CN108696154B - 一种模块化大容量高增益的非隔离型整流器 - Google Patents

一种模块化大容量高增益的非隔离型整流器 Download PDF

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Abstract

一种模块化大容量高增益的非隔离型整流器，若设定所述整流器包含一个输入电压源，m（须为偶数）个模块，一个输出滤波电容C 0，一个输出二极管D0及负载R L 。所述每个模块中，第一个模块由n‑1个电容及二极管构成，其他模块均由m个电容及二极管构成。相比于传统整流电路，输入输出电压增益高且可调，每个模块输入电流可自动均流，解决了多模块并联运行时均流复杂的问题，且二极管电压应力也得到了降低，提高了整流器的工作效率。

Description

一种模块化大容量高增益的非隔离型整流器
技术领域
本发明涉及一种非隔离型整流器，具体是一种模块化大容量高增益的非隔离型整流器。
背景技术
目前的倍压整流电路在高增益升压整流场合得到了较多的应用，如X光机等，但其输入功率通常受限于半导体二极管的过流能力，而若采用多模块并联运行，又因各模块之间寄生参数的不同而产生的功率分配不均衡问题。上述问题限制了高增益倍压整流电路在大功率应用场合中的应用。
发明内容
为解决现有技术中大容量倍压整流电路难以构建的问题，本发明提出一种模块化大容量高增益的非隔离型整流器，根据不用的应用场合，灵活调整模块数,实现高增益输出，电流的自动均流和功率的均匀分配。
本发明采取的技术方案为：
一种模块化大容量高增益的非隔离型整流器，该整流器包含一个输入电源，m个模块、m为偶数,输出二极管D0，滤波电容C0，负载RL，交流电源负极接地；
第一个模块由n-1个电容C11、C12...C1(n-1)及n-1个二极管D11、D12...D1(n-1)构成，第二个模块由n个电容C21、C22...C2n及n个二极管D21、D22...D2n构成，...以此类推至第m个模块，第m个模块由n个电容Cm1、Cm2...Cmn及n个二极管Dm1、Dm2...Dmn构成；
该整流器连接方式如下：
m个模块中，
第一模块，电容C1(n-1)一端引出，电容C1(n-1)的另一端接电容C1(n-2)的一端，电容C1(n-1)与电容C1(n-2)之间的节点接二极管D1(n-1)的阴极并引出，D1(n-1)阳极引出；...依次连接到第n个电容C11的一端，C11与C12之间的节点接二极管D12的阴极，D12阳极引出，电容C11的另一端接二极管D11的阴极并引出，D11阳极引出；
第二模块，电容C2n一端引出，电容C2n的另一端接电容C2(n-1)的一端，电容C2n与电容C2(n-1)的节点接二极管D2n的阴极并引出，D2n阳极引出；...依次连接到第n个电容C21的一端，C21与C22之间的节点接二极管D22的阴极，D22阳极引出，电容C21的另一端接二极管D21的阴极并引出，D21阳极引出；
第三模块，电容C3n一端引出，电容C3n的另一端接电容C3(n-1)的一端，电容C3n与电容C3(n-1)的节点接二极管D3n的阴极并引出，D3n阳极引出；...依次连接到第n个电容C31的一端，C31与C32之间的节点接二极管D32的阴极，D32阳极引出，电容C31的另一端接二极管D31的阴极并引出，D31阳极引出；
以此类推到第m模块，
第m模块，电容Cmn一端引出，电容Cmn的另一端接电容Cm(n-1)的一端，电容Cmn与电容Cm(n-1)的节点接二极管Dmn的阴极，Dmn阳极引出；...依次连接到第n个电容Cm1的一端，Cm1与Cm2之间的节点接二极管Dm2的阴极，Dm2阳极引出，电容Cm1的另一端接二极管Dm1的阴极并引出，Dm1阳极引出。
各个模块之间连接：
模块1，电容C1(n-1)一端接交流电源一端，同时接二极管D2n的阳极，二极管D1(n-1)的阴极接二极管D2(n-1)的阳极，二极管D1(n-1)的阳极接二极管Dmn阴极；...以此类推到二极管D11的阴极接二极管D21的阳极，二极管D11阳极接二极管Dm2阴极；
模块2，电容C2n一端接地，二极管D2n的阴极接二极管D3n的阳极，二极管D2(n-1)的阴极接二极管D3(n-1)的阳极；...以此类推到二极管D21的阴极接二极管D31的阳极；
以此类推到第m模块，
模块3，电容C3n一端接交流电源一端，二极管D3n的阴极接二极管D4n的阳极，二极管D3(n-1)的阴极接二极管D4(n-1)的阳极；...以此类推到二极管D31的阴极接二极管D41的阳极；
以此类推到第m模块，
模块m，电容Cmn一端接地，二极管Dmn的阴极接二极管D1(n-1)的阳极，二极管Dm(n-1)的阴极接二极管D1(n-2)的阳极；...以此类推到二极管Dm2的阴极接二极管D11的阳极。
最后在电容Cm1的另一端接二极管D0的阳极，二极管D0的阴极与电容C0和负载RL的一端相连，电容C0和负载RL的另一端与电容C1(n-1)一端相连。
本发明一种模块化大容量高增益的非隔离型整流器，技术效果如下：
1、本发明利用模块化非隔离型整流器实现高增益输出，根据需求调整每个模块中二极管和电容的个数来提高增益。同时二极管的电压应力也得到了降低，提高了变换器的工作效率。其中：
输入输出增益为(空载)：
二极管的电压应力为：
其中，m为模块数，n为模块中变压器二次侧二极管及电容的数量。
2、该变换器多模块并联运行时可实现自动均流，变压器的功率均分，无需传感器和控制策略来保证均流。
3、采用模块化结构实现高增益，省去了笨重而占体积的交流变压器，缩小了系统体积，减少了系统成本，应用范围广泛，提高了变换器的整体工作效率。
附图说明
图1是本发明电路原理总图。
图2是本发明电路为m＝4，n＝2的电路拓扑图。
图3是均流原理分析图。
图4是输入、输出电压仿真波形图。
图5是四个模块电流平均值仿真波形图。
图6是电容电压仿真波形图。
图7是二极管D22、D32、D0电压仿真波形图。
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，一种模块化高增益的4模块整流器，包含一个输入电源，4个模块，一个输出二极管D0，一个输出和滤波电容C0，负载RL，交流电源负极接地。第一个模块由1个电容C11及1个二极管D11构成，第二个模块由2个电容C21、C22及2个二极管D21、D22构成，第三个模块由2个电容C31、C32及2个二极管D31、D32构成，第四个模块由2个电容C41、C42及2个二极管D41、D42构成。该整流器具体连接方式如下：
4个模块中，
第一模块，电容C11一端引出，电容C11的另一端接二极管D11的阴极并引出，D11阳极引出；
第二模块，电容C22一端引出，电容C22的另一端接电容C21的一端，电容C22与电容C21的节点接二极管D22的阴极并引出，D22阳极引出，电容C21的另一端接二极管D21的阴极并引出，D21阳极引出；
第三模块，电容C32一端引出，电容C32的另一端接电容C31的一端，电容C32与电容C31的节点接二极管D32的阴极并引出，D32阳极引出，电容C31的另一端接二极管D31的阴极并引出，D31阳极引出；
第四模块，电容C42一端引出，电容C42的另一端接电容C41的一端，电容C42与电容C41的节点接二极管D42的阴极，D42阳极引出，电容C41的另一端接二极管D41的阴极并引出，D41阳极引出。
各个模块之间连接：
模块1，电容C11一端接交流电源一端，同时接二极管D22的阳极，二极管D11的阴极接二极管D21的阳极，二极管D11阳极接二极管D42阴极；
模块2，电容C22一端接地，二极管D22的阴极接二极管D32的阳极，二极管D21的阴极接二极管D31的阳极；
模块3，电容C32一端接交流电源一端，二极管D32的阴极接二极管D42的阳极，二极管D31的阴极接二极管D41的阳极；
模块4，电容C42一端接地，二极管D42的阴极接二极管D11的阳极。
最后在电容C41的另一端接二极管D0的阳极，二极管D0的阴极与电容C0和负载RL的一端相连，电容C0和负载RL的另一端与电容C11一端相连。
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)、当输入交流电处于正半轴时，输入电源通过二极管D22、电容C22形成回路，给电容C22充电，通过电容C11和二极管D21向电容C21充电，给C11放电；同时输入电源通过电容C32、二极管D42、电容C42形成回路，向电容C42充电，给C32放电，通过电容C31和二极管D41向电容C41充电，给C31放电；二极管Do、D11、D31、D32均关断。
(2)、当输入交流电处于负半轴时，输入电源通过电容C22、二极管D32、电容C32形成回路，向电容C32充电，给电容C22放电，通过电容C21和二极管D31向电容C31充电，给C21放电；同时输入电源通过电容C42、二极管D11、电容C11形成回路，向电容C11充电，给C42放电，通过电容C41和二极管Do，给C41放电，向电容Co充电同时向负载RL供电；二极管D21、D41、D22、D42均关断。
均流原理：
以图3中一列二极管电容为例。稳态时，从t0时刻起，输入电压uin从0开始上升，此时所有二极管均关断，滤波电容独自向负载放电。t1时刻，输入电压uin上升至(uC41-uC31)时，二极管D41开始导通，电容C31通过D41向电容C41充电，此阶段输入电压uin＝uC41-uC31。t2时刻，输入电压uin上升至电容C21的电压谷值时，D21导通，电源通过二极管D21向电容C21充电，uC21开始上升，此阶段uC21＝uin。当到达t＝π/2时刻时，输入电压uin上升至幅值uinmax，随即输入电压uin开始下降，这时uin<uC21，uin<(uC41-uC31)，所有二极管均关断，电源停止向电容C21充电，电容C31停止向电容C41充电，滤波电容C0开始向负载放电。
t＝π时刻时，输入电压uin降到0并开始反向增大。t3时刻,，输入电压uin反向增大至(uC31-uC21)时，二极管D31开始导通，电容C21通过D31向电容C31充电，此阶段|uin|＝uC31-uC21。t4时刻，输入电压uin反向增大至电容C41的电压峰值时，二极管D0开始导通，电容C41通过D0向滤波电容C0充电，此阶段|uin|＝uC0-uC41。当到达t＝3π/2时刻时，输入电压uin反向增大至幅值-uinmax，随即输入电压uin开始反向减小，这时|uin|<uC31-uC21，|uin|<uC0-uC41，所有二极管均关断，电容C41停止向滤波电容C0充电，电容C21停止向电容C31充电，滤波电容C0开始向负载放电。
根据电容C0的安秒平衡原理，输出电流I0等于二极管D0流过的电流ID0，由于电容C41的存在，流过二极管D41上的电流ID41等于ID0，以此类推，第一支路上，流过二极管D21上的电流ID21等于输出电流I0。同理，其他支路流过的电流也都等于输出电流I0，本发明实现了自动均流。扩展到n个模块同理并产生叠加，最终实现自动均流。
仿真参数：交流电源频率f＝50Hz，输入电压uin为幅值等于30V的正弦交流电，输出直流电压u0＝120V。图5可以看出流过四个模块的电流是均等的，每个模块自动均流。

Claims (2)

1.一种模块化大容量高增益的非隔离型整流器，其特征在于：该整流器包含一个输入电源，m个模块、 m为偶数,输出二极管D0，滤波电容C 0，负载R L ，交流电源负极接地；
第一个模块由n-1个电容C 11、C 12...C 1(n-1)及n-1个二极管D11、D12...D1(n-1)构成，第二个模块由n个电容C 21、C 22...C 2n 及n个二极管D21、D22...D2n 构成，...以此类推至第m个模块，第m个模块由n个电容C m1、C m2...C mn 及n个二极管D m1、D m2...D mn 构成；
该整流器连接方式如下：
m个模块中，
第一模块，电容C 1(n-1)一端引出，电容C 1(n-1)的另一端接电容C 1(n-2)的一端，电容C 1(n-1)与电容C 1(n-2)之间的节点接二极管D1(n-1)的阴极并引出，D1(n-1)阳极引出；...依次连接到第n个电容C 11的一端，C 11与C 12之间的节点接二极管D12的阴极，D12阳极引出，电容C 11的另一端接二极管D11的阴极并引出，D11阳极引出；
第二模块，电容C 2n 一端引出，电容C 2n 的另一端接电容C 2(n-1)的一端，电容C 2n 与电容C 2(n-1)的节点接二极管D2n 的阴极并引出，D2n 阳极引出；...依次连接到第n个电容C 21的一端，C 21与C 22之间的节点接二极管D22的阴极，D22阳极引出，电容C 21的另一端接二极管D21的阴极并引出，D21阳极引出；
第三模块，电容C 3n 一端引出，电容C 3n 的另一端接电容C 3(n-1)的一端，电容C 3n 与电容C 3(n-1)的节点接二极管D3n 的阴极并引出，D3n 阳极引出；...依次连接到第n个电容C 31的一端，C 31与C 32之间的节点接二极管D32的阴极，D32阳极引出，电容C 31的另一端接二极管D31的阴极并引出，D31阳极引出；
以此类推到第m模块，
第m模块，电容C mn 一端引出，电容C mn 的另一端接电容C m(n-1)的一端，电容C mn 与电容C m(n-1)的节点接二极管D mn 的阴极，D mn 阳极引出；...依次连接到第n个电容C m1的一端，C m1与C m2之间的节点接二极管D m2的阴极，D m2阳极引出，电容C m1的另一端接二极管D m1的阴极并引出，D m1阳极引出；
各个模块之间连接：
模块1，电容C 1(n-1)一端接交流电源一端，同时接二极管D2n 的阳极，二极管D1(n-1)的阴极接二极管D2(n-1)的阳极，二极管D1(n-1)的阳极接二极管D mn 阴极；...以此类推到二极管D11的阴极接二极管D21的阳极，二极管D11阳极接二极管D m2阴极；
模块2，电容C 2n 一端接地，二极管D2n 的阴极接二极管D3n 的阳极，二极管D2(n-1)的阴极接二极管D3(n-1)的阳极；...以此类推到二极管D21的阴极接二极管D31的阳极；
以此类推到第m模块，
模块3，电容C 3n 一端接交流电源一端，二极管D3n 的阴极接二极管D4n 的阳极，二极管D3(n-1)的阴极接二极管D4(n-1)的阳极；...以此类推到二极管D31的阴极接二极管D41的阳极；
以此类推到第m模块，
模块m，电容C mn 一端接地，二极管D mn 的阴极接二极管D1(n-1)的阳极，二极管D m(n-1)的阴极接二极管D1(n-2)的阳极；...以此类推到二极管D m2的阴极接二极管D11的阳极；
最后在电容C m1的另一端接二极管D0的阳极，二极管D0的阴极与滤波电容C 0和负载R L 的一端相连，滤波电容C 0和负载R L 的另一端与电容C 1(n-1)一端相连。
2.根据权利要求1所述一种模块化大容量高增益的非隔离型整流器，其特征在于：根据功率开关状态的不同，将电路分为两种工作状态：
（1）、当输入交流电处于正半轴时，输入电源通过二极管D 22、电容C 22形成回路，给电容C 22充电，通过电容C 11和二极管D 21向电容C 21充电，给C 11放电；同时输入电源通过电容C 32、二极管D 42、电容C 42形成回路，向电容C 42充电，给C 32放电，通过电容C 31和二极管D 41向电容C 41充电，给C 31放电；二极管D o、D 11、D 31、D 32均关断；
（2）、当输入交流电处于负半轴时，输入电源通过电容C 22、二极管D 32、电容C 32形成回路，向电容C 32充电，给电容C 22放电，通过电容C 21和二极管D 31向电容C 31充电，给C 21放电；同时输入电源通过电容C 42、二极管D 11、电容C 11形成回路，向电容C 11充电，给C 42放电，通过电容C 41和二极管D o，给C 41放电，向电容C o 充电同时向负载R L 供电；二极管D 21、D 41、D 22、D 42均关断。
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Application publication date: 20181023

Assignee: Nanjing Chixun Electric Technology Co.,Ltd.

Assignor: CHINA THREE GORGES University

Contract record no.: X2023980049857

Denomination of invention: A modular high-capacity and high gain non isolated rectifier

Granted publication date: 20231027

License type: Common License

Record date: 20231206