电源变换系统、变换装置的控制方法及反激电源变换系统

技术领域

本发明涉及电源领域，尤其是电源变换系统、变换装置的控制方法及反激电源变换系统。

背景技术

在当今能源短缺的情况下，太阳能作为一种可再生、环境污染少的能源，引起了广泛关注。

在实际应用中，需电源变换系统将太阳能变换为适用于负载使用的电能。随着社会进步及电源技术的发展，市场对电源变换系统的高效率提出了更高要求。并且也希望电源变换系统的设计尽量简单，以降低人力成本。

在实际应用中，太阳能电池组向电源变换系统提供直流输入电压，太阳能电池组电压范围非常宽，低电压通常为几十伏，高电压可以达到几千伏（如1500伏以上）。

太阳能电池组提供的高压相应抬高了电源变换系统中开关管的耐压，然而目前市面上耐压达到1500伏以上的开关管非常有限，且价格昂贵，市面上仅有少数几种SiC器件。并且耐压高的开关管在低压下工作时，其导通阻抗较大，而导致低压下效率低的问题。也即，目前的电源变换系统均很难兼顾其在低电和高电压的高效率，导致电源变换系统的整体效率差，并且选料困难。

综上所述，目前在太阳能供电领域，电源变换系统无法兼顾全电压范围内的高效率，且选料受限，给设计带来诸多不便。

发明内容

本申请提出一种电源变换系统，包括：N个隔离电源变换器，每一隔离电源变换器包括：变压器单元，包括一次侧绕组和二次侧绕组；开关单元，包括至少一个开关管、第一端和第二端，开关单元的第二端连接变压器单元一次侧绕组的两端，开关单元的第一端连接一输入电容的两端；整流单元，包括第一端和第二端，整流单元的第一端连接变压器单元二次侧绕组的两端，整流单元的第二端连接均连接一输出电容，形成电源变换系统的输出端；连接所述N个开关单元的第一端的N个输入电容串联连接，形成电源变换系统的输入端；太阳能电池组，连接电源变换系统的输入端，以向电源变换系统的输入端提供输入电压；控制单元，接收所述输入电压，并根据所述输入电压输出开关控制信号，以控制使得其中M个隔离电源变换器中的开关单元内的开关管处于高频开关状态，其中K个隔离电源变换器中的开关单元内的开关管常闭，其中N为大于等于2的正整数，K和M为大于等于0的整数，且K=N-M。

更进一步的，M个隔离电源变换器工作时，同一时刻，开关单元内所有处于高频开关状态的开关管的耐压总和大于所述输入电压。

更进一步的，M个隔离电源变换器中的每一隔离电源变换器的输入电压小于每一隔离电源变换器中的开关单元中处于高频开关状态的开关管的耐压和。

更进一步的，M个隔离电源变换器中，同一时刻，任意M-1个开关单元内所有处于高频开关状态的开关管的耐压和小于所述输入电压。

更进一步的，所述开关单元为全桥开关单元、半桥开关单元或正激开关单元。

更进一步的，所述整流单元为全桥整流单元、倍流整流单元、全波整流单元或半波整流单元。

更进一步的，所述N个输入电容的容值相等，所述N个隔离电源变器的结构和器件相同。

本申请还提出一种反激电源变换系统，包括：N个反激电源变换器，每一反激电源变换器包括：变压器单元，包括一次侧绕组和二次侧绕组，一个开关管，所述开关管的第一端连接所述一次侧绕组的第一端，开关管的第二端连接一输入电容的第二端，所述一次侧绕组的第二端连接所述输入电容的第一端；整流开关管，所述整流开关管的第一端连接所述二次侧绕组的第一端，所述整流开关管的第二端连接输出电容的第一端，所述二次侧绕组的第二端连接所述输出电容的第二端，其中，N个所述输入电容串联连接，形成反激电源变换系统的输入端，所述输出电容的第一端和第二端形成反激电源变换系统的输出端；太阳能电池组，连接反激电源变换系统的输入端，以向反激电源变换系统的输入端提供输入电压；控制单元，接收所述输入电压，并根据所述输入电压输出开关控制信号，以控制使得其中M个开关管处于高频开关状态，以使M个反激电源变换器工作，其中K个开关管常闭，其中N为大于等于2的正整数，K和M为大于等于0的整数，且K=N-M。

更进一步的，其中所述M个开关管的耐压总和大于所述输入电压。

更进一步的，所述M个反激电源变换器中的每一反激电源变换器的输入电压小于其内的开关管的耐压。

更进一步的，所述M个反激电源变换器中，其中任意M-1个开关管的耐压和小于所述输入电压。

更进一步的，所述整流开关管为二极管，所述整流开关管的第一端为阳极，所述整流开关管的第二端为阴极。

本申请还提出一种隔离电源变换装置的控制方法，所述隔离电源变换装置包括：N个隔离电源变换器，每一隔离电源变换器包括：变压器单元，包括一次侧绕组和二次侧绕组；开关单元，包括至少一个开关管、第一端和第二端，开关单元的第二端连接变压器单元一次侧绕组的两端，开关单元的第一端连接一输入电容的两端；整流单元，包括第一端和第二端，整流单元的第一端连接变压器单元二次侧绕组的两端，整流单元的第二端连接均连接一输出电容，形成隔离电源变换装置的输出端；连接所述N个开关单元的第一端的N个输入电容串联连接，形成隔离电源变换装置的输入端，包括：获得隔离电源变换装置的输入端的输入电压，N个隔离电源变换器中的开关单元内的开关管的耐压；当满足以下三个条件时，控制使得其中M个隔离电源变换器中的开关单元内的开关管处于高频开关状态，其中K个隔离电源变换器中的开关单元内的开关管常闭，其中N为大于等于2的正整数，K和M为大于等于0的整数，且K=N-M，其中条件一为：当M个隔离电源变换器工作时，同一时刻，所有处于高频开关状态的开关管的耐压总和大于所述输入电压；条件二为：当M个隔离电源变换器工作时，同一时刻，M个隔离电源变换器中的任意M-1个隔离电源变换器中所有处于高频开关状态的开关管的耐压总和小于所述输入电压；条件三为：当M个隔离电源变换器工作时，M个隔离电源变换器中的每一隔离电源变换器的输入电压小于每一隔离电源变换器中所有处于高频开关状态的开关管的耐压总和。

更进一步的，由太阳能电池组向隔离电源变换装置的输入端提供输入电压。

附图说明

图1为本发明一实施例的电源变换系统的示意图。

图2为本发明另一实施例的电源变换系统的示意图。

图3为本发明另一实施例的电源变换系统的示意图。

图4为全桥变换器中的开关单元示意图。

图5为本发明一实施例的隔离电源变换装置的示意图。

具体实施方式

下面将结合附图，对本发明中的技术方案进行清楚、完整的描述，显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在不做出创造性劳动的前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明一实施例中，在于提供一种电源变换系统，请参阅图1所示的本发明一实施例的电源变换系统的示意图。电源变换系统包括：

电源变换装置，如图1中的标号100所示，包括：N个电源变换器，如图1中的第一电源变换器110、第二电源变换器120、直至第n电源变换器1n0，如图1所示，每一个电源变换器包括至少一个开关管、正输入端、负输入端、正输出端和负输出端，N个电源变换器的正输出端相互连接，N个电源变换器的负输出端相互连接，形成电源变换装置的输出端dout；N个输入电容，如图1中的第一输入电容Cin1、第二输入电容Cin2、直至第n输入电容Cinn，每一个电源变换器的正输入端与负输入端之间连接其中一个输入电容，如图1所示，第一电源变换器110的正负输入端之间连接第一输入电容Cin1，第二电源变换器120的正负输入端之间连接第二输入电容Cin2，第n电源变换器1n0的正负输入端之间连接第n输入电容Cinn，且N个输入电容串联连接，形成电源变换装置的输入端din；

太阳能电池组，如图1中，太阳能电池组200连接电源变换装置的输入端din，以向电源变换装置的输入端din提供输入电压Vin；

控制单元，如图1中，控制单元300接收输入电压Vin，并根据输入电压Vin输出开关控制信号，以控制使得其中M个电源变换器工作，其中K个电源变换器内的开关管常闭，其中N为大于等于2的正整数，K和M为大于等于0的整数，且K=N-M。

上述的电源变换器工作指电源变换器内的开关管处于高频开关状态，从而将电源变换器输入端的电压变换为输出端的电压。以图1中的第一电源变换器110为例，当第一电源变换器110内的开关管处于高频开关状态时，第一电源变换器110将第一输入电容Cin1上的母线电压变换为输出电压，并与其它电源变换器的输出电压并联后作为电源变换装置的输出电压。

上述的K个电源变换器内的开关管常闭指电源变换器内的开关管处于一直的导通状态，以使得电源变换器不进行电压变换。

如此，通过将n个电源变换器的输入端串联、输出端并联，并根据输入电压的大小判断需要工作的电源变换器的个数，可将每个电源变换器的输入电压范围降低为原输入电压范围的1/M（以M个电源变换器工作为例），则可大大降低所需的开关管的耐压，低耐压的器件市场可选空间大，可兼顾价格与性能，且在输入电压的低压和高压时均可工作在较高频率，并且导通阻抗小，而可兼顾全电压范围内的高效率，进而提高整个电源变换装置的效率。并且电源变换器的个数可随意扩展，进而可适用任何电压等级的太阳电池组，因此可以提高电源变换装置的电压输入能力，且不影响整个电源变换装置的效率。同时，正常工作时，每一电源变换器工作时瞬间电流由每一电源变换器的输入电容电压决定，因此可以很好的平衡每一电源变换器之间的母线电压。

在本发明一实施例中，每一电源变换器均为隔离变换器，请参阅图2所示的本发明另一实施例的电源变换系统的示意图，如图2所示，N个隔离电源变换器均包括：

变压器单元，如图2中的第一隔离电源变换器110内的第一变压器单元TX1、直至第n隔离电源变换器1n0内的第n变压器单元Tn1，变压器单元包括一次侧绕组Lp和二次侧绕组Ls；

开关单元，如图2中的第一隔离电源变换器110至第n隔离电源变换器1n0分别包括一开关单元，均包括至少一个开关管、第一端和第二端，开关单元的第二端连接变压器单元一次侧绕组Lp的两端，开关单元的第一端连接N个输入电容中的其中之一，如图2中，第一隔离电源变换器110内的开关单元的第一端连接第一输入电容Cin1；

整流单元，如图2中的第一隔离电源变换器110至第n隔离电源变换器1n0分别包括一整流单元，均包括第一端和第二端，整流单元的第一端连接变压器单元二次侧绕组Ls的两端，整流单元的第二端连接均连接一输出电容Cout，形成电源变换系统的输出端dout，

其中所述控制使得其中M个电源变换器工作，其中K个电源变换器内的开关管常闭为：控制使得其中M个隔离电源变换器中的开关单元内的开关管处于高频开关状态，其中K个隔离电源变换器中的开关单元内的开关管常闭。

更具体的，请参阅图3所示的本发明另一实施例的电源变换系统的示意图，如图3所示，N个隔离电源变换器为反激电源变换器，图2所示的开关单元均包括一个开关管。如图3所示，以第一反激变换器110为例，开关管S1的第一端连接一次侧绕组Lp的第一端，开关管S1的第二端连接第一输入电容Cin1的第二端，一次侧绕组Lp的第二端连接第一输入电容Cin1的第一端。图2所示的整流单元均包括一个整流开关管，如图3所示，以第一反激变换器110为例，整流开关管D1的第一端连接二次侧绕组Ls的第一端，整流开关管D1的第二端连接输出电容Cout的第一端，二次侧绕组Ls的第二端连接输出电容Cout的第二端。图3中以整流开关管D1为二极管为例，则其第一端为阳极，第二端为阴极，在实际应用中，其还可为其它可控开关。

在反激电源变换系统实际工作时，控制单元300接收输入电压Vin，并根据输入电压Vin输出开关控制信号，以控制使得其中M个开关管（S1至Sn中的M个）处于高频开关状态，以使M个反激电源变换器工作，其中K个开关管（S1至Sn中的K个）常闭，其中N为大于等于2的正整数，K和M为大于等于0的整数，且K=N-M。

如上所述，在实际工作时，以实际的输入电压的大小决定工作的隔离电源变换器的个数。如下以图3所示的反激电源变换系统包括三个反激电源变换器为例讲明其原理，其中第一开关管S1的耐压为600V，第二开关管S2的耐压为400V，第三开关管S3的耐压为400V，第一输入电容Cin1、第二输入电容Cin2与第三输入电容Cin3之间的容值比为2：3：3，则该反激电源变换系统可支持高压略小于1400V（如1300V）的太阳能电池组，且每个反激电源变换器均可高效率的工作。

具体的，在实际工作时，若太阳能电池组200提供的输入电压为1200V，第一反激电源变换器的输入电压约为514V，第二和第三反激电源变换器的输入电压约为343V，则第一开关管S1至第三开关管S3的耐压总和为1400V，大于输入电压1200V，且第一开关管S1的耐压大于第一反激电源变换器的输入电压，第二开关管S2的耐压大于第二反激电源变换器的输入电压，第三开关管S3的耐压大于第三反激电源变换器的输入电压，则可控制使得3个反激电源变换器均工作。更进一步的，若三个反激电源变换器中的任意一个反激电源变换器不工作，则开关管的耐压总和都小于输入电压1200V，因此3个反激电源变换器均工作可最大限度的提高电源变换器的效率。

具体的，在实际工作时，若太阳能电池组200提供的输入电压为800V，则第一反激电源变换器的输入电压约为343V，第二和第三反激电源变换器的输入电压约为228.5V，则第一开关管S1和第三开关管S3的耐压总和为1000V，大于输入电压800V，且第一开关管S1的耐压大于第一反激电源变换器的输入电压，第三开关管S3的耐压大于第三反激电源变换器的输入电压，则可控制使得第一和第三反激电源变换器工作（也即第一开关管S1和第三开关管S3处于高频开关状态），第二反激电源变换器不工作（也即第二开关管S2处于一直导通的状态）。更进一步的，若第一和第三反激电源变换器中的任意一个反激电源变换器不工作，则开关管的耐压总都小于输入电压800V，因此2个反激电源变换器均工作可最大限度的提高电源变换器的效率。当然也可以使第一和第二反激电源变换器工作，第三反激电源变换器不工作。

也即对于反激电源变换系统，工作的M个开关管的耐压总和需大于输入电压Vin。更进一步的，工作的M个反激电源变换器中的每一反激电源变换器的输入电压Vin小于其内的开关管的耐压。更进一步的， M个反激电源变换器中，其中任意M-1个开关管的耐压和小于输入电压Vin。

实际应用中，并不限定隔离电源变换器一定是反激电源变换器，其还可为其它的隔离变换器，如全桥变换器、半桥变换器或正激变换器等。如图4请参阅全桥变换器中的开关单元示意图，其包括开关管S11和开关管S12串联连接形成的第一支路，开关管S21和开关管S22串联连接形成的第二支路，第一支路和第二支路并联连接。当全桥变换器工作时，则开关管S11和开关管S22同时工作，或开关管S21和开关管S12同时工作，则若图1和图2中的变换器为全桥变换器，则隔离电源变换器工作时，同一时刻，开关单元内所有处于高频开关状态的开关管的耐压总和为开关管S11和开关管S22的耐压总，或开关管S21和开关管S12的耐压总。则隔离电源变换器不工作时，开关管S11和开关管S22一直导通，或开关管S21和开关管S12一直导通。

实际应用中，并不限定整流单元的具体结构，其可为全桥整流单元、倍流整流单元、全波整流单元或半波整流单元等。

也即，对于图1和图2所示，M个电源变换器工作时，同一时刻，M个电源变换器内的开关单元内所有处于高频开关状态的开关管的耐压总和大于输入电压Vin。更进一步的， M个电源变换器中的每一电源变换器的输入电压小于每一电源变换器中的开关单元中处于高频开关状态的开关管的耐压和。更进一步的，M个电源变换器中，同一时刻，任意M-1个开关单元内所有处于高频开关状态的开关管的耐压和小于输入电压Vin。以保证电源变换系统可以可靠工作，且每个电源变换器效率最高。

请再参阅图2和图3所示隔离变换器，均包括变压器单元，本申请提供的电源变换系统可缩小每一隔离电源变换器的输入电压范围，因此也可缩小每一变压器单元的匝比范围，因此大大减小变压器单元的设计难度，并提高效率。同样的也可降低整流单元中的开关管的耐压，如同连接一次侧绕组的开关单元一样的，可增大整流单元中的开关管的选择空间，提高效率，降低成本。

在本发明一实施例中，所述N个输入电容的容值相等，所述N个电源变器的结构和器件相同，以使得各路隔离电源变换器相同。也可以使得所述N个输入电容的容值不等，所述N个电源变器的结构和器件也可不同，以使得各路隔离电源变换器分别独立设计。而可根据实际需求进行灵活设计，而增加该电源变换系统的适用范围。

本发明一实施例中，还提供一种电源变换装置的控制方法，电源变换装置为图1中标号100所示，具体的可参阅图5所示的隔离电源变换装置的示意图，隔离电源变换装置包括：N个隔离电源变换器，如图5中的第一隔离电源变换器110、直至第n隔离电源变换器1n0，每一隔离电源变换器包括变压器单元，如图5中的第一隔离电源变换器110内的第一变压器单元TX1、直至第n隔离电源变换器1n0内的第n变压器单元Tn1，变压器单元包括一次侧绕组Lp和二次侧绕组Ls；开关单元，如图5中的第一隔离电源变换器110至第n隔离电源变换器1n0分别包括一开关单元，包括至少一个开关管、第一端和第二端，开关单元的第二端连接变压器单元一次侧绕组Lp的两端，开关单元的第一端连接一输入电容的两端，如图5中，第一隔离电源变换器110内的开关单元的第一端连接第一输入电容Cin1；整流单元，如图5中的第一隔离电源变换器110至第n隔离电源变换器1n0分别包括一整流单元，包括第一端和第二端，整流单元的第一端连接变压器单元二次侧绕组Ls的两端，整流单元的第二端连接均连接一输出电容Cout，形成隔离电源变换装置的输出端dout；连接所述N个开关单元的第一端的N个输入电容串联连接，形成隔离电源变换装置的输入端din。隔离电源变换装置的控制方法包括：

获得电源变换装置的输入端din的输入电压，电源变换器中开关管的耐压；

当满足以下三个条件时，控制使得其中M个电源变换器工作，其中K个电源变换器内的开关管常闭，其中N为大于等于2的正整数，K和M为大于等于0的整数，且K=N-M，其中条件一为：当M个电源变换器工作时，同一时刻，所有处于高频开关状态的开关管的耐压总和大于所述输入电压；条件二为：当M个电源变换器工作时，同一时刻，M个电源变换器中的任意M-1个电源变换器中所有处于高频开关状态的开关管的耐压总和小于所述输入电压；条件三为：当M个电源变换器工作时，M个电源变换器中的每一电源变换器的输入电压小于每一电源变换器中所有处于高频开关状态的开关管的耐压总和。

在实际应用中，由太阳能电池组向隔离电源变换装置的输入端提供输入电压。

其原理和效果与上述的电源变换系统相同，在此不再赘述。

最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。