CN106059299B - 一种变换电路、变压器以及变换方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种变换电路、变压器以及变换方法，所述变换电路包括：用于储存和释放电能的第一充放电单元，第二充放电单元，第三充放电单元；第一充放电单元具有第一连接端，第二充放电单元具有第二连接端；逆导开关单元，具有第三连接端和若干逆导开关，通过各所述逆导开关的导通和关闭控制实现：第一连接端到第二连接端的升压；第二连接端到第一连接端的降压；第二连接端到第三连接端的电压逆变；二极管单元，配合逆导开关单元实现第二连接端到所述第一连接端的降压。本发明中通过各逆导开关的导通和关闭控制实现升压变换，逆变以及降压变换，支持三种基本类型的功率变换。

Description

一种变换电路、变压器以及变换方法

技术领域

本发明涉及电力电子变换技术领域，特别是涉及直流变换电路技术领域，具体为一种变换电路、变压器以及变换方法。

背景技术

随着可再生能源技术的发展，分布直流发电与输电技术也得到了长足的发展，尤其多端直流输电与供电技术，更是如此，为此需要设计连接多种直流电源的转换电路，以便适合不同的直流电压等级。

直流电源可以直接连接直流负载，也可以连接逆变器，包括单相逆变器和三相逆变器。直流变换器包括很多种类型，对于不隔离类型的直流变换器，包括升压变换器和降压变换器等。

在大多数情况下，每种功率变换器作为单独的功率变换器独立运行，造成整体利用率偏低，成本过高，管理费用增加，为此可以综合现有基本功率变换器电路结构，借助开关优化组合和适当的调制策略，设计出电路结构简单的多种功能的功率变换器，取代原有的多个变换器。经过对分布直流发电与供电领域多功能功率变换电路的检索，发现代表性文献主要是关于双向DC-DC变换器，虽然能够实现双向功率流，但是双向升压与双向降压功能较为单一，大都不含逆变功能，而逆变器是一种常见的直流负载；

综合以上，对多功能功率变换电路现有电路结构的检索发现，目前阶段需要推出集成有降压、升压和逆变功能的新型功率变换电路，结构简单，功能齐全和成本低廉。

发明内容

鉴于以上所述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种变换电路、变压器以及变换方法，用于解决现有技术中的具有升压或降压的直流变换电路中没有逆变功能的问题。

为实现上述目的，本发明提供一种变换电路，所述变换电路包括：第一充放电单元，用于储存和释放电能并具有第一连接端；第二充放电单元，用于储存和释放电能并具有第二连接端；第三充放电单元，连接于所述第一充放电单元和所述第二充放电单元之间，用于储存和释放电能；逆导开关单元，连接于所述第二充放电单元和所述第三充放电单元之间并具有第三连接端和若干逆导开关，通过各所述逆导开关的导通和关闭控制实现：所述第一充放电单元向所述第三充放电单元放电并在所述第三充放电单元充电后由所述第三充放电单元向所述第二充电单元放电以实现所述第一连接端到所述第二连接端的升压；所述第二充放电单元向所述第三充放电单元放电并在所述第三充放电单元充电后由所述第三充放电单元向所述第一充电单元放电以实现所述第二连接端到所述第一连接端的降压；所述第三连接端输出电压的极性变化以实现所述第二连接端到所述第三连接端的电压逆变；二极管单元，一端连接于所述第三充放电单元和所述逆导开关单元之间，另一端连接于所述第一连接端和所述第二连接端，用于配合所述逆导开关单元实现所述第二连接端到所述第一连接端的降压。

于本发明的一实施例中，所述第一充放电单元包括用于存储和释放电能的第一电容；所述第二充放电单元包括用于存储和释放电能的第二电容，所述第三充放电单元包括用于储存和释放电能的电感；所述二极管单元包括一个二极管。

于本发明的一实施例中，所述第一电容的正极端和负极端分别形成所述第一连接端的正极端和所述第一连接端的负极端；所述第二电容的正极端和负极端分别形成所述第二连接端的正极端和所述第二连接端的负极端；所述电感的第一端与所述第一电容的正极端相连，所述电感的第二端经所述逆导开关单元后与所述第二电容的正极端相连；所述第一电容的负极端与所述第二电容的负极端相连；所述二极管的阴极与所述电感的第二端相连，所述二极管的阳极连接于所述第一电容的负极端与所述第二电容的负极端之间。

于本发明的一实施例中，所述逆导开关单元包括由第一绝缘栅双极型晶体管和第一二极管构成的第一逆导开关、由第二绝缘栅双极型晶体管和第二二极管构成的第二逆导开关以及由第三绝缘栅双极型晶体管和第三二极管构成的第三逆导开关；其中，所述第一绝缘栅双极型晶体管的集电极、所述第一二极管的阴极与所述第二电容的阳极相连；所述第二绝缘栅双极型晶体管的发射极、所述第二二极管的阳极与所述第二电容的阳极相连；所述第三绝缘栅双极型晶体管的发射极、所述第三二极管的阳极连接于所述第一电容的负极端与所述第二电容的负极端之间；所述第一绝缘栅双极型晶体管的发射极、所述第一二极管的阳极、所述第二绝缘栅双极型晶体管的集电极、所述第二二极管的阴极、所述第三绝缘栅双极型晶体管的集电极以及所述第三二极管的阳极相连后形成所述第三连接端的第一端。

于本发明的一实施例中，所述第二充放电单元还包括与所述第二电容串联的第三电容；连接于所述第二电容和所述第三电容之间线路的引出线形成所述第三连接端的第二端。

于本发明的一实施例中，所述第一绝缘栅双极型晶体管和所述第三绝缘栅双极型晶体管处于关闭状态，所述第二绝缘栅双极型晶体管处于导通状态时，所述第一电容向所述电感充电，在所述电感充电后，所述第一绝缘栅双极型晶体管、所述第三绝缘栅双极型晶体管以及所述第二绝缘栅双极型晶体管均处于关闭状态时，所述电感向所述第二电容放电，实现所述第一连接端到所述第二连接端的第一级升压；所述第一绝缘栅双极型晶体管和所述第三绝缘栅双极型晶体管处于导通状态，所述第二绝缘栅双极型晶体管处于关闭状态时，所述第二电容向所述电感充电，在所述电感充电后，所述第一绝缘栅双极型晶体管、所述第三绝缘栅双极型晶体管以及所述第二绝缘栅双极型晶体管均处于关闭状态时，所述电感向所述第一电容放电，实现所述第二连接端到所述第一连接端的第一级降压；所述第一绝缘栅双极型晶体管处于导通状态且所述第二绝缘栅双极型晶体管处于关闭状态时，所述第三连接端的第一端输出正电压，所述第一绝缘栅双极型晶体管处于关闭状态且所述第二绝缘栅双极型晶体管处于导通状态时，所述第三连接端的第一端输出负电压，所述第三连接端的第二端连接零电位参考电压，实现所述第二连接端到所述第三连接端的第一级电压逆变。

于本发明的一实施例中，所述逆导开关单元还包括由第四绝缘栅双极型晶体管和第四二极管构成的第四逆导开关、由第五绝缘栅双极型晶体管和第五二极管构成的第五逆导开关以及由第六绝缘栅双极型晶体管和第六二极管构成的第六逆导开关；其中，所述第四绝缘栅双极型晶体管的集电极、所述第四二极管的阴极与所述第二电容的阳极相连；所述第五绝缘栅双极型晶体管的发射极、所述第五二极管的阳极连接于所述第一电容的负极端与所述第二电容的负极端之间；所述第六绝缘栅双极型晶体管的发射极、所述第六二极管的阳极与所述二极管单元中的二极管的阴极、所述电感的第二端、所述第三绝缘栅双极型晶体管的发射极以及所述第三二极管的阳极连接；所述第四绝缘栅双极型晶体管的发射极、所述第四二极管的阳极、所述第五绝缘栅双极型晶体管的集电极、所述第五极管的阴极、所述第六绝缘栅双极型晶体管的集电极以及所述第六二极管的阴极相连后形成所述第三连接端的第二端。

于本发明的一实施例中，所述第四绝缘栅双极型晶体管和所述第六绝缘栅双极型晶体管处于关闭状态，所述第五绝缘栅双极型晶体管处于导通状态时，所述第一电容向所述电感充电，在所述电感充电后，所述第四绝缘栅双极型晶体管、所述第六绝缘栅双极型晶体管以及所述第五绝缘栅双极型晶体管均处于关闭状态时，所述电感向所述第二电容放电，实现所述第一连接端到所述第二连接端的第二级升压；所述第四绝缘栅双极型晶体管和所述第六绝缘栅双极型晶体管处于导通状态，所述第五绝缘栅双极型晶体管处于关闭状态时，所述第二电容向所述电感充电，在所述电感充电后，所述第四绝缘栅双极型晶体管、所述第六绝缘栅双极型晶体管以及所述第五绝缘栅双极型晶体管均处于关闭状态时，所述电感向所述第一电容放电，实现所述第二连接端到所述第一连接端的第二级降压；所述第四绝缘栅双极型晶体管处于导通状态且所述第五绝缘栅双极型晶体管处于关闭状态时，所述第三连接端的第一端输出正电压，所述第四绝缘栅双极型晶体管处于关闭状态且所述第五绝缘栅双极型晶体管处于导通状态时，所述第三连接端的第一端输出负电压，所述第三连接端的第二端连接零电位参考电压，实现所述第二连接端到所述第三连接端的第二级电压逆变。

为实现上述目的，本发明还提供一种变换器，所述变换器包括如上所述的变换电路。

为实现上述目的，本发明还提供一种变换方法，应用于包括第一充放电单元，第二充放电单元，第三充放电单元、逆导开关单元以及二极管单元的变换电路，所述变换方法包括：利用所述逆导开关单元中各逆导开关的导通和关闭控制所述第一充放电单元向所述第三充放电单元放电并在所述第三充放电单元充电后由所述第三充放电单元向所述第二充电单元放电以实现所述第一连接端到所述第二连接端的升压；利用所述二极管单元和所述逆导开关单元中各逆导开关的导通和关闭控制所述第二充放电单元向所述第三充放电单元放电并在所述第三充放电单元充电后由所述第三充放电单元向所述第一充电单元放电以实现所述第二连接端到所述第一连接端的降压；利用所述逆导开关单元中各逆导开关的导通和关闭控制所述第三连接端输出电压的极性变化以实现所述第二连接端到所述第三连接端的电压逆变。

如上所述，本发明的一种变换电路、变压器以及变换方法，具有以下有益效果：

1、本发明中通过各逆导开关的导通和关闭控制实现升压变换，逆变以及降压变换，支持三种基本类型的功率变换。

2、本发明中升压、降压及逆变三种基本功率变换共用部分电路结构，充分复用每个元器件的功能，电路结构简单，使用器件数量少，进一步简化功率电路设计和降低成本。

3、本发明中降压变换可以独立运行，也可以与逆变同时进行，升压变换可以独立运行，也可以与逆变同时进行，电路功能多样化和使用形式多样化，使用方便。

4、本发明适合作为分布直流发电和供电的接口电路，尤其多端直流供电系统，不同电源之间可以相互传递能量，适合各自不同的电压等级。

附图说明

图1显示为本发明的变换电路的原理框图。

图2显示为本发明的变换电路的结构示意图。

图3显示为本发明的变换电路的结构示意图。

元件标号说明

100 变换电路

101 第一充放电单元

102 第二充放电单元

103 第三充放电单元

104 逆导开关单元

105 二极管单元

具体实施方式

以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。

本实施例的目的在于提供提供一种变换电路、变压器以及变换方法，用于解决现有技术中的具有升压或降压的直流变换电路中没有逆变功能的问题。以下将详细阐述本实施例的一种变换电路、变压器以及变换方法的原理及实施方式，使本领域技术人员不需要创造性劳动即可理解本实施例的一种变换电路、变压器以及变换方法。

本实施例提供一种变换电路，尤其是一种多功能功率变换电路，可以应用在分布直流发电与供电领域，实现升压、降压和逆变功率变换。

具体地，如图1所示，本实施例提供一种变换电路100，所述变换电路100包括：第一充放电单元101，第二充放电单元102，第三充放电单元103，逆导开关单元104以及二极管单元105。

其中，所述第一充放电单元101用于储存和释放电能并具有第一连接端；所述第二充放电单元102用于储存和释放电能并具有第二连接端；所述第三充放电单元103连接于所述第一充放电单元101和所述第二充放电单元102之间，用于储存和释放电能；所述逆导开关单元104连接于所述第二充放电单元102和所述第三充放电单元103之间并具有第三连接端和若干逆导开关，通过各所述逆导开关的导通和关闭控制实现升压、降压以及逆变。具体地，通过各所述逆导开关的导通和关闭控制实现：

1)所述第一充放电单元101向所述第三充放电单元103放电并在所述第三充放电单元103充电后由所述第三充放电单元103向所述第二充电单元放电以实现所述第一连接端到所述第二连接端的升压；

2)所述第二充放电单元102向所述第三充放电单元103放电并在所述第三充放电单元103充电后由所述第三充放电单元103向所述第一充电单元放电以实现所述第二连接端到所述第一连接端的降压；

3)所述第三连接端输出电压的极性变化以实现所述第二连接端到所述第三连接端的电压逆变。

所述二极管单元105一端连接于所述第三充放电单元103和所述逆导开关单元104之间，另一端连接于所述第一连接端和所述第二连接端，用于配合所述逆导开关单元104实现所述第二连接端到所述第一连接端的降压。

具体地，如图2所示，于本实施例中，所述第一充放电单元101包括用于存储和释放电能的第一电容E1；所述第二充放电单元102包括用于存储和释放电能的第二电容E2，所述第三充放电单元103包括用于储存和释放电能的电感L1；所述二极管单元105包括一个二极管D4。

于本实施例中，所述第一电容E1的正极端和负极端分别形成所述第一连接端的正极端P1和所述第一连接端的负极端N1；所述第二电容E2的正极端和负极端分别形成所述第二连接端的正极端P2和所述第二连接端的负极端N2；所述电感L1的第一端与所述第一电容E1的正极端相连，所述电感L1的第二端经所述逆导开关单元104后与所述第二电容E2的正极端相连；所述第一电容E1的负极端与所述第二电容E2的负极端相连；所述二极管D4的阴极与所述电感L1的第二端相连，所述二极管D4的阳极连接于所述第一电容E1的负极端与所述第二电容E2的负极端之间。

于本实施例中，如图2所示，所述逆导开关单元104包括由第一绝缘栅双极型晶体管S1和第一二极管D1构成的第一逆导开关、由第二绝缘栅双极型晶体管S2和第二二极管D2构成的第二逆导开关以及由第三绝缘栅双极型晶体管S3和第三二极管D3构成的第三逆导开关；其中，所述第一绝缘栅双极型晶体管S1的集电极、所述第一二极管D1的阴极与所述第二电容E2的阳极相连；所述第二绝缘栅双极型晶体管S2的发射极、所述第二二极管D2的阳极与所述第二电容E2的阳极相连；所述第三绝缘栅双极型晶体管S3的发射极、所述第三二极管D3的阳极连接于所述第一电容E1的负极端与所述第二电容E2的负极端之间；所述第一绝缘栅双极型晶体管S1的发射极、所述第一二极管D1的阳极、所述第二绝缘栅双极型晶体管S2的集电极、所述第二二极管D2的阴极、所述第三绝缘栅双极型晶体管S3的集电极以及所述第三二极管D3的阳极相连后形成所述第三连接端的第一端U。

具体地，于本实施例中，如图2所示，所述第二充放电单元102还包括与所述第二电容E2串联的第三电容E3；连接于所述第二电容E2和所述第三电容E3之间线路的引出线形成所述第三连接端的第二端V。

此时，所述变换电路100，包括三电容(第一电容E1、第二电容E2和第三电容E3)、一功率电感L1、三只逆导型开关以及一功率二极管D4。

第一电容E1、电感L1、第三二极管D3、第二绝缘栅双极型晶体管S2、第一二极管D1、第二电容E2和第三电容E3，形成升压电路，构成了典型的升压型DC-DC变换器，实现从第一连接端(P1N1)到第二连接端(P2N2)的升压。其中第三二极管D3与第一二极管D1相当于串联，第二电容E2与第三电容E3相当于串联，升压时，第三绝缘栅双极型晶体管S3与第一绝缘栅双极型晶体管S1始终处于关断状态。

第一电容E1、电感L1、二极管D4、第三绝缘栅双极型晶体管S3、第一绝缘栅双极型晶体管S1、第二电容E2和第三电容E3，形成降压电路，构成了典型的降压型DC-DC变换器，其中第三绝缘栅双极型晶体管S3与第一绝缘栅双极型晶体管S1相当于串联，降压时所述第二绝缘栅双极型晶体管S2始终处于关断状态。

第一绝缘栅双极型晶体管S1、第一二极管D1、第二绝缘栅双极型晶体管S2、第二二极管D2、第二电容E2和第三电容E3，构成一个逆导电路，其中第一绝缘栅双极型晶体管S1、第一二极管D1构成第一逆导开关，第二绝缘栅双极型晶体管S2、第二二极管D2构成第二逆导开关，第一逆导开关与第二逆导开关构成一个逆变桥臂，形成一个交流端子，第二电容E2与第三电容E3串联，构成第二逆变桥臂，形成另一个交流端子。

于本实施例中，所述第一绝缘栅双极型晶体管S1和所述第三绝缘栅双极型晶体管S3处于关闭状态，所述第二绝缘栅双极型晶体管S2处于导通状态时，所述第一电容E1向所述电感L1充电，在所述电感L1充电后，所述第一绝缘栅双极型晶体管S1、所述第三绝缘栅双极型晶体管S3以及所述第二绝缘栅双极型晶体管S2均处于关闭状态时，所述电感L1向所述第二电容E2放电，实现所述第一连接端(P1N1)到所述第二连接端(P2N2)的第一级升压。

所述升压电路完成由第一连接端到第二连接端的升压变换，此时降压电路需要停止工作，逆变电路可以同时工作，也可以停止工作。

在逆变电路停止工作时，使得逆变电路的第一绝缘栅双极型晶体管S1关断、第三绝缘栅双极型晶体管S3关断，第二绝缘栅双极型晶体管S2导通，电感L1电流上升和储存能量，能量来自第一电容E1。使得逆变电路的第一绝缘栅双极型晶体管S1关断、第三绝缘栅双极型晶体管S3关断、第二绝缘栅双极型晶体管S2关断，电感L1电流下降和释放能量，能量释放到串联的第二电容E2和第三电容E3，完成由第一连接端到第二连接端的升压变换。

在逆变电路同时工作时，当逆变电路的第二绝缘栅双极型晶体管S2导通且第一绝缘栅双极型晶体管S1关断时，使得第三绝缘栅双极型晶体管S3关断，电感L1电流上升和储存能量，能量来自第一电容E1。当使得逆变电路的第一绝缘栅双极型晶体管S1导通且第二绝缘栅双极型晶体管S2关断时，第三绝缘栅双极型晶体管S3关断，电感L1电流下降和释放能量，能量释放到串联的第二电容E2和第三电容E3，完成由第二连接端到第一连接端的升压变换。

所述第一绝缘栅双极型晶体管S1和所述第三绝缘栅双极型晶体管S3处于导通状态，所述第二绝缘栅双极型晶体管S2处于关闭状态时，所述第二电容E2向所述电感L1充电，在所述电感L1充电后，所述第一绝缘栅双极型晶体管S1、所述第三绝缘栅双极型晶体管S3以及所述第二绝缘栅双极型晶体管S2均处于关闭状态时，所述电感L1向所述第一电容E1放电，实现所述第二连接端到所述第一连接端的第一级降压。

所述降压电路完成由第二连接端到第一连接端的降压变换，此时升压电路需要停止工作，逆变电路可以同时工作，也可以停止工作。

在逆变电路停止工作时，使得逆变电路的第一绝缘栅双极型晶体管S1、降压电路的第三绝缘栅双极型晶体管S3导通，电感L1电流上升和储存能量，能量来自串联的第二电容E2和第三电容E3。使得逆变电路的第一绝缘栅双极型晶体管S1、第三绝缘栅双极型晶体管S3关断，电感L1电流下降和释放能量，能量释放到第一电容E1，完成由第二连接端到第一连接端的降压变换。

在逆变电路同时工作时，当逆变电路的第一绝缘栅双极型晶体管S1导通且第二绝缘栅双极型晶体管S2关断时，使得降压电路的第三绝缘栅双极型晶体管S3导通，电感L1电流上升和储存能量，能量来自串联的第二电容E2和第三电容E3。当使得逆变电路的第一绝缘栅双极型晶体管S1关断且第二绝缘栅双极型晶体管S2导通时，禁止降压电路的第三绝缘栅双极型晶体管S3导通，电感L1电流下降和释放能量，能量释放到第一电容E1，完成由第二连接端到第一连接端的降压变换。

所述第一绝缘栅双极型晶体管S1处于导通状态且所述第二绝缘栅双极型晶体管S2处于关闭状态时，所述第三连接端的第一端输出正电压，所述第一绝缘栅双极型晶体管S1处于关闭状态且所述第二绝缘栅双极型晶体管S2处于导通状态时，所述第三连接端的第一端输出负电压，所述第三连接端的第二端连接零电位参考电压，实现所述第二连接端到所述第三连接端的第一级电压逆变。

所述逆变电路完成由第二连接端到第三连接端的逆变，当使得第一绝缘栅双极型晶体管S1导通且第二绝缘栅双极型晶体管S2关断，第三连接端的交流端子U输出正电压，当使得第一绝缘栅双极型晶体管S1关断且第二绝缘栅双极型晶体管S2导通，第三连接端的交流端子U输出负电压，第三连接端的交流端子V输出零参考电压，通过调节调制度，可以改变交流输出电压uUV的基波有效值，实现由第二连接端输出的直流电压到第三连接端输出的交流电压的半桥逆变。其中，逆变电路工作时，根据需要，可以使得降压电路运行，或使得升压电路运行。

本实施例中，变换电路100的参数选取可参考如下：

第一连接端直流电压范围为100V-450V，第二连接端直流电压范围为385V-450V，第三连接端交流电压范围为单相220V，额定变换功率达到2.5kW以上。开关频率：25kHz；功率电感L1(L1)：390H，插件，在板安装；电解电容(E1)：450V，2200F，插件；电解电容(E2、E3)：330V，2200F，插件；功率二极管(D4)：600V，50A/100C，反向恢复时间小于20ns；逆导型开关(S1与D1、S2与D2、S3与D3)：600V，50A/100C，恢复时间小于20ns。

本实施例的变换电路100能够实现由第一连接端到第二连接端的升压变换，由第二连接端到第一连接端的降压变换，由第二连接端到第三连接端的逆变，而且在逆变的同时可以实现升压变换或降压变换，具有电路结构简单、使用器件数量少，简化功率电路设计和降低成本的优点。

此外，如图3所示，于本实施例中，所述逆导开关单元104还包括由第四绝缘栅双极型晶体管S4和第四二极管D4构成的第四逆导开关、由第五绝缘栅双极型晶体管S5和第五二极管D5构成的第五逆导开关以及由第六绝缘栅双极型晶体管S6和第六二极管D6构成的第六逆导开关；其中，所述第四绝缘栅双极型晶体管S4的集电极、所述第四二极管D4的阴极与所述第二电容E2的阳极相连；所述第五绝缘栅双极型晶体管S5的发射极、所述第五二极管D5的阳极连接于所述第一电容E1的负极端与所述第二电容E2的负极端之间；所述第六绝缘栅双极型晶体管S6的发射极、所述第六二极管D6的阳极与所述二极管单元105中的二极管的阴极、所述电感L1的第二端、所述第三绝缘栅双极型晶体管S3的发射极以及所述第三二极管D3的阳极连接；所述第四绝缘栅双极型晶体管S4的发射极、所述第四二极管D4的阳极、所述第五绝缘栅双极型晶体管S5的集电极、所述第五极管的阴极、所述第六绝缘栅双极型晶体管S6的集电极以及所述第六二极管D6的阴极相连后形成所述第三连接端的第二端V。

升压电路包括两级升压电路，由第一电容E1、电感L1、第三二极管D3、第二绝缘栅双极型晶体管S2、第一二极管D1、第二电容E2构成第一级升压电路，形成第一级升压型DC-DC变换器，第三绝缘栅双极型晶体管S3处于关断状态。由第一电容E1、电感L1、第六二极管D6、第五绝缘栅双极型晶体管S5、第四二极管D4、第二电容E2构成第二级升压电路，形成第二级升压型DC-DC变换器，第六绝缘栅双极型晶体管S6处于关断状态。

降压电路包括两级降压电路，由第一电容E1、电感L1、第三绝缘栅双极型晶体管S3、第一绝缘栅双极型晶体管S1、二极管D7，第二电容E2构成第一级降压电路，形成第一级降压型DC-DC变换器，第二绝缘栅双极型晶体管S2处于关断状态。由第一电容E1、电感L1、第六绝缘栅双极型晶体管S6、第四绝缘栅双极型晶体管S4、二极管D7，第二电容E2构成第二级降压电路，形成第二级降压型DC-DC变换器，第四绝缘栅双极型晶体管S4处于关断状态。

逆变电路由第一绝缘栅双极型晶体管S1与第一二极管D1构成的逆导型开关、第二绝缘栅双极型晶体管S2与第二二极管D2构成的逆导型开关、第四绝缘栅双极型晶体管S4与第四二极管D4、第五绝缘栅双极型晶体管S5与第五二极管D5构成的逆导型开关构成单相逆变桥，第二电容E2作为直流电压源。

于本实施例中，所述第四绝缘栅双极型晶体管S4和所述第六绝缘栅双极型晶体管S6处于关闭状态，所述第五绝缘栅双极型晶体管S5处于导通状态时，所述第一电容E1向所述电感L1充电，在所述电感L1充电后，所述第四绝缘栅双极型晶体管S4、所述第六绝缘栅双极型晶体管S6以及所述第五绝缘栅双极型晶体管S5均处于关闭状态时，所述电感L1向所述第二电容E2放电，实现所述第一连接端到所述第二连接端的第二级升压。

所述第四绝缘栅双极型晶体管S4和所述第六绝缘栅双极型晶体管S6处于导通状态，所述第五绝缘栅双极型晶体管S5处于关闭状态时，所述第二电容E2向所述电感L1充电，在所述电感L1充电后，所述第四绝缘栅双极型晶体管S4、所述第六绝缘栅双极型晶体管S6以及所述第五绝缘栅双极型晶体管S5均处于关闭状态时，所述电感L1向所述第一电容E1放电，实现所述第二连接端到所述第一连接端的第二级降压；所述第四绝缘栅双极型晶体管S4处于导通状态且所述第五绝缘栅双极型晶体管S5处于关闭状态时，所述第三连接端的第一端输出正电压，所述第四绝缘栅双极型晶体管S4处于关闭状态且所述第五绝缘栅双极型晶体管S5处于导通状态时，所述第三连接端的第一端输出负电压，所述第三连接端的第二端连接零电位参考电压，实现所述第二连接端到所述第三连接端的第二级电压逆变。

所述逆变电路完成由第二连接端到第三连接端的全桥逆变，可以同时使得降压电路运行，或使得升压电路工作。逆变电路采用双极性调制算法，第一绝缘栅双极型晶体管S1与第二绝缘栅双极型晶体管S2的开关状态互补，第三绝缘栅双极型晶体管S3与第四绝缘栅双极型晶体管S4的开关状态互补，相互之间开关状态切换时中间插入死区时间。第一绝缘栅双极型晶体管S1和/或第三绝缘栅双极型晶体管S3导通时，可以启动降压电路，实现降压变换。第二绝缘栅双极型晶体管S2和/或第四绝缘栅双极型晶体管S4导通时，可以启动升压电路，实现升压变换。通过调节零矢量(第一绝缘栅双极型晶体管S1与第三绝缘栅双极型晶体管S3同时导通、第二绝缘栅双极型晶体管S2与第四绝缘栅双极型晶体管S4同时导通)的比例，可以调节降压比和升压比，以此实现逆变同时实现升压或降压变换。

本实施例还提供一种变换器，所述变换器包括如上所述的变换电路100。上述已经对所述变换电路1001进行了详细描述，在此不再赘述。

本实施例还提供一种变换方法，应用于如图1至图3中包括第一充放电单元101，第二充放电单元102，第三充放电单元103、逆导开关单元104以及二极管单元105的变换电路100，所述变换方法包括：

步骤S1，利用所述逆导开关单元104中各逆导开关的导通和关闭控制所述第一充放电单元101向所述第三充放电单元103放电并在所述第三充放电单元103充电后由所述第三充放电单元103向所述第二充电单元放电以实现所述第一连接端到所述第二连接端的升压。

步骤S2，利用所述二极管单元105和所述逆导开关单元104中各逆导开关的导通和关闭控制所述第二充放电单元102向所述第三充放电单元103放电并在所述第三充放电单元103充电后由所述第三充放电单元103向所述第一充电单元放电以实现所述第二连接端到所述第一连接端的降压。

步骤S3，利用所述逆导开关单元104中各逆导开关的导通和关闭控制所述第三连接端输出电压的极性变化以实现所述第二连接端到所述第三连接端的电压逆变。

所述第一充放电单元101包括用于存储和释放电能的第一电容E1；所述第二充放电单元102包括用于存储和释放电能的第二电容E2，所述第三充放电单元103包括用于储存和释放电能的电感L1；所述二极管单元105包括一个二极管。所述变换电路100，包括三电容(第一电容E1、第二电容E2和第三电容E3)、一功率电感L1、三逆导型开关以及一功率二极管。

第一电容E1、电感L1、第三二极管D3、第二绝缘栅双极型晶体管S2、第一二极管D1、第二电容E2和第三电容E3，形成升压电路，构成了典型的升压型DC-DC变换器，实现从第一连接端到第二连接端的升压。其中第三二极管D3与第一二极管D1相当于串联，第二电容E2与第三电容E3相当于串联，升压时，第三绝缘栅双极型晶体管S3与第一绝缘栅双极型晶体管S1始终处于关断状态。

第一电容E1、电感L1、第四二极管D4、第三绝缘栅双极型晶体管S3、第一绝缘栅双极型晶体管S1、第二电容E2和第三电容E3，形成降压电路，构成了典型的降压型DC-DC变换器，其中第三绝缘栅双极型晶体管S3与第一绝缘栅双极型晶体管S1相当于串联，降压时所述第二绝缘栅双极型晶体管S2始终处于关断状态。

第一绝缘栅双极型晶体管S1、第一二极管D1、第二绝缘栅双极型晶体管S2、第二二极管D2、第二电容E2和第三电容E3，构成一个逆导电路，其中第一绝缘栅双极型晶体管S1、第一二极管D1构成第一逆导开关，第二绝缘栅双极型晶体管S2、第二二极管D2构成第二逆导开关，第一逆导开关与第二逆导开关构成一个逆变桥臂，形成一个交流端子，第二电容E2与第三电容E3串联，构成第二逆变桥臂，形成另一个交流端子。

综上所述，本发明中通过各逆导开关的导通和关闭控制实现升压变换，逆变以及降压变换，支持三种基本类型的功率变换；本发明中升压、降压及逆变三种基本功率变换共用部分电路结构，充分复用每个元器件的功能，电路结构简单，使用器件数量少，进一步简化功率电路设计和降低成本；本发明中降压变换可以独立运行，也可以与逆变同时进行，升压变换可以独立运行，也可以与逆变同时进行，电路功能多样化和使用形式多样化，使用方便；本发明适合作为分布直流发电和供电的接口电路，尤其多端直流供电系统，不同电源之间可以相互传递能量，适合各自不同的电压等级。所以，本发明有效克服了现有技术中的种种缺点而具高度产业利用价值。

上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，举凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本发明的权利要求所涵盖。

Claims (6)

1.一种变换电路，其特征在于：所述变换电路包括：

第一充放电单元，用于储存和释放电能并具有第一连接端；

第二充放电单元，用于储存和释放电能并具有第二连接端；

第三充放电单元，连接于所述第一充放电单元和所述第二充放电单元之间，用于储存和释放电能；

逆导开关单元，连接于所述第二充放电单元和所述第三充放电单元之间并具有第三连接端和若干逆导开关，通过各所述逆导开关的导通和关闭控制实现：

所述第一充放电单元向所述第三充放电单元放电并在所述第三充放电单元充电后由所述第三充放电单元向所述第二充放电单元放电以实现所述第一连接端到所述第二连接端的升压；

所述第二充放电单元向所述第三充放电单元放电并在所述第三充放电单元充电后由所述第三充放电单元向所述第一充放电单元放电以实现所述第二连接端到所述第一连接端的降压；

所述第三连接端输出电压的极性变化以实现所述第二连接端到所述第三连接端的电压逆变；

二极管单元，一端分别与所述第三充放电单元和所述逆导开关单元连接，另一端连接于所述第一连接端和所述第二连接端，用于配合所述逆导开关单元实现所述第二连接端到所述第一连接端的降压；

所述第一充放电单元包括用于存储和释放电能的第一电容；所述第二充放电单元包括用于存储和释放电能的第二电容和与所述第二电容串联的第三电容；所述第三电容的正极与所述第二电容的负极相连，共同形成所述第三连接端的第二端，所述第三电容的负极形成所述第二连接端的负极；所述第三充放电单元包括用于储存和释放电能的电感；所述二极管单元包括一个二极管；

所述逆导开关单元包括由第一绝缘栅双极型晶体管和第一二极管构成的第一逆导开关、由第二绝缘栅双极型晶体管和第二二极管构成的第二逆导开关以及由第三绝缘栅双极型晶体管和第三二极管构成的第三逆导开关；

其中，所述第一绝缘栅双极型晶体管的集电极、所述第一二极管的阴极与所述第二电容的正极相连；所述第二绝缘栅双极型晶体管的发射极、所述第二二极管的阳极分别与所述第一电容的负极、所述第三电容的负极相连；所述第三绝缘栅双极型晶体管的发射极、所述第三二极管的阳极分别与所述电感的第二端、所述二极管单元的二极管连接；

所述第一绝缘栅双极型晶体管的发射极、所述第一二极管的阳极、所述第二绝缘栅双极型晶体管的集电极、所述第二二极管的阴极、所述第三绝缘栅双极型晶体管的集电极以及所述第三二极管的阴极相连后形成所述第三连接端的第一端；

所述第一电容的正极和负极分别形成所述第一连接端的正极和所述第一连接端的负极；所述第二电容的正极和负极分别形成所述第二连接端的正极和所述第三连接端的第二端；所述电感的第一端与所述第一电容的正极相连，所述电感的第二端与所述逆导开关单元相连；所述第一电容的负极与所述第三电容的负极相连；所述二极管的阴极与所述电感的第二端相连，所述二极管的阳极连接于所述第一电容的负极与所述第三电容的负极之间。

2.根据权利要求1所述的变换电路，其特征在于：所述第一绝缘栅双极型晶体管和所述第三绝缘栅双极型晶体管处于关闭状态，所述第二绝缘栅双极型晶体管处于导通状态时，所述第一电容向所述电感充电，在所述电感充电后，所述第一绝缘栅双极型晶体管、所述第三绝缘栅双极型晶体管以及所述第二绝缘栅双极型晶体管均处于关闭状态时，所述电感向所述第二电容放电，实现所述第一连接端到所述第二连接端的第一级升压；

所述第一绝缘栅双极型晶体管和所述第三绝缘栅双极型晶体管处于导通状态，所述第二绝缘栅双极型晶体管处于关闭状态时，所述第二电容向所述电感充电，在所述电感充电后，所述第一绝缘栅双极型晶体管、所述第三绝缘栅双极型晶体管以及所述第二绝缘栅双极型晶体管均处于关闭状态时，所述电感向所述第一电容放电，实现所述第二连接端到所述第一连接端的第一级降压；

所述第一绝缘栅双极型晶体管处于导通状态且所述第二绝缘栅双极型晶体管处于关闭状态时，所述第三连接端的第一端输出正电压，所述第一绝缘栅双极型晶体管处于关闭状态且所述第二绝缘栅双极型晶体管处于导通状态时，所述第三连接端的第一端输出负电压，所述第三连接端的第二端连接零电位参考电压，实现所述第二连接端到所述第三连接端的第一级电压逆变。

3.一种变换电路，其特征在于：所述变换电路包括：

第一充放电单元，用于储存和释放电能并具有第一连接端；

第二充放电单元，用于储存和释放电能并具有第二连接端；

第三充放电单元，连接于所述第一充放电单元和所述第二充放电单元之间，用于储存和释放电能；

逆导开关单元，连接于所述第二充放电单元和所述第三充放电单元之间并具有第三连接端和若干逆导开关，通过各所述逆导开关的导通和关闭控制实现：

所述第一充放电单元向所述第三充放电单元放电并在所述第三充放电单元充电后由所述第三充放电单元向所述第二充放电单元放电以实现所述第一连接端到所述第二连接端的升压；

所述第二充放电单元向所述第三充放电单元放电并在所述第三充放电单元充电后由所述第三充放电单元向所述第一充放电单元放电以实现所述第二连接端到所述第一连接端的降压；

所述第三连接端输出电压的极性变化以实现所述第二连接端到所述第三连接端的电压逆变；

二极管单元，一端分别与所述第三充放电单元和所述逆导开关单元连接，另一端连接于所述第一连接端和所述第二连接端，用于配合所述逆导开关单元实现所述第二连接端到所述第一连接端的降压；

所述第一充放电单元包括用于存储和释放电能的第一电容；所述第二充放电单元包括用于存储和释放电能的第二电容，所述第三充放电单元包括用于储存和释放电能的电感；所述二极管单元包括一个二极管；

所述逆导开关单元包括由第一绝缘栅双极型晶体管和第一二极管构成的第一逆导开关、由第二绝缘栅双极型晶体管和第二二极管构成的第二逆导开关以及由第三绝缘栅双极型晶体管和第三二极管构成的第三逆导开关；

其中，所述第一绝缘栅双极型晶体管的集电极、所述第一二极管的阴极与所述第二电容的正极相连；所述第二绝缘栅双极型晶体管的发射极、所述第二二极管的阳极分别与所述第一电容的负极、所述第二电容的负极相连；所述第三绝缘栅双极型晶体管的发射极、所述第三二极管的阳极分别与所述电感的第二端、所述二极管单元的二极管连接；

所述第一绝缘栅双极型晶体管的发射极、所述第一二极管的阳极、所述第二绝缘栅双极型晶体管的集电极、所述第二二极管的阴极、所述第三绝缘栅双极型晶体管的集电极以及所述第三二极管的阴极相连后形成所述第三连接端的第一端；

所述第一电容的正极和负极分别形成所述第一连接端的正极和所述第一连接端的负极；所述第二电容的正极和负极分别形成所述第二连接端的正极和所述第二连接端的负极；

所述电感的第一端与所述第一电容的正极相连，所述电感的第二端与所述逆导开关单元相连，所述逆导开关单元与所述第二电容相连；所述第一电容的负极与所述第二电容的负极相连；所述二极管的阴极与所述电感的第二端相连，所述二极管的阳极连接于所述第一电容的负极与所述第二电容的负极之间；

所述逆导开关单元还包括由第四绝缘栅双极型晶体管和第四二极管构成的第四逆导开关、由第五绝缘栅双极型晶体管和第五二极管构成的第五逆导开关以及由第六绝缘栅双极型晶体管和第六二极管构成的第六逆导开关；

其中，所述第四绝缘栅双极型晶体管的集电极、所述第四二极管的阴极与所述第二电容的正极相连；所述第五绝缘栅双极型晶体管的发射极、所述第五二极管的阳极分别与所述第一电容的负极、所述第二电容的负极连接；所述第六绝缘栅双极型晶体管的发射极、所述第六二极管的阳极与所述二极管单元中的二极管的阴极、所述电感的第二端、所述第三绝缘栅双极型晶体管的发射极以及所述第三二极管的阳极连接；

所述第四绝缘栅双极型晶体管的发射极、所述第四二极管的阳极、所述第五绝缘栅双极型晶体管的集电极、所述第五二极管的阴极、所述第六绝缘栅双极型晶体管的集电极以及所述第六二极管的阴极相连后形成所述第三连接端的第二端。

4.根据权利要求3所述的变换电路，其特征在于：所述第四绝缘栅双极型晶体管和所述第六绝缘栅双极型晶体管处于关闭状态，所述第五绝缘栅双极型晶体管处于导通状态时，所述第一电容向所述电感充电，在所述电感充电后，所述第四绝缘栅双极型晶体管、所述第六绝缘栅双极型晶体管以及所述第五绝缘栅双极型晶体管均处于关闭状态时，所述电感向所述第二电容放电，实现所述第一连接端到所述第二连接端的第二级升压；

所述第四绝缘栅双极型晶体管和所述第六绝缘栅双极型晶体管处于导通状态，所述第五绝缘栅双极型晶体管处于关闭状态时，所述第二电容向所述电感充电，在所述电感充电后，所述第四绝缘栅双极型晶体管、所述第六绝缘栅双极型晶体管以及所述第五绝缘栅双极型晶体管均处于关闭状态时，所述电感向所述第一电容放电，实现所述第二连接端到所述第一连接端的第二级降压；

所述第四绝缘栅双极型晶体管处于导通状态且所述第五绝缘栅双极型晶体管处于关闭状态时，所述第三连接端的第二端输出正电压，所述第四绝缘栅双极型晶体管处于关闭状态且所述第五绝缘栅双极型晶体管处于导通状态时，所述第三连接端的第二端输出负电压，所述第三连接端的第一端连接零电位参考电压，实现所述第二连接端到所述第三连接端的第二级电压逆变。

5.一种变换器，其特征在于：所述变换器包括如权利要求1至权利要求4任一权利要求所述的变换电路。

6.一种变换方法，其特征在于：应用于包括第一充放电单元，第二充放电单元，第三充放电单元、逆导开关单元以及二极管单元的变换电路，所述变换方法包括：

利用所述逆导开关单元中各逆导开关的导通和关闭控制所述第一充放电单元向所述第三充放电单元放电并在所述第三充放电单元充电后由所述第三充放电单元向所述第二充放电单元放电以实现第一连接端到第二连接端的升压；

利用所述二极管单元和所述逆导开关单元中各逆导开关的导通和关闭控制所述第二充放电单元向所述第三充放电单元放电并在所述第三充放电单元充电后由所述第三充放电单元向所述第一充放电单元放电以实现所述第二连接端到所述第一连接端的降压；

利用所述逆导开关单元中各逆导开关的导通和关闭控制第三连接端输出电压的极性变化以实现所述第二连接端到第三连接端的电压逆变；

所述第一充放电单元包括用于存储和释放电能的第一电容；所述第二充放电单元包括用于存储和释放电能的第二电容和与所述第二电容串联的第三电容；所述第三电容的正极与所述第二电容的负极相连，共同形成所述第三连接端的第二端，所述第三电容的负极形成所述第二连接端的负极；所述第三充放电单元包括用于储存和释放电能的电感；所述二极管单元包括一个二极管；

所述逆导开关单元包括由第一绝缘栅双极型晶体管和第一二极管构成的第一逆导开关、由第二绝缘栅双极型晶体管和第二二极管构成的第二逆导开关以及由第三绝缘栅双极型晶体管和第三二极管构成的第三逆导开关；

其中，所述第一绝缘栅双极型晶体管的集电极、所述第一二极管的阴极与所述第二电容的正极相连；所述第二绝缘栅双极型晶体管的发射极、所述第二二极管的阳极分别与所述第一电容的负极、所述第三电容的负极相连；所述第三绝缘栅双极型晶体管的发射极、所述第三二极管的阳极分别与所述电感的第二端、所述二极管单元的二极管连接；

所述第一绝缘栅双极型晶体管的发射极、所述第一二极管的阳极、所述第二绝缘栅双极型晶体管的集电极、所述第二二极管的阴极、所述第三绝缘栅双极型晶体管的集电极以及所述第三二极管的阴极相连后形成所述第三连接端的第一端；

所述第一电容的正极和负极分别形成所述第一连接端的正极和所述第一连接端的负极；所述第二电容的正极和负极分别形成所述第二连接端的正极和所述第三连接端的第二端；所述电感的第一端与所述第一电容的正极相连，所述电感的第二端与所述逆导开关单元相连；所述第一电容的负极与所述第三电容的负极相连；所述二极管的阴极与所述电感的第二端相连，所述二极管的阳极连接于所述第一电容的负极与所述第三电容的负极之间。