[发明专利]两级式的高压输入低压大电流输出型直流变换器

说明书

技术领域

本发明涉及一种多模块两级式结构、高电压输入低电压大电流输出特点的隔离型直流变 换器，属于功率变换中的大功率直流降压技术。

背景技术

目前，高压输入低压大电流输出型的直流变换器被应用到通信电源、制碱冶金工业和航 天电源系统等各个领域。为了提高变换器的效率和可靠性，针对高压输入低压大电流输出型 直流变换器的拓扑和控制方法的研究有很多。

在电路的输入端与输出端要求隔离的场合下，此类直流变换器通常使用高频隔离变压器 实现磁隔离。高频隔离变压器的损耗和体积在大功率直流变压器中占有较大比例，因此如何 优化设计以减小高频隔离变压器的损耗和体积至关重要。单级式的高压输入低压大电流输出 型直流变换器虽然减小了开关器件的数量，但是在输入电压波动范围较大的情况下，电路中 高频隔离变压器的设计比较困难。

在大功率和可靠性要求高的应用场合下，多模块串并联组合变换器将多个DC/DC变换器 模块的输入端和输出端进行串并联组合，每个模块均分总的输出功率。这样不仅使得单个模 块设计和系统热设计更为简单，而且整个系统的可靠性得到提高。

本专利提出一种新型的大功率高压输入低压大电流输出型直流变换器的拓扑结构及其控 制方案——前级稳压，后级变压、隔离控制的多模块两级式高压输入低压大电流输出型直流 变换器。

发明内容

本发明旨在传统的两级式变换器的基础上，借鉴多模块输入串并联组合变换器的优点， 结合直流变压器的特点，提出一种新型的多模块两级式变换器组合，用以解决大功率高压输 入低压大电流输出场合的功率变换问题。

该变换器包含主电路和控制电路。主电路的特征在于：n个模块的输入端与输出端均并联 起来，每个模块均为前后级结构。n个模块的拓扑结构均相同，以单个模块为例，其前级采用 非隔离型的Buck拓扑，其后级采用隔离型全桥结构的直流变压器。每个非隔离型的Buck拓扑 包括开关管、二极管、输出滤波电感、输出滤波电容。每个全桥结构的直流变压器包括全桥 电路、串联电容、副边含中心抽头的高频隔离变压器、输出双半波整流电路、输出滤波电容。

控制电路中每个模块的后级直流变压器采用电压开环控制，桥臂开关管驱动信号的占空 比接近0.5并且固定。系统的均流控制和稳压控制均由三环控制电路提供，通过均流误差信号 来调整系统输出电压闭环调节器的基准电压，系统输出电压闭环调节器的输出作为每个模块 中前级输出电流闭环调节器的基准，前级输出电流闭环调节器的输出分别与各自的调制波交 截后分别产生各模块中前级开关管的驱动逻辑，通过控制前级开关管的占空比来控制系统的 输出电压和各模块的均流。各模块间的同步交错分频电路产生的分别相差2π/n度的同步信号 使得n个模块中前后两级的工作时钟同步，并且n个模块的调制波分别相差2π/n度。

本专利采用的多模块前后级结构直流变换器，前级使用非隔离型直流变换器结构实现稳 压功能，后级使用隔离型的直流变压器拓扑利用高频隔离变压器实现降压功能。这种大功率 直流变换器的优点是：

(1)直流变换器的各模块在同一频率下同步交错并联工作的设计思路减小了输入、输出滤 波器体积和电路中的EMI；

(2)采用多模块并联结构的直流变换器不但增大了输出电流，而且使系统的热设计和模块 化设计更加简单，因此该结构的直流变换器非常适用于高压输入低压大电流输出型场合；

(3)后级全桥型直流变压器的特点是桥臂开关管采用占空比接近0.5并且固定的电压开环 控制，直流变压器的输出端无需滤波电感，减小了系统的体积和重量，而且各桥臂开关管利 用其等效结电容与折算到高频变压器原边的漏感在开关时刻谐振以实现各桥臂开关管的软开 关，减少了损耗，提高效率；

(4)每个大模块的后级直流变换器仅实现降压和隔离功能，不调节系统的输出电压，整个 大模块的电压闭环通过控制前级开关管的占空比来实现系统输出端的稳压。采用这种前级稳 压后级隔离降压的设计思路后，充分发挥了后级直流变压器电压开环控制的优点，由于其桥 臂开关管的占空比接近0.5并且固定、后级直流变压器的输入电压稳定，所以后级直流变压 器中的高频隔离变压器易于优化设计。

附图说明

图1是本发明示意图。

图2是本发明单模块的电路拓扑结构示意图。

图3是各模块间的同步交错分频电路的示意图。