WO2021258935A1 - 一种高降压模块化直流电源 - Google Patents
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Abstract
一种高降压模块化直流电源，属于电力电子技术领域，包含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。模块电路组合方式包括：上模块组串级联，下模块组串级联，上、下模块组串混合级联。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电源。所述电源各子模块之间不需要同步控制信号，无需中央控制器即可实现电源输入串联电容的电压均分，因此各子模块控制策略非常简单。所述电源可以灵活拓展电压和功率等级，适用于中压或高压直流输入场合的辅助电源应用。
Description
本发明涉及一种高降压模块化电源，具体涉及一种高降压模块化直流电源及其控制方法，属于电力电子技术领域。
在电力电子装备中，中压大功率变换装备通常指的是电压等级为1kV-35kV。不同于中压交流系统，在中压直流系统中，需要从中压直流侧直接取电的低压用电设备不能直接使用交流场合常用的降压变压器，而只能使用电力电子电路在中压侧斩波工作，将中压直流逆变成为高频交流，再使用高频变压器进行隔离变压并整流，才能生成稳定的低压直流电源。然而，现有的商用功率半导体器件的电压等级最高仅为6500V，无法直接应用于10kV左右的中压直流系统中，因此在中压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。
采用半导体器件直接串联技术的中压变换器常见于中压电力传动领域，变换器功率等级均为兆瓦级。在该方案中，各个半导体器件的开关动作必须严格保持一致，对开关信号的隔离传输，控制器延迟补偿等技术要求极高，不适用于小功率，对成本敏感的开关电源场合。
针对高输入直流电压场合，目前一种常见的应用方式是通过输入电压较低的模块在高压侧串联组成输入电压较高的输入级，并且在输出侧并联组成输出电压较低的输出级，即输入串联输出并联(Input-series output-parallel,ISOP)直流变换器系统。输入串联输出并联直流变换器系统的关键问题是保证系统中各模块的输入均压和输出均流。为了实现这个目的，必须使用统一的中央控制器使得各个变换器之间开关信号保持同步，同时通过相应的闭环控制策略保持低压输出直流电压稳定，如在现有技术中提出了一种主从控制的输入均压控制策略，其需要指定连接到系统输入电压负母线的模块为主模块，其它所有模块为从模块，主模块采用输出电压反馈控制，以保证系统输出电压稳定。为了实现主从控制，主变换器模块需要和从控制器建立通讯联系，或者通过其他手段共享电压信息。该类方案在中压系统中实现较为复杂，需要考虑高压隔离，信息编码等多方面技术，不适用于某些对成本要求敏感的场合。
在已有文献中也偶见有无需均压控制器的模块化电源组合方案，如相同占空比控制、无互联线控制等。相同占空比控制的各模块主电路与功率电路完全相同，实现了电路模块化，但模块之间存在控制互联线。当互联线受到干扰或出现故障时，会对系统的可靠运行造成影 响。无互联线控制避免了控制上的互相连接，实现了设计模块化，各模块控制回路可单独设计，降低了设计难度但是增加了设计复杂性且难以用于宽电压输入场合。如在现有技术中提出的一种无互联线控制策略，在ISOP系统中利用输入输出电压之间存在的线性关系，通过输出电压相同反控制输入电压均分，使得各个模块的控制相对独立，但这种方法对于交错并联或不对称的情况并不能起到很好的作用。
发明内容
鉴于上述，为了解决现有技术中存在的中压直流系统中电压等级受限，均压控制策略复杂的不足，本发明提出了一种高降压模块化直流电源及其控制方法，该电源由子模块电路逐级级联组合得到，各子模块电路拓扑由最基本的Buck-Boost电路结构改造得到，电路设计实现模块化，结构简单。同时，所述电源由基本的子模块电路单元级联得到，级联级数可以根据输入电压等级升高而相应增加，可扩展性强，灵活度高。同时，各个子模块电路的控制模块之间无需通讯和同步，实现完全独立控制，同时能够实现各模块输入均压，可以用于中压直流场合。因此该方案实现简单，成本低，适用于中压或高压直流输入场合的辅助电源应用。
为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种高降压模块化直流电源，包括输入源、负载、由i个上子模块电路构成的上模块化级联电路组串、和/或由j个下子模块电路构成的下模块化级联电路组串；
所述的上子模块电路包括第一电容、第二电容、第一电感、第一开关管、第一二极管和三个上输出端口；上子模块电路的第一上输出端口、第一电容的正极、以及第一开关管的漏极共接，上子模块电路的第二上输出端口、第一电容的负极、第二电容的正极、以及第一电感的一端共接，上子模块电路的第三上输出端口、第二电容的负极、以及第一二极管的阳极共接，第一开关管的源极、第一电感的另一端、以及第一二极管的阴极共接；
所述的下子模块电路包括第三电容、第四电容、第二电感、第二开关管、第二二极管和三个下输出端口；下子模块电路的第一下输出端口、第三电容的正极、以及第二二极管的阴极共接，下子模块电路的第二下输出端口、第三电容的负极、第四电容的正极、以及第二电感的一端共接，下子模块电路的第三下输出端口、第四电容的负极、以及第二开关管的源极共接，第二开关管的漏极、第二电感的另一端、以及第二二极管的阳极共接；
所述的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第一上输出端口相连，第二上端口与第i个上子模块电路的第二上输出端口相连，第三上端口与第i个上子模块电路的第三上输出端口相连；所述的i个上子模块电路的内部级联方式为： 前一级上子模块电路的第二上输出端口与相邻后一级上子模块电路的第一上输出端口相连，前一级上子模块电路的第三上输出端口与相邻后一级上子模块电路的第二上输出端口相连，其中i为自然数；
所述的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第一下输出端口相连，第二下端口与第二个下子模块电路的第一下输出端口相连，第三下端口与第j个下子模块电路的第三下输出端口相连；所述的j个下子模块电路的内部级联方式为：前一级下子模块电路的第二下输出端口与相邻后一级下子模块电路的第一下输出端口相连，前一级下子模块电路的第三下输出端口与相邻后一级下子模块电路的第二下输出端口相连，其中j为自然数；
当2≤i且2≤j时，所述的上模块化级联电路组串的第一上端口与输入源的正极相连，下模块化级联电路组串的第三下端口与输入源的负极相连，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一下端口与负载的正极共接，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二下端口与负载的负极共接；
当j＝0且2≤i时，所述的上模块化级联电路组串的第一上端口与输入源的正极相连，上模块化级联电路组串的第二上端口与负载的正极相连，上模块化级联电路组串的第三上端口、负载的负极与输入源的负极共接；
当i＝0且2≤j时，所述的下模块化级联电路组串的第三下端口与输入源的负极相连，下模块化级联电路组串的第二下端口与负载的负极相连，下模块化级联电路组串的第一下端口、负载的正极与输入源的正极共接。
于本发明一实施例中，上子模块电路和下子模块电路中均包含用于控制开关管导通/关断的控制模块。
于本发明一实施例中，i＝j且i≥2、j≥2。
于本发明一实施例中，开关管为全控型功率半导体器件。
于另一方面，本发明还提供一种高降压模块化直流电源的控制方法，包括：控制模块采集每一个上子模块电路和/或下子模块电路中第一电容的电压值和第二电容的电压值，并通过比较器进行比较；当上子模块电路中的第一电容电压值大于第二电容电压值时，比较器输出1，控制开关管Q
n的脉冲信号G
n使能，输出占空比为50％的PWM信号，脉冲值为1时，开关管导通，当脉冲值为0时，开关管断开；反之，比较器输出0，开关管保持关断；当下子模块电路中的第一电容电压值小于第二电容电压值时，比较器输出1，控制开关管Q
m的脉冲信号G
m使能，输出占空比为50％的PWM信号，当脉冲值为1时，开关管导通，当脉冲值为 0时，开关管断开；反之，比较器输出0，开关管保持关断。
于本发明一实施例中，上子模块电路和下子模块电路内的控制模块每间隔一个开关周期Ts，比较器进行一次判断。
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)本发明提供的高降压模块化直流电源采用标准化模块直接进行级联，包括上模块组串级联、下模块组串级联、上模块组串和下模块组串混合级联三种级联方式，级联级数可以根据输入电压等级升高而相应增加，同时各模块之间输入电压不需要通讯和同步就可以实现均压，误差小于0.25％，且可扩展性强，灵活度高，可以根据具体应用要求增减子模块的数量，适用于中压或高压直流输入场合的辅助电源应用。
(2)本发明中的各个子模块单元的控制器之间无需通讯和同步，只需要采样模块内部电容电压，并通过比较器进行比较，比较器输出1，控制开关管的脉冲信号使能，输出占空比为50％的PWM信号，脉冲值为1时，开关管导通，当脉冲值为0时，开关管断开；反之，比较器输出0，开关管保持关断，能够实现完全独立控制，同时各个子模块单元电路的电路拓扑简单，开关管少，成本低。
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的电路的控制框图；
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的电路的控制框图；
图5为本发明一实施例的高降压模块化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高降压模块化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高降压模块化直流电源三种典型的系统连接图之一；
图8为本发明一实施例的高降压模块化直流电源三种典型的系统连接图之一；
图9为本发明一实施例的高降压模块化直流电源三种典型的系统连接图之一；
图10A-图10D为本发明一实施例的高降压模块化直流电源示例图9中各子模块中比较器输出、脉冲信号和电感电流瞬时值波形；
图11为本发明一实施例的高降压模块化化直流电源示例图9中各电容电压波形；
图12为本发明一实施例的高降压模块化化直流电源示例图7中各电容电压波形。
为了更为具体地描述本发明，下面结合附图及具体实施方式对本发明的技术方案进行详细说明。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。
本发明的高降压模块化直流电压包含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，上模块化级联电路组串包含i个的上子模块电路，下模块化级联电路组串包含j个的下子模块电路，每个上子模块电路和下子模块电路均包括控制模块和电路模块，其电路模块为输入与输出电容串联的不隔离三端口Buck-Boost电路，控制模块只采样上/下子模块电路内部的电容电压，每间隔一个开关周期Ts，比较器判断一次是否使能占空比为50％脉冲信号。
上子模块电路拓扑如图1所示，所述上子模块电路含有a、b、c三个上输出端口，电路连接方式为：第一上输出端口a、第一电容C
n-1的正极以及第一开关管Q
n的漏极共接，第二上输出端口b、第一电容C
n-1的负极、第二电容C
n-2的正极以及第一电感L
n的一端共接，第三上输出端口c、第二电容C
n-2的负极以及第一二极管D
n的阳极共接，第一开关管Q
n的源极、第一电感L
n的另一端以及第一二极管D
n的阴极共接。
上子模块控制框图如图2所示，当第一电容电压U
cn-1大于第二电容电压U
cn-2，比较器输出1，PWM电源控制芯片输出的占空比为50％的PWM信号能够传送给第一开关管Q
n，即第一开关管Q
n的脉冲信号G
n使能输出占空比为50％的PWM信号，反之，比较器输出0，G
n输出信号为0，第一开关管Q
n保持关断。
下子模块电路拓扑如图3所示，所述下模块化级联电路组串中的下子模块电路为输入与输出电容串联的不隔离三端口Buck-Boost电路，每个下子模块电路含有a’、b’、c’三个下输出端口，电路连接方式为：第一下输出端口a’、第三电容C
m-1的正级以及第二二极管D
m的阴极共接，第二下输出端口b’、第三电容C
m-1的负级、第四电容C
m-2的正极以及第二电感L
m的一端共接，第三下输出端口c’、第四电容C
m-2的负级以及第二开关管Q
m的源极共接，第二开关管Q
m的漏极、第二电感L
m的另一端以及第二二极管D
m的阳极共接。
下子模块控制框图如图4所示，当第三电容电压U
cm-1小于第四电容电压U
cm-2，比较器输出1，PWM电源控制芯片输出占空比为50％的PWM信号能够传送给第二开关管Q
m，即第二开关管Q
m的脉冲信号G
m使能输出占空比为50％的PWM信号，反之，比较器输出0，G
m输出信号为0，第二开关管Q
m保持关断。
于本发明一实施例中，上模块化级联电路组串的拓扑结构如图5所示。图5中绘出了i个上子模块电路，且i＞4。于实际应用中，i为大于等于2的自然数。首个上子模块电路1的第一上输出端口a连接上模块化级联电路组串的第一上端口A，上子模块电路1的第二上 输出端口b与上子模块电路2的第一上输出端口a相连，上子模块电路1的第三上输出端口c与上子模块化电路2的第二上输出端口b相连。其他上子模块电路的级联方式为：前一级上子模块电路的第二上输出端口b与相邻后一级上子模块电路的第一上输出端口a相连，前一级上子模块电路的第三上输出端口c与相邻后一级上子模块化电路的第二上输出端口b相连，其中第i个上子模块电路的第二上输出端口b与上模块化级联电路组串的第二上端口B相连，第三上输出端口c与上模块化级联电路组串的第三上端口C相连。
于本发明一实施例中，下模块化级联电路组串的拓扑结构拓扑如图6所示。图6中绘出了j个下子模块电路，且j＞4。于实际应用中，j为大于等于2的自然数。首个下子模块电路1的第一下输出端口a’连接下模块化级联电路组串的第一下端口A’，下子模块电路1的第二下输出端口b’与下模块化级联电路组串的第二下端口B’以及下子模块电路2的第一下输出端口a’相连，下子模块电路1的第三下输出端口c’与下子模块化电路2的第二下输出端口b’相连。其他下子模块电路的级联方式为：前一级下子模块电路的第二下输出端口b’与相邻后一级下子模块电路的第一下输出端口a’相连，前一级下子模块电路的第三下输出端口c’与相邻后一级下子模块化电路的第二下输出端口b’相连，其中第j个下子模块电路的第三下输出端口c’同时与下模块化级联电路组串的第三下端口C’相连。
所述高降压模块化直流电源中上模块化级联电路组串、下模块化级联电路组串、负载和输入源的连接方式为：上模块化级联电路组串的第一上端口A与输入源的正极相连，下模块化级联电路组串的第三下端口C’与输入源的负极相连，上模块化级联电路组串的第二上端口B、下模块化级联电路组串的第一下端口A’与负载的正极共接，上模块化级联电路组串的第三上端口C、下模块化级联电路组串的第二下端口B’与负载的负极共接。电源模块串间的级联方式包含三种：上模块组串级联、下模块组串级联、上模块组串和下模块组串混合级联。
在本发明的一个具体实施中，电源采用上模块组串级联接法时，上子模块级联个数i≥2，下子模块级联个数j＝0；所述电源采用下模块组串级联接法时，下子模块级联个数j≥2，上子模块级联个数i＝0；所述电源采用上模块组串和下模块组串混合级联时，i≥2且j≥2。于一实施例中，电源采用上模块组串和下模块组串混合级联，上下子模块级联个数i＝j且i≥2且j≥2。
电源子模块内所用的开关管可以为全控型功率半导体器件MOSFET或者IGBT。
图7、图8和图9给出了所述电源三种典型的系统连接图。以子模块电路数量为4举例，当所述电源采用上模块组串级联接法时，其系统连接图如图7所示，此时，i＝4，j＝0。当所述电源采用下模块组串级联接法时，其系统连接图如图8所示，此时，i＝0，j＝4。当所述电源采用上模块组串和下模块组串混合级联时，其系统连接图如图9所示，此时，i＝j＝2。
所述电源的每个上/下子模块电路中均包含独立的控制模块，各上/下子模块电路的内部控制器只采样上/下子模块内部电容电压。
所述上子模块电路中控制模块的控制方案为，当上层电容电压U
cn-1大于下层电容电压U
cn-2，比较器输出1，此时用于控制第一开关管Q
n的脉冲信号G
n使能，输出占空比为50％的PWM信号，反之，比较器输出0，G
n输出信号为0，第一开关管Q
n保持关断，
所述下子模块电路中控制模块的控制方案为，当上层电容电压U
cm-1小于下层电容电压U
cm-2，比较器输出1，此时用于控制第二开关管Q
m的脉冲信号G
m使能，输出占空比为50％的PWM信号，反之，比较器输出0，G
m输出信号为0，第二开关管Q
m保持关断。
本发明以上模块化级联电路组串和下模块化级联电路组串混合级联方式且i＝j＝2的直流电源为具体应用实例，拓扑如图9所示，输入侧直流电压为10KV，对该条件下的电路进行了仿真验证。上模块化级联电路组串由上子模块电路1和上子模块电路2构成，下模块化级联电路组串由下子模块电路1和下子模块电路2构成，图10A-10D分别给出了上子模块电路1、上子模块电路2、下子模块电路1、下子模块电路2内控制模块中某段时间电感电流的瞬时值、开关管的驱动信号以及比较器的输出值，其中，黑色实线为比较器输出值，黑色点线为脉冲信号波形，黑色虚线为电感电流瞬时值。由图10A-10D可以看出，各子模块内控制模块独立工作实现开关管的控制，当比较器输出值为1时，脉冲信号为占空比为50％的的PWM信号，电感有电流流过，当脉冲值为1时，开关管导通，当脉冲值为0时，开关管断开；当比较器输出值为0时，脉冲信号为0，电感无电流流过，开关管断开。通过简单的比较器输出控制，各个子模块单元的控制器之间无需通讯和同步，可实现完全独立控制。
当负载变化时，所述电源输入串联电容电压仍然能保证均分。电源拓扑如图9所示且i＝j＝2，图11为输入侧直流电压为2000V时，负载变化过程中电源输入串联电容电压值。t＝[0.1s 0.15s]时，负载电阻为200Ω，t＝[0.15s 0.235s]时，负载电阻减小为100Ω，t＝[0.235s 0.326s]时，负载电阻减小为50Ω，t＝[0.326s 0.5s]时，负载电阻恢复为200Ω。由图11可以看出，即使负载变化时，电源输入串联电容电压均分且恒定为400V左右，符合理论计算值且误差小于0.15％。电源拓扑如图7所示且i＝4，j＝0，图12为输入侧直流电压为2000V时，负载变化过程中电源输入串联电容电压值。t＝[0.1s 0.1725s]时，负载电阻为100Ω，t＝[0.1725s 0.308s]时，负载电阻减小为50Ω，当t＝[0.308s 0.5s]时，负载电阻为200Ω。由图12可以看出，即使负载变化时，电源输入串联电容电压均分且恒定为400V左右，符合理论计算值且误差小于0.25％。所述电源的扩展性强，灵活度高，根据具体应用要求，可增加子模块的数量，从而改变电容电压值。
上述对实施例的描述是为便于本技术领域的普通技术人员能理解和应用本发明。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，并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。因此，本发明不限于上述实施例，本领域技术人员根据本发明的揭示，对于本发明做出的改进和修改都应该在本发明的保护范围之内。
Claims (4)
- 一种高降压模块化直流电源，其特征在于，包括输入源、负载、由i个上子模块电路构成的上模块化级联电路组串、和/或由j个下子模块电路构成的下模块化级联电路组串；所述的上子模块电路包括第一电容、第二电容、第一电感、第一开关管、第一二极管和三个上输出端口；上子模块电路的第一上输出端口、第一电容的正极、以及第一开关管的漏极共接，上子模块电路的第二上输出端口、第一电容的负极、第二电容的正极、以及第一电感的一端共接，上子模块电路的第三上输出端口、第二电容的负极、以及第一二极管的阳极共接，第一开关管的源极、第一电感的另一端、以及第一二极管的阴极共接；所述的下子模块电路包括第三电容、第四电容、第二电感、第二开关管、第二二极管和三个下输出端口；下子模块电路的第一下输出端口、第三电容的正极、以及第二二极管的阴极共接，下子模块电路的第二下输出端口、第三电容的负极、第四电容的正极、以及第二电感的一端共接，下子模块电路的第三下输出端口、第四电容的负极、以及第二开关管的源极共接，第二开关管的漏极、第二电感的另一端、以及第二二极管的阳极共接；所述的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第一上输出端口相连，第二上端口与第i个上子模块电路的第二上输出端口相连，第三上端口与第i个上子模块电路的第三上输出端口相连；所述的i个上子模块电路的内部级联方式为：前一级上子模块电路的第二上输出端口与相邻后一级上子模块电路的第一上输出端口相连，前一级上子模块电路的第三上输出端口与相邻后一级上子模块电路的第二上输出端口相连，其中i为自然数；所述的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第一下输出端口相连，第二下端口与第二个下子模块电路的第一下输出端口相连，第三下端口与第j个下子模块电路的第三下输出端口相连；所述的j个下子模块电路的内部级联方式为：前一级下子模块电路的第二下输出端口与相邻后一级下子模块电路的第一下输出端口相连，前一级下子模块电路的第三下输出端口与相邻后一级下子模块电路的第二下输出端口相连，其中j为自然数；当2≤i且2≤j时，所述的上模块化级联电路组串的第一上端口与输入源的正极相连，下模块化级联电路组串的第三下端口与输入源的负极相连，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一下端口与负载的正极共接，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二下端口与负载的负极共接；当j＝0且2≤i时，所述的上模块化级联电路组串的第一上端口与输入源的正极相连，上模块化级联电路组串的第二上端口与负载的正极相连，上模块化级联电路组串的第三上端口、 负载的负极与输入源的负极共接；当i＝0且2≤j时，所述的下模块化级联电路组串的第三下端口与输入源的负极相连，下模块化级联电路组串的第二下端口与负载的负极相连，下模块化级联电路组串的第一下端口、负载的正极与输入源的正极共接。
- 根据权利要求1所述的高降压模块化直流电源，其特征在于，所述的上子模块电路和下子模块电路中均包含用于控制开关管导通或关断的控制模块。
- 根据权利要求1所述的高降压模块化直流电源，其特征在于，i＝j且i≥2、j≥2。
- 根据权利要求1所述的高降压模块化直流电源，其特征在于，所述的开关管为全控型功率半导体器件。
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