一种基于模态重构的开关变换器拓扑衍生方法和装置

1.本发明涉及电力电子技术领域，尤其涉及一种基于模态重构的开关变换器拓扑衍生方法和装置。


背景技术：

2.随着可再生能源、数据中心、分布式发电、卫星电源系统等新兴技术的蓬勃发展，传统开关变换器拓扑难以满足以上应用中日益增长的高质量电能变换需求，因此迫切需要研究新型开关变换器拓扑，以满足不断增长的需求。
3.目前对于新型开关变换器的提出，一般通过几种方式：
4.(1)通过归纳总结一类开关变换器所共有的一些机理，利用这些机理进行拓扑推演，包括对偶法、基本开关单元法、组合法等，这些方法能够对特定开关变换器类型进行推广，但数量有限，且依赖研究人员的经验；
5.(2)依赖于实践经验，构建新的拓扑，但是该种方法得到拓扑具有随机性，难以形成更多新型拓扑；
6.(3)基于图论的可编程方法，这类方法是根据给定的开关变换器结构，包括开关、输入输出、无源器件等的数量进行组合与筛选，能够得到大量拓扑以供研究人员选择，但是仍然总器件数量较少，同时只能运用于dc-dc变换器。
7.为了加速拓扑创新速度，减少科研人员提出拓扑的压力，如何通过更简洁的方法提出更多可用的拓扑需要进一步研究。


技术实现要素：

8.本发明旨在至少在一定程度上解决相关技术中的技术问题之一。
9.为此，本发明的目的在于提供一种更简洁的方法以提出更多可用的新型开关变换器拓扑，从而加速拓扑创新速度，减少科研人员提出拓扑的压力，提出了一种基于模态重构的开关变换器拓扑衍生方法。
10.本发明的另一个目的在于提出一种基于模态重构的开关变换器拓扑衍生装置。
11.为达上述目的，本发明一方面提出了基于模态重构的开关变换器拓扑衍生方法，包括以下步骤：
12.设定目标开关变换器输入、输出及无源支路的数量与类型，以及模态数量；
13.使用设定的所述输入、输出及无源支路，进行结构初始化得到回路结构表；
14.选择所述回路结构表中符合第一预设条件的回路，得到第一结构表；
15.对所述第一结构表中结构添加器件实际方向，得到第二结构表；
16.基于所述模态数量，从所述第二结构表中选取预设的模态数量的回路结构进行组合得到第三结构表；
17.对所述第三结构表进行第二预设条件筛选得到第四结构表；
18.对所述第四结构表添加开关器件还原实际开关变换器。
19.本发明实施例的基于模态重构的开关变换器拓扑衍生方法，通过设定目标开关变换器输入、输出及无源支路的数量与类型，以及模态数量；使用设定的输入、输出及无源支路，进行结构初始化得到回路结构表；选择回路结构表中符合第一预设条件的回路，得到第一结构表；对第一结构表中结构添加器件实际方向，得到第二结构表；基于模态数量，从第二结构表中选取预设的模态数量的回路结构进行组合得到第三结构表；对第三结构表进行第二预设条件筛选得到第四结构表；对第四结构表添加开关器件还原实际开关变换器。本发明能够针对开关变换器进行拓扑的衍生，实现使用计算机程序方式实现pwm型开关变换器拓扑的衍生功能，加速了拓扑创新速度，减少了科研人员提出拓扑的压力。
20.另外，根据本发明上述实施例的基于模态重构的开关变换器拓扑衍生方法还可以具有以下附加的技术特征：
21.进一步地，设定目标开关变换器输入、输出及无源支路的数量与类型，以及模态数量，包括：
22.所述输入支路为电压源，所述输出支路为电阻并联电容，所述无源支路包括电感及电容。
23.进一步地，所述第一预设条件，包括：
24.所述回路结构表中的结构不包含电感、电流源组成的割集；不包含电容、电压源组成的回路；回路中至少包含一个输入或输出；回路中包含无源器件。
25.进一步地，所述第二预设条件，包括：
26.电压转换比与占空比相关；两个开关变换器除电感方向相反以外，其余支路全部相同；所述两个开关变换器除输出源方向相反以外，其余支路全部相同；所述两个开关变换器除电感及输出源方向相反以外，其余支路全部相同。
27.进一步地，所述对所述第四结构表添加开关器件还原实际开关变换器，包括：
28.根据不同模态的连接情况，为电路添加理想开关器件；
29.基于所述电路添加的理想开关器件，计算状态方程得到各个开关的关断时电压和导通时电流情况；
30.根据所述开关的关断时电压和导通时电流情况，判断开关所属类型；所述开关的类型包括：mosfet、二极管、晶闸管或双向开关中的一种；其中，所述双向开关指的是关断时能够承受双向电压、电流单向导通的开关结构。
31.进一步地，所述回路结构表中的回路结构为开关变换器单个模态只包含输入源、输出源及电感、电容的电路连接方式。
32.进一步地，所述得到第三结构表，是基于无源器件包含充、放电模态，输入或输出源存在其中一个模态中。
33.进一步地，在进行所述第二预设条件完成筛选后,两种模态组成变换器，则模态的表示方法为：
34.mn＝(e1[e
11
,e
12
],e2[e
21
,e
22
],e3[e
31
,e
32
])
[0035]
其中，en为预先设定的不同支路类型，e
n1
、e
n2
分别为en器件的正端和负端，使用数字表示。
[0036]
进一步地，所述对所述第四结构表添加开关器件还原实际开关变换器，还包括：
[0037]
计算当前开关变换器静态工作点，基于状态平均的假设，开关变换器的两个模态
中状态变量不变，根据电感电流与电压源电压判断理想开关导通时电流方向与关断时电流方向；当关断时电压为正、导通时电流为正或负则为mosfet型器件；当关断时电压为正、导通时电流为负则为二极管；当关断时电压为正或负、导通时电流为正则为晶闸管器件；当关断时电压为正或负、导通时电流为正或负则为四象限开关。
[0038]
为达到上述目的，本发明另一方面提出了一种基于模态重构的开关变换器拓扑衍生装置，包括：
[0039]
设定模块，用于设定目标开关变换器输入、输出及无源支路的数量与类型，以及模态数量；
[0040]
初始化模块，用于使用设定的所述输入、输出及无源支路，进行结构初始化得到回路结构表；
[0041]
预设模块，用于选择所述回路结构表中符合第一预设条件的回路，得到第一结构表；
[0042]
添加模块，用于对所述第一结构表中结构添加器件实际方向，得到第二结构表；
[0043]
组合模块，用于基于所述模态数量，从所述第二结构表中选取预设的模态数量的回路结构进行组合得到第三结构表；
[0044]
筛选模块，用于对所述第三结构表进行第二预设条件筛选得到第四结构表；
[0045]
还原模块，用于对所述第四结构表添加开关器件还原实际开关变换器。
[0046]
本发明实施例的基于模态重构的开关变换器拓扑衍生装置，通过设定目标开关变换器输入、输出及无源支路的数量与类型，以及模态数量；使用设定的输入、输出及无源支路，进行结构初始化得到回路结构表；选择回路结构表中符合第一预设条件的回路，得到第一结构表；对第一结构表中结构添加器件实际方向，得到第二结构表；基于模态数量，从第二结构表中选取预设的模态数量的回路结构进行组合得到第三结构表；对第三结构表进行第二预设条件筛选得到第四结构表；对第四结构表添加开关器件还原实际开关变换器。本发明能够针对开关变换器进行拓扑的衍生，实现使用计算机程序方式实现pwm型开关变换器拓扑的衍生功能，加速了拓扑创新速度，减少了科研人员提出拓扑的压力。
[0047]
本发明的有益效果：
[0048]
本发明能够针对开关变换器进行拓扑的衍生，实现使用计算机程序方式实现pwm型开关变换器拓扑的衍生功能，加速了拓扑创新速度，减少了科研人员提出拓扑的压力。
[0049]
本发明附加的方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。
附图说明
[0050]
本发明上述的和/或附加的方面和优点从下面结合附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：
[0051]
图1为根据本发明实施例的基于模态重构的开关变换器拓扑衍生方法的流程图；
[0052]
图2为根据本发明实施例的基于模态重构的单电感两模态拓扑衍生结果的示意图；
[0053]
图3为根据本发明实施例的基于模态重构的开关变换器拓扑衍生装置的结构示意图。
具体实施方式
[0054]
需要说明的是，在不冲突的情况下，本技术中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。
[0055]
为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分的实施例，而不是全部的实施例。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前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本发明保护的范围。
[0056]
下面参照附图描述根据本发明实施例提出的基于模态重构的开关变换器拓扑衍生方法及装置，首先将参照附图描述根据本发明实施例提出的基于模态重构的开关变换器拓扑衍生方法。
[0057]
图1是本发明一个实施例的基于模态重构的开关变换器拓扑衍生方法的流程图。
[0058]
如图1所示，该基于模态重构的开关变换器拓扑衍生方法包括以下步骤：
[0059]
步骤s1，设定目标开关变换器输入、输出及无源支路的数量与类型，以及模态数量。
[0060]
具体地，设定目标开关变换器为单输入电压源，单输出支路为电阻并联电容，无源支路为单电感及电容，且由两个开关模态组成。
[0061]
步骤s2，使用设定的输入、输出及无源支路，进行结构初始化得到回路结构表。
[0062]
具体地，使用设定支路进行结构初始化得到回路结构表h，包含16种结构。
[0063]
步骤s3，选择回路结构表中符合第一预设条件的回路，得到第一结构表。
[0064]
具体地，选择回路结构表h中符合基本回路条件的回路，首先判断h中结构是否存在回路，然后筛选去掉输入源与输出源直接并联的结构，最后剩余3种结构，组成表g。其中基本回路条件为成为开关变换器模态所必须的回路条件，包括：
[0065]
(1)不包含电感、电流源组成的割集；
[0066]
(2)不包含电容、电压源组成的回路；
[0067]
(3)回路中至少包含一个输入或输出；
[0068]
(4)回路中需要包含无源器件。
[0069]
步骤s4，对第一结构表中结构添加器件实际方向，得到第二结构表。
[0070]
具体地，对表g中结构添加器件实际方向得到表f，其中包含八种包含器件方向的回路结构。
[0071]
步骤s5，基于模态数量，从第二结构表中选取预设的模态数量的回路结构进行组合得到第三结构表。
[0072]
具体地，根据模态数量从表f中选取结构进行组合，其中电感支路需要包含充、放电模态，其中一个回路至少要存在一个输入源，另外一个回路至少要存在一个输出源，最终得到组合表e，包含26种结构。
[0073]
步骤s6，对第三结构表进行第二预设条件筛选得到第四结构表。
[0074]
具体地，对表e进行基本电路条件筛选得到表m。其中将基本电路条件为开关变换器能够正常工作及所生成拓扑不重复的条件，包括：
[0075]
(1)电压转换比与占空比相关；
[0076]
(2)两个开关变换器除电感方向相反以外，其余支路全部相同；
[0077]
(3)两个开关变换器除输出源方向相反以外，其余支路全部相同；
[0078]
(4)两个开关变换器除电感及输出源方向相反以外，其余支路全部相同。
[0079]
在进行完以上几条筛选后，最终剩余八种结构，如表1所示。其中v
in
为输入支路，l为电感支路，v
out
为输出支路。一个变换器由m1、m2两种模态组成，其中模态的表示方法为：
[0080]mn
＝(e1[e
11
,e
12
],e2[e
21
,e
22
],e3[e
31
,e
32
])
[0081]
其中en为预先设定的不同支路类型，如输入源或者电感等，e
n1
，e
n2
分别为en器件的正端和负端，使用数字表示，e
nm
的标注规则为：按e
nm
在mn中的顺序从左到右，第一个不与任何已标注的端点相连接且与未标注端点相连接的未标注端点为1，第二个不与任何已标注的端点相连接且与未标注端点相连接的未标注端点为2，以此类推，若端点和已标注的端点相连，则标注该端点的数字等于和其连接的已标注端点数字，若端点不和任何端点连接，则标注为0。
[0082]
表1变换器模态表
[0083][0084]
步骤s7，对第四结构表添加开关器件还原实际开关变换器。
[0085]
可以理解的是，添加开关器件还原为实际开关变换器，首先根据不同模态的连接情况，为电路添加理想开关器件。然后通过计算状态方程，得到各个开关的实际电压电流情况，根据实际电压电流情况判断开关所属类型。
[0086]
具体地，根据不同模态的连接情况为电路添加理想开关器件，计算状态方程得到各个开关的关断时电压和导通时电流情况判断开关所属类型，开关的类型包括但不限于
mosfet、二极管、晶闸管和双向开关；其中，双向开关指的是关断时能够承受双向电压、电流单向导通的开关结构，如mosfet和二极管顺向串联所组成的结构。
[0087]
具体地，由表m添加开关器件还原为实际开关变换器。首先计算当前开关变换器静态工作点，即得到电感电流方向与电压源的电压方向，根据状态平均的假设，开关变换器的两个模态中状态变量不变。然后根据电感电流与电压源电压判断理想开关导通时电流方向与关断时电流方向，其中：
[0088]
(1)关断时电压为正、导通时电流为正或负则为mosfet型器件；
[0089]
(2)关断时电压为正、导通时电流为负则为二极管；
[0090]
(3)关断时电压为正或负、导通时电流为正则为晶闸管器件；
[0091]
(4)关断时电压为正或负、导通时电流为正或负则为四象限开关。
[0092]
完成还原后的拓扑结构如图2所示，经过本发明实施例的所提出的基于模态重构的开关变换器拓扑衍生方法使用计算机程序进行搜索后，能够得到buck-boost，noninverting-buck-boost，buck，watkins-johnson，boost，inverse-watkins-johnson，bridge，current-fed bridge变换器。
[0093]
需要说明的是，本发明实施例的所提出的一种基于模态重构的开关变换器拓扑衍生方法可用于pwm型开关变换器的拓扑衍生。
[0094]
通过上述步骤，设定目标开关变换器输入、输出及无源支路的数量与类型，以及模态数量；使用设定的输入、输出及无源支路，进行结构初始化得到回路结构表；选择回路结构表中符合第一预设条件的回路，得到第一结构表；对第一结构表中结构添加器件实际方向，得到第二结构表；基于模态数量，从第二结构表中选取预设的模态数量的回路结构进行组合得到第三结构表；对第三结构表进行第二预设条件筛选得到第四结构表；对第四结构表添加开关器件还原实际开关变换器。本发明能够针对开关变换器进行拓扑的衍生，实现使用计算机程序方式实现pwm型开关变换器拓扑的衍生功能，加速了拓扑创新速度，减少了科研人员提出拓扑的压力。
[0095]
为了实现上述实施例，如图3所示，本实施例中还提供了一种基于模态重构的开关变换器拓扑衍生装置10，该装置10包括：设定模块100、初始化模块200、预设模块300、添加模块400、组合模块500、筛选模块600和还原模块700。
[0096]
设定模块100，用于设定目标开关变换器输入、输出及无源支路的数量与类型，以及模态数量；
[0097]
初始化模块200，用于使用设定的输入、输出及无源支路，进行结构初始化得到回路结构表；
[0098]
预设模块300，用于选择回路结构表中符合第一预设条件的回路，得到第一结构表；
[0099]
添加模块400，用于对第一结构表中结构添加器件实际方向，得到第二结构表；
[0100]
组合模块500，用于基于模态数量，从第二结构表中选取预设的模态数量的回路结构进行组合得到第三结构表；
[0101]
筛选模块600，用于对第三结构表进行第二预设条件筛选得到第四结构表；
[0102]
还原模块700，用于对第四结构表添加开关器件还原实际开关变换器。
[0103]
根据本发明实施例的基于模态重构的开关变换器拓扑衍生装置，设定目标开关变
换器输入、输出及无源支路的数量与类型，以及模态数量；使用设定的输入、输出及无源支路，进行结构初始化得到回路结构表；选择回路结构表中符合第一预设条件的回路，得到第一结构表；对第一结构表中结构添加器件实际方向，得到第二结构表；基于模态数量，从第二结构表中选取预设的模态数量的回路结构进行组合得到第三结构表；对第三结构表进行第二预设条件筛选得到第四结构表；对第四结构表添加开关器件还原实际开关变换器。本发明能够针对开关变换器进行拓扑的衍生，实现使用计算机程序方式实现pwm型开关变换器拓扑的衍生功能，加速了拓扑创新速度，减少了科研人员提出拓扑的压力。
[0104]
需要说明的是，前述对基于模态重构的开关变换器拓扑衍生方法实施例的解释说明也适用于该实施例的基于模态重构的开关变换器拓扑衍生装置，此处不再赘述。
[0105]
此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。
[0106]
在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。
[0107]
尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。