CN116094324B - 一种变结构光子变换器 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种变结构光子变换器，变结构光子变换器的电压增益为不同于传统隔离型升压变换器中变压器的交流传输，变结构光子变换器为直流传输，具有体积小、输出电压纹波小、电磁干扰低以及优异的隔离性能，可以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、电磁干扰高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和控制方法，该工件结构根据工况调整发射侧和接收侧器件的距离，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实现光子变换器的变结构，从而达到控制光子变换器的电压增益的目的。

Description

一种变结构光子变换器
技术领域
本发明涉及电力电子电能变换领域，特别是涉及一种变结构光子变换器。
背景技术
电能是人类社会赖以生存的重要保障，随着社会的不断发展，人们对电能的消耗越来越多，在化石能源日益枯竭的背景下，可循环可持续发展的清洁能源成为二十一世纪电力发展的主要方向，然而这类清洁能源往往存在输入不确定性的问题，需要使用电力电子变换器进行电能变换，得到可调的输出电压，传统隔离型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变结构光子变换器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变结构光子变换器，变结构光子变换器为直流到直流转换，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。同时也提出了应用于该光子变换器的工件结构和控制方法，该工件结构根据工况调整发射侧和接收侧器件的距离，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实现光子变换器的变结构，从而达到控制光子变换器的电压增益的目的。
发明内容
本发明提供了一种变结构光子变换器，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，不同于传统隔离型变换器中变压器的交流交流传输，变结构光子变换器为直流直流转换，具有体积小、输出电压纹波小、电磁干扰低以及优异的隔离性能，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，本发明提供了一种变结构光子变换器，同时也公开了应用于该光子变换器的工件结构和控制方法，该工件结构根据工况调整发射侧和接收侧器件的距离，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实现光子变换器的变结构，从而达到控制光子变换器的电压增益的目的。
所述的一种变结构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、N-1个二极管、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；
所述的开关管包括输入侧开关管和输出侧开关管；
所述直流电源的正极与所述输入侧开关管的第一端连接；
所述直流电源的负极与所述N个光子发射侧器件的第二端连接；
所述N-1个二极管通过串联连接；
所述N-1个二极管的第一个二极管的第一端与所述N个光子发射侧器件的第一个光子发射侧器件的第一端连接；
所述N-1个二极管的第N-1个二极管的第二端与所述N个光子发射侧器件的第N个光子发射侧器件的第一端连接；
所述N-1个二极管的其他二极管的第一端与所述N个光子发射侧器件的其他光子发射侧器件的第一端对应连接；
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负载的第二端连接；
所述输出侧开关管的第一端与所述负载的第一端连接；
所述N个光子接收侧器件串联连接；
所述输入侧开关管的第三端与所述控制单元的一端连接，所述控制单元的一端控制所述输入侧开关管的第二端与所述N个光子发射侧器件连接的数量；
所述输出侧开关管的第三端与所述控制单元的另一端连接，所述控制单元的另一端控制所述输出侧开关管的第二端与所述N个光子接收侧器件连接的数量，使所述N个光子发射侧器件的数量与所述N个光子接收侧器件的数量相匹配。
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。
所述的一种变结构光子变换器，其特征在于，所述N个四端口光子组件均为DC-DC传输组件，所述的一种变结构光子变换器没有交流传输过程，电压增益为并且该光子变换器输入与输出侧结合DC-DC变换器。
所述的一种变结构光子变换器，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。
优选地，N个四端口光子组件的工件结构外围可以加入光反射墙，减少光子能量的泄露，有利于光子能量的高效传输。
所述的一种变结构光子变换器，其特征在于，所述控制单元的一端用于控制所述输入侧开关管与所述N个光子发射侧器件连接的数量，从而控制光子变换器电压增益；
所述控制单元的另一端用于产生开关信号，控制所述N个光子接收侧器件的数量，使所述N个光子接收侧器件连接的数量与所述N个光子发射侧器件的数量达到匹配。
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。
所述的一种变结构光子变换器，其特征在于，所述的N个四端口光子组件与所述N-1个二极管为极性器件；
所述N-1个二极管的第一个二极管的第一端为正端，所述N-1个二极管的第N-1个二极管的第二端为负端；
所述N个光子发射侧器件的第二端为负端；
所述N个光子发射侧器件的第一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N个光子发射侧器件的第一端也为正端；
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，本发明案例的变结构光子变换器为直流直流转换过程，整个转换过程没有交流传输，具有体积小、输出电压纹波小、电磁干扰低以及优异的隔离性能，并且该光子变换器具有较高的可扩展性，能在其输入侧和输出侧结合DC-DC变换器，具备优异的升压与隔离性能；该光子变换器的电压增益为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实现光子变换器的变结构，从而达到控制光子变换器的电压增益的目的；同时该光子变换器的工件结构根据工况调整发射侧和接收侧器件的距离。
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为本发明的一种变结构光子变换器的拓扑结构示意图；
图2为本发明的一种变结构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为本发明的一种变结构光子变换器的控制结构图；
图4为本发明的一种变结构光子变换器接入三个光子组件时的实施例结构图；
图5为本发明的一种变结构光子变换器与DC-DC变换器扩展的结构图。
其中：Vin为直流电源、S1为输入侧开关管、S2为输出侧开关管、D11到D1N-1为N-1个二极管、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
本发明公开了一种变结构光子变换器，变结构光子变换器的电压增益为不同于传统隔离型升压变换器中变压器的交流传输，变结构光子变换器为直流传输，具有体积小、输出电压纹波小、电磁干扰低以及优异的隔离性能，可以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、电磁干扰高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和控制方法，该工件结构根据工况调整发射侧和接收侧器件的距离，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实现光子变换器的变结构，从而达到控制光子变换器的电压增益的目的。
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。
本发明中输入侧开关管S1和输出侧开关管S2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输入侧开关管S1和输出侧开关管S2，本发明在此不做限定。
为了便于理解，请参照图1，本发明提供了一种变结构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个光子接收侧器件串联连接。
需要说明的是，本发明实施例中的一种变结构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：
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变结构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四部分组成，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调整。
第四部分：如图2中4所示，光反射墙可贴于光子组件的四周，用于将发射侧器件中少部分泄露的光子能量反射到接收侧器件中，减少光子能量的泄露，有利于光子能量的高效传输。
为了实现本发明实施例中的一种变结构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，在改变光子变换器结构的同时实现对电压增益的调整，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；
开关管包括输入侧开关管S1和输出侧开关管S2；
直流电源Vin的正极与输入侧开关管S1的第一端连接；
直流电源Vin的负极与N个光子发射侧器件的第二端连接；
N个二极管通过串联连接；
N-1个二极管的第一个二极管D11的第一端与N个光子发射侧器件的第一个光子发射侧器件LED1的第一端连接；
N-1个二极管的第N-1个二极管D1N-1的第二端与N个光子发射侧器件的第N个光子发射侧器件LEDN的第一端连接；
N-1个二极管的其他二极管的第一端与N个光子发射侧器件的其他光子发射侧器件的第一端对应连接；
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；
输出侧开关管S2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其他器件通过串联连接；
输入侧开关管S1的第三端与控制单元的一端连接，控制单元的一端控制输入侧开关管S1的第二端与N个光子发射侧器件连接的数量；
输出侧开关管S2的第三端与控制单元的另一端连接，控制单元的另一端控制输出侧开关管S2的第二端与N个光子接收侧器件连接的数量，使N个光子发射侧器件的数量与N个光子接收侧器件的数量相匹配。
通过上述分析，本发明申请实例中的一种变结构光子变换器的电压增益G为：
可以看出变结构光子变换器的电压增益G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即可达到控制变结构光子变换器电压增益G的目的，控制单元的一端用于控制输入侧开关管S1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控制输出侧开关管S2与N个光子接收侧器件连接的数量，使N个光子接收侧器件连接的数量与N个光子发射侧器件的数量达到匹配。
为了更好的说明本发明中的一种变结构光子变换器电压增益的控制方法，以N＝4、接入三个光子组件时作为一种实施例，具体如图4所示：
N-1个二极管的第一个二极管D11、N个光子发射侧器件的第一个光子发射侧器件LED1、N个光子接收侧器件的第一个光子接收侧器件D1与光子变换器断开连接，如图4中虚线所示；
直流电源Vin的正极与输入侧开关管S1的第一端连接；
直流电源Vin的负极与第二、三、四光子发射侧器件LED2、LED3、LED4的第二端连接；
输入侧开关管S1的第二端与N-1个二极管的第二个二极管D12的第一端和N个光子发射侧器件的第二个光子发射侧器件LED2的第一端连接；
N-1个二极管的第三个二极管D13的第一端与N-1个二极管的第二个二极管D12的第二端和N个光子发射侧器件的第三个光子发射侧器件LED3的第一端连接；
N-1个二极管的第三个二极管D13的第二端与N个光子发射侧器件的第四个光子发射侧器件LED4的第一端连接；
N个光子接收侧器件的第二、三、四光子接收侧器件D2、D3、D4与输出侧开关管S2和负载R串联连接。
本发明中的一种变结构光子变换器具备很高的可扩展性，具体如图5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输出端的正极与变结构光子变换器的N个光子发射侧器件的第一端连接；
DC-DC变换器1输出端的负极与变结构光子变换器的N个光子发射侧器件的第二端连接；
DC-DC变换器2输入端的正极与变结构光子变换器的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输入端的负极与变结构光子变换器的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。
可以看出本变结构光子变换器具备很高的可扩展性，在其输入与输出侧结合DC-DC变换器，使其具备优异的隔离与升压性能。
由以上分析和推导可以看出，本变结构光子变换器的电压增益G为相比于传统的隔离型升压变换器中变压器的交流传输，光子变换器为直流直流传输，具有体积小、输出电压纹波小、电磁干扰低以及优异的隔离性能，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 (6)

1.一种变结构光子变换器，其特征在于，包括：直流电源、N-1个二极管、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；
所述的开关管包括输入侧开关管和输出侧开关管；
所述直流电源的正极与所述输入侧开关管的第一端连接；
所述直流电源的负极与所述N个光子发射侧器件的第二端连接；
所述N-1个二极管通过串联连接；
所述N-1个二极管的第一个二极管的第一端与所述N个光子发射侧器件的第一个光子发射侧器件的第一端连接；
所述N-1个二极管的第N-1个二极管的第二端与所述N个光子发射侧器件的第N个光子发射侧器件的第一端连接；
所述N-1个二极管的其它二极管的第一端与所述N个光子发射侧器件的其它光子发射侧器件的第一端对应连接；
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负载的第二端连接；
所述输出侧开关管的第一端与所述负载的第一端连接；
所述N个光子接收侧器件串联连接；
所述输入侧开关管的第三端与所述控制单元的一端连接，所述控制单元的一端控制所述输入侧开关管的第二端与所述N个光子发射侧器件连接的数量；
所述输出侧开关管的第三端与所述控制单元的另一端连接，所述控制单元的另一端控制所述输出侧开关管的第二端与所述N个光子接收侧器件连接的数量，使所述N个光子发射侧器件的数量与所述N个光子接收侧器件的数量相匹配。
2.根据权利要求1所述的一种变结构光子变换器，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。
3.根据权利要求1所述的一种变结构光子变换器，其特征在于，所述N个四端口光子组件均为DC-DC传输组件，所述的一种变结构光子变换器没有交流传输过程，且电压增益为
4.根据权利要求1所述的一种变结构光子变换器，其特征在于，所述的一种变结构光子变换器输入与输出侧结合DC-DC变换器。
5.根据权利要求1所述的一种变结构光子变换器，其特征在于，所述控制单元的一端用于产生输入侧开关信号，用于控制所述输入侧开关管与所述N个光子发射侧器件连接的数量，从而控制光子变换器电压增益；
所述控制单元的另一端用于产生输出侧开关信号，用于控制所述N个光子接收侧器件的数量，使所述N个光子接收侧器件连接的数量与所述N个光子发射侧器件的数量达到匹配。
6.根据权利要求1所述的一种变结构光子变换器，其特征在于，所述的N个四端口光子组件与所述N-1个二极管为极性器件；
所述N-1个二极管的第一个二极管的第一端为正端，所述N-1个二极管的第N-1个二极管的第二端为负端；
所述N个光子发射侧器件的第二端为负端；
所述N个光子发射侧器件的第一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N个光子发射侧器件的第一端也为正端；
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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非隔离新型高增益DC-DC升压变换器;陈庚 等;《电源学报》(05);全文 *

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