一种多输入双极性输出电压自均衡Buck-BoostDC-DC变换器

本发明涉及一种buck-boost dc-dc变换器，具体涉及一种多输入双极性输出电压自均衡buck-boost dc-dc变换器。

背景技术：

1、三线制双极性供电系统有n、z、p三个不同电压等级的母线，具备更多的电压等级，更高的灵活性以及可靠性。因此在新能源领域、商业数据中心、住宅用电、消费类电子产品等方面都表现出良好的优势。传统的双极性供电系统因为两极所产生的不平衡功率，而导致两极母线电压不均衡。理论上通过增加额外的电压平衡器或者额外使用中性点箝位的三电平变换器可以解决这一问题，但是这些方式会造成更多的功率损耗。在此基础上研究极间电压自均衡电路变得必要。在提供母线电压的同时实现两极之间电压的自均衡，减少对直流微电网的冲击性，提高系统的稳定性和鲁棒性。传统双极性变换器多使用正激和反激变换器。例如，在申请公布号为cn116155106a的专利中提到“一种隔离型双极性输出自均压dc-dc变换器”，但是该方式通过多输出绕组构建多个输出，会出现交叉调整率问题，并且需要辅助箝位电路吸收漏感能量，消除电压尖峰。在某些双极性供电场合也经常使用非隔离变换器方案，消除了交叉调整率的影响，提高了变换器的效率。

技术实现思路

1、为解决现有非隔离型双极性多输出dc-dc变换器极间电压均衡的问题，本发明提供一种多输入双极性输出电压自均衡buck-boost dc-dc变换器，该变换器由一个基本buck-boost变换器、若干个反向变换单元和若干个正向拓展单元组成，具有高度对称并且共地的正负极输出电压，不需要添加复杂的控制回路来实现电压均衡能力。

2、本发明采取的技术方案为：

3、一种多输入双极性输出电压自均衡buck-boost dc-dc变换器，该变换器包含一个基本buck-boost变换器，i个反向变换单元，j个正向拓展单元，其中：

4、所述基本buck-boost变换器包含一个电感l11，一个电容c11，一个主动开关管s1，一个二极管d11，一个直流输入源uin1；其连接形式如下：主动开关管s1的源极分别连接电感l11的一端、二极管d11阴极，主动开关管s1的漏极连接直流输入源uin1的一端，二极管d11的阳极连接电容c11的一端，电容c11的另一端分别连接电感l11的另一端、直流输入源uin1的另一端并接地；

5、所述第1个反向变换单元包含两个电感l21、l22，两个电容c21、c24，一个主动开关管s2，一个二极管d21，一个直流输入源uin2；其连接形式如下：主动开关管s2的源极分别连接电感l21的一端、电容c24的一端；主动开关管s2的漏极连接直流输入源uin2的一端，直流输入源uin2的另一端连接电感l21的另一端并接地；电容c24的另一端分别连接电感l22的一端、二极管d21的阴极；二极管d21的阳极连接电容c21的一端；电容c21的另一端连接电感l22的另一端；

6、所述第2个反向变换单元包含两个电感l31、l32，两个电容c31、c34，一个主动开关管s3，一个二极管d31，一个直流输入源uin3；其连接形式如下：主动开关管s3的源极分别连接电感l31的一端、电容c34的一端；主动开关管s3的漏极分别连接直流输入源uin3的一端，直流输入源uin3的另一端连接电感l31的另一端并接地；电容c34的另一端分别连接电感l32的一端、二极管d31的阴极；二极管d31的阳极连接电容c31的一端；电容c31的另一端连接电感l32的另一端；

7、......依次类推，i≥3；

8、所述第i个反向变换单元包含两个电感l(i+1)1、l(i+1)2，两个电容c(i+1)1、c(i+1)4，一个主动开关管s(i+1)，一个二极管d(i+1)1，一个直流输入源uin(i+1)；其连接形式如下：主动开关管s(i+1)的源极分别连接电感l(i+1)1的一端、电容c(i+1)4的一端；主动开关管s(i+1)的漏极分别连接直流输入源uin(i+1)的一端，直流输入源uin(i+1)的另一端连接电感l(i+1)1的另一端并接地；电容c(i+1)4的另一端分别连接电感l(i+1)2的一端、二极管d(i+1)1的阴极；二极管d(i+1)1的阳极连接电容c(i+1)1的一端；电容c(i+1)1的另一端连接电感l(i+1)2的另一端；

9、所述基本buck-boost变换器的直流输入源uin1的另一端分别连接第1个反向变换单元的直流输入源uin2的另一端、第2个反向变换单元的直流输入源uin3的另一端、......依次类推、第i个反向变换单元的直流输入源uin(i+1)的另一端；

10、所述基本buck-boost变换器的电容c11的一端连接第1个反向变换单元的电容c21的另一端，第1个反向变换单元的电容c21的一端连接第2个反向变换单元的电容c31的另一端，第2个反向变换单元的电容c31的一端连接第3个反向变换单元的电容c41的另一端，......依次类推，第i-1个反向变换单元的电容ci1的一端连接第i个反向变换单元的电容c(i+1)1的另一端；

11、电容c(i+1)1的一端连接负极性负载rn的一端，负极性负载rn的另一端连接基本buck-boost变换器的直流输入源uin1的另一端。

12、所述第1个正向拓展单元包含一个电感l12，一个二极管d12，两个电容c12、c13；其中，电感l12的一端分别连接电容c13的另一端、二极管d12的阴极，电感l12的另一端连接电容c12的另一端，电容c12的一端连接二极管d12的阳极；

13、所述第2个正向拓展单元包含一个电感l23，一个二极管d22，两个电容c22、c23；其中，电感l23的一端分别连接电容c23的另一端、二极管d22的阴极，电感l23的另一端连接电容c22的另一端，电容c22的一端连接二极管d22的阳极；

14、......依次类推，j≥2；

15、所述第j个正向拓展单元包含一个电感lj3，一个二极管dj2，两个电容cj2、cj3；其中，电感lj3的一端分别连接电容cj3的另一端、二极管dj2的阴极，电感lj3的另一端连接电容cj2的另一端，电容cj2的一端连接二极管dj2的阳极；

16、所述第1个正向拓展单元中的电容c13的一端连接基本buck-boost变换器的二极管d11阴极；第2个正向拓展单元中的电容c23的一端连接第1个反向变换单元的二极管d21的阴极，第3个正向拓展单元中的电容c33的一端连接第2个反向变换单元的二极管d31的阴极，......依次类推，第j个正向拓展单元中的电容cj3的一端连接第i个反向变换单元中的二极管d(i+1)1的阴极；其中：j＝i+1；

17、所述基本buck-boost变换器的电容c11的另一端连接第1个正向拓展单元中的电容c12的一端，第1个正向拓展单元中的电容c12的另一端连接第2个正向拓展单元中的电容c22的一端，第2个正向拓展单元中的电容c22的另一端连接第3个正向拓展单元中的电容c32的一端，......依次类推，第j-1个正向拓展单元中的电容c(j-1)2的另一端连接第j个正向拓展单元中的电容cj2的一端；

18、电容cj2的另一端连接正极性负载rp的另一端，正极性负载rp的一端连接直流输入源uin1的另一端。

19、该变换器中，

20、当使用1个基本buck-boost变换器，i个反向变换单元，j个正向拓展单元，共有输入电源i+1个时，正负极性的最大输出电压分别为：

21、

22、式中，un表示变换器负极性输出电压大小，up表示变换器正极性输出电压大小，d1表示基本buck-boost变换器中的开关管s1的占空比，d(i+1)表示第i个反向变换单元中的开关管s(i+1)的占空比，uin1表示基本buck-boost变换器中的输入电压大小，uin(i+1)表示第i个反向变换单元中的输入电压大小。

23、基本buck-boost变换器中的开关管s1电压应力为：电容c11上的电压应力为：

24、第i个反向变换单元中的开关管s(i+1)电压应力为：电容c(i+1)1上的电压应力为：电容c(i+1)4上的电压应力为：其中k为自变量，k∈[1,i]；

25、上式中有j＝i+1等式成立，d1表示基本buck-boost变换器中的开关管s1的占空比，d(i+1)表示第i个反向变换单元中的开关管s(i+1)的占空比，uin1表示基本buck-boost变换器中的输入电压大小，uin(i+1)表示第i个反向变换单元中的输入电压大小。

26、第j个正向拓展单元中的电容cj2上电压应力为：在该式中有j＝i+1成立；电容cj3上电压应力为：其中。k为自变量，k∈[1,j]。

27、例如c13,c23,…,cj3上的电压应力分别为：

28、该变换器中，设电路中含有一个基本buck-boost变换器，一个反向变换单元，两个正向拓展单元，且电感l11、l12、l21、l22、l23的电流连续导通。根据主动开关管状态的不同，能够将电路分为6种工作状态；

29、(1)模态一：主动开关管s1，s2导通，二极管d11、d12、d21、d22均关断，此时电感l11、l12、l21、l22、l23及电容c12、c24充电，电容c11、c13、c21、c22、c23放电；电感l11、l12、l21、l22、l23端电压如下式所示：

30、

31、式中，un表示变换器负极性输出电压大小，up表示变换器正极性输出电压大小，uin1表示基本buck-boost变换器中的输入电压大小，uin2表示第1个反向变换单元中的输入电压大小。

32、(2)模态二：主动开关管s1关断，主动开关管s2导通，二极管d11、d21、d22均关断，二极管d12导通，此时电感l21、l22、l23及电容c12、c13、c22、c24充电，电感l11、l12及电容c11、c21、c23放电；电感l11、l12、l21、l22、l23端电压如下式所示：

33、

34、(3)模态三：主动开关管s1关断，主动开关管s2导通，二极管d21、d22均关断，二极管d11、d12导通，此时电感l21、l22、l23及电容c11、c12、c22、c24充电，电感l11、l12及电容c13、c21、c23放电；电感l11、l12、l21、l22、l23端电压如下式所示：

35、

36、(4)模态四：主动开关管s1、s2关断，二极管d22关断，二极管d11、d12、d21导通，此时电容c11、c12、c13、c21、c22充电，电感l11、l12、l21、l22、l23及电容c23、c24放电；电感l11、l12、l21、l22、l23端电压如下式所示：

37、

38、(5)模态五：主动开关管s1、s2关断，二极管d11、d12、d21、d22导通，此时电容c11、c13、c21、c22、c23充电，电感l11、l12、l21、l22、l23及电容c12、c24放电；电感l11、l12、l21、l22、l23端电压如下式所示：

39、

40、(6)模态六：主动开关管s2关断，主动开关管s1导通，二极管d11、d12关断，二极管d21、d22导通，此时电容c11、c13、c21、c24充电，电感l11、l12、l21、l22、l23及电容c12、c22、c23放电；电感l11、l12、l21、l22、l23端电压如下式所示：

41、

42、通过上面的电感电压表达式，可以得到每个电容上的电压应力如下所示：

43、

44、本发明一种多输入双极性输出电压自均衡buck-boost dc-dc变换器，技术效果如下：

45、1)该变换器电压自均衡是通过正向拓展单元中的辅助电容cj3实现的。由于电容电压不能突变，因此正极性输出电压uc11+uc21+……+uc(i+1)1以及负极性输出电压uc12+uc22+……+ucj2均被箝位到uc13+uc23+……+ucj3。

46、2)该变换器可以不断扩展，直到含有i个反向变换单元和j个正向拓展单元。

47、3)当部分开关管损坏时，其余电路可正常工作。此外，当部分电源损坏时，其余电路可正常工作，体现了它的高可靠性。