CN104167916A - 一种多输出电平功率变换器 - Google Patents

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顾聪
王晓琳
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Abstract

本发明公开了一种多输出电平功率变换器。该变换器在一个开关周期内，利用一个谐振电感与多个储能电容发生谐振，藉此向储能电容进行储能。通过控制开关管的占空比来控制电容所储能量，从而实现多电平输出。通过切换开关，可以使负载上的供电电压瞬间改变。本发明只采用了一个很小的谐振电感，并且功率器件较少，拓扑简单，易于集成，非常适合稳态工作时需要不停切换供电电压的负载。

Description

一种多输出电平功率变换器
技术领域
本发明涉及功率变换器，尤其涉及一种多输出电平功率变换器。
背景技术
随着电力电子技术的发展，功率变换器得到越来越多的应用，如自动化控制、工业制造、家用电器等。例如对于电力传统系统，为了减小开关频率、提高控制精度、提高动态响应以及提高系统运行的可靠性，需要频繁切换系统的供电电压，切换频率甚至会达到kHz的级别。
传统的功率变换器一般为单输入单输出，调节输出电压需要在多个开关周期内完成，不能瞬间调节输出电压，在上述的需要频繁切换系统供电电压的场合，传统功率变换器不能满足其快速性的要求。 
采用多个功率变换器并联形式的功率变换器，可以解决功率变换器瞬间调压的问题，但是结构复杂、功率器件多，电容电感数量多，成本高。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是针对背景技术的缺陷，提供一种功率器件少、结构简单、成本低廉、快速调压的多输出电平功率变换器。
本发明为解决上述技术问题采用以下技术方案：
一种多输出电平功率变换器，包含电源、谐振电感、第一至第二开关管、第一至第三二极管、第一至第二输出端口、m个升压支路以及n个降压支路， m、n均为大于等于1的整数；
所述电源的阳极分别与第一开关管的漏极、第二开关管的源极、第三二极管的正极相连，阴极分别与第一二极管的正极、第二输出端口相连；
所述第一开关管的源极分别与第一二极管的负极、谐振电感的一端相连；
所述第二二极管的正极与谐振电感的另一端相连，负极分别与第二开关管的漏极、第三二极管的负极相连；
所述升压支路均包含一个升压开关管、一个升压储能电容和一个升压开关，其中，升压开关包含“1”端、“2”端、“3”端三个端口；升压开关管的漏极与所述第二二极管的负极相连，源极分别与升压储能电容的正极、升压开关的“1”端相连；升压储能电容的负极与所述电源的阴极相连；
所述降压支路均包含一个降压开关管、一个降压储能电容和一个降压开关，其中，降压开关包含“1”端、“2”端、“3”端三个端口；降压开关管的漏极与所述第二二极管的正极相连，源极分别与降压储能电容的正极、降压开关的“1”端相连；降压储能电容的负极与所述电源的阴极相连；
所述m个升压支路的升压开关、n个降压支路的降压开关通过其“3”端、“2”端依次串联，且首尾两端分别和第一输出端口、第二输出端口相连。
作为本发明一种多输出电平功率变换器进一步的优化方案，所述第一至第二开关管、升压开关管、降压开关管采用MOS管、三极管、IGBT中的任意一种。
本发明采用以上技术方案与现有技术相比，具有以下技术效果：
1. 能够利用一个功率变换器实现多种电平的输出，并且通过开关的控制可以使得负载上的供电电压实现瞬时的切换；
2. 通过对每个输出电平进行独立反馈控制，能够方便的获取期望电平值；
3. 本发明采用的功率变换器只使用了一个感值很小的谐振电感，采用空心电感即可实现，无需磁性元件，大大减小了体积重量，便于集成，并且提高了系统转换效率；
4. 本发明相比于采用并联型变换器的方式，采用了更少的功率器件，结构简单，控制容易，可靠性更高；
5. Ts、TL1至TLn为零开通，Tf为零关断，因此功率变换器的开关损耗仅为传统硬开关功率变换器的一半。
附图说明
图1为本发明所采用多输出电平功率变换器电路图；
图2为基本1*1阶两输出电平功率变换器电路图；
图3为基本1*1阶两输出电平功率变换器电感能量流向电压电平端模态图；
图4为基本1*1阶两输出电平功率变换器电感能量流向高压电平端模态图；
图5为基本1*1阶两输出电平功率变换器电感能量回馈模态图；
图6为基本1*1阶两输出电平功率变换器工作状态波形图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的技术方案做进一步的详细说明：
如图1所示， 本发明公开了一种多输出电平功率变换器，包含电源、谐振电感Ls、第一开关管Ts、第二开关管Tf、第一二极管D1、第二二极管D2、第三二极管D3、第一至第二输出端口、m个升压支路以及n个降压支路， m、n均为大于等于1的整数；
所述电源的阳极分别与第一开关管Ts的漏极、第二开关管Tf的源极、第三二极管D3的正极相连，阴极分别与第一二极管D1的正极、第二输出端口相连；
所述第一开关管Ts的源极分别与第一二极管D1的负极、谐振电感Ls的一端相连；
所述第二二极管D2的正极与谐振电感Ls的另一端相连，负极分别与第二开关管Tf的漏极、第三二极管D3的负极相连；
所述升压支路均包含一个升压开关管、一个升压储能电容和一个升压开关，其中，升压开关包含“1”端、“2”端、“3”端三个端口；升压开关管的漏极与所述第二二极管D2的负极相连，源极分别与升压储能电容的正极、升压开关的“1”端相连；升压储能电容的负极与所述电源的阴极相连；
所述降压支路均包含一个降压开关管、一个降压储能电容和一个降压开关，其中，降压开关包含“1”端、“2”端、“3”端三个端口；降压开关管的漏极与所述第二二极管D2的正极相连，源极分别与降压储能电容的正极、降压开关的“1”端相连；降压储能电容的负极与所述电源的阴极相连；
所述m个升压支路的升压开关THS1至THSm、n个降压支路的降压开关TLS1至TLSn通过其“3”端、“2”端依次串联，且首尾两端分别和第一输出端口、第二输出端口相连。
本发明的负载两端分别接第一输出端口、第二输出端口。
变换器阶数m和n可以根据实际情况灵活选取，例如，一个3*4阶的多输出电平功率变换器就包含3个低压电平和4个高压电。每个输出电平均采用一个独立的电压反馈控制。
图2所示为一个最基本的1*1阶两输出电平功率变换器。下面以此为例说明本发明所采用功率变换器的控制原理，在1*1阶两输出电平功率变换器中，开关THS1可以直接用一个二极管D4替代。 
图3为基本1*1阶两输出电平功率变换器电感能量流向电压电平端模态图。此时开关管Ts、TL1开通，电感Ls和电容CL1发生谐振，电源Vd向电容CL1储能。当电容CL1上的电压VCL1达到期望的电压值后，同时关闭Ts和TL1，Ls与CL1的谐振停止。通过控制Ts和TL1的占空比，即可控制输出电压VL1。
图4为基本1*1阶两输出电平功率变换器电感能量流向高压电平端模态图。 Ts和TL1均关断后，开关管Tf尚未开通，由于电感Ls上的电流不能突变，二极管D1 、D2 和D4被迫使导通，电感Ls与电容CH1发生谐振。电容CH1上的电压VH1开始从Vd增加。当VCH1达到期望的电压值后，开关管Tf导通，二极管D4被关断，Ls与CH1的谐振停止。通过控制开关管Tf的占空比，即可控制输出电压VH1。
图5为基本1*1阶两输出电平功率变换器电感能量回馈模态图。开关管Tf开通后，电感Ls上剩余的能量直接通过开关管Ts返回至电源。至此，一个开关周期结束。之后每个开关周期将重复第二步至第四步的过程。
图6为基本1*1阶两输出电平功率变换器工作状态波形图。详细描述了在一个开关周期内，开关管驱动信号、电容电压、电感电流的波形对应关系。其中t0至t1对应图3所示模态，t1至t2对应图4所示模态，t2至t3对应图5 所示模态，t3至t4为无动作模态，直到下一个开关周期开始。 
以上只是对本发明的优选实施方式进行了描述。对该技术领域的普通技术人员来说，根据以上实施方式可以很容易地联想到其它的优点和变形。因此，本发明并不局限于上述实施方式，其仅仅作为例子对本发明的一种形态进行详细、示范性的说明。在不背离本发明宗旨的范围内，本领域普通技术人员在本发明技术的方案范围内进行的通常变化和替换，都应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (2)

1. 一种多输出电平功率变换器，其特征在于，包含电源、谐振电感、第一至第二开关管、第一至第三二极管、第一至第二输出端口、m个升压支路以及n个降压支路， m、n均为大于等于1的整数；
所述电源的阳极分别与第一开关管的漏极、第二开关管的源极、第三二极管的正极相连，阴极分别与第一二极管的正极、第二输出端口相连；
所述第一开关管的源极分别与第一二极管的负极、谐振电感的一端相连；
所述第二二极管的正极与谐振电感的另一端相连，负极分别与第二开关管的漏极、第三二极管的负极相连；
所述升压支路均包含一个升压开关管、一个升压储能电容和一个升压开关，其中，升压开关包含“1”端、“2”端、“3”端三个端口；升压开关管的漏极与所述第二二极管的负极相连，源极分别与升压储能电容的正极、升压开关的“1”端相连；升压储能电容的负极与所述电源的阴极相连；
所述降压支路均包含一个降压开关管、一个降压储能电容和一个降压开关，其中，降压开关包含“1”端、“2”端、“3”端三个端口；降压开关管的漏极与所述第二二极管的正极相连，源极分别与降压储能电容的正极、降压开关的“1”端相连；降压储能电容的负极与所述电源的阴极相连；
所述m个升压支路的升压开关、n个降压支路的降压开关通过其“3”端、“2”端依次串联，且首尾两端分别和第一输出端口、第二输出端口相连。
2. 根据权利要求1所述的多输出电平功率变换器，其特征在于，所述第一至第二开关管、升压开关管、降压开关管采用MOS管、三极管、IGBT中的任意一种。
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