CN114884352B - 一种具有升降压功能的部分功率变换器及其控制方法 - Google Patents

一种具有升降压功能的部分功率变换器及其控制方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种具有升降压功能的部分功率变换器为级联形式连接在一起的两级式DC‑DC结构，其中，前级变换器为隔离型DC‑DC变换器，后级变换器为电压双象限型DC‑DC变换器。该部分功率变换器具有高效的升降压功能。本发明还公开了具有升降压功能的部分功率变换器的控制方法，通过后级变换器实现升降压；升压时，后级变换器输出电压为正，总输出电压为前级变换器输入电压加上后级变换器输出电压；降压时，后级变换器输出电压为负，总输出电压为前级输入电压减去后级输出电压绝对值；部分功率变换器传输功率与直接传输功率的比值为后级变换器输出电压与前级输入电压之比，可通过调节后级变换器的输出电压实现功率分配。

Description

一种具有升降压功能的部分功率变换器及其控制方法
技术领域
本发明涉及直流功率变换器技术领域，具体是一种高效、具有升降压功能的部分功率变换器及其控制方法。
背景技术
随着全球科技的不断进步、产业不断升级，电源设备已经成为各种工业设备的心脏，电源系统也发生很大的变化，传统的电源已经不能满足更高的需求。
随着人们对大功率需求的逐渐提升，如何利用电力电子装置实现大功率传输逐渐受到重视。高输出电压等级、高功率密度、高可靠性是现在高压直流电源追求的目标。传统高压直流电源采用的电源方案是输入端接入交流市电，经过升压变压器升压为高压交流电，再整流获得高压输出，这种电源成本较低，技术成熟，但由于采用工频变压器进行隔离升压，使得系统的体积重量难以控制，同时输出电压调节精度也难以控制。
随着电力电子器件的发展，高压直流电源经历了从低频到高频、小功率到大功率、低性能到高性能的发展过程。使用开关器件对输入直流进行斩波，使用变压器对高频脉冲升压整流成高压直流，这种电源体积小、效率高。因此开关型高压直流电源逐步取代传统电源应用在各行各业，比如在医疗领域、农业领域、工业领域、军事领域以及科学研究。
专利号为CN114123195A的中国专利公开了一种用于降低变压器及线路损耗的有源电力电子装置及方法，所述装置包括交直流变换器和电池，所述直流变换器的输入端和变压器的负载侧连接，输出端与蓄电池连接，输出端与蓄电池连接之间设置有直流断路器，所述交直流变换器为由功率型电力电子开关组成的T型三电平拓扑或两电平拓扑。在变换器输出端接入蓄电池，当负载大小变化时，可通过蓄电池来进行调节，例如：当间歇性负荷加入系统时，通过电池放电能有效应对间歇性负荷，从而降低变压器过载量，提高供电可靠性。直接通过电力电子装置传输所有功率，存在装置损耗大，效率不高的缺点，因此，为进一步提高传输效率，部分功率变换器被引入进行功率传输。
专利号为CN114123195A的中国专利公开一种具有部分功率调节功能的两级DC-DC变换器，包括：输入电源；初级变换单元；中间电容单元；谐振变换单元；输出整流单元；负载单元。所述输入电源与所述ACF变换单元相连，所述中间电容单元与所述输入电源、所述ACF变换单元、所述输出整流单元相连，所述负载单元连接到所述输出整流单元的输出端。本发明解决了传统的两级DC-DC变换器效率低的问题，高效高功率密度，能够满足不同的输出电压需求。但当前部分功率变换器仍旧存在电压可调范围小，小功率撬动大功率能力不足等缺点。
因此，需要一种高效的具有升降压功能的新型部分功率变换器。
发明内容
本发明提供一种高效的、具有升降压功能的部分功率变换器。
一种具有升降压功能的部分功率变换器为级联形式连接在一起的两级式DC-DC结构，其中，前级变换器为隔离型DC-DC变换器，后级变换器为电压双象限型DC-DC变换器。
所述前级变换器输入电压正极与后级变换器输出电压负极相连，通过后级变换器电压变换，实现升降压功能，通过调节后级变换器输出电压实现功率分配。
大部分功率可直接通过传输线传输，使得部分功率变换器整体效率得到了大幅提升，实现了小功率撬动大功率和高效率的目标。
所述隔离型DC-DC变换器为两个LLC-DCX变换器以输入串联输出并联的形式组合而成的。可以实现高压大电流的功率输送。
所述LLC-DCX变换器包括原边开关电路、谐振电路、隔离变压器、副边整流电路和输出滤波电容。
所述谐振电路包括谐振电感、谐振电容和变压器激磁电感。
所述电压双象限型DC-DC变换器为三相交错并联Buck变换器。可以实现电压双象限调节。
所述三相交错并联Buck变换器为三个并联的Buck电路，其中，三个输出电容合并为一个输出电容三相Buck输出端的正极作为负载的正极，输出端负极与前级变换器输入端正极相连，负载负极与前级变换器输入端负极相连。
本发明还提供了具有升降压功能的部分功率变换器的控制方法，包括：
通过后级变换器实现升降压；升压时，后级变换器输出电压为正，总输出电压为前级变换器输入电压加上后级变换器输出电压；降压时，后级变换器输出电压为负，总输出电压为前级输入电压减去后级输出电压绝对值。
部分功率变换器传输功率与直接传输功率的比值为后级变换器输出电压与前级输入电压之比，可通过调节后级变换器的输出电压实现功率分配。
与现有技术相比，本发明的有益效果为：
本发明通过后级变换器电压变换，实现升降压功能，同时，可通过调节后级输出电压实现功率分配，大部分功率可直接通过传输线传输，使得部分功率变换器整体效率得到了大幅提升，实现了小功率撬动大功率和高效率的目标。
附图说明
图1为具体实施方式提供的部分功率变换器拓扑结构图。
图2为具体实施方式提供的变换器拓扑图。
具体实施方式
现在参考附图介绍本发明的示例性实施方式，然而，本发明可以用许多不同的形式来实施，并且不局限于此处描述的实施例，提供这些实施例是为了详尽地且完全地公开本发明，并且向所属技术领域的技术人员充分传达本发明的范围。对于表示在附图中的示例性实施方式中的术语并不是对本发明的限定。在附图中，相同的单元/元件使用相同的附图标记。
除非另有说明，此处使用的术语(包括科技术语)对所属技术领域的技术人员具有通常的理解含义。另外，可以理解的是，以通常使用的词典限定的术语，应当被理解为与其相关领域的语境具有一致的含义，而不应该被理解为理想化的或过于正式的意义。
下面结合实施例对本发明进行进一步说明：
如图1所示，部分功率变换器的结构为两级式DC-DC以级联形式连接在一起，其中前级一般为隔离型DC-DC变换器，后级为电压双象限型DC-DC变换器。总输出电压Vout等于前级输入电压Vin加上变换器输出电压，前级输入电压正极与后级输出电压负极相连，通过后级变换器电压变换，实现升降压功能，同时，可通过调节后级输出电压实现功率分配，大部分功率可直接通过传输线传输，使得部分功率变换器整体效率得到了大幅提升，实现了小功率撬动大功率和高效率的目标。
以图2所示拓扑为例，部分功率变换器的结构包括级联形式连接在一起的前后级变换器，前级变换器为两个LLC-DCX变换器以输入串联输出并联的形式组合而成的，可以实现高压大电流的功率输送，其中一个LLC-DCX变换器的具体结构为：
所述LLC-DCX变换器包括原边开关电路、谐振电路、隔离变压器、副边整流电路和输出滤波电容。谐振电路包括谐振电感Lk、谐振电容C3以及变压器激磁电感Lm。原边开关电路包括四只开关管Q1、Q2、Q3和Q4，开关管Q1和Q3的漏极连接输入正极，开关管Q2和Q4的源极连接输入负极，开关管Q1的源极和开关管Q2的漏极连接，与变压器激磁电感的一端连接，开关管Q3的源极和开关管Q4的漏极连接，与变压器激磁电感的另一端连接。副边整流电路包括四只整流二极管D1、D2、D3和D4，二极管D1、D3的阴极连接输出正级，并连接到后级变换器的一端，二极管D2和D4的阴极连接，并连接到后级变换器的另一端。
后级为三相交错并联Buck变换器，可以实现电压双象限调节。
其调压范围由后级三相交错并联Buck变换器确定，当需要进行较大范围电压调节时，可令Buck变换器输出电压绝对值增大，叠加上输入电压后可令输出电压在较宽范围内自由调节。
所述三相交错并联Buck变换器所述三相交错并联Buck变换器为三个并联的Buck电路，其中，三个输出电容合并为一个输出电容，三相Buck输出端的正极作为负载的正极，输出端负极与前级变换器输入端正极相连，负载负极与前级变换器输入端负极相连。
若要提高变换器整体效率，则可通过降低Buck变换器输出电压来降低变换器输送功率，进而将更大比例的功率直接由传输线从输入送至输出侧，由于变换器输送功率的降低，使得变换器部分损耗得到大幅降低，进而提高了变换器整体效率。
本发明有助于提高部分功率变换器的效率并提供更宽的输出电压范围，具有较大的工程应用价值和推广前景。
本领域内的技术人员应明白，本申请的实施例可提供为方法、系统、或计算机程序产品。因此，本申请可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本申请可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器、CD-ROM、光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。本申请实施例中的方案可以采用各种计算机语言实现，例如，面向对象的程序设计语言Java和直译式脚本语言JavaScript等。
本申请是参照根据本申请实施例的方法、设备(系统)、和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。
这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。
尽管已描述了本申请的优选实施例，但本领域内的技术人员一旦得知了基本创造性概念，则可对这些实施例作出另外的变更和修改。所以，所附权利要求意欲解释为包括优选实施例以及落入本申请范围的所有变更和修改。显然，本领域的技术人员可以对本申请进行各种改动和变型而不脱离本申请的精神和范围。这样，倘若本申请的这些修改和变型属于本申请权利要求及其等同技术的范围之内，则本申请也意图包含这些改动和变型在内。

Claims (6)

1.一种具有升降压功能的部分功率变换器，其特征在于，所述部分功率变换器为级联形式连接的两级式DC-DC结构，其中，前级变换器为隔离型DC-DC变换器，后级变换器为电压双象限型DC-DC变换器；
所述前级变换器输入电压正极与后级变换器输出电压负极相连，通过后级变换器电压变换，实现升降压功能，通过调节后级变换器输出电压实现功率分配；
所述隔离型DC-DC变换器为两个LLC-DCX变换器以输入串联输出并联的形式组合而成。
2.根据权利要求1所述的具有升降压功能的部分功率变换器，其特征在于，所述LLC-DCX变换器包括原边开关电路、谐振电路、隔离变压器、副边整流电路和输出滤波电容。
3.根据权利要求2所述的具有升降压功能的部分功率变换器，其特征在于，所述谐振电路包括谐振电感、谐振电容和变压器激磁电感。
4.根据权利要求1所述的具有升降压功能的部分功率变换器，其特征在于，所述电压双象限型DC-DC变换器为三相交错并联Buck变换器。
5.根据权利要求4所述的具有升降压功能的部分功率变换器，其特征在于，所述三相交错并联Buck变换器为三个并联的Buck电路，其中，三个输出电容合并为一个输出电容，三相Buck输出端的正极作为负载的正极，输出端负极与前级变换器输入端正极相连，负载负极与前级变换器输入端负极相连。
6.根据权利要求1-5任一项所述的具有升降压功能的部分功率变换器的控制方法，其特征在于，包括：
通过后级变换器实现升降压；升压时，后级变换器输出电压为正，总输出电压为前级变换器输入电压加上后级变换器输出电压；降压时，后级变换器输出电压为负，总输出电压为前级输入电压减去后级输出电压绝对值；
部分功率变换器传输功率与直接传输功率的比值为后级变换器输出电压与前级输入电压之比，可通过调节后级变换器的输出电压实现功率分配。
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