一种ISIPOSOP型模块化DC-DC变换器及其组成方法和输出电压控制方法与流程

本发明涉及DC-DC变换器
技术领域：
，尤其涉及一种ISIPOSOP型模块化DC-DC变换器及其组成方法和输出电压控制方法。
背景技术：
：直流电网技术是实现大规模电能传输、互联交流电网稳定运行和可再生能源整合的有效措施，而直流电网中的关键设备是DC-DC变换器，它的特性关乎整个系统的性能。但是，由于单个开关器件的容量是有限的，传统的DC-DC变换器集中在中低压和小功率范围，不能适用于高压大容量场合。目前，为了提高DC-DC变换器的容量，ISOS(输入串联输出串联)、ISOP(输入串联输出并联)、IPOS(输入并联输出串联)、IPOP(输入并联输出并联)等结构的模块化DC-DC变换器已经被提出。IPOP型模块化DC-DC变换器适合于输入输出电流很大的情况，其将N个DC-DC模块在输入端并联和输出端并联，变换器系统的输入输出端电压和各个模块输入输出端电压是一样的，所以这个结构并没有减小每个模块的承受的电压；IPOS型模块化DC-DC变换器很适合高输出电压、大功率的情况，其将N个DC-DC模块在输入端并联和输出端串联，变换器系统的输入电压和输出电流和各个模块的输入电压和输出电流是一样的，所以这种结构并没有减小各模块输入端的电压和输出端的电流；ISOP型模块化DC-DC变换器适合于高输入电压、大功率的应用场合，但并没有减小各模块在输入端的电流和输出端的电压；ISOS型模块化DC-DC变换器特别契合输入电压和输出电压都很大的情况，但并没有减小各模块承受的电流。但它们共同的缺陷就是难以同时承受输入输出两端的高压大电流。因此，需要寻找其它方法来实现能够在输入输出两端都能承受高压大电流的DC-DC变换器，而且要求DC-DC变换器还能实现输出电压的快速稳定。技术实现要素：为了克服上述技术问题，本发明提出来一种输入串并联-输出串并联(ISIPOSOP)型模块化DC-DC变换器，采用输入串并联和输出串并联(ISIPOSOP)的组合方式，是一种模块化的DC-DC变换器。它使得每个模块承受的电压和电流都极大减小，构成的整个DC-DC变换器能够承受输入和输出两端的高电压大电流，能够实现高压大电流DC-DC变换。为了达到上述发明目的，解决其技术问题所采用的技术方案如下：本发明公开了一种ISIPOSOP型模块化DC-DC变换器，包含M*N个基本DC-DC模块，每个所述基本DC-DC模块包括任意类型的DC-DC变换器，其中：M个所述基本DC-DC模块通过输入并联和输出并联的方式进行连接,构成1个DC-DC变换器单元；所述DC-DC变换器单元的数量为N个，N个所述DC-DC变换器单元通过输入串联和输出串联的方式连接。优选的，所述DC-DC变换器为Buck变换器、Boost变换器、Cuk变换器、单端正激变换器、单端反激变换器、全桥DC-DC变换器和隔离型DC-DC变换器中任意一个。本发明另外公开了一种ISIPOSOP型模块化DC-DC变换器的组成方法，主要包括以下步骤：S1:选取任意一种DC-DC变换器作为基本DC-DC模块；S2：选取其中M个基本DC-DC模块,将选好的M个基本DC-DC模块通过输入并联和输出并联的方式进行连接,构成一个更大容量的DC-DC变换器单元；S3：重复步骤S2，得到其它N-1个DC-DC变换器单元；S4:将得到的N个DC-DC变换器单元通过输入串联和输出串联的方式连接，构成ISIPOSOP型模块化DC-DC变换器，使得整个变换器系统拥有M*N个基本DC-DC模块。优选的，所述DC-DC变换器为Buck变换器、Boost变换器、Cuk变换器、单端正激变换器、单端反激变换器、全桥DC-DC变换器和隔离型DC-DC变换器中任意一个。本发明还公开了一种ISIPOSOP型模块化DC-DC变换器的输出电压控制方法，主要包括以下步骤：S10：选取任意一种DC-DC变换器作为基本DC-DC模块，根据所要达到的目标选择基本DC-DC模块的模块个数，即确定M和N的数值，同时给定组成各基本DC-DC模块的元件参数；S20：对每个基本DC-DC模块进行小信号建模并得到每个基本DC-DC模块的小信号模型；S30：再根据ISIPOSOP方式进行组合，得到ISIPOSOP型模块化DC-DC变换器的小信号模型；S40：根据得到的ISIPOSOP型模块化DC-DC变换器的小信号模型建立每个基本DC-DC模块的近似小信号模型，将整个ISIPOSOP型模块化DC-DC变换器的负载平均分配到每个基本DC-DC模块，如果整个ISIPOSOP型模块化DC-DC变换器的负载为RL，则近似小信号模型的负载为RL/N，从而得到用于这个ISIPOSOP型模块化DC-DC变换器输出电压控制设计的近似小信号模型；S50：根据每个基本DC-DC模块的近似小信号模型得到每个基本DC-DC模块的输出电压扰动和占空比扰动的近似关系式，并根据这个近似关系式进一步推导出输出电压扰动与占空比扰动之间的关系式；S60：根据输出电压扰动与占空比扰动之间的关系式以及合适的相位裕度和穿越频率，给出控制器的具体表达式，控制器根据输出电压波动改变占空比，反过来改变输出电压，从而使输出电压快速稳定在设定值。进一步的，步骤S50中，每个所述基本DC-DC模块的输出电压扰动和占空比扰动的近似关系式:其中，N为串联单元的个数，n为每个基本DC-DC模块中变压器的变压比的倒数，L、C为每个基本DC-DC模块的滤波电感和电容，Vin、分别是整个系统的输入额定电压和输出电压扰动。进一步的，根据每个所述基本DC-DC模块的输出电压扰动和占空比扰动的近似关系式，进一步推出ISIPOSOP变换器系统的输出电压与占空比扰动之间的关系式:其中，N为串联单元的个数，n为每个基本DC-DC模块中变压器的变压比的倒数，L、C为每个基本DC-DC模块的滤波电感和电容，Vin、分别是整个系统的输入额定电压和输出额定电压。进一步的，步骤60中，当输出电压Vout偏离参考值Vout,ref时，会产生一个偏差量，控制器通过这个偏差量来改变各个模块的占空比，当输出电压Vout偏离参考值Vout,ref时，占空比也随之发生相应的改变，占空比的改变又反过来调整输出电压，使输出电压稳定在参考值，每个模块的占空比为Dij(i＝1,2,3,…,N；j＝1,2,3,…,M)，根据适当的相位裕度和穿越频率，给出控制器具体的表达式，通过控制器来根据输出电压波动控制占空比从而使输出电压稳定在设定值。进一步的，步骤60中，所述控制器的具体表达式是：其中，kc、ωz和ωp均为待定常数。进一步的，所述DC-DC变换器为Buck变换器、Boost变换器、Cuk变换器、单端正激变换器、单端反激变换器、全桥DC-DC变换器和隔离型DC-DC变换器中任意一个。本发明由于采用以上技术方案，使之与现有技术相比，具有以下的优点和积极效果：1.本发明采用一种输入串并联-输出串并联(ISIPOSOP)型模块化DC-DC变换器，该变换器能够承受输入和输出两端的高压大电流，在这个方面相比于ISOS、ISOP、IPOS、IPOP等结构的模块化DC-DC变换器，具有显著的优势；ISIPOSOP型模块化DC-DC变换器采用基于近似小信号模型的输出电压控制方法，能使系统输出电压快速稳定；2.本发明一种ISIPOSOP型DC-DC变换器的基于近似小信号模型的输出电压控制方法能够使该变换器的输出电压快速稳定在设定值，当各个模块参数对称或者是轻度不对称时，该方法都能使输出电压快速稳定；3.本发明采用输入串并联和输出串并联(ISIPOSOP)的组合方式，是一种模块化的DC-DC变换器。它使得每个模块承受的电压和电流都极大减小，构成的整个DC-DC变换器能够承受输入和输出两端的高电压大电流，能够实现高压大电流DC-DC变换。附图说明为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单的介绍。显而易见，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。附图中：图1是本发明ISIPOSOP型模块化DC-DC变换器的结构图；图2是本发明ISIPOSOP型模块化DC-DC变换器中一基本DC-DC模块的结构示意图；图3为本发明ISIPOSOP型模块化DC-DC变换器的小信号模型的结构示意图；图4为本发明ISIPOSOP型模块化DC-DC变换器的近似小信号模型的结构示意图；图5为本发明ISIPOSOP型模块化DC-DC变换器输出电压控制原理图；图6为本发明ISIPOSOP型模块化DC-DC变换器中四个基本DC-DC模块在PLECS中的仿真界面示意图；图7a、7b、7c、7d为本发明ISIPOSOP型模块化DC-DC变换器在输入电压分别为4000V、5000V、6000V、7000V时的输出电压波形图；图8a、8b为本发明ISIPOSOP型模块化DC-DC变换器在输入电压为5000V时，各模块参数分别对称和轻度不对称时的输出电压波形图。具体实施方式以下将结合本发明的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整的描述和讨论，显然，这里所描述的仅仅是本发明的一部分实例，并不是全部的实例，基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明的保护范围。实施例一如图1所示，本发明公开了一种ISIPOSOP型模块化DC-DC变换器，包含M*N个基本DC-DC模块，每个所述基本DC-DC模块包括任意类型的DC-DC变换器，其中：M个所述基本DC-DC模块通过输入并联和输出并联的方式进行连接,构成1个DC-DC变换器单元；所述DC-DC变换器单元的数量为N个，N个所述DC-DC变换器单元通过输入串联和输出串联的方式连接。其中，所述DC-DC变换器可以为Buck变换器、Boost变换器、Cuk变换器、单端正激变换器、单端反激变换器、全桥DC-DC变换器和隔离型DC-DC变换器中任意一个。但是基本模块的选择并不限于以上几种，任何变换器采取ISIPOSOP的连接方式构成的系统都算作本发明范围。实施例二如图1所示，本发明另外公开了一种ISIPOSOP型模块化DC-DC变换器的组成方法，主要包括以下步骤：S1:选取任意一种DC-DC变换器作为基本DC-DC模块；S2:选取其中M个基本DC-DC模块,将选好的M个基本DC-DC模块通过输入并联和输出并联的方式进行连接,构成一个更大容量的DC-DC变换器单元(用SM表示)；S3：重复步骤S2，得到其它N-1个DC-DC变换器单元；将这N个DC-DC变换器单元分别表示为SM1、SM2、…、SMN；S4:将得到的SM1、SM2、…、SMN这N个DC-DC变换器单元通过输入串联和输出串联构成ISIPOSOP型模块化DC-DC变换器，使得整个变换器系统拥有M*N个基本DC-DC模块，从整体上来看系统输入端和输出端都有串联和并联方式，因此称之为ISIPOSOP型模块化DC-DC变换器。其中，所述DC-DC变换器可以为Buck变换器、Boost变换器、Cuk变换器、单端正激变换器、单端反激变换器、全桥DC-DC变换器和隔离型DC-DC变换器中任意一个。但是基本模块的选择并不限于以上几种，任何变换器采取ISIPOSOP的连接方式构成的系统都算作本发明范围。本实施例中，选取全桥隔离型DC-DC变换器的ISIPOSOP型模块化DC-DC变换器。在步骤S1中，首先选取全桥隔离型DC-DC变换器作为基本DC-DC模块，它的结构如图2所示，每个基本DC-DC模块的滤波电感为L，滤波电容为C，变压器变比为1：n，T1、T2、T3、T4为开关器件；D1、D2、D3、D4为整理二极管。实施例三，本发明还公开了一种ISIPOSOP型模块化DC-DC变换器的输出电压控制方法，主要包括以下步骤：S10、选取任意一种DC-DC变换器作为基本DC-DC模块，根据所要达到的目标选择基本DC-DC模块模块的个数，即确定M和N的数值，同时给定组成各基本DC-DC模块的元件参数，如全桥隔离型DC-DC变换器要选择开关器件、滤波电感、滤波电容和变压器变比的参数；由于DC-DC变换器的输出电压控制通常是由线性控制方法实现的，用建立小信号模型的方法可以实现对DC-DC变换器的线性控制。即首先得到每个模块的小信号模型，然后建立整个变换器系统的小信号模型，如步骤S20和S30所述，具体的：S20、对每个基本DC-DC模块进行小信号建模并得到每个基本DC-DC模块的小信号模型；S30、再根据ISIPOSOP方式进行组合，得到ISIPOSOP型模块化DC-DC变换器的小信号模型，如图3所示；S40、为了便于控制设计，简化控制方法，根据得到的ISIPOSOP型模块化DC-DC变换器的小信号模型建立每个基本DC-DC模块的近似小信号模型，其本质上就是忽略各个模块之间的些许差异，把各个模块当作完全相同的模块。将整个ISIPOSOP型模块化DC-DC变换器的负载平均分配到每个基本DC-DC模块，如果整个ISIPOSOP型模块化DC-DC变换器的负载为RL，则近似小信号模型的负载为RL/N，从而得到用于这个ISIPOSOP型模块化DC-DC变换器输出电压控制设计的近似小信号模型，如图4所示；S50、根据每个基本DC-DC模块的近似小信号模型得到每个基本DC-DC模块的输出电压扰动和占空比扰动的近似关系式，其中，N为串联单元的个数，n为每个基本DC-DC模块中变压器的变压比的倒数，L、C为每个基本DC-DC模块的滤波电感和电容，Vin、分别是整个系统的输入额定电压和输出电压扰动。并根据这个近似关系式进一步推导出输出电压扰动与占空比扰动之间的关系式；其中，N为串联单元的个数，n为每个基本DC-DC模块中变压器的变压比的倒数，L、C为每个基本DC-DC模块的滤波电感和电容，Vin、分别是整个系统的输入额定电压和输出电压扰动。S60、根据输出电压的控制原理，即当输出电压Vout偏离参考值Vout,ref时，会产生一个偏差量，控制器通过这个偏差量来改变各个模块的占空比(各个模块采用的都是PWM调制)。因此当输出电压偏离参考值时，占空比也随之发生相应的改变，占空比的改变又反过来调整输出电压，使输出电压稳定在参考值，如图5所示，每个模块的占空比为Dij(i＝1,2,3,…,N；j＝1,2,3,…,M)；为了实现输出电压的快速稳定，控制器选取PID控制器。该控制器设计过程简单，控制精度高，该控制器的表达形式是：其中，kc,ωz,ωp均为待定常数。根据适当的相位裕度(PM)和穿越频率，给出控制器controller具体的表达式，通过控制器来根据输出电压波动来控制占空比从而使输出电压稳定在设定值。下面通过仿真案例对该输出电压控制方法进行具体分析，仿真是通过软件PLECS实现的，步骤如下：根据如表1所示的设计目标，采用4个全桥隔离型DC-DC变换器模块组成ISIPOSOP变换器系统，为各个模块中的元件选取合适的参数，如表2所示。将各参数代入式(2)，得到ISIPOSOP变换器系统的输出电压与占空比扰动之间的表达式如式(4)。表1.设计目标项目数值输入电压4000[V]～7000[V]输出电压14400[V]最大输出电压波动0.5％Vo开关频率100[KHz]表2.ISIPOSOP型模块化DC-DC变换器具体参数项目符号数值模块个数MN4各模块滤波电感L100[μH]各模块滤波电容C100[μF]变压器变比1:n1:4负载电阻RL20[Ω]再根据(4)的表达式设计出控制器具体的表达式如式(5)。在PLECS软件中的仿真界面如图6所述，在PLECS软件中得到的仿真结果如图7a、7b、7c、7d和图8a、8b所示。当各基本DC-DC模块原件选用如表2中的参数，并采取所提出的输出电压控制方法时，调整ISIPOSOP变换器系统输入电压的大小，分别是4000V、5000V、6000V和7000V，然后观察系统输出电压的情况。根据图7a、7b、7c、7d所示，当系统输入电压改变时，系统输出电压波形发生改变，但是输出电压都能在0.08s内稳定在14400V。说明这种基于近似小信号模型的输出电压控制方法具有快速稳定输出电压的特性。根据图8a和8b所示，每个基本DC-DC模块中都有元件参数偏离表2的设定值,即L11＝110μH,C12＝110μF,L21＝90μH,C22＝90μF。当系统输入电压为5000V时，将ISIPOSOP系统和各个基本DC-DC模块的输出电压波形在参数对称和轻微不对称两种情况进行对比。当参数对称时，各个基本DC-DC模块的输出电压相同，系统的输出电压快速稳定在14400V；当参数轻度不对称时，四个模块的输出电压出现差异，但是系统的输出电压波形同参数对称时的波形基本一致，依然快速稳定在14400V；说明这种输出电压控制方法在参数轻度不对称时依然有效。根据仿真结果得出结论：ISIPOSOP型DC-DC变换器的基于近似小信号模型的输出电压控制方法能够使该变换器的输出电压快速稳定在设定值，当各个模块参数对称或者是轻度不对称时，该方法都能使输出电压快速稳定。本发明仿真案例只是用于帮助阐述本发明的特点与优点。仿真案例只代表一种形式的具体应用，也不限制该发明仅为所述的具体实施方式。显然，根据本说明书的内容，可作很多的修改和变化。本说明书选取并具体描述这些实施例，是为了更好地解释本发明的原理和实际应用，从而使所属
技术领域：
技术人员能很好地利用本发明。本发明仅受权利要求书及其全部范围和等效物的限制。当前第1页1 2 3