IPOS四电平Boost变换器及其中点电位平衡控制的制作方法
【专利摘要】本发明公开一种IPOS四电平Boost变换器及其中点电位平衡控制。装置部分包括开关管S1、S2、S3相互交错120°调制。从模块化串并联的角度，可将IPOS四电平Boost变换器看成三个Boost变换器输入并联输出串联。飞跨电容Cf1与二极管D2构成单元IV，飞跨电容Cf2与二极管D4构成单元V。在交错120°调制策略下，IPOS四电平Boost变换器的各个开关管和二极管的开关状态。基于上述装置，本发明还提出一种由一个公共电压外环、三个电流内环和两个均压环构成的三环控制策略。将均压环放到电流内环的前面，与电压外环一起输出电流内环的电流指令，电流内环采用比例控制器。
【专利说明】
IPOS四电平Boost变换器及其中点电位平衡控制
技术领域
[0001 ]本发明设及高压输电领域。
【背景技术】
[0002] 近些年来，为了满足输入电压低、输出电压高的供电场合，人们越来越重视对输入 并联输出串联（Input-Paralle^Ou化Ut-Series, IPOS)组合变换器的研究。在IPOS组合变 换器中，各个DC/DC变换器模块的输入并联在一起，输出串联在一起，W此来提高输出端电 压等级。由于各个模块的输入并联，所W各个模块的输入电流只承担IPOS组合变换器总输 入电流的一部分，因而各个模块的电流应力大大降低，整个IPOS组合变换器的转换效率大 大提高。同时，IPOS组合变换器还具有冗余特性，当其中一个模块出现故障时，只需将故障 模块的输入短路，即可保证整个变换器的正常运行。截止到目前，IPOS组合变换器都是由隔 离型DC/DC变换器模块组合而成，而由非隔离型DC/DC变换器构成的组合变换器却鲜见报 道。另外，IPOS组合变换器存在输出电容电压不均衡问题，容易造成承担电压高的模块损 坏。因此，对IPOS组合变换器需要采取一定的平衡控制策略实现中点电位平衡。
【发明内容】
[0003] 本发明的目的之一是提供一种IPOS四电平Boost变换器电路拓扑。
[0004] 为实现本发明目的而采用的技术方案是运样的，一种IPOS四电平Boost变换器，电 源的负极同时连接开关管Sl、开关管S2和开关管S3的源极。
[0005] 开关管S3的漏极连接二极管Dl的正极，二极管Dl的负极连接二极管D2的正极，二 极管D2的负极连接二极管D3的正极，二极管D3的负极连接二极管D4的正极，二极管D4的负 极连接二极管D5的正极。
[0006] 二极管D5的负极依次串联电容C3、电容C2和电容Cl后，连接到开关管Sl的源极。
[0007] 负载R的两端分别连接二极管D5的负极和开关管Sl的源极。
[000引电源的正极分成=路:第一路串联电感Ll后，连接到开关管Sl的漏极。第二路依次 串联电感L2和电容Cfl后，连接到二极管D2的负极。第立路依次串联电感L3和电容Cf2后，连 接到二极管D4的负极。
[0009] 本发明的另外一个目的是提供一种基于上述IPOS四电平Boost变换器电路的中点 电位平衡控制方法:包括由公共电压外环调节器、两个均压环调节器和=个电流内环调节 器构成的S环控制系统。
[0010] 开关管Sl和二极管Dl的通断决定BoostI占空比山，
[0011] 开关管S2和二极管D3的通断决定Boostn占空比Cb，
[0012] 开关管S3和二极管D5的通断决定Boost虹占空比Cb，
[001引采集电容C1、电容C2和电容C3的分裂电容电压11。1、1]。2、1]。3，输出电压指令1]。*与 11。1、1]。2、1]。3^者之和作差，通过电压外环调节器得到公共参考电流山。
[0014]输出电压指令U。*的S分之一分别与U〇i、U〇3作差，经过各自的均压调节器后得到误 差参考电流A山、A Il3。
[0015] 根^
实现电压外环与均压环之间的解 禪，得到的S个电感电流指令
[0016] Ili*、Il2*、Il3*分别与对应的电感电流Ili、Il2、Il3作比较，再经过各自的电流内环 调节器得到S个Boost变换器的占空比dl、cb、d3:
[0017]
[001引产生S个载波信号Cal、Ca2和Ca3,相位相差120°，dl与Cal进行比较后得到开关管Sl 的驱动信号，Cb与Ca2进行比较后得到开关管S2的驱动信号。Cb与Ca3进行比较后得到开关管 S3的驱动信号。值得说明的是，进一步地，当dl大于Cal时，输出高电平，当山小于Cal时，输出 低电平。当d2大于Ca2时，输出高电平，当d2小于C a2时，输出低电平。当d3大于Ca3时，输出高电 平，当Cb小于Ca3时，输出低电平。
【附图说明】
[0019] 图1为IPOS四电平Boost变换器。
[0020]图2~9为IPOS四电平Boost变换器各个阶段的等效电路。
[0021 ]图10为IPOS四电平Boost变换器的S环控制策略。
【具体实施方式】
[0022] 下面结合实施例对本发明作进一步说明，但不应该理解为本发明上述主题范围仅 限于下述实施例。在不脱离本发明上述技术思想的情况下，根据本领域普通技术知识和惯 用手段，做出各种替换和变更，均应包括在本发明的保护范围内。
[0023] 实施例1:
[0024] 参见图1，一种IPOS四电平Boost变换器电路拓扑。电源的负极同时连接开关管S1、 开关管S2和开关管S3的源极。开关管S3的漏极连接二极管Dl的正极，二极管Dl的负极连接 二极管D2的正极，二极管D2的负极连接二极管D3的正极，二极管D3的负极连接二极管D4的 正极，二极管D4的负极连接二极管D5的正极。二极管D5的负极依次串联电容C3、电容C2和电 容Cl后，连接到开关管Sl的源极。负载R的两端分别连接二极管D5的负极和开关管Sl的源 极。电源的正极分成=路:第一路串联电感Ll后，连接到开关管Sl的漏极。第二路依次串联 电感L2和电容Cfl后，连接到二极管D2的负极。第=路依次串联电感L3和电容Cf 2后，连接到 二极管D4的负极。
[0025] 值得说明的是，开关管S1、S2、S3相互交错120°调制。从模块化串并联的角度，可 将IPOS四电平Boost变换器看成S个Boost变换器输入并联输出串联。其中，第一个Boost由 Ll、Sl、Dl、Cl组成，记为BoostI。第二个Boost变换器由L2、S2、D3、C2组成，记为BoostII。 第S个Boost变换器由L2、S2、D5、C3组成，记为BoostIII。飞跨电容Cfl与二极管D2构成单 元IV，飞跨电容Cf2与二极管D4构成单元V。单元IV作为Boost I与Boost II的中间单元，实 现了运两个Boost变换器模块的输入并联输出串联。单元V作为Boost II与Boost III的中 间单元，实现了运两个Boost变换器模块的输入并联输出串联。因此，由于单元IV和单元V的 存在，使得Boost I、Boost II和Boost III=个模块输入并联输出串联，提高了整个变换器 的升压能力。
[0026] 在交错120°调制策略下，IPOS四电平Boost变换器的各个开关管和二极管的开关 状态如表1所示，等效电路如图2所示。根据占空比d的不同，将IPOS四电平Boost变换器的工 作状态分为=种情况：
[0027] ①当0《d《l/3时，IPOS四电平Boost变换器工作于阶段
[002引②当l/3《d《2/3时，IPOS四电平Boost变换器工作于阶段I、II、III、V、VI、VII。
[00巧]③当2/3《d《l时，IPOS四电平Boost变换器工作于阶段V、VI、VII、VIII。
[0030] 在IPOS四电平Boost变换器中，输出电压和电容电压大小分别为：
[0031]
[0032]
[0033] 飞跨电容Cfi的电压应力和飞跨电容Cf2的电压应力大小为：
[0034]
[0035]
[0036] 开关管和二极管的电压应力大小相同，为：
[0040] 表1开关状态
[0037]
[00；3 引 1
[0041]
[0042] 实施例2
[0043] 为了实现中点电位的严格平衡控制，本专利公开一种=环控制策略。更为具体地， 包括了公共电压外环调节器、两个均压环调节器和=个电流内环调节器构成的=环控制系 统。开关管Sl和二极管Dl的通断决定Boost I占空比di，开关管S2和二极管D3的通断决定 Boost n占空比d2,开关管S3和二极管D5的通断决定Boost虹占空比d3。
[0044] 采集电容Cl、电容C2和电容C3的分裂电容电压11。1、1]。2、1]。3，输出电压指令1]。*与 11。1、1]。2、1]。居者之和作差，通过电压外环调节器得到公共参考电流山。
[0045] 输出电压指令U。*的S分之一分别与U〇i、U〇3作差，经过各自的均压调节器后得到误 差参考电流A山、A Il3。
[0046] 根^
实现电压外环与均压环之间的解禪， 得到的S个电感电流指令Ili*、Il2*、Il3*。
[0047] Ili*、Il2*、Il3*分别与对应的电感电流Ili、Il2、Il3作差，再经过各自的电流内环调 节器得到S个Boost变换器的占空比di、d2、d 3。
[004引上述控制方法的推导过程如下：
[0049]在IPOS四电平Boost变换器中，输入电感电流与输出电流之间的大小关系为：
[(K)加 ]
[00引] 3两部分组成，可表示为：
[0化2]
[0化3]
[0化4] 其中，d为公共占空比，Adi、Acb、Acb分别表示Boost I、Boost II、Boost III的 均压占空比。将(8)和(9)代入(7)可得=个Boost变换器模块输出电流变化量的表达式为：
I[0056]在输出电压不受到扰动的情况下，A I。大小为0,从而（10)可简化为：
[0化5]
[0化7]
[005引当IPOS四电平Boost变换器进入稳定工作状态时，=个开关管的公共占空比d和公 共电感电流Il大小恒定。因而通过电感电流的变化量A Ili、A Il2、A Il3可间接反映出A山、 A cb、A Cb的大小。将(1。中；个等式相加得： 幽
、1：2)
[0060]在=环控制策略中，电压外环与均压环存在相互禪合关系，即电压外环的输出会 影响中点电位的平衡控制，而均压环的输出又会影响该变换器的稳定电压输出。为了实现 电压外环与均压环之间的解禪控制，必须使得Adi、Acb、Acb之和等于0,从而使得S个电 感电流的变化量A山、A Il2、A Il3之和等于0,即：
[0061 ] A Ili+A Il2+A Il3 = 0 (13)
[0062] 将(13)变形可得：
[006；3] A Il2 = -A Il广 A Il3 (14)
[0064]基于(14)可得S个Boost模块的参考电流分别为：
[00 化]
[0066]根据（15)实现电压外环与均压环之间的解禪，得到的S个电感电流指令iLi*、 Il2*、Il3*，分别与对应的电感电流Il1、Il2、Il3作比较，再经过各自的电流内环调节器得到； 个Boost变换器的占空比，即：
[0067]
[0068] 结合(15)和（16)，本专利提出了如图10所示的S环控制策略，由一个公共电压外 环、=个电流内环和两个均压环构成。将均压环放到电流内环的前面，与电压外环一起输出 电流内环的电流指令，电流内环采用比例控制器。
[0069] 根据10所示的S环控制策略，IPOS四电平Boost变换器的中点电位平衡控制原理 为：当Uoi大于1/抓。*而U〇3小于1/抓。*时，A Ili为负而A Il3为正，因而Ili*减小而Il3*增大，使 得山减小而d3增大，从而Uoi减小而11。3增大，形成了一个负反馈。另外，若A Ili的绝对值大于 ^13，则心嘴大，使得(12增大。经过若干个开关周期后，实现1]。1、1]。2、1]。3均衡，即中点电位平 衡。同理，在其他不同条件下，也可W实现Uol、11。2、11。3的电压均衡。
【主权项】
1. 一种IPOS四电平Boost变换器，其特征在于： 电源的负极同时连接开关管S1、开关管S2和开关管S3的源极； 开关管S3的漏极连接二极管D1的正极，二极管D1的负极连接二极管D2的正极，二极管 D2的负极连接二极管D3的正极，二极管D3的负极连接二极管D4的正极，二极管D4的负极连 接二极管D5的正极； 二极管D5的负极依次串联电容C3、电容C2和电容C1后，连接到开关管S1的源极； 负载R的两端分别连接二极管D5的负极和开关管S1的源极； 电源的正极分成Ξ路:第一路串联电感L1后，连接到开关管S1的漏极;第二路依次串联 电感L2和电容Cfl后，连接到二极管D2的负极;第Ξ路依次串联电感L3和电容Cf2后，连接到 二极管D4的负极。2. -种基于权利要求1所述变换器的中点电位平衡控制方法，其特征在于： 包括由公共电压外环调节器、两个均压环调节器和Ξ个电流内环调节器构成的Ξ环控 制系统； 开关管S1和二极管D1的通断决定BoostI占空比山， 开关管S2和二极管D3的通断决定Boost Π 占空比cb， 开关管S3和二极管D5的通断决定Boost虹占空比d3， 采集电容Cl、电容C2和电容C3的分裂电容电压11。1、1]。2、1]。3，输出电压指令1]。*与1]。1、1]。2、 11。3立者之和作差，通过电压外环调节器得到公共参考电流II; 输出电压指令U。*的Ξ分之一分别与U〇i、U〇3作差，经过各自的均压调节器后得到均压参 考电流Δ山、A Il3; 根据实现电压外环与均压环之间的解禪，得到 的Ξ个电感电流指令Ili*、Il2*、Il3* ; 分别与对应的电感电流Ili、Il2、Il3作差，再经过各自的电流内环调节器 得到Ξ个Boost变换器的占空比dl、cb、d3:
【文档编号】H02M3/158GK105978332SQ201610318249
【公开日】2016年9月28日
【申请日】2016年5月13日
【发明人】陈剑飞, 侯世英
【申请人】重庆大学