[发明专利]组合式直流变换系统及其控制方法

说明书

本发明公开了一类组合式直流变换系统及其控制方法，属于电力电子变换器技术领域。所述组合式直流变换系统由直流变压器、双输入直流变压器或双输出直流变压器、非隔离直流变换器组成；所述组合式直流变换系统使大部分输入功率通过直流变压器直接传递到负载，减少了系统功率损失，提升了系统效率；直流变压器、双输入直流变压器和双输出直流变压器都以最优状态开环工作，利于电路参数的优化设计，进一步提升了整体效率；所述组合式直流变换系统特别适用于航空航天、军事武器装备、智能电网、新能源发电、新能源汽车、数据中心供电系统等高效可靠大功率直流‑直流电能变换场合。

技术领域

本发明涉及一类组合式直流变换系统及其控制方法，属于电力电子变换器技术领域，尤其属于直流-直流电能变换技术领域。

背景技术

直流-直流电能变换在航空航天、军事武器装备、智能电网、新能源发电、新能源汽车、数据中心供电系统等国民经济的各个领域都有广泛的应用。根据DC/DC变换器是否隔离，可以分为隔离型DC/DC变换器和非隔离DC/DC变换器。根据直流变换器的输入输出电压关系，则可以分为升压型DC/DC变换器和降压型DC/DC变换器。例如在光伏发电系统或者燃料电池发电系统中，通常由单个光伏电池产生的或者燃料电池产生的电压较低，而母线电压高，因此需要升压型DC/DC变换器连接一次能源和母线以达到输入输出电压匹配。在数据中心供电系统、通信电源中，由于母线电压高，而负载电压通常较低，降压型DC/DC变换器成为将能量传递至负载的关键装置。若考虑安全性，在这些应用场合中通常采用隔离型DC/DC变换器。

基本的隔离型DC/DC变换器主要有：反激变换器，正激变换器，移相全桥变换器，LLC谐振半桥和LLC谐振全桥变换器等。反激和正激变换器所需要的有源功率器件少，但是效率不高，主要应用于中小功率场合。移相全桥变换器输出功率大，可以实现开关管的零电压开关(Zero Voltage Switching，ZVS)，但是存在轻载时滞后桥臂不能实现ZVS以及占空比丢失等问题。LLC谐振变换器可以在宽负载范围内实现原边开关管的ZVS和副边整流二极管的ZCS，因此具有较高的功率变换效率。但是，LLC变换器通常采用变开关频率控制，在宽输入电压范围或者负载变化较大的情况下，开关频率的变化范围大，不仅主电路和控制参数均难以进行优化设计，开关频率过宽也可能导致开关管失去ZVS特性。此外，变频控制的方式也会带来电磁干扰的问题。

为了解决上述问题，国内外的研究工作者尝试探索高效率，高可靠性的隔离型DC/DC变换器解决方案。如改变现有电路的拓扑结构，采用新的控制方法，使用性能更佳的功率器件等。例如，文献“Lee I O，Moon G W.Analysis and design of a three-level LLCseries resonant converter for high-and wide-input-voltage applications[J].IEEE Transactions on Power Electronics，2012，27(6)：2966-2979.”将三电平的原理应用到LLC变换器中以提升其性能。文献“Shakib SMSI，Mekhilef S.A frequencyadaptive phase shift modulation control based LLC series resonant converterfor wide input voltage applications[J].IEEE Transactions on PowerElectronics，2017，32(11)：8360-8370.”通过在LLC变换器原边集成两个串联的半桥电路，使得原边开关管的电压应力降低为输入电压的一半，并采用了移相控制和变频控制相结合的控制方法来提升变换器的效率。上述解决方案增加了电路拓扑结构的复杂度，提高了控制难度。此外，依然采用变频控制，无法避免因开关频率宽范围变化带来的电磁干扰问题。

发明内容

本发明的目的是针对现有技术的不足，为直流-直流电能变换场合提供一系列新颖有效的组合式直流变换系统及其控制方法。

本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：