一种多相交错并联三电平DC-DC变换器的参数设计方法

本发明涉及非隔离三电平dc-dc变换器设计领域，更具体地说是一种多相交错并联三电平dc-dc变换器的参数设计方法。

背景技术：

1、由于电动汽车的快速发展，大功率电池充电负荷也成为了电网系统面临的挑战，这催生了直流微电网及储能系统的需求。作为直流微电网及储能系统的核心组件，大功率dc-dc变换器成为研究热点。通常，dc-dc变换器分为非隔离型和隔离型。非隔离型dc-dc变换器具有效率高、体积小、成本低的优势，使之在直流微电网及储能系统中得到了广泛应用。由于微电网及储能系统的功率等级较高，一般达到mw级别，这对非隔离dc-dc变换器的功率密度、效率、成本等性能指标提出了更高的要求。由于交错并联技术可以减小输入输出电流纹波，扩展电流输出能力，从而增加dc-dc变换器变换器的输出功率。多电平技术可以减小电感电流纹波和开关管的电压应力，减小无源器件的体积，从而提高dc-dc变换器变换器的功率密度。因此交错并联和多电平技术无疑是增加非隔离dc-dc变换器功率，实现高功率密度最有效的方式。

2、传统的交错并联三电平dc-dc变换器参数设计中，需要通过占空比分段解析，获取电感电流纹波和输出电流纹波的的分段表达式，且占空比的分段数量随着交错相数n的增多而增加，使设计步骤更加繁琐和复杂。

技术实现思路

1、本发明是为避免上述现有技术所存在的不足，提供一种多相交错并联三电平dc-dc变换器的参数设计方法，以期能突破采用复杂的占空比分段进行电流纹波分析的局限，从而能适用于n型交错控制方式下不同交错相数的变换器参数设计。

2、本发明为解决技术问题采用如下技术方案：

3、本发明一种多相交错并联三电平dc-dc变换器的参数设计方法的特点在于，是按如下步骤进行：

4、步骤1、当多相交错并联三电平dc-dc变换器的各相半桥主控开关导通时，利用叠加原理分析其导通时对电感电流的影响，从而得到电感电流纹波的表达式；

5、步骤2、基于多相交错并联三电平dc-dc变换器的共模、差模等效电路模型，将电感电流分解为共模电流和差模电流，并利用叠加原理对差模等效电路模型进行处理，得到差模电流纹波的表达式；

6、步骤3、根据电感电流纹波和差模电流纹波得到输出电流纹波的表达式，并建立输出电流纹波的约束和输出电压纹波的约束，从而在两个约束下，利用输出电流纹波的表达式得到电感值和电容值，并作为多相交错并联三电平dc-dc变换器的参数。

7、本发明所述的多相交错并联三电平dc-dc变换器的参数设计方法的特点也在于，所述步骤1包括：

8、步骤1.1、将多相交错并联三电平dc-dc变换器内上部的第一相半桥所连电感记为l，并以高压直流母线侧的中点电位作为参考；在buck工作模式下，上、下部各相半桥主控开关单独导通时，利用式(1)得到各相半桥的输出电压作用于电感l时产生的电感电流变化率；

9、

10、式(1)中，n为交错并联的相数，l为电感，vdc为高压直流母线电压，vo为变换器的输出电压；k1为上部第一相半桥的主控开关单独导通作用下，电感l的电感电流变化率；k2为上部除第一相半桥之外的其它任一相半桥的主控开关单独导通作用下，电感l的电感电流变化率；k3为下部任一相半桥的主控开关单独导通作用下，电感l的电感电流变化率；k4为上、下部2n相半桥的主控开关均不导通，在输出电压vo作用下，电感l的电感电流变化率；

11、步骤1.2、n型交错控制方式下，上部第一相半桥的主控开关导通时，利用式(2)得到上、下部其它2n-1相半桥的主控开关各自作用的占空比；

12、

13、式(2)中，d为各相半桥的主控开关的占空比，i为上部除第一相半桥之外的其它任一相半桥所处的相数，j为下部任一相半桥所处的相数，ceil()为向上取整函数；di1为上部第一相半桥的主控开关导通时，上部第i相半桥的主控开关导通的占空比；dj4为上部第一相半桥的主控开关导通时，下部第j相半桥的主控开关导通的占空比；

14、步骤1.3、根据叠加原理，利用式(3)得到电感l的电感电流纹波表达式；

15、

16、式(3)中，δil为电感l的电流纹波，fs为开关频率。

17、所述步骤2中的差模电流纹波表达式如式(4)所示：

18、

19、式(4)中，δil_dm为电感l的差模电流纹波。

20、所述步骤3包括：

21、步骤3.1、利用式(5)得到电感l的共模电流纹波表达式；

22、δil_cm＝δil-δil_dm (5)

23、式(5)中，δil_cm为电感l的共模电流纹波；

24、步骤3.2、利用式(6)得到输出电流纹波的表达式；

25、

26、式(6)中，δil_all为输出电流纹波，m为与上部第一相半桥依次交错导通的半桥的数量；

27、步骤3.3、利用式(7)得到输出电流纹波的最大值δil_all_max；

28、

29、步骤3.4、利用式(8)得到满足电流纹波约束的电感值lt；

30、

31、式(8)中，δiout为变换器允许的最大输出电流纹波；

32、步骤3.5、利用式(9)得到满足输出电压纹波约束的电容值cot；

33、

34、式(9)中，δvo为变换器允许的最大输出电压纹波。

35、本发明一种电子设备，包括存储器以及处理器的特点在于，所述存储器用于存储支持处理器执行所述参数设计方法的程序，所述处理器被配置为用于执行所述存储器中存储的程序。

36、本发明一种计算机可读存储介质，计算机可读存储介质上存储有计算机程序的特点在于，所述计算机程序被处理器运行时执行所述参数设计方法的步骤。

37、与已有技术相比，本发明有益效果体现在：

38、1、本发明将叠加原理和变换器差模、共模等效电路相结合，推导了电感电流和输出电流纹波的通用表达式，解决了传统的交错并联三电平dc-dc变换器参数设计中需要通过复杂占空比分段解析电流纹波的问题。

39、2、本发明将电流纹波表达式推广至多相交错，将交错相数n作为电流纹波表达式的自变量，解决了交错相数增加带来的变换器参数设计复杂度增加的问题，且适用于多相交错并联三电平dc-dc变换器参数设计，具有良好的通用化特征。

技术特征：

1.一种多相交错并联三电平dc-dc变换器的参数设计方法，其特征在于，是按如下步骤进行：

2.根据权利要求1所述的多相交错并联三电平dc-dc变换器的参数设计方法，其特征在于，所述步骤1包括：

3.根据权利要求2所述的一种多相交错并联三电平dc-dc变换器的参数设计方法，其特征在于，所述步骤2中的差模电流纹波表达式如式(4)所示：

4.根据权利要求3所述的一种多相交错并联三电平dc-dc变换器的参数设计方法，其特征在于，所述步骤3包括：

5.一种电子设备，包括存储器以及处理器，其特征在于，所述存储器用于存储支持处理器执行权利要求1-4中任一所述参数设计方法的程序，所述处理器被配置为用于执行所述存储器中存储的程序。

6.一种计算机可读存储介质，计算机可读存储介质上存储有计算机程序，其特征在于，所述计算机程序被处理器运行时执行权利要求1-4中任一所述参数设计方法的步骤。

技术总结
本发明公开了一种多相交错并联三电平DC‑DC变换器的参数设计方法，是利用叠加原理对多相交错并联三电平DC‑DC变换器的各相半桥主控开关导通时对电感电流的影响进行分析，推导出通用的电感电流纹波表达式；借助多相交错并联三电平DC‑DC变换器的共模、差模等效电路模型，将电感电流分解为共模和差模电流，对差模等效电路利用叠加原理得到通用的差模电流纹波表达式；利用电感电流纹波和差模电流纹波得到通用的输出电流纹波表达式，基于此，建立输出电流纹波约束和输出电压纹波约束，从而进行电感感值和电容容值设计。本发明突破了采用复杂的占空比分段进行电流纹波分析的局限，适用于N型交错控制方式下不同交错相数的变换器参数设计。

技术研发人员：杜燕,胡军龙,陈成,杨世友,陶骁,杨向真,苏建徽
受保护的技术使用者：合肥工业大学
技术研发日：
技术公布日：2024/1/16