本发明公开了一种多模块输入串联输出并联组合变换器及其软启动控制方法，属变换器控制领域。其电路是在原有组合变换器的基础上加入了电流峰值抑制及输入均压控制电路和开关管驱动电路，将输出电流采样电压与由给定基准电压确定的迟滞比较器的阀值比较，并通过反相器输出至逻辑或门，将输入电压采样值与由给定基准电压确定的门限电平比较后输出至逻辑或门；逻辑或门输出为高电平时，通过控制开关管使驱动芯片的软启动电容放电，停止输出驱动信号，模块关闭；逻辑或门输出为低电平时，控制开关管关断，驱动芯片的软启动电容充电，产生驱动信号，模块开通。本发明实现了限制电流尖峰和模块输入均压，提高了变换器的可靠性，降低了成本。
1.一种多模块组合变换器，包括n个模块，n为大于1的自然数，每个模块均包括半桥直流变压器(I)，所述半桥直流变压器(I)包括电源电路、变换电路、主变压器和输出整流滤波电路，其中：变换电路包含两个功率开关管；主变压器包括原边绕组及第一和第二副边绕组；输出整流滤波电路包括两个二极管、滤波电容和负载，一个二极管的阳极连接主变压器第一副边绕组的同名端，另一个二极管的阳极连接主变压器第二副边绕组的异名端，两个二极管的阴极相连并连接滤波电容的一端和负载的一端，主变压器的第一副边绕组的异名端与第二副边绕组的同名端相连并连接滤波电容的另一端和负载的另一端，其特征在于：每个模块还包括电流峰值抑制及输入均压控制电路(II)和开关管驱动电路(III)，其中：电流峰值抑制及输入均压控制电路(II)包括迟滞比较器、反相器、单门限比较器、逻辑或门(OR)、控制开关管(Q3)、电阻(R9)和电压控制电压源(VCVS)及电流控制电压源(CCVS)，电压控制电压源(VCVS)连接在半桥直流变压器(I)的电源电路的正负输入端之间，电流控制电压源(CCVS)的电流输入端连接半桥直流变压器(I)的输出整流滤波电路的两个二极管的阴极，电流控制电压源(CCVS)的电流输出端连接滤波电容及负载的一端；第一参考基准电压(Vref1)接入迟滞比较器的同相输入端，迟滞比较器的反相输入端连接上述电流控制电压源(CCVS)以接入采样电压(Vt1)，迟滞比较器的输出端连接反相器的反相输入端，第二参考基准电压(Vref2)接入单门限比较器的反相输入端，单门限比较器的反相输入端还连接上述电压控制电压源(VCVS)以接入输入电压采样值(Vt2)，单门限比较器的同相输入端接地，单门限比较器的输出端和反相器的输出端均连接逻辑或门(OR)的输入端，逻辑或门(OR)的输出端连接控制开关管(Q3)的基极，控制开关管(Q3)的发射极连接反相器的同相输入端并接地，控制开关管(Q3)的集电极连接电阻(R9)的一端；
开关管驱动电路(III)包括驱动芯片(IC1)和软启动电容(C6)，驱动芯片(IC1)的软启动端分别连接软启动电容(C6)的一端和电阻(R9)的另一端，软启动电容(C6)的另一端连接驱动芯片(IC1)的地端并接地，驱动芯片(IC1)的驱动信号输出端SA和SB端分别与半桥直流变压器(I)的变换电路中的两个功率开关管的栅极连接；
其中：采样电压(Vt1)为滤波前的输出电流电压采样值。
2.一种基于权利要求1所述的多模块组合变换器的软启动控制方法，其特征在于：
在任意模块的半桥直流变压器(I)中，通过电压控制电压源(VCVS)得到输入电压采样值(Vt2)，将滤波前的输出电流通过电流控制电压源(CCVS)得到采样电压(Vt1)；采样电压(Vt1)与由第一参考基准电压(Vref1)确定的迟滞比较器的阀值比较：当采样电压(Vt1)高于上阀值(UT+)时，迟滞比较器输出负的低电平的第一基准电压(Vjz1)，然后通过反相器得到正的高电平的第三基准电压(Vjz3)并输出至逻辑或门(OR)，当采样电压(Vt1)低于下阀值(UT-)时，迟滞比较器输出正的高电平的第二基准电压(Vjz2)，然后通过反相器得到负的低电平的第四基准电压(Vjz4)并输出至逻辑或门(OR)；输入电压采样值(Vt2)与由第二参考基准电压(Vref2)确定的门限电平(UT)比较：当输入电压采样值(Vt2)低于门限电平(UT)时，单门限比较器输出高电平的第五基准电压(Vjz5)至逻辑或门(OR)，当输入电压采样值(Vt2)高于门限电平(UT)时，单门限比较器输出低电平的第六基准电压(Vjz6)至逻辑或门(OR)；只有当逻辑或门(OR)输入为第四基准电压(Vjz4)和第六基准电压(Vjz6)时，逻辑或门(OR)才输出低电平的第八基准电压(Vjz8)，否则输出高电平的第七基准电压(Vjz7)：当第七基准电压(Vjz7)加于控制开关管(Q3)的基极使之导通时，控制开关管(Q3)的集电极电压下降至控制开关管(Q3)的导通压降，得到第九基准电压(Vjz9)，即驱动芯片(IC1)上的软启动电容电压(Vc)下降至第九基准电压(Vjz9)，驱动芯片(IC1)停止输出驱动信号，模块关闭；当第八基准电压(Vjz8)加于控制开关管(Q3)的基极使之关断时，控制开关管(Q3)的集电极得到瞬态的第十基准电压(Vjz10)，即驱动芯片(IC1)上的软启动电容电压(Vc)又开始上升，当软启动电容电压(Vc)上升到第十基准电压(Vjz10)时，驱动芯片(IC1)再次启动，重新输出驱动信号，模块再次工作；
其中：模块由半桥直流变压器(I)、电流峰值抑制及输入均压控制电路(II)和开关管驱动电路(III)组成。
一种多模块组合变换器及其软启动控制方法
技术领域
[0001] 本发明涉及一种组合变换器，尤其涉及一种多模块输入串联输出并联组合变换器及其软启动控制方法，属于直直变换器控制领域。
背景技术
[0002] 随着全球温室效应的加剧、化石能源的日渐枯竭及电力电子技术的发展，以风力发电为代表的新能源得到越来越广泛的应用。
[0003] 风力并网发电由于风能不稳定，不可控，会对电网造成污染，因而成本较高。非并网风力发电可以将电能直接用于化工、冶炼等高耗能产业，这些产业用电具有直流负载特性，且负载电流一般较大。从风机发出的电流经过交流到直流变换，得到高压直流电以便传输，这样就需要能够承受输入高压和输出大电流的变换器。输入串联输出并联组合变换器可以满足这一要求，并且还有诸多优点：如模块化，开关管电压应力小，经济性和可靠性好等。模块选用结构简单，能够软开通的半桥直流变压器，通过多个模块的串联，可以根据输入电压和模块的耐压选择模块数量，具有很高的灵活性和通用性，同时输出功率是各个模块的和，保证了输出的稳定。
[0004] 半桥变换器有较大的输出滤波电容以稳定输出电压，因而启动时电流尖峰很大，对开关管的冲击很大，可能会使开关管损坏。为了使电路可靠启动，不得不选择高功率等级的开关管，增加了电路的成本。现有组合变换器由于模块各参数不可能一致，会有模块先启动，此模块由于率先向副边供电而导致输入电压降低，同时其他未启动的模块输入电压升高，可能会因为电压过高而损坏器件，降低了电路的可靠性。
发明内容
[0005] 本发明要解决的技术问题是：在以半桥直流变压器为基础的多模块输入串联输出并联组合变换器的基础上提出一种可靠性高成本低的加入软启动控制电路的组合变换器及其软启动控制方法。
[0006] 一种多模块组合变换器，包括n个模块，n为大于1的自然数，每个模块均包括半桥直流变压器，所述半桥直流变压器包括电源电路、变换电路、主变压器和输出整流滤波电路，其中：变换电路包含两个功率开关管，输出整流滤波电路包括两个二极管、滤波电容和负载，每个模块还包括电流峰值抑制及输入均压控制电路和开关管驱动电路，其中：电流峰值抑制及输入均压控制电路包括迟滞比较器、反相器、单门限比较器、逻辑或门、控制开关管、电阻和电压控制电压源及电流控制电压源，电压控制电压源连接在半桥直流变压器的电源电路的正负输入端之间，电流控制电压源的电流输入端连接半桥直流变压器的输出整流滤波电路的两个二极管的阴极，电流控制电压源的电流输出端连接滤波电容及负载的一端；第一参考基准电压接入迟滞比较器的同相输入端，迟滞比较器的反相输入端连接上述电流控制电压源以接入采样电压，迟滞比较器的输出端连接反相器的反相输入端，第二参考基准电压接入单门限比较器的反相输入端，单门限比较器的反相输入端还连接上述电压控制电压源以接入输入电压采样值，单门限比较器的同相输入端接地，单门限比较器的输出端和反相器的输出端均连接逻辑或门的输入端，逻辑或门的输出端连接控制开关管的基极，控制开关管的发射极连接反相器的同相输入端并接地，控制开关管的集电极连接电阻的一端；开关管驱动电路包括驱动芯片和软启动电容，驱动芯片的软启动端分别连接软启动电容的一端和电阻的另一端，软启动电容的另一端连接驱动芯片的地端并接地，驱动芯片的驱动信号输出端SA和SB端分别与半桥直流变压器的变换电路中的两个功率开关管的栅极连接；其中：采样电压为滤波前的输出电流电压采样值。
[0007] 一种基于上述多模块组合变换器的软启动控制方法：在任意模块的半桥直流变压器中，通过电压控制电压源得到输入电压采样值，将滤波前的输出电流通过电流控制电压源得到采样电压；采样电压与由第一参考基准电压确定的迟滞比较器的阀值比较：当采样电压高于上阀值时，迟滞比较器输出负的低电平的第一基准电压，然后通过反相器得到正的高电平的第三基准电压并输出至逻辑或门，当采样电压低于下阀值时，迟滞比较器输出正的高电平的第二基准电压，然后通过反相器得到负的低电平的第四基准电压并输出至逻辑或门；输入电压采样值与由第二参考基准电压确定的门限电平比较：当输入电压采样值低于门限电平时，单门限比较器输出高电平的第五基准电压至逻辑或门，当输入电压采样值高于门限电平时，单门限比较器输出低电平的第六基准电压至逻辑或门；只有当逻辑或门输入为第四基准电压和第六基准电压时，逻辑或门才输出低电平的第八基准电压，否则输出高电平的第七基准电压：当第七基准电压加于控制开关管的基极使之导通时，控制开关管的集电极电压下降至控制开关管的导通压降，得到第九基准电压，即驱动芯片上的软启动电容电压下降至第九基准电压，驱动芯片停止输出驱动信号，模块关闭；当第八基准电压加于控制开关管的基极使之关断时，控制开关管的集电极得到瞬态的第十基准电压，即驱动芯片上的软启动电容电压又开始上升，当软启动电容电压上升到第十基准电压时，驱动芯片再次启动，重新输出驱动信号，模块再次工作；其中：模块由半桥直流变压器、电流峰值抑制及输入均压控制电路和开关管驱动电路组成。
[0008] 本发明在电路启动后，当检测到模块输出电流瞬时值的采样电压高于给定迟滞比较器的上阀值或模块输入电压采样值低于给定门限电平时，模块控制开关管使驱动芯片的软启动电容放电，停止输出驱动信号，关闭模块，达到了启动时限制电流尖峰和模块输入均压的目的，从而提高了变换器的可靠性，还可以降低开关管的耐压等级，降低成本。
附图说明
[0009] 图1是本发明的多模块输入串联输出并联组合变换器电路原理图，图中主要标号名称：1#、2#、n#均为模块编号；I-半桥直流变压器；II-电流峰值抑制及输入均压控制电路；III-开关管驱动电路；Uin-变换器总输入直流电压；Uin1-模块1#的输入电压；Vo-输出电压；Lr-变压器漏感；VCVS-电压控制电压源；CCVS-电流控制电压源；Is-滤波前的输出电流；Vt1-采样电压；Vt2-输入电压采样值；Vref1、Vref2分别为第一和第二参考基准电压；电阻R1、R2、R3和运算放大器A1构成迟滞比较器；电阻R4、R5和运算放大器A2构成反相器；电阻R6、R7、R8、稳压管UD和运算放大器A3构成单门限比较器；OR-逻辑或门；Q3-控制开关管；Vc-软启动电容电压；C6-软启动电容；IC1-驱动芯片。
[0010] 图2是普通半桥变换器启动过程的主要波形仿真图。
[0011] 图3是本发明组合变换器启动过程的主要波形仿真图。
具体实施方式
[0012] 如图1所示，多模块输入串联输出并联组合变换器包括n个模块，n为大于1的自然数，每个模块是由具有软开关功能的半桥直流变压器I、电流峰值抑制及输入均压控制电路II和开关管驱动电路III组成，所述半桥直流变压器I包括电源电路、变换电路、主变压器和输出整流滤波电路，变换电路包含两个功率开关管Q1和Q2，输出整流滤波电路包括两个二极管D3和D4、滤波电容C5和负载R1，电流峰值抑制及输入均压控制电路II和开关管驱动电路III构成模块的软启动控制电路，其中：电流峰值抑制及输入均压控制电路II包括迟滞比较器、反相器、单门限比较器、逻辑或门OR、控制开关管Q3、电阻R9和电压控制电压源VCVS及电流控制电压源CCVS，迟滞比较器由电阻R1、R2、R3和运算放大器A1构成，反相器由电阻R4、R5和运算放大器A2构成，单门限比较器由电阻R6、R7、R8、稳压管UD和运算放大器A3构成，第一参考基准电压Vref1接入迟滞比较器的同相输入端，迟滞比较器的反相输入端通过电阻R3连接半桥直流变压器I中的电流控制电压源CCVS以接入采样电压Vt1，迟滞比较器的输出端通过电阻R4连接反相器的反相输入端，第二参考基准电压Vref2接入单门限比较器的反相输入端，单门限比较器的反相输入端还通过电阻R8连接半桥直流变压器I中的电压控制电压源VCVS以接入输入电压采样值Vt2，单门限比较器的同相输入端通过电阻R6接地，单门限比较器的输出端和反相器的输出端均连接逻辑或门OR的输入端，逻辑或门OR的输出端连接控制开关管Q3的基极，控制开关管Q3的发射极连接反相器的同相输入端并接地，控制开关管Q3的集电极连接电阻R9的一端；开关管驱动电路III包括驱动芯片IC1和软启动电容C6，驱动芯片IC1的软启动端分别连接软启动电容C6的一端和电阻R9的另一端，软启动电容C6的另一端连接驱动芯片IC1的地端并接地，驱动芯片IC1通过SA端和SB端分别输出驱动信号S1和S2到半桥直流变压器I中的功率开关管Q1和Q2的驱动栅极，两个驱动信号相位差180度。所述电压控制电压源VCVS连接在半桥直流变压器I的电源电路的正负输入端之间；所述电流控制电压源CCVS的电流输入端连接二极管D3和D4的阴极，其电流输出端连接滤波电容C5和负载R1的一端；所述驱动芯片采用SG3525。
[0013] 在多模块输入串联输出并联组合变换器的基本模块即半桥直流变压器的基础上加入电流峰值抑制及输入均压控制电路，能够降低变换器启动时的电流尖峰，可以有效保护电路并实现启动时各模块输入电压的均压，具体的软启动控制方法如下：
[0014] 在任意模块的半桥直流变压器I中，通过电压控制电压源VCVS得到输入电压采样值Vt2，通过电流控制电压源CCVS在半桥直流变压器I的输出整流滤波电路中采样到启动后的瞬时电流Is(滤波前的输出电流)，并将其转化为等值的采样电压Vt1；采样电压Vt1与由第一参考基准电压Vref1确定的迟滞比较器的阀值比较：当采样电压Vt1高于上阀值UT+时，迟滞比较器输出负的低电平的第一基准电压Vjz1，然后通过反相器得到正的高电平的第三基准电压Vjz3并输出至逻辑或门OR，当采样电压Vt1低于下阀值UT-时，迟滞比较器输出正的高电平的第二基准电压Vjz2，然后通过反相器得到负的低电平的第四基准电压Vjz4并输出至逻辑或门OR，迟滞比较器的上阀值表示为：
下阀值表示为： 改变
第一参考基准电压Vref1可以改变限制电流峰值大小的阀值；输入电压采样值Vt2与由第二参考基准电压Vref2确定的门限电平UT比较：当输入电压采样值Vt2低于门限电平UT时，单门限比较器输出高电平的第五基准电压Vjz5至逻辑或门OR，当输入电压采样值Vt2高于门限电平UT时，单门限比较器输出低电平的第六基准电压Vjz6至逻辑或门OR，单门限比较器的门限电平表示为： 改变第二参考基准电压Vref2可以改变门
限比较器的门限电平值；只有当逻辑或门OR输入为第四基准电压Vjz4和第六基准电压Vjz6时，逻辑或门OR才输出低电平的第八基准电压Vjz8，否则输出高电平的第七基准电压Vjz7：当第七基准电压Vjz7加于控制开关管Q3的基极使之导通时，控制开关管Q3的集电极电压下降至控制开关管Q3的导通压降，得到第九基准电压Vjz9，即驱动芯片IC1上的软启动电容电压Vc下降至第九基准电压Vjz9，驱动芯片IC1停止输出驱动信号，模块关闭；
当第八基准电压Vjz8加于控制开关管Q3的基极使之关断时，控制开关管Q3的集电极得到瞬态的第十基准电压Vjz10，即驱动芯片IC1上的软启动电容电压Vc又开始上升，当软启动电容电压Vc上升到第十基准电压Vjz10时，驱动芯片IC1再次启动，重新输出驱动信号，模块再次工作，从而达到限制电流峰值的目的；所述模块由半桥直流变压器I、电流峰值抑制及输入均压控制电路II和开关管驱动电路III组成。
[0015] 当模块输入电压采样信号Vt2低于由第二参考基准电压Vref2决定的门限比较器的门限电平UT时，逻辑或门OR输出第七基准电压Vjz7，此时无论反相器输出如何，驱动芯片IC1关闭，即关闭此先开通的模块，直至该模块输入电压上升到门限电平UT，这样可以使启动过程中各模块输入电压保持在不影响变换器安全工作的范围内。
[0016] 在半桥直流变压器I的输出整流滤波电路中滤波电容C5较大，电容电压达到额定的输出电压需要一定的电量，即如式dQ＝Cdu，因而造成了滤波电容C5需要一定的电量才能使电路完全启动；加入电流峰值抑制及输入均压控制电路II后，将会使电流减小，并且驱动芯片IC1的关断导致驱动信号的缺失，使启动时电流尖峰的密度减小，因而启动的过程大为变长。图2是普通半桥变换器启动过程的主要波形仿真图，从图中可见，模块输出电流峰值超过310A，折算到原边的开关管要承受超过100A的峰值电流，这对开关管的选择提出很高的要求，降低了经济性；图3是本发明组合变换器启动过程的主要波形仿真图，从图中可见，输出电流峰值低于130A，折算到原边仅有42A，大大降低了开关管的耐压等级，提高了电路的可靠性和经济性。
