CN108599593A - 一种自均流模块化大容量高升压整流器 - Google Patents

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Abstract

本发明提出一种自均流模块化大容量高升压整流器。在传统的大容量高升压整流场合常需要多个整流模块并联运行及变压器升压，存在多个模块之间功率分布不均，***可靠性差，成本高的问题，因此本发明提出了一种可自动均流且整流输出电压增益可调节的大容量、模块化、高增益的整流器。所提变换器包含m（须为偶数），第一个模块由n‑1个电容和二极管所构成，其它模块均由n个电容和二极管所构成，相比现有的方案，其模块数可自由调节，且各模块可自动均流，较适用于需要电气隔离的大容量高增益整流场合。

Description

一种自均流模块化大容量高升压整流器
技术领域
本发明涉及一种大容量、高升压非隔离型流器，具体是一种自均流模块化大容量高升压整流器。
背景技术
传统的倍压整流电路，一方面虽可以实现较高的电压输出，但一般只是输入输出增益可调，而器件电流应力高且不可调，所以在大容量应用场合器件选型困难，另一方面常需要多个整流模块并联运行来增加其容量，则存在多个模块之间功率分布不均，***可靠性差，均流困难等问题。
发明内容
为解决现有整流器在大容量高升压应用场合中的不足，本发明提出一种可自动均流，电压增益高且可调节的大容量非隔离型整流器。
本发明采用如下技术方案：
一种自均流模块化大容量高升压整流器，该变换器包含一个交流输入源，m(须为偶数)个模块，输出二极管D0，滤波电容C0，负载RL；
其中m个模块包括：
模块一包括二极管D1 2、D1 3···D1n，电容C1 2、C1 3···C1n。电容C1 2、C1 3···C1n的另一端相连，然后与电源一端连接在一起，同时与二极管D2 1的阳极及滤波电容C0、负载RL的另一端相连，二极管D1 2的阴极与电容C1 2的一端相连，二极管D1 3的阴极与电容C1 3的一端相连，...，以此类推二极管D1n的阴极与电容C1n的一端相连。
模块二包括二极管D2 1、D2 2···D2n，电容C2 1、C2 2···C2n。电容C2 1、C2 2···C2n的另一端相连，然后与电源另一端连接在一起，二极管D2 1的阴极与电容C2 1的一端相连，二极管D2 2的阴极与电容C2 2的一端相连，...，以此类推二极管D2n的阴极与电容C2n的一端相连。
模块三包括二极管D3 1、D3 2···D3n，电容C3 1、C3 2···C3n。电容C3 1、C3 2···C3n的另一端相连，然后与电源一端连接在一起，二极管D3 1的阴极与电容C3 1的一端相连，二极管D32的阴极与电容C3 2的一端相连，...，以此类推二极管D3n的阴极与电容C3n的一端相连。
以此类推，模块m-1包括二极管Dm-1 1、Dm-1 2···Dm-1n，电容Cm-1 1、Cm-1 2···Cm-1n。电容Cm-1 1、Cm-1 2···Cm-1n的另一端相连，然后与电源一端连接在一起，二极管Dm-1 1的阴极与电容Cm-1 1的一端相连，二极管Dm-1 2的阴极与电容Cm-1 2的一端相连，...，以此类推二极管Dm-1n的阴极与电容Cm-1n的一端相连。
模块m包括二极管Dm 1、Dm 2···Dm n，电容Cm 1、Cm 2···Cm n。电容Cm 1、Cm 2···Cm n的另一端相连，然后与电源的另一端连接在一起，二极管Dm 1的阴极与电容Cm 1的一端相连，二极管Dm 2的阴极与电容Cm 2的一端相连，...，以此类推二极管Dm n的阴极与电容Cm n的一端相连。二极管Dm n的阴极与电容Cm n的一端之间的节点与二极管D0的阳极相连。
模块与模块以及电源与模块之间的连接关系为：
第一个模块中电容C1 2的另一端与电源一端之间的节点与第二个模块中二极管D2 1的阳极相连，第一个模块中二极管D1 2阴极与C1 2一端之间的节点接模块二中二极管D2 2的阳极，第一个模块中二极管D1 3阴极与C1 3一端之间的节点接模块二中二极管D2 3的阳极，...，以此类推，第一个模块中二极管D1n的阴极与电容C1n一端之间的节点接模块二中二极管D2n的阳极。
第二个模块中二极管D2 1阴极与C2 1一端之间的节点接模块三中二极管D3 1的阳极，第二个模块中二极管D2 2阴极与C2 2一端之间的节点接模块三中二极管D3 2阳极，...，以此类推，第二个模块中二极管D2n阴极与C2n一端之间的节点接模块三中二极管D3n阳极。
以此类推，第m-1个模块中二极管Dm-1 1阴极与电容Cm-1 1一端之间的节点接模块m中二极管Dm 1的阳极，第m-1个模块中二极管Dm-1 2阴极与电容Cm-1 2一端之间的节点接模块m中二极管Dm 2的阳极，...，以此类推，第m-1个模块中二极管Dm-1n的阴极与电容Cm-1n一端之间的节点接模块m中二极管Dm n的阳极。
第m个模块中二极管Dm 1阴极与电容Cm 1一端之间的节点接模块一中二极管D1 2的阳极，第m个模块中二极管Dm 2阴极与电容Cm 2一端之间的节点接模块一中二极管D1 3的阳极，...，以此类推，第m个模块中二极管Dm n-1阴极与电容Cm n-1一端之间的节点接模块一中二极管D1n的阳极。
负载RL与C0并联，负载RL一端接二极管D0的阴极，另一端接到模块一中电容C1 2另一端与电源一端之间的节点。二极管D0的阳极与二极管Dm n的阴极与电容Cm n的一端之间的节点相连。偶数个模块与电源的另一端相连，奇数个模块与电源的一端相连。
本发明一种自均流模块化大容量高升压整流器，技术效果如下：
1、输入输出增益高且可调，开关器件电压电流应力低且可调。其中：
输出电压与输入电压的比值为(空载)：
二极管的电压应力为：
m为输入相数，n为模块中的二极管及电容数量。
2、每个模块能够实现自动均流，变压器的功率均分。
3、省去了大型工频变压器，减少***体积和成本。
附图说明
图1是本发明电路原理总图。
图2是本发明m＝4，n＝2的电路拓扑图。
图3是本发明输入输出电压波形图。
图4是本发明二极管D21、D31、D41、D1 2的电压波形图。
图5是本发明二极管D21、D31、D41、D1 2的电流波形图。
图6是本发明电容C21～C42的电压波形图。
图7是本发明四个模块电流的仿真波形图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步详细说明。
如图2所示，一种自均流模块化大容量高升压整流器，它包含一个交流输入源，4个模块，8个电容C0、C2 1、C3 1、C4 1、C1 2、C2 2、C3 2、C4 2，8个二极管D0、D2 1、D3 1、D4 1、D1 2、D2 2、D3 2、D4 2，一个负载RL。其中：
4个模块中：
模块一包括二极管D1 2，电容C1 2。电容C1 2的另一端与电源一端连接在一起，同时与二极管D2 1的阳极及滤波电容C0、负载RL的另一端相连，二极管D1 2的阴极与电容C1 2的一端相连。
模块二包括二极管D2 1、D2 2，电容C2 1、C2 2。电容C2 1、C2 2的另一端相连，然后与电源另一端连接在一起，二极管D2 1的阴极与电容C2 1的一端相连，二极管D2 2的阴极与电容C2 2的一端相连。
模块三包括二极管D3 1、D3 2，电容C3 1、C3 2。电容C3 1、C3 2的另一端相，连然后与电源一端连接在一起，二极管D3 1的阴极与电容C3 1的一端相连，二极管D3 2的阴极与电容C3 2的一端相连。
模块四包括二极管D4 1、D4 2，电容C4 1、C4 2。电容C4 1、C4 2的另一端相连，然后与电源一端连接在一起，二极管D4 1的阴极与电容C4 1的一端相连，二极管D4 2的阴极与电容C4 2的一端相连。二极管D4 2的阴极与电容C4 2的一端之间的节点与二极管D0的阳极相连。
模块与模块以及电源与模块之间的连接关系为：
第一个模块中电容C1 2的另一端与电源一端之间的节点与第二个模块中二极管D2 1的阳极相连，第一个模块中二极管D1 2阴极与C1 2一端之间的节点接模块二中二极管D2 2的阳极，
第二个模块中二极管D2 1阴极与C2 1一端之间的节点接模块三中二极管D3 1的阳极，第二个模块中二极管D2 2阴极与C2 2一端之间的节点接模块三中二极管D3 2阳极。
第三个模块中二极管D3 1阴极与电容C3 1一端之间的节点接模块四中二极管D4 1的阳极，第三个模块中二极管D3 2阴极与电容C3 2一端之间的节点接模块四中二极管D4 2的阳极。
第四个模块中二极管D4 1阴极与电容C4 1一端之间的节点接模块一中二极管D1 2的阳极。
负载RL与C0并联，负载RL一端接二极管D0的阴极，另一端接到模块一中电容C1 2另一端与电源一端之间的节点。二极管D0的阳极与二极管D4 2的阴极与电容C4 2的一端之间的节点相连。模块一、模块三与电源的一端相连，模块二、模块四与电源的一端相连。
根据交流电源电流方向不同，可以将电路分为两种工作状态：
(1)、当输入交流电处于正半轴时。输入电流通过二极管D2 1向电容C2 1充电，通过二极管D2 2向电容C2 2充电，电容C1 2放电；同时输入电流通过二极管D4 1，向电容C4 1充电，C3 1放电，通过二极管D4 2向电容C4 2充电，电容C3 2放电；此时二极管D3 2、D1 2、D3 2、D0均关断。
(2)、当输入交流电处于负半轴时，输入电流通过二极管D231，向电容C3 1充电，电容C2 1放电，通过二极管D3 2向电容C3 2充电，电容C2 2放电；同时输入电流通过二极管D1 2，向电容C1 2充电，电容C4 1放电，通过二极管D0向电容C0充电，电容C4 2放电，同时向负载RL供电；此时二极管D2 1、D4 1、D2 2、D4 2均关断。
自动均流原理分析:
以图2四个模块为例。当输入交流电处于正半轴时，所有二极管均关断，电容C3 1、C1 2、C3 2放电，电容C2 1、C4 1、C2 2、C4 2充电，Uin电压下降速度远大于电容电压的下降速度。输入电压Uin从0开始上升，当Uin上升到大于电容C2 1电压UC2 1的时候二极管D2 1导通，电容C2 1开始充电，电压上升；当Uin上升到(Uin+UC1 2)大于UC2 2的时候二极管D2 2导通，电容C2 2开始充电，电压上升。与此同时，Uin上升到(Uin+UC3 1)大于UC4 1时二极管D4 1导通，电容C4 1开始充电，电压上升，Uin上升到(Uin+UC3 2)大于UC4 2时二极管D4 2导通，电容C4 2开始充电，电压上升。电容C2 1、C4 1、C2 2、C4 2持续充电，直到Uin上升到最大值Uinmax，下一时刻二极管D2 1、D4 1、D2 2、D4 2反向截止，电容C2 1、C4 1、C2 2、C4 2充电完毕，电容C3 1、C1 2、C3 2放电完毕。当输入交流电处于负半轴时于此类似，不再赘述。
根据电容Co安秒平衡原理，输出电流Io等于二极管D0流过的电流ID0，由于电容C4 2的存在，流过二极管D4 2上的电流ID4 2等于ID0，以此类推，第一支路上，流过二极管D1上的电流ID2 1等于输出电流Io。同理，其他支路流过的电流也都等于输出电流Io，本发明实现了自动均流。扩展到n个模块分析过程于此类似。
通过上述分析，可以看出该变换器省去了变压器，实现了自动均流，模块化设计使变换器容量大大增加。
仿真参数：开关频率f＝50Hz，输入电压uin为30V，输出电压uo接近240V，功率P＝115.2W。从图内可以看出4个模块电流相等，实现每个模块自动均流。

Claims (2)

1.一种自均流模块化大容量高升压整流器，其特征在于：该变换器包含一个交流输入源，m个模块、m为偶数，输出二极管D0，滤波电容C 0，负载R L ;
其中m个模块包括：
模块一包括二极管D1 2、D1 3···D1 n ，电容C 1 2、C 1 3··· C 1 n ；电容C 1 2、C 1 3··· C 1 n 的另一端相连，然后与电源一端连接在一起，同时与二极管D2 1的阳极及滤波电容C 0、负载R L 的另一端相连，二极管D1 2的阴极与电容C 1 2的一端相连，二极管D1 3的阴极与电容C 1 3的一端相连，.. . ，以此类推二极管D1 n 的阴极与电容C 1 n 的一端相连；
模块二包括二极管D2 1、D2 2···D2 n ，电容C 2 1、C 2 2··· C 2 n ；电容C 2 1、C 2 2··· C 2 n 的另一端相连，然后与电源另一端连接在一起，二极管D2 1的阴极与电容C 2 1的一端相连，二极管D2 2的阴极与电容C 2 2的一端相连，. . . ，以此类推二极管D2 n 的阴极与电容C 2 n 的一端相连；
模块三包括二极管D3 1、D3 2···D3 n ，电容C 3 1、C 3 2··· C 3 n ；电容C 3 1、C 3 2··· C 3 n 的另一端相连，然后与电源一端连接在一起，二极管D3 1的阴极与电容C 3 1的一端相连，二极管D3 2的阴极与电容C 3 2的一端相连，. . . ，以此类推二极管D3 n 的阴极与电容C 3 n 的一端相连；
...
以此类推，模块m-1包括二极管D m-1 1、D m-1 2···D m-1 n ，电容C m-1 1、C m-1 2··· C m-1 n ；电容C m-1 1、C m-1 2··· C m-1 n 的另一端相连，然后与电源一端连接在一起，二极管D m-1 1的阴极与电容C m-1 1的一端相连，二极管D m-1 2的阴极与电容C m-1 2的一端相连，. . . ，以此类推二极管D m-1 n 的阴极与电容C m-1 n 的一端相连；
模块m包括二极管D m 1、D m 2···D mn ，电容C m 1、C m 2··· C mn ；电容C m 1、C m 2··· C mn 的另一端相连，然后与电源的另一端连接在一起，二极管D m 1的阴极与电容C m 1的一端相连，二极管D m 2的阴极与电容C m 2的一端相连，. . . ，以此类推二极管D mn 的阴极与电容C mn 的一端相连；二极管D mn 的阴极与电容C mn 的一端之间的节点与二极管D0的阳极相连；
模块与模块以及电源与模块之间的连接关系为：
第一个模块中电容C 1 2的另一端与电源一端之间的节点与第二个模块中二极管D2 1的阳极相连，第一个模块中二极管D1 2阴极与C 1 2一端之间的节点接模块二中二极管D2 2的阳极，第一个模块中二极管D1 3阴极与C 1 3一端之间的节点接模块二中二极管D2 3的阳极，...，以此类推，第一个模块中二极管D1 n 的阴极与电容C 1 n 一端之间的节点接模块二中二极管D2 n 的阳极；
第二个模块中二极管D2 1阴极与C 2 1一端之间的节点接模块三中二极管D3 1的阳极，第二个模块中二极管D2 2阴极与C 2 2一端之间的节点接模块三中二极管D3 2阳极，...，以此类推，第二个模块中二极管D2 n 阴极与C 2 n 一端之间的节点接模块三中二极管D3 n 阳极；
以此类推，第m-1个模块中二极管D m-1 1阴极与电容C m-1 1一端之间的节点接模块m中二极管D m 1的阳极，第m-1个模块中二极管D m-1 2阴极与电容C m-1 2一端之间的节点接模块m中二极管D m 2的阳极，...， 以此类推，第m-1个模块中二极管D m-1 n 的阴极与电容C m-1 n 一端之间的节点接模块m中二极管D mn 的阳极；
第m个模块中二极管D m 1阴极与电容C m 1一端之间的节点接模块一中二极管D1 2的阳极，第m个模块中二极管D m 2阴极与电容C m 2一端之间的节点接模块一中二极管D1 3的阳极，...，以此类推，第m个模块中二极管D mn-1阴极与电容C mn-1一端之间的节点接模块一中二极管D1 n 的阳极；
负载R L 与C 0并联，负载R L 一端接二极管D0的阴极，另一端接到模块一中电容C 1 2另一端与电源一端之间的节点；二极管D0的阳极与二极管D mn 的阴极与电容C mn 的一端之间的节点相连；偶数个模块与电源的另一端相连，奇数个模块与电源的一端相连。
2.根据权利要求1所述一种自均流模块化大容量高升压整流器，其特征在于：根据交流电源电流方向不同，将电路分为两种工作状态：
（1）、当输入交流电处于正半轴时；输入电流通过二极管D2 1向电容C 2 1充电，通过二极管D2 2向电容C 2 2充电，电容C 1 2放电；同时输入电流通过二极管D4 1，向电容C 4 1充电，C 3 1放电，通过二极管D4 2向电容C 4 2充电，电容C 3 2放电；此时二极管D3 2、D1 2、D3 2、D0均关断；
当输入交流电处于负半轴时，输入电流通过二极管D231，向电容C 3 1充电， 电容C 2 1放电，通过二极管D3 2向电容C 3 2充电，电容C 2 2放电；同时输入电流通过二极管D1 2，向电容C 1 2充电，电容C 4 1放电，通过二极管D0向电容C 0充电，电容C 4 2放电，同时向负载R L 供电；此时二极管D2 1、D4 1、D2 2、D4 2均关断。
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