CN111654183B - 一种直流-直流变换装置及其控制方法 - Google Patents

一种直流-直流变换装置及其控制方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种直流‑直流变换装置，包括输入端、至少2个单元变换电路、第一母线电容、第二母线电容、第一输出端和第二输出端；输入端的正端连接于第一输出端的正端，输入端的负端连接于第二输出端的负端；单元变换电路并联于输入端、第一输出端和第二输出端之间；第一输出端并联第一母线电容，第二输出端并联第二母线电容；通过多个单元变换电路连接输入、输出端形成多个桥臂，通过控制不同桥臂之间的开关管以预设角度进行交错导通，使得总的输入电流纹波电流相比于不交错时减小；当同一个桥臂的上下两个开关管进一步进行交错导通时，桥臂内电感电流纹波减小，总的输入电流和输出电容纹波电流进一步减小。

Description

一种直流-直流变换装置及其控制方法
技术领域
本发明属于电力电子产品领域，尤其涉及一种直流-直流变换装置及其控制方法。
背景技术
当工业应用中有直流高电压转换成其他等级直流电压的需求时，通常会采用两级电路进行DC-DC变换，先通过前级电路(如Buck或Boost电路)将高输入电压转换成中间电压，再通过后级DC-DC变换电路(如移相全桥或LLC电路)将中间电压转换成所需电压，通过两级电路的转换，可以实现较高的转换效率。
在现有的DC-DC变换装置中，采用了一种三电平DC-DC变换器，通过采用普通开关器件，可以实现高压输入和两路母线输出。由于输出母线上并联了电解电容，当大功率应用时，随着输出纹波电流的增大，输出母线电解电容会存在发热严重的问题。为了解决该问题，通常可考虑增加电解电容的数量，但这种方式会增大模块体积，降低模块功率密度；还可采用寿命更长、耐温更高的电解电容或者通过额外增加辅助散热的方式来加强电解电容的散热，但这两种方式会大大增加模块的成本。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是：针对高压输入大功率应用的需求，提供了一种直流-直流变换装置及其控制方法，解决现有直流-直流变换装置中两个母线电容电流纹波大、电容温度高的技术问题。
为了解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为：提供一种直流-直流变换装置，包括输入端、至少2个单元变换电路、第一母线电容、第二母线电容、第一输出端和第二输出端；所述输入端的正端连接于所述第一输出端的正端，所述输入端的负端连接于所述第二输出端的负端；所述单元变换电路并联于所述输入端、所述第一输出端和所述第二输出端之间；所述第一输出端并联所述第一母线电容，所述第二输出端并联所述第二母线电容。
进一步的，所述单元变换电路包括第一二极管、第二二极管和电感；所述第一开关管的一端连接于所述输入端的正端，所述第一开关管的另一端与所述第一二极管的阴极连接到所述电感的一端，所述第一二极管的阳极连接于所述第一输出端的负端；所述第二开关管的一端连接于所述输入端的负端，所述第二开关管的另一端与所述第二二极管的阳极连接到所述电感的另一端，所述第二二极管的阴极连接于所述第二输出端的正端。
进一步的，所述输入端并联有一输入电容。
进一步的，所述第一输出端和所述第二输出端分别连接后级直流-直流变换装置。
进一步的，所述后级直流-直流变换电路为移相全桥电路或者LLC电路。
进一步的，所述开关管为MOSFET或IGBT开关器件。
一种上述直流-直流变换装置的控制方法，包括：
所述单元变换电路之间的第一开关管以第一预设角度进行交错导通。
进一步的，所述单元变换电路之间的第一开关管以第一预设角度进行交错导通，所述单元变换电路中的第一开关管与第二开关管以第二预设角度进行交错导通。
进一步的，所述第一、第二预设角度为一个开关周期内开关管导通时错开的角度，所述一个开关周期为360度。
进一步的，相邻所述单元变换电路中的第一开关管以360/n度角度进行交错导通；所述单元变换电路中的第一开关管与第二开关管以180度角度进行交错导通；n为所述单元变换电路的数量。
本发明的有益效果在于通过多个单元变换电路连接输入、输出端形成多个桥臂，通过控制不同桥臂之间的开关管以预设角度进行交错导通，使得总的输入电流纹波电流相比于不交错时减小；当同一个桥臂的上下两个开关管进一步进行交错导通时，桥臂内电感电流纹波减小，总的输入电流和输出电容纹波电流进一步减小。
附图说明
下面结合附图详述本发明的具体结构
图1为本发明直流-直流变换装置的第一实施例；
图2为本发明直流-直流变换装置的第二实施例。
具体实施方式
本说明书中公开的所有特征，或公开的所有方法或过程中的步骤，除了互相排斥的特征和/或步骤以外，均可以以任何方式组合。
本说明书(包括任何附加权利要求、摘要和附图)中公开的任一特征，除非特别叙述，均可被其他等效或具有类似目的的替代特征加以替换。即，除非特别叙述，每个特征只是一系列等效或类似特征中的一个例子而已。
请参阅图1以及图2，本发明提供一种直流-直流变换装置，包括输入端、至少2个单元变换电路、第一母线电容、第二母线电容、第一输出端和第二输出端；输入端的正端连接于第一输出端的正端，输入端的负端连接于第二输出端的负端；单元变换电路并联于输入端、第一输出端和第二输出端之间；第一输出端并联第一母线电容，第二输出端并联第二母线电容。
本发明所提供的单元变换电路还包括第一二极管、第二二极管和电感；第一开关管的一端连接于输入端的正端，第一开关管的另一端与第一二极管的阴极连接到电感的一端，第一二极管的阳极连接于第一输出端的负端；第二开关管的一端连接于输入端的负端，第二开关管的另一端与第二二极管的阳极连接到电感的另一端，第二二极管的阴极连接于第二输出端的正端构成完整电路。
上述描述的直流-直流变换装置通过多个单元变换电路连接输入、输出端形成多个桥臂，通过控制不同桥臂之间的第一开关管以预设角度进行交错导通，使得总的输入电流纹波电流相比于不交错时减小；当同一个桥臂的上下两个开关管进一步进行交错导通时，桥臂内电感电流纹波减小，总的输入电流和输出电容纹波电流进一步减小。
实施例1
图1给出了本发明直流-直流变换装置的第一实施例电路图。图1所示的直流-直流变换装置包括输入端Vin、两路单元变换电路、第一母线电容C1、母线电容C2、第一输出端Vout1和第二输出端Vout2。输入端Vin的正端连接第一输出端Vout1的正端，输入端Vin的负端连接第二输出端Vout2的负端。第一路单元变换电路由开关管Q11、开关管Q12、二极管D11、二极管D12和电感L1组成。其中，开关管Q11的一端连接输入端Vin的正端，开关管Q11的另一端与二极管D11的阴极连接到电感L1的一端，二极管D11的阳极连接所述第一输出端Vout1的负端。开关管Q12的一端连接输入端Vin的负端，开关管Q12的另一端与二极管D12的阳极连接到电感L1的另一端，二极管D12的阴极连接第二输出端Vout2的正端。第二路单元变换电路由开关管Q21、开关管Q22、二极管D21、二极管D22和电感L2组成。其中，开关管Q21的一端连接输入端Vin的正端，开关管Q21的另一端与二极管D21的阴极连接到电感L2的一端，二极管D21的阳极连接所述第一输出端Vout1的负端。开关管Q22的一端连接输入端Vin的负端，开关管Q22的另一端与二极管D22的阳极连接到电感L2的另一端，二极管D22的阴极连接第二输出端Vout2的正端；第一输出端Vout1并联电容C1，第二输出端Vout2并联电容C2。
为了减小输入电压纹波，可以在输入端Vin并联输入电容Cin。
第一输出端Vout1和第二输出端Vout2可以分别接后级直流-直流变换电路，例如分别接移相全桥电路或者LLC电路。
开关管Q11，Q12，Q21，Q22为MOSFET、IGBT等开关器件；
MOSFET：金属-氧化物半导体场效应晶体管；
IGBT：绝缘栅双极型晶体管；
当开关管Q11与开关管Q21以第一预设角度进行交错导通，可以减小电容C1和电容C2的电流纹波。作为优选的技术方案，当开关管Q11与开关管Q21以180度的角度进行交错导通，效果最优。
当开关管Q11与开关管Q21以第一预设角度进行交错导通时，让开关管Q12与开关管Q11以第二预设角度进行交错导通，开关管Q22与开关管Q12以第二预设角度进行交错导通，可以减小电感L1和电感L2的电流纹波，进一步减小电容C1和电容C2的电流纹波。作为优选的技术方案，当开关管Q11与开关管Q21以180度的角度进行交错导通时，让开关管Q12与开关管Q11以180度的角度进行交错导通，开关管Q22与开关管Q12以180度的角度进行交错导通，效果最优。
实施例2
图2给出了本发明直流-直流变换装置的第二实施例电路图。图2所示的直流-直流变换装置包括输入端Vin、n路(n≥3)单元变换电路、第一母线电容C1、母线电容C2、第一输出端Vout1和第二输出端Vout2。输入端Vout1的正端连接第一输出端Vout1的正端，输入端Vin的负端连接第二输出端Vout2的负端。第一路单元变换电路由开关管Q11、开关管Q12、二极管D11、二极管D12和电感L1组成。其中，开关管Q11的一端连接输入端Vin的正端，开关管Q11的另一端与二极管D11的阴极连接到电感L1的一端，二极管D11的阳极连接所述第一输出端Vout1的负端。开关管Q12的一端连接输入端Vin的负端，开关管Q12的另一端与二极管D12的阳极连接到电感L1的另一端，二极管D12的阴极连接第二输出端Vout2的正端。第二路单元变换电路由开关管Q21、开关管Q22、二极管D21、二极管D22和电感L2组成。其中，开关管Q21的一端连接输入端Vin的正端，开关管Q21的另一端与二极管D21的阴极连接到电感L2的一端，二极管D21的阳极连接所述第一输出端Vout1的负端。开关管Q22的一端连接输入端Vin的负端，开关管Q22的另一端与二极管D22的阳极连接到电感L2的另一端，二极管D22的阴极连接第二输出端Vout2的正端。第n路单元变换电路由开关管Qn1、开关管Qn2、二极管Dn1、二极管Dn2和电感Ln组成。其中，开关管Qn1的一端连接输入端Vin的正端，开关管Qn1的另一端与二极管Dn1的阴极连接到电感L2的一端，二极管Dn1的阳极连接所述第一输出端Vout1的负端。开关管Qn2的一端连接输入端Vin的负端，开关管Qn2的另一端与二极管Dn2的阳极连接到电感L2的另一端，二极管Dn2的阴极连接第二输出端Vout2的正端。第一输出端Vout1并联电容C1，第二输出端Vout2并联电容C2。
为了减小输入电压纹波，可以在输入端Vin并联输入电容Cin。
第一输出端Vout1和第二输出端Vout2可以分别接后级直流-直流变换电路，例如分别接移相全桥电路或者LLC电路。
开关管Q11、Q12、Q21、Q22…Qn1、Qn2为MOSFET、IGBT等开关器件；
MOSFET：金属-氧化物半导体场效应晶体管；
IGBT：绝缘栅双极型晶体管；
当单元变换电路中的开关管Q11、Q21…Qn1以第一预设角度进行交错导通，可以减小电容C1和电容C2的电流纹波。作为优选的技术方案，当开关管Q11、Q21…Qn1以360/n度的角度进行交错导通，效果最优。
当单元变换电路中的开关管Q11、Q21…Qn1以第一预设角度进行交错导通时，让每路单元变换电路种的两个开关管Q12与开关管Q11、开关管Q21与开关管Q22…开关管Qn1与开关管Qn2以第二预设角度进行交错导通，可以减小电感L1和电感L2的电流纹波，进一步减小电容C1和电容C2的电流纹波。作为优选的技术方案，当开关管Q11、Q21…Qn1以360/n度的角度进行交错导通时，让开关管Q12与开关管Q11、开关管Q21与开关管Q22…开关管Qn1与开关管Qn2以180度的角度进行交错导通，效果最优。
上述第一、第二预设角度为一个开关周期内开关管导通时错开的角度，所述一个开关周期为360度。
综上所述，本发明提供的直流-直流变换装置及其控制方法有益效果在于：在输入端并联输入电容，通过交错导通，可以减小输入电容的电流纹波；并通过单元变换电路之间的第一开关管以预设角度进行交错导通，可以有效减小第一母线电容和第二母线电容的电流纹波；此外每路单元变换电路的第一开关管与第二开关管以180度的角度进行交错导通，减小每个单元变换电路的电感电流纹波，进一步减小第一母线电容和第二母线电容的电流纹波。
此处第一、第二……只代表其名称的区分，不代表它们的重要程度和位置有什么不同。
此处，上、下、左、右、前、后只代表其相对位置而不表示其绝对位置；
以上所述仅为本发明的实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。

Claims (8)

1.一种直流-直流变换装置，其特征在于，所述变换装置包括输入端、至少2个单元变换电路、第一母线电容、第二母线电容、第一输出端和第二输出端；所述输入端的正端连接于所述第一输出端的正端，所述输入端的负端连接于所述第二输出端的负端；所述单元变换电路并联于所述输入端、所述第一输出端和所述第二输出端之间；所述第一输出端并联所述第一母线电容，所述第二输出端并联所述第二母线电容；所述单元变换电路包括第一二极管、第二二极管、第一开关管、第二开关管和电感；所述第一开关管的一端连接于所述输入端的正端，所述第一开关管的另一端与所述第一二极管的阴极连接到所述电感的一端，所述第一二极管的阳极连接于所述第一输出端的负端；所述第二开关管的一端连接于所述输入端的负端，所述第二开关管的另一端与所述第二二极管的阳极连接到所述电感的另一端，所述第二二极管的阴极连接于所述第二输出端的正端；所述单元变换电路之间的第一开关管以第一预设角度进行交错导通。
2.如权利要求1所述的直流-直流变换装置，其特征在于，所述输入端并联有一输入电容。
3.如权利要求2所述的直流-直流变换装置，其特征在于，所述第一输出端和所述第二输出端分别连接后级直流-直流变换装置。
4.如权利要求3所述的直流-直流变换装置，其特征在于，所述后级直流-直流变换电路为移相全桥电路或者LLC电路。
5.如权利要求4所述的直流-直流变换装置，其特征在于，所述开关管为MOSFET或IGBT开关器件。
6.如权利要求5所述的直流-直流变换装置，其特征在于，所述单元变换电路之间的第一开关管以第一预设角度进行交错导通，所述单元变换电路中的第一开关管与第二开关管以第二预设角度进行交错导通。
7.如权利要求6所述的直流-直流变换装置，其特征在于，所述第一、第二预设角度为一个开关周期内开关管导通时错开的角度，所述一个开关周期为360度。
8.如权利要求7所述的直流-直流变换装置，其特征在于，所述单元变换电路之间的第一开关管以360/n度角度进行交错导通；所述单元变换电路中的第一开关管与第二开关管以180度角度进行交错导通；n为所述单元变换电路的数量。
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