CN109494983A - 一种直流变换器 - Google Patents

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刘海涛
刘良杰
徐绍龙
甘韦韦
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曾明高
丁磊磊
杜超
袁芳
彭学标
林超勇
严志勇
莫劲威
贺庚良
钟建
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Abstract

本申请公开了一种直流变换器，包括：与中间直流支撑单元串联的交错并联Boost升压电路，所述交错并联Boost升压电路包括第一预设数量条并联的升压支路，每条所述升压支路均包括第一电抗器、第一二极管和第一开关管；与所述中间直流支撑单元和所述交错并联Boost升压电路串联的交错并联Buck降压电路，所述交错并联Buck降压电路包括第二预设数量条并联的降压支路，每条所述降压支路均包括第二电抗器、第二开关管和第二二极管；该直流变换器能够在较宽的电压输入范围内保持稳定的输出，扩宽了直流变换器的工作范围。

Description

一种直流变换器
技术领域
本申请涉及电能变换装置领域，特别涉及一种直流变换器。
背景技术
在大容量直流电源供电的场合，负载对变换器的输出精度、纹波有很高的要求。单个电源功率模块容量和开关管的应力有限。此外，用电负载还要求供电设备有冗余，支路故障时仍能继续供电。当交流电源供电时，交流电源电压波动致整流后的直流电压波动；蓄电池或超级电容供电时，蓄电池或超级电容电量的消耗将导致变换器的输入电压不是恒定的，而对变换器要求一个固定的输出电压。输入电压波动或变化范围大，如何保证变换器在较宽的电压输入范围内的稳定输出就显得至关重要。
现有技术中，采用Buck变换器和Boost变换器串联的结构，通过对分别控制Buck的占空比和Boost变换器的输入电压，实现对直流微电网的母线电压更大程度线性化控制，实现母线电压稳定。但该技术在输入电压变化时，控制输出电压稳定将比较复杂。
因此，如何保证变换器在较宽的电压输入范围内保持稳定的输出，是本领域技术人员目前需要解决的技术问题。
申请内容
本申请的目的是提供一种直流变换器，能够保证变换器在较宽的电压输入范围内保持稳定的输出。
为解决上述技术问题，本申请提供一种直流变换器，该直流变换器包括：
与中间直流支撑单元串联的交错并联Boost升压电路，所述交错并联Boost升压电路包括第一预设数量条并联的升压支路，每条所述升压支路均包括第一电抗器、第一二极管和第一开关管；
与所述中间直流支撑单元和所述交错并联Boost升压电路串联的交错并联Buck降压电路，所述交错并联Buck降压电路包括第二预设数量条并联的降压支路，每条所述降压支路均包括第二电抗器、第二开关管和第二二极管；
位于电源输入模块与所述交错并联Boost升压电路之间，限制充电电流大小的预充电电路；
其中，所述中间直流支撑单元位于所述交错并联Boost升压电路和所述交错并联Buck降压电路之间；所述第一电抗器的第一端与电源输入模块的输出正端相连，所述第一电抗器的第二端与所述第一二极管的阳极和所述第一开关管的第一端相连，所述第一开关管的第二端与所述中间直流支撑单元和所述电源输入模块的输出负端相连；所述第二电抗器的第一端与电源输出模块的输入正端相连，所述第二电抗器的第二端与所述第二二极管的阴极和所述第二开关管的第二端相连，所述第二二极管的阳极与所述中间直流支撑单元和所述电源输出模块的输入负端相连。
可选的，所述预充电电路包括：
并联的短接接触器和充电电路；其中，所述充电电路包括充电接触器和充电电阻，所述充电接触器的第一端与所述电源输入模块的输入正端相连，所述充电接触器的第二端与所述充电电阻的第一端相连，所述充电电阻的第二端与所述第一电抗器的第一端相连。
可选的，所述电源输出模块包括：
对输出电压进行滤波处理的输出滤波电容；
与所述滤波电容并联的等效负载电阻。
可选的，还包括：
与所述等效负载电阻相连，用于在所述输出电压不满足阈值时断开电路的断路模块。
可选的，所述电源输入模块为提供稳定直流电压的蓄电池或超级电容。
可选的，所述电源输入模块为提供稳定直流电压的交流整流后的电源。
本申请提供了一种直流变换器，与中间直流支撑单元串联的交错并联Boost升压电路，所述交错并联Boost升压电路包括第一预设数量条并联的升压支路，每条所述升压支路均包括第一电抗器、第一二极管和第一开关管；与所述中间直流支撑单元和所述交错并联Boost升压电路串联的交错并联Buck降压电路，所述交错并联Buck降压电路包括第二预设数量条并联的降压支路，每条所述降压支路均包括第二电抗器、第二开关管和第二二极管；位于电源输入模块与所述交错并联Boost升压电路之间，限制充电电流大小的预充电电路。
本申请中的交错并联Boost升压电路能够将输入的电压提升到预设大小且保持稳定，与交错并联Boost升压电路串联的交错并联Buck降压电路能够将交错并联Boost升压电路提升的电压降低至符合变换器输出要求的电压。该直流变换器能够在较宽的电压输入范围内保持稳定的输出，扩宽了直流变换器的工作范围。
附图说明
为了更清楚地说明本申请实施例，下面将对实施例中所需要使用的附图做简单的介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本申请实施例所提供的一种直流变换器的结构示意图；
图2为本申请实施例所提供的另一种直流变换器的结构示意图；
图3为本申请实施例在实际应用中的工作波形示意图。
具体实施方式
为使本申请实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。
下面请参见图1，图1为本申请实施例所提供的一种直流变换器的结构示意图；
直流变换器可以包括：
与中间直流支撑单元400串联的交错并联Boost升压电路300，所述交错并联Boost升压电路300包括第一预设数量条并联的升压支路，每条所述升压支路均包括第一电抗器、第一二极管和第一开关管；
其中，中间直流支撑单元400能够对电压进行平滑滤波，并吸收高幅值脉动电流使直流母线上的电压波动保持在允许范围。中间直流支撑单元400位于交错并联Boost升压电路300和交错并联Buck降压电路500之间，能够使交错并联Boost升压电路300输出的电压的波动保持在允许范围内，即保证交错并联的Buck降压电路500的输入电压的波动保持在允许范围内。由于中间直流支撑单元400在交错并联Boost电路与交错并联Buck电路之间起到了稳定电压波动的作用，所以上述三者是串联的关系，进一步来讲是中间直流支撑单元同时与交错并联Boost电路和交错并联Buck电路二者串联，中间直流支撑单元在二者之间起到了支撑电压的作用。
交错并联Boost升压电路300是Boost升压电路中的一种，Boost升压电路又叫step-up converter，是一种常见的开关直流升压电路，它可以使输出电压比输入电压高。同样的，交错并联Boost升压电路也能够使输出电压比输入电压高。交错并联Boost升压电路是指并联运行的升压支路的控制信号频率相同、相角互相错开的并联运行电路。使用交错并联的连接方式能够适应输入电压变化的情况，降低输出电压纹波，并且能够根据实际应用场景搭建冗余系统，因此能够保证较高的可靠性。其中，交错并联Boost升压电路中包括第一预设数量条并联的升压支路，升压支路的数量是本领域技术人员根据实际应用场景设定的，此处并不对升压支路的具体数值进行限定。
下面对升压支路的具体连接方式进行介绍，每一条升压支路都包括第一电抗器、第一二极管和第一开关管。所述第一电抗器的第一端与预充电电路相连，所述第一电抗器的第二端与所述第一二极管的阳极和所述第一开关管的第一端相连，所述第一开关管的第二端与所述中间直流支撑单元和所述电源输入模块的输出负端相连。升压支路中应用的各种元器件的型号均由本领域的技术人员根据方案的实际应用场景进行灵活的选择，此处并不进行具体的限定。其中，该电源输入模块100既可以是蓄电池或超级电容，也可以是交流整流后的电源，当然本领域的技术人员也可以根据应用的实际情况选择适当的输入电源，只要能够提供稳定的直流电压即可，此处不进行具体的限定
直流变换器还可以包括：
与所述中间直流支撑单元400和所述交错并联Boost升压电路300串联的交错并联Buck降压电路500，所述交错并联Buck降压电路包括第二预设数量条并联的降压支路，每条所述降压支路均包括第二电抗器、第二开关管和第二二极管；
同样的，交错并联Buck降压电路500是Buck降压电路中的一种，Buck降压电路能够使输出电压比输入电压低。原理与交错并联Boost升压电路相同，交错并联Buck降压电路是指并联运行的降压支路的控制信号频率相同,相角互相错开的并联运行电路。使用交错并联的连接方式能够适应输入电压变化的情况，降低输出电压纹波，并且能够根据实际应用场景搭建冗余系统，因此能够保证较高的可靠性。其中，所述交错并联Buck降压电路包括第二预设数量条并联的降压支路。降压支路的数量是本领域技术人员根据方案的应用场景设定的，此处并不对降压支路的数量进行具体的限定。
下面对降压支路的具体连接方式进行介绍，降压支路均包括第二电抗器、第二开关管和第二二极管；所述第二电抗器的第一端与电源输出模块的输入正端相连，所述第二电抗器的第二端与所述第二二极管的阴极和所述第二开关管的第二端相连，所述第二二极管的阳极与所述中间直流支撑单元和所述电源输出模块的输入负端相连。降压支路中应用的各种元器件的型号均由本领域的技术人员根据方案的实际应用场景进行灵活的选择，此处并不进行具体的限定。
位于电源输入模块与所述交错并联Boost升压电路之间，限制充电电流大小的预充电电路；
其中，预充电电路200有多种形式，本领域技术人员可以根据实际应用场景设置适当的预充电电路，只要能起到限制充电电流大小的作用即可。
本实施例能够使直流变换器在较宽的电压输入范围内保持稳定的输出，扩宽了直流变换器的工作范围，即能够适应输入电压小于、大于、等于输出电压的情况。
下面请参见图2，图2为本申请实施例所提供的另一种直流变换器的结构示意图。
本实施例是针对上一实施例进行的优化，其他步骤与上一实施例大体相同，相同部分可参见上一实施例相关部分，在此不再赘述。
基于上述实施例，进一步的所述预充电电路200包括：
并联的短接接触器和充电电路；其中，所述充电电路包括充电接触器和充电电阻，所述充电接触器的第一端与所述输入电源的正极相连，所述充电接触器的第二端与所述充电电阻的第一端相连，所述充电电阻的第二端与所述交错并联Boost升压电路相连。
其中，预充电电路能够在输入电源与交错并联Boost升压电路之间起到缓冲的作用，限制输入电源的输入电流。
进一步的，所述电源输出模块600包括：
对输出电压进行滤波处理的输出滤波电容610；
与所述滤波电容并联的等效负载电阻620。
进一步的，还包括：
与所述等效负载电阻相连，用于在所述输出电压不满足阈值时断开电路的断路模块。
进一步的，所述中间直流支撑单元包括并联的支撑电容和电阻。
进一步的，所述电源输入模块100为提供稳定直流电压的蓄电池或超级电容。
进一步的，所述电源输入模块100为提供稳定直流电压的交流整流后的电源。
下面请参见图3，图3为本申请实施例在实际应用中的工作波形示意图；
本实施例中升压支路和降压支路均为两条，输入电压为Vin，输出电压为Vo，交错并联Boost升压电路能够将输入电压升高到2Vo。在本实际应用的实施例中交错并联Boost电路或交错并联Buck降压电路的每路占空比相差180°。根据输入电压Vin和输出电压Vo之间的关系，本直流变换器包括Vin≥Vo和Vin＜Vo两种工作情况，对这两种情况前级交错并联Boost升压电路都将输入电压升高到2Vo且保持稳定，以供后级交错并联Buck降压电路使用。其主要工作波形示意图如图3所示。图3波形从上向下，依次为充电接触器KM1的闭合控制信号，短接接触器KM2的闭合控制信号，交错并联Boost升压电路后中间电压v1，交错并联Boost升压电路Qa1、Qa2的驱动波形，交错并联Boost升压电路电感电流ia1、ia2，交错并联Buck降压电路Qb1、Qb2的驱动波形，交错并联Buck降压电路电感电流ib1、ib2。对两路交错并联Boost-Buck变换器，可以将其从待机到稳定输出分成几个时段，如图3所示。下面对两路交错并联Boost-Buck变换器的工作中的开关模态情况进行分析。
t0～t1阶段，预充电阶段。t0时刻充电接触器KM1收到闭合控制信号后闭合，电源经过充电电阻R0、交错并联Boost升压电路电感La1、La2，交错并联Boost升压电路二极管Da1、Da2向中间支撑电容C1充电。流过交错并联Boost升压电路电感两电感支路的电流ia1、ia2先升高后缓缓下降，支撑电容C1的电压非线性增大。此阶段，交错并联Boost升压电路和交错并联Buck降压电路的开关管没有导通。
t1～t2阶段，预充电完成闭合短接接触器KM2，变换器待机。t1时刻充电接触器KM1闭合控制信号消失，KM1断开。同时，短接接触器KM2收到闭合控制信号闭合。电源不经充电电阻R0，直接过交错并联Boost升压电路电感La1、La2，二极管Da1、Da2通至中间支撑电容C1，C1电压阶跃升至Vin后稳定，基本与Vin相等。此阶段，交错并联Boost升压电路和交错并联Buck降压电路的开关管没有导通。
t2～t3阶段，为便于后级降压控制，空载启动交错并联Boost升压电路，升压稳定到2Vo。t2时刻，交错并联Boost升压电路开关管Qa1以控制占空比导通，开关管Qa2载波相位滞后Qa1180°，Qa2的控制占空比滞后Qa1Ts/2。此阶段，通过控制Qa1、Qa2的开通关断，交错并联Boost升压电路以较小的电感电流ia1、ia2维持中间电压v1稳定，且v1＝2Vo。此阶段，交错并联Buck降压电路的开关管没有导通。
t3～t4阶段，在交错并联Boost升压电路空载维持中间电压v1稳定的情况下，t3时刻交错并联Buck降压电路带载启动，控制输出电压Vo恒定。交错并联Buck降压电路开关管Qb1以控制占空比导通，支路电感电流ib1从0开始线性增长。
t4～t5阶段，后端交错并联Buck降压电路带载启动，t4时刻前端交错并联Boost升压电路开关管Qa1以控制占空比导通，Qa2控制占空比滞后Qa1Ts/2。根据功率相等原理，交错并联Boost升压电路电感电流ia1开始从0开始线性增长，以满足后端功率需求和维持中间电压恒定。以后带载输出阶段，通过控制Qa1、Qa2的开通关断，交错并联Boost升压电路要维持中间电压v1稳定，且v1＝2Vo。
t5～t6阶段，t5时刻，Qb1关断，电感电流ib1也升到最大值，本周期由Db1续流，电流逐渐减小(t5～t7)，直到下一周期Qb1导通又开始重复线性增长(t7～t8)。t6时刻，Qa1关断，电感电流ia1也升到最大值，本周期内由Db1续流，电流逐渐减小(t6～t8)，直到下一周期Qb1导通又开始重复线性增长。
t6～t7阶段，交错并联Buck降压电路Qb2的控制占空比滞后Qb1Ts/2，导通和关断时对应的电感电流ib2线性增长和减小。交错并联Buck降压电路的另一路电感电流ib1在此阶段线性减小，但工作在连续状态。交错并联Boost升压电路的Qa2滞后Qa1Ts/2后导通关断，对应的电感电流ia1线性增大和减小，也工作在连续状态。
t7～t8阶段，交错并联Buck降压电路Qb1重新导通，对应的电感电流ib1又开始线性增大。以后各器件重复上述开关动作，电流特性也重复之前的变化。交错并联Boost升压电路和交错并联Buck降压电路互补配合，输出稳定的电压。
说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。
本文中应用了具体个例对本申请的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本申请的方法及其核心思想。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本申请原理的前提下，还可以对本申请进行若干改进和修饰，这些改进和修饰也落入本申请权利要求的保护范围内。

Claims (7)

1.一种直流变换器，其特征在于，包括：
与中间直流支撑单元串联的交错并联Boost升压电路，所述交错并联Boost升压电路包括第一预设数量条并联的升压支路，每条所述升压支路均包括第一电抗器、第一二极管和第一开关管；
与所述中间直流支撑单元和所述交错并联Boost升压电路串联的交错并联Buck降压电路，所述交错并联Buck降压电路包括第二预设数量条并联的降压支路，每条所述降压支路均包括第二电抗器、第二开关管和第二二极管；
位于电源输入模块与所述交错并联Boost升压电路之间，限制充电电流大小的预充电电路；
其中，所述中间直流支撑单元位于所述交错并联Boost升压电路和所述交错并联Buck降压电路之间；所述第一电抗器的第一端与所述预充电电路相连，所述第一电抗器的第二端与所述第一二极管的阳极和所述第一开关管的第一端相连，所述第一开关管的第二端与所述中间直流支撑单元和所述电源输入模块的输出负端相连；所述第二电抗器的第一端与电源输出模块的输入正端相连，所述第二电抗器的第二端与所述第二二极管的阴极和所述第二开关管的第二端相连，所述第二二极管的阳极与所述中间直流支撑单元和所述电源输出模块的输入负端相连。
2.根据权利要求1所述直流变换器，其特征在于，所述预充电电路包括：
并联的短接接触器和充电电路；其中，所述充电电路包括充电接触器和充电电阻，所述充电接触器的第一端与所述电源输入模块的输入正端相连，所述充电接触器的第二端与所述充电电阻的第一端相连，所述充电电阻的第二端与所述第一电抗器的第一端相连。
3.根据权利要求1所述直流变换器，其特征在于，所述电源输出模块包括：
对输出电压进行滤波处理的输出滤波电容；
与所述滤波电容并联的等效负载电阻。
4.根据权利要求3所述直流变换器，其特征在于，还包括：
与所述等效负载电阻相连，用于在所述输出电压不满足阈值时断开电路的断路模块。
5.根据权利要求1所述直流变换器，其特征在于，所述中间直流支撑单元包括并联的支撑电容和电阻。
6.根据权利要求1所述直流变换器，其特征在于，所述电源输入模块为提供稳定直流电压的蓄电池或超级电容。
7.根据权利要求1所述直流变换器，其特征在于，所述电源输入模块为提供稳定直流电压的交流整流后的电源。
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