阅读说明：本技术 一种输入端口数可调的模块化高增益整流电路 (A kind of adjustable modularization high-gain rectification circuit of input port number ) 是由 邾玢鑫 王慧慧 佘小莉 杨楠 李振华 黄悦华 于 2019-08-14 设计创作，主要内容包括：一种输入端口数可调的模块化高增益整流电路,该整流器包含一个输入电源,<I>m</I>个模块、<I>m</I>为偶数；第一个模块由<I>n</I>个电容<I>C</I><Sub>11</Sub>、<I>C</I><Sub>12</Sub>...<I>C</I><Sub>1<I>n</I></Sub>以及<I>n</I>个二极管D<Sub>11</Sub>、D<Sub>12</Sub>...D<Sub>1<I>n</I></Sub>构成；第二个模块由<I>n</I>个电容<I>C</I><Sub>21</Sub>、<I>C</I><Sub>22</Sub>...<I>C</I><Sub>2<I>n</I></Sub>以及<I>n</I>个二极管D<Sub>21</Sub>、D<Sub>22</Sub>...D<Sub>2<I>n</I></Sub>构成；……以此类推至第m-1模块,第m-1模块由<I>n</I>个电容<I>C</I><Sub> (<I>m</I>-1)1</Sub>、<I>C</I><Sub> (<I>m</I>-1)2</Sub>...<I>C</I><Sub> (<I>m</I>-1)<I>n</I>以及<I>n</I>个二极管D (<I>m</I>-1)1</Sub>、D<Sub> (<I>m</I>-1)2</Sub>...D<Sub> (<I>m</I>-1)<I>n</I></Sub>构成；第<I>m</I>个模块,第<I>m</I>个模块由<I>n</I>个电容<I>C</I><Sub><I>m</I>1</Sub>、<I>C</I><Sub><I>m</I>2</Sub>...<I>C</I><Sub><I>mn</I></Sub>以及<I>n</I>个二极管D<Sub><I>m</I>1</Sub>、D<Sub><I>m</I>2</Sub>...D<Sub><I>mn</I></Sub>构成。本发明一种输入端口数可调的模块化高增益整流电路,根据不用的应用场合,能灵活调整模块数,实现高增益输出、电流的自动均流、以及功率的均匀分配。(A kind of adjustable modularization high-gain rectification circuit of input port number, the rectifier include an input power, m A module, m For even number；First module by n A capacitor C 11 、 C 12 ... C 1 n And n A diode D 11 、D 12 ...D 1 n It constitutes；Second module by n A capacitor C 21 、 C 22 ... C 2 n And n A diode D 21 、D 22 ...D 2 n It constitutes；... and so on to m-1 module, m-1 module by n A capacitor C ( m ‑1)1 、 C ( m ‑1)2 ... C ( m ‑1) n And n A diode D ( m ‑1)1 、D ( m ‑1)2 ...D ( m ‑1) n It constitutes；The m A module, the m A module by n A capacitor C m 1 、 C m 2 ... C mn And n A diode D m 1 、D m 2 ...D mn It constitutes.Number of modules can be adjusted flexibly according to unused application in a kind of adjustable modularization high-gain rectification circuit of input port number of the present invention, realize evenly distributing for high-gain output, the automatic current equalizing of electric current and power.)

一种输入端口数可调的模块化高增益整流电路

技术领域

本发明涉及一种非隔离型整流电路，具体是一种输入端口数可调的模块化高增益整流电路。

背景技术

在芯片高压供电电源、超高压正离子的获取及其加速等需求下，自上世纪30年代起，高增益整流电路(Voltage Multiplier,VM)及其建模分析方法得到了广泛研究和发展。目前应用较多的主要有Cockcroft和Walton所提出的CW-VM电路及Luscher和Dickson所提出的D-VM电路，结构分别如说明书附图的图1、图2所示，两种电路均由一系列二极管和电容构成，具有效率高、成本低及结构简单等优点。但其输入功率因受限于半导体二极管的过流能力，而难以在大功率应用场合中的应用。

发明内容

为解决现有技术中大容量倍压整流电路难以构建的问题，本发明提供一种输入端口数可调的模块化高增益整流电路，根据不用的应用场合，能灵活调整模块数，实现高增益输出、电流的自动均流、以及功率的均匀分配。

本发明采取的技术方案为：

一种输入端口数可调的模块化高增益整流电路，该整流器包含一个输入电源，m个模块、m为偶数；

第一模块由n个电容C₁₁、C₁₂...C_1n以及n个二极管D₁₁、D₁₂...D_1n构成；

第二模块由n个电容C₂₁、C₂₂...C_2n以及n个二极管D₂₁、D₂₂...D_2n构成；

……

以此类推至第m-1模块，第m-1模块由n个电容C_(m-1)1、C_(m-1)2...C_(m-1)n以及n个二极管D_(m-1)1、D_(m-1)2...D_(m-1)n构成；

第m模块，第m个模块由n个电容C_m1、C_m2...C_mn以及n个二极管D_m1、D_m2...D_mn构成；

第一模块中，电容C₁₁一端接输入电源一端，电容C₁₁另一端分别连接二极管D₁₁的阴极、电容C₁₂一端，二极管D₁₁的阳极连接输入电源另一端；

电容C₁₂另一端分别连接二极管D₁₂的阴极、电容C₁₃一端，二极管D₁₂的阳极连接输入电源另一端；

电容C₁₃另一端分别连接二极管D₁₃的阴极、电容C₁₄一端，二极管D₁₃的阳极连接输入电源另一端；

……以此类推：

电容C_1(n-1)另一端分别连接二极管D_1(n-1)的阴极、电容C_1n一端，二极管D_1(n-1)的阳极连接输入电源另一端；

电容C_1n另一端连接二极管D_1n阴极，二极管D_1n阳极连接输入电源另一端；

第二模块中，

电容C₂₁一端接输入电源一端，电容C₂₁另一端分别连接二极管D₂₁的阴极、电容C₂₂一端，二极管D₂₁的阳极连接输入电源另一端；

电容C₂₂另一端分别连接二极管D₂₂的阴极、电容C₂₃一端，二极管D₂₂的阳极连接输入电源另一端；

……以此类推：

电容C_2(n-1)另一端分别连接二极管D_2(n-1)的阴极、电容C_2n一端，二极管D_2(n-1)的阳极连接输入电源另一端；

电容C_2n另一端连接二极管D_2n阴极，二极管D_2n阳极连接输入电源另一端；

……

以此类推，

第m-1模块中，

电容C_(m-1)1一端接输入电源一端，电容C_(m-1)1另一端分别连接二极管D_(m-1)1的阴极、电容C_(m-1)2一端，二极管D_(m-1)1的阳极连接输入电源另一端；

电容C_(m-1)2另一端分别连接二极管D_(m-1)2的阴极、电容C_(m-1)3一端，二极管D_(m-1)2的阳极连接输入电源另一端；

……以此类推，电容C_(m-1)(n-1)另一端分别连接二极管D_(m-1)(n-1)的阴极、电容C_(m-1)n一端，二极管D_(m-1)(n-1)的阳极连接输入电源另一端；

电容C_(m-1)n另一端连接二极管D_(m-1)n阴极，二极管D_(m-1)n阳极连接输入电源另一端；

第m模块中，

电容C_m1一端接输入电源一端，电容C_m1另一端分别连接二极管D_m1的阴极、电容C_m2一端，二极管D_m1的阳极连接输入电源另一端；

电容C_m2另一端分别连接二极管D_m2的阴极、电容C_m3一端，二极管D_m2的阳极连接输入电源另一端；

……以此类推，电容C_m(n-1)另一端分别连接二极管D_m(n-1)的阴极、电容C_mn一端，二极管D_m(n-1)的阳极连接输入电源另一端；

电容C_mn另一端连接二极管D_mn阴极，二极管D_mn阳极连接输入电源另一端；

各个模块之间连接如下：

第一模块中二极管D₁₁的阴极连接第二模块中二极管D₂₁的阳极，第二模块中二极管D₂₁的阴极连接第三模块中二极管D₃₁的阳极，……第m-1模块中二极管D_(m-1)1的阴极连接第m模块中二极管D_m1的阳极；

第一模块中二极管D₁₂的阴极连接第二模块中二极管D₂₂的阳极，第二模块中二极管D₂₂的阴极连接第三模块中二极管D₃₂的阳极，……第m-1模块中二极管D_(m-1)2的阴极连接第m模块中二极管D_m2的阳极；

……以此类推，

第一模块中二极管D_1n的阴极连接第二模块中二极管D_2n的阳极，第二模块中二极管D_2n的阴极连接第三模块中二极管D_3n的阳极，……第m-1模块中二极管D_(m-1)n的阴极连接第m模块中二极管D_mn的阳极；

电容C_m1一端与负载R_L的一端相连，负载R_L的另一端与电容C_mn一端相连。

本发明一种输入端口数可调的模块化高增益整流电路，技术效果如下：

1)、本发明利用输入端口数可调的模块化整流电路实现高增益输出，根据需求调整每个模块中二极管和电容的个数来提高增益。同时二极管的电压应力也得到了降低，提高了变换电路的工作效率。其中：

输入输出增益为(空载)：

二极管的电压应力为：

其中，m为模块数，n为模块中变压电路二次侧二极管及电容的数量。

2)、该变换电路多模块并联运行时可实现自动均流，变压电路的功率均分，无需传感电路和控制策略来保证均流。

3)、采用模块化结构实现高增益，省去了笨重而占体积的交流变压电路，缩小了系统体积，减少了系统成本，应用范围广泛，提高了变换电路的整体工作效率。

附图说明

下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明：

图1是CW-VM电路结构图。

图2是D-VM电路结构图。

图3是本发明电路原理总图。

图4是本发明电路为m＝4，n＝2的电路拓扑图。

图5(a)是负载为6400Ω的样机的电容C₁₁、C₂₁、C₃₁、C₄₁电压波形图。

图5(b)是负载为6400Ω的样机的电容C₁₂、C₂₂、C₃₂、C₄₂电压波形图。

图5(c)是负载为6400Ω的样机的电容C₁₁、C₂₁、C₃₁、C₄₁电压纹波图。

图5(d)是负载为6400Ω的样机的电容C₁₂、C₂₂、C₃₂、C₄₂电压纹波图。

图5(e)是负载为6400Ω的样机的输入电压u_in、输出电压u_o和纹波Δu_o、输出电流i_o波形图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步详细说明。

如图4所示，一种模块化高增益的4模块整流电路，包含一个输入电源，4个模块，负载R_L。第一模块由2个电容C₁₁、C₁₂及2个二极管D₁₁、D₁₂构成，第二模块由2个电容C₂₁、C₂₂及2个二极管D₂₁、D₂₂构成，第三模块由2个电容C₃₁、C₃₂及2个二极管D₃₁、D₃₂构成，第四模块由2个电容C₄₁、C₄₂及2个二极管D₄₁、D₄₂构成。该整流电路具体连接方式如下：

4个模块中，

第一模块，电容C₁₁一端引出，电容C₁₁的另一端接电容C₁₂的一端，电容C₁₁与电容C₁₂的节点接二极管D₁₁的阴极并引出，二极管D₁₁阳极引出，电容C₁₂的另一端接二极管D₁₂的阴极并引出，二极管D₁₂阳极引出；

第二模块，电容C₂₁一端引出，电容C₂₁的另一端接电容C₂₂的一端，电容C₂₁与电容C₂₂的节点接二极管D₂₁的阴极并引出，二极管D₂₁阳极引出，电容C₂₂的另一端接二极管D₂₂的阴极并引出，二极管D₂₂阳极引出；

第三模块，电容C₃₁一端引出，电容C₃₁的另一端接电容C₃₂的一端，电容C₃₁与电容C₃₂的节点接二极管D₃₁的阴极并引出，二极管D₃₁阳极引出，电容C₃₂的另一端接二极管D₃₂的阴极并引出，二极管D₃₂阳极引出；

第四模块，电容C₄₁一端引出，电容C₄₁的另一端接电容C₄₂的一端，电容C₄₁与电容C₄₂的节点接二极管D₄₁的阴极，D₄₁阳极引出，电容C₄₂的另一端接二极管D₄₂的阴极并引出，二极管D₄₂阳极引出。

各个模块之间连接关系：

第一模块，电容C₁₁一端接输入电源一端，二极管D₁₁的阴极接二极管D₂₁的阳极，二极管D₁₁阳极接输入电源另一端，二极管D₁₂的阳极接二极管D₄₁的阴极；

第二模块，电容C₂₁一端接输入电源另一端，二极管D₂₁的阴极接二极管D₃₁的阳极，二极管D₂₂的阴极接二极管D₃₂的阳极；

第三模块，电容C₃₁一端接输入电源一端，二极管D₃₁的阴极接二极管D₄₁的阳极，二极管D₃₂的阴极接二极管D₄₂的阳极；

第四模块，电容C₄₁一端接输入电源另一端，二极管D₄₁的阴极接二极管D₁₂的阳极；

最后，电容C₄₁一端和负载R_L的一端相连，负载R_L的另一端与电容C₄₂一端相连。

根据功率开关状态的不同，可以将电路分为三种工作状态：

(1)、初始时刻，当所有二极管都处于关断状态，负载由电容C₄₁和电容C₄₂供电。

(2)、当输入交流电处于正半轴时，输入电源通过电容C₁₁、二极管D₂₁、电容C₂₁形成回路，给电容C₂₁充电，给电容C₁₁放电，通过电容C₁₂和二极管D₂₂向电容C₂₂充电，给C₁₂放电；同时输入电源通过电容C₃₁、二极管D₄₁、电容C₄₁形成回路，向电容C₄₁充电，给C₃₁放电，通过电容C₃₂和二极管D₄₂向电容C₄₂充电，给C₃₂放电；二极管D₁₁、D₁₂、D₃₁、D₃₂均关断。

(3)、当输入交流电处于负半轴时，输入电源通过电容C₂₁、二极管D₃₁、电容C₃₁形成回路，向电容C₃₁充电，给电容C₂₁放电，通过电容C₂₂和二极管D₃₂向电容C₃₂充电，给C₂₂放电；同时输入电源通过电容C₄₁、二极管D₁₂、电容C₁₂形成回路，向电容C₁₂充电，给C₄₁放电，通过二极管D₁₁和电容C₁₁和，给C₁₁充电；二极管D₂₁、D₂₂、D₄₁、D₄₂均关断。

均流原理：

在稳态下，根据VM单元中电容C₁₂、C₂₂、C₃₂、C₄₂的一个周期内的充放电平衡，可知I_D42等于输出电流I₀，由于电容C₃₂的存在，流过二极管D₃₂上的电流I_D32等于I_D42，以此类推，第一支路上，流过二极管D₁₂上的电流I_D12等于输出电流I₀。同理，根据电容C₁₁、C₂₁、C₃₁、C₄₁的充放电平衡，其他支路流过二极管的电流也都等于输出电流I₀。在输入电压源的正半周期中，可以从公式(1)中得出每个输入端口的平均电流(以流入端口为正方向)。在输入电压负半周期中，输入端口的平均电流在公式(2)中给出。

同理，在输入电压的正半周期中，可以如公式(3)中得出每个电容的半个周期的平均电流(以电容放电为电容电流正方向)。在输入电压的负半周期中，可以通过公式(4)得出每个电容的平均电流。

将上述分析扩展到具有m个输入端口和n个VM单元的拓扑，半个周期内每个输入端口和电容的平均电流在公式(5)-公式(8)中给出。

在输入电压的正半周期，电容电流和输入电流平均值：

i_cij＝(-1)ⁱ⁺¹·(n+1-j)·I_o (6)

在输入电压的负半周期，电容电流和输入电流平均值：

i_cij＝(-1)ⁱ·(n+1-j)·I_o (8)

其中，i∈[1,m],j∈[1,n]。

实验参数：

交流输入电压源峰值和频率100V/1kHz，二极管型号为IDT12S60C，输入端口数m＝4，VM单元数n＝2，VM单元中的电容为10μF，负载滤波电容为50μF，负载阻值为6400Ω。实验波形如图5(a)、5(b)、5(c)、5(d)、5(e)所示，VM单元中电容两端的电压波形如图5(a)和5(b)所示，它们的电压有效值为：u_c11＝90.64V，u_c21＝171.7V，u_c31＝252.5V，u_c41＝341.5V，u_c12＝340.9V，u_c22＝332.4V，u_c32＝322.8V，u_c42＝319V。电容的电压纹波如图5(c)和5(d)所示，其中Δu_vm＝9.2V。输出电压波形如图5(e)所示，u_o＝658.6V。

相比于传统整流电路，本发明一种输入端口数可调的模块化高增益整流电路，输入输出电压增益高且可调，每个模块输入电流可自动均流，解决了多模块并联运行时均流复杂的问题，且二极管电压应力也得到了降低，提高了整流电路的工作效率。