本發(fā)明屬于開關(guān)電源技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及雙電路、多電路輸入串聯(lián)交錯(cuò)型開關(guān)電源裝置的消除各串聯(lián)電路間環(huán)流技術(shù)。

背景技術(shù)：

目前，各種高壓輸入場(chǎng)合逐漸增多，受器件電壓等級(jí)等因素的限制，如何有效地降低各開關(guān)器件的電壓應(yīng)力一直是高壓變換器設(shè)計(jì)過程中的難點(diǎn)。為了解決高壓變換器電壓應(yīng)力高的問題，人們經(jīng)常采用將多個(gè)電路在輸入側(cè)串聯(lián)的形式來分擔(dān)高壓。

對(duì)于輸入串聯(lián)型變換器而言，其關(guān)鍵任務(wù)是實(shí)現(xiàn)各串聯(lián)電路的輸入均壓。目前，關(guān)于各種均壓控制方法的研究比較多，但如采用已有的各種控制方法，必然要增加一個(gè)高精度的控制器，這無疑增加了控制環(huán)節(jié)的復(fù)雜程度，降低了變換器的可靠性。

除了各種均壓控制方法的研究，近年來，人們還對(duì)一些可實(shí)現(xiàn)自然均壓的輸入串聯(lián)型變換器進(jìn)行了研究。在這些自然均壓的輸入串聯(lián)型變換器當(dāng)中，基于變壓器集成的輸入串聯(lián)交錯(cuò)型變換器具有明顯的優(yōu)勢(shì)，主要體現(xiàn)在：(1)2個(gè)串聯(lián)電路可實(shí)現(xiàn)輸入電壓的近似均分，降低了每個(gè)串聯(lián)電路實(shí)際承受的電壓值；(2)2個(gè)串聯(lián)電路交錯(cuò)工作，使得集成變壓器雙向勵(lì)磁，提高了變壓器磁芯的利用率，降低了變壓器磁芯體積；(3)集成變壓器的采用，很容易實(shí)現(xiàn)變換器的多路輸出。

如圖1(a)所示為目前已有的基于變壓器集成的輸入串聯(lián)交錯(cuò)型直流變換器。該變換器由2個(gè)輸入串聯(lián)電路構(gòu)成，2個(gè)串聯(lián)電路共用1個(gè)集成變壓器t。其中：ui為直流輸入電壓，ui1、ui2為各串聯(lián)電路的輸入電壓，ci1、ci2(ci1＝ci2)為各串聯(lián)電路輸入側(cè)的濾波電容，s11、s12、s21、s22為電路的開關(guān)管(一般為電力mosfet開關(guān)管)。在集成變壓器t中，2個(gè)原邊繞組具有相同的匝數(shù)np，2個(gè)副邊繞組也具有相同的匝數(shù)ns，圖中各繞組上的“黑點(diǎn)”表示變壓器各繞組的同名端對(duì)應(yīng)關(guān)系。在輸出回路中，do1、do2為輸出整流二極管，lf為輸出濾波電感，c為輸出濾波電容，r為變換器負(fù)載，uo為直流輸出電壓。

圖1(a)所示的每個(gè)串聯(lián)電路內(nèi)部的開關(guān)管(s11、s12或者s21、s22)同時(shí)開關(guān)工作，每個(gè)串聯(lián)電路交錯(cuò)開關(guān)工作，即，s11、s12與s21、s22的開關(guān)時(shí)序互補(bǔ)，如圖1(b)所示。

在變換器的運(yùn)行過程中，如果2個(gè)串聯(lián)電路的輸入完全均壓(ui1＝ui2＝ui/2)，則當(dāng)開關(guān)管s11、s12導(dǎo)通，s21、s22關(guān)斷時(shí)，串聯(lián)電路1(即圖中輸入電壓為ui1的串聯(lián)電路)通過集成變壓器向輸出側(cè)傳遞能量，當(dāng)開關(guān)管s11、s12關(guān)斷，s21、s22導(dǎo)通時(shí)，串聯(lián)電路2(即圖中輸入電壓為ui2的串聯(lián)電路)通過集成變壓器向輸出側(cè)傳遞能量。如圖2所示。

圖1(a)所示基于變壓器集成的輸入串聯(lián)交錯(cuò)型直流變換器主要存在2個(gè)問題：

(1)2個(gè)串聯(lián)電路之間存在環(huán)流

由圖2可以看出：當(dāng)s11、s12導(dǎo)通時(shí)，ci1向輸出側(cè)釋放能量，ci1、ci2串聯(lián)起來被輸入電流ii充電，在這個(gè)過程中，在保持ui1+ui2＝ui的前提下，ui1下降，ui2上升；當(dāng)s21、s22導(dǎo)通時(shí)，ci2向輸出側(cè)釋放能量，ci1、ci2串聯(lián)起來被輸入電流ii充電，在這個(gè)過程中，在保持ui1+ui2＝ui的前提下，ui1上升，ui2下降。

由于上述過程的存在，2個(gè)串聯(lián)電路輸入電壓的實(shí)際值將圍繞著ui/2波動(dòng)，如圖3所示。

對(duì)于圖2(a)所示電路，在s11、s12導(dǎo)通開始初期，有：ui1>ui2，由于2個(gè)串聯(lián)電路變壓器原邊繞組的耦合作用，將出現(xiàn)ci1的能量通過集成變壓器向ci2傳遞的情況，如圖4(a)所示，產(chǎn)生的環(huán)流如虛線部分所示；對(duì)于圖2(b)所示電路，在s21、s22導(dǎo)通開始初期，有：ui2>ui1，由于2個(gè)串聯(lián)電路變壓器原邊繞組的耦合作用，將出現(xiàn)ci2的能量通過集成變壓器向ci1傳遞的情況，如圖4(b)所示，產(chǎn)生的環(huán)流如虛線部分所示。由此，2個(gè)串聯(lián)電路之間產(chǎn)生了環(huán)流。該環(huán)流的產(chǎn)生使得變換器的效率、可靠性均下降。

目前一般采用增加輸入濾波電容ci1、ci2值的方法來抑制該環(huán)流，為了達(dá)到理想效果，ci1、ci2值通常要增加幾十倍甚至幾百倍以上。圖1(a)中交錯(cuò)串聯(lián)方案本身是為了降低變壓器磁芯體積的，然而ci1、ci2值的增加造成了該電容體積的大幅度增加，這種情況下，變換器的整體體積甚至?xí)黾印?/p>

(2)串聯(lián)交錯(cuò)原理本身使得該變換器的串聯(lián)電路數(shù)量難以增加(一般都是2個(gè)電路串聯(lián)交錯(cuò)工作)，在高壓輸入場(chǎng)合無法進(jìn)一步降低各串聯(lián)電路的電壓應(yīng)力。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明目的是為了解決目前基于變壓器集成的輸入串聯(lián)交錯(cuò)型直流變換器存在的串聯(lián)電路間存在環(huán)流以及串聯(lián)電路數(shù)量難以增加的問題，提供了一種具有消除環(huán)流功能的輸入串聯(lián)交錯(cuò)型開關(guān)電源裝置，可消除各串聯(lián)電路間環(huán)流。

本發(fā)明方案包括兩種：雙電路、多電路結(jié)構(gòu)。

所述具有消除環(huán)流功能的雙電路輸入串聯(lián)交錯(cuò)型開關(guān)電源裝置，所述輸入串聯(lián)交錯(cuò)型開關(guān)電源裝置是由兩個(gè)正激式開關(guān)電路構(gòu)成的雙開關(guān)正激式電路，兩個(gè)正激式開關(guān)電路的輸入電源串聯(lián)，每個(gè)正激式開關(guān)電路具有兩個(gè)開關(guān)管和兩個(gè)箝位二極管；

在每個(gè)正激式開關(guān)電路的環(huán)流產(chǎn)生回路上串入電壓源，所述電壓源用于抵消環(huán)流。

優(yōu)選地，兩個(gè)正激式開關(guān)電路串入電壓源的方式相同，均串在箝位二極管所在支路中。

優(yōu)選地，在每個(gè)正激式開關(guān)電路的其中一個(gè)箝位二極管所在支路中串入一個(gè)電壓源ud，所述電壓源ud的值大于或等于正激式開關(guān)電路輸入電源兩端電壓的峰-谷差值。

優(yōu)選地，兩個(gè)正激式開關(guān)電路串入電壓源ud的箝位二極管的位置是對(duì)應(yīng)的。

優(yōu)選地，在正激式開關(guān)電路的兩個(gè)箝位二極管所在支路中各串入一個(gè)電壓源ud/2，其中ud的值大于或等于正激式開關(guān)電路輸入電源兩端電壓的峰-谷差值。

優(yōu)選地，電壓源采用穩(wěn)壓二極管來實(shí)現(xiàn)。

優(yōu)選地，電壓源采用電容、電阻并聯(lián)支路來實(shí)現(xiàn)。

優(yōu)選地，電壓源采用多個(gè)二極管串聯(lián)支路來實(shí)現(xiàn)。

具有消除環(huán)流功能的多電路輸入串聯(lián)交錯(cuò)型開關(guān)電源裝置，包括所述具有消除環(huán)流功能的雙電路輸入串聯(lián)交錯(cuò)型開關(guān)電源裝置。

本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)：本發(fā)明采用在環(huán)流的產(chǎn)生回路上增加電壓源來消除環(huán)流，手段簡(jiǎn)單有效，在不增加裝置體積、不影響原電路的原有功能的前提下，有效的消除了各串聯(lián)電路間環(huán)流，此技術(shù)有利于大范圍推廣。

附圖說明

圖1是現(xiàn)有基于變壓器集成的輸入串聯(lián)交錯(cuò)型直流變換器拓?fù)鋱D及其各開關(guān)管的基本開關(guān)時(shí)序圖；為雙開關(guān)正激式電路，其中(a)為直流變換器拓?fù)鋱D；(b)為各開關(guān)管的基本開關(guān)時(shí)序圖。

圖2是圖1所示變換器的工作過程，(a)為s11、s12導(dǎo)通，s21、s22關(guān)斷時(shí)，(b)為s11、s12關(guān)斷，s21、s22導(dǎo)通時(shí)。

圖3是圖1所示變換器中2個(gè)串聯(lián)電路輸入電壓的基本波動(dòng)波形圖；

圖4是圖1所示變換器中兩個(gè)正激式開關(guān)電路輸入側(cè)環(huán)流的產(chǎn)生示意圖；(a)為下側(cè)正激式開關(guān)電路工作時(shí)，上側(cè)正激式開關(guān)電路產(chǎn)生環(huán)流的電流走向圖(虛線所示部分)；(b)為上側(cè)正激式開關(guān)電路工作時(shí)，下側(cè)正激式開關(guān)電路產(chǎn)生環(huán)流的電流走向圖(虛線所示部分)；

圖5是本發(fā)明所述具有消除環(huán)流功能的輸入串聯(lián)交錯(cuò)型開關(guān)電源裝置電路拓?fù)鋱D，只畫出一組雙開關(guān)正激式開關(guān)電路，本電路在d11、d21上串聯(lián)電壓源ud；

圖6是本發(fā)明所述具有消除環(huán)流功能的輸入串聯(lián)交錯(cuò)型開關(guān)電源裝置電路拓?fù)鋱D，只畫出一組雙開關(guān)正激式開關(guān)電路，本電路在d12、d22上串聯(lián)電壓源ud；

圖7是本發(fā)明所述具有消除環(huán)流功能的輸入串聯(lián)交錯(cuò)型開關(guān)電源裝置電路拓?fù)鋱D，只畫出一組雙開關(guān)正激式開關(guān)電路，本電路在d11、d12、d21、d22上串聯(lián)電壓源ud/2；

圖8是圖5～圖7所示的兩個(gè)正激式電路輸入側(cè)環(huán)流消除的示意圖，(a)為s11、s12導(dǎo)通，s21、s22關(guān)斷時(shí)(即下側(cè)正激式開關(guān)電路工作時(shí))，(b)為s11、s12關(guān)斷，s21、s22導(dǎo)通時(shí)(即上側(cè)正激式開關(guān)電路工作時(shí))；

圖9是電壓源ud的實(shí)現(xiàn)方案，(a)采用穩(wěn)壓二極管，(b)采用電阻電容并聯(lián)電路，(c)采用多個(gè)二極管串聯(lián)電路；

圖10是本發(fā)明所述具有消除環(huán)流功能的輸入串聯(lián)交錯(cuò)型開關(guān)電源裝置電路拓?fù)鋱D，給出了n組雙開關(guān)正激式電路，其中采用本發(fā)明所述裝置構(gòu)建的多電路串聯(lián)交錯(cuò)型直流變換器實(shí)現(xiàn)方案；

圖11是圖10所述變換器的各開關(guān)管的基本開關(guān)時(shí)序圖。

具體實(shí)施方式

具體實(shí)施方式一：下面結(jié)合圖3、圖5～圖9說明本實(shí)施方式，本實(shí)施方式所述具有消除環(huán)流功能的雙電路輸入串聯(lián)交錯(cuò)型開關(guān)電源裝置，

兩個(gè)正激式開關(guān)電路輸入電源分別為兩個(gè)電容提供，其兩端電壓分別為ui1、ui2，其值隨電容的充放電過程而變化，具體變化過程如圖3所示。輸入電源兩端電壓的峰-谷差值為δui12。

為了消除各串聯(lián)電路間的環(huán)流，本發(fā)明的基本思想是在環(huán)流的產(chǎn)生回路上增加電壓源ud，其中ud的值應(yīng)該大于ui1與ui2的最大差異值，即ud>δui12(如圖3)。在環(huán)流的產(chǎn)生回路上增加電壓源共有3種形式：(1)如圖5所示，在d11、d21上串聯(lián)電壓源ud；(2)如圖6所示，在d12、d22上串聯(lián)電壓源ud；(3)如圖7所示，在d11、d12、d21、d22上串聯(lián)電壓源ud/2。

下面以圖5為例介紹增加電壓源ud之后，各串聯(lián)電路間環(huán)流的消除原理。

如圖8(a)所示，在s11、s12導(dǎo)通開始初期，雖然ui1>ui2，但是ui1<ui2+ud，所以ci1的能量不會(huì)再通過集成變壓器向ci2傳遞；在s21、s22導(dǎo)通開始初期，雖然ui2>ui1，但是ui2<ui1+ud，所以ci2的能量不會(huì)再通過集成變壓器向ci1傳遞。因此，各消除了串聯(lián)回路間的環(huán)流。

在電路中串聯(lián)的電壓源ud可以采用如圖9所示的幾種方案來實(shí)現(xiàn)。如圖9(a)所示為采用額定電壓為ud的穩(wěn)壓二極管；如圖9(b)所示為采用電阻電容并聯(lián)電路，其中，電容電壓近似恒定為ud(實(shí)際有少許波動(dòng))，電阻的阻值較大主要用于電容上能量的少許釋放，以防止電容過壓；如圖9(c)所示為采用多個(gè)二極管串聯(lián)的方式，其中串聯(lián)二極管的導(dǎo)通壓降之和為ud。

本實(shí)施方式增加電壓源來抵消環(huán)流的技術(shù)手段簡(jiǎn)潔有效，即節(jié)約成本，又能產(chǎn)生很好的技術(shù)效果。

具體實(shí)施方式二：下面結(jié)合圖10和圖11說明本實(shí)施方式，本實(shí)施方式所述具有消除環(huán)流功能的多電路輸入串聯(lián)交錯(cuò)型開關(guān)電源裝置，包括實(shí)施方式一所述具有消除環(huán)流功能的雙電路輸入串聯(lián)交錯(cuò)型開關(guān)電源裝置。其結(jié)構(gòu)如圖10所示，其時(shí)序圖如圖11所示。

在高壓輸入場(chǎng)合，為了進(jìn)一步降低各串聯(lián)電路的電壓應(yīng)力，本發(fā)明提出的多電路串聯(lián)交錯(cuò)型直流變換器方案如圖10所示。圖中將該變換器的所有串聯(lián)電路分為a、b兩組，每組包括n(n≥1)個(gè)串聯(lián)電路，2組一共包括2n個(gè)串聯(lián)電路(將原來的2個(gè)串聯(lián)電路擴(kuò)展為2n個(gè)串聯(lián)電路)。其中，圖10中每個(gè)串聯(lián)電路可采用與圖5～圖7中每個(gè)串聯(lián)電路相同的結(jié)構(gòu)，這里以圖5中串聯(lián)電路為例給出。

在圖10中，相當(dāng)于包括n個(gè)實(shí)施方式一所述的雙電路輸入串聯(lián)交錯(cuò)型開關(guān)電源裝置，uai1,uai2,...,uain和ubi1,ubi2,...,ubin分別為a、b兩組各串聯(lián)電路的輸入電壓；cai1,cai2,...,cain和cbi1,cbi2,...,cbin(cai1＝cai2＝...＝cain＝cbi1＝cbi2＝...＝cbin)分別為a、b兩組各串聯(lián)電路的輸入濾波電容；sa11,sa12,sa21,sa22,...,san1,san2和sb11,sb12,sb21,sb22,...,sbn1,sbn2分別為a、b兩組各串聯(lián)電路中的開關(guān)管；da11,da12,da21,da22,...,dan1,dan2和db11,db12,db21,db22,...,dbn1,dbn2分別為a、b兩組各串聯(lián)電路中的二極管；每個(gè)串聯(lián)電路仍然共用一個(gè)集成變壓器t，其中，集成變壓器的2n個(gè)原邊繞組具有相同的匝數(shù)np。

如圖11所示為圖10中多電路串聯(lián)交錯(cuò)型直流變換器各開關(guān)管的基本開關(guān)時(shí)序。其中，a、b兩組內(nèi)部的所用開關(guān)管同時(shí)開關(guān)工作，a組串聯(lián)電路的開關(guān)管與b組串聯(lián)電路的開關(guān)管交錯(cuò)工作，即，a、b兩組串聯(lián)電路開關(guān)管的開關(guān)時(shí)序互補(bǔ)。