一种多相交错并联直流变换器的制作方法

本发明属于直流变换器技术领域，更具体地，涉及一种多相交错并联直流变换器。

背景技术：

双向直流变换器能够实现能量双向流动，能够实现传统两个单向变换器的作用，达到“一机两用”的目的，在电池充放电、电动汽车、不间断电源系统、电力系统、航空电源系统等场合得到越来越多的应用。

现有的非隔离型双向直流变换器通常采用buck/boost结构，这种结构拓扑简单，控制方案成熟，但为了减小电流纹波，通常需要在低压侧加入较大的滤波电感。为解决这一问题，一般采用交错并联技术，但传统方式的交错并联需要多个滤波电感，同时由于驱动信号的移相引入电路的短路模态导致交错的两相之间存在较大的环流。因此，需要能够承受更大器件应力的开关器件或采用更大感值的滤波电感以限制环流。

技术实现要素：

针对现有技术的缺陷，本发明提供了一种多相交错并联直流变换器，目的在于基于耦合电感构造多相交错并联双向直流变换器，可以抑制环流，同时使差模滤波电感能够按照交错并联后的更高的频率设计，从而减小所需的电感值。

为实现上述目的，本发明提供了一种多相交错并联直流变换器，包括：耦合电感、桥式电路和输出滤波电容，耦合电感具有一个输入端，k个输出端，且耦合电感的输入端用于连接电源正极；桥式电路包括：k相桥臂，每相桥臂的中点作为桥式电路的输入端，桥式电路的k个输入端分别与耦合电感的k个输出端连接，桥式电路的第一输出端与输出滤波电容的第一输入端相连并作为输出正极，桥式电路的第二输出端与所述输出滤波电容的第二输入端相连并作为输出负极；耦合电感用于抑制共模环流，存储能量和差模滤波；桥式电路的各相桥臂的驱动信号的载波互差360°/k，k为大于等于2的整数。

本发明采用一个具有共模环流抑制能力的耦合电感替代传统拓扑的分离滤波电感结构，能够减少磁性元件数量，使得差模滤波电感能够按照交错后的更高的频率设计，减小所需的感值。耦合电感兼具共模环流抑制能力和存储能量与差模滤波的作用。同时，本发明所述耦合电感可由多个标准磁芯拼接而成，便于标准化生产。

更进一步地，耦合电感为k+1柱结构，k柱的绕组匝数相同记为N1，另一柱的绕组匝数记为N2；k+1柱的绕组中一侧的k+1个出线端相连，另一侧的k+1个出线端中绕组匝数为N2的出线端作为耦合电感的输入端，绕组匝数为N1的k个出线端分别作为耦合电感的k个输出端。

更进一步地，k+1柱磁芯的截面积相同。

更进一步地，耦合电感的k+1柱绕组的绕向均相同。

更进一步地，绕组匝数为N2的磁柱中部开气隙，并填充以非铁磁性物质。

更进一步地，在绕组匝数为N2的磁柱中部填充空气、绝缘胶带、塑料、纸、低导磁胶水、磁胶粉或玻璃珠胶水。

本发明采用交错并联的方式后，各相桥臂电流相位互差360°/k，各相桥臂电流叠加后总电流的等效开关频率提高为原来的k倍；在滤除相同的电流纹波的情况下，电流频率越高所需电感值越小，故在交错并联的方式下可以抑制环流，可减小所需电感值。

附图说明

图1是本发明的电路原理图。

图2是本发明第一实施例提供的一种电路原理图。

图3是本发明第二实施例提供的一种电路原理图。

图4是本发明实施例提供的三相交错并联双向直流变换器的电路原理图。

图5是本发明实施例提供的三相交错并联直流变换器的一种耦合电感结构图。

图6是本发明实施例提供的四相交错并联直流变换器的一种耦合电感结构图。

图7是本发明实施例提供的k相交错并联直流变换器的一种耦合电感结构图。

图8是本发明实施例提供的三相交错并联双向直流变换器的载波移相120°的PWM波调制过程图。

图9是本发明实施例提供的k相交错并联双向直流变换器的载波移相360°/k的PWM波调制过程图。

图10是本发明实施例提供的三相交错并联双向直流变换器的电流纹波图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

本发明涉及电路领域，并且更具体地，涉及一种耦合电感和多相交错并联的双向直流变换器。本发明采用具有环流抑制能力的耦合电感来替代传统的分立电感或无环流抑制作用的耦合电感能够使系统有明显改善，同时，能够使差模滤波电感按照交错并联后的更高的等效开关频率设计，减小所需的电感值。

如图1所示，本发明涉及一种基于耦合电感构造的多相交错并联双向直流变换器，包括耦合电感100、多相桥臂组成的桥式电路200、输出滤波电容300；其中，耦合电感的输入端与电源正极相连，其k个输出端分别与多相桥臂组成的桥式电路的k个桥臂中点相连。多相桥臂组成的桥式电路的两个输出端分别经输出滤波电容的两端与输出相连。多相桥臂组成的桥式电路的k个桥臂的驱动信号的载波差360°/k，每个桥臂的上下管驱动互补；k为大于等于2的整数。

在本发明实施例中，耦合电感具有k+1柱结构，k+1柱磁芯的截面积相同。所述耦合电感的k+1柱绕组的绕向均相同，其中k柱的绕组匝数相同且均为N1，另一柱的绕组匝数为N2；N1取决于设计的共模电感感值，N2取决于设计的差模电感感值，二者无直接数值关系。绕组匝数为N1的磁柱中部不开气隙，整个磁柱均为高磁导率材料，以保证其较大的电感感值，从而实现环流抑制的作用；绕组匝数为N2的磁柱中部开气隙，并填充以非铁磁性物质，旨在提高其传输功率时的磁芯抗饱和能力，防止电感流经较大电流时的磁芯饱和情况，保证在设计范围内的大电流情况下也能起到差模滤波的作用。k+1柱的绕组其中一侧的k+1个出线端相连，另外k+1个出线端中绕组匝数为N2的出线端作为耦合电感的输入端，另外k个出线端作为耦合电感的k个输出端分别与多相桥臂组成的桥式电路200的桥臂中点相连。

在本发明实施例中，采用交错并联的方式后，各相桥臂电流相位互差360°/k，各相桥臂电流叠加后总电流的等效开关频率提高为原来的k倍。在滤除相同的电流纹波的情况下，电流频率越高所需电感值越小，故在交错并联的方式下可减小所需电感值，即耦合电感中匝数为N2的磁柱呈现的差模电感感值。

在本发明实施例中，耦合电感能够实现环流抑制作用，同时，能够起到差模滤波与储存能量的作用。因为交错并联变换器与常规直接并联的变换器有所不同，其k个桥臂的输出电压波形相位不完全相同，两个不同桥臂之间的电压差若作用在较小的电感上则会产生较大的环流。而耦合电感在流经环流时，磁通相互叠加作用后仍能呈现较大的磁通量，故而呈现较大的共模电感感值，起到抑制环流的作用。

在本发明实施例中，耦合电感在实现抑制环流，减小所需电感值的同时，结构简单，磁芯具有高度对称性，能够使用多个标准磁芯拼接而成，便于生产加工。

通过本发明所构思的上述技术方案，能够使滤波电感按照交错并联后得到的更高的等效开关频率设计，减小所需的电感值。

在本发明实施例中，桥式电路200包括k个桥臂，每个桥臂包括两个开关管正向串联连接，开关管串联连接端作为桥臂的中点，且作为桥式电路200的一个输入端。开关管的驱动极用于接收驱动信号，每个桥臂中两个开关管的驱动极接收的驱动信号互补，任意两个桥臂的驱动信号的载波互差360°/k。若开关管选用绝缘栅双极型晶体管时，其驱动极为门极；若开关管选用金属-氧化物半导体场效应管时，其驱动极为栅极；其余类型的开关管也具有相应的驱动极。

在本发明实施例中，输出滤波电容300用于滤除输出电压的电压纹波，其取值取决于变换器设计时对输出电压纹波的要求，所要求的输出电压纹波越小，输出电容容值越大。

本发明提出一种基于耦合电感的多相交错并联双向直流变换器，能够使得滤波电感按照交错并联后得到的更高的等效开关频率设计，减小所需的电感值。在图1的基础上，将开关器件更换为二极管得到如图2、图3所示的多相交错并联直流变换器亦为本发明的内容，不再赘述。

如图5、图6、图7所示分别为三相、四相、k相交错并联直流变换器的一种耦合电感结构图。本发明以三相交错并联变换器的耦合电感为例，对本发明加以解释。三相交错并联变换器的耦合电感由4根磁柱构成，每个磁柱的磁芯横截面积相同。4根磁柱的其中3个柱不开气隙，另外1个柱开气隙，并可填充以非铁磁性物质，如空气、绝缘胶带、塑料、纸、低导磁胶水、磁胶粉、玻璃珠胶水等。4个磁芯上的绕组绕向均相同，其中3个不开气隙的磁芯上的绕组匝数相同为N1，另一个开气隙的磁芯上的绕组匝数为N2。4个绕组的其中一端相连，绕组匝数为N1的3个绕组的另一端分别为A、B、C用于连接至三相桥式电路的三个桥臂中点，绕组匝数为N2的绕组的另一端为N用于连接至输入电源的正极。匝数N1确定共模电感的感值大小，气隙的大小取决于输入电流大小，防止磁芯饱和，匝数N2则与气隙共同决定集成的差模滤波电感的大小。

对于四相交错并联直流变换器的耦合电感，则共有5根磁柱，其中4根磁柱不开气隙，另外一个磁柱开气隙，并填充以非铁磁性物质。其绕组绕制方式及匝数确定方式参照三相交错并联直流变换器的耦合电感。

对于k相交错并联直流变换器的耦合电感，则共有k+1根磁柱，其中k根磁柱不开气隙，另外一个磁柱开气隙，并填充以非铁磁性物质。其绕组绕制方式及匝数确定方式参照三相交错并联直流变换器的耦合电感。

本发明以三相交错并联双向直流变换器为例，对本发明加以解释。图4示出了本发明实施例中三相交错并联双向直流变换器的结构示意图，为了便于说明，仅示出了与本发明实施例相关的部分，以下所述均为图4中功率由V1流向V2的情况，当功率反向即由V2流向V1时情况类似，不再赘述。具体地，详述如下：

本实施例所述基于耦合电感的三相交错并联双向直流变换器包括耦合电感100、三相桥式电路200、输出滤波电容300；耦合电感1第一输入端与输入电源正极相连，耦合电感100第一、第二、第三输出端分别与三相桥式电路200第一、第二、第三输入端相连。三相桥式电路200第一输出端与输出滤波电容300第一输入端相连作为输出正极，三相桥式电路200第二输出端与输出滤波电容300第二输入端相连作为输出负极。

三相桥式电路的三个桥臂同一桥臂的上管与下管的驱动信号互补，上下管互补导通，不同桥臂的上管或不同桥臂的下管之间驱动信号互差120°。三相桥式电路用于将耦合电感与输入或输出相连。

耦合电感用于抑制交错并联的三相，即一相与二相，二相与三相，三相与一相之间的环流，同时起到能量存储与滤波的作用。其特点是对环流表现出较大的感抗，抑制环流大小，对输入电流表现出较小的感抗，可以防止较大的电流流过耦合电感时电感饱和的情况。

图8中示出了所提的一种三相交错并联双向直流变换器的驱动PWM波形及其生成原理。调制波为控制算法的输出结果，最终三相桥式电路会根据调制波最终生成输出电压。载波用于对调制波进行调制，产生能用于驱动电力开关器件的PWM波。在无交错并联的常规直流变换器中，只有一种载波，一般是一个三角波，三角波的频率为开关频率。在三相交错并联的双向直流变换器中，有三个载波，分别是第一载波、第二载波、第三载波。以下说明PWM波生成过程。第一载波、第二载波、第三载波分别与调制波进行运算。当调制波大于载波时，输出高电平，当调制波小于载波时则输出低电平。第一载波与调制波比较运算的结果用于驱动三相桥式电路中的第一桥臂(一相桥臂)的上管，即第一开关管，与之互补的驱动信号用于驱动对应的下管，即第二开关管。第二载波与调制波比较运算的结果用于驱动三相桥式电路中的第二桥臂(二相桥臂)的上管，即第三开关管，与之互补的驱动信号用于驱动对应的下管，即第四开关管。第三载波与调制波比较运算的结果用于驱动三相桥式电路中的第三桥臂(三相桥臂)的上管，即第五开关管，与之互补的驱动信号用于驱动对应的下管，即第六开关管。

图9示出了k相交错并联双向直流变换器的驱动PWM波形及其生成原理。其每相载波之间相差360°/k，每相PMW波根据调制波与每相载波比较得到，并用于驱动相应的电力开关器件。

图10所示为本发明实施例提供的三相交错并联双向直流变换器的输出电流纹波图。可知，采用耦合电感后，根据交错并联后得到的更高的等效开关频率设计的较小的电感值，亦能使系统的电流纹波达到相同的效果。

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。