一种多相自均流高增益直流变换器及其控制策略制造技术

本发明专利技术涉及一种多相自均流高增益直流变换器及其控制策略，包括输入电源、M个升压电感、M个上臂开关管、M个下臂开关管，M‑1个开关电容，以及负载、滤波电容，构成M个输入相数和M‑1个开关电容网络；本直流变换器采用的控制策略为：将直流变换器各上臂开关管与所对应的下臂开关管设置为互补开通；通过驱动信号将下臂开关管的占空比设置在0.5≤D

【技术实现步骤摘要】
一种多相自均流高增益直流变换器及其控制策略
本专利技术涉及直流变换器领域，特别涉及用于光伏新能源、燃料电池以及新能源汽车电驱动系统的多相自均流高增益直流变换器及其控制策略。
技术介绍
随着传统能源日益消耗以及由此带来环境污染问题，人类对新能源的利用开发已是迫在眉睫。太阳能和氢能作为两种重要新能源，其主要利用方式为光伏发电和燃料电池发电。然而，光伏、燃料电池产生的直流输出电压较低，很难被直接利用，往往需要高效高增益DC/DC变换器将其电压提升到所需要的电压等级，特别是在储能系统中，往往需要可能能量双向流动的的DC/DC变换器。一般而言，双向高增益DC/DC变换器可分为隔离型和非隔离型两种，对于隔离型双向高增益DC/DC变换器易通过变压器匝数比来实现较高的电压增益，但是由于隔离变压器的存在使得变换器体积较大、成本高和磁通易饱和等问题。非隔离型双向高增益DC/DC变换器根据其升压原理不同一般可以分成级联型、开关电容型、耦合电感型、交错并联型等几种形式。其中，交错并联型双向高增益DC/DC变换器采用传统的交错移相控制方式，将导致各相电流随着相数的增加而只能在有限的占空比范围内实现自动均流，这大大地减低了该类变换器的应用范围。因而，研究出一种多相自均流高增益直流变换器及其控制策略具有重要意义。
技术实现思路
本专利技术的目的之一是针对现有技术的不足，提供一种多相自均流高增益直流变换器，其能减小直流变换器的体积，降低元器件的使用成本。本专利技术的另一目的是针对现有技术的不足，提供一种多相自均流高增益直流变换器的控制策略，其能实现各相的自动均流，以及实现高增益的输出电压与输入电压的电压增益。本专利技术的第一目的的技术方案是：一种多相自均流高增益直流变换器，包括输入电源、M个升压电感、M个上臂开关管、M个下臂开关管、M-1个开关电容，以及负载、滤波电容，构成M个输入相数和M-1个开关电容网络；所述M个输入相数中，M个升压电感的输入端与输入电源的正极连接，M个下臂开关管的源极与输入电源的负极连接，其中，第一相的第一电感的输出端连接第一下臂开关管的漏极，第二相的第二电感的输出端连接第二下臂开关管的漏极，第三相的第三电感的输出端连接第三下臂开关管的漏极，以此类推，第M相的第M电感的输出端连接第M下臂开关管的漏极；所述M-1个开关电容网络中，所述M个上臂开关管中的第一上臂开关管的源极与第一电感的输出端相连，第一上臂开关管的漏极与第二上臂开关管的源极连接，第一上臂开关管的漏极和第二上臂开关管的源极之间的结点连接第一开关电容的一端，第一开关电容的另一端连接第二电感的输出端，通过第一上臂开关管、第二上臂开关管和第一开关电容构成第一开关电容网络；所述第二上臂开关管的漏极与第三上臂开关管的源极连接，第二上臂开关管的漏极和第三上臂开关管的源极之间的结点连接第二开关电容的一端，第二开关电容的另一端连接第三电感的输出端，通过第二上臂开关管、第三上臂开关管和第二开关电容构成第二开关电容网络；所述第三上臂开关管的漏极与第四上臂开关管的源极连接，第三上臂开关管的漏极和第四上臂开关管的源极之间的结点连接第三开关电容的一端，第三开关电容的另一端连接第四电感的输出端，通过第三上臂开关管、第四上臂开关管和第三开关电容构成第三开关电容网络；以此类推，所述M个上臂开关管中的第M-1上臂开关管的漏极与第M上臂开关管的源极连接，第M-1上臂开关管的漏极和第M上臂开关管的源极之间的结点连接第M-1开关电容的一端，第M-1开关电容的另一端连接第M电感的输出端，通过第M-1上臂开关管、第M上臂开关管和第M-1开关电容构成第M-1开关电容网络，由此构成M-1个开关电容网络；各上臂开关管、下臂开关管的栅极分别连接驱动信号，所述滤波电容的一端连接第M上臂开关管的漏极，另一端连接输入电源的负极，所述负载并联在滤波电容的两端。各下臂开关管并联一续流二极管，所述续流二极管的正极连接下臂开关管的源极，负极连接下臂开关管的漏极。各上臂开关管并联一续流二极管，所述续流二级管的正极连接上臂开关管的源极，负极连接上臂开关管的漏极。采用上述技术方案的有益效果：本直流变换器中，不存在耦合电感和变压器，从而可以降低直流变换器的体积和成本。上臂开关管作为本直流变换器中的同步整流管，使本直流变换器可以实现能量的双向流动，且可以提高本直流变换器的效率。所述下臂开关管分别并联一续流二极管，所述续流二极管的正极连接下臂开关管的源极，负极连接下臂开关管的漏极，在下臂开关管关断时，该续流二极管可以实现电流的续流功能，起到保护下臂开关管的作用，保证下臂开关管的可靠性。所述上臂开关管分别并联一续流二极管，所述续流二级管的正极连接上臂开关管的源极，负极连接上臂开关管的漏极，在上臂开关管关断时，该续流二极管可以实现电流的续流功能，起到保护上臂开关管的作用，保证上臂开关管的可靠性。本专利技术的另一目的的技术方案是：设计本直流变换器的控制策略为：将直流变换器各上臂开关管与所对应的下臂开关管设置为互补开通；其中通过驱动信号将下臂开关管的占空比设置在0.5≤D<1范围内，且所有下臂开关管设置的占空比相同；并且相邻下臂开关管采用交错控制策略，使任意相邻的两相下臂开关管的驱动信号相位差在[2π(1-D),2πD]范围内，其中D为占空比；本直流变换器即可实现自动均流，以及高电压增益。所述下臂开关管和上臂开关管均设置有死区时间，防止对应的上下臂开关管同时导通。所述直流变换器的电压增益为K＝M/(1-D)，式中M为输入相数，D为占空比。所述直流变换器实现了自动均流，即各相均分了输入电流，每相电流均为I＝Io/(1-D)，式中Io为输出电流，D为占空比。采用上述技术方案的有益效果：通过驱动信号将下臂开关管的占空比设置在0.5≤D<1范围内，即将下臂开关管作为主开关管，并且相邻下臂开关管采用交错控制策略，使任意相邻的两相下臂开关管的驱动信号相位差在[2π(1-D),2πD]范围内。当直流变换器达到稳态时，根据电容的安秒平衡原理可得IL1＝IL2＝IL3…＝ILM＝I＝Io/(1-D)，每相电流的平均值相同，即实现每相的自动均流，根据电感的伏秒平衡原理可得输出电压与输入电压的变换比K＝Vo/Vg＝M/(1-D)，从而实现高电压增益。并且采用本专利技术的控制策略，无论相数M(M≥2)为何值时，都可实现每相的自动均流，从而拓展该类直流变换器的均流范围。并且本直流变换器中，上下开关管的电压应力远小于输出电压，因此可以采用低电压等级的开关管，从而降低开关管的导通损耗以及降低成本。其中，Vo为输出电压，Vg为输入电源，Io为输出电流，IL1为第一相电感电流平均值，IL2为第二相电感电流平均值，IL3为第三相电感电流平均值，ILM为第M相电感电流平均值。所述下臂开关管和上臂开关管均设置有死区时间，防止对应的上下臂开关管同时导通，从而避免短路情况，防止上下臂开关管因短路烧坏。下面结合说明书附图和具体实施例对本专利技术作进一步说明。附图说明图1为本专利技术的电路原理图；图2为四相自均流高增益直流变换器的电路拓扑图；图3为四相自均流高增益直流变换器的主要波形图。具体实施方式参见图1至图2，一种多相自均流高增益直流变换器的实施例，在输入相数为四的四相自均流高增益直流变换本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种多相自均流高增益直流变换器，其特征在于：包括输入电源、M个升压电感、M个上臂开关管、M个下臂开关管，M‑1个开关电容，以及负载、滤波电容，构成M个输入相数和M‑1个开关电容网络；所述M个输入相数中，M个升压电感的输入端与输入电源的正极连接，M个下臂开关管的源极与输入电源的负极连接，其中，第一相的第一电感的输出端连接第一下臂开关管的漏极，第二相的第二电感的输出端连接第二下臂开关管的漏极，第三相的第三电感的输出端连接第三下臂开关管的漏极，以此类推，第M相的第M电感的输出端连接第M下臂开关管的漏极；所述M‑1个开关电容网络中，所述M个上臂开关管中的第一上臂开关管的源极与第一电感的输出端相连，第一上臂开关管的漏极与第二上臂开关管的源极连接，第一上臂开关管的漏极和第二上臂开关管的源极之间的结点连接第一开关电容的一端，第一开关电容的另一端连接第二电感的输出端，通过第一上臂开关管、第二上臂开关管和第一开关电容构成第一开关电容网络；所述第二上臂开关管的漏极与第三上臂开关管的源极连接，第二上臂开关管的漏极和第三上臂开关管的源极之间的结点连接第二开关电容的一端，第二开关电容的另一端连接第三电感的输出端，通过第二上臂开关管、第三上臂开关管和第二开关电容构成第二开关电容网络；所述第三上臂开关管的漏极与第四上臂开关管的源极连接，第三上臂开关管的漏极和第四上臂开关管的源极之间的结点连接第三开关电容的一端，第三开关电容的另一端连接第四电感的输出端，通过第三上臂开关管、第四上臂开关管和第三开关电容构成第三开关电容网络；以此类推，所述M个上臂开关管中的第M‑1上臂开关管的漏极与第M上臂开关管的源极连接，第M‑1上臂开关管的漏极和第M上臂开关管的源极之间的结点连接第M‑1开关电容的一端，第M‑1开关电容的另一端连接第M电感的输出端，通过第M‑1上臂开关管、第M上臂开关管和第M‑1开关电容构成第M‑1开关电容网络，由此构成M‑1个开关电容网络；各上臂开关管、下臂开关管的栅极分别连接驱动信号，所述滤波电容的一端连接第M上臂开关管的漏极，另一端连接输入电源的负极，所述负载并联在滤波电容的两端。...

【技术特征摘要】
1.一种多相自均流高增益直流变换器，其特征在于：包括输入电源、M个升压电感、M个上臂开关管、M个下臂开关管，M-1个开关电容，以及负载、滤波电容，构成M个输入相数和M-1个开关电容网络；所述M个输入相数中，M个升压电感的输入端与输入电源的正极连接，M个下臂开关管的源极与输入电源的负极连接，其中，第一相的第一电感的输出端连接第一下臂开关管的漏极，第二相的第二电感的输出端连接第二下臂开关管的漏极，第三相的第三电感的输出端连接第三下臂开关管的漏极，以此类推，第M相的第M电感的输出端连接第M下臂开关管的漏极；所述M-1个开关电容网络中，所述M个上臂开关管中的第一上臂开关管的源极与第一电感的输出端相连，第一上臂开关管的漏极与第二上臂开关管的源极连接，第一上臂开关管的漏极和第二上臂开关管的源极之间的结点连接第一开关电容的一端，第一开关电容的另一端连接第二电感的输出端，通过第一上臂开关管、第二上臂开关管和第一开关电容构成第一开关电容网络；所述第二上臂开关管的漏极与第三上臂开关管的源极连接，第二上臂开关管的漏极和第三上臂开关管的源极之间的结点连接第二开关电容的一端，第二开关电容的另一端连接第三电感的输出端，通过第二上臂开关管、第三上臂开关管和第二开关电容构成第二开关电容网络；所述第三上臂开关管的漏极与第四上臂开关管的源极连接，第三上臂开关管的漏极和第四上臂开关管的源极之间的结点连接第三开关电容的一端，第三开关电容的另一端连接第四电感的输出端，通过第三上臂开关管、第四上臂开关管和第三开关电容构成第三开关电容网络；以此类推，所述M个上臂开关管中的第M-1上臂开关管的漏极与第M上臂开关管的源极连接，第M-1上臂开关管的漏极和第M上臂开关管的源极之间的结点连接第M-1开关电容的一端...

【专利技术属性】
技术研发人员：章治国，徐堂意，向林朋，廖鸣宇，霍陆昱，
申请(专利权)人：重庆理工大学，
类型：发明
国别省市：重庆,50