTRONICS CONFERENCE》 *

Cited By (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN109004851A (zh) * 2018-08-08 2018-12-14 上海空间电源研究所 一种空间高压高频大功率交错式三电平pfc变换器及方法
CN109004851B (zh) * 2018-08-08 2020-01-31 上海空间电源研究所 一种空间高压高频大功率交错式三电平pfc变换器及方法
CN109347331A (zh) * 2018-12-05 2019-02-15 深圳市英可瑞科技股份有限公司 一种三电平开关电源系统及其母线均压控制方法

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