CN108768162A - 一种三端口直流转换器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种三端口直流转换器包括：至少一个输入直流电源，至少一个蓄电池，初级侧电路，次级侧电路，由所述初级侧电路和所述次级侧电路共享的第一单个磁性部件，其中，所述初级侧电路包括所述至少一个输入直流电源和所述至少一个蓄电池之间的连接，所述初级侧电路被配置为用作降压转换器，第二磁性部件，所述第二磁性部件串联耦合到所述第一单个磁性部件，其中所述第一和第二磁性部件被配置为执行升压，其中所述次级侧电路包括所述至少一个蓄电池与至少一个负载之间的连接，所述次级侧被配置为用作抽头升压转换器，其中所述三端口直流转换器被配置为以两种互斥的功率流配置操作。

Description

一种三端口直流转换器

技术领域

本发明涉及直流转换器技术领域，尤其涉及一种三端口直流转换器。

背景技术

太阳能是发展最快的可再生能源之一，主要是因为阳光是最丰富的能源，是无限的，清洁的和免费的。太阳能的主要优点是能量转化为零二氧化碳(CO2)排放。然而，主要缺点是，能源是间歇性的性质，因为它强烈地依赖于天气条件。为了克服这一限制，为了提供恒定的电源，经常需要储能元件。多输入转换器(MIC)拓扑解决了与单个电源转换器互连多个能源的问题。实现多输入功率系统的传统方法是使用不同的串联或并联的功率转换器互连元件。然而，由于多个转换级，缺点是功率密度低和效率低。解决方案是实现一个多部件转换器，它可以与可再生能源，存储元件和负载。

最近推出的三端口转换器(TPC)拓扑是基于减少能量处理和共享组件，并声称，以实现高效率和功率密度。TPC可以说具有较少的转换级，并且通常比采用几个独立的双端口转换器的解决方案效率更高。然而，在TPCS中，需要添加额外的开关以提供可控性和/或二极管来配置功率流路径，且TPC拓扑需要大量的半导体。

技术方案

本发明主要解决的技术问题是提供一种三端口直流转换器，包括：至少一个输入直流电源；至少一个蓄电池；初级侧电路，其具有所述至少一个输入直流电源和所述至少一个蓄电池之间的连接，所述初级侧电路被配置为用作降压转换器；次级侧电路，其具有所述至少一个蓄电池和至少一个负载之间的连接，所述次级侧被配置为用作升压转换器；和由所述初级侧电路和所述次级侧电路共享的单个磁性部件，其中所述三端口直流转换器被配置为以两种互斥的功率流配置操作。

可选的，单磁部件是由一次侧电路和二次侧电路共用的第一单个磁性部件；三端口直流转换器还包括串联连接到第一单个磁性部件、第一和第二磁性部件的第二磁性部件。被配置为执行电压升压的磁性部件；次级侧电路包括在至少一个蓄电池和至少一个负载之间的连接，次级侧被配置为作为抽头式升压转换器工作。

可选的，其中：第一单个磁性元件在第一功率流配置中调节初级侧电路的第一输出电压；第一和第二磁性元件在第二功率流配置中调节次级侧电路的第二输出电压。

可选的，其中第一输出电压低于第二输出电压。

可选的，其中，三端口直流转换器在第一功率流配置中作为电压降压和电流升压转换器工作。

本发明的有益效果是：本申请的直流变换器是为解决系统效率，特别是大功率系统的效率而提出的解决方案，它是一种将直流电能变换成负载所需的电压或电流可控的直流电能的电力电子装置。它通过对电力电子器件的快速通、断控制而把恒定直流电压斩成一系列的脉冲电压，通过控制占空比的变化来改变这一脉冲系列的脉冲宽度，以实现输出电压平均值的调节，再经输出滤波器滤波，在被控负载上得到电流或电压可控的直流电能。

实施例

下面对本发明的较佳实施例进行详细阐述，以使本发明的优点和特征能更易于被本领域技术人员理解，从而对本发明的保护范围做出更为清楚明确的界定。

本公开涉及一种用于三端口直流转换器的拓扑结构，包括：至少一个输入直流电源；至少一个蓄电池；初级侧电路；次级侧电路；由初级侧电路和S共享的第一单个磁性部件。第一侧电路包括至少一个输入直流电源和至少一个蓄电池之间的连接，配置为降压转换器工作的初级侧电路；串联连接到第一个的第二磁性元件；单个磁性部件，其中第一和第二磁性部件被配置为执行电压升压，其中次级侧电路包括在至少一个蓄电池和至少一个负载之间的连接，次级侧被配置为用作抽头。升压转换器，其中三端口直流转换器被配置为在两个互斥的功率流配置中工作。在目前公开的三端口直流转换器中，第一输出电压可以低于第二输出电压。优选地，转换器包括串联耦合到第一单个磁性部件的第二磁性部件，其中第一和第二磁性部件被配置为执行电压升压，其中次级侧电路包括至少一个ST之间的连接。ORAGE电池和至少一个负载，次级侧被配置为作为抽头升压转换器工作，其中三端口直流转换器被配置为以两个互斥的功率流配置操作。在一些照明应用中，需要将单个LED组合成阵列以形成LED灯。在这样的应用中，串联LED以避免电流中的不匹配引起LED亮度的差异可能是一个优点。此外，为了实现高发光效率，LED可以以低电流电平驱动，这增加了相同发光输出所需LED的数量。因此，为了驱动多个串联的LED，能够提供高升压的转换器可能是有用的。

此外，目前公开的三端口直流转换器可用于避免高占空比操作。本发明中的耦合磁性元件可用于避免当作为抽头升压转换器工作时的高占空比操作。占空比可以是例如低于0.7，或低于0.6，或低于0.5，或低于0.4，或低于0.3，或低于0.2，或低于0.1，并且可以说取决于输入电压和输出电压之间的所需比率。大的升压电压比可能需要来自耦合电感结构，以避免高占空比操作，这是可以实现的与目前公开的电路结构。由一次侧电路和二次侧电路共用的第一单个磁性部件和串联耦合到第一单个磁性部件的第二磁性部件在本公开的范围内也可以被解释为具有初级WiDi的一个磁性部件。NG L1A和次级绕组L1B，其中初级绕组由初级侧电路和次级侧电路共享，而初级绕组和次级绕组被配置为执行电压升压。

发明人已经认识到，特别是在路灯应用中，其中输入电源是太阳能，有优化传统的三端口转换器拓扑的空间。当有日光时，不需要路灯是活动的，因此三端口转换器可以作为降压转换器工作，其中功率输入对电池充电。当没有日光时，街灯变得活跃，并且在这种电源配置中，三端口转换器作为升压转换器工作，驱动负载。这两种模式可以共享多个组件。与传统的三端口转换器相比，这意味着从电源输入到负载没有直接的功率流。在本发明中提出的转换器中，单个磁性元件可以调节第一功率流配置中的初级侧电路的第一输出电压，并且在第二功率流配置中调节次级侧电路的第二输出电压。与单一的磁性元件一起操作的三端口转换器可以被视为与传统的三端口转换器相比的显著益处，因为磁性元件对于转换器的尺寸、价格和重量起着重要的作用。

所提出的拓扑结构是在具有至少一个功率输入、至少一个功率输出和至少一个双向功率端口的单个磁性部件多端口转换器中的两个转换器的组合。所提出的转换器是基于共享组件的概念，以增加功率密度。磁性元件在功率密度、重量和价格方面起着重要的作用。该拓扑使用单个磁性组件(L)，其在两个互斥操作模式之间共享。三端口直流转换器可以作为降压转换器，在第一功率流配置中对至少一个蓄电池充电，并作为升压转换器在第二功率流配置中驱动至少一个负载。两个互斥操作模式是1)作为降压转换器工作的电路，其中输入直流电源对至少一个蓄电池充电，2)电路作为升压转换器工作，其中蓄电池对至少一个负载供电。可以看出，共享一个单一磁组件的可能性是，如果没有从电源输入到负载的直接功率流，则可以实现两个互斥的功率流配置，并且通过设计包括磁PO在内的电压调节部件。RATE，可以实现在两个电路(第一和第二)之间共享单个磁性部件的设计。发明人已经认识到这样的设计适合于光到光的解决方案，即其中输入电源是太阳能，并且功率输出是光，例如街灯。原则上，当有日光时，不需要路灯，并且当没有日光时，不可能对蓄电池充电。这两种情况可以转化为两种互斥的功率流配置，因此目前公开的发明可以适用于光到光的解决方案。与常规的三端口转换器相比，目前公开的发明可以被看作是显著的益处，因为它能够用一个单一的磁性元件来操作。这对于转换器的尺寸、价格和重量都是有益的。升压转换器的概念模型也可以根据电感电流和电压之间的关系来理解。在升压变换器中，输出电压高于输入电压。在升压转换器中，有一种状态，其中电流流过负载，并且电感器通过产生磁场来存储一些能量。在第二状态中，开关通常被打开，这增加了阻抗，减小了电流，并因此导致更高的电压来对电容器充电，当开关闭合时，电容器能够向负载提供电压和能量。对于本发明，这意味着磁组件的作用可以被看作是调节第二功率流配置中的二次侧电路的第二输出电压。可选地，可以说磁性组件通过使用附加电容来调节第二输出电压。因此，可以调节第二输出电压以匹配至少一个负载的预定义电压范围。

当设计三端口转换器时，必须考虑天气条件、电池性能和负载要求。在光到光解决方案的例子中，以下因素是必须考虑的因素的例子：电池将为光提供多长时间(即在24小时的白天内有多少黑暗时间)？天气(太阳)的条件是什么？在一天最坏的情况下输入功率是多少？负载需要多少功率？电池能储存多少能量？

目前提出的拓扑结构是功率效率高的，因此在这些方面简化了设计选择。然而，为了进一步改进该系统，发明人已经认识到，通过具有可调光光源，可以减少对系统其余部分的要求。例如，如果是阴天，电池没有被完全充电，则可以调整光源以使用较少的功率，从而降低第二晚的功耗。在一个实施例中，直流转换器被配置为根据所述至少一个蓄电池的充电状态要求使发光二极管变暗。本发明的另一个方面涉及包括并联连接负载的二次侧电路。本发明的另一个方面涉及二次侧电路可以包括多个负载的事实。所提出的解决方案是功率效率高的，并且如果多个负载可以由相同的蓄电池供电，则可以实现进一步的效率。在另一个实施例中，可以独立调节多个负载。由于电池的功率是有限的，因此实施一种解决方案是有用的，其中负载被调节，使得相对于不同负载的需求实现资源的最佳使用。

三端口直流转换器，其被配置为在没有二极管的情况下运行。同步整流，或有源整流，是一种技术，提高效率，通过更换二极管的积极控制开关，如晶体管。在低压变流器中，二极管的电压降对效率有不利影响。用有源控制开关元件(如MOSFET)代替二极管是同步整流的核心。MOSFET在传导时具有恒定的非常低的电阻。晶体管两端的电压降要低得多，这意味着功率损耗的降低和效率的提高。该技术的缺点是通常需要额外的栅极控制信号来控制MOSFET。在本发明的一个实施例中，所有开关都是有源开关，以减少功率流路径中的电压降，其中M5和M4是功率流路径配置开关，M2在降压模式下充当同步整流器，M3作为升压/TAPPE中的同步整流器工作。D升压模式。通过结合本发明的拓扑结构，在该拓扑结构中，由一次侧电路和二次侧电路共用一个磁性部件，并且同步整流，可以获得进一步优化的拓扑结构，其中一个MOSFET M2在初级侧电路A之间共享。二次侧电路。因此，MOSFET M2可以在初级侧电路和次级侧电路之间共享，这也意味着它在两个功率流配置之间共享。这意味着磁性元件，如L和MOSFET，例如M2，可以在本发明的初级侧电路和次级侧电路之间共享，其中L是三端口直流转换器的唯一磁性元件(除非次级S)。IDE电路被配置为作为抽头升压转换器工作，这意味着第二电感器串联耦合到第一电感器。如前所述，共享磁组件在第一功率流配置中调节初级侧电路的第一输出电压，并在第二功率流配置中调节次级侧电路的第二输出电压。在这个实施例中，M2主动控制两个功率流配置中的电感器的电流和电压。

所提出的拓扑结构的另一个效果是MOSFET比传统的三端口转换器更容易驱动。如所述，MOSFET M2可以共享在一次侧电路和二次侧电路之间。在一个实施例中，有四个其他MOSFET M1、M3、M4和M5，其中只有两个(M1和M3)必须由脉宽调制器动态驱动，因为M4和M5仅具有两个状态(开/关)，并且在功率流配置中从不改变状态。在太阳能不可用的情况下，MOSFET M5被关闭，M4被激活，因此电池端口为LED输出供电。当可再生能源可用时，MOSFETM5是活动的，M4被关闭，因此转换器处理来自光伏的能量。因此，M4和M5不需要脉宽调制器。

以上实施例的先后顺序仅为便于描述，不代表实施例的优劣。

最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (5)

1.一种三端口直流转换器，其特征在于，包括：至少一个输入直流电源；至少一个蓄电池；初级侧电路，其具有所述至少一个输入直流电源和所述至少一个蓄电池之间的连接，所述初级侧电路被配置为用作降压转换器；次级侧电路，其具有所述至少一个蓄电池和至少一个负载之间的连接，所述次级侧被配置为用作升压转换器；和由所述初级侧电路和所述次级侧电路共享的单个磁性部件，其中所述三端口直流转换器被配置为以两种互斥的功率流配置操作。

2.根据权利要求1所述的一种三端口直流转换器，其特征在于：所述单磁部件是由一次侧电路和二次侧电路共用的第一单个磁性部件；三端口直流转换器还包括串联连接到第一单个磁性部件、第一和第二磁性部件的第二磁性部件。被配置为执行电压升压的磁性部件；次级侧电路包括在至少一个蓄电池和至少一个负载之间的连接，次级侧被配置为作为抽头式升压转换器工作。

3.根据权利要求1所述的一种三端口直流转换器，其特征在于：其中：第一单个磁性元件在第一功率流配置中调节初级侧电路的第一输出电压；第一和第二磁性元件在第二功率流配置中调节次级侧电路的第二输出电压。

4.根据权利要求3所述的一种三端口直流转换器，其特征在于：其中第一输出电压低于第二输出电压。

5.根据权利要求1所述的一种三端口直流转换器，其特征在于：其中，三端口直流转换器在第一功率流配置中作为电压降压和电流升压转换器工作。