CN113691122B - 一种开关电容型模块化高降压比直流电源及其控制方法 - Google Patents

一种开关电容型模块化高降压比直流电源及其控制方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种开关电容型模块化高降压比直流电源及其控制方法，该电源包括上模块化级联电路组串，下模块化级联电路组串，负载和输入源；其中，上、下模块化级联电路组串分别包含i个上子模块电路和j个下子模块电路，所有子模块电路均为输入与输出电容串联的不隔离三端口开关电容谐振型电路，所述电源通过模块化级联组成高压直流输入、低压直流输出的高降压比直流电源，模块间的组合方式包括：上模块组串级联、下模块组串级联以及上、下模块组串混合级联。本发明可根据电压和功率等级要求进行灵活拓展，无需电压或电流检测装置，成本低，拓扑简单，易于控制，灵活性高，适用于中压或高压直流输入场合下小功率电源应用。

Description

一种开关电容型模块化高降压比直流电源及其控制方法
技术领域
本发明涉及电力电子技术领域，特别涉及一种开关电容型模块化高降压比直流电源及其控制方法。
背景技术
对于直接从中压直流母线获取辅助供电的场合，如何以一种简单、紧凑且低成本的方式，使中压直流系统中的辅助电源实现高降压比工作和高压隔离，是中压直流系统中的难点问题。
现有商用功率半导体器件的电压等级有限，最高仅6.5kV，无法直接用于中压直流系统，因此，直接挂接中压直流侧的电力电子变换器必须使用半导体器件串联技术，或者使用模块化电源级联技术，并解决串联器件或串联模块间的均压问题。
半导体器件直接串联时，必须通过精确控制门级驱动信号，使各开关器件同步工作。文献Gate-control strategies for snubberless operation of series connectedIGBTs(PESC Record.27th Annual IEEE Power Electronics Specialists Conference,Baveno,Italy,1996,pp.1739-1742vol.2)提出了一种使用延时电路的同步技术，通过对所有驱动信号进行延时来使得开关器件同步工作，但由于串联开关器件彼此参数存在一定差异，各模块的延时参数也有所不同，且驱动的隔离要求高，为模块化设计带来了困难。总体上说，半导体器件直接串联方案，技术要求和成本高，对于功率较低，成本敏感的应用场合，不宜采用半导体器件直接串联的方案。
目前常见的模块化电源方案有输入串联输出并联(Input-series Output-parallel,ISOP)结构变换器，模块化多电平变换器(Modular Multiple Converter,MMC)以及级联结构变换器。输入串联输出并联结构中子模块兼具输入输出电压变换和输入均压的功能，模块化多电平变换器则采用两级降压结构，前级子模块进行初步降压，其高降压比工作通常需借助后级变换器实现，而级联结构变换器则通过输入电容串联结构以及具有自均压能力的变换器来获取高降压比。
对于输入串联输出并联结构的变换器，模块间电压不均衡程度取决于电路参数及开关管工作状态的一致性。文献High-Voltage-Input,Low-Voltage-Output,SeriesConnected Converters with Uniform Voltage Distribution(2009IEEE Aerospaceconference,Big Sky,MT,2009,pp.1-9)中所用的方案通过电压反馈来调节模块中开关管的工作状态，减小了对各模块一致性的要求，但同样需要一个中央控制器以及电压检测装置，系统结构和控制复杂。文献Wireless Input-Voltage-Sharing Control Strategy forInput-Series Output-Parallel(ISOP)System Based on Positive Output-VoltageGradient Method(IEEE Transactions on Industrial Electronics,vol.61,no.11,pp.6022-6030,Nov.2014)提出了一种基于正输出电压梯度(Positive Output-VoltageGradient)的均压法，仍是通过电压反馈来调节开关管工作状态以实现均压，各模块有独立的控制器，控制器之间无需通讯，但输入均压的效果与模块间输出电压梯度的差异有关，随着模块数增多，输入均压的效果会变差，此外，输入串联输出并联结构的系统中，每个模块的输出隔离要求高，而且需要随着应用场合对系统设计绝缘等级进行修改，不利于模块化和拓展，而且该方案在输入均压和输出电压调节方面存在矛盾，不适用于输入电压范围较宽的应用场合，方案的设计和均压控制也相对复杂。
模块化多电平变换器是中压和高压输入场合下的另一类解决方案。文献ModularMultilevel Converter With Series and Parallel Module Connectivity:Topologyand Control(IEEE Transactions on Power Electronics,vol.30,no.1,pp.203-215,Jan.2015)提出了一种模块化多电平串并联变换器(Modular Multiple Series/ParallelConverter,MMSPC)，通过改变模块开关管的状态来改变各模块电容的串并联关系，进而对每个电容的充电状态(State of Charge，SOC)进行控制，实现输入均压，但每个模块包含两个全桥，结构复杂，成本高。同时模块化多电平变换器类方案，方案必须使用中央控制器，采样成本高，控制复杂度极高，难以用于小功率低成本的高降压比变换。
级联结构变换器相比前述方案而言容易实现。文献“一种高压降模块化直流电源及其控制方法(中国专利:CN111740597A)”提出了一种级联结构变换器，通过实现任意两相邻母线电容的电压均衡，进而实现系统的输入均压，获得高降压比。其驱动和输出隔离要求低，无需中央控制器，每个模块可独立工作。但需要对模块内的母线电容进行电压采样，进行闭环控制，控制相对复杂。稳态时，开关管承受的电压较高，与单个子模块的母线电压相同。此外，所有模块工作于硬关断状态，损耗大，而且系统无自取电部分，无法为自身控制部分供电，限制了其实际应用。
发明内容
鉴于上述，为解决现有技术中存在的适用电压等级受限，驱动及输出隔离要求高，控制策略复杂，工作时硬关断，无自取电能力的不足，本发明提供了一种开关电容型模块化高降压比直流电源，该电源由标准化子模块电路逐级级联组合得到，每个子模块电路内部两个开关管串联，单个开关管承压低，各子模块电路拓扑由基本的串联谐振电路改造而来，该电源可根据输入电压等级调整级联模块的数量，灵活性好，扩展性强。各模块单元的控制器可独立工作，模块间无需通讯和同步工作，且对开关管进行控制时无需进行电压检测或电流检测，即可实现电源各输入串联电容的电压均衡以及开关管的软开关工作，结构和控制简单，具备自取电能力，方案成本低，易于实现，适用于中压或高压直流输入场合中小功率电源应用。
为实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：
本发明公开了一种开关电容型模块化高降压比直流电源，其包括：
负载，输入源，由i个上子模块电路组成的上模块化级联电路组串，由j个下子模块电路组成的下模块化级联电路组串；
所述上子模块电路包括上层主电容、下层主电容、上开关管、下开关管、上二极管、下二极管、谐振电感、上层谐振电容、下层谐振电容、辅助变压器和三个端口；第一端口a、上层主电容正极以及上开关管的漏极共接，第二端口b、上层主电容负极、下层主电容正极、下开关管源极、辅助变压器原边绕组一端以及上二极管阴极共接，第三端口c、下层主电容负极以及下二极管阳极共接，上开关管源极、下开关管漏极以及上层谐振电容正极共接，上层谐振电容负极、谐振电感一端与辅助变压器原边绕组的另一端共接，上二极管阳极、下二极管阴极以及下层谐振电容负极共接，谐振电感的另一端与下层谐振电容正极相连；
所述下子模块电路包括上层主电容、下层主电容、上开关管、下开关管、上二极管、下二极管、谐振电感、上层谐振电容、下层谐振电容和三个输出端口；第一端口a、上层主电容正极以及上二极管阴极共接，第二端口b、上层主电容负极、下层主电容正极、下二极管阳极、辅助变压器原边绕组一端以及上开关管漏极共接，第三端口c、下层主电容负极以及下开关管源极共接，上二极管阳极，下二极管阴极以及上层谐振电容正极共接，上开关管源极、下开关管漏极以及下层谐振电容负极共接，上层谐振电容负极与谐振电感一端相连，辅助变压器原边绕组的另一端、谐振电感的另一端以及下层谐振电容正极共接；
所述上模块化级联电路组串包含三个上端口，第一上端口与第一个上子模块电路的端口a相连，第二上端口与第i上子模块电路的端口c相连，第三上端口与第i个上子模块电路的端口b相连；组串内部i个上子模块电路连接方式为：第k-1个上子模块电路的第二端口b与第k个上子模块电路的第一端口a相连，第k-1个上子模块电路的第三端口c与第k个上子模块电路的第二端口b相连，其中2≤k≤i；
所述下模块化级联电路组串包含三个下端口，第一下端口与第一个下子模块电路的端口a相连，第二下端口与第一个下子模块电路的端口b相连，第三下端口与第j个下子模块电路的端口c相连；组串内部j个下子模块电路连接方式为：第k-1个下子模块电路的第二端口b与第k个下子模块电路的第一端口a相连，第k-1个下子模块电路的第三端口c与第k个下子模块电路的第二端口b相连，其中2≤k≤j；
当i≠0且j≠0时，模块化级联电路组串与输入源及负载的连接方式为，上模块化级联电路组串的第一上端口与输入源正极相连，下模块化级联电路组串的第三下端口与输入源负极相连，上模块化级联电路组串的第三上端口、下模块化级联电路组串的第一下端口与负载正极共接，上模块化级联电路组串的第二上端口、下模块化级联电路组串的第二下端口与负载负极共接；
当2≤i且j＝0时，模块化级联电路组串与输入源及负载的连接方式为，上模块化级联电路组串的第一上端口与输入源正极相连，上模块化级联电路组串的第三上端口与负载正极相连，上模块化级联电路组串的第二上端口、负载负极与输入源负极共接；
当i＝0且2≤j时，模块化级联电路组串与输入源及负载的连接方式为，下模块化级联电路组串的第一下端口、负载正极与输入源正极共接，下模块化级联电路组串的第二下端口与负载负极相连，下模块化级联电路组串的第三下端口与输入源负极相连。
在本发明的一个优选方案中，所述电源无中央控制器，每个上子模块电路和下子模块电路中还包括一个独立的控制模块。
在本发明的一个优选方案中，i+j≥3。
在本发明的一个优选方案中，i＝j且i≥2、j≥2。
在本发明的一个优选方案中，所用的上开关管和下开关管可以为全控型功率半导体器件。
本发明还公开了一种所述的关电容型模块化高降压比直流电源控制方法(自取电方法)，其具体如下：
每个上子模块电路和下子模块电路中的控制模块均输出两路互补的、占空比为50％的PWM信号，这两路PWM信号分别作为子模块电路中的上开关管和下开关管的控制信号，使上子模块电路和下子模块电路中的上开关管和下开关管交替导通，
对于上子模块，当上开关管驱动信号为1，下开关管驱动信号0，上开关管导通，下开关管关断，上层主电容向上层谐振电容和下层谐振电容输送能量，同时上层母线电容向辅助变压器原边绕组注入能量，为上子模块内部的控制模块供能，当上开关管驱动信号为0，下开关管驱动信号1，上开关管关断，下开关管导通，上层谐振电容和下层谐振电容向下层主电容输送能量，同时上层谐振电容向辅助变压器原边绕组注入能量，为子模块的控制模块供能，且工作过程中，上开关管和下开关管承受的关断电压，仅为单个主电容的端电压，即子模块电路母线电压的一般，
对于下子模块，当上开关管驱动信号为0，下开关管驱动信号1，上开关管关断，下开关管导通，下层主电容向上层谐振电容和下层谐振电容输送能量，同时下层主电容向辅助变压器原边绕组注入能量，为子模块内部的控制模块供能，当上开关管驱动信号为1，下开关管驱动信号0，上开关管导通，下开关管关断，上层谐振电容和下层谐振电容向上层主电容输送能量，同时下层谐振电容向辅助变压器原边绕组注入能量，为子模块内部的控制模块供能，且工作过程中，上开关管和下开关管承受的关断电压，仅为单个主电容的端电压，即子模块电路母线电压的一半。
在本发明的一个优选方案中，控制模块不对上子模块电路和下子模块电路中的电容电压或电感电流进行采样。
基于上述技术方案，与现有技术相比本发明的有益效果是：
(1)本发明所述的开关电容型模块化高降压比直流电源，电源子模块之间无需通讯和同步，各电源子模块内的控制模块完全独立工作，因此可实现标准化模块化设计，可拓展性强。
(2)本发明所述的电源采用标准化模块直接级联，级联数可根据输入电压等级调整，灵活度高，适用于中压或高压直流输入场合的小功率电源应用。
(3)采用的控制方案简单，无需通过电压或者电流采样进行闭环反馈控制，通过输出两路占空比为50％的互补的驱动信号，即可使系统正常工作，易于实现，成本低。
(4)本发明采用的不隔离三端口开关电容谐振型电路的开关管电压应力低，选型简单，在相同输入电压时可以使串联模块数量更少。
(5)本发明的子模块电路具备自取电能力，模块内部电路包含为控制模块供电的部分。
附图说明
图1为本发明一实施例的上子模块的电路拓扑图；
图2为本发明一实施例的上子模块电路的控制模块框图；
图3为本发明一实施例的下子模块的电路拓扑图；
图4为本发明一实施例的下子模块电路的控制模块框图；
图5为本发明一实施例的开关电容型高降压比直流电源的上模块化级联组串内部连接图；
图6为本发明一实施例的开关电容型模块化高降压比直流电源的下模块化级联组串内部连接图；
图7为本发明一实施例的开关电容型模块化高降压比直流电源的三种典型的系统连接图之一；
图8为本发明一实施例的开关电容型模块化高降压比直流电源的三种典型的系统连接图之一；
图9为本发明一实施例的开关电容型模块化高降压比直流电源的三种典型的系统连接图之一；
图10为本发明一实施例的开关电容型模块化高降压比直流电源的系统框图；
图11为本发明一实施例的开关电容型模块化高降压比直流电源上子模块电路内部均压及自取电过程示意图；其中(a)为上层主电容向上层谐振电容、下层谐振电容以及辅助变压器原边充电时的充电回路示意图，(b)为上层谐振电容、下层谐振电容向下层主电容充电以及上层谐振电容向辅助变压器原边充电时的充电回路示意图；
图12为本发明一实施例的开关电容型模块化高降压比直流电源下子模块电路内部均压及自取电过程示意图；其中(a)为下层主电容向上层谐振电容、下层谐振电容以及辅助变压器原边充电时的充电回路示意图，(b)为上层谐振电容、下层谐振电容向上层主电容充电以及下层谐振电容向辅助变压器原边充电时的充电回路示意图；
图13(a)～(d)分别为本发明一实施例的开关电容型模块化高降压比直流电源示例图10中上子模块1、上子模块2、下子模块1以及下子模块2的驱动信号波形图和谐振电感电流波形图；
图14(a)～(d)分别为本发明一实施例的开关电容型模块化高降压比直流电源示例图10中上子模块1、上子模块2、下子模块1以及下子模块2的驱动信号波形图和辅助变压器原边绕组电压波形图；
图15为本发明一实施例的开关电容型模块化高降压比直流电源示例图10中各主电容的电压波形图；
图16为本发明一实施例的开关电容型模块化高降压比直流电源示例图10中实例电源中加卸负载时各主电容的电压波形图；
图17(a)～(d)分别为本发明一实施例的开关电容型模块化高降压比直流电源示例图10中上子模块1、上子模块2、下子模块1以及下子模块2中上开关管电压应力波形图。
具体实施方式
为使本发明所述电源的上述、特征及优点更为明显，下面将结合附图和一具体电源实施例进行详细说明。本发明中各个实施方式的技术特征，在没有相互冲突的前提下，均可进行相应组合。
本发明所述的开关电容型模块化高降压比直流电源，包括负载、输入源、i个上子模块电路组成的上模块化级联电路组串和/或由j个下子模块电路组成的下模块化级联电路组串。每个子模块电路均包含独立的控制模块，控制模块产生两路互补的、占空比为50％的PWM波，作为子模块电路中开关管的驱动信号，使两开关管互补导通。
图1为上子模块电路拓扑，所述上子模块电路含有a、b、c三个输出端口以及独立的控制模块，电路连接方式为：端口a、上层主电容Cn-1的正极以及上开关管Qn-1的漏极共接，端口b、上层主电容Cn-1的负极、下层主电容Cn-2的正极、下开关管Qn-2的源极、上二极管Dn-1的阴极以及辅助变压器Tn原边绕组的一端共接共接，端口c、下层主电容Cn-2的负极以及下二极管Dn-2的阳极共接，上开关管Qn-1的源极、下开关管Qn-2的漏极以及上层谐振电容Cn-3的正极共接，上二极管Dn-1的阳极、下二极管Dn-2的阴极以及下层谐振电容Cn-4的负极共接，谐振电感Ln的一端与下层谐振电容Cn-4的正极相连，上层谐振电容Cn-3的负极，辅助变压器Tn原边绕组的另一端以及谐振电感Ln的另一端共接。
图2为上子模块电路的控制模块框图，控制模块输出两路PWM信号Gn-1和Gn-2，两路PWM信号占空比均为50％，分别作为上开关管Qn-1和下开关管Qn-2的控制信号，使两开关管互补导通。
图3为下子模块电路拓扑，所述下子模块电路含有a、b、c三个输出端口以及独立的控制模块，电路连接方式为：端口a、上层主电容Cm-1的正极以及上二极管Dm-1的阴极共接，端口b、上层主电容Cm-1的负极、下层主电容Cm-2的正极、下二极管Dm-2的阳极、上开关管Qm-1的漏极以及辅助变压器Tm原边绕组的一端共接，端口c、下层主电容Cm-2的负极以及下开关管Qm-2的源极共接，上二极管Dm-1的阳极、下二极管Dm-1的阴极以及上层谐振电容Cm-3的正极共接，上开关管Qm-1的源极、下开关管Qm-2的漏极以及下层谐振电容Cm-4的负极共接，谐振电感Lm的另一端与谐振电容Cm-3的负极相连，谐振电感Lm的另一端、辅助变压器Tm原边绕组的另一端以及下层谐振电容Cm-4的正极共接。
图4为下子模块电路的控制模块框图，控制模块输出两路互补的PWM信号Gm-1和Gm-2，两路PWM信号占空比均为50％，分别作为上开关管Qm-1和下开关管Qm-2的控制信号，使两开关管互补导通。
图5为本发明一实施例的开关电容型模块化高降压比直流电源上模块化级联电路组串内部连接图，图5中绘出了i个上子模块电路，且i>4。于实际应用中，i为大于2的自然数。上模块化级联电路组串第一上端口与上子模块电路1的端口a相连，上模块化级联电路组串第二上端口与上子模块电路i的端口c相连，上模块化级联电路组串第三上端口与上子模块电路1的端口b相连。模块化级联电路组串内部连接方式为：上子模块电路k-1的端口b与上子模块电路k的端口a相连，上子模块电路k-1的端口c与上子模块化电路k的端口b相连，其中2≤k≤i。
图6为本发明一实施例的开关电容型模块化高降压比直流电源下模块化级联电路组串内部连接图，图6中绘出了j个下子模块电路，且j>4。于实际应用中，j为大于2的自然数。下模块化级联电路组串第一下端口与下子模块电路1的端口a相连，下模块化级联电路组串第二下端口与下子模块电路1的端口b相连，上模块化级联电路组串第三下端口与下子模块电路j的端口c相连。模块化级联电路组串内部连接方式为：下子模块电路k-1的端口b与上下子模块电路k的端口a相连，下子模块电路k-1的端口c与下子模块化电路k的端口b相连，其中2≤k≤i。
图7为本发明一实施例的开关电容型模块化高降压比直流电源采用上模块组串级联时的系统连接图，上子模块个数i≠0，下子模块个数j＝0。上模块化级联电路组串的第一上端口与输入电源正极相连，上模块化级联电路组串的第二上端口、负载负极与输入电源负极共接，上模块化级联电路组串第三上端口与负载正极相连。
图8为本发明一实施例的开关电容型模块化高降压比直流电源采用下模块组串级联时的系统连接图，上子模块个数i＝0，下子模块个数j≠0。下模块化级联电路组串的第一下端口、负载正极以及输入电源正极共接，下模块化级联电路组串的第二下端口与负载负极相连，下模块化级联电路组串第三下端口与输入电源负极相连。
图9为本发明一实施例的开关电容型模块化高降压比直流电源采用上、下模块组串混合级联时的系统连接图，上、下子模块个数均不为0。上模块化级联电路组串第一上端口与输入源正极相连，下模块化级联电路组串第三下端口与输入源负极相连，上模块化级联电路组串第三上端口、下模块化级联电路组串第一下端口与负载正极共接，上模块化级联电路组串第二上端口、下模块化级联电路组串第二下端口与负载负极共接。
以子模块数量为4举例，当本发明一实施例的开关电容型模块化高降压比直流电源采用上模块组串级联接法时，系统连接图如图7所示，此时i＝4，j＝0；当本发明一实施例的开关电容型模块化高降压比直流电源采用下模块组串级联接法时，系统连接图如图8所示，此时i＝0，j＝4；当本发明一实施例的开关电容型模块化高降压比直流电源采用上、下模块组串混合级联接法时，系统连接图如图9所示，此时i＝2，j＝2。
图10为本发明一实施例的开关电容型模块化高降压比直流电源系统连接图，该实施例采用上、下模块组串混合级联且i＝j＝2，下面对该实例电源进行仿真验证，验证时所用直流电源的电压为10KV，负载大小为2KΩ，该实例电源有5个电源输入串联电容，因此每个电容上的电压以及输出电压应为2KV。
图13(a)～(d)分别给出了本发明一实施例的开关电容型模块化高降压比直流电源示例图10的上子模块1、上子模块2、下子模块1以及下子模块2中，一段时间内开关管的驱动信号及电感电流的波形。每张波形图自上而下分别为：子模块电路的上开关管驱动信号(黑色实线)、子模块电路的下开关管驱动信号(黑色点线)、子模块电路的谐振电感电流(黑色虚线)。从图中可以看到，各子模块中上开关管的驱动信号相位是不同的，因此各子模块开关管的工作是不同步的。子模块的控制部分产生两路互补的、占空比为50％的方波作为开关管驱动信号，使两开关管互补导通，对于上子模块电路而言，当上开关管驱动信号为1、下开关管驱动信号为0时，上开关管导通，下开关管关断，上层主电容向谐振支路放电，当上开关管驱动信号为0、下开关管驱动信号为1，上开关管关断，下开关管导通，谐振支路向下层主电容放电。上子模块均压过程示意图如图11所示。对于下子模块电路而言，当上管驱动信号为0、下管驱动信号为1时，上开关管关断，下开关管导通，下层主电容向谐振支路放电，当上管驱动信号为1、下管驱动信号为0时，上开关管导通，下开关管关断，谐振支路向上层主电容放电。下子模块均压过程示意图如图12所示。
图14(a)～(d)分别给出本发明一实施例的开关电容型模块化高降压比直流电源示例图10的上子模块1、上子模块2、下子模块1以及下子模块2中，一段时间内开关管的驱动信号及辅助变压器原边绕组端电压的波形。每张波形图自上而下分别为：子模块电路的上开关管驱动信号(黑色实线)、子模块电路的下开关管驱动信号(黑色点线)、子模块电路的辅助变压器原边绕组端电压(黑色虚线)。子模块的控制部分产生两路互补的、占空比为50％的方波作为开关管驱动信号，使两开关管互补导通，对于上子模块电路而言，当上开关管驱动信号为1、下开关管驱动信号为0时，上开关管导通，下开关管关断，上层主电容向辅助变压器原边绕组供电，当上开关管驱动信号为0、下开关管驱动信号为1，上开关管关断，下开关管导通，上层谐振电容向辅助变压器原边绕组供电。上子模块向辅助变压器原边绕组供电的过程如图11所示。对于下子模块电路而言，当上管驱动信号为0、下管驱动信号为1时，上开关管关断，下开关管导通，下层主电容向辅助变压器原边绕组供电，当上管驱动信号为1、下管驱动信号为0时，上开关管导通，下开关管关断，下层谐振电容向辅助变压器原边绕组供电。下子模块向辅助变压器原边绕组供电过程示意图如图12所示。
图15给出了本发明一实施例的开关电容型模块化高降压比直流电源示例图10的各主电容的电压波形，上子模块1的上层主电容为主电容1，上子模块1的下层主电容、上子模块2的上层主电容并接，两者构成上层主电容2，上子模块2的下层主电容与下子模块1的上层主电容并接，两者构成主电容3，上下子模块1的下层主电容与下子模块2的上层主电容并接，两者构成主电容4，下子模块2的下层主电容为主电容5，其中主电容3的端电压为输出电压。由波形图可见，主电容的电压得到了很好的均衡，与预期相符，实现了输入均压。
图16给出了本发明一实施例的开关电容型模块化高降压比直流电源示例图10中负载突变时，实例电源中主电容的电压波形。实例电源输入电压仍为10KV，加载之前的负载为2KΩ，在t＝0.3s之前，电源输出已经达到稳态，在t＝0.3s时，电路突然加载，负载变为1KΩ，并在t＝[0.3s,0.4s]时间段内维持负载大小不变。t＝0.4s时，再次突然加载，负载变为666.7Ω，并在t＝[0.4s,0.5s]时间段内维持负载大小不变。在t＝0.5s时突然卸载，负载变回2KΩ，并在t＝[0.5s,0.6s]时间段内维持负载大小不变。整个过程中，各串联电容的电压维持在2000V左右，与预期值的最大偏差控制在±0.43％以内。
图17(a)～(d)分别给出了本发明一实施例的开关电容型模块化高降压比直流电源示例图10的各上子模块1、上子模块2、下子模块1、下子模块2开关管的电压应力波形图，测试条件仍为10KV直流电压输入，负载大小为2KΩ。由于模块内上管与下管电压应力波形的幅值几乎一致，仅在相位上相差180°，因此仅给出每个模块上开关管的电压应力波形。可见模块内开关管承受的最大电压应力与主电容端电压相同，仅为模块母线电压的一半，即2KV。
综上，图10所示的本发明一实施例的开关电容型模块化高降压比直流电源能在各模块开关管不同步工作的状态下，实现电源主电容间的均压，而且在负载突变时，主电容间的电压也能得到很好的均衡，且无需电压或电流检测装置来进行反馈控制，子模块间无需通讯，方案易于实现，成本低。根据输入电压等级，可灵活调整模块数目，拓展性好。子模块内开关管承受的电压应力小，仅为模块母线电压的一半，因此在输入电压等级相同的情况下，所使用的模块数可以更少，开关管选型更为简单。
以上实例具体地示出和描述了本发明的示例性实施，上述实施例仅用于说明本发明的技术方案，以便于本技术领域的普通技术人员理解和应用本发明，本发明不限于这里所描述的详细结构、设置方法或实现方式。应说明的是，熟悉本领域技术的人员显然可以容易地对上述实施例做出各种修改，或者把本发明部分或者全部技术特征做等同替换，或把在此说明的一般原理应用到其他实施例中而不必经过创造性的劳动，对本发明的修改、改进或者技术特征的等同替换都应该在本发明的保护范围内。

Claims (8)

1.一种开关电容型模块化高降压比直流电源，其特征在于包括：
负载、输入源、由i个上子模块电路组成的上模块化级联电路组串和/或由j个下子模块电路组成的下模块化级联电路组串；
所述上子模块电路包括上层主电容、下层主电容、上开关管、下开关管、上二极管、下二极管、谐振电感、上层谐振电容、下层谐振电容、辅助变压器和三个端口；第一端口a、上层主电容正极以及上开关管的漏极共接，第二端口b、上层主电容负极、下层主电容正极、下开关管源极、辅助变压器原边绕组一端以及上二极管阴极共接，第三端口c、下层主电容负极以及下二极管阳极共接，上开关管源极、下开关管漏极以及上层谐振电容正极共接，上层谐振电容负极、谐振电感一端与辅助变压器原边绕组的另一端共接，上二极管阳极、下二极管阴极以及下层谐振电容负极共接，谐振电感的另一端与下层谐振电容正极相连；
所述下子模块电路包括上层主电容、下层主电容、上开关管、下开关管、上二极管、下二极管、谐振电感、上层谐振电容、下层谐振电容和三个输出端口；第一端口a、上层主电容正极以及上二极管阴极共接，第二端口b、上层主电容负极、下层主电容正极、下二极管阳极、辅助变压器原边绕组一端以及上开关管漏极共接，第三端口c、下层主电容负极以及下开关管源极共接，上二极管阳极，下二极管阴极以及上层谐振电容正极共接，上开关管源极、下开关管漏极以及下层谐振电容负极共接，上层谐振电容负极与谐振电感一端相连，辅助变压器原边绕组的另一端、谐振电感的另一端以及下层谐振电容正极共接；
所述上模块化级联电路组串包含三个上端口，第一上端口与第一个上子模块电路的端口a相连，第二上端口与第i个上子模块电路的端口c相连，第三上端口与第i个上子模块电路的端口b相连；组串内部i个上子模块电路连接方式为：第k-1个上子模块电路的第二端口b与第k个上子模块电路的第一端口a相连，第k-1个上子模块电路的第三端口c与第k个上子模块电路的第二端口b相连，其中2≤k≤i；
所述下模块化级联电路组串包含三个下端口，第一下端口与第一个下子模块电路的端口a相连，第二下端口与第一个下子模块电路的端口b相连，第三下端口与第j个下子模块电路的端口c相连；组串内部j个下子模块电路连接方式为：第k-1个下子模块电路的第二端口b与第k个下子模块电路的第一端口a相连，第k-1个下子模块电路的第三端口c与第k个下子模块电路的第二端口b相连，其中2≤k≤j；
当i≠0且j≠0时，模块化级联电路组串与输入源及负载的连接方式为，上模块化级联电路组串的第一上端口与输入源正极相连，下模块化级联电路组串的第三下端口与输入源负极相连，上模块化级联电路组串的第三上端口、下模块化级联电路组串的第一下端口与负载正极共接，上模块化级联电路组串的第二上端口、下模块化级联电路组串的第二下端口与负载负极共接；
当2≤i且j＝0时，模块化级联电路组串与输入源及负载的连接方式为，上模块化级联电路组串的第一上端口与输入源正极相连，上模块化级联电路组串的第三上端口与负载正极相连，上模块化级联电路组串的第二上端口、负载负极与输入源负极共接；
当i＝0且2≤j时，模块化级联电路组串与输入源及负载的连接方式为，下模块化级联电路组串的第一下端口、负载正极与输入源正极共接，下模块化级联电路组串的第二下端口与负载负极相连，下模块化级联电路组串的第三下端口与输入源负极相连。
2.根据权利要求1所述的一种开关电容型模块化高降压比直流电源，其特征在于，所述电源无中央控制器，每个上子模块电路和下子模块电路内部中还包括一个独立的控制模块，用于控制开关管导通或者关断。
3.根据权利要求1所述的一种开关电容型模块化高降压比直流电源，其特征在于，所述每个上子模块电路和下子模块电路可通过辅助变压器为子模块电路内部的控制模块供电。
4.根据权利要求1所述的一种开关电容型模块化高降压比直流电源，其特征在于，i+j≥3。
5.根据权利要求4所述的一种开关电容型模块化高降压比直流电源，其特征在于，i＝j且i≥2、j≥2。
6.根据权利要求1所述的一种开关电容型模块化高降压比直流电源，其特征在于，所用的上开关管和下开关管可以为全控型功率半导体器件。
7.一种基于权利要求2所述的关电容型模块化高降压比直流电源控制方法，其特征在于，
每个上子模块电路和下子模块电路中的控制模块均输出两路互补的、占空比为50％的PWM信号，这两路PWM信号分别作为子模块电路中的上开关管和下开关管的控制信号，使上子模块电路和下子模块电路中的上开关管和下开关管交替导通，
对于上子模块，当上开关管驱动信号为1，下开关管驱动信号0，上开关管导通，下开关管关断，上层主电容向上层谐振电容、下层谐振电容及辅助变压器输送能量，当上开关管驱动信号为0，下开关管驱动信号1，上开关管关断，下开关管导通，上层谐振电容和下层谐振电容向下层主电容输送能量，同时上层谐振电容向辅助变压器输送能量，
对于下子模块，当上开关管驱动信号为0，下开关管驱动信号1，上开关管关断，下开关管导通，下层主电容向上层谐振电容、下层谐振电容及辅助变压器输送能量，当上开关管驱动信号为1，下开关管驱动信号0，上开关管导通，下开关管关断，上层谐振电容和下层谐振电容向上层主电容输送能量，同时下层谐振电容向辅助变压器输送能量。
8.根据权利要求7所述的关电容型模块化高降压比直流电源控制方法，其特征在于，控制模块不对上子模块电路和下子模块电路中的电容电压或电感电流进行采样。
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