CN104993699A - 一种宽电压范围的双向多端口变换器 - Google Patents

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Abstract

本发明提供的宽电压范围的非隔离型双向多端口变换器，该双向多端口变换器有N个端口，N>2，其包括2N个开关管元件Q1、Q2、…、Q2N-1、Q2N，电感L1、L2、…、LN-1；其中，Q2n-1的集电极作为变换器的第n端口，Q2n-1的发射极连接Q2n的集电极，Q2n的发射极接地，其中n=1…N；电感的Ln一端连接Q2n-1的发射极，L1的另一端连接Q2n+1的发射极。本发明主要特点有：1.具有可扩展性，可由三端口扩展为N端口；2.电压调节范围宽；3.高效率；4.高功率密度，具有较强的实用性。

Description

一种宽电压范围的双向多端口变换器
技术领域
本发明涉及电力电子技术领域，尤其涉及实现宽电压范围的多端口变换器。
背景技术
多端口变换器，特别是三端口变换器，在航天领域、汽车电子领域、光伏系统领域等众多领域有着重要的应用。通常，多个端口只能向其中一个端口单方向传输能力，而除该端口以外的其他端口之间不能传递能量。
发明内容
为了解决现有技术中的问题，本发明提供了一种宽电压范围的双向多端口变换器。
本发明具体通过如下技术方案实现：
一种宽电压范围的非隔离型双向三端口变换器，包括开关管元件Q1、Q2、Q3、Q4、Q5、Q6，电感L1、L2；其中，Q1的集电极作为变换器的第一端口，Q1的发射极连接Q2的集电极，Q2的发射极接地；Q3的集电极作为变换器的第二端口，Q3的发射极连接Q4的集电极，Q4的发射极接地；Q5的集电极作为向变换器的第三端口，Q5的发射极连接Q6的集电极，Q6的发射极接地；电感的L1一端连接Q1的发射极，L1的另一端连接Q3的发射极，电感的L2一端连接Q3的发射极，L2的另一端连接Q5的发射极。
进一地，所述双向三端口变换器还包括滤波电容C1、C2、C3，其中，电容C1的一端连接第一端口，C1的另一端接地，电容C2的一端连接第二端口，C2的另一端接地，电容C3的一端连接第三端口，C3的另一端接地。
另一方面，本发明还提供了一种宽电压范围的非隔离型双向多端口变换器，该双向多端口变换器有N个端口，N>2，其包括2N个开关管元件Q1、Q2、…、Q2N-1、Q2N，电感L1、L2、…、LN-1；其中，Q2n-1的集电极作为变换器的第n端口，Q2n-1的发射极连接Q2n的集电极，Q2n的发射极接地，其中n=1…N；电感的Ln一端连接Q2n-1的发射极，L1的另一端连接Q2n+1的发射极。
进一地，所述双向多端口变换器还包括滤波容C1、C2、…、CN，其中，电容Cn的一端连接第n端口，Cn的另一端接地。
本发明的有益效果是：本发明提供的宽电压范围的非隔离型双向多端口变换器，该双向多端口变换器有N个端口，N>2，其包括2N个开关管元件Q1、Q2、…、Q2N-1、Q2N，电感L1、L2、…、LN-1；其中，Q2n-1的集电极作为变换器的第n端口，Q2n-1的发射极连接Q2n的集电极，Q2n的发射极接地，其中n=1…N；电感的Ln一端连接Q2n-1的发射极，L1的另一端连接Q2n+1的发射极。本发明主要特点有：1.   具有可扩展性，可由三端口扩展为N端口；2.电压调节范围宽；3.     高效率；4.高功率密度，具有较强的实用性。
附图说明
图1是基本的双向DC/DC变换器拓扑示意图；
图2是本发明的三双向端口变换器拓扑示意图；
图3是本发明的多双向端口变换器拓扑示意图。
具体实施方式
下面结合附图说明及具体实施方式对本发明进一步说明。
如附图1所示，基本的双向DC/DC变换器拓扑包括4个开关管元件Q1、Q2、Q3、Q4，Q1的集电极作为双向DC/DC变换器的第一端口，Q1的发射极连接Q2的集电极，Q2的发射极接地，Q3的集电极作为双向DC/DC变换器的第二端口，Q3的发射极连接Q4的集电极，Q4的发射极接地，电感的L1一端连接Q1的发射极，L1的另一端连接Q3的发射极。滤波电容C1的一端连接第一端口，C1的另一端接地，滤波电容C2的一端连接第二端口，C2的另一端接地。
在附图1的变换器上进行推演，得到本发明的非隔离型双向三端口变换器。如附图2所示，本发明的三双向端口变换器，包括6个开关管元件Q1、Q2、Q3、Q4、Q5、Q6，电感L1、L2，电容C1、C2、C3。Q1的集电极作为变换器的第一端口，Q1的发射极连接Q2的集电极，Q2的发射极接地。Q3的集电极作为变换器的第二端口，Q3的发射极连接Q4的集电极，Q4的发射极接地。Q5的集电极作为向变换器的第三端口，Q5的发射极连接Q6的集电极，Q6的发射极接地。电感的L1一端连接Q1的发射极，L1的另一端连接Q3的发射极，电感的L2一端连接Q3的发射极，L2的另一端连接Q5的发射极。滤波电容C1的一端连接第一端口，C1的另一端接地，滤波电容C2的一端连接第二端口，C2的另一端接地，滤波电容C3的一端连接第三端口，C3的另一端接地。
本发明的非隔离型双向三端口变换器由里六个开关管Q1~Q6、两个电感L1、L2，三个电容C1、C2、C3构成，该变换器的拓扑结构简单，使用少量的磁性器件就能得到宽范围的电压输出，并且易于扩展成多端口变换器。本发明主要特点有：1.    具有可扩展性，可由三端口扩展为N端口；2.电压调节范围宽；3.     高效率；4.高功率密度。
1、可扩展性
根据附图1所示的基本双向DC/DC变换器拓扑，进一步扩展可得到本发明的双向多端口变换器，如附图3所示。该双向多端口变换器有N个端口（N>2），包括2N个开关管元件Q1、Q2、…、Q2N-1、Q2N件，电感L1、L2、…、LN-1，电容C1、C2、…、CN。Q2n-1的集电极作为变换器的第n端口，Q2n-1的发射极连接Q2n的集电极，Q2n的发射极接地，其中n=1…N。电感的Ln一端连接Q2n-1的发射极，L1的另一端连接Q2n+1的发射极。滤波电容Cn的一端连接第n端口，Cn的另一端接地。
2、宽电压范围
设附图2中Q 1、Q 3、Q 5的占空比分别为d 1、d 3、d 5，则可得到本发明的三端口变换器的电压关系式：
V 1×d 1= V 2×d 3= V 3×d 5
根据上式可知，V 2和V 3的电压范围由V 1、d 1、d 3和d 5决定，以V 2为例：
V 2 = V 1×d 1 ÷d 3
占空比的取值范围为0至1，所以的V 2电压值可大于、小于或等于V 1，且可调节的范围很宽，V 3同理可得。
3、高效率
本发明的三端口变换器具有如附图1所示的基本双向DC/DC变换器同样的高效率特点。双向DC/DC变换器工作时，有一个开关管处于一直导通状态，一个开关管处于一直关断状态，剩余两个开关管在进行开关调节。在这种工作状态下只有两个开关管的损耗，变换器的效率非常高。对本发明的三端口变换器和多端口变换器的分析类似。同时，本发明的多端口使用的磁性原件少， 相应的磁性器件损耗减小，变换器的效率进一步提高。
4、高功率密度
以本发明的三端口变换器为例，只是用两个电感就实现了宽电压范围输出，能在相对小的体积上承载更高的功率，且变换器的效率高，使该拓扑具有高功率密度的特点。本发明的多端口变换器的分析同理。
以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换，都应当视为属于本发明的保护范围。

Claims (4)

1.一种宽电压范围的非隔离型双向三端口变换器，其特征在于：所述双向三端口变换器包括开关管元件Q1、Q2、Q3、Q4、Q5、Q6，电感L1、L2；其中，Q1的集电极作为变换器的第一端口，Q1的发射极连接Q2的集电极，Q2的发射极接地；Q3的集电极作为变换器的第二端口，Q3的发射极连接Q4的集电极，Q4的发射极接地；Q5的集电极作为向变换器的第三端口，Q5的发射极连接Q6的集电极，Q6的发射极接地；电感的L1一端连接Q1的发射极，L1的另一端连接Q3的发射极，电感的L2一端连接Q3的发射极，L2的另一端连接Q5的发射极。
2.根据权利要求1所述的双向三端口变换器，其特征在于：所述双向三端口变换器还包括滤波电容C1、C2、C3，其中，电容C1的一端连接第一端口，C1的另一端接地，电容C2的一端连接第二端口，C2的另一端接地，电容C3的一端连接第三端口，C3的另一端接地。
3.一种宽电压范围的非隔离型双向多端口变换器，其特征在于：所述双向多端口变换器有N个端口，N>2，所述双向多端口变换器包括2N个开关管元件Q1、Q2、…、Q2N-1、Q2N，电感L1、L2、…、LN-1；其中，Q2n-1的集电极作为变换器的第n端口，Q2n-1的发射极连接Q2n的集电极，Q2n的发射极接地，其中n=1…N；电感的Ln一端连接Q2n-1的发射极，L1的另一端连接Q2n+1的发射极。
4.根据权利要求3所述的双向三端口变换器，其特征在于：所述双向多端口变换器还包括滤波容C1、C2、…、CN，其中，电容Cn的一端连接第n端口，Cn的另一端接地。
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