一種多輸入高增益DC/DC變換器的製作方法

2023-07-04 03:50:37 3

本發明涉及一種直流-直流變換器，具體涉及一種多路輸入的高增益DC/DC變換器。

背景技術：

日前，世界能源形勢緊張，傳統的化石能源日益枯竭，並且，因此而造成的環境壓力也日益增大。針對這種狀況，可再生能源以其安全、清潔、永續的特點逐步取代傳統能源，而可再生能源發電系統通常需要多個發電單元組成，所需要的變換器數量也會增加。因此，在實現高增益的同時，為了簡化電路結構、降低系統成本，研究多輸入高增益DC/DC變換器對於實現高增益和變換器均流具有重要意義。

目前，實現高增益的變換器主要有三種：第一種，是利用開關電容在升壓的同時降低功率器件的電壓應力，如MMC技術，但該方法結構複雜，所需器件較多。第二種，是藉助於變壓器，在直流—直流的變換器中間加入一個高頻變壓器，通過增加變壓器的變比來實現高增益，因此，該變換器由原來的直流—直流變為直流—交流—交流—直流變換器，降低了能量的轉換效率。第三種，是利用耦合電感來實現高增益，但耦合電感的使用不僅會造成開關器件電壓應力過高，而且會引起磁幹擾，增加了變換器的工作損耗。

現有多輸入DC/DC變換器大多是在基本的變換器基礎上進行埠改進，難以實現高增益且各輸入端電流難以控制，需要複雜的輔助電路和控制電路。

技術實現要素：

為解決現有技術中變換器存在高增益與多路輸入難以同時實現、各路輸入電流難以控制等問題。本發明提供一種多路輸入的高增益DC/DC變換器，該變換器根據不用的應用場合，可以調整輸入埠數，且每一路輸入電流和輸出電壓均可控。與傳統接入多個變換器的方式相比，降低了電路複雜度，同時大大的降低了成本。

本發明採取的技術方案為：

一種多路輸入的高增益DC/DC變換器，該變換器包含m個輸入端，n個增益單元，m個功率開關S1、S2...Sm，m個電感L1、L2...Lm，n(m-1)+1個電容C0、C11、C12、C13...Cn,m-1，n(m-1)+1個二極體D0、D11、D12、D13、Dn,m-1；

m個輸入端中，

第一電感L1的輸入端接輸入電源1的正極，第一電感L1的輸出端接電容C11的一端，在第一電感L1和電容C11的結點和輸入電源1的負極之間接第一功率開關S1，第一功率開關S1源極接輸入電源1的負極，第一功率開關S1漏極與第一電感L1和電容C11的結點相連；

第二電感L2的輸入端接輸入電源2的正極，第二電感L2的輸出端接電容C12的一端，在第二電感L2和電容C12的結點和輸入電源2的負極之間接第二功率開關S2，第二功率開關S2源極接輸入電源2的負極，第二功率開關S2漏極與第二電感L2和電容C12的結點相連；

以此類推到第m-1相：

第m-1電感Lm-1的輸入端接輸入電源m-1的正極，第m-1電感Lm-1的輸出端接電容C1，m-1的一端，在第m-1電感L1，m-1和電容C1，m-1的結點和輸入電源m-1的負極之間接第m-1功率開關Sm-1，第m-1功率開關Sm-1源極接輸入電源m-1的負極，第m-1功率開關Sm-1漏極與第m-1電感L1，m-1和電容C1，m-1的結點相連；

第m電感Lm的輸入端接輸入電源m的正極，第m電感Lm的輸出端接電容C2,m-1的一端，在第m電感Lm和電容C2，m-1的結點和輸入電源m的負極之間接第m功率開關Sm，第m功率開關Sm源極接輸入電源m的負極，第m功率開關Sm漏極與第m電感Lm和電容C2，m-1的結點相連；

n個增益單元中，

增益一單元中，第一電感L1輸出端接電容C11的一端，第二電感L2第一電感L1輸出端接電容C12的一端...第m-1電感Lm-1輸出端接電容C1，m-1的一端。二極體D11的陰極連電容C11的另一端，陽極連電容C12的另一端；二極體D12的陰極連電容C12的另一端，陽極連電容C13的另一端...二極體D1，m-2的陰極連電容C1，m-2的另一端，陽極連電容C1，m-1的另一端，二極體D1，m-1的陰極連電容C1，m-1的另一端，陽極連電容C2，m-1的一端。由C11的另一端引出二極體D2，m-1給電容C2，m-1充電，二極體D2，m-1陽極連C11的另一端，陰極連C2，m-1的另一端；

增益二單元中，電容C21的一端接電容C12的另一端，電容C22的一端接電容C13的另一端...電容C2,m-2的一端接電容C1,m-1的另一端。二極體D21的陰極連電容C21的另一端，陽極連電容C22的另一端；二極體D22的陰極連電容C22的另一端，陽極連電容C23的另一端...二極體D2，m-2的陰極連電容C2，m-2的另一端，陽極連電容C2，m-1的另一端，二極體D2，m-1的陰極連電容C2，m-1的另一端，陽極連電容C3，m-1的一端。由C21的另一端引出二極體D3，m-1給電容C3，m-1充電，二極體D3，m-1陽極連C21的另一端，陰極連C3，m-1的另一端。

增益三單元中，電容C31的一端接電容C22的另一端，電容C32的一端接電容C23的另一端...電容C3,m-2的一端接電容C2,m-1的另一端。二極體D31的陰極連電容C31的另一端，陽極連電容C32的另一端；二極體D32的陰極連電容C32的另一端，陽極連電容C33的另一端...二極體D3，m-2的陰極連電容C3，m-2的另一端，陽極連電容C3，m-1的另一端，二極體D3，m-1的陰極連電容C3，m-1的另一端，陽極連電容C4，m-1的一端。由C31的另一端引出二極體D4，m-1給電容C4，m-1充電，二極體D4，m-1陽極連C31的另一端，陰極連C4，m-1的另一端；

以此類推到n增益單元：

增益n單元中，電容Cn，1的一端接電容Cn-1，2的另一端，電容Cn，2的一端接電容Cn-1，3的另一端...電容Cn,m-2的一端接電容Cn-1,m-1的另一端。二極體Dn,1的陰極連電容Cn,1的另一端，陽極連電容Cn,2的另一端；二極體Dn,2的陰極連電容Cn,2的另一端，陽極連電容Cn,3的另一端...二極體Dn，m-2的陰極連電容Cn-1，m-2的另一端，陽極連電容Cn，m-1的另一端。

最後在電容Cn，1的另一端引出二極體D0的陽極，二極體D0的陰極與電容C0的一端相連，電容C0的另一端與所有輸入電源的負極相連。

一種多路輸入的高增益DC/DC變換器控制方法，控制方式為：各相功率開關採用交錯控制策略；即每相開關驅動相位之間相差360°/n。

一種多路輸入的高增益DC/DC變換器控制方法，控制方式為：相鄰功率開關之間採用交錯控制策略；即每相鄰兩相之間開關驅動相位相差180°。

本發明一種多路輸入的高增益DC/DC變換器，技術效果如下：

1：本發明輸入埠數和增益單元數均可調，根據實際需求每增加一路輸入或一個增益單元數，均可提高原基礎上1倍以上基礎增益，輸出電壓與輸入電壓的比值為：

其中D為佔空比，m、n分別為輸入埠數與增益單元數。該變換器與現有技術相比，不存在耦合電感，不存在變壓器，開關和二極體電壓應力也大大降低，該變換器輸入埠數和增益單元均可調，應用範圍廣泛，更適用於大型高增益場合。

2：該變換器根據不用的應用場合，可以調整輸入埠數，且每一路輸入電流和輸出電壓均可控。與傳統接入多個變換器的方式相比，降低了電路複雜度，同時大大的降低了成本。

附圖說明

圖1是本發明電路原理總圖。

圖2是本發明電路含有3相獨立輸入埠及3個增益單元時的電路拓撲圖。

具體實施方式

下面結合附圖對本發明作進一步詳細說明。

實施實例1：如圖2所示，一種三相輸入高增益升壓變換器，它包含3個獨立的輸入埠，3個增益單元，3個功率開關S1、S2、S3，3個電感L1、L2、L3，7個電容C0、C11、C12、C21、C22、C31、C32、其中，7個二極體D0、D11、D12、D21、D22、D31、D32；

其中：3個輸入埠中：

第一電感L1的輸入端接輸入電源1的正極，輸出端接電容C11的一端，在第一電感L1和電容C11的結點和輸入電源1的負極之間接第一功率開關S1，第一功率開關S1源極接輸入電源1的負極，第一功率開關S1漏極與第一電感L1和電容C11的結點相連。

第二電感L2的輸入端接輸入電源的正極，輸出端接電容C12的一端，在第二電感L2和電容C12的結點和輸入電源2的負極之間接第二功率開關S2，第二功率開關S2源極接輸入電源2的負極，第二功率開關S2漏極與第二電感L2和電容C12的結點相連。

第三電感L3的輸入端接輸入電源3的正極，輸出端接電容C22的一端，在第三電感L3和電容C22的結點和輸入電源3的負極之間接第三功率開關S3，第三功率開關S3源極接輸入電源3的負極，第三功率開關S3漏極與第三電感L3和電容C22的結點相連。

3縱向增益單元中，

增益一單元中，第一電感L1輸出端接電容C11的一端，第二電感L2第一電感L1輸出端接電容C12的一端，第三電感L3輸出端接電容C22的一端。二極體D11的陰極連電容C11的另一端，陽極連電容C12的另一端；二極體D12的陰極連電容C12的另一端，陽極連電容C22的一端。由C11的另一端引出二極體D22給電容C22充電，二極體D22陽極連C11的另一端，陰極連C22的另一端。

增益二單元中，電容C21的一端接電容C12的另一端，電容C22的一端接第三電感L3的輸出端，二極體D21的陰極連電容C21的另一端，陽極連電容C22的另一端；二極體D22的陰極連電容C22的另一端，陽極連電容C32的一端。由C21的另一端引出二極體D32給電容C32充電，二極體D32陽極連C21的另一端，陰極連C32的另一端。

增益三單元中，電容C31的一端接電容C22的另一端，二極體D31的陰極連電容C31的另一端，陽極連電容C32的另一端。

最後在電容C31的另一端引出二極體D0的陽極，二極體D0的陰極與電容C0的一端相連，電容C0的另一端與所有輸入電源的負極相連。

控制方式為各相功率開關採用交錯控制策略；即每相開關驅動相位之間相差120°，根據功率開關狀態的不同，可以將電路分為4種工作狀態：

(1)控制器控制第一功率開關S1關斷，第二功率開關S2和第三功率開關S3導通，此時可再生能源發電單元1通過電感L1、給電容C11放電，通過二極體D22向電容C22充電，給電容C32放電，再通過二極體D31向電容C31充電；此時第二功率開關S2和第三功率開關S3均導通，可再生能源發電單元2和可再生能源發電單元3分別通過功率開關S2、S3向電感L2、L3充電；二極體D0、D11、D12、D21、D32均關斷。

(2)控制器控制第二功率開關S2關斷，第一功率開關S1和第三功率開關S3導通，此時可再生能源發電單元2通過電感L2、給電容C12放電，再通過二極體D11給電容C11充電，給電容C21放電，通過二極體D32向電容C32充電；此時第一功率開關S1和第三功率開關S3均導通，可再生能源發電單元1和可再生能源發電單元3分別通過功率開關S1、S3向電感L1、L3充電；二極體D0、D12、D21、D22、D31均關斷。

(3)控制器控制第三功率開關S3關斷，第一功率開關S1和第二功率開關S2導通，此時可再生能源發電單元3通過電感L3和二極體D12向電容C12充電、給電容C22放電，通過二極體D21向電容C21充電，給電容C31放電，再通過二極體D0向高壓直流母線供電；此時第一功率開關S1和第二功率開關S2均導通，可再生能源發電單元1和可再生能源發電單元2分別通過功率開關S1、S2向電感L1、L2充電；二極體D11、D22、D31、D32均關斷。

(4)功率開關均導通，此時可再生能源發電單元1、可再生能源發電單元2、可再生能源發電單元3分別通過功率開關S1和功率開關S2功率開關S3分別向電感L1和電感L2電感L3充電；二極體D0、D11、D12、D21、D22、D31、D32均關斷。

實施例2：

如圖2所示,其多路輸入高增益升壓電路的連接關係與實施例1相同，但控制方式有所改變，其控制方式為相鄰功率開關之間採用交錯控制策略；即每相鄰兩相之間開關驅動相位相差180°。根據功率開關狀態的不同，可以將電路分為3種工作狀態：

(1)功率開關均導通，此時可再生能源發電單元1、可再生能源發電單元2、可再生能源發電單元3分別通過功率開關S1和功率開關S2功率開關S3分別向電感L1和電感L2電感L3充電；二極體D0、D11、D12、D21、D22、D31、D32均關斷。

(2)控制器控制第二功率開關S2關斷，第一功率開關S1和第三功率開關S3導通，此時可再生能源發電單元2通過電感L2、給電容C12放電，再通過二極體D11和二極體D32分別向電容C11和電容C32充電；同時給電容C21放電，通過二極體D32和二極體D31分別向電容C32和電容C31充電；此時第一功率開關S1和第三功率開關S3均導通，可再生能源發電單元1和可再生能源發電單元3分別通過功率開關S1、S3向電感L1、L3充電；二極體D0、D12、D21均關斷。

(3)控制器控制第一功率開關S1和第三功率開關S3關斷，第二功率開關S2導通，此時可再生能源發電單元1通過電感L1、給電容C12和電容C32放電，同時可再生能源發電單元3通過電感L3給電容C22和C31放電，分別通過二極體D12、二極體D21向電容C12、電容C21充電，同時通過二極體D0向高壓直流母線供電；此時第一功率開關S1和第三功率開關S3均導通，可再生能源發電單元2通過功率開關S2向電感L2充電；二極體D0、D11、D22、D31、D32均關斷。

本發明的實施實例僅僅是為說明本發明所作的舉例，而並非是對本發明的實施方式的限定。對於所屬領域的普通技術人員來說，在上述說明的基礎上還可以做出其他不同形式的變化和變動。這裡無法對所有的實施方式予以窮舉。凡是屬於本發明的技術方案,所引申出的顯而易見的變化或變動仍處於本發明的保護範圍之列。