WO2009106014A1

WO2009106014A1 - 一种多态开关及使用该多态开关的变换器

Info

Publication number: WO2009106014A1
Application number: PCT/CN2009/070582
Authority: WO
Inventors: 赫德特·法兰克; 武志贤; 罗泠; 尤勇
Original assignee: 力博特公司
Priority date: 2008-02-28
Filing date: 2009-02-27
Publication date: 2009-09-03
Also published as: CN101521457A; CN101521457B

Description

一种多态开关及使用该多态开关的变换器

本申请要求于 2008 年 2 月 28 日提交中国专利局、申请号为 200810082435.X,发明名称为 "一种多态开关及使用该多态开关的变换器" 的中国专利申请的优先权，其全部内容通过引用结合在本申请中。

技术领域

本发明涉及一种多态开关，本发明还涉及使用该多态开关的变换器。

背景技术

高频开关电源广泛应用于不同的场合 ,很多情况下都需要把电源电压从一个电压等级变换到另一个需要的电压等级；在交流到直流（AC/DC )的转换系统中除了需要实现所要求的电压转换功能，还需要满足各种标准对功率因数 ( Power Factor,简称 PF )、总 i皆波含量（ Total Harmonics Distortion,简称 THD ) 和电磁干扰 ( Electromagnetic interfere, 简称 EMI ) 的要求；在交流不间断电源（Un-interrupt Power Supply, 简称 UPS ) 系统中，系统所输出的交流电压也需要满足不同标准的要求。高功率密度高性价比的产品是每个客户所期望的，为了实现这个目标很多工程师投入大量的时间和精力研究解决方案，至今仍旧是工程师们追求的目标。

发明内容

本发明所要解决的第一个技术问题就是为了克服以上的不足，提出了一种多态开关，使用该多态开关的变换器具有高功率密度、高性价比的特性。

本发明提供的多态开关，包括变压器和开关组；所述变压器包括至少三个原边绕组和至少三个副边绕组，所述变压器各个副边绕组的同名端与其相邻的副边绕组的异名端相连，所述变压器各个原边绕组的同名端相互连接；所述开关组包括由第一开关管（S1 )和第四开关管（S4 )相连组成的第一桥臂、由第二开关管（S2 )和第五开关管（S5 )相连组成的第二桥臂、由第三开关管（S3 )和第六开关管（S6 )相连组成的第三桥臂，所述第一桥臂、第二桥臂和第三桥臂并联，所述变压器第一原边绕组（A1 ) 的异名端连接在第一开关管（S1 )和第四开关管（S4 )之间，所述第二原边绕组（B1 ) 的异名端连接在第二开关管（S2 )和第五开关管（S5 )之间，所述第三原边绕组（C1 ) 的异名端连接在第三开关管（S3 )和第六开关管（S6 )之间。可选地，所述变压器有四个原边绕组和四个副边绕组，所述开关组还包括由第七开关管（S7)和第八开关管（S8)相连组成的第四桥臂，所述第四桥臂与第一桥臂并联，所述第四原边绕组（D1 ) 的异名端连接在第七开关管 (S7)和第八开关管（S8)之间。

可选地，所述变压器各个原边绕组的匝数相同。

本发明提供的变换器，包括多态开关、电感（L)、第一电容（Cl)、第二电容（C2); 所述多态开关包括变压器和开关组，所述变压器包括至少三个原边绕组和至少三个副边绕组，所述变压器各个副边绕组的同名端与其相邻的副边绕组的异名端相连；所述开关组至少包括由第一开关管（S1 )和第四开关管（S4)相连组成的第一桥臂、由第二开关管（S2)和第五开关管（S5)相连组成的第二桥臂、由第三开关管（S3)和第六开关管（S6)相连组成的第三桥臂，所述第一桥臂、第二桥臂和第三桥臂并联，所述变压器第一原边绕组 (A1 ) 的异名端连接在第一开关管（S1 )和第四开关管（S4)之间，所述第二原边绕组（B1 ) 的异名端连接在第二开关管（S2)和第五开关管（S5)之间，所述第三原边绕组（B3) 的异名端连接在第三开关管（S3)和第六开关管（S6)之间；所述电感（L)第一端与输入电源（Vin)相连，所述电感（L) 第二端与变压器各个原边绕组的同名端相连，所述第一电容（Cl)、第二电容 ( C2 )相互连接后跨接在各个桥臂上，所述第一电容（ C1 )和第二电容（ C2 ) 中点接地。

本发明提供的变换器，包括多态开关、电感（L)、电容（Co); 所述多态开关包括变压器和开关组，所述变压器包括至少三个原边绕组和至少三个副边绕组，所述变压器各个副边绕组的同名端与其相邻的副边绕组的异名端相连；所述开关组至少包括由第一开关管（S1 )和第四开关管（S4)相连组成的第一桥臂、由第二开关管（S2)和第五开关管（S5)相连组成的第二桥臂、由第三开关管（S3)和第六开关管（S6)相连组成的第三桥臂，所述第一桥臂、第二桥臂和第三桥臂并联；所述变压器第一原边绕组（A1 ) 的异名端连接在第一开关管（S1 )和第四开关管（S4)之间，所述第二原边绕组（B1 ) 的异名端连接在第二开关管（S2)和第五开关管（S5)之间，所述第三原边绕组 (B3) 的异名端连接在第三开关管（S3)和第六开关管（S6)之间；所述输入电源（Vin)跨接在各个桥臂上，所述电感（L) 第一端与变压器各个原边绕组的同名端相连，所述电感（L)第二端与电容（Co)第一端相连，所述电容（Co)第二端与各桥臂的一端相连。

本发明提供的变换器，包括多态开关、电感（L)、电容（Co); 所述多态开关包括变压器和开关组，所述变压器包括至少三个原边绕组和至少三个副边绕组，所述变压器各个副边绕组的同名端与其相邻的副边绕组的异名端相连；所述开关组至少包括由第一开关管（S1)和第四开关管（S4)相连组成的第一桥臂、由第二开关管（S2)和第五开关管（S5)相连组成的第二桥臂、由第三开关管（S3)和第六开关管（S6)相连组成的第三桥臂，所述第一桥臂、第二桥臂和第三桥臂并联；所述变压器第一原边绕组（A1) 的异名端连接在第一开关管（S1)和第四开关管（S4)之间，所述第二原边绕组（B1) 的异名端连接在第二开关管（S2)和第五开关管（S5)之间，所述第三原边绕组 (B3) 的异名端连接在第三开关管（S3)和第六开关管（S6)之间；所述电感（L) 第一端与变压器各个原边绕组的同名端相连，所述电感（L) 第二端与电容（Co)的第一端和输入电源（Vin)的第一端分别相连，所述电容（Co) 的第二端与各桥臂的第一端相连，输入电源（Vin) 的第二端与各桥臂的第二端相连。

本发明提供的变换器，包括多态开关、电感（Lo)、电容（Co); 所述多态开关包括变压器和开关组，所述变压器包括至少三个原边绕组和至少三个副边绕组，所述变压器各个副边绕组的同名端与其相邻的副边绕组的异名端相连；所述开关组至少包括由第一开关管（S1)和第四开关管（S4)相连组成的第一桥臂、由第二开关管（S2)和第五开关管（S5)相连组成的第二桥臂、由第三开关管（S3)和第六开关管（S6)相连组成的第三桥臂，所述第一桥臂、第二桥臂和第三桥臂并联；所述变压器第一原边绕组（Apl)的异名端连接在第一开关管（S1)和第四开关管（S4)之间，所述第二原边绕组（Ap2) 的异名端连接在第二开关管（S2)和第五开关管（S5)之间，所述第三原边绕组（Ap3)的异名端连接在第三开关管（S3)和第六开关管（S6)之间；所述电感（Lo) 第一端与变压器各个原边绕组的同名端相连，电感（Lo) 第二端与电容（Co)第一端相连，所述电容（Co)第二端接地，第一输入电源（Va) 和第二输入电源（Vb )相互连接后跨接在各桥臂上，所述第一输入电源（Va ) 负极和第二输入电源（Vb )正极接地。

本发明提供的变换器，包括第一多态开关、第二多态开关、第三多态开关、第一电感（La )、第二电感（Lb )、第三电感（Lc )、第一电容（C1 )和第二电容（C2 ); 第一多态开关、第二多态开关、第三多态开关分别包括变压器和开关组，每个变压器分别包括至少三个原边绕组和至少三个副边绕组，每个变压器的各副边绕组的同名端与其相邻的副边绕组的异名端相连；每个开关组分别至少包括由第一开关管和第四开关管相连组成的第一桥臂、由第二开关管和第五开关管相连组成的第二桥臂、由第三开关管和第六开关管相连组成的第三桥臂，所述第一桥臂、第二桥臂和第三桥臂并联；每个变压器的第一原边绕组的异名端连接在第一开关管和第四开关管之间，每个变压器的第二原边绕组的异名端连接在第二开关管和第五开关管之间，每个变压器的第三原边绕组的异名端连接在第三开关管和第六开关管之间；所述第一电感（La )连接在第一输入电源（Va )和第一多态开关的变压器的各原边绕组的同名端之间，所述第二电感（Lb )连接在第二输入电源（Vb )和第二多态开关的变压器的各原边绕组的同名端之间，所述第三电感（Lc )连接在第三输入电源（Vc )和第三多态开关的变压器的各原边绕组的同名端之间，所述第一电容（Cl )、第二电容（C2 )相互连接后跨接在各个桥臂上，所述第一电容（C1 )和第二电容（C2 ) 中点接地。

本发明提供的变换器，包括第一多态开关、第二多态开关、第三多态开关、第一电感（La )、第二电感（Lb )、第三电感（Lc )、第一电容（Ca )和第二电容（Cb )、第三电容（Cc ); 第一多态开关、第二多态开关、第三多态开关分别包括变压器和开关组，每个变压器分别包括至少三个原边绕组和至少三个副边绕组，每个变压器的各副边绕组的同名端与其相邻的副边绕组的异名端相连;每个开关组分别至少包括由第一开关管和第四开关管相连组成的第一桥臂、由第二开关管和第五开关管相连组成的第二桥臂、由第三开关管和第六开关管相连组成的第三桥臂，所述第一桥臂、第二桥臂和第三桥臂并联；每个变压器的第一原边绕组的异名端连接在第一开关管和第四开关管之间，每个变压器的第二原边绕组的异名端连接在第二开关管和第五开关管之间，每个变压器的第三原边绕组的异名端连接在第三开关管和第六开关管之间；所述第一电感

(La)连接在第一多态开关的变压器的各原边绕组的同名端和第一电容（Ca) 的第一端之间，所述第一电容（Ca) 的第二端接地，所述第二电感（Lb)连接在第二多态开关的变压器的各原边绕组的同名端和第二电容（Cb) 第一端之间，所述第二电容（Cb) 的第二端接地，所述第三电感（Lc)连接在第三多态开关的变压器的各原边绕组的同名端和第三电容（Cc) 第一端之间，所述第三电容（Cc)的第二端接地，第一输入电源（Vdcl )和第二输入电源（Vdc2) 相互连接后跨接在各个桥臂上，所述第一输入电源（Vdcl) 负极和第二输入电源（Vdc2)正极接地。

本发明提供的变换器，包括多态开关、电感（Lo)、电容（Co)、第一二极管（Dl)、第二二极管（D2)、第七开关管（S7)和第八开关管（S8); 所述多态开关包括变压器和开关组，所述变压器包括至少三个原边绕组和至少三个副边绕组，所述变压器各个副边绕组的同名端与其相邻的副边绕组的异名端相连；所述开关组至少包括由第一开关管（S21)和第四开关管（S31)相连组成的第一桥臂、由第二开关管（S22)和第五开关管（S32)相连组成的第二桥臂、由第三开关管（S23)和第六开关管（S33)相连组成的第三桥臂，所述第一桥臂、第二桥臂和第三桥臂并联；所述变压器第一原边绕组（A1) 的异名端连接在第一开关管（S21)和第四开关管（S31)之间，所述第二原边绕组（B1)的异名端连接在第二开关管（S22)和第五开关管（S32)之间，所述第三原边绕组 (B3 )的异名端连接在第三开关管（S23 )和第六开关管（S33 ) 之间；所述电感（Lo)连接在变压器的各原边绕组的同名端和电容（Co) 第一端之间，所述电容（Co)的第二端接地，所述第一二极管（Dl)、第二二极管（D2)相互连接后跨接在各个桥臂上，所述第一二极管（D1) 阳极和第二二极管（D2) 阴极接地，所述第七开关管（S7)、第一输入电源（Va)、第二输入电源（Vb)、第八开关管（S8)相互连接后跨接在各个桥臂上，所述第一输入电源（Va) 负极和第二输入电源（Vb)正极接地。

本发明与现有技术对比的有益效果是：使用本发明的多态开关的变换器可以在很多方面改善电路的特性，应用多态开关的变换器不需要专门的均流电路，因为变压器的副边可以自然均流。降低无源器件如电容（直流母线电容，滤波电容）和电感（滤波电感，升降压电感）的应力。减小无源器件的尺寸。可以减小电感、电容的纹波，减小开关管的导通和开关损耗（相同功率等级下可以使用小开关管）。提高系统动态特性。提高系统性能，提高功率因数（PF )、降低总谐波含量（ THD )。

附图说明

图 1是本发明具体实施方式一的结构示意图；

图 2a、 2b、 2c、 2d、 2e、 2f、 2g、 2h是本发明具体实施方式一的开关状态的示意图；

图 3是本发明具体实施方式二的结构示意图

图 4是本发明具体实施方式三的结构示意图

图 5是本发明具体实施方式四的结构示意图

图 6是本发明具体实施方式五的结构示意图

图 7是本发明具体实施方式六的结构示意图

图 8是本发明具体实施方式七的结构示意图

图 9是本发明具体实施方式八的结构示意图

图 10是本发明具体实施方式九的结构示意图；

图 11是用于仿真试验的传统变换器的结构示意图；图 13是第一组仿真试验的各个电路的输出电压波形全局示意图；图 14是第一组仿真试验的各个电路的输出电压波形局部放大示意图；图 15是第一组仿真试验的各个电路的输出滤波电感电流的波形示意图；图 16是第一组仿真试验的传统变换器的电感纹波和周期的示意图；图 17是第一

示意图；

图 18是第一

示意图；

图 19是第一组仿真试验的各个电路的电感电流局部放大示意图；图 20是第一组仿真试验的各个电路的输出滤波电容电流波形全局示意图 21是第一组仿真试验的各个电路的输出滤波电容电流波形的局部示意图；

图 22是第一组仿真试验的各个电路的直流电源的电流波形示意图；图 23是第二组仿真试验的各个电路的输出相电压波形示意图；

图 24是第二组仿真试验的各个电路的电感电流波形示意图；

图 25是第二组仿真试验的各个电路的滤波电容电流波形示意图；图 26是第二组仿真试验的各个电路的直流母线电源的电流波形示意图；图 27是具体实施方式一中的变压器的结构示意图。

具体实施方式

下面通过具体的实施方式并结合附图对本发明做进一步详细说明。

本发明提出一种可以广泛应用于多种电路的多态开关，所述多态开关包括一个变压器和一个开关组。变压器有 N (N≥3)个绕组，开关组形成 N个桥臂，这样就构成 (N+1)态开关。变压器的各个原边绕组的异名端分别连接在各个桥臂的中点，变压器的各个原边绕组的同名端共同连接在一起，变压器的各个副边绕组相互短接。用开关管组成桥臂可以使电流双向流动，因此可以用在全波功率因数校正和逆变器电路中。下面对四态开关和五态开关做进一步详细说明。

具体实施方式一

如图 1 所示，一种四态开关，包括变压器和开关组，所述变压器包括三个原边绕组（第一原边绕组 Al、第二原边绕组 Bl、第三原边绕组 C1 )和三个副边绕组（第一副边绕组 A2、第二副边绕组 B2、第三副边绕组 C2 )。所述变压器各个副边绕组的同名端与其相邻的副边绕组的异名端相连，使副边绕组间短接。即：第一副边绕组 A2同名端与第二副边绕组 B2异名端相连，第二副边绕组 B2同名端与第三副边绕组 C2异名端相连，第三副边绕组 C2同名端与第一副边绕组 A2异名端相连。变压器的副边短接，使流过变压器副边各绕组的电流相同，从而折射到变压器三个原边绕组中的电流相等，实现均流。所述变压器各个原边绕组的同名端相互连接，变压器的原边连成星形结构。所述变压器各个原边绕组的匝数相同。所述开关组包括由第一开关管 S1和第四开关管 S4相连组成的第一桥臂、由第二开关管 S2和第五开关管 S5相连组成的第二桥臂、由第三开关管 S3和第六开关管 S6相连组成的第三桥臂，所述第一桥臂、第二桥臂和第三桥臂并联。所述变压器第一原边绕组 A1的异名端连接在第一开关管 S1和第四开关管 S4之间，所述第二原边绕组 B1的异名端连接在第二开关管 S2和第五开关管 S5之间，所述第三原边绕组 C1的异名端连接在第三开关管 S3和第六开关管 S6之间。

上述四态开关具有四种工作状态，分别是图 2a、 2b、 2c所示的第一工作状态，图 2d、 2e、 2f 所示的第二工作状态，图 2g所示的第三工作状态，图 2h所示的第四工作状态。如图 2a所示，当第一开关管 S1闭合、第二开关管 S2断开、第三开关管 S3断开、第四开关管 S4断开、第五开关管 S5闭合、第六开关管 S6闭合时，四态开关处于第一工作状态。如图 2b所示，当第一开关管 S 1断开、第二开关管 S2闭合、第三开关管 S3断开、第四开关管 S4闭合、第五开关管 S5断开、第六开关管 S6闭合时，四态开关处于第一工作状态。如图 2c所示，当第一开关管 S 1断开、第二开关管 S2断开、第三开关管 S3闭合、第四开关管 S4闭合、第五开关管 S5闭合、第六开关管 S6断开时，四态开关处于第一工作状态。所述第一工作状态是指：一个上管导通、两个下管导通。如图 2d所示，当第一开关管 S1断开、第二开关管 S2闭合、第三开关管 S3闭合、第四开关管 S4闭合、第五开关管 S5断开、第六开关管 S6断开时，四态开关处于第二工作状态。如图 2e所示，当第一开关管 S1闭合、第二开关管 S2断开、第三开关管 S3闭合、第四开关管 S4断开、第五开关管 S5 闭合、第六开关管 S6断开时，四态开关处于第二工作状态。如图 2f所示，当第一开关管 S1闭合、第二开关管 S2闭合、第三开关管 S3断开、第四开关管 S4断开、第五开关管 S5断开、第六开关管 S6闭合时，四态开关处于第二工作状态。所述第二工作状态是指：两个上管导通、一个下管导通。如图 2g所示，当第一开关管 S1断开、第二开关管 S2断开、第三开关管 S3断开、第四开关管 S4闭合、第五开关管 S5闭合、第六开关管 S6闭合时，四态开关处于第三工作状态。所述第三工作状态是指：三个下管同时导通。如图 2h所示，当第一开关管 S 1闭合、第二开关管 S2闭合、第三开关管 S3闭合、第四开关管 S4断开、第五开关管 S5断开、第六开关管 S6断开时，四态开关处于第四工作状态。所述第四工作状态是指：三个上管同时导通。具体实施方式二

如图 3 所示，本具体实施方式与具体实施方式一的不同之处在于：本具个。本具体实施方式中的开关组还包括由第七开关管 S7和第八开关管 S8相连组成的第四桥臂，所述第四桥臂与第一桥臂并联。所述第四原边绕组 D1的异名端连接在第七开关管 S7和第八开关管 S8之间。

上述多态开关的应用范围很广，既可以用在单相电路中、也可以用在三相电路中，既可以用在整流器中、也可以用在逆变器中，既可以用在升压结构中、也可以用在降压结构中，既可以用在全桥拓朴中、也可以用在半桥拓朴中，既可以用在小功率变换器、也可以用在大功率变换器。下面举例说明由上述多态开关组成的变换器。应用多态开关的变换器不需要专门的电路即可实现均流。

具体实施方式三

如图 4所示，一种变换器，包括多态开关、电感 L、第一电容 Cl、第二电容 C2, 所述多态开关包括变压器和开关组，所述变压器包括至少三个原边绕组和至少三个副边绕组，所述变压器各个副边绕组的同名端与其相邻的副边绕组的异名端相连；所述开关组至少包括由第一开关管 S1 和第四开关管 S4 相连组成的第一桥臂、由第二开关管 S2和第五开关管 S5相连组成的第二桥臂、由第三开关管 S3和第六开关管 S6相连组成的第三桥臂，所述第一桥臂、第二桥臂和第三桥臂并联，所述变压器第一原边绕组 A1的异名端连接在第一开关管 S1和第四开关管 S4之间，所述第二原边绕组 B1的异名端连接在第二开关管 S2和第五开关管 S5之间，所述第三原边绕组 C1的异名端连接在第三开关管 S3和第六开关管 S6之间，所述电感 L一端与输入电源 Vin相连，另一端与变压器各个原边绕组的同名端相连，所述第一电容 Cl、第二电容 C2 相互连接后跨接在各个桥臂上，所述第一电容 C1和第二电容 C2中点接地。上述变换器为 Boost变换器拓朴。

具体实施方式四

如图 5所示，一种变换器，包括多态开关、电感 L、电容 Co, 所述多态开关包括变压器和开关组，所述变压器包括至少三个原边绕组和至少三个副边绕组，所述变压器各个副边绕组的同名端与其相邻的副边绕组的异名端相连；所述开关组至少包括由第一开关管 S1和第四开关管 S4相连组成的第一桥臂、由第二开关管 S2和第五开关管 S5相连组成的第二桥臂、由第三开关管 S3和第六开关管 S6相连组成的第三桥臂，所述第一桥臂、第二桥臂和第三桥臂并联；所述变压器第一原边绕组 A1的异名端连接在第一开关管 S1和第四开关管 S4之间，所述第二原边绕组 B1的异名端连接在第二开关管 S2和第五开关管 S5之间，所述第三原边绕组 C1的异名端连接在第三开关管 S3和第六开关管 S6之间；所述输入电源 Vin跨接在各个桥臂上，所述电感 L第一端与变压器各个原边绕组的同名端相连，第二端与电容 Co 的第一端相连，所述电容 Co的第二端与桥臂的一端相连。上述变换器为 Buck变换器拓朴。

具体实施方式五

如图 6所示，一种变换器，包括多态开关、电感 L、电容 Co, 所述多态开关包括变压器和开关组，所述变压器包括至少三个原边绕组和至少三个副边绕组，所述变压器各个副边绕组的同名端与其相邻的副边绕组的异名端相连；所述开关组至少包括由第一开关管 S1和第四开关管 S4相连组成的第一桥臂、由第二开关管 S2和第五开关管 S5相连组成的第二桥臂、由第三开关管 S3和第六开关管 S6相连组成的第三桥臂，所述第一桥臂、第二桥臂和第三桥臂并联；所述变压器第一原边绕组 A1的异名端连接在第一开关管 S1和第四开关管 S4之间，所述第二原边绕组 B1的异名端连接在第二开关管 S2和第五开关管 S5之间，所述第三原边绕组 C1的异名端连接在第三开关管 S3和第六开关管 S6之间；所述电感 L第一端与变压器各个原边绕组的同名端相连，电感 L 第二端与电容 Co的第一端和输入电源 Vin的第一端分别相连，所述电容 Co 的第二端与桥臂的第一端相连，输入电源 Vin的第二端与桥臂的第二端相连。上述变换器为 Buck-Boost变换器拓朴。

具体实施方式六

如图 7所示，一种变换器，包括多态开关、电感 Lo、电容 Co, 所述多态开关包括变压器和开关组，所述变压器包括至少三个原边绕组和至少三个副边绕组，所述变压器各个副边绕组的同名端与其相邻的副边绕组的异名端相连；所述开关组至少包括由第一开关管 S1和第四开关管 S4相连组成的第一桥臂、由第二开关管 S2和第五开关管 S5相连组成的第二桥臂、由第三开关管 S3和第六开关管 S6相连组成的第三桥臂，所述第一桥臂、第二桥臂和第三桥臂并联；所述变压器第一原边绕组 Apl的异名端连接在第一开关管 S1和第四开关管 S4之间 , 所述第二原边绕组 Ap2的异名端连接在第二开关管 S2和第五开关管 S5之间，所述第三原边绕组 Ap3的异名端连接在第三开关管 S3和第六开关管 S6之间；所述电感 Lo第一端与变压器各个原边绕组的同名端相连，电感 Lo第二端与电容 Co第一端相连，所述电容 Co第二端接地，第一输入电源 Va和第二输入电源 Vb相互连接后跨接在各个桥臂上，所述第一输入电源 Va负极和第二输入电源 Vb正极接地。上述变换器为半桥逆变器拓朴。

具体实施方式七

如图 8 所示，一种变换器，包括第一多态开关、第二多态开关、第三多态开关、第一电感 La、第二电感 Lb、第三电感 Lc、第一电容 C1和第二电容 C2, 第一多态开关、第二多态开关、第三多态开关分别包括变压器和开关组，每个变压器分别包括至少三个原边绕组和至少三个副边绕组，每个变压器的各副边绕组的同名端与其相邻的副边绕组的异名端相连；每个开关组分别至少包括由第一开关管和第四开关管相连组成的第一桥臂、由第二开关管和第五开关管相连组成的第二桥臂、由第三开关管和第六开关管相连组成的第三桥臂，所述第一桥臂、第二桥臂和第三桥臂并联；每个变压器的第一原边绕组的异名端连接在第一开关管和第四开关管之间，每个变压器的第二原边绕组的异名端连接在第二开关管和第五开关管之间，每个变压器的第三原边绕组的异名端连接在第三开关管和第六开关管之间；所述第一电感 La连接在第一输入电源 Va 和第一多态开关的变压器的各原边绕组的同名端之间 , 所述第二电感 Lb连接在第二输入电源 Vb和第二多态开关的变压器的各原边绕组的同名端之间，所述第三电感 Lc连接在第三输入电源 Vc和第三多态开关的变压器的各原边绕组的同名端之间，所述第一电容 Cl、第二电容 C2相互连接后跨接在各个桥臂上，所述第一电容 C1和第二电容 C2中点接地。上述变换器为三相整流器拓朴。

具体实施方式八

如图 9所示，一种变换器，包括第一多态开关、第二多态开关、第三多态开关、第一电感 La、第二电感 Lb、第三电感 Lc、第一电容 Ca和第二电容 Cb、第三电容 Cc, 第一多态开关、第二多态开关、第三多态开关分别包括变压器和开关组，每个变压器分别包括至少三个原边绕组和至少三个副边绕组，每个变压器的各副边绕组的同名端与其相邻的副边绕组的异名端相连；每个开关组分别至少包括由第一开关管和第四开关管相连组成的第一桥臂、由第二开关管和第五开关管相连组成的第二桥臂、由第三开关管和第六开关管相连组成的第三桥臂，所述第一桥臂、第二桥臂和第三桥臂并联；每个变压器的第一原边绕组的异名端连接在第一开关管和第四开关管之间，每个变压器的第二原边绕组的异名端连接在第二开关管和第五开关管之间，每个变压器的第三原边绕组的异名端连接在第三开关管和第六开关管之间；所述第一电感 La连接在第一多态开关的变压器的各原边绕组的同名端和第一电容 Ca的第一端之间，所述第一电容 Ca的第二端接地，所述第二电感 Lb连接在第二多态开关的变压器的各原边绕组的同名端和第二电容 Cb第一端之间 , 所述第二电容 Cb的第二端接地，所述第三电感 Lc连接在第三多态开关的变压器的各原边绕组的同名端和第三电容 Cc第一端之间，所述第三电容 Cc的第二端接地，第一输入电源 Vdcl和第二输入电源 Vdc2相互连接后跨接在各个桥臂上，所述第一输入电源 Vdcl负极和第二输入电源 Vdc2正极接地。上述变换器为三相逆变器拓朴。

具体实施方式九

如图 10所示，一种变换器，包括多态开关、电感 Lo、电容 Co、第一二极管 Dl、第二二极管 D2、第七开关管 S7和第八开关管 S8, 所述多态开关包括变压器和开关组，所述变压器包括至少三个原边绕组和至少三个副边绕组，所述变压器各个副边绕组的同名端与其相邻的副边绕组的异名端相连；所述开关组包括由第一开关管 S21和第四开关管 S31相连组成的第一桥臂、由第二开关管 S22和第五开关管 S32相连组成的第二桥臂、由第三开关管 S23和第六开关管 S33相连组成的第三桥臂，所述第一桥臂、第二桥臂和第三桥臂并联；所述变压器第一原边绕组 A1的异名端连接在第一开关管 S21和第四开关管 S31之间，所述第二原边绕组 B1的异名端连接在第二开关管 S22和第五开关管 S32之间 ,所述第三原边绕组 C1的异名端连接在第三开关管 S23和第六开关管 S33之间；所述电感 Lo连接在变压器的各原边绕组的同名端和电容 Co第一端之间，所述电容 Co的第二端接地，所述第一二极管 Dl、第二二极管 D2相互连接后跨接在各个桥臂上，所述第一二极管 D1阳极和第二二极管 D2阴极接地，所述第七开关管 S7、第一输入电源 Va、第二输入电源 Vb、第八开关管 S8相互连接后跨接在各个桥臂上，所述第一输入电源 Va负极和第二输入电源 Vb正极接地。上述变换器为带中点箝位的三电平变换器拓朴。

下面对图 11所示的传统变换器（三相逆变器）、图 9所示的由四态开关组成的变换器和图 12所示的由五态开关组成的变换器进行仿真，用仿真波形对本发明的优点进行说明。仿真波形中的 a波形与图 11所示的传统变换器相对应，仿真波形中的 b波形与图 9所示的由四态开关组成的变换器相对应，仿真波形中的 c波形与图 12所示的由五态开关组成的变换器相对应。为了清晰的说明本发明的优点，我们分别对两组电路参数进行仿真。 ①三个电路用完全相同的参数， ②三个电路用不同的电感值以保持近似相等的电感电流纹波，其余参数保持不变。所有仿真系统的直流电源电压都是 810V, 正弦波逆变器的输出线电压为 480V, 开关频率为 5kHz, 控制器的控制参数相同。

当三个电路用完全相同的参数时，仿真结果如下：图 13是各个电路的输出电压波形全局示意图。图 14是各个电路的输出电压波形局部放大示意图。图 15是各个电路的输出滤波电感电流的波形示意图。图 16是传统变换器的电感纹波和周期的示意图。图 17是由四态开关组成的变换器的电感纹波和周期的示意图。图 18是由五态开关组成的变换器的电感纹波和周期的示意图。在图 16-18中， ΔΧ表示电感工作的周期， ΔΥ表示电感电流的纹波大小，通过比较可以看出随着多态开关桥臂的增加，电感的工作频率增加，电流纹波减小。图 19是三个电路的电感电流局部放大示意图。从图 19中可以明显地看出不同情况下的电感电流纹波的差异。图 20是输出滤波电容电流波形全局示意图。图 21是输出滤波电容电流波形的局部示意图。图 22是三个电路的直流电源的电流波形示意图（可以代表直流母线电容的电流）。

在各种情况下电路的仿真结果比较如表一所示。

表一：

传统变换器由四态开关组由五态开关组成的变换器成的变换器输出电压 [V] 277.15 277.09 277.14 电感充放电周期 [μ_δ] 200.0 66.7 50.0 滤波电感纹波 [Α] 2026.1 242.4 138.2 滤波电容电流有效值 [Α] 830.45 722.82 722.13 滤波电容电流峰值 [Α] 1995.1 1229.8 1214.9 输出电压总谐波 [%] 0.67 0.11 0.08 直流电源电流值 [Α] 4573.3 3337.2 3051.8 由上面的仿真结果可以看出，在相同的工况下三个电路的输出电压的有效值近似相等，输出电压的纹波、电感电流的纹波和电容电流以及直流母线电压的电流随着开关状态的增加而显著减小。因此如果要保持电感和电容上的电流和电压纹波不变可以明显减小滤波电感和电容的容量。

当三个电路分别用不同的电感值以保持近似相等的电感电流纹波，其余参数保持不变时，仿真结果如下：图 23是各电路的输出相电压波形示意图。图 24是三个电路的电感电流波形示意图。图 25是三个电路的滤波电容电流波形示意图。图 26是三个电路的直流母线电源的电流波形示意图。

在各种情况下电路的仿真结果比较如表二所示。

表二

从比较结果可以看出如果想保持相同的电感电流纹波所需要的电感值在不同的电路中有很大的变化。由四态开关组成的变换器中电感值比传统变换器的电感值的十一分之一还小，即使这样四态开关组成的变换器的 THD也小于传统变换器。由此可以看出用多态开关可以提高电路特性，减小无源器件的尺寸。由图 26可以看出直流母线电源的电流的峰值在不同的变换器中也有很大差异，如果用电容代替直流电源即可减小电容上的应力。

通常的电感设计过程如下：设电感值为 L、流过电感的最大电流为 Io、磁芯的窗口利用率为 Kw、导线电流密度为 Jc、最大磁通密度为 Bmax、电感所需要的面积乘积为 AP。根据电感的设计原理可以得出：

L*Io ²

A =

Kw *β max* Jc

_ Io ²

令 Kw *B max* Jc 可以得出 AP = K * L

AP是磁芯窗口面积和磁芯截面积的乘积，如果选用相同的磁芯结构即用相同的窗口面积，则电感体积的大小与磁芯的厚度成正比，亦即与电感值成一定的正比例关系，这就是为什么使用本发明的多态开关的变换器可以明显减小电感尺寸的原因。

本发明主要针对拓朴，对于变压器的设计不做伴细说明。此处只强调如下几点：以三绕组变压器为例，如图 27所示的变压器的物理结构，原边的三个绕组联结成星形结构，副边的绕组联结成三角形结构，三个磁柱的截面积相同，相对应的原副边绕制在同一个磁柱上，相同磁柱上的绕组的耦合系数为 1，不同磁柱上的绕组的耦合系数为 -0.5。

上述使用多态开关的变换器的优点有：

( 1 )应用多态开关的变换器不需要专门的均流电路，因为变压器的副边可以自然均流。

( 2 ) 降低无源器件如电容（直流母线电容，滤波电容）和电感（滤波电感，升降压电感）的应力

( 3 )减小无源器件的尺寸

( 4 )减小开关管的导通和开关损耗（相同功率等级下可以使用小开关管） ( 5 )提高系统动态特性 ( 6 )提高系统性能，提高功率因数（PF )、降低总谐波含量（THD ) 在大功率电路中使用本发明的多态开关的优势更为明显。随着现代科技的快速发展，对大功率开关电源的需求越来越广，兆伏安级的电源需求和生产已提上日程。如银行数据中心的供电电源，大型服务器的不间断电源，电话、网络通讯所需要的供电电源等都要求供电系统的功率等级高，功率密度大，为了满足市场的需求已经有兆伏安功率等级的电源问世。

在这种情况下对大功率的高频开关管的需求也越来越多，在高频开关电源中功率开关管的成本占了相当大的部分，随着功率等级的增加功率开关管的价格大幅上升，对散热的要求也就更高，同时能够提供如此高功率的开关器件的供应商不是很多，可供选择的供应商少也是价格高的一个原因。本发明可以很大程度上解决上面提到的问题，在相同的功率等级情况下，应用本发明的多态开关可以选用小功率的开关管实现相同的效果，还有一个非常有效的结果是在同样的开关频率的条件下，电感、电容的容量和体积可以减小一定倍数，这样可以大幅降低产品成本。

以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换，都应当视为属于本发明的保护范围。

Claims

权利要求

1、一种多态开关，其特征在于：包括变压器和开关组；

所述变压器包括至少三个原边绕组和至少三个副边绕组，所述变压器各个副边绕组的同名端与其相邻的副边绕组的异名端相连，所述变压器各个原边绕组的同名端相互连接；

所述开关组包括由第一开关管（S1 )和第四开关管（S4)相连组成的第一桥臂、由第二开关管（S2)和第五开关管（S5)相连组成的第二桥臂、由第三开关管（S3)和第六开关管（S6)相连组成的第三桥臂，所述第一桥臂、第二桥臂和第三桥臂并联，所述变压器第一原边绕组（A1 ) 的异名端连接在第一开关管（S1 )和第四开关管（S4)之间，所述第二原边绕组（B1 ) 的异名端连接在第二开关管（S2)和第五开关管（S5)之间，所述第三原边绕组 (C1 ) 的异名端连接在第三开关管（S3)和第六开关管（S6)之间。

2、根据权利要求 1所述的多态开关，其特征在于：所述变压器有四个原边绕组和四个副边绕组，所述开关组还包括由第七开关管（S7)和第八开关管（S8)相连组成的第四桥臂，所述第四桥臂与第一桥臂并联，所述第四原边绕组（D1 ) 的异名端连接在第七开关管（S7)和第八开关管（S8)之间。

3、根据权利要求 1或 2所述的多态开关，其特征在于：所述变压器各个原边绕组的匝数相同。

4、一种变换器，其特征在于：包括多态开关、电感（L)、第一电容（Cl)、第二电容（C2);

所述多态开关包括变压器和开关组，所述变压器包括至少三个原边绕组和至少三个副边绕组，所述变压器各个副边绕组的同名端与其相邻的副边绕组的异名端相连；

所述开关组至少包括由第一开关管（S1 )和第四开关管（S4)相连组成的第一桥臂、由第二开关管（S2)和第五开关管（S5)相连组成的第二桥臂、由第三开关管（S3)和第六开关管（S6)相连组成的第三桥臂，所述第一桥臂、第二桥臂和第三桥臂并联，所述变压器第一原边绕组（A1 ) 的异名端连接在第一开关管（S1 )和第四开关管（S4)之间，所述第二原边绕组（B1 ) 的异名端连接在第二开关管（S2)和第五开关管（S5)之间，所述第三原边绕组（B3) 的异名端连接在第三开关管（S3)和第六开关管（S6)之间；所述电感（L)第一端与输入电源（Vin)相连，所述电感（L)第二端与变压器各个原边绕组的同名端相连，所述第一电容（Cl)、第二电容（C2)相互连接后跨接在各个桥臂上，所述第一电容（C1)和第二电容（C2) 中点接地。

5、一种变换器，其特征在于：包括多态开关、电感（L)、电容（Co); 所述多态开关包括变压器和开关组，所述变压器包括至少三个原边绕组和至少三个副边绕组，所述变压器各个副边绕组的同名端与其相邻的副边绕组的异名端相连；

所述开关组至少包括由第一开关管（S1)和第四开关管（S4)相连组成的第一桥臂、由第二开关管（S2)和第五开关管（S5)相连组成的第二桥臂、由第三开关管（S3)和第六开关管（S6)相连组成的第三桥臂，所述第一桥臂、第二桥臂和第三桥臂并联；所述变压器第一原边绕组（A1) 的异名端连接在第一开关管（S1)和第四开关管（S4)之间，所述第二原边绕组（B1) 的异名端连接在第二开关管（S2)和第五开关管（S5)之间，所述第三原边绕组（B3) 的异名端连接在第三开关管（S3)和第六开关管（S6)之间；所述输入电源（Vin)跨接在各个桥臂上，所述电感（L) 第一端与变压器各个原边绕组的同名端相连，所述电感（L)第二端与电容（Co)第一端相连，所述电容（Co) 第二端与各桥臂的一端相连。

6、一种变换器，其特征在于：包括多态开关、电感（L)、电容（Co); 所述多态开关包括变压器和开关组，所述变压器包括至少三个原边绕组和至少三个副边绕组，所述变压器各个副边绕组的同名端与其相邻的副边绕组的异名端相连；

所述开关组至少包括由第一开关管（S1)和第四开关管（S4)相连组成的第一桥臂、由第二开关管（S2)和第五开关管（S5)相连组成的第二桥臂、由第三开关管（S3)和第六开关管（S6)相连组成的第三桥臂，所述第一桥臂、第二桥臂和第三桥臂并联；所述变压器第一原边绕组（A1) 的异名端连接在第一开关管（S1)和第四开关管（S4)之间，所述第二原边绕组（B1) 的异名端连接在第二开关管（S2)和第五开关管（S5)之间，所述第三原边绕组（B3) 的异名端连接在第三开关管（S3)和第六开关管（S6)之间；所述电感（ L )第一端与变压器各个原边绕组的同名端相连，所述电感（ L ) 第二端与电容（Co) 的第一端和输入电源（Vin) 的第一端分别相连，所述电容（Co) 的第二端与各桥臂的第一端相连，输入电源（Vin) 的第二端与各桥臂的第二端相连。

7、一种变换器，其特征在于：包括多态开关、电感（Lo)、电容（Co); 所述多态开关包括变压器和开关组，所述变压器包括至少三个原边绕组和至少三个副边绕组，所述变压器各个副边绕组的同名端与其相邻的副边绕组的异名端相连；

所述开关组至少包括由第一开关管（S1)和第四开关管（S4)相连组成的第一桥臂、由第二开关管（S2)和第五开关管（S5)相连组成的第二桥臂、由第三开关管（S3)和第六开关管（S6)相连组成的第三桥臂，所述第一桥臂、第二桥臂和第三桥臂并联；所述变压器第一原边绕组（Apl)的异名端连接在第一开关管（S1)和第四开关管（S4)之间，所述第二原边绕组（Ap2) 的异名端连接在第二开关管（S2)和第五开关管（S5)之间，所述第三原边绕组（Ap3) 的异名端连接在第三开关管（S3)和第六开关管（S6)之间；所述电感（Lo)第一端与变压器各个原边绕组的同名端相连，电感（Lo) 第二端与电容（Co) 第一端相连，所述电容（Co) 第二端接地，第一输入电源（Va)和第二输入电源（Vb)相互连接后跨接在各桥臂上，所述第一输入电源（Va) 负极和第二输入电源（Vb)正极接地。

8、一种变换器，其特征在于：包括第一多态开关、第二多态开关、第三多态开关、第一电感（La)、第二电感（Lb)、第三电感（Lc)、第一电容（C1 ) 和第二电容（C2);

第一多态开关、第二多态开关、第三多态开关分别包括变压器和开关组，每个变压器分别包括至少三个原边绕组和至少三个副边绕组，每个变压器的各副边绕组的同名端与其相邻的副边绕组的异名端相连；

每个开关组分别至少包括由第一开关管和第四开关管相连组成的第一桥臂、由第二开关管和第五开关管相连组成的第二桥臂、由第三开关管和第六开关管相连组成的第三桥臂，所述第一桥臂、第二桥臂和第三桥臂并联；每个变压器的第一原边绕组的异名端连接在第一开关管和第四开关管之间，每个变压器的第二原边绕组的异名端连接在第二开关管和第五开关管之间，每个变压器的第三原边绕组的异名端连接在第三开关管和第六开关管之间；

所述第一电感（La)连接在第一输入电源（Va)和第一多态开关的变压器的各原边绕组的同名端之间，所述第二电感（Lb)连接在第二输入电源（Vb) 和第二多态开关的变压器的各原边绕组的同名端之间，所述第三电感（Lc) 连接在第三输入电源（Vc)和第三多态开关的变压器的各原边绕组的同名端之间，所述第一电容（Cl)、第二电容（C2)相互连接后跨接在各个桥臂上，所述第一电容（C1)和第二电容（C2) 中点接地。

9、一种变换器，其特征在于：包括第一多态开关、第二多态开关、第三多态开关、第一电感（La)、第二电感（Lb )、第三电感（Lc)、第一电容（Ca) 和第二电容（Cb)、第三电容（Cc);

所述第一电感（La)连接在第一多态开关的变压器的各原边绕组的同名端和第一电容（Ca) 的第一端之间，所述第一电容（Ca) 的第二端接地，所述第二电感（Lb)连接在第二多态开关的变压器的各原边绕组的同名端和第二电容（Cb) 第一端之间，所述第二电容（Cb) 的第二端接地，所述第三电感（Lc)连接在第三多态开关的变压器的各原边绕组的同名端和第三电容（Cc) 第一端之间，所述第三电容（Cc) 的第二端接地，第一输入电源（Vdcl)和第二输入电源（Vdc2)相互连接后跨接在各个桥臂上，所述第一输入电源 (Vdcl) 负极和第二输入电源（Vdc2)正极接地。

10、一种变换器，其特征在于：包括多态开关、电感（Lo)、电容（Co)、第一二极管（Dl)、第二二极管（D2)、第七开关管（S7)和第八开关管（S8); 所述多态开关包括变压器和开关组，所述变压器包括至少三个原边绕组和至少三个副边绕组，所述变压器各个副边绕组的同名端与其相邻的副边绕组的异名端相连；

所述开关组至少包括由第一开关管（S21)和第四开关管（S31)相连组成的第一桥臂、由第二开关管（S22)和第五开关管（S32)相连组成的第二桥臂、由第三开关管（S23)和第六开关管（S33)相连组成的第三桥臂，所述第一桥臂、第二桥臂和第三桥臂并联；所述变压器第一原边绕组（A1) 的异名端连接在第一开关管（S21)和第四开关管（S31)之间，所述第二原边绕组（B1) 的异名端连接在第二开关管（S22)和第五开关管（S32)之间，所述第三原边绕组 (B3 )的异名端连接在第三开关管（ S23 )和第六开关管（ S33 ) 之间；

所述电感（Lo)连接在变压器的各原边绕组的同名端和电容（Co) 第一端之间，所述电容（Co)的第二端接地，所述第一二极管（Dl)、第二二极管 (D2)相互连接后跨接在各个桥臂上，所述第一二极管（D1) 阳极和第二二极管（D2) 阴极接地，所述第七开关管（S7)、第一输入电源（Va)、第二输入电源（Vb)、第八开关管（S8)相互连接后跨接在各个桥臂上，所述第一输入电源（Va) 负极和第二输入电源（Vb)正极接地。