專利名稱：共同移相角控制下的輸入并聯(lián)輸出并聯(lián)組合變換器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于電力電子技術(shù)領(lǐng)域，涉及DC/DC變換領(lǐng)域的輸入并聯(lián)輸出并聯(lián)變換器 的相關(guān)技術(shù)，尤其涉及分布式電源的并聯(lián)均流技術(shù)。
背景技術(shù)：
隨著功率等級的增加，變換器的變壓器體積會(huì)跟著增大，并且磁損耗、開關(guān)管的電流 應(yīng)力也會(huì)隨之增大，這就限制了變換器的效率和功率密度。將兩個(gè)及兩個(gè)以上變換器在輸 入端并聯(lián)和輸出端并聯(lián)能降低單個(gè)變換器的功率等級，從而保證單個(gè)變換器工作在較佳狀 態(tài)。另外，各個(gè)變換器之間通常采用交錯(cuò)并聯(lián)方式以減少輸入和輸出的電流紋波，從而減小 輸入和輸出濾波電容的體積。鑒于以上優(yōu)點(diǎn)，輸入并聯(lián)輸出并聯(lián)組合變換器在中大功率DC/ DC變換領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。但是輸入并聯(lián)輸出并聯(lián)組合變換器的各個(gè)變換器之間通常需要采取均流措施，其 目的在于保證變換器間電氣應(yīng)力和熱應(yīng)力的均勻分配。因?yàn)椴⒙?lián)運(yùn)行的各個(gè)變換器特性并 不一致，外特性較好(電壓調(diào)整率小)的變換器會(huì)承擔(dān)更多的電流，甚至過載，而外特性較 差的變換器則運(yùn)行于輕載狀態(tài)，甚至是空載。因此，分擔(dān)電流多的變換器相對于其它變換器 承擔(dān)著更大的電氣應(yīng)力和熱應(yīng)力，容易出故障及老化，從而降低了整個(gè)變換器的可靠性和 效率。目前，均流方法大致分為兩大類下垂法(droop method)和有源均流法(active current sharing method)，但是這些均流方法基本上都需要對每個(gè)變換器單元進(jìn)行電流 采樣，如果采用數(shù)字控制，每增加一個(gè)電流采樣點(diǎn)就需要增加一個(gè)模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)，并且 均流環(huán)的均流性能受到采樣精度限制，即使添加均流環(huán)也不能保證非常好的均流效果，而 且η個(gè)變換器單元的均流環(huán)設(shè)計(jì)比較復(fù)雜?？傊?，添加均流環(huán)降低了組合變換器的功率密 度和可靠性，并增加了成本和加大了控制的復(fù)雜性。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種共同移相角控制、不需要均流環(huán)的輸入并聯(lián)輸出并聯(lián)組合 變換器。為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明所采取的技術(shù)方案是該組合變換器的主電路包括兩個(gè) 以上采用共同移相角控制的移相電路，所述移相電路由一個(gè)帶漏感的變壓器和兩個(gè)橋式電 路構(gòu)成，兩個(gè)所述橋式電路通過所述變壓器連接，各移相電路的輸入端并聯(lián)且各移相電路 的輸出端并聯(lián)。進(jìn)一步地，本發(fā)明所述橋式電路可以為全橋橋式電路，所述變壓器的原邊和副邊 分別串聯(lián)一個(gè)隔直電容。進(jìn)一步地，本發(fā)明所述橋式電路可以為半橋橋式電路，兩個(gè)所述半橋橋式電路與 所述變壓器的同名端連接的橋臂類型相同。進(jìn)一步地，本發(fā)明在每個(gè)所述移相電路中，位于變壓器原邊的半橋橋式電路的由 開關(guān)管構(gòu)成的橋臂中點(diǎn)處連接有電感，所述電感的另一端作為所在移相電路的輸入端的正 極。
與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)是不需要對每個(gè)移相電路單元進(jìn)行電流采樣，不 需要添加均流控制環(huán)，但仍能實(shí)現(xiàn)均流。本發(fā)明的每個(gè)移相電路單元利用各自功率開關(guān)管 的協(xié)調(diào)工作，其輸入和輸出電流具有類似于受控電流源的特性，即在固定的移相角下，輸入 電流正比于輸出電壓，輸出電流正比于輸入電壓，而所述的每個(gè)移相電路在輸入端和輸出 端并聯(lián)，其輸入電壓和輸出電壓相等，因此，在共同移相角控制下，各個(gè)移相電路的輸入電 流相等且各個(gè)移相電路的輸出電流相等，該組合變換器實(shí)現(xiàn)自然均流，不需要添加均流控 制環(huán)，極大地簡化了控制，從而提高了組合變換器的功率密度和可靠性，也降低了成本。另 外，本發(fā)明采用交錯(cuò)并聯(lián)技術(shù)，η個(gè)移相電路單元的驅(qū)動(dòng)信號依次錯(cuò)開360° /n角度，從而 使得輸入和輸出電流紋波減小為原來的1/n，進(jìn)而減小輸入和輸出濾波電容的體積。


圖1為本發(fā)明組合變換器的第一種實(shí)施方式的電路原理圖； 圖2為本發(fā)明組合變換器的第二種實(shí)施方式的電路原理圖3為本發(fā)明組合變換器的第三種實(shí)施方式的電路原理圖； 圖4為本發(fā)明組合變換器單個(gè)移相電路的驅(qū)動(dòng)時(shí)序圖； 圖5為本發(fā)明組合變換器的共同移相角控制示意圖。
具體實(shí)施例方式如圖1所示，作為本發(fā)明的第一種實(shí)施方式，組合變換器的主電路包括兩個(gè)以上 采用共同移相角控制的移相電路，分別為移相電路單元一、移相電路單元二……移相電路 單元η。每個(gè)移相電路由變壓器T、全橋橋式電路Hp和全橋橋式電路Hs構(gòu)成，全橋橋式電路 Hp和全橋橋式電路Hs通過變壓器T連接，變壓器T帶有漏感Lk且變壓器T的原邊和副邊 分別串聯(lián)隔直電容Cp和隔直電容Cs。漏感Lk包含了因變壓器T本身的漏感不夠而另外串 聯(lián)進(jìn)來的電感。變壓器T的一組同名端分別接于全橋橋式電路Hp的一個(gè)橋臂的上功率開 關(guān)管Si、下功率開關(guān)管S2的連接點(diǎn)和全橋橋式電路Hs與之對應(yīng)的移相橋臂的上功率開關(guān) 管S5、下功率開關(guān)管S6的連接點(diǎn)之間；變壓器T的另一組同名端分別接于全橋橋式電路Hp 另一橋臂上功率開關(guān)管S3、下功率開關(guān)管S4的連接點(diǎn)和全橋橋式電路Hs另一橋臂上功率 開關(guān)管S7、下功率開關(guān)管S8的連接點(diǎn)之間。位于變壓器原邊的全橋橋式電路Hp上的兩根 母線引出來作為輸入端。位于變壓器副邊的全橋橋式電路Hs上的兩根母線引出來作為輸 出端。各移相電路的輸入端并聯(lián)且各移相電路的輸出端并聯(lián)。各個(gè)移相電路單元共用輸入 濾波電容和輸出濾波電容。每個(gè)功率開關(guān)管都反并一個(gè)功率二極管功率開關(guān)管Si、功率 開關(guān)管S2、功率開關(guān)管S3、功率開關(guān)管S4、功率開關(guān)管S5、功率開關(guān)管S6、功率開關(guān)管S7、 功率開關(guān)管S8的漏極分別與對應(yīng)的反并二極管D1、反并二極管D2、反并二極管D3、反并二 極管D4、反并二極管D5、反并二極管D6、反并二極管D7、反并二極管D8的陰極相連；功率開 關(guān)管Si、功率開關(guān)管S2、功率開關(guān)管S3、功率開關(guān)管S4、功率開關(guān)管S5、功率開關(guān)管S6、功 率開關(guān)管S7、功率開關(guān)管S8的源極分別與對應(yīng)的反并二極管D1、反并二極管D2、反并二極 管D3、反并二極管D4、反并二極管D5、反并二極管D6、反并二極管D7、反并二極管D8的陽極 相連。每個(gè)橋臂的上、下功率開關(guān)管同向連接，即上、下功率開關(guān)管的漏極在上，源極在下， 上功率開關(guān)管Si、上功率開關(guān)管S3、上功率開關(guān)管S5、上功率開關(guān)管S7的源極分別與下功率開關(guān)管S2、下功率開關(guān)管S4、下功率開關(guān)管S6、下功率開關(guān)管S8的漏極連接。各功率開 關(guān)管的柵極和源極引出來接驅(qū)動(dòng)信號。功率開關(guān)管Si、功率開關(guān)管S4共用驅(qū)動(dòng)信號1，功 率開關(guān)管S2、功率開關(guān)管S3共用驅(qū)動(dòng)信號2，功率開關(guān)管S5、功率開關(guān)管S8共用驅(qū)動(dòng)信號 3，功率開關(guān)管S6、功率開關(guān)管S7共用驅(qū)動(dòng)信號4。本實(shí)施方式相比于第二、第三種實(shí)施方 式，具有的優(yōu)點(diǎn)是在相同的電路參數(shù)和相同的輸入?yún)?shù)下，本實(shí)施方式的單個(gè)移相電路單 元能夠傳輸更大的功率，換種方式說就是，在相同的電路參數(shù)和相同的輸入?yún)?shù)下，實(shí)現(xiàn)同 樣的總輸出功率，本實(shí)施方式所需的移相電路單元數(shù)量更少。如圖2所示，作為本發(fā)明的第二種實(shí)施方式，組合變換器的主電路包括兩個(gè)以上 采用共同移相角控制的移相電路，分別為移相電路單元一、移相電路單元二……移相電路 單元η。每個(gè)移相電路由帶漏感Lk的變壓器Τ、半橋橋式電路Hp和半橋橋式電路Hs構(gòu)成， 半橋橋式電路Hp和半橋橋式電路Hs通過變壓器T連接。漏感Lk包含因變壓器T本身的 漏感不夠而另外串聯(lián)進(jìn)來的電感。兩個(gè)半橋橋式電路與所述變壓器的同名端連接的橋臂類 型相同，即與同名端連接的橋臂必須同為由功率開關(guān)管構(gòu)成的橋臂或同為由電容構(gòu)成的橋 臂。變壓器T的一組同名端分別接于半橋橋式電路Hp上功率開關(guān)管Si、下功率開關(guān)管S2 的連接點(diǎn)和半橋橋式電路Hs上功率開關(guān)管S3、下功率開關(guān)管S4的連接點(diǎn)之間，變壓器T的 另一組同名端分別接于半橋橋式電路Hp的上電容Cl、下電容C2的連接點(diǎn)和半橋橋式電路 Hs的上電容C3、下電容C4的連接點(diǎn)之間。位于變壓器原邊的半橋橋式電路Hp上的兩根母 線引出來作為輸入端。位于變壓器副邊的半橋橋式電路Hs上的兩根母線引出來作為輸出 端。各移相電路的輸入端并聯(lián)且各移相電路的輸出端并聯(lián)。各個(gè)移相電路單元共用輸入 濾波電容和輸出濾波電容。每個(gè)功率開關(guān)管都反并一個(gè)功率二極管功率開關(guān)管Si、功率 開關(guān)管S2、功率開關(guān)管S3、功率開關(guān)管S4的漏極分別與對應(yīng)的反并二極管D1、反并二極管 D2、反并二極管D3、反并二極管D4的陰極相連；功率開關(guān)管Si、功率開關(guān)管S2、功率開關(guān)管 S3、功率開關(guān)管S4的源極分別與對應(yīng)的反并二極管D1、反并二極管D2、反并二極管D3、反并 二極管D4的陽極相連。每個(gè)橋臂的上、下功率開關(guān)管同向連接，即上、下功率開關(guān)管的漏極 在上，源極在下，上功率開關(guān)管Si、上功率開關(guān)管S3的源極分別與下功率開關(guān)管S2、下功率 開關(guān)管S4的漏極連接。每個(gè)橋臂的上、下電容同向連接，即上、下電容的正極在上，負(fù)極在 下，上電容Cl、上電容C3的負(fù)極分別與下電容C2、下電容C4的正極連接。各功率開關(guān)管的 柵極和源極引出來接驅(qū)動(dòng)信號。功率開關(guān)管Sl使用驅(qū)動(dòng)信號1，功率開關(guān)管S2使用驅(qū)動(dòng)信 號2，功率開關(guān)管S3使用驅(qū)動(dòng)信號3，功率開關(guān)管S4使用驅(qū)動(dòng)信號4。本實(shí)施方式相對于第 一種實(shí)施方式，具有的優(yōu)點(diǎn)是不需要隔直電容。如圖3所示，作為本發(fā)明的第三種實(shí)施方式，其實(shí)施方式與第二種實(shí)施方式除了 一點(diǎn)不同外，其它都一樣，這唯一的不同點(diǎn)是對于每個(gè)移相電路而言，在位于變壓器T原 邊的半橋橋式電路Hp中，由功率開關(guān)管構(gòu)成的橋臂的中點(diǎn)處連接有電感L，即該半橋橋式 電路Hp的上功率開關(guān)管Sl和下功率開關(guān)管S2的連接點(diǎn)與電感L的一端連接，電感L的另 一端作為所在移相電路的輸入端的正極。與第二種實(shí)施方式相比，本實(shí)施方式在同樣的電 路參數(shù)和同樣的輸出功率下，輸入電壓減半，所以本實(shí)施方式輸入到輸出的電壓增益是第 二種實(shí)施方式的兩倍。以上三種實(shí)施方式中的功率開關(guān)管一般為金屬氧化物硅場效應(yīng)晶體管(Metal Oxide Semiconductor Field-effect Transistor, MOSFET)或者絕緣柵雙極型晶體管(Insulated Gate Bipolar Transistor, IGBT)。所述功率開關(guān)管及其反并二極管可由獨(dú)立 晶體管和獨(dú)立二極管反并聯(lián)后構(gòu)成，或由內(nèi)部自帶反并二極管的晶體管構(gòu)成。所述第一種 實(shí)施方式中的隔直電容為無極性電容。所述半橋橋式電路中的電容或?yàn)橛袠O性電解電容、 或?yàn)闊o極性電容、或?yàn)閮烧叩慕Y(jié)合使用。需要說明的是，本發(fā)明組合變換器的主電路可以僅由兩個(gè)移相電路構(gòu)成。如圖4所示，本發(fā)明中，每個(gè)移相電路采用移相控制方式，總共使用四組驅(qū)動(dòng)信 號，分別為驅(qū)動(dòng)信號1、驅(qū)動(dòng)信號2、驅(qū)動(dòng)信號3和驅(qū)動(dòng)信號4。驅(qū)動(dòng)信號1和驅(qū)動(dòng)信號2互 補(bǔ)，各導(dǎo)通半個(gè)開關(guān)周期。驅(qū)動(dòng)信號3和驅(qū)動(dòng)信號4互補(bǔ)，各導(dǎo)通半個(gè)開關(guān)周期。驅(qū)動(dòng)信號 3滯后驅(qū)動(dòng)信號1 一個(gè)角度Φ (即移相角Φ )，實(shí)現(xiàn)移相控制。各功率開關(guān)管在以上四組驅(qū) 動(dòng)信號下協(xié)調(diào)工作，使得單個(gè)移相電路的輸入電流和輸出電流具有類似與受控電流源的特 性，輸入電流與移相角Φ和輸出電壓正相關(guān)，輸出電流與移相角Φ和輸入電壓正相關(guān)，當(dāng) 固定移相角Φ時(shí)，輸入電流正比于輸出電壓，輸出電流正比于輸入電壓。如圖5所示，構(gòu)成本發(fā)明的所有η個(gè)移相電路單元(n ^ 2)采用共同移相角控制 方式。η個(gè)移相電路單元共用同一個(gè)輸出電壓反饋信號Vf，所述反饋信號Vf經(jīng)過移相電路 單元各自的移相芯片后，產(chǎn)生各自的驅(qū)動(dòng)信號，再經(jīng)驅(qū)動(dòng)電路放大，最終提供給各自的功率 開關(guān)管，控制功率開關(guān)管的開關(guān)動(dòng)作。由于各個(gè)移相電路單元采用共同移相角控制，則每個(gè) 移相電路單元的移相角Φ相等，并且各個(gè)移相電路在輸入端和輸出端并聯(lián)，其輸入電壓和 輸出電壓相等，再結(jié)合上一段的分析(當(dāng)固定移相角Φ時(shí)，輸入電流正比于輸出電壓，輸出 電流正比于輸入電壓)，可以得到，在共同移相角控制下，本發(fā)明組合變換器各個(gè)移相電路 單元的輸入電流相等且各個(gè)移相電路單元的輸出電流相等，實(shí)現(xiàn)自然均流，不需要添加均 流控制環(huán)，不需要對每個(gè)移相電路單元進(jìn)行電流采樣，從而提高了組合變換器的功率密度 和可靠性。另外同步信號1、同步信號2……同步信號η依次錯(cuò)開1/η個(gè)開關(guān)周期，從而實(shí) 現(xiàn)各個(gè)移相電路驅(qū)動(dòng)信號的交錯(cuò)，進(jìn)而減小輸入和輸出濾波電容的體積。需要說明的是，本發(fā)明組合變換器的能量可以雙向流動(dòng)當(dāng)移相角Φ為正時(shí)，能 量從左向右實(shí)現(xiàn)正向流動(dòng)；當(dāng)移相角Φ為負(fù)時(shí)，能量從右向左實(shí)現(xiàn)反向流動(dòng)。無論能量是 正向流動(dòng)還是反向流動(dòng)，η個(gè)移相電路單元所采用的控制方式都是以上所述的共同移相角 控制方式。
權(quán)利要求
1.一種共同移相角控制下的輸入并聯(lián)輸出并聯(lián)組合變換器，其特征是其主電路包括 兩個(gè)以上采用共同移相角控制的移相電路，所述移相電路由一個(gè)帶漏感的變壓器和兩個(gè)橋 式電路構(gòu)成，兩個(gè)所述橋式電路通過所述變壓器連接，各移相電路的輸入端并聯(lián)且各移相 電路的輸出端并聯(lián)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的共同移相角控制下的輸入并聯(lián)輸出并聯(lián)組合變換器，其特征 是所述橋式電路為全橋橋式電路，所述變壓器的原邊和副邊分別串聯(lián)一個(gè)隔直電容。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的共同移相角控制下的輸入并聯(lián)輸出并聯(lián)組合變換器，其特征 是所述橋式電路為半橋橋式電路，兩個(gè)所述半橋橋式電路與所述變壓器的同名端連接的 橋臂類型相同。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的共同移相角控制下的輸入并聯(lián)輸出并聯(lián)組合變換器，其特征 是在每個(gè)所述移相電路中，位于變壓器原邊的半橋橋式電路的由功率開關(guān)管構(gòu)成的橋臂 的中點(diǎn)處連接有電感，所述電感的另一端作為移相電路的輸入端的正極。
全文摘要
本發(fā)明公開一種共同移相角控制下的輸入并聯(lián)輸出并聯(lián)組合變換器，其主電路包括兩個(gè)以上采用共同移相角控制的移相電路，每個(gè)移相電路由一個(gè)帶漏感的變壓器和兩個(gè)橋式電路構(gòu)成，兩個(gè)橋式電路通過變壓器連接，各移相電路的輸入端并聯(lián)且各移相電路的輸出端并聯(lián)。本發(fā)明在共同移相角控制下，各個(gè)移相電路的輸入電流相等且各個(gè)移相電路的輸出電流相等，實(shí)現(xiàn)自然均流，不需要添加均流控制環(huán)，不需要對每個(gè)移相電路單元進(jìn)行電流采樣，極大簡化了控制，并提高組合變換器的功率密度和可靠性，也降低了成本。
文檔編號H02M3/335GK102064707SQ20111002426
公開日2011年5月18日 申請日期2011年1月21日 優(yōu)先權(quán)日2011年1月21日
發(fā)明者周靈兵, 石健將 申請人:浙江大學(xué)