功率變換裝置及其設置方法與流程
2023-12-04 11:56:41 1
本發明涉及功率變換領域，具體涉及一種功率變換裝置及其設置方法。
背景技術：
隨著功率變換器對功率密度和效率的要求不斷提升，而變換器拓撲技術並未出現大的突破，現有的技術已經滿足不了需求。
單個功率變換器採用兩級結構，功率因數校正(pfc：powerfactorcorrection)單元實現ac-dc預穩壓，dc-dc變換單元將預穩電壓轉換為所需要的輸出電壓。這種方式開關器件應力相對較高，磁件體積也相應較大，在中大功率應用中效率和體積都沒有優勢。為此，通常做法是通過在pfc單元或者dc-dc單元實現多相併聯，可以降低器件應力，磁性器件的體積也有所降低，改善了效率和散熱，同時利用交錯控制降低了輸入和輸出電流紋波。或採用交錯pfc採用耦合電感，dc-dc隔離變壓器採用矩陣變壓器，以上這些現有技術都在一定程度上有助於效率和功率密度的提升，但並不能有效減小磁性器件的體積和開關器件的應力，而且不能實現自動均流，需要增加額外的均流控制，增加了系統的控制複雜度。
技術實現要素：
本發明要解決的主要技術問題是，提供一種功率變換裝置及其設置方法，解決現有功率變換器體積和應力大，控制複雜的問題。
為解決上述技術問題，本發明提供一種功率變換裝置，包括升壓單元，至少兩個功率變換單元；所述功率變換單元的輸入端為雙輸入端，輸出端為雙輸出端；所述升壓單元的輸入端與交流電源的一端連接，輸出端與所述多個功率變換單元中的第一個功率變換單元的其中一個輸入端連接；所述多個功率變換單元中的最後一個功率變換單元的其中一個輸入端與所述交流電源的另一端連接；所述與多個功率變換單元之間的輸入端串聯，輸出端並聯。
在本發明的一種實施例中，所述功率變換單元包括具有雙輸入端和雙輸出端的第一變換子單元以及第二變換子單元；
所述各功率變換單元的第一變換子單元的雙輸出端分別與第二變換子單元的雙輸入端連接；
所述各功率變換單元的第二變換子單元之間的兩輸出端分別並聯；
所述各功率變換單元的第一變換子單元之間的輸入端依次串聯；且第一個功率變換單元的第一變換子單元的其中一個輸入端與所述升壓單元的輸出端連接；最後一個功率變換單元的第一變換子單元的其中一個輸入端與所述交流電源的另一端連接。
在本發明的一種實施例中，所述第一變換子單元為非隔離ac-dc變換子單元或非隔離dc-dc變換子單元，所述第二變換子單元為隔離dc-dc變換子單元。
在本發明的一種實施例中，所述第一變換子單元為非隔離ac-dc變換子單元時，所述非隔離ac-dc變換子單元為h橋電路變換子單元或雙向開關h橋電路變換子單元；
所述第一變換子單元為非隔離dc-dc變換子單元時，所述非隔離dc-dc變換子單元為半橋電路變換子單元；
所述隔離dc-dc變換子單元為llc半橋電路變換子單元或llc全橋電路變換子單元。
在本發明的一種實施例中，所述第一變換子單元為非隔離dc-dc變換子單元時，所述功率變換裝置還包括用於將交流轉變為直流的整流單元，所述第一個功率變換單元的第一變換子單元的輸入端通過所述升壓單元和所述整流單元與所述交流電源的一端連接；所述最後一個功率變換單元的第一變換子單元的輸入端通過所述整流單元與所述交流電源的另一端連接。
在本發明的一種實施例中，所述功率變換單元包括第三變換子單元，所述各功率變換單元的第三變換子單元之間的兩輸出端分別並聯；
所述各功率變換單元的第三變換子單元之間的輸入端依次串聯；且第一個功率變換單元的第三變換子單元的其中一個輸入端與所述升壓單元的輸出端連接；最後一個功率變換單元的第三變換子單元的其中一個輸入端與所述交流電源的另一端連接。
在本發明的一種實施例中，所述第三變換子單元為隔離ac-dc變換子單元。
在本發明的一種實施例中，所述升壓單元包括至少一個電感。
為了解決上述問題，本發明還提供了一種功率變換裝置設置方法，所述功率變換裝置包括升壓單元和至少兩個功率變換單元，所述功率變換單元的輸入端為雙輸入端，輸出端為雙輸出端；所述方法包括：將所述升壓單元的輸入端與交流電源的一端連接，輸出端與所述多個功率變換單元中的第一個功率變換單元的其中一個輸入端連接；將所述多個功率變換單元中的最後一個功率變換單元的其中一個輸入端與所述交流電源的另一端連接；並將所述與多個功率變換單元之間的輸入端串聯，輸出端並聯。
本發明的有益效果是：
本發明提供的功率變換裝置及其設置方法，包括升壓單元，至少兩個功率變換單元；功率變換單元的輸入端具有兩個；升壓單元的輸入端與交流電源的一端連接，輸出端與多個功率變換單元中的第一個功率變換單元的其中一個輸入端連接；多個功率變換單元中的最後一個功率變換單元的其中一個輸入端與交流電源的另一端連接；多個功率變換單元之間的輸入端串聯，輸出端並聯。這樣可以使得開關器件上的電壓應力和電流應力為現有功率變換裝置的1/n倍，從而可降低開關和導通損耗，而且在相同波紋條件下pfc單元輸入電感量大幅下降，進而降低了電感的體積，提升了功率密度，同時該結構還使得本發明的功率變換裝置具備自動均流功能，控制也更為簡單、可靠。
附圖說明
圖1為本發明實施例提供的功率變換裝置結構示意圖一；
圖2為本發明實施例提供的功率變換裝置結構示意圖二；
圖3為本發明實施例提供的功率變換裝置結構示意圖三；
圖4為本發明實施例提供的非隔離ac-dc變換子單元結構示意圖一；
圖5為本發明實施例提供的非隔離ac-dc變換子單元結構示意圖二；
圖6為本發明實施例提供的非隔離ac-dc變換子單元結構示意圖三；
圖7為本發明實施例提供的非隔離ac-dc變換子單元結構示意圖四；
圖8為本發明實施例提供的非隔離dc-dc變換子單元結構示意圖一；
圖9為本發明實施例提供的非隔離dc-dc變換子單元結構示意圖二；
圖10為本發明實施例提供的隔離dc-dc變換子單元結構示意圖一；
圖11為本發明實施例提供的隔離dc-dc變換子單元結構示意圖二；
圖12為本發明實施例提供的隔離dc-dc變換子單元結構示意圖三；
圖13為本發明實施例提供的隔離dc-dc變換子單元結構示意圖四；
圖14為由圖4中的非隔離ac-dc變換子單元和圖12中的隔離dc-dc變換子單元組成的功率變換裝置結構示意圖；
圖15為本發明實施例提供的ac-dc控制時序和電感電流波形示意圖；
圖16為本發明實施例提供的功率變換裝置結構示意圖三。
具體實施方式
本發明通過將功率變換裝置的多個功率變換單元的輸入端串聯，輸出端並聯，可降低開關器件的電壓和電流應力，從而降低其開關和導通損耗，而且在相同紋波條件下pfc單元輸入電感量大幅下降，降低了電感的體積，提升了功率密度，同時這種結構還具備自動均流功能，控制也較為簡單。下面通過具體實施方式結合附圖對本發明作進一步詳細說明。
本實施例所示的功率變換裝置請參見圖1所示，包括升壓單元，至少兩個功率變換單元；該功率變換單元具有兩個輸入端；升壓單元的輸入端與交流電源的一端連接，輸出端與多個功率變換單元中的第一個功率變換單元的其中一個輸入端連接；多個功率變換單元中的最後一個功率變換單元的其中一個輸入端與交流電源的另一端連接；多個功率變換單元之間的輸入端串聯，輸出端並聯；也即本實施例針對交流轉直流這一級，可以使得開關器件上的電壓應力和電流應力為現有功率變換裝置的1/n倍，從而可降低開關和導通損耗，而且在相同波紋條件下pfc單元輸入電感量大幅下降，進而降低了電感的體積，提升功率密度，同時還具備自動均流功能，控制也更為簡單、可靠。
優選的，本實施例中的功率變換單元的輸入端為雙輸入端，輸出端為雙輸出端。
在本實施例的示例一中，功率變換單元包括具有雙輸入端和雙輸出端的第一變換子單元以及第二變換子單元；
各功率變換單元的第一變換子單元的雙輸出端分別與第二變換子單元的雙輸入端連接；
各功率變換單元的第二變換子單元之間的兩輸出端分別並聯；
各功率變換單元的第一變換子單元之間的輸入端依次串聯；且第一個和最後一個功率變換單元的第一變換子單元的其中一個輸入端分別與交流電源的兩端連接。
該示例一中第一個功率變換單元的第一變換子單元的輸入端通過該升壓單元與所述交流電源連接。本示例中的升壓單元的具體可採用各種升壓器件或電路，下面以電感l為例進行示例性說明。
本示例一中的第一變換子單元可為非隔離ac-dc變換子單元或非隔離dc-dc變換子單元，第二變換子單元為隔離dc-dc變換子單元。第一變換子單元為非隔離ac-dc變換子單元時，該非隔離ac-dc變換子單元具體可為h橋電路變換子單元或雙向開關h橋電路變換子單元；第一變換子單元為非隔離dc-dc變換子單元時，該非隔離dc-dc變換子單元為半橋電路變換子單元。
本示例一中的隔離dc-dc變換子單元為llc(logicallinkcontrol：邏輯鏈路控制)半橋電路變換子單元或llc全橋電路變換子單元。
在本示例一中，第一變換子單元為非隔離dc-dc變換子單元時，功率變換裝置還包括整流單元，第一個功率變換單元的第一變換子單元的輸入端通過升壓單元和所述整流單元與交流電源的一端連接；最後一個功率變換單元的第一變換子單元的輸入端通過整流單元與所述交流電源的另一端連接。
下面結合幾種具體的結構對上述示例一中的幾種情況進行進一步說明：
請參見圖2所示，該圖所示的功率變換裝置包括n個功率變換單元，各功率變換單元包括第一變換子單元為非隔離ac-dc變換子單元(即前置預穩壓單元)，第二變換子單元為隔離dc-dc變換子單元，升壓單元為升壓電感，其具體連接方式為：
輸入交流電源(vin)的一端與升壓電感l的一端連接起來，第一個功率變換單元的非隔離ac-dc變換子單元的一端輸入接升壓電感l的另一端，第一個非隔離ac-dc變換子單元的另一個輸入端與第二個非隔離ac-dc變換子單元的其中一個輸入端連接起來，即第一個非隔離ac-dc變換子單元與第二個非隔離ac-dc變換子單元的輸入端是串聯連接的，第二個非隔離ac-dc變換子單元的另一個輸入端與第三個其中一個輸入端連接起來，即第二個非隔離ac-dc變換子單元與第三個非隔離ac-dc變換子單元的輸入端也是串聯連接的，以此類推，第n-1個非隔離ac-dc變換子單元和第n個非隔離ac-dc變換子單元的輸入端也是串聯連接起來的，第n個非隔離ac-dc變換子單元(也即最後一個非隔離ac-dc變換子單元)的另一個輸入端與輸入交流電源的另一端連接起來。每個非隔離ac-dc變換器的輸出電壓信號分別作為每個隔離dc-dc變換子單元的輸入；然後將各隔離dc-dc變換子單元的兩個輸出端分別並聯起來。
請參見圖3所示，該圖所示的功率變換裝置包括n個功率變換單元，各功率變換單元包括第一變換子單元為非隔離dc-dc變換子單元，第二變換子單元為隔離dc-dc變換子單元，升壓單元為升壓電感，還包括輸入整流單元，其具體連接方式為：與圖2不一樣的地方在於將輸入交流電源的兩個輸入端分別連接到整流單元的兩個整流橋臂的中點，然後整流單元的整流橋的一個輸出端與升壓電感l的一端相連，升壓電感l與第一個非隔離dc-dc變換子單元的一輸入端相連，將第一個非隔離dc-dc變換子單元的另一個輸入端與第二個非隔離dc-dc變換子單元的其中一個輸入端相連，第二個非隔離dc-dc變換子單元的另一個輸入端與第三個非隔離dc-dc變換子單元其中一輸入端相連，以此類推，第n-1個非隔離dc-dc變換子單元的一輸入端與第n個非隔離dc-dc變換子單元的一輸入端相連，第n個非隔離dc-dc變換子單元的另一個輸入端與整流單元的整流橋的另一個輸出端相連，即與圖2所示的非隔離ac-dc變換器的輸入端串聯起來一樣，第一個非隔離dc-dc變換子單元的輸入端與第二個非隔離dc-dc變換子單元的輸入串聯起來，以此類推，然後將每個非隔離dc-dc變換子單元的輸出信號送入濾波電容中；後面各隔離dc-dc變換子單元的連接方式與圖2相同，此處不再贅述。
圖2中的非隔離ac-dc變換子單元具體可為h橋電路變換子單元或雙向開關h橋電路變換子單元；下面結合具體的電路結構分別進行示例性的說明。
非隔離ac-dc變換子單元具體為h橋電路變換子單元時，其具體結構一種示例請參見圖4所示，圖中所示的是h橋的電路圖，第一橋臂mos管s1的源極(s)與mos管s2的漏極(d)相連，第二橋臂的二極體d1的陽極與二極體d2的陰極相連，第一橋臂和第二橋臂的中點分別作為ac-dc變換器的兩個輸入端；mos管s1的漏極(d)與d1的陰極和輸出電容的正端相連，作為輸出的正端，mos管s2的源極(s)與二極體d2的陽極和輸出電容c的負端相連，作為輸出的負端。
非隔離ac-dc變換子單元具體為h橋電路變換子單元時，其具體結構的另一種示例請參見圖5所示，該圖所示的也是h橋的電路圖，與圖4所示的區別在於是將二極體d1和d2替換成mos管s3和s4。
非隔離ac-dc變換子單元具體為雙向開關h橋電路變換子單元時，其具體結構一種示例請參見圖6所示，圖中所示的是雙向開關h橋的電路圖，mos管s1的漏極(d)作為一個輸入端，mos管s1的漏極(d)與整流橋的第一橋臂的二極體d1的陽極、二極體d3的陰極相連，mos管s2的漏極(d)作為另一個輸入端，mos管s2的漏極(d)與整流橋的第二橋臂的二極體d2的陽極、二極體d4的陰極相連，mos管的s1源極與mos管s2的源極相連；二極體d1的陰極與二極體d2的陰極和電容c的正端相連，作為輸出的正端，二極體d3的陽極和二極體d4的陰極和電容c的負端相連，作為輸出的負端。
非隔離ac-dc變換子單元具體為雙向開關h橋電路變換子單元時，其具體結構的另一種示例請參見圖7，mos管s1的漏極(d)和s2的漏極(d)分別作為兩個輸入端，mos管s1的源極(s)與mos管s2的源極(s)相連，s1的漏極(d)與mos管s3的源極(s)和mos管s4的漏極(s)相連，mos管s2的漏極(d)與電容c1的負端和電容c2的正端相連，mos管s3的漏極(d)與電容c1的正端和電容c的正端相連，作為輸出的正端，mos管s4的源極(s)與電容c2的負端和電容c的負端相連，作為輸出的負端。
圖3中的非隔離dc-dc變換子單元具體可為半橋電路變換子單元，其具體結構的一種示例請參見圖8所示，它包括兩個mos管s1和s2，輸出濾波電容c。mos管s1的漏極(d)和mos管s2的源極(s)作為一個輸入端，mos管s2的漏極(d)與輸出濾波電容c的正端相連，作為輸出的正端，mos管s1的源極(s)和輸出濾波電容c的負端相連，作為輸出的負端。
圖3中的非隔離dc-dc變換子單元具體可為半橋(theboostconverter)電路變換子單元，其具體結構的另一種示例請參見圖9所示，該圖與圖8不同的地方就是將圖8中的mos管s2換成二極體d1，mos管s1的漏極和二極體d1的陽極相連，二極體d1的陰極與輸出濾波電容c的正端相連，作為輸出的正端，其他連接方式與圖8一樣。
圖3中的隔離dc-dc變換子單元具體可為llc半橋電路變換子單元或llc全橋電路變換子單元；為llc半橋電路變換子單元時，其具體結構的一種示例請參見圖10所示：mos管的s1的漏極(d)和電容c1的一端相連作為其中一個輸入端，mos管的s2的源極(s)和電容c2的一端相連作為另一個輸入端，mos管s1的源極(s)與mos管s2的漏極(s)和電感l的一端相連，電感l的另一端與變壓器t原邊的一端相連，變壓器t原邊的另一端與電感l的另一端相連。變壓器t的副邊的一端與二極體d3的陽極和二極體d5的陰極相連，二極體d3和d5串聯構成一個整流橋臂，變壓器t的副邊的另一端與二極體d4的陽極和d6的陰極相連，二極體d4和d6串聯起來構成另外一個整流橋臂。二極體d3的陰極與二極體d4的陰極和輸出濾波電容c的正端相連，作為輸出電壓的正端，二極體d5的陽極與二極體d6的陽極和輸出濾波電容c的負端相連，作為輸出電壓的負端。
圖3中的隔離dc-dc變換子單元具體可為llc半橋電路變換子單元時，其具體結構的另一種示例請參見圖11所示，該圖與圖10所示的基本相同，區別僅在於在電容c1和c2分別增加並聯的鉗位二極體d1和d2，進行過壓保護。
圖3中的隔離dc-dc變換子單元具體可為llc半橋電路變換子單元時，其具體結構的另一種示例請參見圖12所示，該電路與圖11的區別在於將變壓器t副邊所連接的兩個整流橋臂上的四個二極體d3、d4、d5和d6替換成mos管s3、s4、s5和s6。
圖3中的隔離dc-dc變換子單元具體可為llc全橋電路變換子單元時，其具體結構的一種示例請參見圖13所示，mos管s1的漏極(d)和mos管s3的漏極(d)相連作為正輸入端，mos管s2的源極和mos管s4的源極相連作為負輸入端，mos管s1的源極(s)與mos管s2的漏極(d)和電感l的一端相連，s1和s2串聯構成一個橋臂，mos管s3的源極(s)與mos管s4的漏極和變壓器t原邊的一端相連，s3和s4串聯起來形成一起橋臂，電感l的另一端與電容c1的一端相連，電容c1的另一邊與變壓器t原邊的另一端相連，即電感l、電容c1和變壓器t的原邊串聯連接。變壓器t的副邊的一端與mos管s5的源極(s)和mos管s7的漏極(d)相連，s5和s7串聯連接形成輸出整流的一個橋臂，變壓器t的副邊的另一端與mos管s6的源極(s)和mos管s8的漏極(d)相連，s6和s8串聯連接形成輸出整流的另一個橋臂，s5的漏極與s6的漏極和輸出濾波電容c的正端相連，作為輸出電壓的正端，s7的源極與s8的源極和輸出濾波電容c的負端相連，作為輸出電壓的負端。
請參見圖14所示，該圖所示為採用圖5所示的非隔離ac-dc變換子單元和圖13所示的隔離dc-dc變換子單元按照圖3所示的連接方式進行連接後得到的功率變換裝置的一種結構示例圖。應當理解的是，圖4-13所示的ac-dc變換子單元和dc-dc變換子單元可以根據實際需要按照圖2或圖3所示的連接方式進行組合連接得到功率變換裝置，這些組合方式都在本發明的範圍之內；且應當理解的是，本發明並不僅局限於上述圖4-13所示的ac-dc、dc-dc變換子單元的實現電路；除了上述幾種電路原理的ac-dc和dc-dc變換子單元，其他電路原理的ac-dc和dc-dc變換子單元也都在本發明範圍內。
請參見圖15所示，該圖所示為ac-dc變換子單元控制時序圖和電感電流波形。圖中的scell1、scell2、…scelln為圖2中所對應的每個ac-dc變換器的控制波形，il為電感電流波形。
在本實施例的示例二中，功率變換單元包括第三變換子單元，各功率變換單元的第三變換子單元之間的兩輸出端分別並聯；各功率變換單元的第三變換子單元之間的輸入端依次串聯；且第一個和最後一個功率變換單元的第三變換子單元的其中一個輸入端分別與交流電源的兩端連接。
在示例二中，第一個功率變換單元的第三變換子單元的輸入端通過升壓單元與交流電源連接；具體的，第三變換子單元可為隔離ac-dc變換子單元；具體請參見圖16所示，該圖所示的功率變換裝置所示的是採用單極隔離ac-dc變換子單元，由輸入交流電源、升壓電感l和隔離ac-dc變換子單元組成。其中輸入電流電源的一端與升壓電感l的一端相連，升壓電感l的另一端與第一個單極隔離ac-dc變換子單元的一個輸入端相連，第一個單極隔離ac-dc變換子單元的另一個輸入端與第二個單極隔離ac-dc變換子單元的一個輸入端相連，以此類推，第n-1個單極隔離ac-dc變換子單元的另一個輸入端與第n個單極隔離ac-dc變換子單元的一個輸入端相連，第n個單極隔離ac-dc變換子單元另一個輸入端與輸入交流電源的另一端相連，即n個單極隔離ac-dc變換子單元的輸入串聯連接，然後n個變換器的輸出並聯連接。
上述示例中的升壓單元都僅是以一個升壓電感為例進行說明。應當理解的是，本發明中的升壓電感也可以一分為二或者分成更多串聯在輸入迴路當中。
以上內容是結合具體的實施方式對本發明所作的進一步詳細說明，不能認定本發明的具體實施只局限於這些說明。對於本發明所屬技術領域的普通技術人員來說，在不脫離本發明構思的前提下，還可以做出若干簡單推演或替換，都應當視為屬於本發明的保護範圍。