CN113838348B - 基于dc-dc拓扑电流解耦的演示教具 - Google Patents

基于dc-dc拓扑电流解耦的演示教具 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种基于DC‑DC拓扑电流解耦的演示教具，通过在电路中采用双刀双掷开关和单刀单掷开关的相互结合，构建出三种基本DC‑DC变换器的电路拓扑（buck、boost、buck‑boost），基于电流解耦原理，将器件单元进行旋转从而改变元器件位置，将三种原有电路拓扑解耦，构建出解耦后的三种基本DC‑DC变换器电路拓扑。同时采用双刀双掷开关和单刀单掷开关的相互结合，构建出双向DC‑DC变换器电路。

Description

基于DC-DC拓扑电流解耦的演示教具
技术领域
本发明涉及一种基于DC-DC拓扑电流解耦的演示教具。属于机械设备技术领域。
背景技术
在大学电力电子课程的设置中，对于学生的思政教育结合较少，对于相关的既能结合电力电子专业知识又能对学生进行思政教育的教具几乎没有。
DC-DC变换器在很多工业领域均得到广泛应用，而且它也是构成其他类型功率变换器的基本单元，一直是电力电子领域研究的热点。一般认为电力电子领域涉及到的DC-DC变换器最基础为，Buck、Boost及Buck-Boost变换器，由此基础原理而衍生变化出的Cuk、Sepic、Zeta等更多的功能各异的变换器被广泛应用在生活生产科研等方方面面。
双向DC-DC变换器是一种典型"一机双用"设备,由于具有体积小,重量轻,性价比高等优点而广泛应用于能量需要双向流动的可再生能源发电系统,UPS系统,直流电动车,电子产品的老化设备等领域。
但目前高校广泛使用的电力电子教材中，对于DC-DC变换器拓扑的介绍和讲解所采用的电路图均为电源部分、转换部分和负载三个部分组成，这样的电路用于分析DC-DC变换器电路的基本原理是较为方便的，但容易固化学生思维，限制了学生的创新能力，也在某种程度上限制了DC-DC变换拓扑的研究和新型DC-DC变换器的开发。在进行变换器工作原理分析时，电路导通电流和关断电流是混在一起的，无法分离，进行工作原理表征时比较复杂。
现有的DC-DC变换器教具仅仅只具有单一拓扑教学功能，且并未涉及电流解耦内容，对于单向DC-DC变换器与双向DC-DC变换器之间的演变和联系并未提及，对于学生联系零散知识，构建完整知识体系有一定的阻碍。
发明内容
本发明的目的在于克服上述不足，提供了一种基于DC-DC拓扑电流解耦的演示教具。
本发明的目的是这样实现的：
一种基于DC-DC拓扑电流解耦的演示教具，其特点是：包括AM器件单元、BM器件单元、CM器件单元、触点D、触点F、第一双刀双掷开关S12、第二双刀双掷开关S45和第一单刀双掷开关S3；
AM器件单元包括两端的触点A、触点M、第一二极管VD1、第一功率开关VT1和第四单刀双掷开关S8，触点A与第一功率开关VT1的发射极、第一二极管VD1的负极连接，第一功率开关VT1的集电极与触点M连接，第一二极管VD1的正极与第四单刀双掷开关S8的一端连接，第四单刀双掷开关S8的另一端与触点M连接；
BM器件单元包括两端的触点B、触点M和电感L，触点B与电感L的一端连接，电感L的另一端与触点M连接；
CM器件单元包括两端的触点C、触点M、第二单刀双掷开关S6、第三单刀双掷开关S7、触点H、触点G、第二二极管VD2、第三二极管VD3和第二功率开关VT2，触点C与第二单刀双掷开关S6的一端(定触点)、第三单刀双掷开关S7的一端连接，第二单刀双掷开关S6的另一端(动触点)分别与触点H或触点G配合，触点H与第二二极管VD2的负极连接，第二二极管VD2的正极与触点M连接，触点G与第三二极管VD3的正极连接，第三二极管VD3的负极与触点M连接，第三单刀双掷开关S7的另一端与第二功率开关VT2的集电极连接，第二功率开关VT2的发射极与触点M连接；
第一双刀双掷开关S12包括第一动臂S1和第二动臂S2，S1的动触点与触点D或触点A配合，S2的动触点与触点A或触点B配合，S2的定触点与第一电容C1的一端、第一直流电源Ui的正极连接，第一直流电源Ui的负极与第五单刀双掷开关S9的一端连接；
第二双刀双掷开关S45包括第三动臂S4和第四动臂S5，S4的动触点与触点C或触点A或触点B连接，S4的定触点与第二直流电源Uo的正极、第二电容C2的一端、电阻R的一端连接，第二直流电源Uo的负极与第六单刀双掷开关S10的一端连接，第四动臂S5的动触点与触点B或触点C或触点F连接；
第一单刀双掷开关S3的动触点与触点B或触点E连接；
第一动臂S1的定触点与第一电容C1的另一端、第五单刀双掷开关S9的另一端、S3的定触点、第六单刀双掷开关S10的另一端、第二电容C2的另一端、电阻R的另一端、第四动臂S5的定触点连接。
进一步的，第一动臂S1的动触点与触点D连接，第二动臂S2的动触点与触点A连接，第一单刀双掷开关S3的动触点与触点E连接，第三动臂S4的动触点与触点C连接，第四动臂S5的动触点与触点B连接，S6的动触点与触点G连接，第三单刀双掷开关S7断开，第四单刀双掷开关S8断开，第五单刀双掷开关S9闭合，第六单刀双掷开关S10断开；从而形成未解耦的buck电路。
进一步的，第一动臂S1的动触点与触点D连接，第二动臂S2的动触点与触点B连接，第一单刀双掷开关S3的动触点与触点E连接，第三动臂S4的动触点与触点A连接，第四动臂S5的动触点与触点C连接，S6的动触点与触点H连接，第三单刀双掷开关S7断开，第四单刀双掷开关S8断开，第五单刀双掷开关S9闭合，第六单刀双掷开关S10断开；从而形成未解耦的boost电路。
进一步的，第一动臂S1的动触点与触点D连接，第二动臂S2的动触点与触点A连接，第一单刀双掷开关S3的动触点与触点B连接，第三动臂S4的动触点与触点C连接，第四动臂S5的动触点与触点F连接，S6的动触点与触点G连接，第三单刀双掷开关S7断开，第四单刀双掷开关S8断开，第五单刀双掷开关S9闭合，第六单刀双掷开关S10断开；从而形成buck-boost电路。
进一步的，第一动臂S1的动触点与触点D连接，第二动臂S2的动触点与触点A连接，第一单刀双掷开关S3的动触点与触点E连接，第三动臂S4的动触点与触点B连接，第四动臂S5的动触点与触点C连接，S6的动触点与触点G连接，第三单刀双掷开关S7断开，第四单刀双掷开关S8断开，第五单刀双掷开关S9闭合，第六单刀双掷开关S10断开；从而形成解耦的buck电路。
进一步的，第一动臂S1的动触点与触点A连接，第二动臂S2的动触点与触点B连接，第一单刀双掷开关S3的动触点与触点E连接，第三动臂S4的动触点与触点C连接，第四动臂S5的动触点与触点F连接，S6的动触点与触点H连接，第三单刀双掷开关S7断开，第四单刀双掷开关S8断开，第五单刀双掷开关S9闭合，第六单刀双掷开关S10断开；从而形成解耦的boost电路。
进一步的，第一动臂S1的动触点与触点D连接，第二动臂S2的动触点与触点A连接，第一单刀双掷开关S3的动触点与触点B连接，第三动臂S4的动触点与触点C连接，第四动臂S5的动触点与触点F连接，S6的动触点与触点G连接，第三单刀双掷开关S7闭合，第四单刀双掷开关S8闭合，第五单刀双掷开关S9闭合，第六单刀双掷开关S10闭合；从而形成双向buck-boost电路。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
本发明一种基于DC-DC拓扑电流解耦的演示教具，通过在电路中采用双刀双掷开关和单刀单掷开关的相互结合，构建出三种基本DC-DC变换器的电路拓扑(buck、boost、buck-boost)，基于电流解耦原理，将器件单元进行旋转从而改变元器件位置，将三种原有电路拓扑解耦，构建出解耦后的三种基本DC-DC变换器电路拓扑。同时采用双刀双掷开关和单刀单掷开关的相互结合，构建出双向DC-DC变换器电路。
附图说明
图1为本发明一种基于DC-DC拓扑电流解耦的演示教具的电路图。
图2为本发明的实施例一未解耦的buck电路图。
图3为本发明的实施例二未解耦的boost电路图。
图4为本发明的实施例三buck-boost电路图。
图5为本发明的实施例四解耦的buck电路图。
图6为本发明的实施例五解耦的boost电路图。
图7为本发明的实施例六双向buck-boost电路图。
图中：
第一直流电源Ui，第二直流电源Uo，第一双刀双掷开关S12，第二双刀双掷开关S45，第一单刀双掷开关S3，第二单刀双掷开关S6，第三单刀双掷开关S7，第四单刀双掷开关S8，第五单刀双掷开关S9，第六单刀双掷开关S10，第一功率开关VT1，第二功率开关VT2，电感L，第一二极管VD1，第二二极管VD2，第三二极管VD3，第一电容C1，第二电容C2，电阻R。
具体实施方式
下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，而不能以此来限制本发明的保护范围。
参见图1，本发明涉及一种基于DC-DC拓扑电流解耦的演示教具，包括AM器件单元、BM器件单元、CM器件单元、触点D、触点F、第一双刀双掷开关S12、第二双刀双掷开关S45和第一单刀双掷开关S3；
AM器件单元包括两端的触点A、触点M、第一二极管VD1、第一功率开关VT1和第四单刀双掷开关S8，触点A与第一功率开关VT1的发射极、第一二极管VD1的负极连接，第一功率开关VT1的集电极与触点M连接，第一二极管VD1的正极与第四单刀双掷开关S8的一端连接，第四单刀双掷开关S8的另一端与触点M连接；
BM器件单元包括两端的触点B、触点M和电感L，触点B与电感L的一端连接，电感L的另一端与触点M连接；
CM器件单元包括两端的触点C、触点M、第二单刀双掷开关S6、第三单刀双掷开关S7、触点H、触点G、第二二极管VD2、第三二极管VD3和第二功率开关VT2，触点C与第二单刀双掷开关S6的一端(定触点)、第三单刀双掷开关S7的一端连接，第二单刀双掷开关S6的另一端(动触点)分别与触点H或触点G配合，触点H与第二二极管VD2的负极连接，第二二极管VD2的正极与触点M连接，触点G与第三二极管VD3的正极连接，第三二极管VD3的负极与触点M连接，第三单刀双掷开关S7的另一端与第二功率开关VT2的集电极连接，第二功率开关VT2的发射极与触点M连接；
第一双刀双掷开关S12包括第一动臂S1和第二动臂S2，S1的动触点与触点D或触点A配合，S2的动触点与触点A或触点B配合，S2的定触点与第一电容C1的一端、第一直流电源Ui的正极连接，第一直流电源Ui的负极与第五单刀双掷开关S9的一端连接；
第二双刀双掷开关S45包括第三动臂S4和第四动臂S5，S4的动触点与触点C或触点A或触点B连接，S4的定触点与第二直流电源Uo的正极、第二电容C2的一端、电阻R的一端连接，第二直流电源Uo的负极与第六单刀双掷开关S10的一端连接，第四动臂S5的动触点与触点B或触点C或触点F连接；
第一单刀双掷开关S3的动触点与触点B或触点E连接；
第一动臂S1的定触点与第一电容C1的另一端、第五单刀双掷开关S9的另一端、S3的定触点、第六单刀双掷开关S10的另一端、第二电容C2的另一端、电阻R的另一端、第四动臂S5的定触点连接；
实施例一、未解耦的buck电路；
参见图2，第一动臂S1的动触点与触点D连接，第二动臂S2的动触点与触点A连接，第一单刀双掷开关S3的动触点与触点E连接，第三动臂S4的动触点与触点C连接，第四动臂S5的动触点与触点B连接，S6的动触点与触点G连接，第三单刀双掷开关S7断开，第四单刀双掷开关S8断开，第五单刀双掷开关S9闭合，第六单刀双掷开关S10断开；开关名称以及开关连接的触点或状态如下表：
Figure GDA0003350642190000071
Figure GDA0003350642190000081
实施例二、未解耦的boost电路；
参见图3，第一动臂S1的动触点与触点D连接，第二动臂S2的动触点与触点B连接，第一单刀双掷开关S3的动触点与触点E连接，第三动臂S4的动触点与触点A连接，第四动臂S5的动触点与触点C连接，S6的动触点与触点H连接，第三单刀双掷开关S7断开，第四单刀双掷开关S8断开，第五单刀双掷开关S9闭合，第六单刀双掷开关S10断开；开关名称以及开关连接的触点或状态如下表：
开关名称 开关连接的触点或状态
S1 D
S2 B
S3 E
S4 A
S5 C
S6 H
S7 断开
S8 断开
S9 闭合
S10 断开
实施例三、buck-boost电路；
参见图4，第一动臂S1的动触点与触点D连接，第二动臂S2的动触点与触点A连接，第一单刀双掷开关S3的动触点与触点B连接，第三动臂S4的动触点与触点C连接，第四动臂S5的动触点与触点F连接，S6的动触点与触点G连接，第三单刀双掷开关S7断开，第四单刀双掷开关S8断开，第五单刀双掷开关S9闭合，第六单刀双掷开关S10断开；开关名称以及开关连接的触点或状态如下表：
开关名称 开关连接的触点或状态
S1 D
S2 A
S3 B
S4 C
S5 F
S6 G
S7 断开
S8 断开
S9 闭合
S10 断开
实施例四、解耦的buck电路；
参见图5，第一动臂S1的动触点与触点D连接，第二动臂S2的动触点与触点A连接，第一单刀双掷开关S3的动触点与触点E连接，第三动臂S4的动触点与触点B连接，第四动臂S5的动触点与触点C连接，S6的动触点与触点G连接，第三单刀双掷开关S7断开，第四单刀双掷开关S8断开，第五单刀双掷开关S9闭合，第六单刀双掷开关S10断开；开关名称以及开关连接的触点或状态如下表：
开关名称 开关连接的触点或状态
S1 D
S2 A
S3 E
S4 B
S5 C
S6 G
S7 断开
S8 断开
S9 闭合
S10 断开
实施例五、解耦的boost电路；
参见图6，第一动臂S1的动触点与触点A连接，第二动臂S2的动触点与触点B连接，第一单刀双掷开关S3的动触点与触点E连接，第三动臂S4的动触点与触点C连接，第四动臂S5的动触点与触点F连接，S6的动触点与触点H连接，第三单刀双掷开关S7断开，第四单刀双掷开关S8断开，第五单刀双掷开关S9闭合，第六单刀双掷开关S10断开；开关名称以及开关连接的触点或状态如下表：
开关名称 开关连接的触点或状态
S1 A
S2 B
S3 E
S4 C
S5 F
S6 H
S7 断开
S8 断开
S9 闭合
S10 断开
实施例六、双向buck-boost电路；
参见图7，第一动臂S1的动触点与触点D连接，第二动臂S2的动触点与触点A连接，第一单刀双掷开关S3的动触点与触点B连接，第三动臂S4的动触点与触点C连接，第四动臂S5的动触点与触点F连接，S6的动触点与触点G连接，第三单刀双掷开关S7闭合，第四单刀双掷开关S8闭合，第五单刀双掷开关S9闭合，第六单刀双掷开关S10闭合；开关名称以及开关连接的触点或状态如下表：
Figure GDA0003350642190000101
Figure GDA0003350642190000111
工作原理：
本发明一种基于DC-DC拓扑电流解耦的演示教具，通过在电路中采用双刀双掷开关和单刀单掷开关的相互结合，构建出三种基本DC-DC变换器的电路拓扑(buck、boost、buck-boost)，基于电流解耦原理，将器件单元进行旋转从而改变元器件位置，将三种原有电路拓扑解耦，构建出解耦后的三种基本DC-DC变换器电路拓扑。同时采用双刀双掷开关和单刀单掷开关的相互结合，构建出双向DC-DC变换器电路。
通过旋转AM器件单元、BM器件单元和CM器件单元来改变与各开关连接的触点，旋转时，各器件单元内部电路构成及连接情况不变，仅改变整个器件单元的位置以及辅助触点的连接；
该教具中，采用的许多双刀双掷开关和单刀双之开关连接不同的开关触点形成的电路也就不同。在不同的电路拓扑中，开关承担的作用也就不一样。以S1为例，当S1打向开关触点D时，看似并未起到实质性的电路导通作用，实则为功率管电路连接电源让出了空位，当S1打向触点A时则将功率管器件单元接入电路。
再者，该教具中，同样是单刀双掷开关，位于不同的电路支路，起到的电路作用就一样。例如S7S8负责开关管的通断，而S9是整个电路的电源总开关，负责整个电路的供断电。
在该教具中，许多开关如S6、S7、S8、VT1、VT2等开关的通断状态都决定了该回路的电流通断情况。
该教具中，电路状态下要实现功能性电路的转换需要多个元器件相互配合，例如boost电路的升压功能需要前期电源通过功率管对储能元件和负载的能量释放，储能元件储存电能，以及后期储能元件释放能量，与电源一起对负载进行供能才能实现电压的泵升。
在该教具中，无论是buck、boost、buck-boost还是双向buck-boost电路中，都是以电感为核心储能元件。以buck为例，开关闭合时，电源给电感充电，电感会通过储存电能来对电流的增大产生的抵御作用，而在开关断开以后，为了抵御电流的减小，电感作为新的电源进行放电，供给负载。
在上述实施例中，仅对本发明进行示范性描述，但是本领域技术人员在阅读本专利申请后可以在不脱离本发明的精神和范围的情况下对本发明进行各种修改。

Claims (3)

1.一种基于DC-DC拓扑电流解耦的演示教具，其特征在于：包括AM器件单元、BM器件单元、CM器件单元、触点D、触点F、第一双刀双掷开关S12、第二双刀双掷开关S45和第一单刀双掷开关S3；
AM器件单元包括两端的触点A、触点M、第一二极管VD1、第一功率开关VT1和第四单刀双掷开关S8，触点A与第一功率开关VT1的发射极、第一二极管VD1的负极连接，第一功率开关VT1的集电极与触点M连接，第一二极管VD1的正极与第四单刀双掷开关S8的一端连接，第四单刀双掷开关S8的另一端与触点M连接；
BM器件单元包括两端的触点B、触点M和电感L，触点B与电感L的一端连接，电感L的另一端与触点M连接；
CM器件单元包括两端的触点C、触点M、第二单刀双掷开关S6、第三单刀双掷开关S7、触点H、触点G、第二二极管VD2、第三二极管VD3和第二功率开关VT2，触点C与第二单刀双掷开关S6的一端（定触点）、第三单刀双掷开关S7的一端连接，第二单刀双掷开关S6的另一端（动触点）分别与触点H或触点G配合，触点H与第二二极管VD2的负极连接，第二二极管VD2的正极与触点M连接，触点G与第三二极管VD3的正极连接，第三二极管VD3的负极与触点M连接，第三单刀双掷开关S7的另一端与第二功率开关VT2的集电极连接，第二功率开关VT2的发射极与触点M连接；
第一双刀双掷开关S12包括第一动臂S1和第二动臂S2，S1的动触点与触点D或触点A配合，S2的动触点与触点A或触点B配合，S2的定触点与第一电容C1的一端、第一直流电源Ui的正极连接，第一直流电源Ui的负极与第五单刀双掷开关S9的一端连接；
第二双刀双掷开关S45包括第三动臂S4和第四动臂S5，S4的动触点与触点C或触点A或触点B连接，S4的定触点与第二直流电源Uo的正极、第二电容C2的一端、电阻R的一端连接，第二直流电源Uo的负极与第六单刀双掷开关S10的一端连接，第四动臂S5的动触点与触点B或触点C或触点F连接；
第一单刀双掷开关S3的动触点与触点B或触点E连接；
第一动臂S1的定触点与第一电容C1的另一端、第五单刀双掷开关S9的另一端、S3的定触点、第六单刀双掷开关S10的另一端、第二电容C2的另一端、电阻R的另一端、第四动臂S5的定触点连接；
第一动臂S1的动触点与触点D连接，第二动臂S2的动触点与触点A连接，第一单刀双掷开关S3的动触点与触点E连接，第三动臂S4的动触点与触点C连接，第四动臂S5的动触点与触点B连接，S6的动触点与触点G连接，第三单刀双掷开关S7断开，第四单刀双掷开关S8断开，第五单刀双掷开关S9闭合，第六单刀双掷开关S10断开；从而形成未解耦的buck电路；
第一动臂S1的动触点与触点D连接，第二动臂S2的动触点与触点B连接，第一单刀双掷开关S3的动触点与触点E连接，第三动臂S4的动触点与触点A连接，第四动臂S5的动触点与触点C连接，S6的动触点与触点H连接，第三单刀双掷开关S7断开，第四单刀双掷开关S8断开，第五单刀双掷开关S9闭合，第六单刀双掷开关S10断开；从而形成未解耦的boost电路；
第一动臂S1的动触点与触点D连接，第二动臂S2的动触点与触点A连接，第一单刀双掷开关S3的动触点与触点E连接，第三动臂S4的动触点与触点B连接，第四动臂S5的动触点与触点C连接，S6的动触点与触点G连接，第三单刀双掷开关S7断开，第四单刀双掷开关S8断开，第五单刀双掷开关S9闭合，第六单刀双掷开关S10断开；从而形成解耦的buck电路；
第一动臂S1的动触点与触点A连接，第二动臂S2的动触点与触点B连接，第一单刀双掷开关S3的动触点与触点E连接，第三动臂S4的动触点与触点C连接，第四动臂S5的动触点与触点F连接，S6的动触点与触点H连接，第三单刀双掷开关S7断开，第四单刀双掷开关S8断开，第五单刀双掷开关S9闭合，第六单刀双掷开关S10断开；从而形成解耦的boost电路。
2.根据权利要求1所述的一种基于DC-DC拓扑电流解耦的演示教具，其特征在于：第一动臂S1的动触点与触点D连接，第二动臂S2的动触点与触点A连接，第一单刀双掷开关S3的动触点与触点B连接，第三动臂S4的动触点与触点C连接，第四动臂S5的动触点与触点F连接，S6的动触点与触点G连接，第三单刀双掷开关S7断开，第四单刀双掷开关S8断开，第五单刀双掷开关S9闭合，第六单刀双掷开关S10断开；从而形成buck-boost电路。
3.根据权利要求1所述的一种基于DC-DC拓扑电流解耦的演示教具，其特征在于：第一动臂S1的动触点与触点D连接，第二动臂S2的动触点与触点A连接，第一单刀双掷开关S3的动触点与触点B连接，第三动臂S4的动触点与触点C连接，第四动臂S5的动触点与触点F连接，S6的动触点与触点G连接，第三单刀双掷开关S7闭合，第四单刀双掷开关S8闭合，第五单刀双掷开关S9闭合，第六单刀双掷开关S10闭合；从而形成双向buck-boost电路。
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