[发明专利]开关电容谐振倍压整流变换器及其控制方法、控制系统

说明书

本发明公开了一种开关电容谐振倍压整流变换器及其控制方法、控制系统，通过有源子模块、正模块、负模块以及谐振支路的连接，使得有源子模块的输入功率可以通过多个正谐振支路顺次传递至所有正模块，也可以通过多个负谐振支路顺次传递至所有负模块。有源子模块、正模块和负模块的正负端口顺次连接实现高压输出。本发明无需高绝缘变压器，倍压级数可以任意扩展，所有开关管和二极管均可以实现软开关，可有效减小开关损耗，提高整流电路的效率。

技术领域

本发明涉及一种整流变换器控制技术，特别是一种开关电容谐振倍压整流变换器及其控制方法、控制系统。

背景技术

在高压直流发生器、工业微波磁控管电源、医疗电源等低压输入高压输出场合，需要将数百伏的低压输入提升至数千伏或者数十千伏的高压输出。上述高压输出场合中常采用高升压比工频变压器方案或者采用倍压整流变换器方案实现。高升压比工频变压器相对容易制作，但是具有重量大、体积大，输出纹波大的缺点；传统倍压整流变换器需要具有一定绝缘电压的隔离变压器，隔离变压器的漏感与寄生电容会随着变压器绝缘电压的提高而增大。隔离变压器的高压侧往往采用绝缘层较厚的导线绕制，这大幅减小了变压器的窗口填充系数，从而制约了功率密度的提升。传统倍压整流变换器中的大部分二极管处于硬开关，这导致二极管在开关时有较大的尖峰，且二极管在换流过程中具有一定的损耗。因此在二极管选型时需要采用更高电压等级的型号，运行时需要考虑添加散热器等。而且二极管的寄生电容会影响到变压器原边的开关管运行，可能造成原边功率开关管波形畸变或者硬开关等情况。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是，针对现有技术不足，提供一种开关电容谐振倍压整流变换器及其控制方法、控制系统，避免使用高绝缘变压器，提高变换器功率密度和效率。

为解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案是：一种开关电容谐振倍压整流变换器，包括串联的m个正模块、串联的n个负模块；第一个正模块、第一个负模块分别与有源子模块的负端、正端连接；第i个正模块与第i个、第i+1个正谐振支路连接；第j个负模块与第j个、第j+1个负谐振支路连接；第m个正模块与第m个正谐振支路连接；第n个负模块与第n个负谐振支路连接；所述有源子模块与第一个正谐振支路、第一个负谐振支路连接；第m个正模块的正端作为输出电压的正端；第n个负模块的负端作为输出电压的负端；其中，m和n为正整数；i=1，2，…，m-1；j=1，2，…，n-1；所述正模块、负模块均采用无源子模块。

本发明通过有源子模块、正模块、负模块以及谐振支路的连接，使得有源子模块的输入功率可以通过多个正谐振支路顺次传递至第一正模块、第二正模块、直至第m正模块，也可以通过多个负谐振支路顺次传递至第一负模块、第二负模块、直至第n负模块。有源子模块、正模块和负模块的正负端口顺次连接实现高压输出。

本发明的变换器中，有源子模块向正模块和负模块顺序传输功率。正模块和负模块结构相同，可采用相同的电路板进行拼接，这大大降低了电路设计的复杂度，提高了变换器的模块化和功率密度。另一方面，由于采用了多个谐振支路，每个正模块和负模块中的二极管均可实现软开关，大幅提高了变换器的功率密度和效率。

m，n可以根据所需要的升压倍数选取，在升压倍数确定后，m和n尽量取接近的值，m和n相等时最优。在m和n相等时，正模块和负模块数量相等，不同对应序号的正负模块之间的功率传输和电压电流应力相同，变换器对称性最好。

所述有源子模块采用全桥逆变电路或半桥逆变电路。可以针对特定的场合选择合适的有源子模块拓扑结构。在小电流场合可以采用半桥逆变结构减少功率开关管的使用，在大电流场合可以采用全桥逆变结构。

所述无源子模块为半桥整流电路或者全桥整流电路。