本發(fā)明涉及一種直流-直流變換器，具體是一種自動均流的高自由度dc/dc變換器。

背景技術(shù)：

現(xiàn)有技術(shù)中，關(guān)于應(yīng)用于大容量高功率輸電系統(tǒng)應(yīng)用場合的dc/dc變換器的研究較少，且大多為隔離型變換器，該類變換器一般采用改變中間隔離變壓器匝數(shù)比的方式實(shí)現(xiàn)高增益，由此會帶來的控制策略復(fù)雜，能量傳輸效率不高等缺點(diǎn)使其在諸如海上風(fēng)電等應(yīng)用場合中受到了限制，而且高頻變壓器還存在笨重而占地體積大、投資成本高等缺點(diǎn)，因此迫切需要一種輕便簡單，同時能實(shí)現(xiàn)高增益的大容量dc/dc變換器。目前，針對此問題研究的變換器主要有三種：第一種，是利用開關(guān)諧振電容通過諧振實(shí)現(xiàn)高增益，同時降低功率器件的電壓應(yīng)力，但該方法結(jié)構(gòu)復(fù)雜，所需器件較多。第二種，是利用耦合電感來實(shí)現(xiàn)高增益，但耦合電感的使用不僅會造成開關(guān)器件電壓應(yīng)力過高，而且會引起磁干擾，增加了變換器的工作損耗。同時，上述方案在實(shí)現(xiàn)高增益時還存在輸入相數(shù)擴(kuò)展難度大的問題，特別是各相輸入電流之間均流難度大。第三種，是模塊化多電平技術(shù)，通過子模塊之間的串并聯(lián)實(shí)現(xiàn)高增益，其高度模塊化結(jié)構(gòu)可實(shí)現(xiàn)冗余控制，增強(qiáng)系統(tǒng)可靠性高，但該類變換器通常需要加入復(fù)雜的控制策略。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

針對現(xiàn)有技術(shù)存在的上述不足，本發(fā)明解決現(xiàn)有變換器存在控制策略復(fù)雜難均流，輸入相數(shù)不可調(diào)，器件過多、功率開關(guān)和二極管電壓應(yīng)力過大、能量轉(zhuǎn)換效率降低等問題，提供一種自動均流的高自由度dc/dc變換器。其高自由度表現(xiàn)在該變換器可根據(jù)不用的應(yīng)用場合，調(diào)整不同的輸入相數(shù)和增益單元數(shù)，其自動均流的特征節(jié)省了大量復(fù)雜控制策略的設(shè)計(jì)。

本發(fā)明采取的技術(shù)方案為：

一種自動均流的高自由度dc/dc變換器，該變換器包含m個輸入相數(shù)，n個增益單元，m個功率開關(guān)s1、s2...sm，m個電感l(wèi)1、l2...lm，m·n個電容co、c11、c21、c31...cmn，m·n個二極管do、d11、d21、d31...dmn；

m輸入相數(shù)中,

第一相中第一電感l(wèi)1的輸入端接電源的正極，輸出端接電容c1(n-1)的一端，在第一電感l(wèi)1和電容c1(n-1)的結(jié)點(diǎn)和輸入電源的負(fù)極之間接第一功率開關(guān)s1，第一功率開關(guān)s1源極接輸入電源的負(fù)極，第一功率開關(guān)s1漏極與第一電感l(wèi)1和電容c1(n-1)的結(jié)點(diǎn)相連；

第二相中第二電感l(wèi)2的輸入端接電源的正極，輸出端接電容c2n的一端，在第二電感l(wèi)2和電容c2n的結(jié)點(diǎn)和輸入電源的負(fù)極之間接第二功率開關(guān)s2，第二功率開關(guān)s2源極接輸入電源的負(fù)極，第二功率開關(guān)s2漏極與第二電感l(wèi)2和電容c2n的結(jié)點(diǎn)相連；

以此類推到第m相:

第m相中第m電感l(wèi)m的輸入端接電源的正極，輸出端接電容cmn的一端，在第m電感l(wèi)m和電容cmn的結(jié)點(diǎn)和輸入電源的負(fù)極之間接第m功率開關(guān)sm，第m功率開關(guān)sm源極接輸入電源的負(fù)極，第m功率開關(guān)sm漏極與第m電感l(wèi)m和電容cmn的結(jié)點(diǎn)相連；

n增益單元中，

增益單元n中，第一電感l(wèi)1輸出端接電容c1(n-1)的一端，第二電感l(wèi)2輸出端接電容c2n的一端，以此類推到第m電感l(wèi)m輸出端接電容cmn的一端。二極管d2n的陰極連電容c2n的另一端，陽極連電容c1(n-1)的一端；二極管d3n的陰極連電容c3n的另一端，陽極連電容c2n的另一端,以此類推到二極管dmn的陰極連電容cmn的另一端，陽極連電容c(m-1)n的另一端；

增益單元n-1中，第一電感l(wèi)1輸出端接電容c1(n-1)的一端，電容c2n的另一端接電容c2(n-1)的一端，以此類推到的cmn另一端接電容cm(n-1)的一端。二極管d1(n-1)的陰極連電容c1(n-1)的另一端，陽極連電容cmn的另一端；二極管d2(n-1)的陰極連電容c2(n-1)的另一端，陽極連電容c1(n-1)的另一端,以此類推到二極管dm(n-1)的陰極連電容cm(n-1)的另一端，陽極連電容c(m-1)(n-1)的另一端。

以此類推到增益單元1：

增益單元1中，電容c12的另一端接電容c11的一端，電容c22的另一端接電容c21的一端，以此類推到cm2的另一端接電容cm1的一端。二極管d11的陰極連電容c11的另一端，陽極連電容cm2的另一端；二極管d12的陰極連電容c12的另一端，陽極連電容c11的另一端,以此類推到二極管dm1的陰極連電容cm1的另一端，陽極連電容c(m-1)1的另一端。

最后在電容cm1的另一端引出二極管d0的陽極，二極管d0的陰極與電容c0和負(fù)載rl的一端相連，電容c0和負(fù)載rl的另一端與輸入電源的負(fù)極相連。

一種輸入相數(shù)可調(diào)的高增益dc/dc變換器控制方法，相鄰功率開關(guān)之間采用交錯控制策略；即每相鄰兩相之間開關(guān)驅(qū)動相位相差180°。

本發(fā)明一種自動均流高自由度dc/dc變換器，技術(shù)效果如下：

1、本發(fā)明利用輸入相數(shù)可調(diào)高自由度dc/dc變換器實(shí)現(xiàn)高增益輸出，每增加一輸入相數(shù)或一增益單元數(shù)，均可提高原基礎(chǔ)上數(shù)倍以上基礎(chǔ)增益，輸出電壓與輸入電壓的比值為：

其中d為占空比，m、n分別為輸入相數(shù)與增益單元數(shù)。該變換器與現(xiàn)有技術(shù)相比，不存在耦合電感，不存在變壓器，開關(guān)和二極管電壓應(yīng)力也大大降低，該變換器輸入相數(shù)和增益單元均可調(diào)，應(yīng)用范圍廣泛，更適用于大型高增益場合。

2、該變換器可實(shí)現(xiàn)自動均流，相較于該類其他變換器存在的不均流，每相電流大小不可控，必須增加多個傳感器和控制策略等問題，該變換器在開關(guān)占空比相同時，每相電流都相等。

3、該變換器的高自由度一方面表現(xiàn)在對該變換器電流應(yīng)力的調(diào)節(jié)，它可以根據(jù)不用的應(yīng)用場合，調(diào)整不同的輸入相數(shù)，通過增加輸入相數(shù)分擔(dān)高輸入電流從而能有效降低元器件的電流應(yīng)力；另一方面表現(xiàn)在對該變換器電壓應(yīng)力的調(diào)節(jié)，通過改變增益單元數(shù)能在實(shí)現(xiàn)高升壓的同時有效的降低各個元器件的電壓應(yīng)力。

附圖說明

圖1是本發(fā)明電路原理總圖。

圖2是本發(fā)明電路含有4相輸入相數(shù)2個增益單元時的電路拓?fù)鋱D。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖對本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)說明。

如圖2所示，一種自動均流4相2增益單元dc/dc變換器，它包含3個輸入相，3個增益單元，3個功率開關(guān)s1、s2、s3、s4，4個電感l(wèi)1、l2、l3、l4，8個電容c0、c11、c21、c31、c41、c22、c32、c42其中，12個二極管d0、d11、d21、d31、d41、d22、d23、d24；其中：4個輸入相數(shù)中，

第一相中第一電感l(wèi)1的輸入端接電源的正極，輸出端接電容c11的一端，在第一電感l(wèi)1和電容c11的結(jié)點(diǎn)和輸入電源的負(fù)極之間接第一功率開關(guān)s1，第一功率開關(guān)s1源極接輸入電源的負(fù)極，第一功率開關(guān)s1漏極與第一電感l(wèi)1和電容c11的結(jié)點(diǎn)相連。

第二相中第二電感l(wèi)2的輸入端接電源的正極，輸出端接電容c22的一端，在第二電感l(wèi)2和電容c22的結(jié)點(diǎn)和輸入電源的負(fù)極之間接第二功率開關(guān)s2，第二功率開關(guān)s2源極接輸入電源的負(fù)極，第二功率開關(guān)s2漏極與第二電感l(wèi)2和電容c22的結(jié)點(diǎn)相連。

第三相中第三電感l(wèi)3的輸入端接電源的正極，輸出端接電容c23的一端，在第三電感l(wèi)3和電容c23的結(jié)點(diǎn)和輸入電源的負(fù)極之間接第三功率開關(guān)s3，第三功率開關(guān)s3源極接輸入電源的負(fù)極，第三功率開關(guān)s3漏極與第三電感l(wèi)3和電容c23的結(jié)點(diǎn)相連。

第四相中第四電感l(wèi)4的輸入端接電源的正極，輸出端接電容c24的一端，在第四電感l(wèi)4和電容c24的結(jié)點(diǎn)和輸入電源的負(fù)極之間接第四功率開關(guān)s4，第四功率開關(guān)s4源極接輸入電源的負(fù)極，第四功率開關(guān)s4漏極與第四電感l(wèi)4和電容c24的結(jié)點(diǎn)相連。

n增益單元中，

增益單元2中，第一電感l(wèi)1輸出端接電容c11的一端，第二電感l(wèi)2輸出端接電容c22的一端，第三電感l(wèi)3輸出端接電容c32的一端，第四電感l(wèi)4輸出端接電容c42的一端。二極管d22的陰極連電容c22的另一端，陽極連電容c11的一端；二極管d32的陰極連電容c32的另一端，陽極連電容c22的另一端,二極管d42的陰極連電容c42的另一端，陽極連電容c32的另一端。

增益單元1中，第一電感l(wèi)1輸出端接電容c11的一端，電容c22的另一端接電容c21的一端，電容c32的另一端接電容c31的一端，電容c42的另一端接電容c41的一端。二極管d11的陰極連電容c11的另一端，陽極連電容c42的另一端；二極管d21的陰極連電容c21的另一端，陽極連電容c11的另一端,二極管d31的陰極連電容c31的另一端，陽極連電容c21的另一端,二極管d24的陰極連電容c24的另一端，陽極連電容c13的另一端。

最后在電容c41的另一端引出二極管d0的陽極，二極管d0的陰極與電容c0和負(fù)載rl的一端相連，電容c0和負(fù)載rl的另一端與輸入電源的負(fù)極相連。

根據(jù)功率開關(guān)狀態(tài)的不同，可以將電路分為三種工作狀態(tài)：

(1)、功率開關(guān)均導(dǎo)通，此時輸入電源通過功率開關(guān)s1、s2、s3、s4分別向電感l(wèi)1、l2、l3、l4充電；所有二極管均關(guān)斷。

(2)、控制器控制功率開關(guān)s1、s3關(guān)斷，功率開關(guān)s2、s4導(dǎo)通，此時低壓電源通過電感l(wèi)1、二極管d22、開關(guān)s2向電容c22充電，通過電容c11和二極管d21向電容c21充電，給c11放電；同時低壓電源通過電感l(wèi)3、電容c32、二極管d42、開關(guān)s4向電容c42充電，給c32放電，通過電容c31和二極管d41向電容c41充電，給c31放電；此時第二功率開關(guān)s2和第四功率開關(guān)s4均導(dǎo)通，低壓電源通過功率開關(guān)s2、s4向電感l(wèi)2、l4充電；二極管do、d11、d31、d32均關(guān)斷。

(3)、控制器控制功率開關(guān)s2、s4關(guān)斷，功率開關(guān)s1、s3導(dǎo)通，此時低壓電源通過電感l(wèi)2、電容c22、二極管d32、開關(guān)s3向電容c32充電，給電容c22放電，通過電容c21和二極管d31向電容c31充電，給c21放電；同時低壓電源通過電感l(wèi)4、電容c42、二極管d11、開關(guān)s1向電容c11充電，給c42放電，通過電容c41和二極管do，給c41放電，向電容co充電同時向負(fù)載rl供電；此時第一功率開關(guān)s1和第三功率開關(guān)s3均導(dǎo)通，低壓電源通過功率開關(guān)s1、s3向電感l(wèi)1、l3充電；二極管d21、d41、d22、d42均關(guān)斷。

通過上述工作狀態(tài)，由電容c42、c32、c22的安秒平衡易得：

由上式可得：

il1＝il2＝il3＝il4

通過上述分析，可以看出該變換器實(shí)現(xiàn)了自動均流，且180°相移的并聯(lián)交錯控制方式通過四個輸入電感分擔(dān)輸入電流，在實(shí)現(xiàn)高增益的同時能有效的減小元器件的電流應(yīng)力。

本發(fā)明的上述實(shí)施實(shí)例僅僅是為說明本發(fā)明所作的舉例，而并非是對本發(fā)明的實(shí)施方式的限定。對于所屬領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來說，在上述說明的基礎(chǔ)上還可以做出其他不同形式的變化和變動。這里無法對所有的實(shí)施方式予以窮舉。凡是屬于本發(fā)明的技術(shù)方案,所引申出的顯而易見的變化或變動仍處于本發(fā)明的保護(hù)范圍之列。