CN211579879U - 一种可拓展增益单元型大容量dc/dc变换器 - Google Patents
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Abstract
本实用新型涉及一种可拓展增益单元型大容量DC/DC变换器,包括输入模块和增益模块,所述输入模块包括若干输入端端口,所述增益模块包括若干增益单元;所述输入模块的输出端与所述增益模块的输入端电性连接,通过调整不同的输入端端口数和增益单元数来适应不同的电压、电流应力。本实用新型提供一种可拓展增益单元型大容量DC/DC变换器,利用电压逐级升高的倍压单元电容来实现高升压能力,每增加一输入相数或一增益单元数,均可提高原基础上数倍以上基础增益,通过调节输入相数和增益单元数得到更低的有源器件电压电流应力。
Description
技术领域
本实用新型涉及变换器领域,具体涉及一种可拓展增益单元型大容量 DC/DC变换器。
背景技术
现有技术中,关于应用于大规模升压场合的DC/DC变换器的研究较少,且大多变换器输入输出增益固定,拓展性较差,同时有伴随着控制策略复杂,能量传输效率不高等缺点使其在诸如海上风电等应用场合中受到了限制;针对此问题研究的变换器主要有三种:一是利用开关谐振电容通过谐振实现高增益,同时也降低功率器件的电压应力,但该方法拓展性较差,结构复杂,所需开关器件较多,系统损耗较高能量传输效率不高。二是利用耦合电感来实现高增益,但耦合电感的使用不仅会造成开关器件电压应力过高,而且会引起磁干扰,增加了变换器的工作损耗。三是模块化多电平技术,通过子模块之间的串并联实现高增益,其高度模块化结构可实现冗余控制,增强系统可靠性高,但该类变换器由于开关数量多,通常需要加入更多复杂的控制策略。
实用新型内容
本实用新型为了解决现有的变换器的增益单元无法有效拓展且容量小的问题,提供一种可拓展增益单元型大容量DC/DC变换器。
为实现以上实用新型目的,采用的技术方案是:
一种可拓展增益单元型大容量DC/DC变换器,包括输入模块和增益模块,所述输入模块包括若干输入端端口,所述增益模块包括若干增益单元;所述输入模块的输出端与所述增益模块的输入端电性连接,通过调整不同的输入端端口数和增益单元数来适应不同的电压、电流应力。
所述输入模块包括输入电源Uin,m个功率开关S1、S2……Sm,m个电感L1、 L2……Lm;其中:
所述输入电源Uin正极与所述电感L1一端电性连接,所述电感L1另一端和所述功率开关S1漏极分别与所述增益模块的输入端电性连接,所述功率开关S1源极接地,所述输入电源Uin负极与所述增益模块的输出端电性连接;
所述输入电源Uin正极与所述功率开关S2漏极电性连接,所述功率开关S2源极和所述电感L2一端分别与所述增益模块的输入端电性连接,所述电感L2另一端接地,所述输入电源Uin负极与所述增益模块的输出端电性连接;
按照上述规律,所述输入电源Uin正极与所述电感Lm-1一端电性连接,所述电感Lm-1另一端和所述功率开关Sm-1漏极分别与所述增益模块的输入端电性连接,所述功率开关Sm-1源极接地,所述输入电源Uin负极与所述增益模块的输出端电性连接;
所述输入电源Uin正极与所述功率开关Sm漏极电性连接,所述功率开关Sm源极和所述电感Lm一端分别与所述增益模块的输入端电性连接,所述电感Lm另一端接地,所述输入电源Uin负极与所述增益模块的输出端电性连接。
所述m个功率开关S1、S2……Sm中任意一个功率开关S,包括场效应管和二极管;所述场效应管的漏极与所述二极管的阴极电性连接,所述场效应管的源极与所述二极管的阳极电性连接;所述场效应管的漏极即为所述功率开关的漏极,所述场效应管的源极即为所述功率开关的源极。
所述增益模块包括nm个增益单元和电阻RL;其中:所述增益单元包括第一端口、第二端口和第三端口,所述功率开关S1漏极与第1增益单元的第一端口……第m增益单元的第三端口和第(n-1)m增益单元的第三端口分别电性连接,所述功率开关S2源极与第1增益单元的第三端口……第m+1增益单元的第三端口和第(n-1)m+1增益单元的第三端口分别电性连接,以此类推,所述功率开关 Sm-1漏极与第m-2增益单元的第三端口……第2m-2增益单元的第三端口和第 nm-2增益单元的第三端口分别电性连接,所述功率开关Sm源极与第m-1增益单元的第三端口……第2m-1增益单元的第三端口和第nm-1增益单元的第三端口分别电性连接;
第1增益单元的第二端口与第2增益单元的第一端口电性连接,第2增益单元的第二端口与第3增益单元的第一端口电性连接,以此类推,所述第nm-2增益单元的第二端口与所述第nm-1增益单元的第一端口电性连接,所述第nm-1 增益单元的第二端口与所述第nm增益单元的第一端口电性连接;所述第nm增益单元的第二端口与所述电阻RL一端电性连接,所述第nm增益单元的第三端口与所述电阻RL另一端分别与所述输入电源Uin负极电性连接。
所述nm个增益单元中的任意一个增益单元包括二极管D和电容C;所述二极管D的阴极与所述电容C一端电性连接,所述二极管D的阳极为第一端口,所述二极管D的阴极与所述电容C的连接处为第二端口,所述电容C另一端为第三端口。
m与n均为增益单元参数,D为二极管参数。
所述输入电源Uin为低压输入电源。
m个所述电感L1、L2……Lm均为滤波电感器。
所述电容C0……Cnm-1均为滤波电容。
所述的二极管D0……Dnm-1均为整流滤波二极管。
m个功率开关S1~Sm的栅极接同一控制器的PWM波控制信号,利用电压逐级升高的倍压单元电容来实现高升压能力,每增加一输入相数或一增益单元数,均可提高原基础上数倍以上基础增益,输出电压与输入电压的比值为:
该变换器由于采用开关管同步控制,能有效降低控制系统设计的复杂度;相比于其他交错并联型变换器,该变换器的占空比不受限于D>0.5,且可通过调节输入相数和增益单元数得到更低的有源器件电压电流应力。
与现有技术相比,本实用新型的有益效果是:
本实用新型提供一种可拓展增益单元型大容量DC/DC变换器,利用电压逐级升高的倍压单元电容来实现高升压能力,每增加一输入相数或一增益单元数,均可提高原基础上数倍以上基础增益,通过调节输入相数和增益单元数得到更低的有源器件电压电流应力。
附图说明
图1为本实用新型的电路原理图;
图2为本实用新型的电路含有4相输入相数8个增益单元时的电路拓扑图。
具体实施方式
附图仅用于示例性说明,不能理解为对本专利的限制;
以下结合附图和实施例对本实用新型做进一步的阐述。
实施例1
如图1所示,一种可拓展增益单元型大容量DC/DC变换器,包括输入模块和增益模块,所述输入模块包括若干输入端端口,所述增益模块包括若干增益单元;所述输入模块的输出端与所述增益模块的输入端电性连接,通过调整不同的输入端端口数和增益单元数来适应不同的电压、电流应力。
所述输入模块包括输入电源Uin,m个功率开关S1、S2……Sm,m个电感L1、 L2……Lm;其中:
所述输入电源Uin正极与所述电感L1一端电性连接,所述电感L1另一端和所述功率开关S1漏极分别与所述增益模块的输入端电性连接,所述功率开关S1源极接地,所述输入电源Uin负极与所述增益模块的输出端电性连接;
所述输入电源Uin正极与所述功率开关S2漏极电性连接,所述功率开关S2源极和所述电感L2一端分别与所述增益模块的输入端电性连接,所述电感L2另一端接地,所述输入电源Uin负极与所述增益模块的输出端电性连接;
按照上述规律,所述输入电源Uin正极与所述电感Lm-1一端电性连接,所述电感Lm-1另一端和所述功率开关Sm-1漏极分别与所述增益模块的输入端电性连接,所述功率开关Sm-1源极接地,所述输入电源Uin负极与所述增益模块的输出端电性连接;
所述输入电源Uin正极与所述功率开关Sm漏极电性连接,所述功率开关Sm源极和所述电感Lm一端分别与所述增益模块的输入端电性连接,所述电感Lm另一端接地,所述输入电源Uin负极与所述增益模块的输出端电性连接。
所述m个功率开关S1、S2……Sm中任意一个功率开关S,包括场效应管和二极管;所述场效应管的漏极与所述二极管的阴极电性连接,所述场效应管的源极与所述二极管的阳极电性连接;所述场效应管的漏极即为所述功率开关的漏极,所述场效应管的源极即为所述功率开关的源极。
所述增益模块包括nm个增益单元和电阻RL;其中:所述增益单元包括第一端口、第二端口和第三端口,所述功率开关S1漏极与第1增益单元的第一端口……第m增益单元的第三端口和第(n-1)m增益单元的第三端口分别电性连接,所述功率开关S2源极与第1增益单元的第三端口……第m+1增益单元的第三端口和第(n-1)m+1增益单元的第三端口分别电性连接,以此类推,所述功率开关 Sm-1漏极与第m-2增益单元的第三端口……第2m-2增益单元的第三端口和第 nm-2增益单元的第三端口分别电性连接,所述功率开关Sm源极与第m-1增益单元的第三端口……第2m-1增益单元的第三端口和第nm-1增益单元的第三端口分别电性连接;
第1增益单元的第二端口与第2增益单元的第一端口电性连接,第2增益单元的第二端口与第3增益单元的第一端口电性连接,以此类推,所述第nm-2增益单元的第二端口与所述第nm-1增益单元的第一端口电性连接,所述第nm-1 增益单元的第二端口与所述第nm增益单元的第一端口电性连接;所述第nm增益单元的第二端口与所述电阻RL一端电性连接,所述第nm增益单元的第三端口与所述电阻RL另一端分别与所述输入电源Uin负极电性连接。
所述nm个增益单元中的任意一个增益单元包括二极管D和电容C;所述二极管D的阴极与所述电容C一端电性连接,所述二极管D的阳极为第一端口,所述二极管D的阴极与所述电容C的连接处为第二端口,所述电容C另一端为第三端口。
m与n均为增益单元参数,D为二极管参数。
m个功率开关S1~Sm的栅极接同一控制器的PWM波控制信号,利用电压逐级升高的倍压单元电容来实现高升压能力,每增加一输入相数或一增益单元数,均可提高原基础上数倍以上基础增益,输出电压与输入电压的比值为:
该变换器由于采用开关管同步控制,能有效降低控制系统设计的复杂度;相比于其他交错并联型变换器,该变换器的占空比不受限于D>0.5,且可通过调节输入相数和增益单元数得到更低的有源器件电压电流应力。
实施例2
如图2所示,一种可拓展增益单元型大容量DC/DC变换器,包括输入模块和增益模块,所述输入模块包括若干输入端端口,所述增益模块包括若干增益单元;所述输入模块的输出端与所述增益模块的输入端电性连接,通过调整不同的输入端端口数和增益单元数来适应不同的电压、电流应力。
所述输入模块包括输入电源Uin,功率开关S1、S2、S3和S4,电感L1、L2、L3和L4;其中:
所述输入电源Uin正极与所述电感L1一端电性连接,所述电感L1另一端和所述功率开关S1漏极分别与所述增益模块的输入端电性连接,所述功率开关S1源极接地,所述输入电源Uin负极与所述增益模块的输出端电性连接;
所述输入电源Uin正极与所述功率开关S2漏极电性连接,所述功率开关S2源极和所述电感L2一端分别与所述增益模块的输入端电性连接,所述电感L2另一端接地,所述输入电源Uin负极与所述增益模块的输出端电性连接;
所述输入电源Uin正极与所述电感L3一端电性连接,所述电感L3另一端和所述功率开关S3漏极分别与所述增益模块的输入端电性连接,所述功率开关S3源极接地,所述输入电源Uin负极与所述增益模块的输出端电性连接;
所述输入电源Uin正极与所述功率开关S4漏极电性连接,所述功率开关S4源极和所述电感L4一端分别与所述增益模块的输入端电性连接,所述电感L4另一端接地,所述输入电源Uin负极与所述增益模块的输出端电性连接。
所述4个功率开关S1、S2、S3和S4中任意一个功率开关S,包括场效应管和二极管;所述场效应管的漏极与所述二极管的阴极电性连接,所述场效应管的源极与所述二极管的阳极电性连接;所述场效应管的漏极即为所述功率开关的漏极,所述场效应管的源极即为所述功率开关的源极。
所述增益模块包括8个增益单元和电阻RL;其中:所述增益单元包括第一端口、第二端口和第三端口,所述功率开关S1漏极与第1增益单元的第一端口和第4增益单元的第三端口分别电性连接,所述所述功率开关S2源极与第1增益单元的第三端口和第5增益单元的第三端口分别电性连接,所述功率开关S3漏极与第2增益单元的第三端口和第6增益单元的第三端口分别电性连接,所述所述功率开关S4源极与第3增益单元的第三端口和第7增益单元的第三端口分别电性连接;
所述第1增益单元的第二端口与所述第2增益单元的第一端口电性连接,所述第2增益单元的第二端口与所述第3增益单元的第一端口电性连接,以此类推,所述第6增益单元的第二端口与所述第7增益单元的第一端口电性连接,所述第 7增益单元的第二端口与所述第8增益单元的第一端口电性连接;所述第8增益单元的第二端口与所述电阻RL一端电性连接,所述第8增益单元的第三端口与所述电阻RL另一端分别与所述输入电源Uin负极电性连接。
所述8个增益单元中的任意一个增益单元包括二极管D和电容C;所述二极管D的阴极与所述电容C一端电性连接,所述二极管D的阳极为第一端口,所述二极管D的阴极与所述电容C的连接处为第二端口,所述电容C另一端为第三端口。四个功率开关S1、S2、S3、S4的栅极连接同一PWM控制器。
根据功率开关状态的不同,可以将电路分为两种工作状态:
(1)功率开关S1~S4均导通,电感L1~L4电流逐渐上升,此时低压电源通过功率开关S2、二极管D2、功率开关S3向电容C2充电,给C1放电,通过二极管 D6,向电容C6充电,给C5放电;同时,低压电源通过功率开关S4、二极管D4、功率开关S1向电容C4充电,给C3放电,通过二极管Do给电容C7放电,向滤波电容Co充电,同时向负载RL供电;二极管D1、D3、D5、D7均关断。
(2)控制器控制功率开关S1~S4均关断,电感L1~L4电流逐渐下降,此时低压电源通过电感L1、二极管D1、电感L2向电容C1充电,通过二极管D5向电容 C5充电,给电容C4放电;同时,低压电源通过电感L3、二极管D3、电感L4向电容C3充电,给C2放电,通过二极管D7给电容C5放电,向电容C7充电,二极管D2、D4、D6、Do均关断。
显然,本实用新型的上述实施例仅仅是为清楚地说明本实用新型所作的举例,而并非是对本实用新型的实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说,在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。凡在本实用新型的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等,均应包含在本实用新型权利要求的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种可拓展增益单元型大容量DC/DC变换器,其特征在于:包括输入模块和增益模块,所述输入模块包括若干输入端端口,所述增益模块包括若干增益单元;所述输入模块的输出端与所述增益模块的输入端电性连接,通过调整不同的输入端端口数和增益单元数来适应不同的电压、电流应力。
2.根据权利要求1所述的一种可拓展增益单元型大容量DC/DC变换器,其特征在于:所述输入模块包括输入电源Uin,m个功率开关S1、S2……Sm,m个电感L1、L2……Lm;其中:
所述输入电源Uin正极与所述电感L1一端电性连接,所述电感L1另一端和所述功率开关S1漏极分别与所述增益模块的输入端电性连接,所述功率开关S1源极接地,所述输入电源Uin负极与所述增益模块的输出端电性连接;
所述输入电源Uin正极与所述功率开关S2漏极电性连接,所述功率开关S2源极和所述电感L2一端分别与所述增益模块的输入端电性连接,所述电感L2另一端接地,所述输入电源Uin负极与所述增益模块的输出端电性连接;
按照上述规律,所述输入电源Uin正极与所述电感Lm-1一端电性连接,所述电感Lm-1另一端和所述功率开关Sm-1漏极分别与所述增益模块的输入端电性连接,所述功率开关Sm-1源极接地,所述输入电源Uin负极与所述增益模块的输出端电性连接;
所述输入电源Uin正极与所述功率开关Sm漏极电性连接,所述功率开关Sm源极和所述电感Lm一端分别与所述增益模块的输入端电性连接,所述电感Lm另一端接地,所述输入电源Uin负极与所述增益模块的输出端电性连接。
3.根据权利要求2所述的一种可拓展增益单元型大容量DC/DC变换器,其特征在于:所述m个功率开关S1、S2……Sm中任意一个功率开关S,包括场效应管和二极管;所述场效应管的漏极与所述二极管的阴极电性连接,所述场效应管的源极与所述二极管的阳极电性连接;所述场效应管的漏极即为所述功率开关的漏极,所述场效应管的源极即为所述功率开关的源极。
4.根据权利要求3所述的一种可拓展增益单元型大容量DC/DC变换器,其特征在于:所述增益模块包括nm个增益单元和电阻RL;其中:所述增益单元包括第一端口、第二端口和第三端口,所述功率开关S1漏极与第1增益单元的第一端口……第m增益单元的第三端口和第(n-1)m增益单元的第三端口分别电性连接,所述功率开关S2源极与第1增益单元的第三端口……第m+1增益单元的第三端口和第(n-1)m+1增益单元的第三端口分别电性连接,以此类推,所述功率开关Sm-1漏极与第m-2增益单元的第三端口……第2m-2增益单元的第三端口和第nm-2增益单元的第三端口分别电性连接,所述功率开关Sm源极与第m-1增益单元的第三端口……第2m-1增益单元的第三端口和第nm-1增益单元的第三端口分别电性连接;第1增益单元的第二端口与第2增益单元的第一端口电性连接,第2增益单元的第二端口与第3增益单元的第一端口电性连接,以此类推,所述第nm-2增益单元的第二端口与所述第nm-1增益单元的第一端口电性连接,所述第nm-1增益单元的第二端口与所述第nm增益单元的第一端口电性连接;所述第nm增益单元的第二端口与所述电阻RL一端电性连接,所述第nm增益单元的第三端口与所述电阻RL另一端分别与所述输入电源Uin负极电性连接。
5.根据权利要求4所述的一种可拓展增益单元型大容量DC/DC变换器,其特征在于:所述nm个增益单元中的任意一个增益单元包括二极管D和电容C;所述二极管D的阴极与所述电容C一端电性连接,所述二极管D的阳极为第一端口,所述二极管D的阴极与所述电容C的连接处为第二端口,所述电容C另一端为第三端口。
7.根据权利要求2所述的一种可拓展增益单元型大容量DC/DC变换器,其特征在于:所述输入电源Uin为低压输入电源。
8.根据权利要求2所述的一种可拓展增益单元型大容量DC/DC变换器,其特征在于,m个所述电感L1、L2……Lm均为滤波电感器。
9.根据权利要求5所述的一种可拓展增益单元型大容量DC/DC变换器,其特征在于,所述电容C0……Cnm-1均为滤波电容。
10.根据权利要求4所述的一种可拓展增益单元型大容量DC/DC变换器,其特征在于,所述的二极管D0……Dnm-1均为整流滤波二极管。
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