CN113193749A

CN113193749A - 一种宽范围高压柔性直流组合变换拓扑

Info

Publication number: CN113193749A
Application number: CN202110654454.0A
Authority: CN
Inventors: 朱子锐; 刘涛; 董宝磊; 顾伟伟; 陈涛; 王霄; 蓝建宇; 黄军; 何小斌
Original assignee: Shanghai Institute of Space Power Sources
Current assignee: Shanghai Institute of Space Power Sources
Priority date: 2021-06-11
Filing date: 2021-06-11
Publication date: 2021-07-30

Abstract

本发明提供一种宽范围高压柔性直流组合变换拓扑，包含：多个串并联整流电路和柔性直流输出电路；串并联整流电路包含：变压器二次侧绕组TAy、TBy，第一桥臂至第三桥臂，LC滤波电路；TAy与TBy能够在串联、并联之间柔性切换，TAy连接设置在第一桥臂的中点及第二桥臂的中点之间，TBy连接设置在第二桥臂的中点及第三桥臂的中点之间；第一桥臂第一端、第二桥臂的第一端、第三桥臂的第一端互相连接，第一桥臂的第二端、第二桥臂的第二端、第三桥臂的第二端互相连接，LC滤波电路连接设置在第一桥臂的第一端、第二端之间；通过柔性直流输出电路实现多个串并联整流电路在串联模式、并联模式之间柔性切换。本发明实现了宽范围高电压的柔性变换。

Description

一种宽范围高压柔性直流组合变换拓扑

技术领域

本发明涉及大功率DC/DC变换器拓扑领域，具体涉及一种宽范围高压柔性直流组合变换拓扑。

背景技术

阳极电源作为霍尔电推进系统的重要组成部分，需要给霍尔推力器的阳极持续提供高压大功率的直流电源，以实现阳极的正常工作。

常见的具有升压功能的单一模式的非隔离DC/DC变换器拓扑，如Boost，Buck-boost，Cuk等，由于其电路采用非隔离的形式，在高压大功率场景下工作会导致电路前后级相互影响，在电路失效时还有可能导致高压部分进入低压部分，降低了电路整体的可靠性。

常见的具有升压功能的单一模式的隔离DC/DC变换器拓扑，其主要利用变压器来实现电压的升高，升压的范围有限，无法适应宽范围高压大功率的应用场景。

基于以上应用场景与问题，如何实现大功率DC/DC变换器的柔性宽范围升压，成为一个亟需解决的问题。

发明内容

本发明的目的是提供一种宽范围高压柔性直流组合变换拓扑，能够作为DC/DC变换器实现柔性宽范围升压，满足大功率、高电压场景的需求。

为了达到上述目的，本发明提供一种宽范围高压柔性直流组合变换拓扑，包含：

第一至第A串并联整流电路，以及柔性直流输出电路；所述柔性直流输出电路连接第一至第A串并联整流电路，用于实现第一至第A串并联整流电路在串联连接、并联连接之间柔性切换；

其中，第i串并联整流电路包含：

变压器二次侧绕组TAyi和TByi，i∈[1,A]；

第一桥臂至第三桥臂，各包含第一端、第二端及中点；

所述变压器二次侧绕组TAyi连接设置在第一桥臂的中点及第二桥臂的中点之间；所述变压器二次侧绕组TByi连接设置在第二桥臂的中点及第三桥臂的中点之间；第一桥臂的第一端、第二桥臂的第一端、第三桥臂的第一端互相连接；第一桥臂的第二端、第二桥臂的第二端、第三桥臂的第二端互相连接；

LC滤波电路，连接设置在第一桥臂的第一端和第一桥臂的第二端之间。

可选的，第i串并联整流电路的第一桥臂包含二极管Dyi_1，Dyi_2；第i串并联整流电路的第二桥臂包含二极管Dyi_3，Dyi_4；第i串并联整流电路的第三桥臂包含二极管Dyi_5，Dyi_6；

二极管Dyi_1的阴极、二极管Dyi_3的阴极、二极管Dyi_5的阴极互相连接；

二极管Dyi_2的阳极、二极管Dyi_4的阳极、二极管Dyi_6的阳极互相连接；

二极管Dyi_1的阳极、二极管Dyi_2的阴极、变压器二次侧绕组TAyi的非同名端互相连接；

二极管Dyi_3的阳极、二极管Dyi_4的阴极、变压器二次侧绕组TAyi的同名端、变压器二次侧绕组TByi的非同名端互相连接；

二极管Dyi_5的阳极、二极管Dyi_6的阴极、变压器二次侧绕组TByi的同名端互相连接；i∈[1,A]。

可选的，第i串并联整流电路的LC滤波电路包含输出电感Lyi、输出电容Cyi；输出电感Lyi的第一端连接二极管Dyi_5的阴极，输出电感Lyi的第二端连接输出电容Cyi的第一端，输出电容Cyi的第二端连接二极管Dyi_6的阳极；i∈[1,A]。

可选的，所述宽范围高压柔性直流组合变换拓扑还包含一个输出电阻R₀，第i串并联整流电路输出电感Lyi的第二端连接输出电阻R₀的第一端；第i串并联整流电路输出电容Cyi的第二端连接输出电阻R₀的第二端；i∈[1,A]。

可选的，所述柔性直流输出电路包含B个N型场效应管，分别为N型场效应管M1～MB，其中B＝A-1；N型场效应管Mk的源极连接第k串并联整流电路的电容Cyk的第二端，N型场效应管Mk的漏极连接第k+1串并联整流电路的输出电容Cy(k+1)的第一端，k∈[1,B]；通过同时开通或关断所述B个N型场效应管，实现串联连接或并联连接第一至第A串并联整流电路。

可选的，柔性直流输出电路还包含2B个二极管，分别为二极管D_1～D_2B；其中，二极管D_(2k-1)的阳极连接输出电阻R₀的第二端，二极管D_(2k-1)的阴极连接N型场效应管Mk的源极；二极管D_2k的阳极连接N型场效应管Mk的漏极，二极管D_2k的阴极连接输出电阻R₀的第一端；k∈[1,B]。

可选的，所述变压器二次侧绕组TAyi、TByi的电压方向相同时，TAyi与TByi串联；变压器二次侧绕组TAyi、TByi的电压方向相反时，TAyi与TByi并联；i∈[1,A]。

与现有技术相比，本发明的有益效果在于：

本发明的宽范围高压柔性直流组合变换拓扑，针对高压大功率宽范围DC/DC变换器的应用场景，能够通过A个串并联整流电路，实现柔性的0～2AN倍的宽范围升压比。其中N为并联整流电路中，变压器二次侧绕组TAy、TBy所对应的变压器TA、变压器TB的变比。并且，通过改变串并联整流电路的数量，能够灵活改变升压比范围。

附图说明

为了更清楚地说明本发明技术方案，下面将对描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一个实施例，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为本发明的宽范围高压柔性直流组合变换拓扑示意图；

图中：

1、第一串并联整流电路；

2、第二串并联整流电路；

3、第三串并联整流电路；

4、柔性直流输出电路。

具体实施方式

下面将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，都属于本发明保护的范围。

需要说明，本发明实施例中所有方向性指示(诸如上、下、左、右、前、后等)仅用于解释在某一特定姿态(如附图所示)下各部件之间的相对位置关系、运动情况等，如果该特定姿态发生改变时，则该方向性指示也相应地随之改变，所述的连接可以是直接连接，也可以是间接连接。

本文中术语“和/或”，仅仅是一种描述关联对象的关联关系，表示可以存在三种关系，例如，A和B，可以表示：单独存在A，同时存在A和B，单独存在B这三种情况。

另外，在本发明中如涉及“第一”、“第二”等的描述仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示其相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。另外，各个实施例之间的技术方案可以相互结合，但是必须是以本领域普通技术人员能够实现为基础，当技术方案的结合出现相互矛盾或无法实现时应当认为这种技术方案的结合不存在，也不在本发明要求的保护范围之内。

本发明提供一种宽范围高压柔性直流组合变换拓扑，包括：第一至第A串并联整流电路，以及柔性直流输出电路。其中A为正整数。如图1所示，在本发明的实施例中，包含三个串并联整流电路，分别为第一串并联整流电路1、第二串并联整流电路2和第三串并联整流电路3。本发明的串并联整流电路均为六管全桥整流电路。

第一串并联整流电路1包含功率二极管Dy1_1，Dy1_2，Dy1_3，Dy1_4，Dy1_5，Dy1_6，变压器二次侧绕组TAy1和TBy1，输出电感Ly1，输出电容Cy1。第二串并联整流电路2包含功率二极管Dy2_1，Dy2_2，Dy2_3，Dy2_4，Dy2_5，Dy2_6，变压器二次侧绕组TAy2和TBy2，输出电感Ly2，输出电容Cy2。第三串并联整流电路3包含功率二极管Dy3_1，Dy3_2，Dy3_3，Dy3_4，Dy3_5，Dy3_6，变压器二次侧绕组TAy3和TBy3，输出电感Ly3，输出电容Cy3。柔性直流输出电路包含开关管M1，开关管M2，二极管D_1，D_2，D_3，D_4。在本发明的实施例中，开关管M1、开关管M2均为N型场效应管。

如图1所示，在第一串并联整流电路1中：二极管Dy1_1的阳极与二极管Dy1_2的阴极直接连接，二极管Dy1_3的阳极与二极管Dy1_4的阴极直接连接，二极管Dy1_5的阳极与二极管Dy1_6的阴极直接连接。二极管Dy1_1的阴极，二极管Dy1_3的阴极，二极管Dy1_5的阴极直接相连；二极管Dy1_2的阳极，二极管Dy1_4的阳极，二极管Dy1_6的阳极直接连接。变压器二次侧绕组TAy1的同名端与二极管Dy1_3的阳极直接连接，变压器二次侧绕组TAy1的非同名端与二极管Dy1_1的阳极直接连接。变压器二次侧绕组TBy1的同名端与二极管Dy1_5的阳极直接连接，变压器二次侧绕组TBy1的非同名端与二极管Dy1_3的阳极直接连接。输出电感Ly1的第一端与二极管Dy1_5的阴极直接连接，输出电感Ly1的第二端与输出电容Cy1的第一端直接连接，输出电容Cy1的第二端与二极管Dy1_6的阳极直接连接。在变压器二次侧绕组TAy1、TBy1输入交流电压，经过二极管Dy1_1～二极管Dy1_6整流后，再经由输出电感Ly1与输出电容Cy1组成的LC滤波电路滤波后，输出脉动的直流电压。输出电容Cy1两端的电压U_o1即为第一串并联整流电路1的输出电压。

如图1所示，在第二串并联整流电路2中：二极管Dy2_1的阳极与二极管Dy2_2的阴极直接连接，二极管Dy2_3的阳极与二极管Dy2_4的阴极直接连接，二极管Dy2_5的阳极与二极管Dy2_6的阴极直接连接。二极管Dy2_1的阴极，二极管Dy2_3的阴极，二极管Dy2_5的阴极直接相连；二极管Dy2_2的阳极，二极管Dy2_4的阳极，二极管Dy2_6的阳极直接连接。变压器二次侧绕组TAy2的同名端与二极管Dy2_3的阳极直接连接，变压器二次侧绕组TAy2的非同名端与二极管Dy2_1的阳极直接连接。变压器二次侧绕组TBy2的同名端与二极管Dy2_5的阳极直接连接，变压器二次侧绕组TBy2的非同名端与二极管Dy2_3的阳极直接连接。所述的输出电感Ly2一端与输出电容Cy2直接连接，另一端与二极管Dy2_5的阴极直接连接。所述的输出电容Cy2的另一端与二极管Dy2_6的阳极直接连接。在变压器二次侧绕组TAy2、TBy2输入交流电压，经过二极管Dy2_1～二极管Dy2_6整流后，再经由输出电感Ly2与输出电容Cy2组成的LC滤波电路滤波后，输出脉动的直流电压。输出电容Cy2两端的电压U_o2即为第二串并联整流电路2的输出电压。

如图1所示，在第三串并联整流电路3中：二极管Dy3_1的阳极与二极管Dy3_2的阴极直接连接，二极管Dy3_3的阳极与二极管Dy3_4的阴极直接连接，二极管Dy3_5的阳极与二极管Dy3_6的阴极直接连接。二极管Dy3_1的阴极，二极管Dy3_3的阴极，二极管Dy3_5的阴极直接相连，二极管Dy3_2的阳极，二极管Dy3_4的阳极，二极管Dy3_6的阳极直接连接。变压器二次侧绕组TAy3的同名端与二极管Dy3_3的阳极直接连接，变压器二次侧绕组TAy3的非同名端与Dy3_1的阳极直接连接。变压器二次侧绕组TBy3的同名端与二极管Dy3_5的阳极直接连接，变压器二次侧绕组TBy3的非同名端与Dy3_3的阳极直接连接。输出电感Ly3的第一端与二极管Dy3_5的阴极直接连接，输出电感Ly3的第二端与输出电容Cy3的第一端直接连接，输出电容Cy3的第二端与二极管Dy3_6的阳极直接连接。在变压器二次侧绕组Tay3、Tby3输入交流电压，经过二极管Dy3_1～二极管Dy3_6整流后，再经由输出电感Ly3与输出电容Cy3组成的LC滤波电路滤波后，输出脉动的直流电压。输出电容Cy3两端的电压U_o3即为第三串并联整流电路3的输出电压。

如图1所示，N型场效应管M1的源极连接第一串并联整流电路1的电容Cy1的第二端，N型场效应管M1的漏极连接第二串并联整流电路2的输出电容Cy2的第一端。N型场效应管M2的源极连接第二串并联整流电路2的电容Cy2的第二端，N型场效应管M2的漏极连接第三串并联整流电路3的输出电容Cy3的第一端。通过同时开通或关断N型场效应管M1、M2，实现串联连接或并联连接第一至第三串并联整流电路。

二极管D_1的阳极、二极管D_3的阳极连接输出电阻R₀的第二端，二极管D_1的阴极连接N型场效应管M1的源极，二极管D_3的阴极连接N型场效应管M3的源极；二极管D_2的阳极连接N型场效应管M2的漏极，二极管D_4的阳极连接N型场效应管M2的漏极，二极管D_2的阴极、二极管D_4的阴极连接输出电阻R₀的第一端。

本发明的工作原理如下：

变压器二次侧绕组TAy1、TAy2、TAy3对应于变压器TA(图中未示出)的变压器一次侧TAx(图中未示出)，变压器二次侧绕组TAy1、TAy2、TAy3与变压器一次侧TAx的电压方向相同；变压器二次侧绕组TBy1、TBy2、TBy3对应于变压器TB(图中未示出)的变压器一次侧TBx(图中未示出)，变压器二次侧绕组TBy1、TBy2、TBy3与变压器一次侧TBx的电压方向相同。

当变压器二次侧TAy1和变压器二次侧TBy1的电压同向时，第一串并联整流电路1工作在串联模式，第一串并联整流电路1输出变压器二次侧TAy1和变压器二次侧TBy1的串联电压。当变压器二次侧TAy1和变压器二次侧TBy1的电压反向时，第一串并联整流电路1工作在并联模式，第一串并联整流电路1输出变压器二次侧TAy1和变压器二次侧TBy1的并联电压。

当变压器二次侧TAy2和变压器二次侧TBy2的电压同向时，第二串并联整流电路2工作在串联模式，第二串并联整流电路2输出变压器二次侧TAy2和变压器二次侧TBy2的串联电压。当变压器二次侧TAy2和变压器二次侧TBy2的电压反向时，第二串并联整流电路2工作在并联模式，第二串并联整流电路2输出变压器二次侧TAy2和变压器二次侧TBy2的并联电压。

当变压器二次侧TAy3和变压器二次侧TBy3的电压同向时，第三串并联整流电路3工作在串联模式，第三串并联整流电路3输出变压器二次侧TAy3和变压器二次侧TBy3的串联电压。当变压器二次侧TAy3和变压器二次侧TBy3的电压反向时，第三串并联整流电路3工作在并联模式，第三串并联整流电路3输出变压器二次侧TAy3和变压器二次侧TBy3的并联电压。

当开关管M1，M2关断时，第一串并联整流电路1、第二串并联整流电路2、第三串并联整流电路3为并联连接，通过柔性直流输出电路4输出第一串并联整流电路1、第二串并联整流电路2，第三串并联整流电路3的并联电压。

当开关管M1，M2开通时，第一串并联整流电路1、第二串并联整流电路2、第三串并联整流电路3为串联连接，通过柔性直流输出电路4输出第一串并联整流电路1、第二串并联整流电路2，第三串并联整流电路3的串联电压。

当变压器一次侧TAx与变压器一次侧TBx的电压方向相同，且开关管M1，M2开通时，本发明宽范围高压柔性直流组合变换拓扑的输出电压最高。

综上所述，本发明所提供的一种宽范围高压柔性直流组合变换拓扑，针对高压大功率宽范围DC/DC变换器的应用场景，在整流部分存在A个模块(串并联整流电路)的情况下，实现柔性的0-2AN倍的宽范围升压比。其中N为变压器TA和变压器TB的变比。此外，通过改变整流部分的串并联整流电路数量，能够灵活改变升压比范围。

需要说明的是，在本文中，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、装置、物品或者方法不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、装置、物品或者方法所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括该要素的过程、装置、物品或者方法中还存在另外的相同要素。

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到各种等效的修改或替换，这些修改或替换都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以权利要求的保护范围为准。

Claims

1.一种宽范围高压柔性直流组合变换拓扑，其特征在于，包含：

其中，第i串并联整流电路包含：

变压器二次侧绕组TAyi和TByi，i∈[1,A]；

第一桥臂至第三桥臂，各包含第一端、第二端及中点；

2.如权利要求1所述的宽范围高压柔性直流组合变换拓扑，其特征在于，第i串并联整流电路的第一桥臂包含二极管Dyi_1，Dyi_2；第i串并联整流电路的第二桥臂包含二极管Dyi_3，Dyi_4；第i串并联整流电路的第三桥臂包含二极管Dyi_5，Dyi_6；

3.如权利要求2所述的宽范围高压柔性直流组合变换拓扑，其特征在于，第i串并联整流电路的LC滤波电路包含输出电感Lyi、输出电容Cyi；输出电感Lyi的第一端连接二极管Dyi_5的阴极，输出电感Lyi的第二端连接输出电容Cyi的第一端，输出电容Cyi的第二端连接二极管Dyi_6的阳极；i∈[1,A]。

4.如权利要求1所述的宽范围高压柔性直流组合变换拓扑，其特征在于，还包含一个输出电阻R₀，第i串并联整流电路输出电感Lyi的第二端连接输出电阻R₀的第一端；第i串并联整流电路输出电容Cyi的第二端连接输出电阻R₀的第二端；i∈[1,A]。

5.如权利要求3所述的宽范围高压柔性直流组合变换拓扑，其特征在于，所述柔性直流输出电路包含B个N型场效应管，分别为N型场效应管M1～MB，其中B＝A-1；N型场效应管Mk的源极连接第k串并联整流电路的电容Cyk的第二端，N型场效应管Mk的漏极连接第k+1串并联整流电路的输出电容Cy(k+1)的第一端，k∈[1,B]；通过同时开通或关断所述B个N型场效应管，实现串联连接或并联连接第一至第A串并联整流电路。

6.如权利要求5所述的宽范围高压柔性直流组合变换拓扑，其特征在于，柔性直流输出电路还包含2B个二极管，分别为二极管D_1～D_2B；其中，二极管D_(2k-1)的阳极连接输出电阻R₀的第二端，二极管D_(2k-1)的阴极连接N型场效应管Mk的源极；二极管D_2k的阳极连接N型场效应管Mk的漏极，二极管D_2k的阴极连接输出电阻R₀的第一端；k∈[1,B]。

7.如权利要求1所述的宽范围高压柔性直流组合变换拓扑，其特征在于，所述变压器二次侧绕组TAyi、TByi的电压方向相同时，TAyi与TByi串联；变压器二次侧绕组TAyi、TByi的电压方向相反时，TAyi与TByi并联；i∈[1,A]。