CN111404384B - 一种多级并联dc-dc变换器 - Google Patents

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Abstract

一种多级并联DC‑DC变换器，包括：输入电源，串联的第一变换单元，第二变换单元，及，与第一变换单元及第二变换单元并联的第三变换单元；所述第一变换单元包括PWM电路，所述第一变换单元电压变化率根据PWM电路中开关占空比确定；所述第二变换单元包括第一半桥LLC谐振电路，所述第一半桥LLC谐振电路包括第一变压器；第二变换单元电压变换率根据所述第一变压器确定；所述第三变换单元包括第二半桥LLC谐振电路，所述第二半桥LLC谐振电路包括第二变压器；第三变换单元电压变换率根据所述第二变压器确定。本发明解决了现有技术的多级DC‑DC变换器效率低的技术问题，实现了高转换效率，可控电压幅度、可控单一或多相位结合的输出电压的技术效果。

Description

一种多级并联DC-DC变换器
技术领域
本发明涉及变压器领域，具体涉及一种多级并联DC-DC变换器。
背景技术
常规的DC-DC两级变换器，如图1所示，通常采用。一个降压或者升压变换器作为第一级变换器来使输入电压Vin稳定到一个常数值V1，作为下一级变换器的输入电压。第二级变换器提供隔离核高电压比例的升压或者降压。第二级变换器设计成高效率但是不能调节电压。在升压应用中，交错式结构经常用于共享大电流输入，如图2所示。变换器2和3共享大电流输入Iin。变换器3和变换器2的功能是一样的。在降压应用中，广泛采用副边并联的方法，如图3所示。
上述DC-DC两级变换器中，第一级变换器承受着较大的输入电流，导致了较大的功率损耗和较低的效率，第一级变换器处理全部的输入功率Pin，整个系统的总效率为η＝η1×η2，其中，η为总工作效率，η1为第一级工作效率，η2为第二级工作效率。总体来看，常规的二级或多级变换器转化效率较低，在第一级变换器上的损耗较大。
发明内容
针对上述本领域中存在的技术问题，本发明提供了一种多级并联DC-DC变换器，包括：
输入电源，
串联的第一变换单元，第二变换单元，及，与第一变换单元及第二变换单元并联的第三变换单元；
所述第一变换单元包括PWM电路，所述第一变换单元电压变化率根据PWM电路中开关占空比确定；
所述第二变换单元包括第一半桥LLC谐振电路，所述第一半桥LLC谐振电路包括第一变压器；第二变换单元电压变换率根据所述第一变压器确定；
所述第三变换单元包括第二半桥LLC谐振电路，所述第二半桥LLC谐振电路包括第二变压器；第三变换单元电压变换率根据所述第二变压器确定。
优选的，所述多级并联DC-DC变换器输出电压Vo的计算公式为：
V0＝Vt1+Vt2
Vt1＝Vin×n1
Vt2＝V2×n2
Figure GDA0003022884780000021
Iin＝I1+I2
其中，Vin为输入电源输入电压，Vo为所述多级并联DC-DC变换器输出电压，Vt1为第三变换单元输出电压，Vt2为第二变换单元输出电压，V2为第二变换单元输入电压，n2为第二变换单元电压变化率，n1为第三变换单元电压变化率，D为第一变换单元内功率开关导通时间，Iin为所述输入电源的总输出电流，I1为第三变换单元输入电流，I2为第一变换单元输入电流；
通过控制导通时间D，控制所述多级并联DC-DC变换器电压变化率。
优选的，所述第一变换单元包括串联的第一功率开关S11及第二功率开关S12，第一电感L1，第一电容C1；所述第一电感L1第一端与所述第一功率开关S11的源极及所述第二功率开关S12的漏极相连，所述第一电感L1第二端与所述第一电容C1第一端相连，所述第一电容C1第二端与所述第二功率开关S12的源极相连。
优选的，所述第三变换单元包括串联的第三功率开关Sr11及第四功率开关Sr12，第二电容Cr1，及第一变压器T1，所述第二电容Cr1第一端与第三功率开关Sr11的源极及第四功率开关Sr12的漏极相连，所述第二电容Cr1第二端与所述第一变压器T1相连。
优选的，所述第二变换单元包括串联的第五功率开关Sr21及第六功率开关Sr22，第三电容Cr2，及第二变压器T2，所述第三电容Cr2第一端与第五功率开关Sr21的源极及第六功率开关Sr22的漏极相连，所述第三电容Cr2第二端与所述第二变压器T2相连。
优选的，所述第一变压器包括第二电感Lr1，第三励磁电感Lm1，及第一绕组线圈；所述第二电感Lr1第一端与所述第二电容Cr1第二端相连，所述第二电感Lr1第二端与所述第三励磁电感Lm1第一端与第一绕组线圈第一端相连，所述第三励磁电感Lm1与所述第一绕组线圈并联；所述第三励磁电感Lm1为变压器T1等效到原边的励磁电感。
优选的，所述第二变压器包括第四电感Lr2，第五励磁电感Lm2，及第二绕组线圈；所述第四电感Lr2第一端与所述第三电容Cr2第二端相连，所述第四电感Lr2第二端与所述第五励磁电感Lm2第一端与第二绕组线圈第一端相连，所述第五励磁电感Lm2与所述第二绕组线圈并联；所述第三励磁电感Lm2为变压器T2等效到原边的励磁电感。
优选的，第三功率开关Sr11，第四功率开关Sr12，第五功率开关Sr21，第六功率开关Sr22开关同步开断，控制第三变换单元输出电压与第二变换单元输出电压相位一致。
优选的，通过控制第一功率开关S11，第二功率开关S12实现输出电压调节；通过控制第三功率开关Sr11，第四功率开关Sr12，第五功率开关Sr21，第六功率开关Sr22开关相位延迟，控制第三变换单元输出电压与第二变换单元输出电压相位，获得多相位结合的多级并联DC-DC变换器输出电压。
本发明通过采用多个变换器共享输入电源的输入功率，提高了变换器的效率；此外，本发明通过控制以并联的多个以变压器为核心的变换器的功率开关的频率，可控电压幅度、可控单一或多相位结合的输出电压的技术效果。
附图说明
图1为现有技术的DC-DC变换器；
图2为现有技术的DC-DC变换器；
图3为现有技术的DC-DC变换器；
图4为实施例一提供的二级DC-DC变换器；
图5为实施例一提供的二级DC-DC变换器在400V和600V输出电压时的参数图。
具体实施方式
下面结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护范围。
实施例一
本实施例提供一种二级并联DC-DC变换器，如图4-5所示，包括
串联的第一变换单元，第二变换单元，及，与第一变换单元及第二变换单元并联的第三变换单元；所述第一变换单元用于根据占空比确定电压变化率；所述第二变换单元及第三变换单元用于根据变压器确定电压变化率。
第一变换单元包括PWM电路，可以是boost电路，buck电路，boost-buck电路，在本实施例中，具体包括：串联的第一功率开关S11及第二功率开关S12，第一电感L1，第一电容C1；所述第一电感L1第一端与所述第一功率开关S11的源极及所述第二功率开关S12的漏极相连，所述第一电感L1第二端与所述第一电容C1第一端相连，所述第一电容C1第二端与所述第二功率开关S12的源极相连。
第二变换单元包括：串联的第五功率开关Sr21及第六功率开关Sr22，第三电容Cr2，及第二变压器T2，所述第三电容Cr2第一端与第五功率开关Sr21的源极及第六功率开关Sr22的漏极相连，所述第三电容Cr2第二端与所述第二变压器T2相连；第二变压器包括第四电感Lr2，第五励磁电感Lm2，及第二绕组线圈；所述第四电感Lr2第一端与所述第三电容Cr2第二端相连，所述第四电感Lr2第二端与所述第五励磁电感Lm2第一端与第二绕组线圈第一端相连，所述第五励磁电感Lm2与所述第二绕组线圈并联；所述第三励磁电感Lm2为变压器T2等效到原边的励磁电感。
第三变换单元包括：串联的第三功率开关Sr11及第四功率开关Sr12，第二电容Cr1，及第一变压器T1，所述第二电容Cr1第一端与第三功率开关Sr11的源极及第四功率开关Sr12的漏极相连，所述第二电容Cr1第二端与所述第一变压器T1相连，所述第一变压器包括第二电感Lr1，第三励磁电感Lm1，及第一绕组线圈；所述第二电感Lr1第一端与所述第二电容Cr1第二端相连，所述第二电感Lr1第二端与所述第三励磁电感Lm1第一端与第一绕组线圈第一端相连，所述第三励磁电感Lm1与所述第一绕组线圈并联；所述第三励磁电感Lm1为变压器T1等效到原边的励磁电感。
多级并联DC-DC变换器输出电压Vo的计算公式为：
V0＝Vt1+Vt2
Vt1＝Vin×n1
Vt2＝V2×n2
Figure GDA0003022884780000051
Iin＝I1+I2
其中，Vin为输入电源输入电压，Vo为所述多级并联DC-DC变换器输出电压，Vt1为第三变换单元输出电压，Vt2为第二变换单元输出电压，V2为第二变换单元输入电压，n2为第二变换单元电压变化率，n1为第三变换单元电压变化率，D为第一变换单元内功率开关导通时间，Iin为所述输入电源的总输出电流，I1为第三变换单元输入电流，I2为第一变换单元输入电流；
通过控制导通时间D，控制所述多级并联DC-DC变换器电压变化率；通过控制第三功率开关Sr11，第四功率开关Sr12，第五功率开关Sr21，第六功率开关Sr22开关同步开断，控制第三变换单元输出电压与第二变换单元输出电压相位一致；通过控制第一功率开关S11，第二功率开关S12实现输出电压调节；通过控制第三功率开关Sr11，第四功率开关Sr12，第五功率开关Sr21，第六功率开关Sr22开关相位延迟，控制第三变换单元输出电压与第二变换单元输出电压相位，获得多相位结合的多级并联DC-DC变换器输出电压。
本实施例提供的多级并联DC-DC变换器输出电压，与将输入功率直接连接到第一级变换器不同，输入功率被变压器TI和变压器T2共享，当输入电压变化时，Vt1随之变化，同时Vt2被调节使得Vo＝Vt1+Vt2为常数。此时，整个系统的总效率η为：
η＝(Vt1η3+Vt2η1η2)/Vo
其中η为总效率，η1为第一变换单元效率，η2为第二变换单元效率，η3为第三变换单元效率。
本实施例提供的多级并联DC-DC变换器输出电压可实现多输出的技术效果，如图5所示，为输出电压为400V和600V的各级电压、占空比，变化率参数。本实施例可通过调整占空比的方式获得多种不同输出电压的组合，所述多种不同输出电压可以是同相位的输出电压，也可以是多相位结合的输出电压，以满足不同输出电压需求。
以上所述的具体实施例，对本发明的目的，技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种多级并联DC-DC变换器，其特征在于，包括：
输入电源，
串联的第一变换单元，第二变换单元，及，与第一变换单元及第二变换单元并联的第三变换单元；
所述第一变换单元包括PWM电路，所述第一变换单元电压变化率根据PWM电路中开关占空比确定；
所述第二变换单元包括第一半桥LLC谐振电路，所述第一半桥LLC谐振电路包括第一变压器；第二变换单元电压变换率根据所述第一变压器确定；
所述第三变换单元包括第二半桥LLC谐振电路，所述第二半桥LLC谐振电路包括第二变压器；第三变换单元电压变换率根据所述第二变压器确定；
系统的总效率η为：
η＝(Vt1η3+Vt2η1η2)/Vo
其中η为总效率，η1为第一变换单元效率，η2为第二变换单元效率，η3为第三变换单元效率，Vt1为第三变换单元输出电压，Vt2为第二变换单元输出电压。
2.根据权利要求1所述多级并联DC-DC变换器，其特征在于，所述多级并联DC-DC变换器输出电压Vo的计算公式为：
V0＝Vt1+Vt2
Vt1＝Vin×n1
Vt2＝V2×n2
Figure FDA0003022884770000011
Iin＝I1+I2
其中，Vin为输入电源输入电压，Vo为所述多级并联DC-DC变换器输出电压，Vt1为第三变换单元输出电压，Vt2为第二变换单元输出电压，V2为第二变换单元输入电压，n2为第二变换单元电压变化率，n1为第三变换单元电压变化率，D为第一变换单元内功率开关导通时间，Iin为所述输入电源的总输出电流，I1为第三变换单元输入电流，I2为第一变换单元输入电流；
通过控制导通时间D，控制所述多级并联DC-DC变换器电压变化率。
3.根据权利要求1所述多级并联DC-DC变换器，其特征在于，所述第一变换单元包括串联的第一功率开关S11及第二功率开关S12，第一电感L1，第一电容C1；所述第一电感L1第一端与所述第一功率开关S11的源极及所述第二功率开关S12的漏极相连，所述第一电感L1第二端与所述第一电容C1第一端相连，所述第一电容C1第二端与所述第二功率开关S12的源极相连。
4.根据权利要求1所述多级并联DC-DC变换器，其特征在于，所述第三变换单元包括串联的第三功率开关Sr11及第四功率开关Sr12，第二电容Cr1，及第一变压器T1，所述第二电容Cr1第一端与第三功率开关Sr11的源极及第四功率开关Sr12的漏极相连，所述第二电容Cr1第二端与所述第一变压器T1相连。
5.根据权利要求1所述多级并联DC-DC变换器，其特征在于，所述第二变换单元包括串联的第五功率开关Sr21及第六功率开关Sr22，第三电容Cr2，及第二变压器T2，所述第三电容Cr2第一端与第五功率开关Sr21的源极及第六功率开关Sr22的漏极相连，所述第三电容Cr2第二端与所述第二变压器T2相连。
6.根据权利要求4所述多级并联DC-DC变换器，其特征在于，所述第一变压器包括第二电感Lr1，第三励磁电感Lm1，及第一绕组线圈；所述第二电感Lr1第一端与所述第二电容Cr1第二端相连，所述第二电感Lr1第二端与所述第三励磁电感Lm1第一端与第一绕组线圈第一端相连，所述第三励磁电感Lm1与所述第一绕组线圈并联；所述第三励磁电感Lm1为变压器T1等效到原边的励磁电感。
7.根据权利要求5所述多级并联DC-DC变换器，其特征在于，所述第二变压器包括第四电感Lr2，第五励磁电感Lm2，及第二绕组线圈；所述第四电感Lr2第一端与所述第三电容Cr2第二端相连，所述第四电感Lr2第二端与所述第五励磁电感Lm2第一端与第二绕组线圈第一端相连，所述第五励磁电感Lm2与所述第二绕组线圈并联；所述第五 励磁电感Lm2为变压器T2等效到原边的励磁电感。
8.根据权利要求1-7中任一所述多级并联DC-DC变换器，其特征在于，通过控制第三功率开关Sr11，第四功率开关Sr12，第五功率开关Sr21，第六功率开关Sr22开关同步开断，控制第三变换单元输出电压与第二变换单元输出电压相位一致。
9.根据权利要求1-7中任一所述多级并联DC-DC变换器，其特征在于，通过控制第一功率开关S11，第二功率开关S12实现输出电压调节；通过控制第三功率开关Sr11，第四功率开关Sr12，第五功率开关Sr21，第六功率开关Sr22开关相位延迟，控制第三变换单元输出电压与第二变换单元输出电压相位，获得多相位结合的多级并联DC-DC变换器输出电压。
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