专利名称：一种循环交叉整流的多个模块组合变换器的制作方法
技术领域：
本发明属于电力电子技术领域，尤其涉及一种循环交叉整流的多个直流变换器模块并联组合变换器。
背景技术：
随着科学技术的发展，电源系统的电压、电流等级显著提高，对电源系统的容量、 功率密度及可靠性要求也越来越高。在输入输出电压较低，电流等级较大的场合，输入并联输出并联(input-parallel-output-paralleLIPOP)组合方式得到了广泛的应用。这种连接方式降低了单个模块的功率等级及模块电路中功率开关管的电流应力，可选用较高频的开关管，减少电路的EMI辐射。另外，通过交错控制可以使各个模块电路的输入输出纹波相互抵消，进而减小相应滤波器的体积。但是，在多个模块并联的应用场合，由于各个模块的参数差异，可能出现某些模块输出电流大、某些模块输出电流小甚至没有输出的情况，分担电流多的变换器模块相对于其它模块承担着更大的电流应力和热应力，容易出故障及老化，从而降低了整个变换器的可靠性和效率。因此考虑并联组合变换器各个模块之间的均流有很高的重要性。现有的并联均流技术有很多种，主要有下垂法和有源均流法两大类。尤其是有源均流法有很多弊端它们需检测各个模块的电流，采样的准确性对系统均流影响很大，而采样的准确性受采样电路元件寄生参数及采样电路寿命的影响；有的控制方式需要均流母线，而在均流母线故障或受到干扰时可能会使整个系统不能正常工作；均流控制器使整个系统的控制环节复杂化，导致控制系统设计难度加大。
发明内容
本发明的目的在于针对现有技术的不足，提供一种循环交叉整流的多个模块组合变换器，本发明不需对模块电流进行采样或添加均流环就能够实现多模块并联自然均流。为实现上述目的，本发明所采取的技术方案是一种循环交叉整流的多个模块组合变换器，它由若干模块相连组成，每个模块由桥式电路、高频隔离变压器、整流电路和电感依次相连组成；各模块的桥式电路的输入端之间并联，各电感的输出端并联。进一步地，所述桥式电路为全桥桥式电路或半桥桥式电路。进一步地，所述桥式电路为全桥桥式电路，所述变换器还包括一隔直电容，该隔直电容接在全桥桥式电路任一桥臂与高频隔离变压器的原边之间。进一步地，所述整流电路为全桥整流电路或全波整流电路。进一步地，所述整流电路为全桥整流电路，高频隔离变压器的原边和副边均为单绕组，该全桥整流电路包括四个整流二极管Dla-Dld，其中，整流二极管Dla的阳极与整流二极管Dlc;的阴极相连，构成一桥臂，整流二极管Dlb的阳极与整流二极管Dld的阴极相连，构成另一桥臂，整流二极管D1。的阳极与整流二极管Dld的阳极相连并接地，两个桥臂的中点接高频隔离变压器的副边，定义整流二极管Dla的阴极为全桥整流电路的第一输出端口，整流二极管Dlb的阴极为全桥整流电路的第二输出端口 ；各模块的全桥整流电路的第一输出端口接该模块的电感，各模块的全桥整流电路的第二输出端口接下一个模块的电感，最后一个模块的全桥整流电路的第二输出端口接第一个模块的电感。进一步地，所述整流电路为全波整流电路，高频隔离变压器的原边单绕组，副边双绕组且带中心抽头，该全波整流电路包括三个二极管D11-D13, 二极管D11和二极管D12的阳极分别接高频隔离变压器副边，二极管D13的阳极接高频隔离变压器的中心抽头并接地，二极管D13的阴极接二极管D11的阴极；定义二极管D11的阴极为全波整流电路的第一输出端口， 二极管D12的阴极为全波整流电路的第二输出端口 ；各模块的全波整流电路的第一输出端口接该模块的电感，各模块的全波整流电路的第二输出端口接下一个模块的电感，最后一个模块的全波整流电路的第二输出端口接第一个模块的电感。与现有技术相比，本发明的有益效果是多个桥式变换器并联，能提高整个系统功率等级，减小模块电路中开关器件的电流应力，易于实现高频化。同传统并联桥式电路相比，仅改变了变压器副边整流二极管的连接方式，附加器件少；利用模块的循环交叉整流来消除模块参数不一致造成的输出滤波电感电流不均衡，即利用半桥电路的桥臂电容或全桥电路添加的隔直电容来动态调节整流输出电压，强制两输出滤波电感均流。该组合变换器实现自然均流，不需要对每个模块电路进行电流采样，不需要添加均流控制环，极大地简化了控制。提高了组合变换器的功率密度和可靠性，也降低了成本。
图1为本发明组合变换器的第一种实施方式的电路原理图； 图2为本发明组合变换器的第二种实施方式的电路原理图3为本发明组合变换器的第三种实施方式的电路原理图； 图4为本发明组合变换器的第四种实施方式的电路原理图； 图5为本发明组合变换器的驱动时序图。
具体实施例方式下面根据附图和实施例详细描述本发明，本发明的目的和效果将变得更加明显。如图1所示，作为本发明的第一种实施方式，组合变换器的主电路包括三个变压器副边全桥循环交叉整流的半桥模块电路。半桥桥式电路Hpl、高频隔离变压器Tl和全桥整流电路rel构成第一个电路模块；半桥桥式电路Hp2、高频隔离变压器T2和全桥整流电路re2构成第二个电路模块；半桥桥式电路Hp3、高频隔离变压器T3和全桥整流电路re3 构成第三个电路模块；整流电路rel、re2、re3的输出循环交叉连接输出滤波电感Li、L2、 L3。由于三个电路模块的内部结构一样，为了阐述方便，下面只对其中一个电路模块的内部结构进行说明
半桥电路Hpl由开关管Q11、Q12与桥臂电容C11、C12组成，开关管Q11、Q12为金属氧化物硅场效应晶体管(M0SFEET)，桥臂的上部MOSFET源极和下部MOSFET漏极连接，即Qll 源极和Q12漏极相连。半桥电容C11、C12串联，Cll另一端连接开关管Qll漏极，作为输入端正极，C12另一端连接开关管Q12源极，作为输入端负极。开关管组成的桥臂中点、桥臂电容组成的桥臂中点引出来作为半桥电路的输出端口，分别与高频隔离变压器Tl的原边
4端口连接。高频隔离变压器Tl的原边单绕组且副边单绕组。全桥整流电路rel由四个桥臂二极管Dla、Dlb、Dlc、Dld电路构成二极管Dlc阴极与二极管Dla阳极相连，二极管Dld 阴极与二极管Dlb阳极相连。两组桥臂二极管的连接点引出作为全桥整流电路rel的输入端口，Dla、DIb的阴极分别作为全桥整流电路re 1的两个正极输出端口 1、2，D1 c、D1 d的阳极连接，其连接点作为全桥整流电路rel的负极输出端口。全桥整流电路rel的输入端口与高频隔离变压器Tl的副边端口连接。全桥整流电路rel的正极输出端口 1连接输出滤波电感Li，全桥整流电路rel的正极输出端口 2连接第二模块的输出滤波电感L2。变压器 Tl与功率开关管Qll源极和功率开关管Q12漏极的连接点相连的端口记为端口 1，变压器 Tl与二极管Dlc阴极和二极管Dla的阳极连接点相连的端口记为端口 2，则端口 1和端口 2为变压器Tl的一组同名端。各功率开关管的栅极和源极引出来接驱动信号。功率开关管Qll使用驱动信号1， 功率开关管Q12使用驱动信号2，功率开关管Q21使用驱动信号3，功率开关管Q22使用驱动信号4，功率开关管Q31使用驱动信号5，功率开关管Q32使用驱动信号6。如图2所示，作为本发明的第二种实施方式，组合变换器的主电路包括三个变压器副边全波循环交叉整流的半桥模块电路。半桥桥式电路Hpl、高频隔离变压器Tl和全波整流电路rel构成第一个电路模块；半桥桥式电路Hp2、高频隔离变压器T2和全波整流电路re2构成第二个电路模块；半桥桥式电路Hp3、高频隔离变压器T3和全波整流电路re3构成第三个电路模块；整流电路rel、re2、re3的输出循环交叉连接至输出滤波电感Li、L2、 L3。由于三个电路模块的内部结构一样，为了阐述方便，下面只对其中一个电路模块的内部结构进行说明
半桥电路Hpl由开关管Q11、Q12与桥臂电容C11、C12组成，开关管Q11、Q12为金属氧化物硅场效应晶体管(M0SFEET)，桥臂的上部MOSFET源极和下部MOSFET漏极连接，即Qll 源极和Q12漏极相连。半桥电容C11、C12串联，Cll另一端连接开关管Qll漏极，作为输入端正极，C12另一端连接开关管Q12源极，作为输入端负极。开关管组成的桥臂中点、桥臂电容组成的桥臂中点引出来作为半桥电路的输出端口，分别与高频隔离变压器Tl的原边端口连接。高频隔离变压器Tl的原边单绕组且副边双绕组带中心抽头。全波整流电路rel 由两个整流二极管构成整流二极管Dll、D12的阳极作为整流电路的输入端口，分别连接高频隔离变压器的副边端口。二极管D13的阳极连接高频隔离变压器中心抽头，二极管D13 的阴极连接二极管Dll的阴极。整流二极管D11、D12的阴极分别作为全波整流电路rel的正极输出端口 1、2，高频隔离变压器Tl的副边中心抽头作为全波整流电路rel的负极输出端口。全波整流电路rel的正极输出端口 1连接至输出滤波电感Li，全波整流电路rel的正极输出端口 2连接至第二模块的输出滤波电感L2。高频隔离变压器Tl与功率开关管Qll 源极和功率开关管Q12漏极的连接点相连的端口记为端口 1，高频隔离变压器Tl与二极管 Dll阳极相连的端口记为端口 2，高频隔离变压器Tl与二极管D12阳极相连的端口记为端口 3，则端口 1和端口 2为高频隔离变压器Tl的一组同名端，端口 1和端口 3为高频隔离变压器Tl的一组异名端。各功率开关管的栅极和源极引出来接驱动信号。功率开关管Qll使用驱动信号1， 功率开关管Q12使用驱动信号2，功率开关管Q21使用驱动信号3，功率开关管Q22使用驱动信号4，功率开关管Q31使用驱动信号5，功率开关管Q32使用驱动信号6。
如图3所示，作为本发明的第三种实施方式，组合变换器的主电路包括三个变压器副边全桥循环交叉整流的全桥模块电路。全桥桥式电路Hpl、隔直电容Cl、高频隔离变压器Tl和全桥整流电路rel构成第一个电路模块；全桥桥式电路Hp2、隔直电容C2、高频隔离变压器T2和全桥整流电路re2构成第二个电路模块；全桥桥式电路Hp3、隔直电容C3、高频隔离变压器T3和全桥整流电路re3构成第三个电路模块；整流电路rel、re2、re3的输出循环交叉连接至输出滤波电感L1、L2、L3。由于三个电路模块的内部结构一样，为了阐述方便，下面只对其中一个电路模块的内部结构进行说明
全桥电路Hpl由开关管Qll、Q12、Q13、Q14组成，开关管Qll、Q12、Q13、Q14为金属氧化物硅场效应晶体管(M0SFEET)，桥臂的上部MOSFET源极和下部MOSFET漏极连接，即Qll 源极和Q12漏极相连，Q13源极和Q14漏极相连。连接桥臂上管Q13、Qll的漏极作为输入端正极，连接桥臂下管Q14、Q12的源极作为输入端负极。两组开关管组成的桥臂中点引出作为全桥电路的输出端口。高频隔离变压器Tl的原边单绕组且副边单绕组。全桥整流电路rel由四个桥臂二极管Dla、Dlb、Dlc、Dld电路构成二极管Dlc阴极与二极管Dla阳极相连，二极管Dld阴极与二极管Dlb阳极相连。两组桥臂二极管的连接点引出作为全桥整流电路rel的输入端口，Dla、Dlb的阴极分别作为全桥整流电路rel的两个正极输出端口 1、2，Die、Did的阳极连接，其连接点作为全桥整流电路rel的负极输出端口。全桥整流电路rel的输入端口与高频隔离变压器Tl的副边端口连接。全桥整流电路rel的正极输出端口 1连接输出滤波电感Li，全桥整流电路rel的正极输出端口 2连接第二模块的输出滤波电感L2。变压器Tl与功率开关管Qll源极和功率开关管Q12漏极的连接点相连的端口记为端口 1，变压器Tl与二极管Dlc阴极和二极管Dla的阳极连接点相连的端口记为端口 2，则端口 1和端口 2为变压器Tl的一组同名端。各功率开关管的栅极和源极引出来接驱动信号。功率开关管Q11、功率开关管Q14 共用驱动信号1，功率开关管Q12、功率开关管Q13共用驱动信号2，功率开关管Q21、功率开关管QM共用驱动信号3，功率开关管Q22、功率开关管Q23共用驱动信号4，功率开关管 Q31、功率开关管Q34共用驱动信号5，功率开关管Q32、功率开关管Q33共用驱动信号6。如图4所示，作为本发明的第四种实施方式，组合变换器的主电路包括三个变压器副边全波循环交叉整流的全桥模块电路。全桥桥式电路Hpl、隔直电容Cl、副边带中心抽头的高频隔离变压器Tl和全波整流电路rel构成第一个电路模块；全桥桥式电路Hp2、隔直电容C2、副边带中心抽头的高频隔离变压器T2和全波整流电路re2构成第二个电路模块；全桥桥式电路Hp3、隔直电容C3、副边带中心抽头的高频隔离变压器T3和全波整流电路 re3构成第三个电路模块；整流电路rel、re2、re3的输出循环交叉连接至输出滤波电感Li、 L2、L3。由于三个电路模块的内部结构一样，为了阐述方便，下面只对其中一个电路模块的内部结构进行说明
全桥电路Hpl由开关管Q11、Q12、Q13、Q14组成，开关管Q11、Q12、Q13、Q14为金属氧化物硅场效应晶体管(M0SFEET)，桥臂的上部MOSFET源极和下部MOSFET漏极连接，即Qll源极和Q12漏极相连，Q13源极和Q14漏极相连。连接桥臂上管Q13、Qll的漏极作为输入端正极，连接桥臂下管Q14、Q12的源极作为输入端负极。两组开关管组成的桥臂中点引出作为全桥电路的输出端口。高频隔离变压器Tl的原边单绕组且副边双绕组带中心抽头。高频隔离变压器Tl的原边端口串联隔直电容Cl后与全桥电路Hpl的输出端口连接。全波整流电路rel由两个整流二极管构成整流二极管D11、D12的阳极作为整流电路的输入端口， 分别连接高频隔离变压器的副边端口。二极管D13的阳极连接高频隔离变压器中心抽头， 二极管D13的阴极连接二极管Dll的阴极。整流二极管D11、D12的阴极分别作为全波整流电路rel的正极输出端口 1、2，高频隔离变压器Tl的副边中心抽头作为全波整流电路rel 的负极输出端口。全波整流电路rel的正极输出端口 1连接至输出滤波电感Li，全波整流电路rel的正极输出端口 2连接至第二模块的输出滤波电感L2。高频隔离变压器Tl与功率开关管Ql 1源极和功率开关管Q12漏极的连接点相连的端口记为端口 1，高频隔离变压器 Tl与二极管Dll阳极相连的端口记为端口 2，高频隔离变压器Tl与二极管D12阳极相连的端口记为端口 3，则端口 1和端口 2为高频隔离变压器Tl的一组同名端，端口 1和端口 3 为高频隔离变压器Tl的一组异名端。各功率开关管的栅极和源极引出来接驱动信号。功率开关管Q11、功率开关管Q14 共用驱动信号1，功率开关管Q12、功率开关管Q13共用驱动信号2，功率开关管Q21、功率开关管QM共用驱动信号3，功率开关管Q22、功率开关管Q23共用驱动信号4，功率开关管 Q31、功率开关管Q34共用驱动信号5，功率开关管Q32、功率开关管Q33共用驱动信号6。以上四种实施方式中的功率开关管一般为金属氧化物硅场效应晶体管(Metal Oxide Semiconductor Field-effect Transistor, MOSFET)或者绝缘栅双极型晶体管 (Insulated Gate Bipolar Transistor, IGBT)。所述第一种和第二种实施方式中的电容或为有极性电解电容、或为无极性电容、或为两者的结合使用。所述第三种和第四种实施方式中的隔直电容为无极性电容。如图5所示，本发明中，三个电路模块采用共同占空比控制方式，总共使用六个驱动信号，分别为驱动信号1、驱动信号2、驱动信号3、驱动信号4、驱动信号5、驱动信号6。驱动信号1和驱动信号2交错半个开关周期，驱动信号3、驱动信号5和驱动信号1相同，驱动信号4、驱动信号6和驱动信号2相同。驱动信号1到驱动信号6的占空比都小于0. 5。各功率开关管在以上六个驱动信号下协调工作，在采用循环交叉整流情况下各模块电路间实现输入输出的自然均流，不需要均流控制环。上述实施例中，模块数均为3，但本发明并不限于此，当模块数目为N (N>3)时，N 个模块输入并联输出并联连接组成的组合变换器可以采用类似的方案来实现输入输出的自然均流，即第n(l < n<N)个模块的整流电路正极输出端口 2连接至第η+l个模块的输出滤波电感Ln+Ι，第N个模块的整流电路正极输出端口 2连接至第1个模块的输出滤波电感 Li。这种方案能有效扩大直流变换器的输出电流等级，控制设计简单，可靠性高。
权利要求
1.一种循环交叉整流的多个模块组合变换器，其特征在于，它由若干模块相连组成，每个模块由桥式电路、高频隔离变压器、整流电路和电感依次相连组成；各模块的桥式电路的输入端之间并联，各电感的输出端并联。
2.根据权利要求1所述循环交叉整流的多个模块组合变换器，其特征在于，所述桥式电路为全桥桥式电路或半桥桥式电路。
3.根据权利要求2所述循环交叉整流的多个模块组合变换器，其特征在于，所述桥式电路为全桥桥式电路，所述变换器还包括一隔直电容，该隔直电容接在全桥桥式电路任一桥臂与高频隔离变压器的原边之间。
4.根据权利要求1所述循环交叉整流的多个模块组合变换器，其特征在于，所述整流电路为全桥整流电路或全波整流电路。
5.根据权利要求4所述循环交叉整流的多个模块组合变换器，其特征在于，所述整流电路为全桥整流电路，高频隔离变压器的原边和副边均为单绕组，该全桥整流电路包括四个整流二极管Dla-Dld，其中，整流二极管Dla的阳极与整流二极管Dlc;的阴极相连，构成一桥臂，整流二极管Dn3的阳极与整流二极管Dld的阴极相连，构成另一桥臂，整流二极管D1。的阳极与整流二极管Dld的阳极相连并接地，两个桥臂的中点接高频隔离变压器的副边，定义整流二极管Dla的阴极为全桥整流电路的第一输出端口，整流二极管Dlb的阴极为全桥整流电路的第二输出端口 ；各模块的全桥整流电路的第一输出端口接该模块的电感，各模块的全桥整流电路的第二输出端口接下一个模块的电感，最后一个模块的全桥整流电路的第二输出端口接第一个模块的电感。
6.根据权利要求4所述循环交叉整流的多个模块组合变换器，其特征在于，所述整流电路为全波整流电路，高频隔离变压器的原边单绕组，副边双绕组且带中心抽头，该全波整流电路包括三个二极管D11-D13, 二极管D11和二极管D12的阳极分别接高频隔离变压器副边， 二极管D13的阳极接高频隔离变压器的中心抽头并接地，二极管D13的阴极接二极管D11的阴极；定义二极管D11的阴极为全波整流电路的第一输出端口，二极管D12的阴极为全波整流电路的第二输出端口 ；各模块的全波整流电路的第一输出端口接该模块的电感，各模块的全波整流电路的第二输出端口接下一个模块的电感，最后一个模块的全波整流电路的第二输出端口接第一个模块的电感。
全文摘要
本发明公开了一种循环交叉整流的多个模块组合变换器，它由若干模块相连组成，每个模块由桥式电路、高频隔离变压器、整流电路和电感依次相连组成；各模块的桥式电路的输入端之间并联，各电感的输出端并联。该组合变换器的多个模块的输入端输出端可实现自然均流，不需要对模块电路进行电流采样，不需要采用均流控制环，简化了控制环节，提高了组合变换器系统的可靠性及功率密度，降低了成本。
文档编号H02M3/335GK102545630SQ20121000059
公开日2012年7月4日 申请日期2012年1月4日 优先权日2012年1月4日
发明者石健将, 程娟, 罗劼 申请人:浙江大学