一种模块化宽输入宽输出电压范围DC-DC变换器

本发明属于充电变换器结构领域，具体涉及一种适用于宽输入电压和宽输出电压的模块化两级变换器。

背景技术：

1、采用了电池、电容等作为储能元件的系统中，dc-dc具有宽的输入电压和输出电压。很宽的电压范围再加上隔离的需求，磁元件的设计优化很困难，并且宽范围下的dc-dc变换器整体效率和功率密度往往都不高。此外，低的满载效率也会导致严重的散热，需要更大的散热器，这进一步降低了功率密度。

2、大多数应用场景中，往往需要高效率和高功率密度，比如电动车和无人机中的dc-dc。高效率和高功率密度以及模块化都是dc-dc的发展趋势，而宽电压范围则能适应各种需求，降低开发成本。

3、宽电压范围dc-dc设计的一个难点为磁元件设计优化，因为在很宽的电压范围内，电感上会产生的di/dt变化很大，电感量需要按照最恶劣的工况下设计。提高开关频率能够降低电感的秒从而降低电感量，但是这往往会导致效率的降低，需要做一个权衡。

4、多电平的好处在于，每个单元的开关频率很低，比如60khz，但是电感电流的纹波频率为n倍。与直接提高开关频率不同的时，多电平还能够将加在电感上的伏也降低为1/ncell，因此对于电感伏秒的减小效果是远远好于单纯提高开关频率的。

5、另一个方面，同系列下低耐压的器件性能往往是优于高压器件的，这可以用fom（figures of merit，fom=qg*rdson）和nfom（new figures of merit, nfom=co(tr）*rdson来表征。采用多电平之后能够使用更低压的器件，从而降低了器件损耗。而多电平的最小半导体损耗只与nfom有关，因此单元数越多，能够使用越低压的器件，从而实现更高的效率。

6、其中，公开号为cn201980100379的专利公开了一种宽电压范围dc-dc转换器，如图1所示，其中电路结构为多电平+dcx 或者 dcx+多电平，多电平可以是升压的或者降压的，该专利所给出的实施案例给出的多电平均为单母线的多电平。另外，都需要均压控制或者相应的均压电路，并且所述多电平转换器级包括降压转换器，所述降压转换器用于 ,当vin_min大于 vin_typ/2时，使所述调节的总线电压在vin_typ/2至vin_min的范围内，或者，所述多电平转换器级包括升压转换器，所述升压转换器用于 ,当vin_max小于vin_typ*2时，使所述调节的总线电压在vin_max至vin_typ*2的范围内，其中，所述dc-dc转换器的操作范围为vin_min＝36v至vin_max＝75v。

7、上述专利的问题在于：（1）飞跨电容等单母线多电平+dcx的方案，需要均压控制，或者相应的均压电路。以飞跨电容为例，每一路跨接的飞跨电容都需要做相应的均压控制，增加电压采样的成本和控制的复杂度。这在单元数更多之后将会更加突出，因此只适用于单元数较少的多电平结构，比如两个单元。

8、（2）由于多电平级输出的电压为单母线电压，因此dcx级的输入电压仍然为一个高压（相对输入输出电压来说），不能使用低压器件。

9、另外， 公开号为cn201910095057公开了一种适用于宽输入宽输出电压范围的两级式dc-dc变换器，如图2所示，其中电路结构为两路交错并联的四开关升降压拓扑（fsbb，four switch buck boost）+全桥llc。

10、上述专利的问题在于：（1）四开关级只能采用高压器件，高压器件往往性能不如低压器件，高功率密度的同时实现高效率的目标实现较为困难。

11、（2）四开关拓扑的电感伏秒几乎只与输入输出电压工况有关而与负载关系较小，电感的伏秒在宽范围下仍然较大，产生较大的磁损，并且磁损与负载无关，因此轻载或者半载效率较差。

技术实现思路

1、鉴于上述问题，提出了本发明以便提供一种克服上述问题或者至少部分地解决上述问题的技术方案。本发明涉及一种适用于宽输入电压和宽输出电压的模块化两级变换器，前级采用级联半桥或者chb（cascaded-h-bridge，级联h桥）的多电平拓扑，后级采用固定开关频率固定电压增益的dcx（直流变压器）拓扑。实施案例中采用的是llc-dcx拓扑。该变换器具有易于模块化、高效率、高功率密度，宽的输入电压和宽的输出电压的优点。同时区别于单独的chb拓扑或者其他多电平拓扑（比如飞跨电容），该方案不需要特殊的控制即可实现多个单元间的自动均压，或者配置成固定的电压比例，包括轻载工况以及各单元负载不平衡的工况。两级均采用低压器件（相较于输入输出电压中的高电压）。

2、本发明提供一种模块化宽输入宽输出电压范围dc-dc变换器，所述dc-dc变换器采用的是两级结构，前级为多电平的dc-dc拓扑，后级为电压增益固定的直流变压器dcx拓扑，具体包括多电平的dc-dc拓扑、电压增益固定的直流变压器dcx拓扑、中间母线、输入源和负载；

3、所述输入源连接作为前级的所述多电平的dc-dc拓扑，并且所述多电平的dc-dc拓扑与作为后级的所述电压增益固定的直流变压器dcx拓扑之间连接中间母线，所述电压增益固定的直流变压器dcx拓扑连接所述负载；

4、所述多电平的dc-dc拓扑采用级联半桥结构或者级联的h桥结构，所述级联半桥结构，具体包括输入源、电感和半桥结构；所述级联h桥chb结构，具体包括输入源、电感和两个或者多个半桥单元。

5、可选的，所述dc-dc变换器的前后级可以互换，即所述输入源连接作为前级的所述电压增益固定的直流变压器dcx拓扑，而所述多电平的dc-dc拓扑连接所述负载。

6、可选的，所述级联半桥结构为两个或者多个，并且所述半桥结构的桥臂中点连接所述电感或者连接上一个半桥结构的母线输出端负极，每个级联的所述半桥结构的母线输出端负极连接下一个半桥结构的桥臂中点或者所述输入源的负端。

7、可选的，所述级联的h桥结构的每个所述半桥单元具有两个半桥结构，第一半桥结构的桥臂中点连接电感或者连接上一个半桥单元的第二半桥结构的桥臂中点；每个所述半桥单元的第二半桥结构的桥臂中点连接下一个半桥单元的第一半桥结构的桥臂中点或者所述输入源的负端。

8、可选的，所述直流变压器dcx拓扑具体包括两个或者多个dcx单元、输入端和输出端，每个dcx单元包含半桥或全桥的原边开关网络，电感和电容的谐振网络以及整流器；所述两个或者多个dcx单元为是串联、并联或者两者的自由组合。

9、可选的，所述dcx单元输出端为并联时，所述dcx输出端的所有正端直接相连，连接负载的正端；所述dcx输出端的所有负端直接相连，连接负载的负端。

10、可选的，所述dcx单元为串联时，所述第一个dcx输出端正端连接负载正端，负端连接下一个输出端的正端口；所述的中间dcx单元的输出端口正端连接上一个端口的负端，所述的中间dcx单元的输出端口负端连接下一个输出端的正端口；所述的dcx单元，最后一个单元的输出端口正端连接上一个端口的负端，输出端负端连接负载负端。

11、可选的，每个所述半桥单元均采用低压器件。

12、可选的，所述级联半桥结构和所述级联h桥（chb）结构均采用载波移相控制，每个半桥单元采用共同占空比控制，也允许占空比按照各自的单元需求调整。

13、可选的，为了实现电压闭环，隔离采样dcx的输出电压作为前级多电平的控制反馈信号，或者采样任意一个单元的母线电压作为反馈信号。

14、相较于已有技术方案，所提出的模块化两级方案，两级均采用的低压器件，能够减小半导体损耗；同时前级多电平具有多个独立的输出端口，并只与dcx的多个输入端口连接，靠变压器绕组能够实现可靠的均压，即使是空载/负载不均衡的情况。多电平载波移相控制则能大幅降低电感上的伏秒，降低电感的磁损，更小的电感量也意味着更小的铜损。和已有方案一相比，本发明提出的方案能够更灵活的拓展到更多的单元数，因为两级均为模块化，且为低压母线，不需要额外的均压控制和均压电路。从而适应更灵活的电压范围，包括低压的宽电压范围，和高压的宽电压范围，对两级的输入和输出均是。

15、上述说明仅是本发明技术方案的概述，为了能够更清楚了解本发明的技术手段，还可依照说明书的内容予以实施，并且为了让本发明的上述说明和其它目的、特征和优点能够更明显易懂，以下特举本发明的具体实施方式。