CN115459594B - 一种新型隔离型光子变换器及其控制方法 - Google Patents

一种新型隔离型光子变换器及其控制方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种新型隔离型光子变换器及其控制方法，新型光子变换器为直流传输，电压增益为
Figure DDA0003894503350000011
相比于传统的隔离型升压变换器中变压器的交流传输，新型光子变换器具有体积小、输出电压纹波小以及优异的隔离性能，并能显著降低电路的电磁干扰，从而解决传统隔离型升压变换器存在的体积大、输出电压纹波大以及隔离性能差等技术问题。同时也公开了应用于该光子变换器的工件结构与控制方法，该工件结构可以根据发射侧光波波长的不同对光子变换器发射侧与接收侧的距离进行灵活调整，使其具有很高的光传输效率，该控制方法通过控制光子变换器发射侧和接收侧的光子组件数量来控制光子变换器的电压增益，用较少的开关管实现可调的输出电压。

Description

一种新型隔离型光子变换器及其控制方法
技术领域
本发明涉及新能源电能变换领域，特别是涉及一种新型隔离型光子变换器及其控制方法。
背景技术
随着经济的不断发展和科技的不断进步，人们对电能的需求越来越多，然而近年来全球面临环境污染严重以及石油等不可再生资源的消耗问题，电能的合理利用开始受到重视，我国也提出在2035年实现“双碳”目标，电力电子变换器作为电能合理利用的重要组成部分，广泛应用于电能传输、电能变换领域，隔离型DC-DC变换器和非隔离型DC-DC变换器构成了电力电子变换器的两大类，其中隔离型DC-DC变换器需要从直流到交流、交流再到直流的转换，其关键部件变压器存在体积大、漏磁严重、输出电压纹波大以及隔离性能差等技术问题，难以满足复杂工况下的电能变换要求。
因此如何减少传统隔离型DC-DC变换器变压器的漏磁、如何减小变换器变压器的体积、如何降低变换器输出电压纹波以及如何提高变换器的隔离性能是该领域技术人员目前需要解决的问题。
本发明所设计的一种新型隔离型光子变换器及其控制方法目的在于克服上述现有技术的不足，提供一种体积小、无漏磁、输出电压纹波小以及隔离性能优异的新型隔离型光子变换器，新型隔离型光子变换器为直接直流到直流转换，不再经历传统隔离型DC-DC变换器从直流到交流、交流再到直流的转换过程。同时提出一种应用于该光子变换器的控制方法，该控制方法通过控制光子变换器发射侧和接收侧的光子组件数量来控制光子变换器的电压增益，用较少的开关管实现可调的输出电压。
发明内容
本发明提供了一种新型隔离型光子变换器，并提出相应的控制方法，可应用于复杂工况下直流-直流变换的场合，不同于传统的隔离型升压变换器中变压器的交流传输，新型光子变换器为直接直流到直流转换，具有体积小、输出电压纹波小以及优异的隔离性能，并能显著降低电路的电磁干扰，从而解决传统隔离型升压变换器存在的体积大、输出电压纹波大以及隔离性能差等技术问题。
针对上述技术问题，本发明提供了一种新型隔离型光子变换器及其控制方法，同时也公开了应用于该光子变换器的工件结构与控制方法，其工件结构可以根据发射侧光波波长的不同对光子变换器发射侧与接收侧的距离进行灵活调整，使其具有很高的光传输效率，其控制方法通过控制光子变换器发射侧和接收侧的光子组件数量来控制光子变换器的电压增益，用较少的开关管实现可调的输出电压。
所述的一种新型隔离型光子变换器能为负载提供高质量的可调直流电压，包括：直流电源、可调导电金属板、N个四端口光子组件、控制单元、开关管、负载；
所述的N个四端口光子组件包括N个光子发射侧器件与N个光子接收侧器件；
所述直流电源的正极通过所述可调导电金属板与所述N个光子发射侧器件的第一端连接；
所述N个光子发射侧器件的第二端与所述直流电源的负极连接；
所述N个光子接收侧器件中的第一个光子接收侧器件的第一端与所述负载的第一端连接；
所述N个光子接收侧器件中的第N个光子接收侧器件的第二端与所述开关管的第二端连接；
所述开关管的第一端与所述负载的第二端连接；
所述N个光子接收侧器件依次串联连接在所述负载的第一端和所述开关管的第二端之间；
所述控制单元的一端与所述可调导电金属板的另一端连接，用于控制所述可调导电金属板、所述N个光子发射侧器件与所述直流电源的正极进行导电连接的连接数量n，从而控制所述隔离型光子变换器的电压增益；
所述控制单元的另一端与所述开关管的第三端连接，用于产生开关信号。
优选地，N个四端口光子组件之间填充透明导光介质代替空气介质，有利于光子能量的高效传输。
所述的一种新型隔离型光子变换器，其特征在于，所述N个四端口光子组件均为DC-DC传输组件，所述的一种新型隔离型光子变换器没有交流传输过程，电压增益为
Figure GDA0004172207130000031
并且该光子变换器在其输入与输出侧具有DC-DC变换器。
所述的一种新型隔离型光子变换器，其特征在于，所述N个四端口光子组件具有特定的工件结构，该工件结构可以根据所述N个光子发射侧器件光波波长的不同对所述N个光子发射侧器件与所述N个光子接收侧器件间的距离进行调整，使其具有很高的光传输效率。
可选地，所述开关管为NMOS管、GaN器件、SiC器件；
所述开关管的第一端为所述NMOS管、GaN器件、SiC器件的漏极，所述开关管的第二端为所述NMOS管、GaN器件、SiC器件的源极，所述开关管的第三端为所述NMOS管、GaN器件、SiC器件的栅极。
可选地，所述开关管为IGBT管；
所述开关管的第一端为所述IGBT管的集电极，所述开关管的第二端为所述IGBT管的发射极，所述开关管的第三端为所述IGBT管的基极。
所述的一种新型隔离型光子变换器，其特征在于，所述的N个四端口光子组件为极性器件；
所述N个光子发射侧器件的第一端为正端，所述N个光子发射侧器件的第二端为负端；
所述N个光子接收侧器件中的第一个光子接收侧器件的第一端为正端，所述N个光子接收侧器件中的第N个光子接收侧器件的第二端为负端。
从以上技术方案可以看出，本发明案例实施具有以下有益效果：
与现有的传统隔离型DC-DC变换器相比，本发明案例的新型隔离型光子变换器没有交流传输过程，具有体积小、输出电压纹波小以及优异的隔离性能，并能显著降低电路的电磁干扰，该光子变换器的电压增益为
Figure GDA0004172207130000041
能够通过所述控制方法控制光子变换器发射侧和接收侧的光子组件数量，进而控制光子变换器的电压增益，用较少的开关管实现可调的输出电压；同时该光子变换器的工件结构可以根据发射侧器件光波波长的不同对光子变换器发射侧与接收侧的距离进行灵活调整，使其具有很高的光传输效率。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下文对现有技术和实施例中所需要使用的附图做简单的介绍，下述附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来说，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明的一种新型隔离型光子变换器的拓扑结构示意图；
图2为本发明的一种新型隔离型光子变换器当中一个四端口光子组件的电路结构图及其对应的工件结构图；
图3为本发明的一种新型隔离型光子变换器的控制结构图；
图4为本发明的一种新型隔离型光子变换器与DC-DC变换器扩展的结构图。
其中：Vin为直流电源、S1为可控开关管、LED1到LEDN为N个四端口光子组件的发射侧器件、D1到DN为N个四端口光子组件的接收侧器件、R为负载。
具体实施方式
本发明公开了一种新型隔离型光子变换器及其控制方法，新型光子变换器为直流传输，电压增益为
Figure GDA0004172207130000042
相比于传统的隔离型升压变换器中变压器的交流传输，新型光子变换器具有体积小、输出电压纹波小以及优异的隔离性能，并能显著降低电路的电磁干扰，从而解决传统隔离型升压变换器存在的体积大、输出电压纹波大以及隔离性能差等技术问题。同时也公开了应用于该光子变换器四端口光子组件的工件结构以及该光子变换器电压增益的控制方法，该工件结构可以根据发射侧器件光波波长的不同对光子变换器发射侧与接收侧的距离进行灵活调整，使其具有很高的光传输效率，该控制方法通过控制光子变换器的四端口光子组件数量来控制光子变换器的电压增益，用较少的开关管实现可调的输出电压。
为使本发明实施例中的目的、技术方案和特点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清晰、完整地描述，显然，所描述的实施例仅是本发明一部分实施例，而不是全部实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
本发明中可控开关管S1以N沟道场效应管为例，在实际应用中，用户可以根据实际需求来选择相应的可控开关管S1，本发明在此不做限定。
为了便于理解，请参照图1，本发明提供了一种新型隔离型光子变换器的一个实施例，包括：直流电源Vin、N个四端口光子组件、负载R；
N个四端口光子组件包括N个光子发射侧器件与N个光子接收侧器件；
N个光子发射侧器件的第一端与直流电源Vin的正极连接；
N个光子发射侧器件的第二端与直流电源Vin的负极连接；
N个光子接收侧器件中的第一个光子接收侧器件D1的第一端与负载R的第一端连接；
N个光子接收侧器件中的第N个光子接收侧器件DN的第二端与负载R的第二端连接；
N个光子接收侧器件依次串联连接。
需要说明的是，本发明实施例中的一种新型隔离型光子变换器的工作原理可以描述为：
当直流电源Vin接入N个光子发射侧器件时，N个光子发射侧器件上的电压为：
VLED1＝VLED2＝VLED3＝···＝VLEDN＝Vin
其中，VLED1、VLED2、VLED3到VLEDN分别为N个光子发射侧器件上的电压，其幅值均等于直流电源Vin，可以看出该结构中每个光子发射侧器件具有较小的电压应力。
当N个光子发射侧器件的能量传输到N个光子接收侧器件时，光子接收侧器件的电压关系为：
Figure GDA0004172207130000061
理想情况下，每个光子接收侧器件转换到相同的电压，即：
VD1＝VD2＝VD3＝···＝VDN
NVD1＝Vo
可见负载R上获得的电压与四端口光子组件的数量N有关。
以下对本发明实施例中的一种新型隔离型光子变换器的四端口光子组件的工件结构进行分析。具体工件结构主要由三部分组成，如图2所示：
第一部分：如图2中1所示，光子发射侧器件焊接在第一部分中心位置，两侧通孔用于加入可调螺母，调节光子发射侧器件与接收侧器件的距离，并起到固定的作用。
第二部分：如图2中2所示，光子接收侧器件焊接在第二部分中心位置，两侧通孔用于加入可调螺母，调节光子发射侧器件与接收侧器件的距离，并起到固定的作用。
第一部分与第二部分的通孔位置完全对准，光子发射侧器件与光子接收侧器件也完全对准，有利于能量的高效传输。
第三部分：如图2中3所示，可调螺母接于第一部分与第二部分的通孔位置，可根据N个光子发射侧器件光波波长的不同对N个光子发射侧器件与N个光子接收侧器件间的距离进行灵活调整，使其具有很高的光传输效率。
为了实现本发明实施例中的一种新型隔离型光子变换器可调的输出电压，本发明公开了该光子变换器的控制方法，对光子变换器的电压增益进行调整，具体如图3所示：
N个四端口光子组件包括N个光子发射侧器件与N个光子接收侧器件；
直流电源Vin的正极通过可调导电金属板与N个光子发射侧器件的第一端连接；
N个光子发射侧器件的第二端与直流电源Vin的负极连接；
N个光子接收侧器件中的第一个光子接收侧器件D1的第一端与负载R的第一端连接；
N个光子接收侧器件中的第N个光子接收侧器件DN的第二端与开关管S1的第二端连接；
开关管S1的第一端与负载R的第二端连接；
N个光子接收侧器件依次串联连接在负载R的第一端和开关管S1的第二端之间；
控制单元的一端与可调导电金属板的另一端连接，用于控制可调导电金属板、N个光子发射侧器件与所述直流电源的正极进行导电连接的连接数量n，从而控制隔离型光子变换器的电压增益；
控制单元的另一端与开关管S1的第三端连接，用于产生开关信号。
通过上述分析，本发明申请实例中的一种新型隔离型光子变换器的电压增益M为：
Figure GDA0004172207130000071
可以看出新型隔离型光子变换器的电压增益M与四端口光子组件的数量N有关，即通过控制四端口光子组件的数量N即可达到控制新型隔离型光子变换器电压增益M的目的，控制单元的一端用于控制可调导电金属板与N个光子发射侧器件连接的数量，控制单元的另一端用于产生开关信号。
本发明中的一种新型隔离型光子变换器具备很高的可扩展性，具体如图4所示：
直流电源Vin的正极与DC-DC变换器1输入端的正极连接；
直流电源Vin的负极与DC-DC变换器1输入端的负极连接；
DC-DC变换器1输出端的正极与新型隔离型光子变换器的N个光子发射侧器件的第一端连接；
DC-DC变换器1输出端的负极与新型隔离型光子变换器的N个光子发射侧器件的第二端连接；
DC-DC变换器2输入端的正极与新型隔离型光子变换器的N个光子接收侧器件中的第一个光子接收侧器件D1的第一端连接；
DC-DC变换器2输入端的负极与新型隔离型光子变换器的N个光子接收侧器件中的第N个光子接收侧器件DN的第二端连接；
N个光子接收侧器件中的其他器件通过串联连接；
DC-DC变换器2输出端的正极与负载R的第一端连接；
DC-DC变换器2输出端的负极与负载R的第二端连接。
可以看出本新型隔离型光子变换器在其输入与输出侧具有DC-DC变换器。
由以上分析和推导可以看出，本新型隔离型光子变换器的电压增益M为
Figure GDA0004172207130000081
相比于传统的隔离型升压变换器中变压器的交流传输，新型光子变换器具有体积小、输出电压纹波小以及优异的隔离性能，并能显著降低电路的电磁干扰，从而解决传统隔离型升压变换器存在的体积大、输出电压纹波大以及隔离性能差等技术问题。
在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的元件或模块必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为暗示或指示相对重要性。
除非另有明确的规定和限定，术语“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接连接，也可以通过中间媒介简介链接，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
以上所述，以上实施例仅用于说明本申请的技术方案，而非对其限制；对本发明所公开的实施例的上述说明，使本领域的专业技术人员能够使用或实现本发明，其依然可以对前述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；而这些替换或者修改，并不使相应技术方案的本质脱离本申请各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (5)

1.一种隔离型光子变换器，其特征在于，包括：直流电源、可调导电金属板、N个四端口光子组件、控制单元、开关管、负载；
所述的N个四端口光子组件包括N个光子发射侧器件与N个光子接收侧器件；
所述直流电源的正极通过所述可调导电金属板与所述N个光子发射侧器件的第一端连接；
所述N个光子发射侧器件的第二端与所述直流电源的负极连接；
所述N个光子接收侧器件中的第一个光子接收侧器件的第一端与所述负载的第一端连接；
所述N个光子接收侧器件中的第N个光子接收侧器件的第二端与所述开关管的第二端连接；
所述开关管的第一端与所述负载的第二端连接；
所述N个光子接收侧器件依次串联连接在所述负载的第一端和所述开关管的第二端之间；
所述控制单元的一端与所述可调导电金属板的另一端连接，用于控制所述可调导电金属板、所述N个光子发射侧器件与所述直流电源的正极进行导电连接的连接数量n，从而控制所述隔离型光子变换器的电压增益；
所述控制单元的另一端与所述开关管的第三端连接，用于产生开关信号。
2.根据权利要求1所述的一种隔离型光子变换器，其特征在于，所述N个四端口光子组件均为DC-DC传输组件，所述的一种隔离型光子变换器没有交流传输过程，且电压增益为：
Figure FDA0004172207120000011
其中，VDn为第n个光子接收侧器件转换到的电压，Vin为直流电源的电压。
3.根据权利要求1所述的一种隔离型光子变换器，其特征在于，所述N个四端口光子组件具有特定的工件结构，该工件结构可以根据所述N个光子发射侧器件光波波长的不同对所述N个光子发射侧器件与所述N个光子接收侧器件间的距离进行调整，使其具有高的光传输效率。
4.根据权利要求1所述的一种隔离型光子变换器，其特征在于，所述的一种隔离型光子变换器在其输入侧与输出侧具有DC-DC变换器。
5.根据权利要求1所述的一种隔离型光子变换器，其特征在于，所述的N个四端口光子组件为极性器件；
所述N个光子发射侧器件的第一端为正端，所述N个光子发射侧器件的第二端为负端；
所述N个光子接收侧器件中的第一个光子接收侧器件的第一端为正端，所述N个光子接收侧器件中的第N个光子接收侧器件的第二端为负端。
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