CN206323297U - 一种直流直流变换器 - Google Patents

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张天翼
苏位峰
卫三民
殷晓刚
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本实用新型一种直流直流变换器包括，三个并联连接在电源上的变换器通道，第一变换器通道包括第一开关器件、第一电感和第一二极管，第二变换器通道包括第二开关器件、第二电感和第二二极管，第三变换器通道包括第三开关器件、第三电感和第三二极管；两个串联连接的升压开关器件，连接在第一电感、第二电感和第三电感的连接点与电源负极之间；续流二极管，续流二极管的正极与第一电感、第二电感和第三电感的连接点连接；两个串联连接的输出侧公共滤波电容，连接在续流二极管的负极与电源负极之间，且两个输出侧公共滤波电容之间的连接点通过导线与两个升压开关器件之间的连接点连接；输出端负极与电源负极连接，输出端正极与续流二极管负极连接。

Description

一种直流直流变换器
技术领域
本实用新型涉及电力电子技术领域，具体为一种直流直流变换器。
背景技术
目前，对于在电力系统或电力电子与电力传动领域中涉及到的直流电压变换，一般采用传统的直流/直流变换器(DC/DC变换器)。传统的DC/DC变换器一般采用Buck、Boost或Buck-Boost或其衍生拓扑(非隔离)，或正激、反激电路及其拓扑。在宽范围输出需求场合有时还会用到单输入多通道输出型DC/DC变换器。
图1示出了现有技术中的一种典型的Buck-Boost拓扑电路，如图1所示，该电路具体包括：直流电源、储能电感L、续流二极管VD、开关S、输出电容以及控制电路和保护电路等装置(其中，R表示负载)。其中输出电压Uo的值可以根据开关S的开通时间ton来调节，D为占空比，在给定UIN的情况下，调节占空比即可改变输出电压Uo的值。
对于上述典型的DC/DC变换器，由于电路结构固定，在输入电压UIN确定的情况下，改变输出电压Uo的值只能通过改变占空比D来改变，而占空比的改变会造成电感纹波电流的变化，从而影响电压畸变率。所以在保证电压畸变率的情况下典型的DC/DC变换器一般不能达到很宽的输出范围。并且有些控制集成电路(IC)为了保证DC/DC电路稳定工作，通常也会限制占空比调节范围，从而不能达到宽范围输出。
单输入多通道输出的DC/DC变换电路是调节直流电压宽范围输出的一个方法：将多个参数不同的DC/DC变换器并联，每一个DC/DC变换器有一定的输出范围，输出特定的电压时选择对应的变换器即可。但是这种多通道输出的DC/DC变换电路结构较为复杂，并且成本较高。
实用新型内容
针对现有技术中存在的问题，本实用新型提供一种直流直流变换器，输出电压的电压畸变率小，结构简单，设计合理，工作稳定，使用寿命长。
本实用新型是通过以下技术方案来实现：
一种直流直流变换器，包括：
三个并联连接在电源上的变换器通道，第一变换器通道包括第一开关器件、第一电感和第一二极管，第二变换器通道包括第二开关器件、第二电感和第二二极管，第三变换器通道包括第三开关器件、第三电感和第三二极管；
两个串联连接的升压开关器件，连接在所述第一电感、所述第二电感和所述第三电感的连接点与电源负极之间；
续流二极管，该续流二极管的正极与所述第一电感、所述第二电感和所述第三电感的连接点连接；
以及两个串联连接的输出侧公共滤波电容，连接在所述续流二极管的负极与电源负极之间，且两个所述输出侧公共滤波电容之间的连接点通过导线与两个所述升压开关器件之间的连接点连接；
输出端负极与电源负极连接，输出端正极与续流二极管负极连接。
优选的，所述第一开关器件、所述第二开关器件和所述第三开关器件各自的集电极与所述电源的正极连接；
所述第一开关器件的发射极与所述第一电感的一端连接，所述第二开关器件的发射极与所述第二电感的一端连接，所述第三开关器件的发射极与所述第三电感的一端连接；
所述第一二极管的负极连接在所述第一开关器件与所述第一电感之间，所述第二二极管的负极连接在所述第二开关器件与所述第二电感之间，所述第三二极管的负极连接在所述第三开关器件与所述第三电感之间；
所述第一二极管、第二二极管和第三二极管各自的正极与所述电源的负极连接。
进一步，所述第一开关器件、所述第二开关器件和所述第三开关器以及第一升压开关器件和第二升压开关器件的集电极和发射极之间分别并联有一个二极管。
进一步，所述电源的正极和负极之间连接有输入端电容。
进一步，进行直流电压变换时，所述第一开关器件、所述第二开关器件和所述第三开关器件依次交错120度以各自的预定占空比工作，且两个所述升压开关器件处于关断状态。
进一步，进行直流电压变换时，所述第一开关器件、所述第二开关器件和所述第三开关器件依次交错120度以各自的预定占空比工作，且两个所述升压开关器件在相邻周期中交替开通。
进一步，进行直流电压变换时，所述第一开关器件、所述第二开关器件和所述第三开关器件均处于开通状态，两个所述升压开关器件在相邻周期中交替以各自的预定占空比工作，并且在其中一个升压开关器件以其预定占空比工作的情况下，另一升压开关器件处于导通状态。
与现有技术相比，本实用新型具有以下有益的技术效果：
本实用新型通过采用三通道多重化和升压开关管的结构，可以使得输出电压的电压畸变率小于1％。并且，采用恒功率输出，输出低压时电流输出大电流，输出高压时电流输出小电流。在输出高电压时两个升压开关器件的串联可以降低开关器件的承受压降，由此可以在宽范围输出的同时满足电压畸变率低的需求。续流二极管在两个升压开关器件工作时起续流的作用。
附图说明
图1为现有技术中的一种典型的Buck-Boost拓扑电路。
图2是本实用新型一种实施方式的直流直流变换器的电路原理示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本实用新型做进一步的详细说明，所述是对本实用新型的解释而不是限定。
本实用新型一种实施方式提供的直流直流变换器(DC/DC变换器)包括：
三个并联连接的变换器通道，第一变换器通道包括第一开关器件、第一电感和第一二极管，第二变换器通道包括第二开关器件、第二电感和第二二极管，第三变换器通道包括第三开关器件、第三电感和第三二极管；
两个串联连接的升压开关器件，连接在所述第一电感、所述第二电感和所述第三电感的连接点与电源负极之间；
续流二极管，该续流二极管的正极与所述第一电感、所述第二电感和所述第三电感的连接点连接；以及
两个串联连接的输出侧公共滤波电容，连接在所述续流二极管的负极与电源负极之间，且两个所述输出侧公共滤波电容之间的连接点通过导线与两个所述升压开关器件之间的连接点连接。
其中，所述第一开关器件、第二开关器件和第三开关器件可以为绝缘栅双极型晶体管IGBT。
本领域技术人员应当理解，关于上述第一至第三开关器件的描述仅仅是示例性的，并非用于限定本实用新型。
下面结合图2对本实用新型提供的一种直流直流变换器进行描述。虽然图2中示出了特定数量的元器件，但其仅仅是示例性的，并非用于限定本实用新型。
具体地，直流直流变换器包括三个并联连接的变换器通道、两个串联连接的升压开关器件、一个续流二极管D4和两个串联连接的输出侧公共滤波电容。
其中，第一变换器通道包括第一开关器件Q1、第一电感L1和第一二极管D1，第二变换器通道包括第二开关器件Q2、第二电感L2和第二二极管D2，第三变换器通道包括第三开关器件Q3、第三电感L3和第三二极管D3；两个串联连接的升压开关器件分别为第一升压开关器件Q4和第二升压开关器件Q5；两个串联连接的输出侧公共滤波电容分别为第一输出侧公共滤波电容C4和第二输出侧公共滤波电容C5。
在本实用新型中，在输出高电压时两个升压开关器件Q4和Q5的串联可以降低开关器件的承受压降，由此可以在宽范围输出的同时满足电压畸变率低的需求。续流二极管D4在两个升压开关器件Q4和Q5工作时起续流的作用。
根据本实用新型一种实施方式，所述第一开关器件Q1、所述第二开关器件Q2和所述第三开关器件Q3各自的集电极与所述电源的正极连接；所述第一开关器件Q1的发射极与所述第一电感L1的一端连接，所述第二开关器件Q2的发射极与所述第二电感L2的一端连接，所述第三开关器件Q3的发射极与所述第三电感L3的一端连接；所述第一二极管D1的负极连接在所述第一开关器件Q1与所述第一电感L1之间，所述第二二极管D2的负极连接在所述第二开关器件Q2与所述第二电感L2之间，所述第三二极管D3的负极连接在所述第三开关器件Q3与所述第三电感L3之间；而述第一二极管D1、第二二极管D2和第三二极管D3各自的正极与所述电源的负极连接。
其中，所述第一开关器件Q1、所述第二开关器件Q2和所述第三开关器件Q3以及第一升压开关器件Q4和第二升压开关器件Q5分别并联有一个二极管。
举例来讲，本实用新型的一个实例在输入电压UIN为500V时，输出电压Uo范围可达200V-2000V，最大输出功率为200kW。由此可知，本实用新型的相比于传统DC/DC变换器具有输出范围宽、电压畸变率小、以及输出功率高等特点。
根据本实用新型一种实施方式，所述第一开关器件Q1、所述第二开关器件Q2和所述第三开关器件Q3依次交错120度以各自的预定占空比工作，且两个所述升压开关器件处于关断状态。
举例来讲，第一升压开关器件Q4、第二升压开关器件Q5一直关断，第一开关器件Q1、第二关器件Q2、第三开关器件Q3依次交错120度；例如，第一开关器件Q1在0-120度范围内、第二关器件Q2在120-240度范围内、第三开关器件Q3在240-360度范围内；以各自的预定占空比工作的情况下，此时可以满足UO≤UIN。
由此，Q1、Q2、Q3这3个IGBT开关不仅均分了低压大电流而且实现了对第一输出侧公共滤波电容C4和第二输出侧公共滤波电容C5的同时低纹波电流充电，从而降低了输出电压畸变率。
根据本实用新型一种实施方式，所述第一开关器件Q1、所述第二开关器件Q2和所述第三开关器件Q3依次交错120度以各自的预定占空比工作，且两个所述升压开关器件在相邻周期中交替开通。
举例来讲，在第一开关器件Q1、第二关器件Q2、第三开关器件Q3依次交错120度；例如，第一开关器件Q1在0-120度范围内、第二关器件Q2在120-240度范围内、第三开关器件Q3在240-360度范围内；以各自的预定占空比工作，且第一周期中第一升压开关器件Q4开通而第二升压开关器件Q5关断、第二周期中第二升压开关器件Q5开通而第一升压开关器件Q4关断的情况下，此时可以满足2UIN≥UO≥UIN。
由此，Q1、Q2、Q3这3个IGBT开关不仅均分了低压大电流而且实现了对第一输出侧公共滤波电容C4和第二输出侧公共滤波电容C5的分别低纹波电流充电。
根据本实用新型一种实施方式，所述第一开关器件Q1、第二关器件Q2、第三开关器件Q3均处于开通状态，两个所述升压开关器件在相邻周期中交替以各自的预定占空比工作，并且在其中一个升压开关器件以其预定占空比工作的情况下，另一升压开关器件处于导通状态。
举例来讲，在所述第一开关器件Q1、第二关器件Q2、第三开关器件Q3一直开通的情况下：在第一周期中，第二升压开关器件Q5开通，而第一升压开关器件Q4以预定占空比工作，由此可以对第二输出侧公共滤波电容C5单独充电；在第二周期中，第一升压开关器件Q4开通，第二升压开关器件Q5以预定占空比工作，由此可以对第一输出侧公共滤波电容C4单独充电。在上述情形下，可以满足UO≥2UIN。
由此可知，相比于对第一输出侧公共滤波电容C4和第二输出侧公共滤波电容C5同时充电的情形，上述这种工作方式下升压斩波充电纹波电流变小。并且结合图2可以看出，如果输出为2000V直流电压时，第一升压开关器件Q4和第二升压开关器件Q5分别承压约为1000V，有效降低了IGBT承压。
此外，对于上述描述的各器件的预定占空比，本领域技术人员可以根据实际需要预先进行设定，本实用新型不对此进行限定。
从上述实施方式可以看出，本实用新型的直流直流变换器采用三通道多重化加升压开关的结构，使得输出电压范围较宽。也就是，可以在恒功率输出下满足宽范围输出，并且满足低电压畸变率的要求，具有通用性强的优点，可以灵活应用在不同需求的系统中。
此外，本实用新型在满足宽范围输出的情况下使用单通道输出，在满足要求的情况下结构简单，对元器件利用率较高，降低了电路的复杂程度与成本。
以上结合附图详细描述了本实用新型的优选实施方式，但是，本实用新型并不限于上述实施方式中的具体细节，在本实用新型的技术构思范围内，可以对本实用新型的技术方案进行多种简单变型，这些简单变型均属于本实用新型的保护范围。
另外需要说明的是，在上述具体实施方式中所描述的各个具体技术特征，在不矛盾的情况下，可以通过任何合适的方式进行组合。为了避免不必要的重复，本实用新型对各种可能的组合方式不再另行说明。
此外，本实用新型的各种不同的实施方式之间也可以进行任意组合，只要其不违背本实用新型的思想，其同样应当视为本实用新型所公开的内容。

Claims (7)

1.一种直流直流变换器，其特征在于，包括：
三个并联连接在电源上的变换器通道，第一变换器通道包括第一开关器件、第一电感和第一二极管，第二变换器通道包括第二开关器件、第二电感和第二二极管，第三变换器通道包括第三开关器件、第三电感和第三二极管；
两个串联连接的升压开关器件，连接在所述第一电感、所述第二电感和所述第三电感的连接点与电源负极之间；
续流二极管，该续流二极管的正极与所述第一电感、所述第二电感和所述第三电感的连接点连接；
以及两个串联连接的输出侧公共滤波电容，连接在所述续流二极管的负极与电源负极之间，且两个所述输出侧公共滤波电容之间的连接点通过导线与两个所述升压开关器件之间的连接点连接；
输出端负极与电源负极连接，输出端正极与续流二极管负极连接。
2.根据权利要求1所述的直流直流变换器，其特征在于，所述第一开关器件、所述第二开关器件和所述第三开关器件各自的集电极与所述电源的正极连接；
所述第一开关器件的发射极与所述第一电感的一端连接，所述第二开关器件的发射极与所述第二电感的一端连接，所述第三开关器件的发射极与所述第三电感的一端连接；
所述第一二极管的负极连接在所述第一开关器件与所述第一电感之间，所述第二二极管的负极连接在所述第二开关器件与所述第二电感之间，所述第三二极管的负极连接在所述第三开关器件与所述第三电感之间；
所述第一二极管、第二二极管和第三二极管各自的正极与所述电源的负极连接。
3.根据权利要求1或2所述的直流直流变换器，其特征在于，所述第一开关器件、所述第二开关器件和所述第三开关器以及第一升压开关器件和第二升压开关器件的集电极和发射极之间分别并联有一个二极管。
4.根据权利要求1或2所述的直流直流变换器，其特征在于，所述电源的正极和负极之间连接有输入端电容。
5.根据权利要求1或2所述的直流直流变换器，其特征在于，进行直流电压变换时，所述第一开关器件、所述第二开关器件和所述第三开关器件依次交错120度以各自的预定占空比工作，且两个所述升压开关器件处于关断状态。
6.根据权利要求1或2所述的直流直流变换器，其特征在于，进行直流电压变换时，所述第一开关器件、所述第二开关器件和所述第三开关器件依次交错120度以各自的预定占空比工作，且两个所述升压开关器件在相邻周期中交替开通。
7.根据权利要求1或2所述的直流直流变换器，其特征在于，进行直流电压变换时，所述第一开关器件、所述第二开关器件和所述第三开关器件均处于开通状态，两个所述升压开关器件在相邻周期中交替以各自的预定占空比工作，并且在其中一个升压开关器件以其预定占空比工作的情况下，另一升压开关器件处于导通状态。
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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CN109286211A (zh) * 2017-07-21 2019-01-29 现代自动车株式会社 电动车辆
CN110112985A (zh) * 2019-05-15 2019-08-09 哈尔滨理工大学 一种新型的开关磁阻电机多电平功率变换器
TWI764403B (zh) * 2020-12-02 2022-05-11 遠東科技大學 電壓轉換裝置

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