CN108880235A - 单输入多输出m开关组dc-dc变换器及其控制方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供单输入多输出M开关组DC‑DC变换器及其控制方法。变换器包括直流输入电源、M‑1路直流负载、M个开关组和耦合电感。每个开关组均由N个功率开关单元串联而成。本发明电路具有M个端口，与一路直流电源、M‑1路直流负载的连接方式可分为三种，第一种方式实现降压，第二种方式实现升压，第三种方式实现升降压，并且在第三种方式中，通过改变直流电源连接的具体端口，可以实现多种不同电压等级的升降压。本发明采用载波移相PWM控制，对功率开关单元中开关管的导通、关断进行控制，实现负载电压的调节。本发明适合单输入多输出的高压大功率直流应用场合。

Description

单输入多输出M开关组DC-DC变换器及其控制方法
技术领域
本发明涉及分布式发电系统和直流输电领域，具体涉及一种单输入多输出M开关组DC-DC变换器及其控制方法。
背景技术
随着新能源发电技术的发展、直流负载的增多和高压直流输电的发展，DC-DC变换器在分布式发电系统、风电场能量汇集和直流输电领域的应用也迅速增长。在这些领域，如何同时连接多个直流电源、直流负载和实现高压大功率变换是两个重要的技术问题。针对多个直流电源、直流负载的连接，传统上使用多个DC-DC变换器将直流电源和直流负载连接到直流母线上，通过直流母线实现能量汇集和分配，使用多个变换器无疑增加了系统成本和复杂性。因此，研究多端DC-DC高压变换器势在必行。
发明内容
本发明的目的在于克服上述现有技术的不足，提出一种单输入多输出M开关组DC-DC变换器及其控制方法。
本发明的目的采用如下技术方案之一实现。
单输入多输出M开关组DC-DC变换器包括直流输入电源、M-1路直流负载、M个开关组和耦合电感。每个开关组均由N个功率开关单元串联而成，N为正整数。第j开关组Aj的上端构成变换器第j端口Tj，j取值为1～M-1，第M-1开关组的下端构成端口TM，第M开关组的下端与接地点n相连。
进一步的，单输入多输出M开关组DC-DC变换器的第一端口T1的电压U1、第二端口T2的电压U2、…、第M-1端口TM-1的电压UM-1、第M端口TM的电压UM满足U1>U2>…>UM-1>UM。
进一步的，直流输入电源Udc、M-1路直流负载(R1、R2、…、RM-1)与M个端口(T1、T2、…、TM)有三种不同连接方式。第一种方式：第一端口T1连接直流输入电源Udc的正极，直流输入电源Udc的负极与地n连接，第二端口T2至第M端口TM依次分别与M-1路直流负载(R1、R2、…、RM-1)的一端连接，M-1路直流负载(R1、R2、…、RM-1)的另一端与地连接，实现降压功能；第二种方式：直流输入电源Udc的正极连接第M端口，直流输入电源Udc的负极与地n连接，第一端口至第M-1端口依次分别与M-1路直流负载(R1、R2、…、RM-1)的一端连接，M-1路直流负载(R1、R2、…、RM-1)的另一端与地连接，实现升压功能；第三种方式：直流输入电源Udc的正极连接第j端口(j取值为2～M-1)，直流输入电源Udc的负极与地n连接，其余M-1个端口依次分别与M-1路直流负载(R1、R2、…、RM-1)的一端连接，M-1路直流负载(R1、R2、…、RM-1)的另一端与地连接，同时实现升降压功能，而且通过改变直流电源正极连接的具体端口，可以实现多种不同电压等级的升降压。
进一步的，桥臂中的耦合电感可由上桥臂电感和下桥臂电感两个数值相等的独立电感替代。
进一步的，功率开关单元包括第一开关管、第二开关管、第一二极管、第二二极管和电容；其中，电容的正极与第二开关管的集电极、第二二极管的阴极连接，第二开关管的发射极与第二二极管的阳极、第一开关管的集电极、第一二极管的阴极连接，第一开关管的发射极与第一二极管的阳极、电容的负极连接；第一开关管的集电极作为第一输出端，第一开关管的发射极作为第二输出端。
进一步的，每个开关组的第i个功率开关单元的第二输出端与第i+1个功率开关单元的第一输出端连接，其中i取值为1～(N-1)。
本发明上述变换器的控制方法是:采用载波移相PWM技术控制M个开关组(A1、A2、…、AM)中开关管的导通与关断；用于与调制波比较产生每个开关组第i个功率开关单元控制信号的三角载波uCi相同，其中，i取值为1～N；N个载波(uC1、uC2、…、uCN)依次滞后相角360°/N；M-1路调制波uRef1～uRefM-1采用直流波。
上述控制方法中，第j路调制波uRefj与第i个载波uCi通过比较器COMPji进行比较，当第j调制波uRefj大于第i个载波uCi时，比较器COMPji输出高电平，当第j调制波uRefj小于第i个载波uCi时，比较器COMPji输出低电平，其中，j的取值为1～M-1。比较器COMP1i的输出作为第一开关组A1的第i个功率开关单元SMA1i的第一开关管S1门极的控制电平，比较器COMPji输出通过非门后与比较器COMPj-1i的输出一起通过异或门，得到第j的开关组Aj的第i个功率开关单元SMAji的第一开关管S1门极的控制电平，其中：j的取值为2～M-1，比较器COMPM-1i的输出通过非门得到第M个开关组AM的第i个功率开关单元SMAMi的第一开关管S1门极的控制电平。每个开关组的每个功率开关单元中第一开关管S1门极的控制电平反相后得到该功率开关单元的第二开关管S2门极的控制电平。
与现有技术相比，本发明具有如下优点：单输入多输出M开关组DC-DC变换器具有MMC的优点，通过改变开关组中的模块个数N，可以实现任意输出电压，适合高压、大功率场合的应用；与现有的DC-DC变换电路拓扑相比，本发明提出的DC-DC变换器能在一个输入直流电源的情况下，实现M-1路直流输出，极大地降低了工程成本；通过选择变换器端口与直流电源、直流负载间不同的连接方式，单输入多输出M开关组DC-DC变换器能实现升压、降压、同时升降压的功能。
附图说明
图1是单输入多输出M开关组DC-DC变换器第二种连接方式下的电路结构图；
图2是图1所示单输入多输出M开关组DC-DC变换器的功率单元电路结构图；
图3是图1所示的单输入多输出M开关组DC-DC变换器的载波移相PWM控制方法的结构图；
图4是单输入三输出四开关组DC-DC变换器所采用载波移相PWM控制方法的调制波和载波波形。
图5是单输入三输出四开关组DC-DC变换器的仿真波形图。
具体实施方式
为进一步阐述本发明的内容和特点，以下结合附图对本发明的具体实施方案进行具体说明，但本发明的实施不限于此。需指出的是，以下若有未特别详细说明之过程或符号，均是本领域技术人员可参照现有技术理解或实现的。
参考图1，本实施例的单输入多输出M开关组DC-DC变器，包括直流输入电源Udc、M-1路直流负载(R1、R2、…、RM-1)、M个开关组(A1、A2、…、AM)和耦合电感(Lp：Ls)；每个开关组由N个功率单元串联组成，N为正整数，本实例中M为大于等于4的正整数。第一开关组A1的下端与耦合电感(Lp：Ls)原边Lp的同名端连接，耦合电感(Lp：Ls)原边Lp的非同名端与第二开关组A2的上端连接，第j开关组Aj的下端与第j+1开关组Aj+1的上端连接，j取值为2～M-2，第M-1开关组AM-1的下端与耦合电感(Lp：Ls)副边Ls的同名端相连，耦合电感(Lp：Ls)副边Ls的非同名端与第M开关组AM的上端连接，第M开关组AM的下端与地端n连接。第二种连接方式下第一端口T1至第M-1端口TM-1分别依次与M-1路直流负载(R1、R2、…、RM-1)的一端相连，M-1路直流负载(R1、R2、…、RM-1)的另一端与地相连，第M端口TM与直流输入电源Udc的正极连接，直流输入电源Udc的负极与地n连接。如图1所示，每个开关组(Aj)的第i个功率开关单元(SMAji)的第二输出端与第i+1个功率开关单元(SMAj(i+1))的第一输出端连接，其中i取值为1～N-1，j取值为1～M。开关组中功率模块采用图2所示半桥子模块。
如图1所示，可得直流电源电压Udc、M-1路负载两端电压U1～UM-1为：
uLp＝uLs (2)
结合(1)(2)可得
其中，2≤j≤M。
根据载波移相调制策略，选用M-1路调制波为：
本例中单输入三输出四开关组DC-DC变换器采用第二种连接方式，并且N＝4，Uc＝60V，U4＝Udc＝48V。为了获得三路输出U1＝200V，U2＝160V，U3＝100V，由式(4)算得调制波uref1＝0.5，uref2＝0，uref3＝-13/30。所得调制波和载波的波形如图4所示。
单输入三输出四开关组DC-DC变换器采用载波移相PWM技术控制M个开关组(A1、A2、A3、A4)中开关管的导通与关断；与调制波比较得到每个开关组第i个功率开关单元控制信号的载波uCi相同，其中：i取值为1～4；4个载波(uC1、uC2、uC3、uC4)依次滞后相角90°，3路直流调制波为uRef1＝0.5，uRef2＝0，uRef3＝-13/30。第j路调制波uRefj与第i个载波uCi通过第j比较器进行比较，当第j调制波uRefj大于第i个载波uCi时，第j比较器输出高电平，当第j调制波uRefj小于第i个载波uCi时，第j比较器输出低电平，j的取值为1～M-1。比较器COMP1i的输出作为第一开关组A1的第i个功率开关单元SMA1i的第一开关管S1门极的控制电平，比较器COMPji输出通过非门后与比较器COMPj-1i的输出一起通过异或门，得到第j的开关组Aj的第i个功率开关单元SMAji的第一开关管S1门极的控制电平，其中：j的取值为2～M-1，比较器COMPM-1i的输出通过非门得到第M个开关组AM的第i个功率开关单元SMAMi的第一开关管S1门极的控制电平。每个开关组的每个功率开关单元中第一开关管S1门极的控制电平反相后得到该功率开关单元的第二开关管S2门极的控制电平。
图5为N＝4，Udc＝240V时，单输入三输出四开关组DC-DC变换器的仿真波形图，从上到下依次是第一调制波uRef1、第二调制波uRef2、第三调制波uRef3、第一负载电压U1和第一开关组输出电压uA1、第二负载电压U2和第二开关组的电压uA2，第三负载电压U3和第三开关组电压uA3，直流输入电压Udc和第四开关组电压uA4。从波形图可见，U1、U2、U3虽然为脉动直流，但其平均值分别为目标直流电压200V、160V、100V。
上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受所述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1. 单输入多输出M开关组DC-DC变换器，其特征在于：包括一个直流输入电源（U dc）、M-1路直流负载（R 1、R 2、…、R M-1）、M个开关组（A1、A2、…、AM）和耦合电感（L p：L s）串联而成；第j个开关组（Aj）由N个功率单元（SMAj1、SMAj2、…、SMAjN）串联组成， j的取值为1~M，N为正整数；第j开关组（Aj）的上端构成变换器第j端口Tj，j取值为1~M-1，第M-1开关组的下端构成端口TM，第M开关组的下端与接地点n相连。
2. 根据权利要求1所述的单输入多输出M开关组DC-DC变换器，其特征在于：第一端口（T1）的电压为U 1，第二端口（T2）的电压为U 2，依次顺序，第M-1端口（TM-1）的电压为U M-1，第M端口（TM）的电压为U M，且满足U 1>U 2>…> U M-1>U M。
3.根据权利要求1所述的单输入多输出M开关组DC-DC变换器，其特征在于：直流输入电源（U dc）、M-1路直流负载（R 1、R 2、…、R M-1）与M个端口（T1、T2、…、TM）有三种不同连接方式；第一种方式为：第一端口（T1）连接直流输入电源（U dc）的正极，直流输入电源（U dc）的负极与地（n）连接，第二端口（T2）至第M端口（TM）依次分别与M-1路直流负载（R 1、R 2、…、R M-1）的一端连接，M-1路直流负载（R 1、R 2、…、R M-1）的另一端与地连接，实现降压功能；第二种方式为：直流输入电源（U dc）的正极连接第M端口，直流输入电源（U dc）的负极与地（n）连接，第一端口（T1）至第M-1端口（TM-1）依次分别与M-1路直流负载（R 1、R 2、…、R M-1）的一端连接，M-1路直流负载（R 1、R 2、…、R M-1）的另一端与地连接，实现升压功能；第三种方式为：直流输入电源（U dc）的正极连接第j端口，j取值为2~M-1，直流输入电源（U dc）的负极与地（n）连接，其余M-1个端口依次分别与M-1路直流负载（R 1、R 2、…、R M-1）的一端连接，M-1路直流负载（R 1、R 2、…、R M-1）的另一端与地连接，同时实现升降压功能。
4.根据权利要求1所述的单输入多输出M开关组DC-DC变换器，其特征在于：耦合电感可由上桥臂电感（L p）和下桥臂电感（L s）两个数值相等的独立电感替代。
5. 根据权利要求1所述的单输入多输出M开关组DC-DC变换器，其特征在于：第一开关组（A1）的下端与耦合电感原边（L p）的同名端连接，耦合电感原边（L p）的非同名端与第二开关组（A2）的上端连接，第j开关组（Aj）的下端与第j+1开关组（Aj+1）的上端连接，j的取值为2~M-2, 第M-1开关组的下端与耦合电感副边（L s）的同名端连接，耦合电感副边（L s）的非同名端与第M开关组（AM）的上端连接，第M开关组（AM）的下端与地端（n）连接。
6.根据权利要求1所述的单输入多输出M开关组DC-DC变换器，其特征在于：功率开关单元包括第一开关管（S1）、第二开关管（S2）、第一二极管（D1）、第二二极管（D2）和电容（CSM）；其中，电容（CSM）的正极与第二开关管（S2）的集电极、第二二极管（D2）的阴极连接，第二开关管（S2）的发射极与第二二极管（D2）的阳极、第一开关管（S1）的集电极、第一二极管（D1）的阴极连接，第一开关管（S1）的发射极与第一二极管（D1）的阳极、电容（CSM）的负极连接；第一开关管（S1）的集电极作为第一输出端，第一开关管（S1）的发射极作为第二输出端。
7.根据权利要求1所述的单输入多输出M开关组DC-DC变换器，其特征在于：每个开关组（Aj）的第i个功率开关单元（SMAji）的第二输出端与第i+1个功率开关单元（SMAj(i+1)）的第一输出端连接，其中i取值为1~（N-1），j取值为1~M。
8.用于权利要求1所述的单输入多输出M开关组DC-DC变换器的控制方法，其特征在于：采用载波移相PWM技术控制M个开关组（A1、A2、…、AM）中开关管的导通与关断；用于与调制波比较产生控制每个开关组第i个功率开关单元的载波u Ci相同，其中：i取值为1~N；N个载波（u C1、u C2、…、u CN）依次滞后相角360°/N；M-1路调制波u Ref1~ u Ref（M-1）均采用直流波。
9.根据权利要求8所述的控制方法，其特征在于：第j路调制波u Refj与第i个载波u Ci通过比较器COMPji进行比较，当第j调制波u Refj大于第i个载波u Ci时，比较器COMPji输出高电平，当第j调制波u Refj小于第i个载波u Ci时，比较器COMPji输出低电平，其中，j的取值为1~M-1，i的取值为1~N；
比较器COMP1i的输出作为第一开关组（A1）的第i个功率开关单元（SMA1i）的第一开关管（S1）门极的控制电平（u gA1i），比较器COMPji的输出通过非门后与比较器COMP（j-1）i的输出一起通过异或门，得到第j的开关组（Aj）的第i个功率开关单元（SMAji）的第一开关管（S1）门极的控制电平（u gAji），比较器COMP（M-1）i的输出通过非门得到第M个开关组（AM）的第i个功率开关单元（SMAMi）的第一开关管（S1）门极的控制电平（u gAMi）；
每个开关组的每个功率开关单元中第一开关管（S1）门极的控制电平反相后得到该功率开关单元的第二开关管（S2）门极的控制电平。
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