CN108880261B - 一种模块化软开关高增益dc/dc变换器 - Google Patents

一种模块化软开关高增益dc/dc变换器 Download PDF

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Abstract

一种模块化软开关高增益DC/DC变换器，该变换器包含m个模块，一个输出二极管D0，一个输出滤波电容C 0，负载R L ，其中，变压器T1至T m 一次侧的异名端分别相连，变压器T1至T m 二次侧的异名端也分别相连，电源负极接地。与现有的大容量隔离型高升压DC/DC变换技术相比，本发明DC/DC变换器的开关和二极管的电压应力、电流应力均得到了显著降低并可调节，输入输出增益高且也可调节，适用于大容量且输入输出需要电气隔离的应用场合。

Description

一种模块化软开关高增益DC/DC变换器
技术领域
本发明涉及一种直流-直流变换器，具体是一种模块化软开关高增益DC/DC变换器。
背景技术
海上风力发电具有对环境负面影响较少、风速较为稳定、允许风机机组更加大型化等优势，大容量远距离的海上风电是未来风电发展的趋势。由于传统的交流汇流存在频率同步性和谐波含量较高等诸多不利因素，因此海上风电直流汇流方式近年来受到了较多的研究和关注。而大容量高增益隔离型DC/DC变换器的不成熟也限制了该汇流方式的实际应用，目前方案常存在以下问题：(1)、多个模块并联运行时均流难、成本高且可靠性低；(2)、大容量高变比变压器设计及制造难度大。
发明内容
为解决现有技术中隔离型高增益变换器各器件电压电流应力高，各输入相电流均流难导致的控制策略复杂，系统成本高等问题，本发明提出一种模块化软开关高增益DC/DC变换器。该变换器通过调节各模块中二极管与电容的数量可实现对变换器输入输出增益及开关器件电压应力的调节，可以通过调节模块化的输入相数实现变换器中元器件电流应力的调节。同时各输入相自动均流的特点简化了控制及驱动电路的设计。
本发明采取的技术方案为：
一种模块化软开关高增益DC/DC变换器，该变换器包含m个模块，一个输出二极管D0，一个输出滤波电容C0，负载RL，其中，变压器T1至Tm一次侧的异名端分别相连，变压器T1至Tm二次侧的异名端也分别相连，电源负极接地；
m个模块的连接方式如下：
第一模块一次侧端，电感L1的一端引出，电感L1的另一端接漏感LK1一端，在电感L1和漏感LK1的结点分别接功率开关VT1漏极和辅助开关VTc1源极，功率开关VT1源极接地，功率开关VT1漏源极电容CVT1与功率开关VT1体二极管并联，辅助开关VTc1漏极接箝位电容Cc1的一端，箝位电容Cc1的另一端接地，漏感LK1的另一端接变压器T1一次侧的同名端。二次侧端，变压器T1二次侧同名端接电容C1(n-1)一端，电容C1(n-1)一端与变压器T1二次侧同名端之间的节点引出，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；
第二模块一次侧端，电感L2的一端引出，电感L2的另一端接漏感LK2一端，在电感L2和漏感LK2的结点分别接功率开关VT2漏极和辅助开关VTc2源极，功率开关VT2源极接地，功率开关VT2漏源极电容CVT2与功率开关VT2体二极管并联，辅助开关VTc2漏极接箝位电容Cc2的一端，箝位电容Cc2的另一端接地，漏感LK2的另一端接变压器T2一次侧的同名端。二次侧端，变压器T2二次侧同名端接电容C2n一端，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；
以此类推到第m模块，
第m模块，一次侧端，电感Lm的一端引出，电感Lm的另一端接漏感LKm一端，在电感Lm和漏感LKm的结点分别接功率开关VTm漏极和辅助开关VTcm源极，功率开关VTm源极接地，功率开关VTm漏源极电容CVTm与功率开关VTm体二极管并联，辅助开关VTcm漏极接箝位电容Ccm的一端，箝位电容Ccm的另一端接地，漏感LKm的另一端接变压器Tm一次侧的同名端。二次侧端，变压器Tm二次侧同名端接电容Cmn一端，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。
各个模块之间连接方式如下：
模块1，电感L1一端接电源正极，电容C1(n-1)一端与变压器T1之间节点的引出端接二极管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，电感L2一端接电源正极，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m，电感Lm一端接电源正极，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的另一端引出二极管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的另一端与变压器T1二次侧同名端相连。
该变换器m个功率开关VT1、VT2...VTm的栅极分别接各自的控制器，m个辅助开关VTc1、VTc2...VTcm的栅极也分别接各自的控制器，下标为奇数的功率开关VT1、VT3...VTm-1控制信号一致，下标为偶数的功率开关VT2、VT4...VTm控制信号一致，且两者相位相差180°，辅助箝位开关与所对应支路的功率主开关互补导通。
本发明为一种模块化软开关高增益DC/DC变换器，技术效果如下：
1、本发明利用模块化隔离型DC/DC变换器实现高增益输出，通过调节各模块中二极管与电容的数量可实现对变换器输入输出增益及开关器件电压应力的调节，可以通过调节模块化的输入相数实现变换器中元器件电流应力的调节。其中：
输入输出增益为：
开关管电压应力为：
二极管D0的电压应力为：
二极管D11、D21...Dmn的电压应力为：
开关管的电流应力为：
二极管的电流应力为：
其中，N为变压器变比，m为模块数，n为横向自由度的个数，D为占空比。
2、该变换器使用隔离型变压器，无需过大的变压器匝数比，变压器设计简单，效率高、成本低，且开关管电压应力得到显著降低，更适用于大容量高增益场合。
3、各个模块之间可实现自动均流，控制策略及驱动电路简单。
4、所有开关管实现了零电压导通，二极管实现了零电流关断，变换器工作效率较高。
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是主开关VT1、VT2驱动信号、及电压、电流仿真波形图。
图4是辅助开关VTC1、VTC2驱动信号、及电压、电流仿真波形图。
图5是电容电压仿真波形图。
图6是二极管D22、D32电压电流仿真波形图。
图7是电感IL1、IL2、IL3、IL4、电流及漏感ILK1、ILK2、ILK3、ILK4电流仿真波形图。
图8是箝位电容CC1、CC2电压波形和输入、输出电压仿真波形图。
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，一种模块化软开关高增益的4模块DC/DC变换器，它包含4个模块，一个输出二极管D0，一个输出滤波电容C0，负载RL，其中，变压器T1至T4一次侧的异名端分别相连，变压器T1至T4二次侧的异名端也分别相连，电源负极接地。
4个模块的连接方式如下：
第一模块，一次侧端，电感L1的一端引出，另一端接漏感LK1一端，在电感L1和漏感LK1的结点分别接功率开关VT1漏极和辅助开关VTc1源极，功率开关VT1源极接地，功率开关VT1漏源极电容CVT1与功率开关VT1体二极管并联，辅助开关VTc1漏极接箝位电容Cc1的一端，箝位电容Cc1的另一端接地，漏感LK1的另一端接变压器T1一次侧的同名端。二次侧端，变压器T1二次侧同名端接电容C11一端，电容C11一端与变压器T1二次侧同名端之间的节点引出，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，一次侧端，电感L2的一端引出，另一端接漏感LK2一端，在电感L2和漏感LK2的结点分别接功率开关VT2漏极和辅助开关VTc2源极，功率开关VT2源极接地，功率开关VT2漏源极电容CVT2与功率开关VT2体二极管并联，辅助开关VTc2漏极接箝位电容Cc2的一端，箝位电容Cc2的另一端接地，漏感LK2的另一端接变压器T2一次侧的同名端。二次侧端，变压器T2二次侧同名端接电容C22一端，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，一次侧端，电感L3的一端引出，另一端接漏感LK3一端，在电感L3和漏感LK3的结点分别接功率开关VT3漏极和辅助开关VTc3源极，功率开关VT3源极接地，功率开关VT3漏源极电容CVT3与功率开关VT3体二极管并联，辅助开关VTc3漏极接箝位电容Cc3的一端，箝位电容Cc3的另一端接地，漏感LK3的另一端接变压器T3一次侧的同名端。二次侧端，变压器T3二次侧同名端接电容C32一端，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，一次侧端，电感L4的一端引出，另一端接漏感LK4一端，在电感L4和漏感LK4的结点分别接功率开关VT4漏极和辅助开关VTc4源极，功率开关VT4源极接地，功率开关VT4漏源极电容CVT4与功率开关VT4体二极管并联，辅助开关VTc4漏极接箝位电容Cc4的一端，箝位电容Cc4的另一端接地，漏感LK4的另一端接变压器T4一次侧的同名端。二次侧端，变压器T4二次侧同名端接电容C42一端，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。
各个模块之间连接方式如下：
模块1，电感L1一端接电源正极，电容C11一端与变压器T1之间节点的引出端接二极管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，电感L2一端接电源正极，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，电感L3一端接电源正极，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，电感L4一端接电源正极，二极管D42的阴极接二极管D11的阳极。
最后在电容C41的另一端引出二极管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的另一端与变压器T1二次侧同名端相连。
为简化其分析过程，均假设：①电感电流iL1、iL2、iL3、iL4连续；②电容Co、C11、C21、C22...C42足够大，其上电压保持不变；③所有器件都是理想器件，不考虑寄生参数等的影响；④箝位电容与漏感间的谐振周期远大于开关关断时间，且忽略箝位电容上的电压纹波；⑤有源开关全采用交错控制策略，而且开关占空比D>0.5；⑥辅助开关与各自支路的主开关互补导通，且主开关与相应的辅助开关在切换时留有足够的死区时间。
根据功率开关状态的不同，在一个开关周期T内可以将电路分为21种工作状态(由于其他输入相回路状态相同，这里只分析第一输入相的工作状态)：
(1)状态1(t0～t1)。功率开关VT1、VT2均导通，此时输入电源通过功率开关VT1、VT2分别向电感L1、L2充电，iL1、iL2在输入电源uin的激励下线性上升；变压器次级所有二极管均关断，辅助开关VTC1、VTC2均关断，箝位电容CC1、CC2上的电压均保持不变，输出滤波电容独自向负载供电，输出电压uo下降。
(2)状态2(t1～t2)。在t1时刻功率开关VT1的驱动信号关断，功率开关VT2保持导通，电感电流iL2在输入电源的激励下继续线性上升；电感电流iL1向开关VT1的漏源极电容CVT1充电，由于电容CVT1的存在，限制了开关VT1漏源极电压的上升速度，可以有效降低开关VT1的关断损耗；该过程持续到电容CVT1上的电压上升至uo/(8N)结束，其中N为变压器变比。
(3)状态3(t2～t3)。在t2时刻开关VT1漏源极电容CVT1上的电压上升至uo/(8N)，二极管D22、D21导通，漏感电流iLK1开始上升，但由于漏感Lk1的存在，iLK1上升速度受限，因此二极管D22、D21实现了近似零电流导通。电感电流iL1继续为电容CVT1充电，该过程持续到电容CVT1上的电压上升至uCC1结束。由于电容CVT1非常小，所以从漏感电流开始上升到电容CVT1端电压为uCC1的过程很短，因此在电路性能分析时可以忽略该过程的影响，认为漏感电流iLk1上升的时刻与电容CVT1端电压被电容CC1箝位的时刻一致。
(4)状态4(t3～t4)。在t3时刻电容CVT1端电压上升至uCC1，辅助开关VTC1的体二极管导通，由于箝位电容CC1相对电容CVT1来说很大，因此大部分电感电流iL1流入箝位电容CC1中，开关管VT1漏源极电压被箝位在uCC2，且从此刻开始漏感Lk1、箝位电容CC1以及变压器次级电容将会形成一个谐振电路，由于变压器次级电容设计时足够大，其电压纹波可以忽略，因此在分析其谐振过程时可以等效为一个恒定的电压源。这个谐振周期与漏感Lk1和箝位电容CC1的值有关(忽略电容CVT1的影响)，且谐振周期必须足够大，以保证电路的可靠工作。该谐振过程会持续到t4时刻(辅助开关VTC1驱动信号到来)结束。
(5)状态5(t4～t5)。在t4时刻辅助开关VTC1的驱动信号到来，因其体二极管已导通，故辅助开关VTC1实现零电压开通；该状态下漏感电流iLk1近似线性上升，该过程持续到iLk1上升至电感电流iL1时结束。
(6)状态6(t5～t6)。在t5时刻漏感电流iLk1上升至电感电流iL1，箝位电容电压uCC1停止上升并开始向漏感Lk1进行放电，漏感电流iLk1继续上升，该过程持续到辅助开关VTC1关断时结束。
(7)状态7(t6～t7)。在t6时刻辅助开关VTC1的驱动信号关闭，电容CVT1的存在限制了开关VTC1端电压的上升速率，可以有效降低开关VTC1的关断损耗，之后箝位电容CC1退出谐振电路，此时仅余开关VT1漏源极电容CVT1独立向漏感Lk1谐振放电，该状态持续到电容CVT1上电压下降至uo/(8N)结束。
(8)状态8(t7～t8)。在t7时刻电容CVT1上的电压下降至uo/(8N)，漏感Lk1端电压反向，漏感电流iLk1达到最大值并于此刻开始下降，电容CVT1通过漏感Lk1继续放电，该过程持续到电容CVT1上的电压下降至0。
(9)状态9(t8～t9)。在t8时刻电容CVT1上电压下降至0，主开关VT1的体二极管导通，漏感Lk1端电压为-uo/(8N)，漏感电流iLk1线性下降，电感电流iL1、iL2在输入电源uin的激励下线性上升；该过程持续到主开关VT1的驱动信号开通时结束。
(10)状态10(t9～t10)。在t9时刻主开关VT1的驱动信号开通，由于其体二极管已经导通，主开关VT1实现了零电压开通，漏感电流iLk1继续线性下降，该过程持续到漏感电流iLk1下降至电感电流iL1时结束。
(11)状态11(t10～t11)。在t10时刻漏感电流iLk1下降至电感电流iL1，主开关VT1的电流在此时反向，该过程持续到漏感电流iLk1下降至0时结束。变压器次级二极管D22、D21的电流也随之下降至0。值得注意的是受漏感电流iLk1下降速率的控制，二极管D22、D21的电流下降速率也得到了有效控制，实现了近似零电流关断，可以有效降低二极管的反向恢复损耗。在t10时刻之后，次级二极管D11～D42均反向截止，主开关VT1、VT2均导通，电感电流iL1、iL2在输入电源uin的激励下线性上升，与状态1一致。
第二输入相中，主开关VT2、辅助开关VTC2的开关切换状态与主开关VT1、辅助开关VTC1的开关切换状态相似。第三输入相与第一输入相同时运行，状态一致。第二输入相与第四输入相同时运行，状态一致。其他输入相这里不再赘述。
仿真参数：所有开关频率f＝50kHz，变压器变比N＝1，主开关占空比D＝0.7，输入电压uin＝30V，输出电压u0接近800V，额定功率P0＝3200W。可以看出流过4个电感的电流相等，每个模块自动均流。开关管实现了零电压导通，二极管实现了零电流关断，并限制了其电压应力尖峰。

Claims (1)

1.一种模块化软开关高增益DC/DC变换器，其特征在于：该变换器包含m个模块，一个输出二极管D0，一个输出滤波电容C 0，负载R L ，其中，变压器T1至T m 一次侧的异名端分别相连，变压器T1至T m 二次侧的异名端也分别相连，电源负极接地；
m个模块的连接方式如下：
第一模块一次侧端：电感L 1的一端引出，电感L 1的另一端接漏感L K1一端，在电感L 1和漏感L K1的结点分别接功率开关VT1漏极和辅助开关VTc1源极，功率开关VT1源极接地，功率开关VT1漏源极电容C VT1与功率开关VT1体二极管并联，辅助开关VTc1漏极接箝位电容C c1的一端，箝位电容C c1的另一端接地，漏感L K1的另一端接变压器T1一次侧的同名端；第一模块二次侧端：变压器T1二次侧同名端接电容C 1(n-1)一端，电容C 1(n-1)一端与变压器T1二次侧同名端之间的节点引出，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；
第二模块一次侧端：电感L 2的一端引出，电感L 2的另一端接漏感L K2一端，在电感L 2和漏感L K2的结点分别接功率开关VT2漏极和辅助开关VTc2源极，功率开关VT2源极接地，功率开关VT2漏源极电容C VT2与功率开关VT2体二极管并联，辅助开关VTc2漏极接箝位电容C c2的一端，箝位电容C c2的另一端接地，漏感L K2的另一端接变压器T2一次侧的同名端；第二模块二次侧端：变压器T2二次侧同名端接电容C 2n 一端，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；
以此类推到第m模块，
第m模块一次侧端：电感L m 的一端引出，电感L m 的另一端接漏感L Km 一端，在电感L m 和漏感L Km 的结点分别接功率开关VT m 漏极和辅助开关VTcm 源极，功率开关VT m 源极接地，功率开关VT m 漏源极电容C VTm 与功率开关VT m 体二极管并联，辅助开关VTcm 漏极接箝位电容C cm 的一端，箝位电容C cm 的另一端接地，漏感L Km 的另一端接变压器T m 一次侧的同名端；第m模块二次侧端：变压器T m 二次侧同名端接电容C mn 一端，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；
各个模块之间连接方式如下：
第一模块：电感L 1一端接电源正极，电容C 1(n-1)一端与变压器T1之间节点的引出端接二极管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；
第一模块：电感L 2一端接电源正极，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：
第m模块：电感L m 一端接电源正极，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的另一端引出二极管D0的阳极，二极管D0的阴极与电容C 0和负载R L 的一端相连，电容C 0和负载R L 的另一端与变压器T1二次侧同名端相连；
该变换器m个功率开关 VT1、VT2...VT m 的栅极分别接各自的控制器，m个辅助开关 VTc1、VTc2...VTcm 的栅极也分别接各自的控制器，下标为奇数的功率开关VT1、VT3...VT m-1控制信号一致，下标为偶数的功率开关VT2、VT4...VT m 控制信号一致，且两者相位相差180°，辅助箝位开关与所对应支路的功率主开关互补导通。
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Assignee: Nanjing Chixun Electric Technology Co.,Ltd.

Assignor: CHINA THREE GORGES University

Contract record no.: X2023980049857

Denomination of invention: A Modular Soft Switching High Gain DC/DC Converter

Granted publication date: 20231027

License type: Common License

Record date: 20231206