CN113965088A - 一种多变压器的dc-dc变换电路 - Google Patents

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Abstract

本申请提供了一种多变压器的DC‑DC变换电路，涉及电路技术领域。该电路包括变压器T1至Tn、主开关S1至Sn、辅助开关Sa1至San、二极管D1a至Dna、二极管D1b至Dnb、电感L1至Ln、输出电容Co，n的取值范围为大于1的整数。变压器T1至Tn的副边与电感L1至Ln构成一个闭合的回路，可实现多输入之间的能量耦合，提高变压器的利用率；改变主开关和辅助开关的工作状态，可在线重构电路，支持直流电压源的接入和接出。

Description

一种多变压器的DC-DC变换电路
技术领域
本申请涉及电路技术领域，具体而言，本申请涉及一种多变压器的DC-DC变换电路。
背景技术
新能源技术包括多种能源的综合利用，而多输入的DC-DC变换电路是多能源综合利用装置的重要组成部分。针对多路输入的情况，目前最常规的做法是：采用多个独立的单输入单输出DC-DC变换电路构成“单相多重”电路，即输入端保持独立而输出端并联。
虽然“单相多重”电路构造简单，但是各输入之间存在能量耦合的可能性却未得到充分地利用，需要改进。如果能利用变压器电气隔离的特点，在变压器的副边实现各路能量的部分耦合，那么会对扩展多输入DC-DC变换电路的种类有益、会对提高多输入DC-DC变换电路的性能有益。
由此可见，现有“单相多重”DC-DC变换电路各输入之间存在能量耦合的可能性却未得到充分利用的不足的技术问题，需要改进。
发明内容
本申请的目的旨在至少能解决上述的技术缺陷之一，特别是现有“单相多重”DC-DC变换电路各输入之间存在能量耦合的可能性却未得到充分利用的不足的技术问题。
第一方面，提供了多变压器的DC-DC变换电路，包括：
Vi1至Vin多个直流电压源、T1至Tn多个变压器、S1至Sn多个主开关、Sa1至San多个辅助开关、D1a至Dna多个第一二极管、D1b至Dnb多个第二二极管、L1至Ln多个电感以及一个输出电容Co，其中，直流电压源Vij的正端同时与变压器Tj原边的一端以及辅助开关Saj的一端相连，变压器Tj原边的另一端同时与主开关Sj的一端以及辅助开关Saj的另一端相连，主开关Sj的另一端与直流电压源Vij的负端相连，变压器Tj副边的一端与第一二极管Dja的阳极相连，第一二极管Dja的阴极同时与输出电容Co的一端以及负载的一端相连，变压器Tj副边的另一端与第二二极管Djb的阴极相连，第二二极管Djb的阳极同时与输出电容Co的另一端以及负载的另一端相连，变压器Tj原边的一端与变压器Tj副边的另一端是同名端关系，j的取值范围为1至n；
电感Ln的一端与变压器Tn副边的另一端相连，电感Ln的另一端与变压器T1副边的一端相连，电感Lk的一端与变压器Tk副边的另一端相连，电感Lk的另一端与变压器Tk+1副边的一端相连，k的取值范围为1至n-1。
作为本申请一种可能的实施方式，该多变压器的DC-DC变换电路还包括缓冲支路1至缓冲支路n，变压器Tj原边与缓冲支路j并联。
作为本申请一种可能的实施方式，该多变压器的DC-DC变换电路中，所述直流电压源Vi1至Vin是直流发电系统、直流储能系统、交流发电系统以及交流储能系统级联整流电路中的一种。
作为本申请一种可能的实施方式，该多变压器的DC-DC变换电路中，所述主开关S1至Sn的驱动信号vg1至vgn同步或异步。
作为本申请一种可能的实施方式，该多变压器的DC-DC变换电路中，所述变压器T1至Tn的参数允许存在差异。
作为本申请一种可能的实施方式，该多变压器的DC-DC变换电路中，所述辅助开关Sa1至San截止时具有双向阻断能力，导通时具有双向导电能力。
本申请实施例提供的多变压器的DC-DC变换电路中变压器的副边与电感构成一个闭合的回路，当变压器副边电压之和不为0，就能实现能量的耦合，支持多路输入并可实现各路能量的部分耦合。利用电气隔离的特点可实现各输入之间的能量耦合，提高变压器的利用率；改变主开关和辅助开关的工作状态，可在线重构电路，支持直流电压源的接入和接出。
附图说明
为了更清楚地说明本申请实施例中的技术方案，下面将对本申请实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍。
图1为本申请实施例提供的一种多变压器的DC-DC变换电路的电路图；
图2为本申请实施例提供的一种辅助开关Saj的连接示意图；
图3为本申请实施例提供的一种直流电压源全接入时主开关驱动信号同步状态下的稳态仿真波形图；
图4为本申请实施例提供的一种直流电压源全接入时主开关驱动信号异步状态下的稳态仿真波形图；
图5为本申请实施例提供的一种主开关驱动信号异步状态下直流电压源接入/接出时的动态仿真波形图。
结合附图并参考以下具体实施方式，本公开各实施例的上述和其他特征、优点及方面将变得更加明显。贯穿附图中，相同或相似的附图标记表示相同或相似的元素。应当理解附图是示意性的，元件和元素不一定按照比例绘制。
具体实施方式
下面详细描述本申请的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本申请，而不能解释为对本申请的限制。
本技术领域技术人员可以理解，除非特意声明，这里使用的单数形式“一”、“一个”、“所述”和“该”也可包括复数形式。应该进一步理解的是，本申请的说明书中使用的措辞“包括”是指存在所述特征、整数、步骤、操作、元件和/或组件，但是并不排除存在或添加一个或多个其他特征、整数、步骤、操作、元件、组件和/或它们的组。应该理解，当我们称元件被“连接”或“耦接”到另一元件时，它可以直接连接或耦接到其他元件，或者也可以存在中间元件。此外，这里使用的“连接”或“耦接”可以包括无线连接或无线耦接。这里使用的措辞“和/或”包括一个或更多个相关联的列出项的全部或任一单元和全部组合。
为使本申请的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本申请实施方式作进一步地详细描述。
本申请提供的多变压器的DC-DC变换电路，旨在解决现有技术的如上技术问题。
下面以具体的实施例对本申请的技术方案以及本申请的技术方案如何解决上述技术问题进行详细说明。下面这几个具体的实施例可以相互结合，对于相同或相似的概念或过程可能在某些实施例中不再赘述。下面将结合附图，对本申请的实施例进行描述。
本申请实施例中提供了一种多变压器的DC-DC变换电路，如图1所示，该电路包括：
Vi1至Vin多个直流电压源、T1至Tn多个变压器、S1至Sn多个主开关、Sa1至San多个辅助开关、D1a至Dna多个第一二极管、D1b至Dnb多个第二二极管、L1至Ln多个电感以及一个输出电容Co，其中，直流电压源Vij的正端同时与变压器Tj原边的一端以及辅助开关Saj的一端相连，变压器Tj原边的另一端同时与主开关Sj的一端以及辅助开关Saj的另一端相连，主开关Sj的另一端与直流电压源Vij的负端相连，变压器Tj副边的一端与第一二极管Dja的阳极相连，第一二极管Dja的阴极同时与输出电容Co的一端以及负载的一端相连，变压器Tj副边的另一端与第二二极管Djb的阴极相连，第二二极管Djb的阳极同时与输出电容Co的另一端以及负载的另一端相连，变压器Tj原边的一端与变压器Tj副边的另一端是同名端关系，j的取值范围为1至n；电感Ln的一端与变压器Tn副边的另一端相连，电感Ln的另一端与变压器T1副边的一端相连，电感Lk的一端与变压器Tk副边的另一端相连，电感Lk的另一端与变压器Tk+1副边的一端相连，k的取值范围为1至n-1。
在本申请实施例中，多变压器的DC-DC变换电路可实现在线重构。当主开关Sj常开(或常截止)、辅助开关Saj常闭(或常导通)时，直流电压源Vij接出；当主开关Sj周期性开/关动作(或周期性导通/截止工作)、辅助开关Saj常开(或常截止)时，直流电压源Vij接入。为克服变压器Tj漏感的影响，可在变压器Tj原边并联缓冲支路j，抑制主开关Sj的端电压，起到保护主开关Sj的作用。缓冲支路j可包括二极管、TVS(瞬态二极管)、电阻、电容等。
所述直流电压源Vi1至Vin可以是直流发电系统(如：光伏发电)或直流储能系统(如：电池储能)，也可以是交流发电系统(如：风力发电、光热发电、潮汐发电等)或交流储能系统(如：飞轮储能)级联整流电路。
所述主开关S1至Sn的驱动信号vg1至vgn可以同步也可以异步(如：交错异步)。
所述变压器T1至Tn的参数允许存在差异，如：原副边励磁电感不完全相同。
所述主开关S1至Sn可选用MOSFET、IGBT、BJT等。
所述辅助开关Sa1至San截止时具有双向阻断能力，导通时具有双向导电能力，如图2所示，可采用2个MOSFET背靠背串联而成。
作为本身一种可能的实施方式，为了便于理解及简单化处理，假设Vi1＝…＝Vin、T1＝…＝Tn、L1＝…＝Ln、各元器件均理想，选取典型的工作状态及与Vi1、S1、T1、D1a、D1b、L1相关的电路部分进行连续导通模式(CCM)的稳态工作原理分析。
在本申请实施例中，(1)直流电压源全接入+主开关驱动信号同步(Sa1至San全部常截止，vg1＝…＝vgn，S1至Sn的周期性开/关工作状态一致)
阶段1：S1导通，Vi1、T1原边、S1构成一个回路，T1至Tn的副边与电感L1至Ln构成另一个回路，Vi1至Vin出力，Vi1至Vin将能量通过T1至Tn传递至L1至Ln中，L1至Ln储能，电感电流iL1至iLn增加。同时，T1原边的励磁电感储能。D1a和D1b均截止，由Co维持输出电压Vo。此阶段，Vi1至Vin存在能量耦合，通过T1至Tn为L1至Ln所用，最终传递至Co和负载。
阶段2：S1截止，Vi1至Vin停止出力，T1副边、D1a、Co、负载、D1b构成第一个回路，T1副边的励磁电感释能，将能量通过D1a和D1b传递至Co和负载。同时，L1、D2a、Co、负载、D1b构成第二个回路，L1释能，iL1减小，L1的能量通过D2a和D1b传递至Co和负载；Ln、D1a、Co、负载、Dnb构成第三个回路，Ln释能，iLn减小，Ln的能量通过D1a和Dnb传递至Co和负载。
上述2个工作阶段，T1的副边都会参与工作，T1的利用率高。
(2)直流电压源全接入+主开关驱动信号异步(Sa1至San全部常截止，vg1至vgn不完全相同，S1至Sn的周期性开/关工作状态也不完全一致)
主开关驱动信号异步时的工作状态比主开关驱动信号同步时的工作状态复杂。当Lj端电压不恒为0，就存在能量耦合。若Lj端电压为正，iLj正向增加；若Lj端电压为0，Lj维持现有能量水平，iLj保持不变；若Lj端电压为负，iLj反向增加。当|iLj|增加时，Lj储能；当|iLj|减小时，Lj释能。当idja>0，Dja导通；否则，Dja截止。当idjb>0，Djb导通；否则，Djb截止。以S1为视角，可将工作状态分为2大阶段。
阶段1：S1导通，Vi1出力，Vi1、T1原边、S1构成一个回路，T1原边励磁电感储能。负载侧，D1b截止。若iLn>iL1，D1a导通。负载侧能构成的回路视iL1至iLn以及各二极管的导通/截止状态而定。例如：D2a导通时，若iLn>iL1>0，T1副边、L1、D2a与导通的D1a并联，Vi1通过T1向L1释能，iL1增加。
阶段2：S1截止，Vi1停止出力，T1副边、D1a、Co、负载、D1b构成一个回路，T1副边励磁电感向Co和负载释能。负载侧其他能构成的回路视iL1至iLn以及各二极管的导通/截止状态而定。例如：D2a导通时，iL1>0，L1、D2a、Co、负载、D1b会构成一个回路，L1向Co和负载释能，iL1减小。
(3)直流电压源部分接出(Sa1至San部分常导通，vg1至vgn部分常为0，S1至Sn部分常截止，Saj、vgj和Sj存在对应关系)
假设Vij接出，令vgj常为0、Sj常截止、Saj常导通。除了Tj副边短路，负载侧的其他元器件仍参与工作，部分接出时的工作状态比全部接入时的工作状态复杂但仍相似，不再赘述。
n为大于1的整数。取n＝4、Vi1＝Vi2＝Vi3＝Vi4＝48V、负载＝50Ω；T1至T4参数相同，Tj的原边励磁电感Lmpj＝500μH、Tj的副边励磁电感Lmsj＝2mH，Tj的耦合系数为0.99，j的取值范围是1至4；L1＝L2＝L3＝L4＝300μH；主开关驱动信号vg1至vg4的频率均为100kHz且占空比均为0.5。
再取主开关驱动信号同步状态为vg1＝vg2＝vg3＝vg4；取主开关驱动信号异步状态为vg1、vg2、vg3、vg4的相位依次滞后π/2。图3是直流电压源全接入时主开关驱动信号同步状态下本申请实施例的稳态仿真波形图。图4是直流电压源全接入时主开关驱动信号异步状态下本申请实施例的稳态仿真波形图。图5是主开关驱动信号异步状态下直流电压源Vi3接入/接出时本申请实施例的动态仿真波形图。
从图3和图4给出的仿真结果可知，全接入情况下主开关驱动信号异步时的工作状态比主开关驱动信号同步时的工作状态复杂。两种典型工况下，虽然相关的各波形包括is1的波形都存在差异，但是T1的副边在整个工作周期都参与了工作，利用率高。从图5给出的仿真结果可知，本申请实施例可在线重构电路，支持直流电压源的接入/接出。
以上所述仅是本申请的部分实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本申请原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本申请的保护范围。

Claims (6)

1.一种多变压器的DC-DC变换电路，其特征在于，包括：
Vi1至Vin多个直流电压源、T1至Tn多个变压器、S1至Sn多个主开关、Sa1至San多个辅助开关、D1a至Dna多个第一二极管、D1b至Dnb多个第二二极管、L1至Ln多个电感以及一个输出电容Co，其中，直流电压源Vij的正端同时与变压器Tj原边的一端以及辅助开关Saj的一端相连，变压器Tj原边的另一端同时与主开关Sj的一端以及辅助开关Saj的另一端相连，主开关Sj的另一端与直流电压源Vij的负端相连，变压器Tj副边的一端与第一二极管Dja的阳极相连，第一二极管Dja的阴极同时与输出电容Co的一端以及负载的一端相连，变压器Tj副边的另一端与第二二极管Djb的阴极相连，第二二极管Djb的阳极同时与输出电容Co的另一端以及负载的另一端相连，变压器Tj原边的一端与变压器Tj副边的另一端是同名端关系，j的取值范围为1至n；
电感Ln的一端与变压器Tn副边的另一端相连，电感Ln的另一端与变压器T1副边的一端相连，电感Lk的一端与变压器Tk副边的另一端相连，电感Lk的另一端与变压器Tk+1副边的一端相连，k的取值范围为1至n-1。
2.根据权利要求1所述的多变压器的DC-DC变换电路，其特征在于，还包括缓冲支路1至缓冲支路n，变压器Tj原边与缓冲支路j并联。
3.根据权利要求1所述的多变压器的DC-DC变换电路，其特征在于，所述直流电压源Vi1至Vin是直流发电系统、直流储能系统、交流发电系统以及交流储能系统级联整流电路中的一种。
4.根据权利要求1所述的多变压器的DC-DC变换电路，其特征在于，所述主开关S1至Sn的驱动信号vg1至vgn同步或异步。
5.根据权利要求1所述的多变压器的DC-DC变换电路，其特征在于，所述变压器T1至Tn的参数允许存在差异。
6.根据权利要求1所述的多变压器的DC-DC变换电路，其特征在于，所述辅助开关Sa1至San截止时具有双向阻断能力，导通时具有双向导电能力。
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