一种可自动均压的多相输入串联输出并联双有源桥变换器

1.本发明涉及电力电子变换器技术领域，特别涉及一种可自动均压的多相输入串联输出并联双有源桥变换器。


背景技术：

2.近年来，电力电子系统中的变换器正朝着大功率、集成化、低成本、高功率密度以及高效率等方向发展。双有源桥变换器具备功率双向传输、电气隔离、高变比升降压、易于实现软开关控制等诸多优点，并能通过串并联组合实现多重模块化方案，已发展成为新能源发电、电动汽车、航空航天、不间断电源、直流配电系统等场合的大功率并联开关电源的核心拓扑之一。在输入高压场合，输入串联输出并联双有源桥变换器可以有效提升系统功率容量，降低功率管应力，因此被广泛应用。然而，在实际电路中，各模块的串联电感等参数无法保证完全一致，会导致子模块输入电压或输出电流的不均衡，从而引发部分模块的电压、电流应力过高等严重问题。现有的方案多是采用电压传感器来实现多相输入并联输出并联双有源桥变换器的输入均压。因此，需要大量的电压传感器和采样调理电路，不仅增加了系统的成本和体积，也降低了系统可靠性。


技术实现要素：

3.基于上述技术问题，本发明的目的在于提供一种xxx，其实具备有结构合理、实现方便、通用性好，系统集成度高、成本低等诸多优点。
4.为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：
5.一种可自动均压的多相输入串联输出并联双有源桥变换器，包括：
6.由n个双有源桥式变换器pn并联组成，n的数量大于等于二；
7.即包括：第1相双有源桥式变换器p1，第2相双有源桥式变换器p2，
…
，第n相双有源桥式变换器pn；
8.第1相双有源桥式变换器p1，包括第一开关电路s11、第1串联电感l1、第1隔离型变压器t1、第二开关电路s12以及变换器直流端口侧电容c11、c12；所述第1串联电感l1和第1隔离变压器t1的原边绕组n
p1
串联；所述第一开关电路s11具有输入端口1-1和输出端口1-2，所述第二开关电路s12具有输入端口1-3和输出端口1-4；
9.第2相双有源桥式变换器p2，包括第一开关电路s21、第2串联电感l2、第2隔离型变压器t2、第二开关电路s22以及变换器直流端口侧电容c21、c22；所述第2串联电感l2和第2隔离变压器t2的原边绕组n
p2
串联；所述第一开关电路s11具有输入端口2-1和输出端口2-2，所述第二开关电路s22具有输入端口2-3和输出端口2-4；
10.第n相双有源桥式变换器pn，包括第一开关电路sn1、第n串联电感ln、第n隔离型变压器tn、第二开关电路sn2以及变换器直流端口侧电容cn1、cn2，所述第n串联电感ln和第n隔离变压器tn的原边绕组n
pn
串联，所述第一开关电路sn1具有输入端口n-1和输出端口n-2，所述第二开关电路sn2具有输入端口n-3和输出端口n-4；
11.对于第n相输入串联输出并联双有源桥变换器，所述第1隔离型变压器t1具有n个相同的副边绕组，包括第1副边绕组n
s11
、第2副边绕组n
s12
、第n副边绕组n
s1n
；所述第2隔离型变压器t2具有n个相同的副边绕组，包括第1副边绕组n
s21
、第2副边绕组n
s22
、第n副边绕组n
s2n
；所述第n隔离型变压器tn具有n个相同的副边绕组，包括第一副边绕组n
sn1
、第二副边绕组n
sn2
、第n副边绕组n
snn
；
12.所述第1副边绕组n
s11
、第1副边绕组n
s21
与第1副边绕组n
sn1
串联连接，所述第2副边绕组n
s12
、第2副边绕组n
s22
和第2副边绕组n
sn2
串联连接，所述第n副边绕组n
s1n
、第n副边绕组n
s2n
与第n副边绕组n
snn
串联连接；将第1隔离型变压器t1中的第1副边绕组n
s11
、第2副边绕组n
s12
和第n副边绕组n
s1n
的同名端连接在一起，连接点为p ；将第n隔离型变压器tn中的第1副边绕组n
sn1
、第2副边绕组n
sn2
和第n副边绕组n
snn
连接在一起，连接点为n-；
13.将p 和n-同时连接到每相变换器第二开关电路s12、第二开关电路s22、第二开关电路s2n的输入端口1-3、2-3和n-3，形成一种可自动均压的多相输入串联输出并联双有源桥变换器。
14.优选的，第一开关电路s11、第一开关电路s21、
…
、第一开关电路sn1开关时序相同，第二开关电路s12、第二开关电路s22、
…
、第二开关电路sn2开关时序相同；
15.在同一时刻，所述每相变换器电流流过第第1串联电感l1、第2串联电感l2、第n串联电感ln方向相同；
16.第一开关电路sn1与第二开关电路sn2之间存在移相占空比d2，所述移相占空比d2用于控制变换器功率大小和功率流动方向。
17.优选的，所述第一开关电路s11、第一开关电路s21、
…
、第一开关电路sn1内部存在内移相占空比d1，所述第二开关电路s12、第二开关电路s22、
…
、第二开关电路sn2内部存在内移相占空比d3，可通过调节内移相占空比d1和内移相占空比d2进一步提高变换器运行效率。
18.与现有技术相比，本发明的有益效果是：
19.1.本发明在传统的多相输入串联输出并联双有源桥变换器基础上，将隔离变压器改变为副边多绕组结构，通过串联连接第1副边绕组n
s11
、第1副边绕组n
s21
与第1副边绕组n
sn1
，利用绕组间反向耦合机理实现第1副边绕组n
s21
、第2副边绕组n
s22
、第n副边绕组n
s2n
电流相同，通过串联连接第一副边绕组n
sn1
、第二副边绕组n
sn2
、第n副边绕组n
snn
，利用绕组间反向耦合机理实现第一副边绕组n
sn1
、第二副边绕组n
sn2
、第n副边绕组n
snn
电流相同；每相变换器的隔离变压器在匝数比相同的情况下，副边绕组电流和电压相同，隔离变压器原边绕组电压和电流相同。从而，间接实现多相输入串联输出并联双有源桥变换器的自动均压。
20.2.第一开关电路和第二开关电路开关时序相同，不会影响到多相输入并联输出并联双有源全桥变换器的工作原理的分析和电感等参数的设计。所提供的方案没有引入任何额外的电路器件，也不需要加入复杂的控制方法，且均流效果好。
附图说明
21.为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前
提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
22.图1为本发明提供的一种可自动均压的多相输入串联输出并联双有源桥变换器结构示意图；
23.图2为本发明提供的一种可自动均压的多相输入串联输出并联双有源全桥变换器实施例一；
24.图3为未采用本发明方法时，三相输入串联输出并联双有源全桥变换器的输入电压v
11
、v
21
、v
31
仿真波形；
25.图4是为采用本发明方法时，三相输入串联输出并联双有源全桥变换器的输入电压v
11
、v
21
、v
31
仿真波形；
26.图5为传统的三相输入串联输出并联双有源全桥变换器；
27.图6是未采用本发明方法时，三相输入并联输出并联双有源全桥变换器的电感电流i
11
、i
21
、i
31
电感电流仿真波形；
28.图7是采用本发明方法时，三相输入并联输出并联双有源全桥变换器的电感电流i
11
、i
21
、i
31
电感电流仿真波形。
29.图中的vp，vs是多相输入并联输出并联双有源桥变换器的直流侧端口总电压。v
11
、v
21
、v
n1
是各相变换器的输入电压。i
11
、i
21
、i
31
为三相输入并联输出并联双有源全桥变换器各子模块的电感电流。
具体实施方式
30.下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
31.请参阅图1至图7，本发明提供一种技术方案：
32.本发明的整体构思为：在传统的多相输入串联输出并联双有源桥变换器基础上，将隔离变压器改变为副边多绕组结构，通过串联连接所述第1副边绕组n
s11
、第1副边绕组n
s21
与第1副边绕组n
sn1
，利用绕组间反向耦合机理实现第1副边绕组n
s21
、第2副边绕组n
s22
、第n副边绕组n
s2n
电流相同，通过串联连接第一副边绕组n
sn1
、第二副边绕组n
sn2
、第n副边绕组n
snn
，利用绕组间反向耦合机理实现第一副边绕组n
sn1
、第二副边绕组n
sn2
、第n副边绕组n
snn
电流相同；每相变换器的隔离变压器在匝数比相同的情况下，副边绕组电流和电压相同，隔离变压器原边绕组电压和电流相同。从而，间接实现多相输入串联输出并联双有源桥变换器的自动均压。
33.图1为本发明提供的一种可自动均压的多相输入串联输出并联双有源桥变换器结构示意图；
34.一种可自动均压的多相输入串联输出并联双有源桥变换器，包括：
35.由n个双有源桥式变换器pn并联组成，n的数量大于等于二；
36.即包括：第1相双有源桥式变换器p1，第2相双有源桥式变换器p2，
…
，第n相双有源桥式变换器pn；
37.第1相双有源桥式变换器p1，包括第一开关电路s11、第1串联电感l1、第1隔离型变
压器t1、第二开关电路s12以及变换器直流端口侧电容c11、c12；第1串联电感l1和第1隔离变压器t1的原边绕组n
p1
串联；的第一开关电路s11具有输入端口1-1和输出端口1-2，的第二开关电路s12具有输入端口1-3和输出端口1-4；
38.第2相双有源桥式变换器p2，包括第一开关电路s21、第2串联电感l2、第2隔离型变压器t2、第二开关电路s22以及变换器直流端口侧电容c21、c22；的第2串联电感l2和第2隔离变压器t2的原边绕组n
p2
串联；的第一开关电路s11具有输入端口2-1和输出端口2-2，的第二开关电路s22具有输入端口2-3和输出端口2-4；
39.第n相双有源桥式变换器pn，包括第一开关电路sn1、第n串联电感ln、第n隔离型变压器tn、第二开关电路sn2以及变换器直流端口侧电容cn1、cn2，第n串联电感ln和第n隔离变压器tn的原边绕组n
pn
串联，第一开关电路sn1具有输入端口n-1和输出端口n-2，第二开关电路sn2具有输入端口n-3和输出端口n-4；
40.对于第n相输入串联输出并联双有源桥变换器，第1隔离型变压器t1具有n个相同的副边绕组，包括第1副边绕组n
s11
、第2副边绕组n
s12
、第n副边绕组n
s1n
；第2隔离型变压器t2具有n个相同的副边绕组，包括第1副边绕组n
s21
、第2副边绕组n
s22
、第n副边绕组n
s2n
；第n隔离型变压器tn具有n个相同的副边绕组，包括第一副边绕组n
sn1
、第二副边绕组n
sn2
、第n副边绕组n
snn
；
41.第1副边绕组n
s11
、第1副边绕组n
s21
与第1副边绕组n
sn1
串联连接，第2副边绕组n
s12
、第2副边绕组n
s22
和第2副边绕组n
sn2
串联连接，第n副边绕组n
s1n
、第n副边绕组n
s2n
与第n副边绕组n
snn
串联连接；将第1隔离型变压器t1中的第1副边绕组n
s11
、第2副边绕组n
s12
和第n副边绕组n
s1n
的同名端连接在一起，连接点为p ；将第n隔离型变压器tn中的第1副边绕组n
sn1
、第2副边绕组n
sn2
和第n副边绕组n
snn
连接在一起，连接点为n-；
42.将p 和n-同时连接到每相变换器第二开关电路s12、第二开关电路s22、第二开关电路s2n的输入端口1-3、2-3和n-3，形成一种可自动均压的多相输入串联输出并联双有源桥变换器。
43.以正向功率传输为例，各相变换器自动均压的机理是：通过串联连接第1副边绕组n
s11
、第1副边绕组n
s21
与第1副边绕组n
sn1
，利用绕组间反向耦合机理实现第1副边绕组n
s21
、第2副边绕组n
s22
、第n副边绕组n
s2n
电流相同，通过串联连接第一副边绕组n
sn1
、第二副边绕组n
sn2
、第n副边绕组n
snn
，利用绕组间反向耦合机理实现第一副边绕组n
sn1
、第二副边绕组n
sn2
、第n副边绕组n
snn
电流相同；每相变换器的隔离变压器在匝数比相同的情况下，副边绕组电流和电压相同，隔离变压器原边绕组电压和电流相同。从而，间接实现多相输入串联输出并联双有源桥变换器的自动均压。
44.所述多相输入串联输出并联双有源桥变换器，自动均压机理在于：每一相双有源桥式变换器的第1副边绕组、第2副边绕组、第n副边绕组电流之和相等，实现输出均流；同时各相双有源桥式变换器输出端并联连接，输出电压相同，因此输出端实现功率均分；所述的多相输入串联输出并联双有源桥变换器，输入端串联，因此输入电流相等；结合输出端功率均分，各相双有源桥式变换的输入电压必然相等，即实现自动均压。
45.作为本发明的一种具体实施方式，第一开关电路s11、第一开关电路s21、
…
、第一开关电路sn1开关时序相同，第二开关电路s12、第二开关电路s22、
…
、第二开关电路sn2开关时序相同；
46.在同一时刻，每相变换器电流流过第第1串联电感l1、第2串联电感l2、第n串联电感ln方向相同；
47.第一开关电路sn1与第二开关电路sn2之间存在移相占空比d2，移相占空比d2用于控制变换器功率大小和功率流动方向。
48.作为本发明的一种具体实施方式，第一开关电路s11、第一开关电路s21、
…
、第一开关电路sn1内部存在内移相占空比d1，第二开关电路s12、第二开关电路s22、
…
、第二开关电路sn2内部存在内移相占空比d3，可通过调节内移相占空比d1和内移相占空比d2进一步提高变换器运行效率。
49.由附图3和附图4可见，为未采用本发明下，传统的(附图5)三相输入串联输出并联双有源全桥变换器的输入电压v
11
、v
21
、v
31
仿真波形差别巨大，非常的不均衡，均压误差达到了11.2％。而采用本发明时，三相输入串联输出并联双有源全桥变换器的输入电压v
11
、v
21
、v
31
仿真波形差别很小，非常均衡，均压误差小于1％。
50.由附图6和附图7可见，在未采用本发明下，传统的(附图5)三相输入并联输出并联双有源全桥变换器的电感电流i
11
、i
21
、i
31
电感电流仿真波形差别巨大，非常的不均衡，均流误差达到了14.2％。而采用本专利所提出的方法后，三相输入并联输出并联变换器的电感电流i
11
、i
21
、i
31
电感电流仿真波形差别很小，非常均衡，均流误差小于1％。
51.仿真参数为：vp＝330v，vs＝125v，l1＝2.0μh，l2＝1.8μh，l3＝1.5μh，传输功率12kw，开关频率50khz。
52.最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。