本發(fā)明涉及電力電子領(lǐng)域，尤其涉及一種基于推挽式M2DC拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的雙輸入單輸出DC-DC變換器。

背景技術(shù)：

模塊化多電平變換器在功率傳輸中已經(jīng)取得了重要應(yīng)用，是成為中壓中性點鉗制三電平變換器的旗鼓相當(dāng)?shù)奶娲?。目前交流和交流之間的鏈接存在著許多不便和隱患，故而對于直流傳輸大行其道的今天，在模塊化多電平變換器基礎(chǔ)上的DC-DC變換器更為值得研究。模塊化多電平變換器是近年來興起的變換器方式，因為其采用的模塊化的拓?fù)淇梢酝ㄟ^子模塊的數(shù)目變化來輕易調(diào)整電壓等級，在保持變換器運(yùn)行的情況下也可以順利移除故障的半橋。因為每個單元的電壓被鉗制，也不需要同步定時器來替換。模塊化多電平變換器采用帶電容的半橋或者全橋子模塊。

推挽式模塊化多電平DC-DC變換器是基于模塊化多電平變換器在DC-DC變換領(lǐng)域的一種新型拓?fù)?。它利用不同頻率間功率的正交性使得功率在直流和交流之間有了相互轉(zhuǎn)換的方法。然而現(xiàn)有技術(shù)中的DC-DC變換器均為單輸入單輸出的結(jié)構(gòu)，輸入方式單一，無法滿足額外輸入源的接入要求。比如風(fēng)力發(fā)電和太陽能發(fā)電都可以作為電源輸入時，現(xiàn)有技術(shù)僅僅只能擇一設(shè)置輸入。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明要解決的技術(shù)問題是增加多電平直流-直流變換器中輸入源的自由度，從而可以更加靈活地控制輸出端電壓，并分配潮流?？梢允褂脝屋斎耄部梢允褂秒p輸入，使得系統(tǒng)穩(wěn)定性和靈活性得以提升。本發(fā)明兩個輸入源相互獨立，互不干擾，可以使用完全不相同的電能來源進(jìn)行低壓直流輸入。比如在風(fēng)力發(fā)電和太陽能發(fā)電都可以作為電源輸入時使用兩個輸入源，充分利用了現(xiàn)有能源并單一輸出。

本發(fā)明基于推挽式M2DC拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)提供了一種雙輸入單輸出DC-DC變換器，包含分流橋臂、第一低壓電壓源、第二低壓電壓源、高壓側(cè)電感、第一低壓側(cè)電感、第二低壓側(cè)電感、高壓輸出負(fù)載；

所述分流橋臂包括相互串聯(lián)的頂端分流子模塊組、上部底端分流子模塊組、下部底端分流子模塊組；兩個所述橋臂的頂端分流子模塊組的與上部底端分流子模塊組相連的一端通過所述第一低壓側(cè)電感相連，另一端通過所述高壓側(cè)電感相連，兩個所述橋臂的下部底端分流子模塊組與上部底端分流子模塊組相連的一端通過所述第二低壓側(cè)電感相連，另一端直接相連；

所述高壓側(cè)電感中心抽頭和地之間接入所述高壓輸出負(fù)載，

所述第一低壓側(cè)電感和所述第二低壓側(cè)電感的中心抽頭之間接入所述第一低壓電壓源，

和/或所述第二低壓側(cè)電感中心抽頭與地之間接入所述第二低壓電壓源，所述第一低壓電壓源和所述第二低壓電壓源相互獨立；

兩條所述分流橋臂組成了次要功率環(huán)，用以承載交流分量在環(huán)中分配功率以形成分壓均衡，所述分流橋臂和高壓輸出負(fù)載形成首要功率環(huán)，用以傳輸直流功率。

作為一種優(yōu)化方案，所述頂端分流子模塊組、上部底端分流子模塊組、下部底端分流子模塊組分別都包括：一個或多個相互串聯(lián)的帶電容半橋開關(guān)電路子模塊。

作為一種優(yōu)化方案，所述頂端分流子模塊組、上部底端分流子模塊組、下部底端分流子模塊組分別都包括：一個或多個相互串聯(lián)的帶電容的全橋電路子模塊。

作為一種優(yōu)化方案，所述頂端分流子模塊組、上部底端分流子模塊組、下部底端分流子模塊組分別都包括：一個或多個相互串聯(lián)的帶變壓器的電容全橋電路子模塊。

本發(fā)明的關(guān)鍵保護(hù)點是一種基于推挽式模塊化多電平直流變換器的雙輸入單輸出DC-DC變換器結(jié)構(gòu)。其在原來的低壓側(cè)輸入源和地之間加入了另外一個電壓源V_low1和輸入電感L_low1的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)是本發(fā)明第一次提出。能夠在保持無源功率轉(zhuǎn)換的基礎(chǔ)上，加上了新的輸入源V_low1。確認(rèn)了輸入電感在兩橋臂電流互為180°角差時，交流電流分量難以流入輸入源或者輸出源，保證一定程度上輸入輸出直流的波形，并且從原理上確認(rèn)了兩個輸入源V_low1、V_low2的相互獨立性。本發(fā)明提出的一種新的雙輸入單輸出DC-DC變換器，該方法基于推挽式M2DC拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，通過該結(jié)構(gòu)基于電壓、電流疊加定理，通過增加額外的擁有獨立性的電壓源以靈活控制輸入電壓的。并通過篩選控制方案，取得良好的控制效果。

附圖說明

圖1是本發(fā)明實現(xiàn)的雙輸入單輸出DC-DC變換器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)；

圖2為本發(fā)明變換器拓?fù)渲械淖幽K具體結(jié)構(gòu)；

圖3是本發(fā)明變換器功率流動示意；

圖4是本發(fā)明變換器子模塊的等效原理；

圖5(a)及5(b)是本發(fā)明變換器使用的控制框圖；

圖6(a)、6(b)、6(c)、6(d)及6(e)分別是本發(fā)明變換器輸出電壓波形圖、第一低壓電壓源電壓波形圖、第一低壓電壓源濾波電壓波形圖、第二低壓電壓源電壓波形圖及第二低壓電壓源濾波電壓波形圖。

圖中：V_low1-第一低壓電壓源、V_low2-第二低壓電壓源、L_high-高壓側(cè)電感、L_low1-第一低壓側(cè)電感、L_low2-第二低壓側(cè)電感、V_high-高壓輸出負(fù)載。

具體實施方式

下文結(jié)合附圖以具體實施例的方式對本發(fā)明進(jìn)行詳細(xì)說明。以下實施例將有助于本領(lǐng)域的技術(shù)人員進(jìn)一步理解本發(fā)明，但不以任何形式限制本發(fā)明。應(yīng)當(dāng)指出的是，還可以使用其他的實施例，或者對本文列舉的實施例進(jìn)行結(jié)構(gòu)和功能上的修改，而不會脫離本發(fā)明的范圍和實質(zhì)

本發(fā)明提供了一種基于推挽式模塊化多電平DC-DC拓?fù)涞碾p輸入單輸出DC-DC變換器，其包含至少一個獨立于推挽式模塊化多電平DC-DC變換器輸入端的低壓電壓源和用以連接額外電壓源和原先電壓源的耦合電感，以及通過電感與額外電壓源并聯(lián)，和原本兩個橋臂相串聯(lián)的分流子模塊串。如圖1和圖2所示，一種雙輸入單輸出DC-DC變換器，包含分流橋臂、第一低壓電壓源V_low1、第二低壓電壓源V_low2、高壓側(cè)電感L_high、第一低壓側(cè)電感L_low1、第二低壓側(cè)電感L_low2、高壓輸出負(fù)載V_high；

所述分流橋臂包括相互串聯(lián)的頂端分流子模塊組、上部底端分流子模塊組、下部底端分流子模塊組；兩個所述橋臂的頂端分流子模塊組的與上部底端分流子模塊組相連的一端通過所述第一低壓側(cè)電感相連，另一端通過所述高壓側(cè)電感相連，兩個所述橋臂的下部底端分流子模塊組與上部底端分流子模塊組相連的一端通過所述第二低壓側(cè)電感相連，另一端直接相連；

所述高壓側(cè)電感中心抽頭和地之間接入所述高壓輸出負(fù)載，

所述第一低壓側(cè)電感和所述第二低壓側(cè)電感的中心抽頭之間接入所述第一低壓電壓源，

和/或所述第二低壓側(cè)電感中心抽頭與地之間接入所述第二低壓電壓源，所述第一低壓電壓源和所述第二低壓電壓源相互獨立；

兩條所述分流橋臂組成了次要功率環(huán)，用以承載交流分量在環(huán)中分配功率以形成分壓均衡，所述分流橋臂和高壓輸出負(fù)載形成首要功率環(huán)，用以傳輸直流功率。

作為一種優(yōu)化方案，所述頂端分流子模塊組、上部底端分流子模塊組、下部底端分流子模塊組分別都包括：一個或多個相互串聯(lián)的帶電容半橋開關(guān)電路子模塊。

作為一種優(yōu)化方案，所述頂端分流子模塊組、上部底端分流子模塊組、下部底端分流子模塊組分別都包括：一個或多個相互串聯(lián)的帶電容的全橋電路子模塊。

作為一種優(yōu)化方案，所述頂端分流子模塊組、上部底端分流子模塊組、下部底端分流子模塊組分別都包括：一個或多個相互串聯(lián)的帶變壓器的電容全橋電路子模塊。

作為一種實施例，所述雙輸入單輸出DC-DC變換器的制作包括以下步驟：

S100:選取如圖2帶電容半橋開關(guān)電路作為子模塊，其他可用的子模塊還有帶電容的全橋結(jié)構(gòu)和帶變壓器的電容全橋結(jié)構(gòu)等。圖2所示的結(jié)構(gòu)為經(jīng)典的帶電容半橋開關(guān)電路結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)在

S200:將這些子模塊分為左右兩個橋臂，串聯(lián)連接后進(jìn)行并聯(lián)。上端1-N個子模塊記為1/2SM₁、…、1/2SM_N，其稱為頂端分流子模塊。而從第N+1個子模塊到第N+M個子模塊記為1/2SM₁、…、1/2SM_M，其稱為上部底端分流子模塊。接下來的K個子模塊記為1/2SM₁、…、1/2SM_K，稱為下部底端分流子模塊。

S300:將兩個橋臂的兩個頂端分流子模塊通過高壓側(cè)電感相連，兩個上部底端分流子模塊通過第一低壓側(cè)電感相連，兩個下部分流子模塊通過第二低壓側(cè)電感相連，并將其下部直接相連。

S400:在高壓側(cè)電感中心抽頭和地之間接入高壓輸出負(fù)載，在低壓側(cè)電感中心抽頭之間、第二低壓側(cè)電感中心抽頭與地之間接入第一低壓電壓源和第二低壓電壓源。本實施例中可以接入所述第一低壓電壓源、第二低壓電壓源中任一個，另一個短接；也可以第一低壓電壓源、第二低壓電壓源都接入。

S500:兩條橋臂組成了次要功率環(huán)，用以承載交流分量在環(huán)中分配功率以形成分壓均衡。橋臂和高壓輸出負(fù)載成為首要功率環(huán)，用以傳輸直流功率。最終形成如圖1所示的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖。

如圖3所示，直流端的第一低壓電壓源V_low1、第二低壓電壓源V_low2是可選擇任一或兩個都接入的輸入端。第一低壓電壓源的輸入電流向上流動，從第一低壓側(cè)電感分為左右兩路。

P_total＝P_low＝P_high (1)

P_low＝V_lowI_low (2)

P_high＝V_highI_high (3)

由式(1)到式(3)可以知道，高壓側(cè)電流小于低壓側(cè)電流。根據(jù)基爾霍夫電流定律可知，上部底端分離路子模塊必然有直流電流通過，其方向與圖中所示方向相反。又因為高壓側(cè)電流的方向與圖中相同，故而頂端子模塊兩端都應(yīng)有向上的直流分量。其方向與圖示方向相同。

根據(jù)底端子模塊的電壓和直流電流的非一致性(電壓與電流方向相反)，底端子模塊將從直流輸入電源獲取功率。然而在考慮無損的情況下，輸入功率應(yīng)該完全傳輸?shù)捷敵龆?。故而，無論是底端模塊還是頂端模塊，其在穩(wěn)定的運(yùn)行中，流通這些子模塊的功率應(yīng)該為零。根據(jù)推斷容易得到，當(dāng)系統(tǒng)處于穩(wěn)定狀態(tài)下，其電容上的電壓應(yīng)為穩(wěn)定值，即為充電平衡狀態(tài)。流進(jìn)子模塊的次要功率和首要功率之和應(yīng)為零。故而從這個角度說，由于次要功率環(huán)的存在，流通于其環(huán)中的交流功率將底端子模塊吸收的直流功率傳輸?shù)搅隧敹俗幽K，并且經(jīng)由高壓側(cè)電感送向輸出端。由式(4)可以得知這部分能量的大小。

P_sec＝P_total-V_lowI_high (4)

對于下部底端分流子模塊，是同樣的道理。

如圖4，為了簡化模型，將另一條橋臂忽略不看，實際上因為對稱性的緣故，在不考慮交流成分的情況下，單只一條橋臂也可以進(jìn)行分析。

在雙輸入的情況下，有：

P_total＝P_low1+P_low2＝P_high (5)

由圖上可得：

I_low1＝I_high+I₁ (6)

已知高壓側(cè)電流是直接到達(dá)輸出端的電流。直接從輸入端1V_low1到達(dá)輸出端的能量為輸入端1電壓和高壓側(cè)電流的乘積。但與之不同的是，在輸入端1V_low1之下還有輸入端2V_low2，它所提供的能量也應(yīng)在考慮中的。

根據(jù)疊加定理可以知道，當(dāng)只考慮輸入源2V_low2時，輸入源1可以視為短路。故而可以看出，輸入源1所并聯(lián)的上部底端分流子模塊上不會有來自于輸入源2V_low2的電流通過。所以，從功率的角度判斷，輸入源2經(jīng)過輸入源1到達(dá)輸出側(cè)的電流所攜帶的功率就是輸入源2V_low2直接提供的功率。易知，其值為輸入端2電壓和高壓側(cè)電流的乘積。

因此，可以得到：

P_sec＝P_total-V_low1I_high-V_low2I_low1＝V_low1I₁-V_low2I₂ (7)

可以看出，次要功率環(huán)依然可以起到作用。而式(7)也表明了其中兩個底端分流子模塊同樣成為次要功率環(huán)運(yùn)行。

如圖4，單看底端子模塊和輸入端電源以及耦合電感，可以將其近似地視為一個升壓斬波電路。

由于子模塊中的上、下橋臂IGBT的開關(guān)時機(jī)為互補(bǔ)，故而在實際Boost電路中，上橋臂IGBT可以忽略，僅由其并聯(lián)反接二極管代替(此時不考慮電容放電過程)。由于電感在一個周期中的平均功率為零，故而其平均電壓為零，可以得到，電容電壓V_{C_bottom}近似地可以看成是和底端子模塊輸出電壓V_{bottom_left}有以下關(guān)系：

V_{bottom_left}＝D·V_{C_bottom} (8)

其中D是上橋臂IGBT的開關(guān)占空比。

然而，因為式中V_{bottom_left}指的是底端子模塊電壓的直流分量，而實際上，v_{bottom_left}中應(yīng)含有次要功率環(huán)頻率的交流分量，以及開關(guān)開合之間形成的高頻分量。故而這些應(yīng)納入考慮。

如圖5(a)，經(jīng)過相加的兩個參考電壓分量,生成的即是整個底端分流子模塊的參考電壓。將此值和測量出的實時子模塊輸出電壓比較得到底端子模塊電壓的偏差量。由此，經(jīng)過PI控制器的調(diào)節(jié)，從而得到整個IGBT開關(guān)的占空比。當(dāng)然，因為子模塊中上下橋臂的IGBT開關(guān)是互補(bǔ)的，故而，只需要得到一個占空比即可。

由控制框圖可以得知，在底端分流子模塊交流參考電壓的生成環(huán)節(jié)實際上是對子模塊電容電壓的控制，即為次要功率環(huán)的控制環(huán)節(jié)。而對于直流參考電壓的生成環(huán)節(jié)來說，就是對首要功率環(huán)，即子模塊輸出電壓的控制——對于底端分流子模塊來說，輸出電壓的平均值是等同于輸入電壓源電壓V_low——從圖中可以看出，因為輸入電壓源的恒定，故而，不需要對其進(jìn)行采樣分析來影響底端分流子模塊的作用。從這一點來說，頂端分流子模塊是更加復(fù)雜和困難的。

由于電容電壓是由輸入電壓源經(jīng)過Boost電路升壓之后的效果，故而相比于會高得多。所以在選擇元件的時候，需要注意IGBT可能承受的是電容的高電壓。值得一提的是，底端分流子模塊輸出端(即下橋臂IGBT兩端)電壓在電容電壓和零電壓之間波動。這樣的電壓值是不能夠直接與生成的參考值相互比較的。因此，在控制環(huán)節(jié)內(nèi)，需要對采樣的測量值進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。本文的仿真通過模擬低通濾波器對此信號進(jìn)行處理?？梢灶A(yù)見，因為經(jīng)過濾波的電壓波形不會出現(xiàn)零電壓，故而此波形的峰值將遠(yuǎn)低于開關(guān)測量出的，亦即是說，濾波之后的電壓峰值將不等于電容電壓。

對于頂端分流子模塊來說，除了與底端分流子模塊相近的均壓措施外，還需要根據(jù)所需的高壓側(cè)電壓對其輸出電壓進(jìn)行控制。其控制框如圖5(b)?？梢钥闯?，除去參考電壓直流分量的生成，頂端分流子模塊的IGBT控制與底端分流子模塊沒有太大的區(qū)別。而直流分量的生成是控制整個系統(tǒng)電路成功與否的關(guān)鍵所在。通過期望的輸出端高電平和測量出的實際值相比較，從而得出其偏差的大小，再控制參考值的直流分量來完成對誤差的調(diào)節(jié)。這也符合本文原來的設(shè)想——由首要頻率(直流分量，即零頻率分量)來控制輸出電壓，而由次要頻率(即交流頻率，可以由自己控制)來控制電容的均壓。實際上從圖中可知，電容電壓的控制是由每個控制環(huán)單獨控制的，這種方法在模塊化多電平變換器控制電路中廣泛使用。因為頂端分流子模塊參數(shù)相同的緣故，為了使其都可以正常運(yùn)行，故而每個電容電壓的參考值都是其輸出電壓減去輸入電壓之差和子模塊數(shù)目的比值。

在設(shè)定了輸入輸出電壓、電容電壓參考值、電感參數(shù)等等電路參數(shù)后，系統(tǒng)電路可以穩(wěn)定運(yùn)行。其輸出電壓應(yīng)為密集的低頻率正弦電壓波形與高頻鋸齒波形組成，更為集中的是零電壓的開關(guān)波形。在這種波形下，模塊輸出電壓與其模塊上的電容電壓基本吻合，而在經(jīng)過濾波之后，模塊輸出電壓會遠(yuǎn)小于電容電壓，但波形是比較平滑的正弦波和鋸齒波合成。電容電壓應(yīng)是一段波動幅度很小的波形。而輸出電流和輸出電壓應(yīng)基本穩(wěn)定在所預(yù)設(shè)的參數(shù)上。

為了簡單起見，本文的仿真采用表1中電壓升比為3.3的數(shù)據(jù)——即頂端分流子模塊數(shù)目左右橋總數(shù)為4，而底端分流子模塊左右橋的總數(shù)為2。所使用的仿真參數(shù)如下表所示：

表1推挽式M2DC仿真參數(shù)

仿真結(jié)果于附圖6(a)、6(b)、6(c)、6(d)及6(e)展示出來。

本發(fā)明仿真案例只是用于幫助闡述本發(fā)明。仿真案例并沒有詳盡敘述所有的細(xì)節(jié)，也不限制該發(fā)明僅為所述的具體實施方式。顯然，根據(jù)本說明書的內(nèi)容，可作很多的修改和變化。本說明書選取并具體描述這些實施例，是為了更好地解釋本發(fā)明的原理和實際應(yīng)用，從而使所屬技術(shù)領(lǐng)域技術(shù)人員能很好地利用本發(fā)明。本發(fā)明僅受權(quán)利要求書及其全部范圍和等效物的限制。

以上所述僅為本發(fā)明的較佳實施例，本領(lǐng)域技術(shù)人員知悉，在不脫離本發(fā)明的精神和范圍的情況下，可以對這些特征和實施例進(jìn)行各種改變或等同替換。另外，在本發(fā)明的教導(dǎo)下，可以對這些特征和實施例進(jìn)行修改以適應(yīng)具體的情況及材料而不會脫離本發(fā)明的精神和范圍。因此，本發(fā)明不受此處所公開的具體實施例的限制，所有落入本申請的權(quán)利要求范圍內(nèi)的實施例都屬于本發(fā)明的保護(hù)范圍。