CN108599577B - 一种桥臂数可调的大容量高升压隔离型dc-dc变换器 - Google Patents

一种桥臂数可调的大容量高升压隔离型dc-dc变换器 Download PDF

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Abstract

本发明提出一种桥臂数可调的大容量高升压隔离型DC‑DC变换器。若设定所述变换器含有m个桥臂，则其构成如下：一个直流输入电压源、m个桥臂、每个桥臂包括2个功率开关，桥臂上下两侧接直流电源，同时并联两个电容C 1、C 2，2m个变比为1：N的高频变压器T 1、T 2、T 3...T 2m ，变压器另一端有n个高升压增益单元，负载R L ，滤波电容C 0以及二极管D0，所述每个高升压增益单元中增益单元1含有2m‑1个电容及二极管，其余增益单元均含有2m个电容及二极管。相比现有的桥式隔离型DC/DC变换器，其桥臂数可自由调节，各输入相的电流自动均流，输入输出增益高且可调，开关器件电压和电流应力低且也可调，可应用于需要电气隔离的大容量高升压场合中。

Description

一种桥臂数可调的大容量高升压隔离型DC-DC变换器
技术领域
本发明涉及一种基于桥式的大容量、高升压DC/DC变换器，具体是一种桥臂数可调的大容量高升压隔离型DC-DC变换器。
背景技术
近年来，海上风电直流汇流及输电技术因风电场规模不断扩大，离岸距离不断增加，其直流汇流场中通常需要数十倍甚至更高的电压增益，所处理的功率容量更是高达数兆瓦甚至更高，现有的方案难以适用，需要增益、容量更高的变换器。
而目前所研究的变换器一方面输出电压增益常通过扩大变压器初次级绕组的匝数比来实现，而大容量高匝数比高频变压器的设计与制作难度均大，在对输入输出电压增益要求较高的场合难以胜任；另一方面逆变器输入相数不可调节，在大电流输入场合中难以利用。
发明内容
为解决现有技术中变换器输入相数不可调、电压电流应力过高、输入输出增益低且整流侧二极管电压应力高的问题，本发明提出一种桥臂数可调的大容量高升压隔离型DC-DC变换器。
本发明采用如下技术方案：
一种桥臂数可调的大容量高升压隔离型DC-DC变换器，该变换器包含一个直流输入源，1个多相逆变器，2m个输入相，2m个变比为1：N的高频变压器，n个增益单元，输出二极管D0，滤波电容C0，负载RL。
所述多相逆变器包含：m个逆变桥臂，两个输入侧滤波电容C1、C2，2m个功率开关S1 1、S1 2、S2 1、S2 2...Sm 1、Sm 2。电容C1的另一端、C2的一端与偶数个变压器一次侧相连的节点定义为节点0，开关管S1 1的源极、S1 2的漏极与变压器T1一次侧相连的节点定义为节点1，开关管S2 1的源极、S2 2的漏极与变压器T3一次侧相连的节点定义为节点2，...，以此类推，开关管Sm 1的源极、Sm 2的漏极与变压器T2m-1一次侧相连的节点定义为节点m。具体连接方式为：直流输入电源的正极与电容C1一端连接在一起，同时与下标尾数为1的开关管S1 1、S2 1、S3 1...Sm 1的漏极连接在一起，直流输入电源的负极与电容C2的另一端连接在一起，同时与下标尾数为2的开关管S1 2、S2 2...Sm 2的源极连接在一起。电容C1的另一端接电容C2的一端，开关管S1 1的源极接开关管S1 2的漏极，开关管S2 1的源极接开关管S2 2的漏极，开关管S3 1的源极接开关管S3 2的漏极，...，以此类推，开关管Sm 1的源极接开关管Sm 2的漏极。
所述多相三电平逆变器与变压器的具体连接方式为：变压器T1一次侧一端接节点1，变压器T3一次侧一端接节点2，以此类推到第2m-1相，变压器T2m-1一次侧一端接节点m，变压器T2、T4、...、T2m一次侧一端均接节点0。各个变压器一次侧的另一端接到一起，二次侧的另一端也接在一起。
所述增益单元1包含：二极管D2 1、D3 1、D4 1...D2m 1，电容C2 1、C3 1、C4 1...C2m 1。其具体连接方式为：二极管D2 1的阴极接电容C2 1的一端，同时与二极管D3 1的阳极相连，二极管D3 1的阴极接电容C3 1的一端，同时与二极管D4 1的阳极相连，...，以此类推，二极管D2m-1 1的阴极接电容C2m-1 1的一端，同时与二极管D2m 1的阳极相连，二极管D2m 1的阴极接电容C2m 1的一端。
所述增益单元2包含：二极管D1 2、D2 2、D3 2...D2m 2，电容C1 2、C2 2、C3 2...C2m 2。其具体连接方式为：二极管D1 2的阴极接电容C1 2的一端，同时与二极管D2 2的阳极相连，二极管D2 2的阴极接电容C2 2的一端，同时与二极管D3 2的阳极相连，...，以此类推，二极管D2m-1 2的阴极接电容C2m-1 2的一端，同时与二极管D2m 2的阳极相连，二极管D2m 2的阴极接电容C2m 2的一端。
所述增益单元3包含：二极管D1 3、D2 3、D3 3...D2m 3，电容C1 3、C2 3、C3 3...C2m 3。其具体连接方式为：二极管D1 3的阴极接电容C1 3的一端，同时与二极管D2 3的阳极相连，二极管D2 3的阴极接电容C2 3的一端，同时与二极管D3 3的阳极相连，...，以此类推，二极管D2m-1 3的阴极接电容C2m-1 3的一端，同时与二极管D2m 3的阳极相连，二极管D2m 3的阴极接电容C2m 3的一端。
...
以此类推，所述增益单元n包含：二极管D1 n、D2 n、D3 n...D2m n，电容C1 n、C2 n、C3 n...C2m n。其具体连接方式为：二极管D1 n的阴极接电容C1 n的一端，同时与二极管D2 n的阳极相连，二极管D2 n的阴极接电容C2 n的一端，同时与二极管D3 n的阳极相连，...，以此类推，二极管D2m-1 n的阴极接电容C2m-1 n的一端，同时与二极管D2m n的阳极相连，二极管D2m n的阴极接电容C2m n的一端。
所述增益单元之间以及与变压器及其它元器件的具体连接方式为：变压器T1二次侧一端接增益单元1中二极管D2 1的阳极以及输出滤波电容CO和负载RL的另一端，同时与增益单元2中电容C1 2，增益单元3中电容C1 3，...，增益单元n中电容C1 n的另一端相连，变压器T2二次侧一端接增益单元1中电容C2 1，增益单元2中电容C2 2，...，增益单元n中电容C2 n的另一端相连，变压器T3二次侧一端接增益单元1中电容C3 1，增益单元2中电容C3 2，...，增益单元n中电容C3 n的另一端相连，...，以此类推，变压器T2m二次侧一端接增益单元1中电容C2m 1，增益单元2中电容C2m 2，...，增益单元n中电容C2m n的另一端相连。增益单元1中二极管D2m 1阴极与电容C2m 1一端之间的节点与增益单元2中二极管D1 2的阳极相连，增益单元2中二极管D2m 2阴极与电容C2m 2一端之间的节点与增益单元3中二极管D1 3的阳极相连，...，以此类推，增益单元n-1中二极管D2m n-1阴极与电容C2m n-1一端之间的节点与增益单元n中二极管D1 n的阳极相连，增益单元n中二极管D2m n阴极与电容C2m n一端之间的节点与二极管D0阳极相连。负载RL与C0并联，负载RL一端接二极管D0的阴极。
一种桥臂数可调的大容量高升压隔离型DCDC变换器，其控制方式为在0°～180°区间导通每个桥臂下标尾标号为1的开关，即S1 1、S2 1...Sm 1。在180°～360°区间导通每个桥臂下标尾标号为2开关，即S1 2、S2 2...Sm 2。每一组开关导通留有足够的死区时间。
本发明一种桥臂数可调的大容量高升压隔离型DC-DC变换器，技术效果如下：
1、输入输出增益高且可调，开关器件电压电流应力低且可调。其中：
输出电压与输入电压的比值为(忽略负载的影响)：
二极管的电压应力为：
m为输入相数，n为模块中的二极管及电容数量。N为变压器参数比。
2、各个输入相之间可实现自动均流，控制策略及驱动电路简单。
3、系统输入输出增益高，可以使用较低变比的变压器来达到高升压的目的，变压器的设计难度大大降低。
附图说明
图1是本发明电路原理总图。
图2是本发明电路2个桥臂、2个增益单元的电路拓扑图。
图3是本发明输入电压uin，输出电压u0、多项逆变器输出电压u1的波形图。
图4是本发明变压器T1、T2、T3、T4电流波形图。
图5是本发明二极管D1 1、D1 2电压、电流波形图。
图6是本发明二极管DO电压、电流波形图。
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，一种桥臂数可调的大容量高升压隔离型DC-DC变换器，该变换器包含一个直流输入源，1个多相逆变器，4个输入相，4个变比为1：N的高频变压器，2个增益单元，输出二极管D0，滤波电容C0，负载RL。
所述多相逆变器包含：2个逆变桥臂，两个输入侧滤波电容C1、C2，4个功率开关S1 1、S1 2、S2 1、S2 2。电容C1的另一端、C2的一端与变压器T2、T4一次侧相连的节点定义为节点0，开关管S1 1的源极、S1 2的漏极与变压器T1一次侧相连的节点定义为节点1，开关管S2 1的源极、S2 2的漏极与变压器T3一次侧相连的节点定义为节点2。具体连接方式为：直流输入电源的正极与电容C1一端连接在一起，同时与下标尾数为1的开关管S1 1、S2 1的漏极连接在一起，直流输入电源的负极与电容C2的另一端连接在一起，同时与下标尾数为2的开关管S1 2、S2 2的源极连接在一起。电容C1的另一端接电容C2的一端，开关管S11的源极接开关管S1 2的漏极，开关管S2 1的源极接开关管S2 2的漏极。
所述多相三电平逆变器与变压器的具体连接方式为：变压器T1一次侧一端接节点1，变压器T3一次侧一端接节点2，变压器T2、T4一次侧一端均接节点0。各个变压器一次侧的另一端接到一起，二次侧的另一端也接在一起。
所述增益单元1包含：二极管D2 1、D3 1、D4 1，电容C2 1、C3 1、C4 1。其具体连接方式为：二极管D2 1的阴极接电容C2 1的一端，同时与二极管D3 1的阳极相连，二极管D3 1的阴极接电容C3 1的一端，同时与二极管D4 1的阳极相连，二极管D4 1的阴极接电容C4 1的一端。
所述增益单元2包含：二极管D1 2、D2 2、D3 2、D4 2，电容C1 2、C2 2、C3 2、C4 2。其具体连接方式为：二极管D1 2的阴极接电容C1 2的一端，同时与二极管D2 2的阳极相连，二极管D2 2的阴极接电容C2 2的一端，同时与二极管D3 2的阳极相连，二极管D3 2的阴极接电容C3 2的一端，同时与二极管D4 2的阳极相连，二极管D4 2的阴极接电容C4 2的一端。
所述增益单元之间以及与变压器及其它元器件的具体连接方式为：变压器T1二次侧一端接增益单元1中二极管D2 1的阳极以及输出滤波电容CO和负载RL的另一端，同时与增益单元2中电容C1 2的另一端相连，变压器T2二次侧一端接增益单元1中电容C2 1，增益单元2中电容C2 2的另一端相连，变压器T3二次侧一端接增益单元1中电容C3 1，增益单元2中电容C3 2的另一端相连，变压器T4二次侧一端接增益单元1中电容C4 1，增益单元2中电容C4 2的另一端相连。增益单元1中二极管D4 1阴极与电容C4 1一端之间的节点与增益单元2中二极管D1 2的阳极相连，增益单元2中二极管D4 2阴极与电容C4 2一端之间的节点与二极管D0阳极相连。负载RL与C0并联，负载RL一端接二极管D0的阴极。
一种桥臂数可调的大容量高升压隔离型DC-DC变换器，其控制方式为在0°～180°区间导通每个桥臂下标尾标号为1的开关，即S1 1、S2 1。在180°～360°区间导通每个桥臂下标尾标号为2开关，即S1 2、S2 2。每一组开关导通留有足够的死区时间。
根据交流电源电流方向不同，可以将电路分为三种工作状态：
(1)、功率开关均关断，此时为死区时间，所有二极管均关断，C1、C2既不充电也不放电；所有二极管均关断。因为死区时间很短暂，在分析过程中对变换器的影响可以忽略不计。
(2)、控制器控制功率开关S1 2、功率开关S2 2关断，功率开关S1 1和功率开关S2 1导通，此时电容C1放电，电容C2充电。交流电源、功率开关S1 1、变压器T1、变压器T2以及电容C2构成一个一次侧回路。感应电流通过变压器T1副边一端通过二极管D2 1、向电容C2 1充电，通过二极管D2 2向电容C2 2充电，电容C1 2放电；同时，交流电源、功率开关S2 1、变压器T3、变压器T4以及电容C2构成另一个一次侧回路。感应电流通过变压器T3副边一端通过二极管D4 1向电容C4 1充电，电容C3 1放电，通过二极管D4 2向电容C4 2充电，电容C3 2放电；二极管D3 1、D1 2、D3 2、D0均关断。
(3)、控制器控制功率开关S1 1、功率开关S2 1关断，功率开关S1 2和功率开关S2 4导通，此时电容C1充电，电容C2放电。交流电源、电容C1、变压器T2、变压器T3以及功率开关S2 2构成一个一次侧回路。感应电流通过第二变压器T2副边一端通过二极管D3 1向电容C3 1充电，电容C2 1放电，通过二极管D6 2向电容C3 2充电，电容C2 2放电；同时交流电源、电容C1、变压器T4、变压器T1以及功率开关S2构成另一个一次侧回路，感应电流通过第四变压器T4副边一端通过二极管D1 2向电容C1 2充电，电容C4 1放电，通过二极管D0向电容C0充电，电容C4 2放电，同时向负载RL供电；二极管D2 1、D4 1、D2 2、D4 2均关断。
通过上述分析，可以看出该变换器实现了自动均流，输出电压增益高，容量大。
均流分析：以图2四相输入例。稳态时，桥式逆变器输出电压Uin可等效成为一个方波交流电源，当输入交流电处于正半轴时，所有二极管均关断，电容C3 1、C1 2、C3 2放电，电容C2 1、C4 1、C2 2、C4 2充电，Uin电压下降速度远大于电容电压的下降速度。输入电压Uin从0开始上升，当Uin上升到大于电容C2 1电压UC2 1的时候二极管D2 1导通，电容C2 1开始充电，电压上升；当Uin上升到(Uin+UC1 2)大于UC2 2的时候二极管D2 2导通，电容C2 2开始充电，电压上升。与此同时，Uin上升到(Uin+UC3 1)大于UC4 1时二极管D4 1导通，电容C4 1开始充电，电压上升，Uin上升到(Uin+UC3 2)大于UC4 2时二极管D4 2导通，电容C4 2开始充电，电压上升。电容C2 1、C4 1、C2 2、C4 2持续充电，直到Uin上升到最大值Uinmax，下一时刻二极管D2 1、D4 1、D2 2、D4 2反向截止，电容C2 1、C4 1、C2 2、C4 2充电完毕，电容C3 1、C1 2、C3 2放电完毕。当输入交流电处于负半轴时于此类似，不再赘述。
根据电容Co安秒平衡原理，输出电流Io等于二极管D0流过的电流ID0，由于电容C4 2的存在，流过二极管D4 2上的电流ID4 2等于ID0，以此类推，第一支路上，流过二极管D2 1上的电流ID2 1等于输出电流Io。同理，其他支路流过的电流也都等于输出电流Io，本发明实现了自动均流。扩展到n个模块分析过程于此类似。
仿真参数：给定开关频率f＝50kHz、变压器变比为1:1，开关占空比D＝0.5，输入电压uin为30V时，输出电压u0接近120V。从图内可以看出4个电感电流相等。流过4个变压器的电流均等，每个输入相自动均流。

Claims (3)

1.一种桥臂数可调的大容量高升压隔离型DC-DC变换器，其特征在于：该变换器包含一个直流输入源，1个多相逆变器，2m个输入相，2m个变比为1：N的高频变压器，n个增益单元，输出二极管D0，滤波电容C 0，负载R L ；
所述多相逆变器包含：m个逆变桥臂，两个输入侧滤波电容C 1、C 2，2m个功率开关S1 1、S12、S2 1、S2 2...S m 1、S m 2；电容C 1的另一端、C 2的一端与偶数个变压器一次侧相连的节点定义为节点0， 开关管S1 1的源极、S1 2的漏极与变压器T1一次侧相连的节点定义为节点1，开关管S2 1的源极、S2 2的漏极与变压器T3一次侧相连的节点定义为节点2，...，以此类推，开关管S m 1的源极、S m 2的漏极与变压器T2m-1一次侧相连的节点定义为节点m；具体连接方式为：直流输入电源的正极与电容C 1一端连接在一起，同时与下标尾数为1的开关管S1 1、S2 1、S3 1...S m 1的漏极连接在一起，直流输入电源的负极与电容C 2的另一端连接在一起，同时与下标尾数为2的开关管S1 2、S2 2...S m 2的源极连接在一起；电容C 1的另一端接电容C 2的一端，开关管S1 1的源极接开关管S1 2的漏极，开关管S2 1的源极接开关管S2 2的漏极，开关管S3 1的源极接开关管S3 2的漏极，...，以此类推，开关管S m 1的源极接开关管S m 2的漏极；
所述多相逆变器与变压器的具体连接方式为：变压器T1一次侧一端接节点1，变压器T3一次侧一端接节点2，以此类推到第2m-1相，变压器T2m-1一次侧一端接节点m，变压器T2、T4、...、T2m 一次侧一端均接节点0；各个变压器一次侧的另一端接到一起，二次侧的另一端也接在一起；
所述增益单元1包含：二极管D2 1、D3 1、D4 1...D2m 1，电容C 2 1、C 3 1、C 4 1...C 2m 1；其具体连接方式为：二极管D2 1的阴极接电容C 2 1的一端，同时与二极管D3 1的阳极相连，二极管D3 1的阴极接电容C 3 1的一端，同时与二极管D4 1的阳极相连，...，以此类推，二极管D2m-1 1的阴极接电容C 2m-1 1的一端，同时与二极管D2m 1的阳极相连，二极管D2m 1的阴极接电容C 2m 1的一端；
所述增益单元2包含：二极管D1 2、D2 2、D3 2...D2m 2，电容C 1 2、C 2 2、C 3 2...C 2m 2；其具体连接方式为：二极管D1 2的阴极接电容C 1 2的一端，同时与二极管D2 2的阳极相连，二极管D2 2的阴极接电容C 2 2的一端，同时与二极管D3 2的阳极相连，...，以此类推，二极管D2m-1 2的阴极接电容C 2m-1 2的一端，同时与二极管D2m 2的阳极相连，二极管D2m 2的阴极接电容C 2m 2的一端；
所述增益单元3包含：二极管D1 3、D2 3、D3 3...D2m 3，电容C 1 3、C 2 3、C 3 3...C 2m 3；其具体连接方式为：二极管D1 3的阴极接电容C 1 3的一端，同时与二极管D2 3的阳极相连，二极管D2 3的阴极接电容C 2 3的一端，同时与二极管D3 3的阳极相连，...，以此类推，二极管D2m-1 3的阴极接电容C 2m-1 3的一端，同时与二极管D2m 3的阳极相连，二极管D2m 3的阴极接电容C 2m 3的一端；
...
以此类推，所述增益单元n包含：二极管D1 n 、D2 n 、D3 n ...D2mn ， 电容C 1 n 、 C 2 n 、C 3 n ...C 2mn ；其具体连接方式为：二极管D1 n 的阴极接电容C 1 n 的一端，同时与二极管D2 n 的阳极相连，二极管D2 n 的阴极接电容C 2 n 的一端，同时与二极管D3 n 的阳极相连，...，以此类推，二极管D2m-1 n 的阴极接电容C 2m-1 n 的一端，同时与二极管D2mn 的阳极相连，二极管D2mn 的阴极接电容C 2mn 的一端；
所述增益单元之间以及与变压器及其它元器件的具体连接方式为：变压器T1二次侧一端接增益单元1中二极管D2 1的阳极以及滤波电容C 0和负载R L 的另一端，同时与增益单元2中电容C 1 2，增益单元3中电容C 1 3，...，增益单元n中电容C 1 n 的另一端相连，变压器T2二次侧一端接增益单元1中电容C 2 1，增益单元2中电容C 2 2，...，增益单元n中电容C 2 n 的另一端相连，变压器T3二次侧一端接增益单元1中电容C 3 1，增益单元2中电容C 3 2，...，增益单元n中电容C 3 n 的另一端相连，...，以此类推，变压器T2m 二次侧一端接增益单元1中电容C 2m 1，增益单元2中电容C 2m 2，...，增益单元n中电容C 2mn 的另一端相连； 增益单元1中二极管D2m 1阴极与电容C 2m 1一端之间的节点与增益单元2中二极管D1 2的阳极相连，增益单元2中二极管D2m 2阴极与电容C 2m 2一端之间的节点与增益单元3中二极管D1 3的阳极相连，...，以此类推，增益单元n-1中二极管D2mn-1阴极与电容C 2mn-1一端之间的节点与增益单元n中二极管D1 n 的阳极相连，增益单元n中二极管D2mn 阴极与电容C 2mn 一端之间的节点与二极管D0阳极相连；负载R L 与滤波电容C 0并联，负载R L 一端接二极管D0的阴极。
2.根据权利要求1所述一种桥臂数可调的大容量高升压隔离型DC-DC变换器，其特征在于其控制方式为：在0°~180°区间导通每个桥臂下标尾标号为1的开关，即S1 1、S2 1...S m1；在180°~360°区间导通每个桥臂下标尾标号为2开关，即S1 2、S2 2...S m2；每一组开关导通留有足够的死区时间。
3.根据权利要求1所述一种桥臂数可调的大容量高升压隔离型DC-DC变换器，其特征在于：根据交流电源电流方向不同，将电路分为三种工作状态：
（1）：功率开关均关断，此时为死区时间，所有二极管均关断，C 1、C 2既不充电也不放电；所有二极管均关断；因为死区时间很短暂，在分析过程中对变换器的影响可以忽略不计；
（2）：控制器控制功率开关S1 2、功率开关S2 2关断，功率开关S1 1和功率开关S2 1导通，此时电容C 1放电，电容C 2充电；交流电源、功率开关S1 1、变压器T1、变压器T2以及电容C 2构成一个一次侧回路；感应电流通过变压器T1副边一端通过二极管D2 1、向电容C 2 1充电，通过二极管D2 2向电容C 2 2充电，电容C 1 2放电；同时，交流电源、功率开关S2 1、变压器T3、变压器T4以及电容C 2构成另一个一次侧回路；感应电流通过变压器T3副边一端通过二极管D4 1向电容C 4 1充电，电容C 3 1放电，通过二极管D4 2向电容C 4 2充电，电容C 3 2放电；二极管D3 1、D1 2、D3 2、D0均关断；
（3）：控制器控制功率开关S1 1、功率开关S2 1关断，功率开关S1 2和功率开关S2 4导通，此时电容C 1充电，电容C 2放电；交流电源、电容C 1、变压器T2、变压器T3以及功率开关S2 2构成一个一次侧回路；感应电流通过变压器T2副边一端通过二极管D3 1向电容C 3 1充电，电容C 2 1放电，通过二极管D6 2向电容C 3 2充电，电容C 2 2放电；同时交流电源、电容C 1、变压器T4、变压器T1以及功率开关S2构成另一个一次侧回路，感应电流通过变压器T4副边一端通过二极管D1 2向电容C 1 2充电，电容C 4 1放电，通过二极管D0向滤波电容C 0充电，电容C 4 2放电，同时向负载R L 供电；二极管D2 1、D4 1、D2 2、D4 2均关断。
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Assignee: Nanjing Chixun Electric Technology Co.,Ltd.

Assignor: CHINA THREE GORGES University

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Denomination of invention: A Large Capacity High Boost Isolation DC-DC Converter with Adjustable Bridge Arms

Granted publication date: 20231027

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