一种四相并联电容串接式Boost变换器及其均流方法技术

本发明专利技术公开了一种四相并联电容串接式Boost变换器及其均流方法；属于电路电子领域，涉及多相交错并联DC‑DC变换器的均流策略应用，尤其是在分布式新能源发电系统并网变换器的技术领域。该控制方法基于电路拓扑模态，结合中间电容电荷平衡原理，通过调整中间储能电容充电时间与放电时间，使得电感电流大小随之改变，从而实现各相电感电流均分。该均流方法无需额外增加电流传感器、采样电路等反馈，也无需加入额外控制自由量，在原电路的基础上，仅需改变电路开关器件时序，就能实现变换器在全占空比区域内电流共享，从而简化了电路控制，扩大了电路稳定性与应用范围，是一种高性能、低成本的解决方案。

A Four-Phase Shunt Capacitor Series Boost Converter and Its Current Sharing Method

【技术实现步骤摘要】
一种四相并联电容串接式Boost变换器及其均流方法
本专利技术属于电路电子领域，涉及多相交错并联DC-DC变换器的均流策略应用，尤其是在分布式新能源发电系统并网变换器的

技术介绍
现代社会对能源的需求量不断加大，新能源因具有清洁和可再生特性日益受到人们的关注，分布式新能源发电系统是未来智能配用电系统的重要组成部分，对推进节能减排和实现能源可持续发展具有重要意义。由于分布式新能源电源的输出电压较低，开路电压一般不超过50V，为了满足分布式电源接入的需求，需要高增益的DC-DC变换器。但单级式升压变换器最大电压增益一般限制于5-8倍，难以高效率地满足高增益的要求，采用多个电源模块并联运行来提供大功率输出是电源技术发展的一个方向，其系统中每个模块处理较小功率，承受较小的电应力，使得电源保持较高的效率和较快的动态响应。同时，多台开关电源的并联系统的输出功率具有可扩展性，可以通过改变并联模块的数量来满足不同功率的负载，还可以应用冗余技术，提高系统可靠性。分布式新能源发电系统中变换器的并联技术一直都是研究的热点，但由于电路结构、制造工艺、元件容差、环境影响等非理想因素存在，某些模块承受的电压和电流的应力较大，损坏机率上升，可能在工作期间提前饱和引起系统的保护动作，进而导致整个并联系统不能正常工作。所以，变换器模块之间的功率分配一直都是并联技术研究中的重点。电源系统对多相并联变换器基本要求是：(1)各模块承受的电流能自动平衡，实现均流；(2)为提高系统的可靠性，尽可能不增加外部均流控制的措施；(3)当输入电压和/或负载电流变化时，应保持输出电压稳定，并且系统具有良好的的瞬态响应特性。为解决输入电流不均衡对变换器的影响，国内外相关研究者在并联的电源系统中对均流技术的研究通常可分下垂控制法、主从控制法、外部电路控制法、平均电流型自动负载均流法、最大电流型自动均流法、强迫均流法等。下垂控制在小电流时均流效果较差，降低了电源输出的负载特性,以牺牲电流的技术指标来实现；主从控制电压环工作频带宽，易受噪声干扰，且主控单元与各从属单元之间的通讯方式复杂，可靠性仅取决于主控单元；外部电路控制法每个单元需要附加一个电流控制电路，否则会降低单元的技术指标及工作稳定性，不便于维护升级；平均电流法和最大电流法通常要限制最大调节范围，单个模块限流工作异常会引起系统不稳定，同时系统稳定性与负载均流瞬态响应的矛盾很难解决；强迫均流法缺极度依赖监控模块.如果监控模块失效.则无法实现均流效果。可以看出，针对多相并联DC-DC变换器均流处理存在的可靠性低、复杂度高、效率低、成本高等问题，目前尚未提出有效的解决方案。
技术实现思路
为了克服上述技术的不足，本专利技术针对四相并联电容串接式DC-DC变换器不能在全工作区域内均流运行的问题提供了一种无任何外加辅助设备的均流策略，以解决相关技术中的问题。本专利技术提供的技术方案是：在没有内在共享电流的工作区域，基于电路拓扑模态，结合中间电容电荷平衡原理，通过修改相的占空比和相位，改变变换器拓扑工作模态，调整中间储能电容充电时间与放电时间的比例，进而改变各相电流平均值确保输入电流均分，该均流策略完全基于变换器的瞬时占空比，不需要估算相电流，则无需额外增加电流传感器。因而本专利技术技术方案为一种四相并联电容串接式Boost变换器及其均流方法，所述四相并联电容串接式Boost变换器包括：相一电感L1、相一开关管S1、相一二极管D1，相二电感L2、相二开关管S2、相二二极管D2，相三电感L3、相三开关管S3、相三二极管D3，相四电感L4、相四开关管S4、相四二极管D4、中间电容C1、中间电容C2、中间电容C3；相一电感L1一端与电源正极连接，另一端与相一开关管S1源极相连接，相一开关管S1漏极接电源负端、栅极外接S1的驱动信号，同时相一电感L1与相一开关管S1源极共接点处串联相一二极管D1的正端，相一二极管D1负端和中间电容C1正端相连；相二输出电感L2一端连接电源正极后，另一端与相二开关管S2源极相连接，开关管S2源极接输入电源负端、栅极外接S2的驱动信号，相二电感L2与开关管S2漏极共接点与中间电容C1负端相连，C1正端与相一二极管D1负端共接点接相二二极管D2的正端，相二二极管D2的负端与中间电容C2正端相连；相三输出电感L3一端连接电源正极后，另一端与相三开关管S3源极相连接，开关管S3源极接输入电源负端、栅极外接S3的驱动信号，相三电感L3与开关管S3漏极共接点与中间电容C2负端相连，C2正端与相二二极管D2负端共接点接相三二极管D3的正端，相三二极管D3的负端与中间电容C3正端相连；相四输出电感L4一端连接电源正极后，另一端与相四开关管S4源极相连接，开关管S4源极接输入电源负端、栅极外接S4的驱动信号，相四电感L4与开关管S4漏极共接点与中间电容C3负端相连，C3正端与相三二极管D3负端共接点接相四二极管D4的正端，相四二极管D4的负端接输出的正端，输入输出共地；该Boost变换器的均流方法为：当预设占空比区间为(3/4,1]时，相一开关管S1、相二开关管S2、相三开关管S3、相四开关管S4驱动信号相继交错π/4、占空比均为D的PWM信号；当预设占空比区间为(0,3/4]时，根据占空比的不同，将采取均流控制策略：①当预设占空比区间为(5/8,3/4]时，相一开关管S1移相角度为0°，占空比为2D-3/4；相二开关管S2移相角度为π/4，占空比为D；相三开关管S3移相角度为π/2,占空比为D；相四开关管S4移相角度为3π/4，占空比为D；②当预设占空比区间为(2/4,5/8]时，相一开关管S1移相角度为(2D-1/4)π，占空比为1/2；相二开关管S2移相角度为π/4,占空比为D；相三开关管S3移相角度为(2D-3/4)π占空比为5/4-D；相四开关管S4移相角度为3π/4，占空比为D；③当预设占空比区间为(1/4,2/4]时，相一开关管S1移相角度为0°，占空比为D；相二开关管S2移相角度为π/4，占空比调整为D/2+3/8；相三开关管S3移相角度为(3/4-D)π,占空比为1/4+D；相四开关管S4移相角度为3π/4，占空比为1/2；④当预设占空比区间为(0,1/4]时，四相电容串接式交错并联Boost变换器工作在区域四(0，1/4]时，均流策略调整四相开关管导通时序为：相一开关管S1移相角度为0°，占空比为D；相二开关管S2驱动信号在S1关断瞬间导通、即移相角度为Dπ，占空比为1/2；相三开关管S3移相角度为(1/4+D)π,占空比为1/2；相四开关管S4移相角度为3π/4，占空比为1/4+D。在此控制策略下，对于中间电容C1，相一电流il负责放电，相二电流i2负责充电，相一电流i1和相二电流i2对电容作用时间相同，在中间电容C1电荷平衡的作用下，实现相一电流i1和相二电流i2均分；对于中间电容C2，相一电流il和相二电流i2共同负责放电，相三电流i3负责充电，在中间电容C2电荷平衡的作用下选取适当时间比例，实现相三电流i3等于相一电流i1和相二电流i2；对于中间电容C3，相一电流il、相二电流2和相三电流i3共同负责放电，相四电流i4负责充电，在中间电容C3电荷平衡的作用下选取适当时间比例，实本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种四相并联电容串接式Boost变换器及其均流方法，所述四相并联电容串接式Boost变换器包括：相一电感L1、相一开关管S1、相一二极管D1，相二电感L2、相二开关管S2、相二二极管D2，相三电感L3、相三开关管S3、相三二极管D3，相四电感L4、相四开关管S4、相四二极管D4、中间电容C1、中间电容C2、中间电容C3；相一电感L1一端与电源正极连接，另一端与相一开关管S1源极相连接，相一开关管S1漏极接电源负端、栅极外接S1的驱动信号，同时相一电感L1与相一开关管S1源极共接点处串联相一二极管D1的正端，相一二极管D1负端和中间电容C1正端相连；相二输出电感L2一端连接电源正极后，另一端与相二开关管S2源极相连接，开关管S2源极接输入电源负端、栅极外接S2的驱动信号，相二电感L2与开关管S2漏极共接点与中间电容C1负端相连，C1正端与相一二极管D1负端共接点接相二二极管D2的正端，相二二极管D2的负端与中间电容C2正端相连；相三输出电感L3一端连接电源正极后，另一端与相三开关管S3源极相连接，开关管S3源极接输入电源负端、栅极外接S3的驱动信号，相三电感L3与开关管S3漏极共接点与中间电容C2负端相连，C2正端与相二二极管D2负端共接点接相三二极管D3的正端，相三二极管D3的负端与中间电容C3正端相连；相四输出电感L4一端连接电源正极后，另一端与相四开关管S4源极相连接，开关管S4源极接输入电源负端、栅极外接S4的驱动信号，相四电感L4与开关管S4漏极共接点与中间电容C3负端相连，C3正端与相三二极管D3负端共接点接相四二极管D4的正端，相四二极管D4的负端接输出的正端，输入输出共地；该Boost变换器的均流方法为：当预设占空比区间为(3/4,1]时，相一开关管S1、相二开关管S2、相三开关管S3、相四开关管S4驱动信号相继交错π/4、占空比均为D的PWM信号；当预设占空比区间为(0,3/4]时，根据占空比的不同，将采取均流控制策略：①当预设占空比区间为(5/8,3/4]时，相一开关管S1移相角度为0°，占空比为2D‑3/4；相二开关管S2移相角度为π/4，占空比为D；相三开关管S3移相角度为π/2,占空比为D；相四开关管S4移相角度为3π/4，占空比为D；②当预设占空比区间为(2/4,5/8]时，相一开关管S1移相角度为(2D‑1/4)π，占空比为1/2；相二开关管S2移相角度为π/4,占空比为D；相三开关管S3移相角度为(2D‑3/4)π占空比为5/4‑D；相四开关管S4移相角度为3π/4，占空比为D；③当预设占空比区间为(1/4,2/4]时，相一开关管S1移相角度为0°，占空比为D；相二开关管S2移相角度为π/4，占空比调整为D/2+3/8；相三开关管S3移相角度为(3/4‑D)π,占空比为1/4+D；相四开关管S4移相角度为3π/4，占空比为1/2；④当预设占空比区间为(0,1/4]时，四相电容串接式交错并联Boost变换器工作在区域四(0，1/4]时，均流策略调整四相开关管导通时序为：相一开关管S1移相角度为0°，占空比为D；相二开关管S2驱动信号在S1关断瞬间导通、即移相角度为Dπ，占空比为1/2；相三开关管S3移相角度为(1/4+D)π,占空比为1/2；相四开关管S4移相角度为3π/4，占空比为1/4+D。...

【技术特征摘要】
1.一种四相并联电容串接式Boost变换器及其均流方法，所述四相并联电容串接式Boost变换器包括：相一电感L1、相一开关管S1、相一二极管D1，相二电感L2、相二开关管S2、相二二极管D2，相三电感L3、相三开关管S3、相三二极管D3，相四电感L4、相四开关管S4、相四二极管D4、中间电容C1、中间电容C2、中间电容C3；相一电感L1一端与电源正极连接，另一端与相一开关管S1源极相连接，相一开关管S1漏极接电源负端、栅极外接S1的驱动信号，同时相一电感L1与相一开关管S1源极共接点处串联相一二极管D1的正端，相一二极管D1负端和中间电容C1正端相连；相二输出电感L2一端连接电源正极后，另一端与相二开关管S2源极相连接，开关管S2源极接输入电源负端、栅极外接S2的驱动信号，相二电感L2与开关管S2漏极共接点与中间电容C1负端相连，C1正端与相一二极管D1负端共接点接相二二极管D2的正端，相二二极管D2的负端与中间电容C2正端相连；相三输出电感L3一端连接电源正极后，另一端与相三开关管S3源极相连接，开关管S3源极接输入电源负端、栅极外接S3的驱动信号，相三电感L3与开关管S3漏极共接点与中间电容C2负端相连，C2正端与相二二极管D2负端共接点接相三二极管D3的正端，相三二极管D3的负端与中间电容C3正端相连；相四输出电感L4一端连接电源正极后，另一端与相四开关管S4源极相连接，开关管S4源极接输入电源负端、栅极外接S4的驱动信号，相四电感L4与开关管S4漏极共接点与中间电容C3负端相连，C3正端与相三二极管D3负端共接点接相四二极管D4的正端，相四二极管D4的负端接...

【专利技术属性】
技术研发人员：陈章勇，赵玲玲，吴云峰，卢正东，
申请(专利权)人：电子科技大学，
类型：发明
国别省市：四川,51