本發(fā)明涉及功率變換器技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種可重構(gòu)的隔離多電平變換器。

背景技術(shù)：

多電平變換器能產(chǎn)生多階梯、低失真電壓波形，特別適合于大功率高電壓場(chǎng)合，具有開(kāi)關(guān)損耗小、效率高、低EMI等優(yōu)點(diǎn)。多電平開(kāi)關(guān)變換技術(shù)在AC/DC功率變換，DC/AC變換領(lǐng)域已獲得廣泛應(yīng)用，而在DC/DC功率變換領(lǐng)域，多電平變換通常需要多個(gè)基本電壓源或電流源單元與開(kāi)關(guān)矩陣配合進(jìn)行串聯(lián)或并聯(lián)實(shí)現(xiàn)。

在傳統(tǒng)的模式下，DC/DC功率變換中多電平變換的實(shí)現(xiàn)通過(guò)基本電源單元的串并聯(lián)結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)，且該串并結(jié)構(gòu)相對(duì)固定，要么串聯(lián)，要么并聯(lián)，如果想要串并聯(lián)結(jié)合則需要增加大量的功率開(kāi)關(guān)。以三電平為例，傳統(tǒng)的串并聯(lián)組合方式如附圖1所示，其中附圖1(a)是二極管共陰極的非隔離三電平結(jié)構(gòu)，附圖1(b)是功率開(kāi)關(guān)共源極的非隔離三電平結(jié)構(gòu)，附圖1(c)是二極管共陰極的隔離型三電平結(jié)構(gòu)，附圖1(d)是串聯(lián)三電平結(jié)構(gòu)。從圖1中可見(jiàn)功率開(kāi)關(guān)使用數(shù)量較多，因此，功率電路和控制電路都是相對(duì)復(fù)雜的。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

為了解決現(xiàn)有技術(shù)中的問(wèn)題，本發(fā)明提供了一種可重構(gòu)的隔離多電平變換器以同時(shí)實(shí)現(xiàn)基本單元的串并聯(lián)，能夠適用于小功率低壓多電平需求場(chǎng)合，也適用于大功率高壓場(chǎng)合。

第一方面，一種可重構(gòu)的隔離多電平變換器，包括隔離電源V1、V2，功率開(kāi)關(guān)管S1、功率二極管D1、D2；所述功率開(kāi)關(guān)S1與所述功率二極管D1、D2構(gòu)成串并聯(lián)開(kāi)關(guān)電路，通過(guò)S1的開(kāi)通和關(guān)斷控制該單元的輸出電壓和電流；其中，D1的正極與V2的正極相連，D1的負(fù)極與V1的正極相連，D2的正極與V1的負(fù)極相連，D2的負(fù)極與V1的負(fù)極相連，S1的源極與V1的負(fù)極相連，S1的漏極與V2的正極相連，V1的正極和V2的負(fù)極分別構(gòu)成所述變換器的正極輸出端和負(fù)極輸出端。

進(jìn)一步地，所述隔離電源輸出相同的電壓或者相同的電流，當(dāng)S1開(kāi)通時(shí)，V1和V2串聯(lián)，輸出電壓為V₁+V₂＝2V，兩個(gè)電源自動(dòng)均流；當(dāng)S1關(guān)斷時(shí)，V1和V2并聯(lián)，輸出電壓等于V₁＝V₂＝V，二者電壓相同，自動(dòng)均壓。

進(jìn)一步地，所述隔離電源V1和V2在功率和電壓范圍近似，當(dāng)S1開(kāi)通時(shí)，控制V1和V2為電壓輸出模式，電流自動(dòng)均流；而當(dāng)S1關(guān)斷時(shí)，控制V1和V2為電流輸出模式，電流模式直接并聯(lián)，電壓取決于負(fù)載輸出。

進(jìn)一步地，所述開(kāi)關(guān)管S1為MOSFET。

第二方面，一種可重構(gòu)的隔離多電平變換器，包括隔離電源V11、V12、V21、V22，功率開(kāi)關(guān)管S1、S11、S21，功率二極管D1、D2、D11、D12、D21、D22；其中，基本單元1包括隔離電源V11、V12，功率開(kāi)關(guān)管S11，功率二極管D11、D12；基本單元2包括隔離電源V21、V22，功率開(kāi)關(guān)管S21，功率二極管D21、D22；所述功率開(kāi)關(guān)S11與所述功率二極管D11、D12構(gòu)成串并聯(lián)開(kāi)關(guān)電路，通過(guò)S11的開(kāi)通和關(guān)斷控制基本單元1的輸出電壓和電流，所述功率開(kāi)關(guān)S21與所述功率二極管D21、D22構(gòu)成串并聯(lián)開(kāi)關(guān)電路，通過(guò)S21的開(kāi)通和關(guān)斷控制基本單元2的輸出電壓和電流；基本單元的連接方式相同，D11的正極與V12的正極相連，D11的負(fù)極與V11的正極相連，D12的正極與V12的負(fù)極相連，D12的負(fù)極與V11的負(fù)極相連，S1的源極與V1的負(fù)極相連，S1的漏極與V2的正極相連，V11的正極和V12的負(fù)極分別構(gòu)成基本單元的正極輸出端和負(fù)極輸出端；基本單元1、基本單元2、開(kāi)關(guān)管S1和二極管D1、D2的連接方式與基本單元中的元件連接方式相同。

進(jìn)一步地，D1的正極與基本單元2的正極相連，D1的負(fù)極與基本單元1的正極相連，D2的正極與基本單元2的負(fù)極相連，D2的負(fù)極與基本單元1的負(fù)極相連，S1的源極與基本單元1的負(fù)極相連，S1的漏極與基本單元2的正極相連，基本單元1的正極和基本單元2的負(fù)極分別構(gòu)成嵌套式可重構(gòu)單元的正極輸出端和負(fù)極輸出端。

進(jìn)一步的，通過(guò)控制開(kāi)關(guān)管S1、S11和S21的開(kāi)通/關(guān)斷，以實(shí)現(xiàn)多電平和多功率等級(jí)輸出。

第三方面，一種可重構(gòu)的隔離多電平變換器，包括多個(gè)基本單元、開(kāi)關(guān)管和二極管，所述基本單元包括隔離電源V1、V2，功率開(kāi)關(guān)管S1、功率二極管D1、D2；所述功率開(kāi)關(guān)S1與所述功率二極管D1、D2構(gòu)成串并聯(lián)開(kāi)關(guān)電路，通過(guò)S1的開(kāi)通和關(guān)斷控制該單元的輸出電壓和電流；其中，D1的正極與V2的正極相連，D1的負(fù)極與V1的正極相連，D2的正極與V1的負(fù)極相連，D2的負(fù)極與V1的負(fù)極相連，S1的源極與V1的負(fù)極相連，S1的漏極與V2的正極相連，V1的正極和V2的負(fù)極分別構(gòu)成所述變換器的正極輸出端和負(fù)極輸出端；可嵌套式可重構(gòu)單元隔離變換器拓?fù)鋯卧▋蓚€(gè)基本單元、一個(gè)開(kāi)關(guān)管和兩個(gè)二極管，所述兩個(gè)基本單元、開(kāi)關(guān)管和兩個(gè)二極管的連接方式與基本單元中的元件連接方式相同；兩個(gè)可嵌套式可重構(gòu)單元隔離變換器拓?fù)鋯卧约耙粋€(gè)開(kāi)關(guān)管和兩個(gè)二極管又可構(gòu)成一個(gè)可嵌套式可重構(gòu)單元隔離變換器拓?fù)鋯卧?，所述兩個(gè)可嵌套式可重構(gòu)單元隔離變換器拓?fù)鋯卧㈤_(kāi)關(guān)管和兩個(gè)二極管的連接方式與基本單元中的元件連接方式相同。

進(jìn)一步的，通過(guò)控制開(kāi)關(guān)管的開(kāi)通/關(guān)斷，以實(shí)現(xiàn)多電平和多功率等級(jí)輸出。

本發(fā)明的有益效果是：本發(fā)明提供的可重構(gòu)隔離多電平開(kāi)關(guān)變換器拓?fù)?，其基本單元為隔離型電壓源單元，僅需要一個(gè)功率開(kāi)關(guān)和兩個(gè)二極管就可以同時(shí)實(shí)現(xiàn)基本單元的串并聯(lián)，此外，各種串并聯(lián)組合在該技術(shù)下可嵌套應(yīng)用，既適用于小功率低壓多電平需求場(chǎng)合，也適用于大功率高壓場(chǎng)合。

附圖說(shuō)明

圖1是DC/DC變換中傳統(tǒng)的三電平實(shí)現(xiàn)方式示意圖，其中，圖1(a)是二極管共陰極的非隔離三電平結(jié)構(gòu)，圖1(b)是功率開(kāi)關(guān)共源極的非隔離三電平結(jié)構(gòu)，圖1(c)是二極管共陰極的隔離型三電平結(jié)構(gòu)，圖1(d)是串聯(lián)三電平結(jié)構(gòu)；

圖2是本發(fā)明的可串并聯(lián)重構(gòu)的隔離變換器拓?fù)鋯卧娐穲D；

圖3是本發(fā)明的嵌套式可重構(gòu)單元隔離變換器拓?fù)鋯卧娐穲D；

圖4是高可靠性需求的大功率應(yīng)用場(chǎng)景示意圖；

圖5是由一個(gè)變壓器帶兩個(gè)隔離電源輸出的變換器拓?fù)涫疽鈭D。

具體實(shí)施方案

下面通過(guò)具體實(shí)施方式結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)說(shuō)明。

本發(fā)明的可重構(gòu)隔離多電平變換器，仍以三電平實(shí)現(xiàn)為例。

附圖2所示是一個(gè)基礎(chǔ)的可串并聯(lián)重構(gòu)的隔離變換器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)單元。V1與V2是隔離電源，二者都可控制輸出相同的電壓或者相同的電流。功率開(kāi)關(guān)S1與功率二極管D1和D2構(gòu)成串并聯(lián)開(kāi)關(guān)電路，通過(guò)S1的開(kāi)通和關(guān)斷控制該單元的輸出電壓和電流。在一實(shí)施例中，D1的正極與V2的正極相連，D1的負(fù)極與V1的正極相連，D2的正極與V2的負(fù)極相連，D2的負(fù)極與V1的負(fù)極相連，S1的源極與V1的負(fù)極相連，S1的漏極與V2的正極相連，V1的正極和V2的負(fù)極分別構(gòu)成單元的正極輸出端和負(fù)極輸出端。

當(dāng)S1開(kāi)通時(shí)，隔離電源V1和V2串聯(lián)，輸出電壓等于V₁+V₂＝2V，兩個(gè)電源自動(dòng)均流；當(dāng)S1關(guān)斷時(shí)，隔離電源V1和V2并聯(lián)，輸出電壓等于V₁＝V₂＝V，二者電壓相同，自動(dòng)均壓。這種自動(dòng)均壓合自動(dòng)均流在V1和V2是兩種完全相同的輸出電壓，相同輸出電流的情況下可實(shí)現(xiàn)。

然而，該結(jié)構(gòu)并不局限V1和V2的電路結(jié)構(gòu)是否相同，不局限單體輸出功率是否完全一致。還可通過(guò)加入控制單元的重構(gòu)來(lái)獲取更加靈活的電路形式。在該種電路形式下，只要求V1和V2在功率和電壓范圍近似即可。當(dāng)S1開(kāi)通時(shí)，控制二者為電壓輸出模式，電流自動(dòng)均流；而當(dāng)S1關(guān)斷時(shí)，控制二者為電流輸出模式，電流模式直接并聯(lián)，電壓取決于負(fù)載輸出。因而這種重構(gòu)結(jié)構(gòu)可實(shí)現(xiàn)脈沖電壓源和脈沖電流源同體異構(gòu)的模式。

該結(jié)構(gòu)可實(shí)現(xiàn)進(jìn)行故障冗余設(shè)計(jì)，當(dāng)S1發(fā)生短路故障時(shí)，V1與V2始終串聯(lián)輸出，而當(dāng)S1出現(xiàn)斷路故障時(shí)，則V1和V2始終并聯(lián)輸出。

以附圖2所示的可重構(gòu)單元作為基本單元，構(gòu)成如附圖3所示為嵌套式可重構(gòu)電源單元。在一實(shí)施例中，D1的正極與基本單元2的正極相連，D1的負(fù)極與基本單元1的正極相連，D2的正極與基本單元2的負(fù)極相連，D2的負(fù)極與基本單元1的負(fù)極相連，S1的源極與基本單元1的負(fù)極相連，S1的漏極與基本單元2的正極相連，基本單元1的正極和基本單元2的負(fù)極分別構(gòu)成嵌套式可重構(gòu)單元的正極輸出端和負(fù)極輸出端。

在這種情況下，可實(shí)現(xiàn)多電平和多功率等級(jí)輸出，如表1所示。

表1開(kāi)關(guān)組合方式與多電平和多功率等級(jí)輸出的關(guān)系

從表中可以看到，對(duì)于1、4、8或1、5、8兩組開(kāi)關(guān)組合都可以獲得4UI的輸出功率，盡管輸出電壓、電流發(fā)生了變化，但輸出功率不變，因而在一個(gè)恒功率需求系統(tǒng)中，這兩種組合都可以用來(lái)對(duì)電源架構(gòu)進(jìn)行重構(gòu)，實(shí)現(xiàn)輸出功率恒定。也即開(kāi)關(guān)組合1是在所有開(kāi)關(guān)工作狀態(tài)正常情況下并保持開(kāi)通或者三者全部為短路狀態(tài)情況下構(gòu)成電源系統(tǒng)為高壓小電流結(jié)構(gòu)，而當(dāng)開(kāi)關(guān)S1發(fā)生斷路故障，控制S11和S21同時(shí)開(kāi)通或關(guān)斷都可以保證4UI功率。當(dāng)然還可以分析其他故障狀態(tài)下，開(kāi)關(guān)組合順序。

在嵌套式可重構(gòu)結(jié)構(gòu)下，每個(gè)基本單元的電壓和功率等級(jí)可以做得更小，且變換形式多樣，在控制重構(gòu)和拓?fù)渲貥?gòu)雙重結(jié)合下，并實(shí)現(xiàn)狀態(tài)切換控制，針對(duì)大功率應(yīng)用需求場(chǎng)合，無(wú)需做定制式設(shè)計(jì)，僅需對(duì)控制模態(tài)和串并聯(lián)開(kāi)關(guān)進(jìn)行合理設(shè)計(jì)即可。在開(kāi)關(guān)型功率變換器中，每一個(gè)開(kāi)關(guān)動(dòng)作引起的電壓跳變都會(huì)影響功率變換器的開(kāi)關(guān)損耗、開(kāi)關(guān)諧波和電磁干擾(EMI)。這種嵌套式多電平功率變換器可有效減小開(kāi)關(guān)動(dòng)作時(shí)的電壓跳變，從而減小了開(kāi)關(guān)損耗，開(kāi)關(guān)諧波和EMI。輸出濾波器也會(huì)被減小來(lái)增加功率變換器的功率密度。

(1)本發(fā)明應(yīng)用于高可靠性需求的大功率應(yīng)用場(chǎng)景

傳統(tǒng)方式下，在一些可靠性要求高的場(chǎng)合，多個(gè)載荷群要從同一母線上獲取能源，如附圖4所示，每個(gè)載荷群有一個(gè)隔離變換器將載荷群與母線隔離開(kāi)，一旦隔離變換器故障，切斷與母線的聯(lián)系，因而隔離變換器的設(shè)計(jì)需要高可靠性。然而，可能功率需求較大，在設(shè)計(jì)單個(gè)隔離變換器滿足此處需求時(shí)，對(duì)開(kāi)關(guān)器件的電壓等級(jí)和變壓器體積要求過(guò)大，體積和重量都會(huì)非常龐大。而附圖2和附圖3所示的單元架構(gòu)，可將每個(gè)小隔離源設(shè)計(jì)得較小，功率密度較大，只需通過(guò)幾個(gè)功率開(kāi)關(guān)和功率二極管即可組合成所需的大功率隔離變換結(jié)構(gòu)，而且該類隔離變換器具備故障冗余可重構(gòu)特性，將可以更好地服務(wù)于這類配電系統(tǒng)中。

將附圖2或附圖3所示可重構(gòu)電源架構(gòu)用于該系統(tǒng)后，隔離變換器輸出當(dāng)存在開(kāi)關(guān)故障時(shí)，可以變化輸出電壓，這也就意味著載荷群母線可能是變化的，對(duì)于后級(jí)載荷所需電壓需要在變換器選擇中多一些寬輸入電壓范圍功率變換器即可，但前級(jí)可靠性增強(qiáng)，功率密度提升。

(2)本發(fā)明應(yīng)用于DC/DC隔離變換器設(shè)計(jì)中，構(gòu)成多電平變換，減小濾波器設(shè)計(jì)尺寸。

例如附圖5為由一個(gè)變壓器帶兩個(gè)隔離電源輸出的變換器拓?fù)?，目的是為了減小無(wú)源器件的容量并提高功率變換效率。隔離的變換器以恒定占空比開(kāi)關(guān)來(lái)產(chǎn)生兩個(gè)輸出直流電壓。多電平電壓在變壓器的二次側(cè)通過(guò)串/并開(kāi)關(guān)電路產(chǎn)生，串/并開(kāi)關(guān)電路控制兩個(gè)輸出電壓進(jìn)行串聯(lián)和并聯(lián)，僅僅通過(guò)控制一個(gè)功率開(kāi)關(guān)S1。因此，開(kāi)關(guān)電路被簡(jiǎn)化。在輸出L-C濾波器輸入側(cè)的電壓波動(dòng)被減小，因而輸出濾波器可被減小。

以上內(nèi)容是結(jié)合具體的優(yōu)選實(shí)施方式對(duì)本發(fā)明所作的進(jìn)一步詳細(xì)說(shuō)明，不能認(rèn)定本發(fā)明的具體實(shí)施只局限于這些說(shuō)明。對(duì)于本發(fā)明所屬技術(shù)領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來(lái)說(shuō)，在不脫離本發(fā)明構(gòu)思的前提下，還可以做出若干簡(jiǎn)單推演或替換，都應(yīng)當(dāng)視為屬于本發(fā)明的保護(hù)范圍。