一种自动均压电路的制作方法

本实用新型涉及电力电子技术领域，尤其涉及一种自动均压电路。

背景技术：

在轨道交通、新能源发电等领域，供电电压可能高达数千伏特。在将这种高压转换为其他电压时，如果使用高频开关电源直接变换，则需要选择合适的电路拓扑，以适应当前的半导体技术，兼顾可靠性和经济性。

当前高压直流变换拓扑理论中，普遍采用的两种方法，一个是多电平理论，一个是级联理论。使用多电平理论设计的电路控制复杂，增加钳位二极管，均压电容，采用复杂控制方法抑制器件的分散性。级联电路电路在控制上相对简单，只需要将常用的两电平电路叠加起来。但是现有技术在级联电路中,仅将二电平电路串联起来或并联起来，不足以将各个电路级电压控制到较好水平，主要原因是各个二电平电路效率不会完全相同，器件离散参数也不会完全相同，这给电路的安全性带来隐患。只要承受电压高的一级失效，整个电路将失效。而使用电容并联电阻均压的方法只适合负载远小于并联电阻消耗能量的场合，在实际较大输出功率的应用场合，受损耗限制，根本无法实施。

技术实现要素：

本实用新型提供一种自动均压电路，目的在于用通过电路的设计与工作，将高电压转化为其他电压时使级联的多级电路实现自动电压均衡，满足电路的可靠性和经济性。

本实用新型的目的通过以下技术方案实现：

本实用新型实施例提供一种自动均压电路，包括电容分压电路、级联电路、动态平衡控制电路；其中，所述电容分压电路，包括多个电容，所述多个电容彼此串联并且配置为分担所述电容分压电路接收的输入电压；所述级联电路，包括多级级联电路单元，所述多级级联电路单元与所述多个电容一一对应且彼此电连接；动态平衡控制电路，与所述多级级联电路的每个级联电路单元电连接，配置为向每个级联电路单元提供电压信号使得所述输入电压在多级级联电路单元之间自动均压。

例如，所述动态平衡控制电路包括多个辅助电路，每个级联电路单元包括一个主输出端，用于输出本级级联电路单元的功率，每个辅助电路包括辅助输出端，该辅助输出端并联于与本级级联电路单元相邻的级联电路单元的主输出端。

例如，每个级联电路单元的每个辅助电路的输出电压等于与该辅助电路的辅助输出端相并联的级联电路单元的主输出端的输出电压。

例如，当所述级联电路单元为第一级或最后一级级联电路单元时，所述辅助电路的辅助输出端并联于相邻上一级或相邻下一级级联电路单元的主输出端；当所述级联电路单元为中间级级联电路单元时，所述中间级级联电路单元包括两个辅助电路，其中一个辅助电路的辅助输出端并联于相邻上一级级联电路单元的主输出端，另一个辅助电路的辅助输出端并联于相邻下一级级联电路单元的主输出端。

例如，每个级联电路单元包括变压器，所述变压器包括：磁芯，以及绕在同一所述磁芯上的主绕组和辅助绕组，其中，所述主绕组具有所述主输出端，用于输出本级级联电路单元的本级功率；所述辅助绕组构成所述辅助电路并且具有所述辅助输出端，该辅助输出端并联于与本级级联电路单元相邻的级联电路单元的主绕组的主输出端。

例如，所述多级级联电路单元包括：第一级级联电路单元，所述第一级级联电路单元包括第一变压器，所述第一变压器包括第一主绕组和第一辅助绕组；以及最后一级联电路单元，所述最后一级级联电路单元包括第二变压器，所述第二变压器包括第二主绕组和第二辅助绕组，其中所述第一变压器的第一辅助绕组的辅助输出端并联于所述第二变压器的第二主绕组的主输出端，使得所述第一级级联电路的输出电压传递到所述最后一级联电路单元的主输出端。

例如，所述第二变压器的第二辅助绕组的辅助输出端并联于所述第一变压器的第一主绕组的主输出端，使得所述最后一级级联电路的输出电压传递到所述第一级级联电路单元的输出端。

例如，所述多级级联电路单元还包括：位于所述第一级级联电路单元和所述最后一级级联电路单元之间的至少一个中间级级联电路单元，其中每个所述中间级级联电路单元包括一个变压器，所述变压器包括一个主绕组和两个辅助绕组，其中一个辅助绕组的辅助输出端并联于相邻上一级级联电路单元的主绕组的主输出端，另一个辅助绕组的辅助输出端并联于相邻下一级级联电路单元的主绕组的主输出端，使得所述中间级级联电路单元的输出电压传递到所述相邻上一级级联电路单元的输出端和所述相邻下一级级联电路单元的输出端。

例如，所述多级级联电路单元包括至少两级级联电路单元。

本实用新型的有益效果为：利用串联电路电流强制相同，并联电路强制电压相同的特点使得各个电路电源输出电压一致，进而自动的实现了各级电路输入侧和输出侧的平衡。

附图说明

为了更清楚地说明本实用新型实施例的技术方案，下面将对实施例的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅涉及本实用新型的一些实施例，而非对本实用新型的限制。

图1是本实用新型实施例的自动均压电路的结构框图；

图2是本实用新型实施例的动态平衡控制电路的原理示意图；

图3是本实用新型实施例的自动均压电路的产品设计电路图；

图4是本实用新型另一实施例的动态平衡控制电路的原理示意图；

图5是本实用新型另一实施例的自动均压电路的产品设计电路图。

具体实施方式

为使本实用新型实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本实用新型实施例的附图，对本实用新型实施例的技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例是本实用新型的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于所描述的本实用新型的实施例，本领域普通技术人员在无需创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。

现有技术中，由于每个级联电路单元与一个电容彼此并联，理论上如果三个级联电路是完全相同的，电容容量也是完全相同的，那么每个电容上电压也是相同的。因此，只需要将三个级联电路单元的主绕组输出的电压直接并联扩充功率或者直接串联提升电压即可。但是事实上，三个级联电路不能完全相同，三个电容也不可能完全相同，各种元件寄生参数的分散性不可避免，这将导致电容自然分压会有偏差，三个级联电路单元的电路功率消耗不同，也会导致三个电容分压不同，实验证明，如果不加以控制最大分压可能相差50％或更大。

图1是本实用新型实施例的自动均压电路的结构框图。如图1所示，本实用新型实施例提供了一种自动均压电路，包括输入端102、电容分压电路104、级联电路106、动态平衡控制电路108、滤波电路110和负载112。例如，输入端102向电容分压电路104提供大于1000v的直流电压，尤其是2000v或2000v以上的高电平直流电。所述电容分压电路104可以包括多个电容，所述多个电容彼此串联并且配置为分担来自输入端102的输入电压。所述级联电路106，包括多级级联电路单元j1、j2…jn，其中n为大于或等于2的整数，所述多级级联电路单元与所述多个电容一一对应且彼此电连接，用于将其对应的电容的分压传输到负载112。动态平衡控制电路108与所述多级级联电路单元j1、j2…jn的每个级联电路单元电连接，配置为向每个级联电路单元提供电压信号使得所述输入电压在多级级联电路单元j1、j2…jn之间自动均压。例如，每个级联电路单元的主输出端与滤波电路110连接，通过整流滤波后，作为输出电压向负载112输出。

上述实施例的自动均压电路中，通过设置动态平衡控制电路108，使得输入的高压可以在多级级联电路单元j1、j2…jn之间实现自动均压，达到动态平衡，保证了每个级联电路单元承受的输入电压均衡性以及输出电压的稳定性。

至少一些实施例中，所述动态平衡控制电路包括多个辅助电路，每个级联电路单元包括一个主输出端，用于输出本级级联电路单元的功率，每个辅助电路包括辅助输出端，该辅助输出端并联于与本级级联电路单元相邻的级联电路单元的主输出端。

至少一些实施例中，每个级联电路单元的每个辅助电路的输出电压等于与该辅助电路的辅助输出端相并联的级联电路单元的主输出端的输出电压相同，这样有利于实现自动均压。

至少一些实施例中，当所述级联电路单元为第一级或最后一级级联电路单元时，所述辅助电路的辅助输出端并联于相邻上一级或相邻下一级级联电路单元的主输出端；

当所述级联电路单元为中间级级联电路单元时，所述中间级级联电路单元包括两个辅助电路，其中一个辅助电路的辅助输出端并联于相邻上一级级联电路单元的主输出端，另一个辅助电路的辅助输出端并联于相邻下一级级联电路单元的主输出端。

至少一些实施例中，每个级联电路单元包括变压器，所述变压器包括：磁芯，以及绕在同一所述磁芯上的主绕组和辅助绕组，其中，所述主绕组具有所述主输出端，用于输出本级级联电路单元的本级功率；所述辅助绕组构成所述辅助电路并且具有所述辅助输出端，该辅助输出端并联于与本级级联电路单元相邻的级联电路单元的主绕组的主输出端。这样一来，保证了每个级联电路单元承受的输入电压均衡性以及输出电压的稳定性。

本实用新型所有实施例中，级联电路单元的个数可以根据实际需要设定，例如可以为两个或两个以上。下面以三个级联电路单元为例，对本公开实施例的动态平衡控制电路的原理做进一步说明。

如图2所示，所述多级级联电路单元包括三个级联电路单元，分别是第一级级联电路单元j1、第二级联电路单元j2和第三级级联电路单元j3。

例如，所述第一级级联电路单元j1包括第一变压器t1，所述第一变压器t1包括：第一主绕组x11和第一辅助绕组x12。所述第二级联电路单元j2包括第二变压器t2，所述第二变压器t2包括：第二主绕组x21、第二辅助绕组x22和第三辅助绕组x23。所述第三级级联电路单元j3包括第三变压器t3，所述第三变压器t3包括：第三主绕组x31和第四辅助绕组x32。本实用新型实施例中，无论变压器具有两个还是三个绕组，由于绕组都在一个磁芯上绕组，任何一个绕组的功率变化都会影响本级功率的调整。第一主绕组x11的主输出端用于输出所述第一级级联电路单元j1的功率vo1。第二主绕组x21的主输出端用于输出第二级联电路单元j2的功率vo2。第三主绕组x31的主输出端用于输出第三级级联电路单元j3的功率vo3。

至少一些实施例中，当所述级联电路单元为第一级或最后一级级联电路单元时，所述辅助绕组的辅助输出端并联于相邻上一级或相邻下一级级联电路单元的主绕组的主输出端，使得本级级联电路的输出电压传递到相邻上一级或相邻下一级级联电路单元的主输出端，从而实现动态平衡。例如，如图2所示，所述第一变压器t1的第一辅助绕组x12的辅助输出端并联于所述第二变压器t2的第二主绕组x21的主输出端，使得所述第一级级联电路单元j1的输出电压vo1与所述第二级联电路单元j2的输出电压vo2之间实现动态平衡。再例如，所述第三变压器t3的第四辅助绕组x32的辅助输出端并联于所述第二变压器t2的第二主绕组x21的主输出端，使得所述第三级级联电路单元j3的输出电压vo3与所述第二级联电路单元的输出电压vo2之间实现动态平衡。

至少一些实施例中，当所述级联电路单元为中间级级联电路单元时，辅助绕组有两个，其中一个辅助绕组的辅助输出端并联于相邻上一级级联电路单元的主绕组的主输出端，另一个辅助绕组的辅助输出端并联于相邻下一级级联电路单元的主绕组的主输出端，使得所述中间级级联电路单元的输出电压传递到所述相邻上一级级联电路单元的输出端和所述相邻下一级级联电路单元的输出端。例如，仍参考图2，所述第二变压器t2包括第二辅助绕组22和第三辅助绕组23。第二辅助绕组x22的辅助输出端并联于所述第一变压器t1的第一主绕组x12的主输出端，使得所述第二级级联电路单元j2的输出电压vo2与所述第一级级联电路单元j1的输出电压vo1之间实现动态平衡。所述第二变压器t2的第三辅助绕组x23的辅助输出端并联于所述第三变压器t3的第三主绕组x31的主输出端，使得所述第二级级联电路单元j2的输出电压vo2与所述第三级级联电路单元j3的输出电压vo3之间实现动态平衡。

上述实施例中，第一级级联电路单元j1的辅助电路的输出电压和与其并联的第二级级联电路单元j2的主输出端x21的输出电压相同，例如均为vo2。第二级级联电路单元j2的其中一个辅助电路的输出电压和与之并联的第一级联电路单元j1的主输出端x11的输出电压相等，例如为vo1；并且，第二级级联电路单元j2的另一个辅助电路的输出电压和与之并联的第三级联电路单元j3的主输出端x31的输出电压相等，例如为vo3。为保证各级级联电路单元承受的电压相同，所有绕组匝数均设置相同，各级输出电压均相等，例如vo1、vo2、vo3均相等。

下面对图2的动态平衡控制电路的工作原理进行说明。当第一级级联电路单元j1的辅助输出端与相邻的第二级联电路单元的主输出端彼此并联时，两个级联电路单元承受的输入电压能够自动均压。例如，当vo1大于vo2时，可以通过第一级级联电路单元j1的辅助电路提高vo2同时降低vo1，使vo1和vo2彼此相等，由此达到电压平衡，并且由于串联电路电流相同，因此两级电路输出功率相等，进而输入侧分压电容承受的电压也相同。反之，当vo1小于vo2时，同样可以通过第二级级联电路单元j2的辅助电路提高vo1同时降低vo2，使vo1和vo2彼此相等，由此达到电压平衡。因此，通过在每个级联电路单元中设置至少一个辅助电路，均可以实现相邻级联电路单元之间的电压动态平衡，由此保证了每个级联电路单元输入分压电容承受的电压、输出电压等均是平衡的。类似地，第二级级联电路单元j2的两个辅助电路和第三级级联电路单元j3的一个辅助电路也具有以上动态平衡作用，此处不再赘述。

上述实施例中，由于每个级联电路单元的变压器上设置有一个或两个辅助绕组，该辅助绕组可以通过并联方式将本级级联电路单元的输出电压传递到相邻的上一级和/或下一级级联电路单元，这样一来，任意相邻的两级级联电路单元的输出电压将受到彼此钳制，其结果是形成动态的分压平衡，保证了每个级联电路单元输出电压的稳定性。同时由于串联电路中流过的电流相同，因此每级级联电路单元消耗的功率相同，进而实现输入侧各级级联电路单元输入电压相同。

本实用新型实施例还提供了基于图2的动态平衡控制电路的自动均压电路的产品设计电路图。

如图3所示，三个电容c1、c2和c3构成电容分压电路。第一级级联电路单元j1包括mos管vm1、第一变压器t1、二极管vd1a和二极管vd1b。第二级级联电路单元j2包括mos管vm2、第二变压器t2、二极管vd2a、二极管vd2b、二极管vd2c。第三级级联电路单元j3包括mos管vm3、第三变压器t3、二极管vd3a和二极管vd3c。可以理解的是，可以对任何数量的电路单元进行级联，例如可以是4个、5个等更多电路单元级联，中间级级联电路单元的电路形式都和第二级级联电路单元j2相同。输出滤波电路包括电容c4，例如，可以在滤波电路中加电感等。每个变压器t1、t2或t3包括磁芯。本文以反激拓扑为例，也可以是正激、半桥、全桥等拓扑进行多电路单元级联的自动均压。

理论上，如果三个级联电路是完全相同的，电容容量也是完全相同的，那么c1至c3上的电压也应该是彼此相同的。那么只需要将vd1a、vd2a、vd3a所在的三个绕组输出的电压直接并联扩充功率或者直接串联提升电压即可。但事实上电路不能完全相同，vm1、vm2、vm3上的控制信号g1、g2、g3信号不会完全相同，电容c1、c2、c3也不可能完全相同，各种元件寄生参数的分散性不可避免，这将导致电容自然分压会有偏差，三个单元电路功率消耗不同，也会导致三个电容分压不同，试验证明极限时能够相差50％或更大。

上述图3所示的实施例中，采用了输入串联，输出串并联的方式，仅在每个级联单元电路增加1至2个二极管，即可实现电容c1至c3之间的自动均压。整个输出电压受闭环电路控制，维持稳定。

下面对图3的自动均压电路的工作原理进行说明。当第二级级联电路单元j2的vd2a整流一路损耗较大时，需要在相同的驱动信号下消耗更多的能量，导致c1和c3电压升高，c2电压低。随着c1和c3电压的升高，对应第一级级联电路单元j1的vd1a和第三级级联电路单元j3的vd3a的整流电压会增高。然而，由于每个级联电路单元中设置有辅助电路，使第一级级联电路单元j1的vd1b的电压与第二级级联电路单元j2的vd2a的电压之间能够动态平衡，并且第三级级联电路单元j3的vd3c的电压与第二级级联电路单元j2的vd2a的电压之间能够动态平衡。这样一来，第二级级联电路单元j2的vd2a上消耗的能量可以得到有效补充，直到其对应输出电压和输出负载电流乘积对应的功率值平衡掉第二级级联电路单元j2的多余损耗带来的不平衡。也就是说，第一级级联电路单元j1的vd1b和第三级级联电路单元j3的vd3c都将同时向第二级级联电路单元j2的vd2a供电，自动均衡了各级电路的损耗，并且钳制了第一级级联电路单元j1的输出电压、第三级级联电路单元j3的输出电压均与第二级级联电路单元j2的vd2a相同，消除了各路电压不相同的隐患。假设第二级级联电路单元j2的vd2a输出更大电流，但由于这个更大的电流必须通过串联的其他级才能供给负载，因此其他路输出将共同抑制这个多余的电流，消除了输出电流不均衡的隐患，平衡了输入侧电容分压。

下面从输入侧不平衡调整的角度对图3的自动均压电路的工作原理进行说明。假设图3中c1代表的第一级级联单元输入电压高于c2为代表的第二级级联单元输入电压。通过第一变压器t1变换后的输出电压vo1高于第二变压器t2变换后的输出电压vo2，此时第一变压器t1通过辅助绕组将vo1并联在vo2上，由于vo1大于vo2，因此能量将优先通过该辅助绕组提供，从而第一变压器t1消耗更多能量而第二变压器t2降低了消耗的能量。也就是c1放电增大，c2放电减少，因此c1上提供给第一级级联单元的电压降低，c2上提供给第二级级联单元的电压升高，经过这样的调整，达到c1和c2上电压的重新平衡。

现有技术中，假设每个级联电路单元j1至j3仅保留各自的主绕组vd1a至vd3a，即，不设置其余辅助绕组vd1b、vd2b、vd2c、vd3c，三级电路串联输出。那么在输出电压稳定值的范围内，三个绕组输出电压没有约束，可以自由偏差。如果vd2a整流一路损耗较大，则需要在相同的驱动信号下消耗更多的能量，导致c1和c3电压升高，c2电压低。随着c1和c3电压的升高，对应vd1a和vd3a的整流电压会增高，直到对应各级总的输出功率值之间达到稳定。上述方法的好处是各级电路电流相同(因为是串联)，但是缺点是输出电压可能相差较大，且在各级之间动态变化，不能自动调整到稳定状态，导致输入侧电容分压电路中的电容承受的电压压力相差较大，同时输出电压差异较大，导致输出器件降额余量要求保留较大，带来可靠性上的降低和成本的升高。这种电路还由于开关电源固有的负阻抗特性，导致不均衡具有正反馈特性，进一步加深不平衡。在电路平衡过程中由于缺少抑制电路，极容易形成开关波形振荡，轻者导致输出纹波不稳定，重者损坏电路。

在本公开实施例的自动均压电路中，利用串联电路电流强制相同，并联电路强制电压相同的特点使得各个电路电源输出功率一致，进而自动的实现了各级电路输入侧和输出侧的平衡。

本实用新型另一实施例提供了动态平衡控制电路的另一种电路图。如图4所示，该电容分压电路包括三个电容c1、c2和c3，三个级联电路单元包括三个变压器，即第一变压器t1、第二变压器t2和第三变压器t3。所述变压器包括磁芯，以及绕在同一所述磁芯上的主绕组和辅助绕组。图4与图2的区别在于，图4中每个级联电路单元的辅助电路(即辅助绕组)的设置方式与图2的不同：图4的每个辅助电路并联于与本级级联电路单元相邻的级联电路单元所对应的电容。

例如，所述第一级级联电路单元j1包括第一变压器t1，所述第一变压器t1包括：第一主绕组x11和第一辅助绕组x12。所述第二级联电路单元包括第二变压器t2，所述第二变压器t2包括：第二主绕组x21、第二辅助绕组x22和第三辅助绕组x23。所述第三级级联电路单元包括第三变压器t3，所述第三变压器t3包括：第三主绕组x31和第四辅助绕组x32。

例如，辅助绕组x12作为第一级级联电路单元j1的辅助电路，并联于与第一级级联电路单元j1相邻的第二级级联电路单元j2所对应的电容c2，使得电容c2的电压与第一级级联电路单元j1的输入电压vc1之间实现动态平衡。辅助绕组x22作为第二级级联电路单元j2的辅助电路，并联于与第二级级联电路单元j2相邻的第一级级联电路单元j1所对应的电容c1，使得电容c1的电压与第二级级联电路单元j2的输入电压vc2之间实现动态平衡；与此同时，由于第二级级联电路单元j2的第二变压器t2还包括辅助绕组x23，因此辅助绕组x23也作为第二级级联电路单元j2的辅助电路，并联于与第二级级联电路单元j2相邻的第三级级联电路单元j3所对应的电容c3，使得电容c3的电压与第二级级联电路单元j2的输入电压vc2之间实现动态平衡。辅助绕组x32作为第三级级联电路单元j3的辅助电路，并联于与第三级级联电路单元j3相邻的第二级级联电路单元j2所对应的电容c2，使得电容c2的电压与第三级级联电路单元j3的输入电压vc3之间实现动态平衡。

上述实施例中，由于每个级联电路单元的变压器上设置有一个或两个辅助绕组，该辅助绕组可以通过并联方式将本级级联电路单元的输入电压传递到相邻的上一级和/或下一级级联电路单元，这样一来，任意相邻的两级级联电路单元的输入电压将受到彼此钳制，其结果是形成动态的分压平衡，保证了每个级联电路单元输入电压的稳定性。

本实用新型实施例还提供了基于图4的动态平衡控制电路的自动均压电路的产品设计电路图。

如图5所示，三个电容c1、c2和c3构成电容分压电路。第一级级联电路单元j1包括mos管vm1、第一变压器t1、二极管vd1a和二极管vd1b。第二级级联电路单元j2包括mos管vm2、第二变压器t2、二极管vd2a、二极管vd2b、二极管vd2c。第三级级联电路单元j3包括mos管vm3、第三变压器t3、二极管vd3a和二极管vd3c。

上述图5的实施例中，采用了输入串并联，输出串联的方式，仅在每个级联单元电路增加1至2个二极管，即可实现电容c1至c3之间的自动均压。整个输出电压受闭环电路控制，维持稳定。

下面对图5的自动均压电路的工作原理进行说明。当第二级级联电路单元j2的损耗较大时，需要在相同的驱动信号下消耗更多的能量，导致c1和c3电压升高，c2电压低。随着c1和c3电压的升高，对应第一级级联电路单元j1的vd1b和第三级级联电路单元j3的vd3c的整流电压会增高。vd1b和vd3c输出的电压并联在c2上，补偿c2多消耗的能量，同时加大自身所在电路单元的能量输出，使得c2与c1、c3的电压之间能够动态平衡。也就是说，第一级级联电路单元j1的vd1b和第三级级联电路单元j3的vd3c都将同时向第二级级联电路单元j2的c2供电，自动均衡了各级电路的损耗。

在本公开上述实施例的自动均压电路中，利用串联电路电流强制相同，并联电路强制电压相同的特点使得各个电路电源输出功率一致，进而自动的实现了各级电路输入侧和输出侧的平衡。

以上实施例中所描述的特征、结构或特性可以任何其他合适的方式结合到一个或多个实施例中。在上面的描述中，提供一些具体的细节，例如电路、器件等，以提供对本实用新型的实施例的全面理解。然而，本领域技术人员应当理解，本实用新型无需上述一个或多个具体的细节便可实现，或者也可采用其他元器件、材料、方法等实现。在其他实例中，周知的结构、材料或操作并未详细示出或描述以免模糊本实用新型的各个方面。