CN108718156A - 一种输出电压宽范围可调的恒功率直流供电*** - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种输出电压宽范围可调的恒功率直流供电***，所述输出电压宽范围可调的恒功率直流供电***由2N个隔离型直流变换器和一个N级串并联切换电路构成，N为大于0的自然数，每个隔离型直流变换器包括一个输入端口和一个输出端口，N级串并联切换电路包括2N个输入端口和一个输出端口，各隔离型直流变换器的输入端口相互并联并连接直流输入源、输出端口分别依次与N级串并联切换电路的输入端口连接，N级串并联切换电路的输出端口连接负载，本发明通过对N级串并联切换电路的控制，灵活改变***整体拓扑的连接形式，增大输出电压的调节范围，减小单个隔离型直流变换器的电压、电流应力，特别适合宽电压范围恒功率直流供电等应用场合。

Description

一种输出电压宽范围可调的恒功率直流供电***
技术领域
本发明涉及一种直流供电***，尤其涉及一种输出电压宽范围可调的恒功率直流供电***，属于电力电子变换及直流供电***领域。
背景技术
近年来，可再生能源发电、电动汽车、航天器、绿色数据中心等高新技术领域的快速发展，对电力电子变换器不断提出了新的要求，同时也促进了对高效、高功率密度电力电子变换器的研究与探索。在这些***中，由于输入电源(可再生能源、储能电池、燃料电池等)或者负载特性(等离子体放电等)的特殊性，电力电子变换器的端电压范围都比较宽，例如电动汽车中的高压动力电池的充电电压随其荷电状态在约200V～450V之间变化。因此，如何在宽电压范围内实现大功率范围高效率变换是这些技术领域所关注的重点问题。
传统的隔离型直流变换器为了兼容宽输出电压范围，需要按照极限增益调节来设计参数并选择器件，增益变化范围越宽，器件的极限电压/电流应力越高，导致不得不选用高电压/电流定额的开关器件，降低了变换器整体效率。针对该问题，文献“Chuan Yao，Xinbo Ruan，Xuehua Wang，Chi K.Tse.Isolated Buck-Boost DC/DC ConvertersSuitable for Wide Input-Voltage Range[J1.IEEE Transactions on PowerElectronics，2011，26(9)：2599-2613.”通过将降压型变换器和升压型变换器级联来拓宽变换器的增益范围，但是从输入到输出需要经过两级功率变换，会产生多余的损耗。
发明内容
本发明的目的是针对现有技术的不足，提供一种输出电压宽范围可调的恒功率直流供电***，有效增大输出电压的调节范围，减小单个隔离型直流变换器的电压、电流应力。
本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：
本发明所述输出电压宽范围可调的恒功率直流供电***由直流输入源(Vin)、2N个隔离型直流变换器、一个N级串并联切换电路和负载构成，N为大于0的自然数；
所述隔离型直流变换器包括一个输入端口和一个输出端口，其中输入端口与输出端口是电气隔离的，所述N级串并联切换电路包括2N个输入端口和一个输出端口；
每个隔离型直流变换器的输入端口相互并联并连接直流输入源，每个隔离型直流变换器的输出端口分别依次与N级串并联切换电路的输入端口连接，N级串并联切换电路的输出端口连接负载。
所述输出电压宽范围可调的恒功率直流供电***中N级串并联切换电路由1～N级串并联切换单元级联连接构成，所述串并联切换单元包括两个输入端口(输入端口1和输入端口2)和一个输出端口，所述串并联切换单元由第一辅助开关管(Sa1)、第一辅助二极管(Da1)和第二辅助二极管(Da2)组成；
所述串并联切换单元中第一辅助开关管(Sa1)的漏极连接于输入端口1的正端和第一辅助二极管(Da1)的阳极，第一辅助二极管(Da1)的阴极连接于输入端口2的正端和输出端口的正端，第一辅助开关管(Sa1)的源极连接于输入端口2的负端和第二辅助二极管(Da2)的阴极，第二辅助二极管(Da2)的阳极连接于输入端口1的负端和输出端口的负端；
所述N级串并联切换电路中第1级串并联切换单元的输入端口连接于所述输出电压宽范围可调的恒功率直流供电***中隔离型直流变换器的输出端口；所述N级串并联切换电路中第k级串并联切换单元的输入端口连接于第k-1级串并联切换单元的输出端口，k为大于1、小于等于N的自然数。
所述串并联切换单元的第二种实现方式：由第一辅助开关管(Sa1)、第二辅助开关管(Sa2)和第三辅助开关管(Sa3)组成；
所述的第二种实现方式中第一辅助开关管(Sa1)的漏极连接于输入端口1的正端和第二辅助开关管(Sa2)的源极，第二辅助开关管(Sa2)的漏极连接于输入端口2的正端和输出端口的正端，第一辅助开关管(Sa1)的源极连接于输入端口2的负端和第三辅助开关管(Sa3)的漏极，第三辅助开关管(Sa3)的源极连接于输入端口1的负端和输出端口的负端。
本发明具有如下有益效果：
(1)***整体拓扑连接形式可以灵活改变，各隔离型直流变换器的输出端口可以并联连接，也可以串联连接，也可以部分并联、部分串联连接，可有效增大输出电压的调节范围，减小单个隔离型直流变换器的电压、电流应力；
(2)串并联切换电路中的辅助开关管和辅助二极管低频开关动作，开关损耗小；
(3)串并联切换电路由多级串并联切换单元级联连接构成，具有很强的可扩展性。
附图说明
附图1为本发明输出电压宽范围可调的恒功率直流供电***结构示意图；
附图2为本发明输出电压宽范围可调的恒功率直流供电***中串并联切换单元的结构示意图；
附图3为本发明输出电压宽范围可调的恒功率直流供电***中第1级串并联切换单元的结构示意图；
附图4为本发明输出电压宽范围可调的恒功率直流供电***中第k级串并联切换单元的结构示意图；
附图5为本发明输出电压宽范围可调的恒功率直流供电***中串并联切换单元第二种实现方式的结构示意图；
附图6～7为本发明输出电压宽范围可调的恒功率直流供电***中第1级串并联切换单元在各工作模态下的等效电路图；
附图8为本发明具体实施例中隔离型直流变换器的电路原理图；
附图9为本发明具体实施例的仿真结果图；
以上附图中的符号名称：Vin为直流输入源；Iin_1、Iin_2和Iin_2 N分别为对应第1个、第2个和第2N个隔离型直流变换器输入端口的电流；Vo_1、Vo_2和Vo_2 N分别为对应第1个、第2个和第2N个隔离型直流变换器输出端口的电压；Vo为输出电压，Ro为负载；Sa1为第一辅助开关管；Da1和Da2分别为第一、第二辅助二极管；Sa1_1为第1级串并联切换单元第一辅助开关管；Da1_1和Da2_1分别为第1级串并联切换单元第一、第二辅助二极管；Vo1_1为第1级串并联切换单元的输出电压；Sa1_k为第k级串并联切换单元第一辅助开关管；Da1_k和Da2_k分别为第k级串并联切换单元第一、第二辅助二极管；Vok-1_1和Vok-1_2分别为对应第1个和第2个第k-1级串并联切换单元的输出电压；Vok_1为第k级串并联切换单元的输出电压；Sa2和Sa3分别为第二、第三辅助开关管；S1、S2、S3、S4、S5和S6为开关管；D1、D2、D3和D4为二极管；Cin、Co1和Co2为电容；T为变压器；LE为电感；VGSa1_1为第1级串并联切换单元第一辅助开关管Sa1_1的驱动电压；t、t1和t2为时间。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步说明。
本发明所述输出电压宽范围可调的恒功率直流供电***结构示意图如附图1所示。所述输出电压宽范围可调的恒功率直流供电***由直流输入源(Vin)、2N个隔离型直流变换器、一个N级串并联切换电路和负载构成，N为大于0的自然数。其中，每个隔离型直流变换器包括一个输入端口和一个输出端口，且输入端口与输出端口是电气隔离的，N级串并联切换电路包括2N个输入端口和一个输出端口，每个隔离型直流变换器的输入端口相互并联并连接直流输入源，每个隔离型直流变换器的输出端口分别依次与N级串并联切换电路的输入端口连接，N级串并联切换电路的输出端口连接负载。
本发明所述输出电压宽范围可调的恒功率直流供电***中N级串并联切换电路由1～N级串并联切换单元级联连接构成，所述串并联切换单元的结构示意图如附图2所示。所述串并联切换单元包括两个输入端口(输入端口1和输入端口2)和一个输出端口，所述串并联切换单元由第一辅助开关管(Sa1)、第一辅助二极管(Da1)和第二辅助二极管(Da2)组成；所述第一辅助开关管(Sa1)的漏极连接于输入端口1的正端和第一辅助二极管(Da1)的阳极，第一辅助二极管(Da1)的阴极连接于输入端口2的正端和输出端口的正端，第一辅助开关管(Sa1)的源极连接于输入端口2的负端和第二辅助二极管(Da2)的阴极，第二辅助二极管(Da2)的阳极连接于输入端口1的负端和输出端口的负端。
本发明所述输出电压宽范围可调的恒功率直流供电***中第1级串并联切换单元的结构示意图如附图3所示。所述第1级串并联切换单元的输入端口连接于所述输出电压宽范围可调的恒功率直流供电***中隔离型直流变换器的输出端口。
本发明所述输出电压宽范围可调的恒功率直流供电***中第k级串并联切换单元的结构示意图如附图4所示。所述第k级串并联切换单元的输入端口连接于第k-1级串并联切换单元的输出端口，k为大于1、小于等于N的自然数。
本发明所述输出电压宽范围可调的恒功率直流供电***中串并联切换单元第二种实现方式的结构示意图如附图5所示。所述第二种实现方式由第一辅助开关管(Sa1)、第二辅助开关管(Sa2)和第三辅助开关管(Sa3)组成，所述的第二种实现方式中第一辅助开关管(Sa1)的漏极连接于输入端口1的正端和第二辅助开关管(Sa2)的源极，第二辅助开关管(Sa2)的漏极连接于输入端口2的正端和输出端口的正端，第一辅助开关管(Sa1)的源极连接于输入端口2的负端和第三辅助开关管(Sa3)的漏极，第三辅助开关管(Sa3)的源极连接于输入端口1的负端和输出端口的负端。
下面以附图3所示的第1级串并联切换单元为例，说明本发明的工作原理。当第1级串并联切换单元第一辅助开关管Sa1_1导通时，第1级串并联切换单元第一、第二辅助二极管Da1_1、Da1_1关断，第1级串并联切换单元工作在串联模式，该模式的等效电路图如附图6所示，此时第1级串并联切换单元的输出电压Vo1_1＝Vo_1+Vo_2。
当第1级串并联切换单元第一辅助开关管Sa1_1关断时，第1级串并联切换单元第一、第二辅助二极管Da1_1、Da1_1导通，第1级串并联切换单元工作在并联模式，该模式的等效电路图如附图7所示，此时第1级串并联切换单元的输出电压Vo1_1＝Vo_1＝Vo_2。
假设每个隔离型直流变换器的输出电压范围为Vm～2Vm、额定功率为Po，则由两个隔离型直流变换器和1级串并联切换电路组成***的输出电压范围为Vm～4Vm、额定功率为2Po，由2N个隔离型直流变换器和N级串并联切换电路组成***的输出电压范围为Vm～2N+1Vm、额定功率为2N Po。因此，本发明通过对N级串并联切换电路的控制，可以灵活改变***整体拓扑的连接形式，各隔离型直流变换器的输出端口可以并联连接，也可以串联连接，也可以部分并联、部分串联连接，可以有效增大输出电压的调节范围，减小单个直流变换器的电压、电流应力。
在本发明的一个具体实施例中，隔离型直流变换器采用附图8所示的半有源整流型隔离型全桥直流变换器来实现，搭建了由两个隔离型直流变换器和1级串并联切换电路构成的输出电压宽范围可调的恒功率直流供电***，其中1级串并联切换电路由附图3所示的第1级串并联切换单元构成。附图9给出了该具体实施例的仿真实验实施效果图，在附图9所示的t1时刻之前，开关管Sa1_1关断，两个隔离型直流变换器输出端口并联连接，***总输出电压Vo＝Vo_i＝Vo_2；在t1时刻，开关管Sa1_1导通，两个隔离型直流变换器输出端口从并联连接切换为串联连接，***总输出电压Vo＝Vo_1+Vo_2；在t2时刻，开关管Sa1_1关断，两个隔离型直流变换器输出端口又从串联连接切换为并联连接。从附图9可以看到，采用本发明所述的输出电压宽范围可调的恒功率直流供电***，通过对串并联切换电路的控制，可以灵活改变***整体拓扑的连接形式，改变各隔离型直流变换器输出端口的等效连接方式，有效增大了输出电压的调节范围，减小了单个隔离型直流变换器的输出电压范围和电压、电流应力。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出：对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (3)

1.一种输出电压宽范围可调的恒功率直流供电***，其特征在于：所述输出电压宽范围可调的恒功率直流供电***由直流输入源(Vin)、2N个隔离型直流变换器、一个N级串并联切换电路和负载构成，N为大于0的自然数；
所述隔离型直流变换器包括一个输入端口和一个输出端口，其中输入端口与输出端口是电气隔离的，所述N级串并联切换电路包括2N个输入端口和一个输出端口；
每个隔离型直流变换器的输入端口相互并联并连接直流输入源，每个隔离型直流变换器的输出端口分别依次与N级串并联切换电路的输入端口连接，N级串并联切换电路的输出端口连接负载。
2.根据权利要求1所述的输出电压宽范围可调的恒功率直流供电***，其中N级串并联切换电路由1～N级串并联切换单元级联连接构成，所述串并联切换单元包括两个输入端口(输入端口1和输入端口2)和一个输出端口，所述串并联切换单元由第一辅助开关管(Sa1)、第一辅助二极管(Da1)和第二辅助二极管(Da2)组成；
所述串并联切换单元中第一辅助开关管(Sa1)的漏极连接于输入端口1的正端和第一辅助二极管(Da1)的阳极，第一辅助二极管(Da1)的阴极连接于输入端口2的正端和输出端口的正端，第一辅助开关管(Sa1)的源极连接于输入端口2的负端和第二辅助二极管(Da2)的阴极，第二辅助二极管(Da2)的阳极连接于输入端口1的负端和输出端口的负端；
所述N级串并联切换电路中第1级串并联切换单元的输入端口连接于所述输出电压宽范围可调的恒功率直流供电***中隔离型直流变换器的输出端口；所述N级串并联切换电路中第k级串并联切换单元的输入端口连接于第k-1级串并联切换单元的输出端口，k为大于1、小于等于N的自然数。
3.根据权利要求1所述的输出电压宽范围可调的恒功率直流供电***，其中串并联切换单元的第二种实现方式：由第一辅助开关管(Sa1)、第二辅助开关管(Sa2)和第三辅助开关管(Sa3)组成；
所述的第二种实现方式中第一辅助开关管(Sa1)的漏极连接于输入端口1的正端和第二辅助开关管(Sa2)的源极，第二辅助开关管(Sa2)的漏极连接于输入端口2的正端和输出端口的正端，第一辅助开关管(Sa1)的源极连接于输入端口2的负端和第三辅助开关管(Sa3)的漏极，第三辅助开关管(Sa3)的源极连接于输入端口1的负端和输出端口的负端。
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