CN107896058A - 非隔离多端口变换器 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种非隔离多端口变换器，所述非隔离多端口变换器是由三端口变换器以平面式、立体式或复合式扩展而得到的多端口变换器。发明非隔离多端口变换器的电压调节范围宽、功率密度和效率高，而且电感参数易于设计；适用于微电网、分布式电源等架构。

Description

非隔离多端口变换器
技术领域
本发明涉及多端口变换器技术领域，尤其涉及一种非隔离多端口变换器。
背景技术
在微电网、卫星电源、新能源汽车、充电桩等市场需求的带动下，多端口变换器，尤其是三端口变换器成为近几年电力电子行业关注和发展的重点。但是，目前的多端口变换器的电压调节范围不宽，功率密度和效率低。
发明内容
本发明提供一种电压调节范围宽、功率密度和效率高的非隔离多端口变换器。
为实现上述目的，本发明提供的一种非隔离多端口变换器，所述非隔离多端口变换器是由三端口变换器以平面式、立体式或复合式扩展而得到的多端口变换器。
其中，所述三端口变换器包括依次连接的第一端口支路、第二端口支路和第三端口支路，其中，所述第一端口支路的端口为能量输入端口，所述第二端口支路和第三端口支路的端口均为能量输出端口，所述第一端口支路与第二端口支路之间，以及所述第二端口支路与第三端口支路之间通过电感连接。
其中，所述第一端口支路、第二端口支路和第三端口支路均包括：两个MOS管和一电容，两个MOS管中的第一MOS管的漏极连接所述电容，第一MOS管的源极连接第二MOS管的漏极；所述第二MOSG的源极连接端口；连接各支路的电感的两端，对应连接在各支路的两MOS管之间。
其中，所述三端口变换器以平面式扩展而得到的多端口变换器为平面式扩展多端口变换器，所述平面式扩展多端口变换器包括所述三端口变换器，以及由所述三端口变换器的第三端口支路向外平面扩展的若干第n支路，其中n大于3，所述第三端口支路及各支路之间通过电感依次串联连接，每一第n支路的结构与所述第三端口支路相同。
其中，所述三端口变换器以立体式扩展而得到的多端口变换器为立体式扩展多端口变换器，所述立体式扩展多端口变换器包括：所述三端口变换器，以及由所述三端口变换器的第二端口支路向外立体扩展的若干第n支路，其中n大于3，各第n支路相互并联，且分别通过电感连接至所述第二端口支路的两个MOS管之间，每一第n支路的结构与所述第二端口支路相同。
其中，所述三端口变换器以复合式扩展而得到的多端口变换器为复合扩展多端口变换器，所述复合扩展多端口变换器包括若干所述平面式扩展多端口变换器，以及基于所述平面式扩展多端口变换器的立体式扩展多端口变换器
本发明的有益效果为：
1、电压调节范围宽；
2、电感参数易于设计；
3、高效率；
4、高功率密度；
5、适用于微电网、分布式电源等架构。
附图说明
图1是本发明非隔离双向三端口变换器示意图；
图2是本发明平面式扩展多端口变换器示意图；
图3是本发明立体式扩展多端口变换器示意图；
图4是本发明复合扩展多端口变换器示意图；
图5、图6及图7是本发明多端口变换器的功率流动关系比较示意图；
图8是以本发明立体式扩展多端口变换器为核心，建立的微电网结构示意图。
本发明目的的实现、功能特点及优点将结合实施例，参照附图做进一步说明。
具体实施方式
应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
如图1、图2、图3及图4所示，图1是本发明非隔离双向三端口变换器示意图；图2是本发明平面式扩展多端口变换器示意图；图3是本发明立体式扩展多端口变换器示意图；图4是本发明复合扩展多端口变换器示意图。
本发明提出一种非隔离多端口变换器，所述非隔离多端口变换器是由三端口变换器以平面式、立体式或复合式扩展而得到的多端口变换器。
其中，所述三端口变换器包括依次连接的第一端口支路、第二端口支路和第三端口支路，其中，所述第一端口支路的端口为能量输入端口，所述第二端口支路和第三端口支路的端口均为能量输出端口，所述第一端口支路与第二端口支路之间，以及所述第二端口支路与第三端口支路之间通过电感连接。
如图1所示，所述第一端口支路、第二端口支路和第三端口支路均包括：两个MOS管和一电容，两个MOS管中的第一MOS管的漏极连接所述电容，第一MOS管的源极连接第二MOS管的漏极；所述第二MOSG的源极连接端口；连接各支路的电感的两端，对应连接在各支路的两MOS管之间。
如图2所示，所述三端口变换器以平面式扩展而得到的多端口变换器为平面式扩展多端口变换器，所述平面式扩展多端口变换器包括所述三端口变换器，以及由所述三端口变换器的第三端口支路向外平面扩展的若干第n支路，其中n大于3，所述第三端口支路及各支路之间通过电感依次串联连接，每一第n支路的结构与所述第三端口支路相同。
如图3所示，所述三端口变换器以立体式扩展而得到的多端口变换器为立体式扩展多端口变换器，所述立体式扩展多端口变换器包括：所述三端口变换器，以及由所述三端口变换器的第二端口支路向外立体扩展的若干第n支路，其中n大于3，各第n支路相互并联，且分别通过电感连接至所述第二端口支路的两个MOS管之间，每一第n支路的结构与所述第二端口支路相同。
如图4所示，所述三端口变换器以复合式扩展而得到的多端口变换器为复合扩展多端口变换器，所述复合扩展多端口变换器包括若干所述平面式扩展多端口变换器，以及基于所述平面式扩展多端口变换器的立体式扩展多端口变换器。
相比现有技术，本发明非隔离多端口变换器的电压调节范围宽、功率密度和效率高，而且电感参数易于设计；适用于微电网、分布式电源等架构。
以下对本发明方案进行详细阐述：
本发明提出了立体式扩展多端口变换器和复合扩展多端口变换器，适用于微电网、分布式电源等应用。
具体地，基于对宽电压范围的非隔离双向三端口变换器的研究及推演，如图1所示，由三端口向更多端口进行了扩展，如图2所示。进一步研究该拓扑的特性，图2中多端口拓扑称之为平面式扩展多端口变换器，由此可推演出如图3所示宽电压范围非隔离多端口变换器，称之为立体式扩展多端口变换器，和图4所示拓扑，复合扩展多端口变换器。
图4所示的复合扩展多端口变换器即综合了平面和立体两种扩展方式得到的多端口变换器，其优缺点折中于单独的平面式扩展和立体式扩展多端口变换器。
该拓扑的主要特点有：
1、电压调节范围宽；
2、电感参数易于设计；
3、高效率；
4、高功率密度；
5、适用于微电网、分布式电源等架构。
详细说明如下：
1.宽电压范围
该变换器继承四开关双向变换器的优点，输入输出电压比大，即可实现宽电压范围。
对于图3，立体式扩展多端口变换器，电感L1至LN的一端均连接于P点，由伏秒平衡可知，该拓扑仍满足图2拓扑中得到的端口电压关系式：
V1×d1＝V2×d3＝...＝VN×d2N-1 (*)
2.高效率
端口间的能量变换仅需要经过两个磁性器件(电感)即可实现能量传递。
例如：端口一(即第一端口支路的端口)作为图2所示变换器和图3所示变换器的唯一能量输入端口，端口二至端口N(即第二端口支路至第n支路的端口)均为能量输出端口。则对于图2中的端口N，端口一的能量需要经过L1至LN-1才能传递至端口N，这一能量传输过程中必然存在逐级损耗。
对图3中的端口N，端口一的能量仅需要经过L1和LN-1即可传递至端口N，即仅进行了一级变换，减小了变换器的功率损耗。
3.变换器功率电感设计变得更为简单。
对于图2中平面式扩展多端口变换器，假设端口一为唯一的能量输入端口，端口二至端口N为能量输出端口，每个端口输出电流为IO2至ION，则根据状态平均方程可得：
则流经电感的电流平均值满足不等式：
可见，为满足各端口输出功率需求，电感L2流过电流的平均值至少所有端口输出电流的总和，同时，各端口支路对电感电流的纹波也有影响，这对变换器的设计增加了难度。
对于图3中立体式扩展多端口变换器，在同样输入输出情况下，输出端口的电感电流不再受其他端口影响，满足以下不等式：
故电感的设计得到大大的简化。
图3给出的立体式扩展多端口变换器，特别的，当端口二作为唯一的能量输入或者输出端口时，其他端口与端口二的能量变换仅需经过各自独立的电感，电感，类似于局域网中的星形结构，功率流动关系比较如图5、图6及图7所示，图5、图6及图7是本发明多端口变换器的功率流动关系比较示意图。
4.提高功率密度
通过2的分析可知，变换器能量转换过程损耗更小；通过3的分析可知，立体式扩展多端口变换器电感流过的电流明显小于平面式扩展多端口变换器，故提出的多端口变换器的关键磁性器件电感体积和重量都得到了减小。基于上述两点，使得变换器的功率密度得到提升。
5.适用于微电网、分布式电源等架构
微电网是一种由负荷和微电源共同组成的系统，可提高可再生能源利用率，促进节能减排。微电网内部的电源主要由电力电子器件负责能量的转换，并提供必要的控制。可同时满足用户对电能质量和供电安全方面的需求。
图8给出了以本发明提出的立体式扩展多端口变换器为核心，建立的微电网结构示意图，不同于以往的交流/直流母线的微电网架构，本文提出的架构在输入/输出接口均有一个斩波电路，能量通过电感电流的汇总实现能量共享。
相比现有技术，本发明非隔离多端口变换器的电压调节范围宽、功率密度和效率高，而且电感参数易于设计；适用于微电网、分布式电源等架构。
以上所述仅为本发明的优选实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构或流程变换，或直接或间接运用在其它相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。

Claims (6)

1.一种非隔离多端口变换器，其特征在于，所述非隔离多端口变换器是由三端口变换器以平面式、立体式或复合式扩展而得到的多端口变换器。
2.根据权利要求1所述的非隔离多端口变换器，其特征在于，所述三端口变换器包括依次连接的第一端口支路、第二端口支路和第三端口支路，其中，所述第一端口支路的端口为能量输入端口，所述第二端口支路和第三端口支路的端口均为能量输出端口，所述第一端口支路与第二端口支路之间，以及所述第二端口支路与第三端口支路之间通过电感连接。
3.根据权利要求2所述的非隔离多端口变换器，其特征在于，所述第一端口支路、第二端口支路和第三端口支路均包括：两个MOS管和一电容，两个MOS管中的第一MOS管的漏极连接所述电容，第一MOS管的源极连接第二MOS管的漏极；所述第二MOSG的源极连接端口；连接各支路的电感的两端，对应连接在各支路的两MOS管之间。
4.根据权利要求3所述的非隔离多端口变换器，其特征在于，所述三端口变换器以平面式扩展而得到的多端口变换器为平面式扩展多端口变换器，所述平面式扩展多端口变换器包括所述三端口变换器，以及由所述三端口变换器的第三端口支路向外平面扩展的若干第n支路，其中n大于3，所述第三端口支路及各支路之间通过电感依次串联连接，每一第n支路的结构与所述第三端口支路相同。
5.根据权利要求4所述的非隔离多端口变换器，其特征在于，所述三端口变换器以立体式扩展而得到的多端口变换器为立体式扩展多端口变换器，所述立体式扩展多端口变换器包括：所述三端口变换器，以及由所述三端口变换器的第二端口支路向外立体扩展的若干第n支路，其中n大于3，各第n支路相互并联，且分别通过电感连接至所述第二端口支路的两个MOS管之间，每一第n支路的结构与所述第二端口支路相同。
6.根据权利要求5所述的非隔离多端口变换器，其特征在于，所述三端口变换器以复合式扩展而得到的多端口变换器为复合扩展多端口变换器，所述复合扩展多端口变换器包括若干所述平面式扩展多端口变换器，以及基于所述平面式扩展多端口变换器的立体式扩展多端口变换器。
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