CN109842299B

CN109842299B - 组合式直流变换系统及其控制方法

Info

Publication number: CN109842299B
Application number: CN201910127760.1A
Authority: CN
Inventors: 贾益行; 吴红飞; 刘越; 邰雨; 邢岩
Original assignee: Nanjing University of Aeronautics and Astronautics
Current assignee: Nanjing University of Aeronautics and Astronautics
Priority date: 2019-02-19
Filing date: 2019-02-19
Publication date: 2020-12-04
Anticipated expiration: 2039-02-19
Also published as: CN109842299A

Abstract

本发明公开了一类组合式直流变换系统及其控制方法，属于电力电子变换器技术领域。所述组合式直流变换系统由直流变压器、双输入直流变压器或双输出直流变压器、非隔离直流变换器组成；所述组合式直流变换系统使大部分输入功率通过直流变压器直接传递到负载，减少了系统功率损失，提升了系统效率；直流变压器、双输入直流变压器和双输出直流变压器都以最优状态开环工作，利于电路参数的优化设计，进一步提升了整体效率；所述组合式直流变换系统特别适用于航空航天、军事武器装备、智能电网、新能源发电、新能源汽车、数据中心供电系统等高效可靠大功率直流‑直流电能变换场合。

Description

组合式直流变换系统及其控制方法

技术领域

本发明涉及一类组合式直流变换系统及其控制方法，属于电力电子变换器技术领域，尤其属于直流-直流电能变换技术领域。

背景技术

直流-直流电能变换在航空航天、军事武器装备、智能电网、新能源发电、新能源汽车、数据中心供电系统等国民经济的各个领域都有广泛的应用。根据DC/DC变换器是否隔离，可以分为隔离型DC/DC变换器和非隔离DC/DC变换器。根据直流变换器的输入输出电压关系，则可以分为升压型DC/DC变换器和降压型DC/DC变换器。例如在光伏发电系统或者燃料电池发电系统中，通常由单个光伏电池产生的或者燃料电池产生的电压较低，而母线电压高，因此需要升压型DC/DC变换器连接一次能源和母线以达到输入输出电压匹配。在数据中心供电系统、通信电源中，由于母线电压高，而负载电压通常较低，降压型DC/DC变换器成为将能量传递至负载的关键装置。若考虑安全性，在这些应用场合中通常采用隔离型DC/DC变换器。

基本的隔离型DC/DC变换器主要有：反激变换器，正激变换器，移相全桥变换器，LLC谐振半桥和LLC谐振全桥变换器等。反激和正激变换器所需要的有源功率器件少，但是效率不高，主要应用于中小功率场合。移相全桥变换器输出功率大，可以实现开关管的零电压开关(Zero Voltage Switching，ZVS)，但是存在轻载时滞后桥臂不能实现ZVS以及占空比丢失等问题。LLC谐振变换器可以在宽负载范围内实现原边开关管的ZVS和副边整流二极管的ZCS，因此具有较高的功率变换效率。但是，LLC变换器通常采用变开关频率控制，在宽输入电压范围或者负载变化较大的情况下，开关频率的变化范围大，不仅主电路和控制参数均难以进行优化设计，开关频率过宽也可能导致开关管失去ZVS特性。此外，变频控制的方式也会带来电磁干扰的问题。

为了解决上述问题，国内外的研究工作者尝试探索高效率，高可靠性的隔离型DC/DC变换器解决方案。如改变现有电路的拓扑结构，采用新的控制方法，使用性能更佳的功率器件等。例如，文献“Lee I O，Moon G W.Analysis and design of a three-level LLCseries resonant converter for high-and wide-input-voltage applications[J].IEEE Transactions on Power Electronics，2012，27(6)：2966-2979.”将三电平的原理应用到LLC变换器中以提升其性能。文献“Shakib SMSI，Mekhilef S.A frequencyadaptive phase shift modulation control based LLC series resonant converterfor wide input voltage applications[J].IEEE Transactions on PowerElectronics，2017，32(11)：8360-8370.”通过在LLC变换器原边集成两个串联的半桥电路，使得原边开关管的电压应力降低为输入电压的一半，并采用了移相控制和变频控制相结合的控制方法来提升变换器的效率。上述解决方案增加了电路拓扑结构的复杂度，提高了控制难度。此外，依然采用变频控制，无法避免因开关频率宽范围变化带来的电磁干扰问题。

发明内容

本发明的目的是针对现有技术的不足，为直流-直流电能变换场合提供一系列新颖有效的组合式直流变换系统及其控制方法。

本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：

所述组合式直流变换系统由输入直流电压源(V_in)、直流变压器、双输入直流变压器或双输出直流变压器、非隔离直流变换器和负载(R_o)组成。其中直流变压器包含一个直流电压输入端(v₁)和一个直流电压输出端(v₂)。非隔离直流变换器包含一个直流电压输入端(v₃)和一个直流电压输出端(v₄)。双输入直流变压器包含两个直流电压输入端和一个直流电压输出端(v₇)，两个直流电压输入端分别为第一直流电压输入端(v₅)和第二直流电压输入端(v₆)。双输出直流变压器包含一个直流电压输入端(v₈)和两个直流电压输出端，两个直流电压输出端分别为第一直流电压输出端(v₉)和第二直流电压输出端(v₁₀)。

所述组合式直流变换系统中的输入直流源(V_in)、直流变压器、双输入直流变压器或双输出直流变压器、非隔离直流变换器和负载(R_o)的连接方式采用以下四种方案中的任意一种。

方案一：所述组合式直流变换系统由输入直流源(V_in)、直流变压器、双输入直流变压器、非隔离直流变换器和负载(R_o)组成。输入直流源(V_in)的正端和直流变压器直流电压输入端(v₁)的正端相连，直流变压器直流电压输入端(v₁)的负端连于非隔离直流变换器直流电压输入端(v₃)的正端，即双输入直流变压器第一直流电压输入端(v₅)的正端，输入直流源(V_in)的负端连于非隔离直流变换器直流电压输入端(v₃)和直流电压输出端(v₄)的公共负端、即双输入直流变压器第一直流电压输入端(v₅)和第二直流电压输入端(v₆)的公共负端，非隔离直流变换器直流电压输出端(v₄)的正端和双输入直流变压器第二直流电压输入端(v₆)的正端相连，负载(R_o)的一端连于直流变压器直流电压输出端(v₂)的正端、即双输入直流变压器直流电压输出端(v₇)的正端，负载(R_o)的另一端连于直流变压器直流电压输出端(v₂)的负端、即双输入直流变压器直流电压输出端(v₇)的负端。

方案二：所述组合式直流变换系统由输入直流源(V_in)、直流变压器、双输入直流变压器、非隔离直流变换器和负载(R_o)组成。输入直流源(V_in)的正端连于直流变压器直流电压输入端(v₁)的正端、即非隔离直流变换器直流电压输入端(v₃)和双输入直流变压器第一直流电压输入端(v₅)的公共正端，输入直流源(V_in)的负端连于直流变压器直流电压输入端(v₁)的负端，即非隔离直流变换器直流电压输入端(v₃)和直流电压输出端(v₄)的公共负端、即双输入直流变压器第一直流电压输入端(v₅)和第二直流电压输入端(v₆)的公共负端，非隔离直流变换器直流电压输出端(v₄)的正端和双输入直流变压器第二直流电压输入端(v₆)的正端相连，直流变压器直流电压输出端(v₂)的负端和双输入直流变压器直流电压输出端(v₇)的正端相连，负载(R_o)的一端和直流变压器直流电压输出端(v₂)的正端相连，负载(R_o)的另一端和双输入直流变压器直流电压输出端(v₇)的负端相连。

方案三：所述组合式直流变换系统由输入直流源(V_in)、直流变压器、双输出直流变压器、非隔离直流变换器和负载(R_o)组成。输入直流源(V_in)的正端和直流变压器直流电压输入端(v₁)的正端相连，直流变压器直流电压输入端(v₁)的负端和双输出直流变压器直流电压输入端(v₈)的正端相连，输入直流源(V_in)的负端和双输出直流变压器直流电压输入端(v₈)的负端相连，双输出直流变压器第二直流电压输出端(v₁₀)的正端和非隔离直流变换器直流电压输入端(v₃)的正端相连，负载(R_o)的一端连于直流变压器直流电压输出端(v₂)的正端、即非隔离直流变换器直流电压输出端(v₄)和双输出直流变压器第一直流电压输出端(v₉)的公共正端，负载(R_o)的另一端连于直流变压器直流电压输出端(v₂)的负端、即非隔离直流变换器直流电压输入端(v₃)和直流电压输出端(v₄)的公共负端、即双输出直流变压器第一直流电压输出端(v₉)和第二直流电压输出端(v₁₀)的公共负端。

方案四：所述组合式直流变换系统由输入直流源(V_in)、直流变压器、双输出直流变压器、非隔离直流变换器和负载(R_o)组成。输入直流源(V_in)的正端连于直流变压器直流电压输入端(v₁)的正端、即双输出直流变压器直流电压输入端(v₈)的正端，输入直流源(V_in)的负端连于直流变压器直流电压输入端(v₁)的负端、即双输出直流变压器直流电压输入端(v₈)的负端，双输出直流变压器第二直流电压输出端(v₁₀)的正端和非隔离直流变换器直流电压输入端(v₃)的正端相连，直流变压器直流电压输出端(v₂)的负端连于非隔离直流变换器直流电压输出端(v₄)的正端、即双输出直流变压器第一直流电压输出端(v₉)的正端，负载(R_o)的一端连于直流变压器直流电压输出端(v₂)的正端，负载(R_o)的另一端连于非隔离直流变换器直流电压输入端(v₃)和直流电压输出端(v₄)的公共负端、即双输出直流变压器第一直流电压输出端(v₉)和第二直流电压输出端(v₁₀)的公共负端。

所述组合式直流变换系统中的双输入直流变压器由第一开关管(S₁)、第二开关管(S₂)、第三开关管(S₃)、第四开关管(S₄)、第一二极管(D₁)、第二二极管(D₂)、第三二极管(D₃)、第四二极管(D₄)、第一谐振电感(L_r1)、第一谐振电容(C_r1)、第一变压器(T₁)和第一滤波电容(C_o1)组成，其中第一变压器(T₁)包含原边绕组(N_p1)和副边绕组(N_s1)。所述第一变压器(T₁)原边绕组(N_p1)的同名端连于第一谐振电感(L_r1)的一端，第一谐振电感(L_r1)的另一端连于第一开关管(S₁)的源极和第二开关管(S₂)的漏极，第一变压器(T₁)原边绕组(N_p1)的异名端连于第一谐振电容(C_r1)的一端，第一谐振电容(C_r1)的另一端连于第三开关管(S₃)的源极和第四开关管(S₄)的漏极，第三开关管(S₃)的漏极连于双输入直流变压器第一直流电压输入端(v₅)的正端，第一开关管(S₁)的漏极连于双输入直流变压器第二直流电压输入端(v₆)的正端，第二开关管(S₂)的源极连于第四开关管(S₄)的源极，即双输入直流变压器第一直流电压输入端(v₅)和双输入直流变压器第二直流电压输入端(v₆)的公共负端，第一变压器(T₁)副边绕组(N_s1)的同名端连于第一二极管(D₁)的阳极和第二二极管(D₂)的阴极，第一变压器(T₁)副边绕组(N_s1)的异名端连于第三二极管(D₃)的阳极和第四二极管(D₄)的阴极，第一二极管(D₁)的阴极连于第三二极管(D₃)的阴极和第一滤波电容(C_o1)的一端、即双输入直流变压器直流电压输出端(v₇)的正端，第二二极管(D₂)的阳极连于第四二极管(D₄)的阳极和第一滤波电容(C_o1)的另一端、即双输入直流变压器直流电压输出端(v₇)的负端。

所述组合式直流变换系统中的双输出直流变压器由第一开关管(S₁)、第二开关管(S₂)、第三开关管(S₃)、第四开关管(S₄)、第一二极管(D₁)、第二二极管(D₂)、第三二极管(D₃)、第四二极管(D₄)、第一谐振电感(L_r1)、第一谐振电容(C_r1)、第一变压器(T₁)、第一滤波电容(C_o1)和第二滤波电容(C_o2)组成，其中第一变压器(T₁)包含原边绕组(N_p1)和副边绕组(N_s1)。所述第一变压器(T₁)原边绕组(N_p1)的同名端连于第一开关管(S₁)的源极和第二开关管(S₂)的漏极，第一变压器(T₁)原边绕组(N_p1)的异名端连于第三开关管(S₃)的源极和第四开关管(S₄)的漏极，第三开关管(S₃)的漏极连于第一开关管(S₁)的漏极、即双输出直流变压器直流电压输入端(v₈)的正端，第二开关管(S₂)的源极连于第四开关管(S₄)的源极、即双输出直流变压器直流电压输入端(v₈)的负端，第一变压器(T₁)副边绕组(N_s1)的同名端连于第一谐振电感(L_r1)的一端，第一谐振电感(L_r1)的另一端连于第一二极管(D₁)的阳极和第二二极管(D₂)的阴极，第一变压器(T₁)副边绕组(N_s1)的异名端连于第一谐振电容(C_r1)的一端，第一谐振电容(C_r1)的另一端连于第三二极管(D₃)的阳极和第四二极管(D₄)的阴极，第一二极管(D₁)的阴极连于第二滤波电容(C_o2)的一端、即双输出直流变压器第一直流电压输出端(v₉)的正端，第三二极管(D₃)的阴极连于第一滤波电容(C_o1)的一端、即双输出直流变压器第二直流电压输出端(v₁₀)的正端，第二二极管(D₂)的阳极连于第四二极管(D₄)的阳极、即第一滤波电容(C_o1)的另一端、即第二滤波电容(C_o2)的另一端、即双输出直流变压器第一直流电压输出端(v₉)和第二直流电压输出端(v₁₀)的公共负端。

为了实现这个目的，所述组合式直流变换系统中的直流变压器具有以下拓扑结构中的任意一种：PWM反激拓扑、PWM全桥正激拓扑、PWM推挽拓扑、PWM半桥拓扑、PWM全桥拓扑、移相全桥拓扑、LLC谐振半桥拓扑和LLC谐振全桥拓扑。所述组合式直流变换系统中的非隔离直流变换器具有以下拓扑结构中的任意一种：Boost变换器，Buck变换器，Sepic变换器，Cuk变换器，Boost/Buck变换器，Zeta变换器。

所述组合式直流变换系统的控制方法为：当直流变压器采用PWM反激拓扑、PWM全桥正激拓扑、PWM推挽拓扑、PWM半桥拓扑、PWM全桥拓扑时，固定直流变压器中开关管的占空比；当直流变压器采用移相全桥拓扑时，固定移相全桥拓扑中两个桥臂开关管之间的移相角；当直流变压器采用LLC谐振半桥拓扑和LLC谐振全桥拓扑时，固定直流变压器中开关管的开关频率；固定双输入直流变压器和双输出直流变压器中开关管的开关频率；组合式直流变换系统负载(R_o)两端的电压(V_o)由非隔离直流变换器进行闭环调节。

本发明技术方案与既有技术方案的本质区别在于，所述组合式直流变换系统负载(R_o)两端的电压(V_o)仅通过非隔离直流变换器进行调节，控制方法简单可靠。所述直流变换系统大部分输入功率通过直流变压器直接高效地传递给负载，减少了功率损耗，提升了系统效率。与此同时，组合式直流变换系统中直流变压器、双输入直流变压器和双输出直流变压器都运行于效率最优状态，进一步提升了系统效率。

本发明具有如下有益效果：

(1)直流变压器、双输入直流变压器和双输出直流变压器都可以开环工作，始终运行在效率最优状态以提升直流变换器整体效率。

(2)所述组合式直流变换系统大部分输入功率通过直流变压器直接传递到负载，有助于减少功率损失，提高效率。

(3)组合式直流变换系统负载(R_o)两端的电压(V_o)仅通过非隔离直流变换器闭环进行调节，控制方法简单可靠。

(4)如果直流变压器、双输入直流变压器以及双输出直流变压器采用谐振型变换器，则其中的开关管都可以始终开环工作在效率最优的开关频率，不需要使用变开关频率控制，因此不存在因为变频控制带来的电磁干扰问题，并且磁性元器件更容易设计。

(5)使用直流变压器、双输入直流变压器或者双输出直流变压器、非隔离直流变换器的级联以及串并联组合，相比于单个变换器，可以应用于更大功率电能变换场合。

附图说明

附图1是本发明组合式直流变换系统实现方案一结构图；

附图2是本发明组合式直流变换系统实现方案二结构图；

附图3是本发明组合式直流变换系统实现方案三结构图；

附图4是本发明组合式直流变换系统实现方案四结构图；

附图5是本发明双输入直流变压器的原理图；

附图6是本发明双输出直流变压器的原理图；

附图7是本发明组合式直流变换系统实现方案一的具体实施例；

附图8是本发明组合式直流变换系统实现方案三的具体实施例；

以上附图中的符号名称：Vin为输入直流电压源；v₁为直流变压器的输入电压，v₂为直流变压器的输出电压；v₃为非隔离直流变换器的输入电压，v₄为非隔离直流变换器的输出电压；v₅为双输入直流变压器第一直流电压输入，v₆为双输入直流变压器第二直流电压输入，v₇为双输入直流变压器直流电压输出；v₈为双输出直流变压器直流电压输入，v₉为双输出直流变压器第一直流电压输出，v₁₀为双输出直流变压器第二直流电压输出；R_o为负载，V_o为负载(R_o)两端电压；in+为非隔离直流变换器直流电压输入的正端，o+为非隔离直流变换器直流电压输出的正端；in1+为双输入直流变压器第一直流电压输入的正端，in2+为双输入直流变压器第二直流电压输入的正端，in-为双输入直流变压器第一直流电压输入和第二直流电压输入的公共负端；o1+为双输出直流变压器第一直流电压输出的正端，o2+为双输出直流变压器第二直流电压输出的正端，o-为双输出直流变压器第一直流电压输出和第二直流电压输出的公共负端；S₁、S₂、S₃、S₄、S₅、S₆、S₇、S₈分别为第一、二、三、四、五、六、七、八开关管；D₁，D₂，D₃，D₄，D₅，D₆，D₇，D₈分别为第一、二、三、四、五、六、七、八二极管；L_r1、L_r2分别为第一、二谐振电感；C_r1、C_r2分别为第一、二谐振电容；T₁、T₂分别为第一、二隔离变压器；N_p1、N_s1分别为第一隔离变压器(T₁)的原边绕组和副边绕组；N_p2、N_s2分别为第二隔离变压器(T₂)的原边绕组和副边绕组；C_o1，C_o2，C_o3分别为第一、二、三滤波电容。S_f为开关管，D_f为二极管，C_f为滤波电容，L_f为滤波电感。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的技术方案进行详细说明。

如附图1、附图2、附图3和附图4所示，所述组合式直流变换系统由输入直流电压源(V_in)、直流变压器、双输入直流变压器或者双输出直流变压器、非隔离直流变换器和负载(R_o)组成。其中直流变压器包含一个直流电压输入端(v₁)和一个直流电压输出端(v₂)。非隔离直流变换器包含一个直流电压输入端(v₃)和一个直流电压输出端(v₄)。双输入直流变压器包含两个直流电压输入端和一个直流电压输出端(v₇)，两个直流电压输入端分别为第一直流电压输入端(v₅)和第二直流电压输入端(v₆)。双输出直流变压器包含一个直流电压输入端(v₈)和两个直流电压输出端，两个直流电压输出端分别为第一直流电压输出端(v₉)和第二直流电压输出端(v₁₀)。

在本发明中，所述组合式直流变换系统中的输入直流源(V_in)、直流变压器、双输入直流变压器或者双输出直流变压器、非隔离直流变换器和负载(R_o)的连接方式可以采用以下四种方案中的任意一种。

方案一的结构图如附图1所示：所述组合式直流变换系统由输入直流源(V_in)、直流变压器、双输入直流变压器、非隔离直流变换器和负载(R_o)组成。

输入直流源(V_in)的正端和直流变压器直流电压输入端(v₁)的正端相连。直流变压器直流电压输入端(v₁)的负端连于非隔离直流变换器直流电压输入端(v₃)的正端、即双输入直流变压器第一直流电压输入端(v₅)的正端。输入直流源(V_in)的负端连于非隔离直流变换器直流电压输入端(v₃)和直流电压输出端(v₄)的公共负端、即双输入直流变压器第一直流电压输入端(v₅)和第二直流电压输入端(v₆)的公共负端。非隔离直流变换器直流电压输出端(v₄)的正端和双输入直流变压器第二直流电压输入端(v₆)的正端相连。负载(R_o)的一端连于直流变压器直流电压输出端(v₂)的正端、即双输入直流变压器直流电压输出端(v₇)的正端。负载(R_o)的另一端连于直流变压器直流电压输出端(v₂)的负端、即双输入直流变压器直流电压输出端(v₇)的负端。

方案二的结构图如附图2所示：所述组合式直流变换系统由输入直流源(V_in)、直流变压器、双输入直流变压器、非隔离直流变换器和负载(R_o)组成。输入直流源(V_in)的正端连于直流变压器直流电压输入端(v₁)的正端、即非隔离直流变换器直流电压输入端(v₃)和双输入直流变压器第一直流电压输入端(v₅)的公共正端。输入直流源(V_in)的负端连于直流变压器直流电压输入端(v₁)的负端，即非隔离直流变换器直流电压输入端(v₃)和直流电压输出端(v₄)的公共负端、即双输入直流变压器第一直流电压输入端(v₅)和第二直流电压输入端(v₆)的公共负端。非隔离直流变换器直流电压输出端(v₄)的正端和双输入直流变压器第二直流电压输入端(v₆)的正端相连。直流变压器直流电压输出端(v₂)的负端和双输入直流变压器直流电压输出端(v₇)的正端相连。负载(R_o)的一端和直流变压器直流电压输出端(v₂)的正端相连。负载(R_o)的另一端和双输入直流变压器直流电压输出端(v₇)的负端相连。

方案三的结构图如附图3所示：所述组合式直流变换系统由输入直流源(V_in)、直流变压器、双输出直流变压器、非隔离直流变换器和负载(R_o)组成。输入直流源(V_in)的正端和直流变压器直流电压输入端(v₁)的正端相连。直流变压器直流电压输入端(v₁)的负端和双输出直流变压器直流电压输入端(v₈)的正端相连。输入直流源(V_in)的负端和双输出直流变压器直流电压输入端(v₈)的负端相连。双输出直流变压器第二直流电压输出端(v₁₀)的正端和非隔离直流变换器直流电压输入端(v₃)的正端相连。负载(R_o)的一端连于直流变压器直流电压输出端(v₂)的正端、即非隔离直流变换器直流电压输出端(v₄)和双输出直流变压器第一直流电压输出端(v₉)的公共正端。负载(R_o)的另一端连于直流变压器直流电压输出端(v₂)的负端、即非隔离直流变换器直流电压输入端(v₃)和直流电压输出端(v₄)的公共负端、即双输出直流变压器第一直流电压输出端(v₉)和第二直流电压输出端(v₁₀)的公共负端。

方案四的结构图如附图4所示：所述组合式直流变换系统由输入直流源(V_in)、直流变压器、双输出直流变压器、非隔离直流变换器和负载(R_o)组成。输入直流源(V_in)的正端连于直流变压器直流电压输入端(v₁)的正端、即双输出直流变压器直流电压输入端(v₈)的正端。输入直流源(V_in)的负端连于直流变压器直流电压输入端(v₁)的负端、即双输出直流变压器直流电压输入端(v₈)的负端。双输出直流变压器第二直流电压输出端(v₁₀)的正端和非隔离直流变换器直流电压输入端(v₃)的正端相连。直流变压器直流电压输出端(v₂)的负端连于非隔离直流变换器直流电压输出端(v₄)的正端、即双输出直流变压器第一直流电压输出端(v₉)的正端。负载(R_o)的一端连于直流变压器直流电压输出端(v₂)的正端。负载(R_o)的另一端连于非隔离直流变换器直流电压输入端(v₃)和直流电压输出端(v₄)的公共负端、即双输出直流变压器第一直流电压输出端(v₉)和第二直流电压输出端(v₁₀)的公共负端。

所述组合式直流变换系统中的双输入直流变压器的原理图如附图5所示：所述双输入直流变压器由第一开关管(S₁)、第二开关管(S₂)、第三开关管(S₃)、第四开关管(S₄)、第一二极管(D₁)、第二二极管(D₂)、第三二极管(D₃)、第四二极管(D₄)、第一谐振电感(L_r1)、第一谐振电容(C_r1)、第一变压器(T₁)和第一滤波电容(C_o1)组成，其中第一变压器(T₁)包含原边绕组(N_p1)和副边绕组(N_s1)。所述第一变压器(T₁)原边绕组(N_p1)的同名端连于第一谐振电感(L_r1)的一端，第一谐振电感(L_r1)的另一端连于第一开关管(S₁)的源极和第二开关管(S₂)的漏极，第一变压器(T₁)原边绕组(N_p1)的异名端连于第一谐振电容(C_r1)的一端，第一谐振电容(C_r1)的另一端连于第三开关管(S₃)的源极和第四开关管(S₄)的漏极，第三开关管(S₃)的漏极连于双输入直流变压器第一直流电压输入端(v₅)的正端，第一开关管(S₁)的漏极连于双输入直流变压器第二直流电压输入端(v₆)的正端，第二开关管(S₂)的源极连于第四开关管(S₄)的源极，即双输入直流变压器第一直流电压输入端(v₅)和双输入直流变压器第二直流电压输入端(v₆)的公共负端，第一变压器(T₁)副边绕组(N_s1)的同名端连于第一二极管(D₁)的阳极和第二二极管(D₂)的阴极，第一变压器(T₁)副边绕组(N_s1)的异名端连于第三二极管(D₃)的阳极和第四二极管(D₄)的阴极，第一二极管(D₁)的阴极连于第三二极管(D₃)的阴极和第一滤波电容(C_o1)的一端、即双输入直流变压器直流电压输出端(v₇)的正端，第二二极管(D₂)的阳极连于第四二极管(D₄)的阳极和第一滤波电容(C_o1)的另一端、即双输入直流变压器直流电压输出端(v₇)的负端。

所述组合式直流变换系统中的双输出直流变压器的原理图如附图6所示，所述双输出直流变压器由第一开关管(S₁)、第二开关管(S₂)、第三开关管(S₃)、第四开关管(S₄)、第一二极管(D₁)、第二二极管(D₂)、第三二极管(D₃)、第四二极管(D₄)、第一谐振电感(L_r1)、第一谐振电容(C_r1)、第一变压器(T₁)、第一滤波电容(C_o1)和第二滤波电容(C_o2)组成，其中第一变压器(T₁)包含原边绕组(N_p1)和副边绕组(N_s1)。所述第一变压器(T₁)原边绕组(N_p1)的同名端连于第一开关管(S₁)的源极和第二开关管(S₂)的漏极，第一变压器(T₁)原边绕组(N_p1)的异名端连于第三开关管(S₃)的源极和第四开关管(S₄)的漏极，第三开关管(S₃)的漏极连于第一开关管(S₁)的漏极、即双输出直流变压器直流电压输入端(v₈)的正端，第二开关管(S₂)的源极连于第四开关管(S₄)的源极、即双输出直流变压器直流电压输入端(v₈)的负端，第一变压器(T₁)副边绕组(N_s1)的同名端连于第一谐振电感(L_r1)的一端，第一谐振电感(L_r1)的另一端连于第一二极管(D₁)的阳极和第二二极管(D₂)的阴极，第一变压器(T₁)副边绕组(N_s1)的异名端连于第一谐振电容(C_r1)的一端，第一谐振电容(C_r1)的另一端连于第三二极管(D₃)的阳极和第四二极管(D₄)的阴极，第一二极管(D₁)的阴极连于第二滤波电容(C_o2)的一端、即双输出直流变压器第一直流电压输出端(v₉)的正端，第三二极管(D₃)的阴极连于第一滤波电容(C_o1)的一端、即双输出直流变压器第二直流电压输出端(v₁₀)的正端，第二二极管(D₂)的阳极连于第四二极管(D₄)的阳极、即第一滤波电容(C_o1)的另一端、即第二滤波电容(C_o2)的另一端、即双输出直流变压器第一直流电压输出端(v₉)和第二直流电压输出端(v₁₀)的公共负端。

在上述实现方案中，所述组合式直流变换系统中的直流变压器可以采用具有下述拓扑结构中的任意一种：PWM反激拓扑、PWM全桥正激拓扑、PWM推挽拓扑、PWM半桥拓扑、PWM全桥拓扑、移相全桥拓扑、LLC谐振半桥拓扑和LLC谐振全桥拓扑。所述组合式直流变换系统中的非隔离直流变换器可以采用具有下述拓扑结构中的任意一种：Boost变换器，Buck变换器，Sepic变换器，Cuk变换器，Boost/Buck变换器，Zeta变换器。

在上述实现方案中，本发明所述的组合式直流变换系统的控制方法为：当直流变压器采用PWM反激拓扑、PWM全桥正激拓扑、PWM推挽拓扑、PWM半桥拓扑、PWM全桥拓扑时，固定直流变压器中开关管的占空比；当直流变压器采用移相全桥拓扑时，固定移相全桥拓扑中两个桥臂开关管之间的移相角；当直流变压器采用LLC谐振半桥拓扑和LLC谐振全桥拓扑时，固定直流变压器中开关管的开关频率；固定双输入直流变压器和双输出直流变压器中开关管的开关频率；组合式直流变换系统负载(R_o)两端的电压(V_o)由非隔离直流变换器进行闭环调节。

下面结合具体的实施例对本发明方案及其工作原理做进一步说明。

将附图1组合式直流变换系统实现方案一结构图中的直流变压器用LLC谐振全桥变换器代替，并且非隔离直流变换器电路采用Boost变换器拓扑，则可以得到组合式直流变换系统实现方案一的原理图如附图5所示。

如附图5所示，LLC谐振全桥变换器的直流电压输入、Boost变换器的直流电压输入和双输入直流变压器其中一个直流电压输入都并联在输入直流源(V_in)的两端。Boost变换器的直流电压输出和双输入直流变压器另一个直流电压输入相连。LLC谐振全桥变换器的直流电压输出和双输入直流变压器的直流电压输出串联连接在负载(R_o)的两端，共同为负载(R_o)提供能量。其中，LLC谐振全桥变换器和双输入直流变压器均固定开关频率工作。负载(R_o)两端的电压(V_o)由Boost变换器进行闭环调节。

将附图3组合式直流变换系统实现方案三结构图中的直流变压器用LLC谐振全桥变换器代替，并且非隔离直流变换器电路采用Buck变换器拓扑，则可以得到组合式直流变换系统实现方案三的原理图如附图6所示。

如附图6所示，LLC谐振全桥变换器的直流电压输入和双输出直流变压器的直流电压输入串联连接在输入直流源(V_in)的两端。

LLC谐振全桥变换器的直流电压输出、Buck变换器的直流电压输出和双输出直流变压器其中一个直流电压输出都并联在负载(R_o)的两端，共同为负载(R_o)提供能量。双输出直流变压器另一个直流电压输出和Buck变换器的直流电压输入相连。其中，LLC谐振全桥变换器和双输出直流变压器均固定开关频率工作。负载(R_o)两端的电压(V_o)由Buck变换器进行闭环调节。

根据上面工作原理的描述，本发明组合式直流变换系统可使大部分输入功率通过直流变压器直接高效地传递给负载。与此同时，组合式直流变换系统中双输入直流变压器和双输出直流变压器也都运行于效率最优状态，从而进一步减小系统的功率损耗，大幅提升整体效率。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出：本发明组合式直流变换系统中直流变压器的数量可以为N个，N为自然数。例如，N为0，即去除直流变压器，仅通过非隔离直流变换器加双输入直流变压器或者双输出直流变压器加非隔离直流变换器来连接输入直流源(V_in)，并为负载(R_o)提供能量。N大于0时，在组合式直流变换系统各实现方案的基础上，继续增加直流变压器的数量，所增加的直流变压器的输入和输出端口根据已有方案的连接方法，继续与直流源(V_in)和负载(R_o)串联或者并联连接。

对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims

1.一种组合式直流变换系统，其特征在于，所述组合式直流变换系统由输入直流电压源(V_in)、直流变压器、双输入直流变压器、非隔离直流变换器和负载(R_o)组成；

其中直流变压器包含一个直流电压输入端(v₁)和一个直流电压输出端(v₂)，非隔离直流变换器包含一个直流电压输入端(v₃)和一个直流电压输出端(v₄)，双输入直流变压器包含两个直流电压输入端和一个直流电压输出端(v₇)，两个直流电压输入端分别为第一直流电压输入端(v₅)和第二直流电压输入端(v₆)；

输入直流源(V_in)的正端和直流变压器直流电压输入端(v₁)的正端相连，直流变压器直流电压输入端(v₁)的负端连于非隔离直流变换器直流电压输入端(v₃)的正端，即双输入直流变压器第一直流电压输入端(v₅)的正端，输入直流源(V_in)的负端连于非隔离直流变换器直流电压输入端(v₃)和直流电压输出端(v₄)的公共负端、即双输入直流变压器第一直流电压输入端(v₅)和第二直流电压输入端(v₆)的公共负端，非隔离直流变换器直流电压输出端(v₄)的正端和双输入直流变压器第二直流电压输入端(v₆)的正端相连，负载(R_o)的一端连于直流变压器直流电压输出端(v₂)的正端、即双输入直流变压器直流电压输出端(v₇)的正端，负载(R_o)的另一端连于直流变压器直流电压输出端(v₂)的负端、即双输入直流变压器直流电压输出端(v₇)的负端。

2.一种组合式直流变换系统，其特征在于，所述组合式直流变换系统由输入直流电压源(V_in)、直流变压器、双输入直流变压器、非隔离直流变换器和负载(R_o)组成；

输入直流源(V_in)的正端连于直流变压器直流电压输入端(v₁)的正端、即非隔离直流变换器直流电压输入端(v₃)和双输入直流变压器第一直流电压输入端(v₅)的公共正端，输入直流源(V_in)的负端连于直流变压器直流电压输入端(v₁)的负端，即非隔离直流变换器直流电压输入端(v₃)和直流电压输出端(v₄)的公共负端、即双输入直流变压器第一直流电压输入端(v₅)和第二直流电压输入端(v₆)的公共负端，非隔离直流变换器直流电压输出端(v₄)的正端和双输入直流变压器第二直流电压输入端(v₆)的正端相连，直流变压器直流电压输出端(v₂)的负端和双输入直流变压器直流电压输出端(v₇)的正端相连，负载(R_o)的一端和直流变压器直流电压输出端(v₂)的正端相连，负载(R_o)的另一端和双输入直流变压器直流电压输出端(v₇)的负端相连。

3.一种组合式直流变换系统，其特征在于，所述组合式直流变换系统由输入直流电压源(V_in)、直流变压器、双输出直流变压器、非隔离直流变换器和负载(R_o)组成；

其中直流变压器包含一个直流电压输入端(v₁)和一个直流电压输出端(v₂)，非隔离直流变换器包含一个直流电压输入端(v₃)和一个直流电压输出端(v₄)，双输出直流变压器包含一个直流电压输入端(v₈)和两个直流电压输出端，两个直流电压输出端分别为第一直流电压输出端(v₉)和第二直流电压输出端(v₁₀)；

输入直流源(V_in)的正端和直流变压器直流电压输入端(v₁)的正端相连，直流变压器直流电压输入端(v₁)的负端和双输出直流变压器直流电压输入端(v₈)的正端相连，输入直流源(V_in)的负端和双输出直流变压器直流电压输入端(v₈)的负端相连，双输出直流变压器第二直流电压输出端(v₁₀)的正端和非隔离直流变换器直流电压输入端(v₃)的正端相连，负载(R_o)的一端连于直流变压器直流电压输出端(v₂)的正端、即非隔离直流变换器直流电压输出端(v₄)和双输出直流变压器第一直流电压输出端(v₉)的公共正端，负载(R_o)的另一端连于直流变压器直流电压输出端(v₂)的负端、即非隔离直流变换器直流电压输入端(v₃)和直流电压输出端(v₄)的公共负端、即双输出直流变压器第一直流电压输出端(v₉)和第二直流电压输出端(v₁₀)的公共负端。

4.一种组合式直流变换系统，其特征在于，所述组合式直流变换系统由输入直流电压源(V_in)、直流变压器、双输出直流变压器、非隔离直流变换器和负载(R_o)组成；

输入直流源(V_in)的正端连于直流变压器直流电压输入端(v₁)的正端、即双输出直流变压器直流电压输入端(v₈)的正端，输入直流源(V_in)的负端连于直流变压器直流电压输入端(v₁)的负端、即双输出直流变压器直流电压输入端(v₈)的负端，双输出直流变压器第二直流电压输出端(v₁₀)的正端和非隔离直流变换器直流电压输入端(v₃)的正端相连，直流变压器直流电压输出端(v₂)的负端连于非隔离直流变换器直流电压输出端(v₄)的正端、即双输出直流变压器第一直流电压输出端(v₉)的正端，负载(R_o)的一端连于直流变压器直流电压输出端(v₂)的正端，负载(R_o)的另一端连于非隔离直流变换器直流电压输入端(v₃)和直流电压输出端(v₄)的公共负端、即双输出直流变压器第一直流电压输出端(v₉)和第二直流电压输出端(v₁₀)的公共负端。

5.根据权利要求1或权利要求2所述的组合式直流变换系统，其特征在于，所述双输入直流变压器由第一开关管(S₁)、第二开关管(S₂)、第三开关管(S₃)、第四开关管(S₄)、第一二极管(D₁)、第二二极管(D₂)、第三二极管(D₃)、第四二极管(D₄)、第一谐振电感(L_r1)、第一谐振电容(C_r1)、第一变压器(T₁)和第一滤波电容(C_o1)组成；其中第一变压器(T₁)包含原边绕组(N_p1)和副边绕组(N_s1)；

所述第一变压器(T₁)原边绕组(N_p1)的同名端连于第一谐振电感(L_r1)的一端，第一谐振电感(L_r1)的另一端连于第一开关管(S₁)的源极和第二开关管(S₂)的漏极，第一变压器(T₁)原边绕组(N_p1)的异名端连于第一谐振电容(C_r1)的一端，第一谐振电容(C_r1)的另一端连于第三开关管(S₃)的源极和第四开关管(S₄)的漏极，第三开关管(S₃)的漏极连于双输入直流变压器第一直流电压输入端(v₅)的正端，第一开关管(S₁)的漏极连于双输入直流变压器第二直流电压输入端(v₆)的正端，第二开关管(S₂)的源极连于第四开关管(S₄)的源极，即双输入直流变压器第一直流电压输入端(v₅)和双输入直流变压器第二直流电压输入端(v₆)的公共负端，第一变压器(T₁)副边绕组(N_s1)的同名端连于第一二极管(D₁)的阳极和第二二极管(D₂)的阴极，第一变压器(T₁)副边绕组(N_s1)的异名端连于第三二极管(D₃)的阳极和第四二极管(D₄)的阴极，第一二极管(D₁)的阴极连于第三二极管(D₃)的阴极和第一滤波电容(C_o1)的一端、即双输入直流变压器直流电压输出端(v₇)的正端，第二二极管(D₂)的阳极连于第四二极管(D₄)的阳极和第一滤波电容(C_o1)的另一端、即双输入直流变压器直流电压输出端(v₇)的负端。

6.根据权利要求3或权利要求4所述的组合式直流变换系统，其特征在于，所述双输出直流变压器由第一开关管(S₁)、第二开关管(S₂)、第三开关管(S₃)、第四开关管(S₄)、第一二极管(D₁)、第二二极管(D₂)、第三二极管(D₃)、第四二极管(D₄)、第一谐振电感(L_r1)、第一谐振电容(C_r1)、第一变压器(T₁)、第一滤波电容(C_o1)和第二滤波电容(C_o2)组成，其中第一变压器(T₁)包含原边绕组(N_p1)和副边绕组(N_s1)；

所述第一变压器(T₁)原边绕组(N_p1)的同名端连于第一开关管(S₁)的源极和第二开关管(S₂)的漏极，第一变压器(T₁)原边绕组(N_p1)的异名端连于第三开关管(S₃)的源极和第四开关管(S₄)的漏极，第三开关管(S₃)的漏极连于第一开关管(S₁)的漏极、即双输出直流变压器直流电压输入端(v₈)的正端，第二开关管(S₂)的源极连于第四开关管(S₄)的源极、即双输出直流变压器直流电压输入端(v₈)的负端，第一变压器(T₁)副边绕组(N_s1)的同名端连于第一谐振电感(L_r1)的一端，第一谐振电感(L_r1)的另一端连于第一二极管(D₁)的阳极和第二二极管(D₂)的阴极，第一变压器(T₁)副边绕组(N_s1)的异名端连于第一谐振电容(C_r1)的一端，第一谐振电容(C_r1)的另一端连于第三二极管(D₃)的阳极和第四二极管(D₄)的阴极，第一二极管(D₁)的阴极连于第二滤波电容(C_o2)的一端、即双输出直流变压器第一直流电压输出端(v₉)的正端，第三二极管(D₃)的阴极连于第一滤波电容(C_o1)的一端、即双输出直流变压器第二直流电压输出端(v₁₀)的正端，第二二极管(D₂)的阳极连于第四二极管(D₄)的阳极、即第一滤波电容(C_o1)的另一端、即第二滤波电容(C_o2)的另一端、即双输出直流变压器第一直流电压输出端(v₉)和第二直流电压输出端(v₁₀)的公共负端。

7.根据权利要求1、或权利要求2、或权利要求3或权利要求4所述的组合式直流变换系统，其特征在于，所述组合式直流变换系统中的直流变压器具有以下拓扑结构中的任意一种：PWM反激拓扑、PWM全桥正激拓扑、PWM推挽拓扑、PWM半桥拓扑、PWM全桥拓扑、移相全桥拓扑、LLC谐振半桥拓扑和LLC谐振全桥拓扑；所述组合式直流变换系统中的非隔离直流变换器具有以下拓扑结构中的任意一种：Boost变换器，Buck变换器，Sepic变换器，Cuk变换器，Boost/Buck变换器，Zeta变换器。

8.根据权利要求1、或权利要求2、或权利要求3或权利要求4所述的组合式直流变换系统的控制方法，其特征在于，当直流变压器采用PWM反激拓扑、PWM全桥正激拓扑、PWM推挽拓扑、PWM半桥拓扑、PWM全桥拓扑时，固定直流变压器中开关管的占空比；当直流变压器采用移相全桥拓扑时，固定移相全桥拓扑中两个桥臂开关管之间的移相角；当直流变压器采用LLC谐振半桥拓扑和LLC谐振全桥拓扑时，固定直流变压器中开关管的开关频率；固定双输入直流变压器和双输出直流变压器中开关管的开关频率；组合式直流变换系统负载(R_o)两端的电压(V_o)由非隔离直流变换器进行闭环调节。