一种多级模块化降压DC-DC变换器

本发明属于电力电子，具体涉及一种多级模块化降压dc-dc变换器。

背景技术：

1、压接型igbt(insulate-gate bipolar transistor，绝缘栅双极晶体管)的串联型电压源换流器是未来电网柔性直流输电、灵活交流输电、定制电力和新能源并网等领域的核心器件。igbt模块需要有相应的驱动电路对其进行驱动，但是由上至下每个igbt模块所处电位在逐级下降，如何将驱动电压送到不同的电位是个难点。期望可以实现从与各级igbt模块所并联的电容上取电，将电容上的高压送入dc-dc变换器，转化为可以给本级驱动供电的低压，实现自取能功能。

2、目前，很多国家的城市轨道交通供电已经提高至1500v。大型舰船、大型航天器未来将普遍采用高压直流供电系统，供电电压等级2000v-3000v。海洋技术中使用的深水作业设备大都使用3000v等级电源，通过脐带缆传递能源到远程终端设备。而这些场所下的同时存在大量常压用电设备。在这些场景中，希望设计一种新型高压、高降压比、高效率的dc-dc变换器，可以满足上述高压场所内常压用电设备的使用需求。

3、传统的dc-dc变换器主要采用单级buck电路进行降压，其可以将输入电压降低到所需的输出电压水平，实现电压的有效调节和控制。

4、然而，对于包括直流输电网和直流配电网的直流电网而言，由于涉及到不同电压等级的互联时基本上都是高压应用场合，若采用单级buck电路，则受限制于全控型功率器件的耐压水平，不能在一级电路加过大的电压，难以满足高压场合的使用条件。

技术实现思路

1、为了解决现有技术中存在的上述问题，本发明提供了一种多级模块化降压dc-dc变换器。本发明要解决的技术问题通过以下技术方案实现：

2、本发明提出了一种多级模块化降压dc-dc变换器，包括连接在高压端和低压端之间的多级模块化降压结构；所述多级模块化降压结构包括n级串联的子模块；

3、其中，每级子模块具有相同的电路结构且各自独立工作；最高级子模块从高压端吸收能量；中间级子模块接收来自上一级子模块的能量，并传递给下一级子模块；最低级子模块实现降压输出，从而使能量从高压侧逐级传送到低压侧，实现高压的逐级分压以及均压。

4、在本发明的一个实施例中，每个所述子模块均采用buck-boost电路结构，具体包括一个主电感器、一个主开关、一个储能电容以及一个二极管；

5、在每级子模块中，所述储能电容的第一端和第二端分别连接上级子模块的正输出端和负输出端，用于接收并存储上级子模块传递的能量；

6、所述主电感器的第一端连接所述储能电容的第二端，所述主电感器的第二端通过所述主开关连接所述储能电容的第一端；

7、所述二极管的负极连接所述主电感器的第二端；

8、所述主电感器的第一端和所述二极管的正极分别作为本级子模块的正输出端和负输出端连接下级子模块。

9、在本发明的一个实施例中，所述最低级子模块的正负输出端之间还设有一个输出电容，所述最低级子模块传输的能量通过所述输出电容输出。

10、在本发明的一个实施例中，所述主电感器的取值自最低级子模块至最高级子模块依次线性增大。

11、在本发明的一个实施例中，每级子模块中的储能电容具有相同的电容值。

12、在本发明的一个实施例中，还包括n个控制单元，所述n个控制单元分别与n级子模块对应连接，用于根据当前对应子模块中主开关上的电流和前一级子模块的输出电压生成控制信号，以控制当前子模块中主开关的导通状态和导通频率，从而调节当前子模块的输出电压误差。

13、在本发明的一个实施例中，每个所述控制单元均包括一个pwm反馈波形生成器、一个电流采集器以及一个电压采集器；

14、其中，所述电流采集器用于采集当前子模块中主开关上的电流，并反馈给所述pwm反馈波形生成器；

15、所述电压采集器用于采集前级子模块的输出电压，并反馈给所述pwm反馈波形生成器；

16、所述pwm反馈波形生成器用于根据接收到的电流和电压生成pwm调制波形，以控制当前子模块中主开关的导通状态和导通频率。

17、本发明的有益效果：

18、1、本发明提供的多级模块化降压dc-dc变换器设计了多级子模块串联的降压结构，从而将整个降压电源系统划分为多个独立的模块，每个模块都有稳压调节的功能，从而实现高压的逐级分压以及均压，降低了单一级别降压模块的耐压；且可以通过增减串联子模块的数量，更灵活地满足不同功率需求和空间限制的高压使用场合；

19、2、本发明为每个子模块单独配置了控制单元，每个控制单元通过采用电流和电压双闭环的控制方式，实时调节对应子模块的稳压功能，从而可以有效控制电源输出，提高系统的稳定性和精确性；

20、3、本发明设计的多级子模块串联的降压结构采用类buck-boost电路结构，具有简单的电路拓扑和完全相同的子模块电路结构，从而每个子模块拓扑都是一致的，且可以通过复制和扩展相同的子模块来实现整个系统的可重复使用性和一致性，提高系统的可靠性和稳定性。

21、以下将结合附图及实施例对本发明做进一步详细说明。

技术特征：

1.一种多级模块化降压dc-dc变换器，其特征在于，包括连接在高压端和低压端之间的多级模块化降压结构；所述多级模块化降压结构包括n级串联的子模块；

2.根据权利要求1所述的一种多级模块化降压dc-dc变换器，其特征在于，每个所述子模块均采用buck-boost电路结构，具体包括一个主电感器、一个主开关、一个储能电容以及一个二极管；

3.根据权利要求2所述的一种多级模块化降压dc-dc变换器，其特征在于，所述最低级子模块的正负输出端之间还设有一个输出电容，所述最低级子模块传输的能量通过所述输出电容输出。

4.根据权利要求2所述的一种多级模块化降压dc-dc变换器，其特征在于，所述主电感器的取值自最低级子模块至最高级子模块依次线性增大。

5.根据权利要求2所述的一种多级模块化降压dc-dc变换器，其特征在于，每级子模块中的储能电容具有相同的电容值。

6.根据权利要求1所述的一种多级模块化降压dc-dc变换器，其特征在于，还包括n个控制单元，所述n个控制单元分别与n级子模块对应连接，用于根据当前对应子模块中主开关上的电流和前一级子模块的输出电压生成控制信号，以控制当前子模块中主开关的导通状态和导通频率，从而调节当前子模块的输出电压误差。

7.根据权利要求6所述的一种多级模块化降压dc-dc变换器，其特征在于，每个所述控制单元均包括一个pwm反馈波形生成器、一个电流采集器以及一个电压采集器；

技术总结
本发明公开了一种多级模块化降压DC‑DC变换器，包括连接在高压端和低压端之间的多级模块化降压结构；多级模块化降压结构包括N级串联的子模块；其中，每级子模块具有相同的电路结构且各自独立工作；最高级子模块从高压端吸收能量；中间级子模块接收来自上一级子模块的能量，并传递给下一级子模块；最低级子模块实现降压输出，从而使能量从高压侧逐级传送到低压侧。本发明设计的多级子模块串联的降压结构可将整个降压电源系统划分为多个独立的模块，每个模块都有稳压调节的功能，从而实现高压的逐级分压以及均压，降低了单一级别降压模块的耐压；且可以通过增减串联子模块的数量，更灵活地满足不同功率需求和空间限制的高压使用场合。

技术研发人员：孙乐嘉,何琛琪,张玉明,吕浩波,王全丽,张艺蒙
受保护的技术使用者：西安电子科技大学
技术研发日：
技术公布日：2024/1/25