CN215344374U - 一种组合型三电平dc-dc变换器 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种组合型三电平DC‑DC变换器，包括直流输入电源U_in、开关电感单元、功率开关S、LCD单元1、LCD单元2、电容C₁、电容C₂，所述开关电感单元的输入端接直流输入电源U_in正极，输出端接LCD单元1和LCD单元2输入端，LCD单元1输出端接电容C₁第一端,LCD单元2输出端接电容C₂第二端,电容C₁第二端与电容C₂第一端相接，并与地相连，所述功率开关S漏极接开关电感单元的输出端，栅极连接控制器，所述直流输入电源U_in负极和功率开关S源极接地，通过这两种LCD单元的组合不仅得到了三种输出电平，而且输出电压的电压值只与本电路的拓扑结构有关，解决了当变换器连接三电平逆变器时中性点偏移的问题，提高了变换器的效率。

Description

一种组合型三电平DC-DC变换器

技术领域

本实用新型涉及电力电子器件领域，尤其涉及一种组合型三电平DC-DC变换器。

背景技术

随着全球的能源危机和环境污染等问题日益严峻，世界各国都在积极寻求新型可持续能源以替代传统日益枯竭的化石资源，以光伏发电、燃料电池、风力发电为代表的新能源得到了大力发展，分布式电源不仅可以产生大量清洁的可再生能源，减少化石能源的消耗和有害气体的排放，而且还具有价格便宜、安装灵活等特点，因此分布式电源的应用越来越广泛。

分布式电源在并网发电时，需要将其并联在公共母线上，供并网逆变器等高压直流负载使用，因此要求直流变换器具有较高的电压增益，如，单光电池板的输出电压一般为30～50V,而并网输入电压为380～400V，因此,具有高升压能力的DC/DC变换器在分布式电源中和并网发电过程中具有重要作用，分布式电源若直接通过半桥逆变器并网，会存在并网损耗较大的问题，并且可能会发生并网发电系统中性点偏移的问题。

实用新型内容

技术目的：针对变换器连接三电平逆变器时中性点偏移的问题和变换器输出电压的增益不高的不足，本实用新型公开了一种组合型三电平DC-DC变换器，解决了当变换器连接三电平逆变器时中性点偏移的问题，不仅便于控制，还降低了经济成本，提高了变换器的效率。

技术方案：为实现上述技术目的，本实用新型采用了如下技术方案：

一种组合型三电平DC-DC变换器，包括直流输入电源U_in、开关电感单元、功率开关S、LCD单元1、LCD单元2、电容C₁、电容C₂，所述开关电感单元的输入端接直流输入电源U_in正极，输出端接LCD单元1和LCD单元2输入端，LCD单元1输出端接电容C₁第一端,LCD单元2输出端接电容C₂第二端,电容C₁第二端与电容C₂第一端相接，并与地相连，所述功率开关S漏极接开关电感单元的输出端，栅极连接控制器，所述直流输入电源U_in负极和功率开关S源极接地。

优选地，所述开关电感单元包括功率电感L₁、功率电感L₂、二极管D₁、二极管D₂、二极管D₃，所述二极管D₁的阳极和功率电感L₁第一端是所述开关电感单元的输入端，二极管D₂的阳极和二极管D₃的阳极连接功率电感L₁的第二端，二极管D₂的阴极和功率电感L₂的第一端连接二极管D₁的阴极，二极管D₃的阴极和功率电感L₂的第二端是所述开关电感单元的输出端。

优选地，所述LCD单元1包括功率电感Ls、二极管Ds、电容Cs，电容Cs的第一端是LCD单元1输入端，二极管Ds的阳极和功率电感Ls的第一端连接电容Cs的第二端，二极管Ds的阴极是LCD单元1输出端，功率电感Ls的第二端连接输出电容C₁的第二端，所述LCD单元2包括功率电感Lc、二极管Dc和电容Cc，所述电容Cc的第一端是LCD单元2输入端，二极管Dc的阳极和功率电感Lc的第一端连接电容Cc的第二端，二极管Dc的阴极连接输出电容C₂的第一端，功率电感Lc的第二端是LCD单元2输出端。

有益效果：

1、本实用新型所提供的一种组合型三电平DC-DC变换器，LCD单元1的输出电压(即输出电容C₁的电压)与输入电源U_in的电压极性相同，LCD单元2的输出电压(即输出电容C₂的电压)与输入电源U_in的电压极性相反，通过这两种LCD单元的组合不仅得到了三种输出电平，而且输出电压的电压值只与本电路的拓扑结构有关，不受输出电容值的影响，解决了当变换器连接三电平逆变器时中性点偏移的问题，降低了变换器的损耗，提高了变换器的效率。

2、本实用新型不同于其它类似的变换器需要多个功率开关控制，本实用新型只使用了一个功率开关S就可实现了三电平的输出，不仅便于控制，还降低了经济成本。

3、本实用新型中使用开关电感单元作为储能单元，替代了传统的功率电感，通过与LCD单元的配合，可以使所述的变换器获得更高的输出电压增益。

附图说明

为了更清楚地说明本实用新型实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单介绍。

图1为本实用新型整体电路结构示意图；

图2为本实用新型变换器在功率开关S闭合时的等效电路图；

图3为本实用新型变换器在功率开关S断开时的等效电路图；

图4为本实用新型变换器主要元件的工作波形。

具体实施方式

下面通过一较佳实施例的方式并结合附图来更清楚完整地说明本实用新型，但并不因此将本实用新型限制在所述的实施例范围之中。

如图1-4所示，一种组合型三电平DC-DC变换器，包括直流输入电源U_in、开关电感单元、功率开关S、LCD单元1、LCD单元2、电容C₁、电容C₂，开关电感单元的输入端接直流输入电源U_in正极，输出端接LCD单元1和LCD单元2输入端，LCD单元1输出端接电容C₁第一端,LCD单元2输出端接电容C₂第二端,电容C₁第二端与电容C₂第一端相接，并与地相连，功率开关S漏极接开关电感单元的输出端，栅极连接控制器，直流输入电源U_in负极和功率开关S源极接地；

开关电感单元包括功率电感L₁、功率电感L₂、二极管D₁、二极管D₂、二极管D₃，二极管D₁的阳极和功率电感L₁第一端是开关电感单元的输入端，二极管D₂的阳极和二极管D₃的阳极连接功率电感L₁的第二端，二极管D₂的阴极和功率电感L₂的第一端连接二极管D₁的阴极，二极管D₃的阴极和功率电感L₂的第二端是开关电感单元的输出端；

LCD单元1包括功率电感Ls、二极管Ds、电容Cs，电容Cs的第一端是LCD单元1输入端，二极管Ds的阳极和功率电感Ls的第一端连接电容Cs的第二端，二极管Ds的阴极是LCD单元1输出端，功率电感Ls的第二端连接输出电容C₁的第二端，LCD单元2包括功率电感Lc、二极管Dc和电容Cc，电容Cc的第一端是LCD单元2输入端，二极管Dc的阳极和功率电感Lc的第一端连接电容Cc的第二端，二极管Dc的阴极连接输出电容C₂的第一端，功率电感Lc的第二端是LCD单元2输出端，变换器的输出电压增益M为：

其中，Uo为LCD单元1输出端与LCD单元2输出端之间的电压差，U_in为输入电压，D为功率开关S的占空比；

在分析前，作如下假设：①所有功率开关和二极管均为理想器件，不考虑开关时间，导通压降；②所有电感、电容均为理想元件；③输出电容C₁和C₂足够大；

根据功率开关S状态的不同，可以将电路分为2种工作模态：

1.开关模态1，参照附图2

t0至t1时刻，功率开关S导通，开关电感单元中二极管D₂断开，D₁和D₃导通，功率电感L₁和L₂并联，输入电源U_in通过功率开关S同时给功率电感L₁和L₂充电，功率电感L₁和L₂的电流i_L1和i_L2增加；LCD单元1的二极管Ds断开，电容Cs经过功率开关S给功率电感Ls充电，电流i_Ls增加，电容Cs电压U_Cs减小；LCD单元2的二极管Dc断开，电容Cc经过功率开关S给功率电感Lc和输出电容C₂充电，电流i_Lc增加，电容Cc电压U_Cc减小。在此模式下，由四个闭合回路：U_in—L₁—D₃—S—U_in、U_in—D₁—L₂—S—U_in、Cs—S—Ls—Cs和Cc—S—C₂—Lc—Cc，再由基尔霍夫电压定律可得：

2.开关模态2，参照附图3

t1至t2时刻，功率开关S关断，开关电感单元中二极管D₂导通，D₁和D₃断开，功率电感L₁和L₂串联；LCD单元1的二极管Ds导通，输入电源U_in和功率电感L₁、L₂给电容Cs和输出电容C₁充电，同时功率电感Ls经过二极管Ds给输出电容C₁充电，电流i_L1、i_L2和i_Ls减小，电容Cs电压U_Cs和电容C₁电压U_C1增加；LCD单元2的二极管Dc导通，输入电源U_in和功率电感L₁、L₂给电容Cc充电，同时功率电感Lc经过二极管Dc给输出电容C₂充电，电流i_Ls减小，电容Cc电压U_Cc和电容C₂电压U_C2增加。在此模式下，由四个闭合回路：U_in—L₁—D₂—L₂—Ds—C₁—U_in、U_in—L₁—D₂—L₂—Cc—Dc—U_in、Ls—Ds—C₁—Ls和Lc—Dc—C₂—Lc，再由基尔霍夫电压电压定律可得：

其中式(1)和式(2)的功率电感L₁和L₂的电压相等，即U_L1＝U_L2；

由功率电感L₁、Ls和Lc的伏秒平衡可得：

其中D为功率开关S的占空比；

结合式(1)、式(2)和式(3)可推得：

则该组合型三电平DC/DC变换器的输出电压增益M为：

本实用新型工作原理：本实用新型所提供的一种组合型三电平DC-DC变换器，根据功率开关S状态的不同，可以将电路分为2种工作模态，开关模态1，t0至t1时刻，功率开关S导通，开关电感单元中二极管D₂断开，D₁和D₃导通，功率电感L₁和L₂并联，输入电源U_in通过功率开关S同时给功率电感L₁和L₂充电，功率电感L₁和L₂的电流i_L1和i_L2增加；LCD单元1的二极管Ds断开，电容Cs经过功率开关S给功率电感Ls充电，电流i_Ls增加，电容Cs电压U_Cs减小；LCD单元2的二极管Dc断开，电容Cc经过功率开关S给功率电感Lc和输出电容C₂充电，电流i_Lc增加，电容Cc电压U_Cc减小，开关模态2，t1至t2时刻，功率开关S关断，开关电感单元中二极管D₂导通，D₁和D₃断开，功率电感L₁和L₂串联；LCD单元1的二极管Ds导通，输入电源U_in和功率电感L₁、L₂给电容Cs和输出电容C₁充电，同时功率电感Ls经过二极管Ds给输出电容C₁充电，电流i_L1、i_L2和i_Ls减小，电容Cs电压U_Cs和电容C₁电压U_C1增加；LCD单元2的二极管Dc导通，输入电源U_in和功率电感L₁、L₂给电容Cc充电，同时功率电感Lc经过二极管Dc给输出电容C₂充电，电流i_Ls减小，电容Cc电压U_Cc和电容C₂电压U_C2增加，再根据基尔霍夫电压定律、功率电感L₁和L₂的电压相等和伏秒平衡可得该组合型三电平DC/DC变换器的输出电压增益M。

以上仅是本实用新型的优选实施方式，应当指出：对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本实用新型原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本实用新型的保护范围。

Claims (3)

1.一种组合型三电平DC-DC变换器，其特征在于，包括直流输入电源U_in、开关电感单元、功率开关S、LCD单元1、LCD单元2、电容C₁、电容C₂，所述开关电感单元的输入端接直流输入电源U_in正极，输出端接LCD单元1和LCD单元2输入端，LCD单元1输出端接电容C₁第一端,LCD单元2输出端接电容C₂第二端,电容C₁第二端与电容C₂第一端相接，并与地相连，所述功率开关S漏极接开关电感单元的输出端，栅极连接控制器，所述直流输入电源U_in负极和功率开关S源极接地。

2.根据权利要求1所述的一种组合型三电平DC-DC变换器，其特征在于，所述开关电感单元包括功率电感L₁、功率电感L₂、二极管D₁、二极管D₂、二极管D₃，所述二极管D₁的阳极和功率电感L₁第一端是所述开关电感单元的输入端，二极管D₂的阳极和二极管D₃的阳极连接功率电感L₁的第二端，二极管D₂的阴极和功率电感L₂的第一端连接二极管D₁的阴极，二极管D₃的阴极和功率电感L₂的第二端是所述开关电感单元的输出端。

3.根据权利要求1所述的一种组合型三电平DC-DC变换器，其特征在于，所述LCD单元1包括功率电感Ls、二极管Ds、电容Cs，电容Cs的第一端是LCD单元1输入端，二极管Ds的阳极和功率电感Ls的第一端连接电容Cs的第二端，二极管Ds的阴极是LCD单元1输出端，功率电感Ls的第二端连接输出电容C₁的第二端，所述LCD单元2包括功率电感Lc、二极管Dc和电容Cc，所述电容Cc的第一端是LCD单元2输入端，二极管Dc的阳极和功率电感Lc的第一端连接电容Cc的第二端，二极管Dc的阴极连接输出电容C₂的第一端，功率电感Lc的第二端是LCD单元2输出端。

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