非隔离型单磁芯三端口直流变换器的制造方法
【专利摘要】本发明公开了两种非隔离型单磁芯三端口直流变换器，这两种变换器均包括输入源端口，电池端口，负载端口，第一开关管、第二开关管、第三开关管，第一二极管、第二二极管、第三二极管，滤波电容和滤波电感，具有五种工作模式，其中四种工作模式具备三类工作型式。本发明变换器连接输入电压源、负载与电池，端口之间的能量转换为单级，能量的统一管理功能齐全，具有较高的效率；同一个工作模式下能够用不同的工作方式完成，因而端口电压限制少，工作范围广泛，工作方式灵活。
【专利说明】
非隔离型单磁巧H端口直流变换器
技术领域
[0001] 本发明属于电力电子变换器领域，更具体地，设及功率变换器中的两种非隔离型 单磁忍多结构=端口直流变换器。
【背景技术】
[0002] 可再生能源目前正受到越来越广泛的应用，然而可再生能源的间断性、不稳定性 与要求稳定能量供给的负载之间存在矛盾，需引入储能装置W平衡可再生能源与负载之间 的能量。因此，能同时连接可再生能源、储能装置及负载的=端口电路受到广泛关注。=端 口电路具有效率高，所用器件少，结构紧凑W及能量管理统一等优点。一般来说，=端口电 路拓扑结构可分为隔离型与非隔离型。在没有隔离要求的应用场合中，非隔离型S端口电 路由于其更紧凑的电路结构W及更高的效率而更受青睐。
[0003] 目前，已经有不少非隔离型S端口电路被提出。名为"A Family Of Cost- Efficient Non-isolated Single-Inductor Three-Port Converters for Low Power Stand-Alone Renewable Power Applications''（Yu Chen；Gang Wen；Li Peng；Yong Kang； Jian Chen,Applied Power Electronics Conference and Exposition(APEC), 2013Twenty-Eighth Annual I邸E)的文献提出了一系列适用于小功率场合的非隔离型S 端口电路。通过在buck、boost和buck-boost电路中插入一个S角形结构，构造出一系列具 有结构紧凑、器件数量少等优点的S端口拓扑。然而由buck和boost衍生出的S端口电路分 别由于电池储能模式与电池单独供电模式的缺失，因而分别不具备由可再生能源单独给电 池供电和电池单独给负载供电的功能。名为"Topology Derivation of Non-isolated Three-Port DODC Converters From DIC and DOC'' (Hongfei Wu；Kai Sun； Shun Ding； Yan Xing, IE邸 TRANSACTIONS ON POWER ELECTR0NICS，V0L.28,NO. 7 JULY 2013)的文献 提出了一种构造非隔离型=端口电路的方法。在端口共地的双输入或者双输出电路中增加 一条新的能量流通路径来构造=端口电路，并通过合并相同的结构W使=端口电路更加的 紧凑。然而，可再生能源与电池电压往往随工作情况改变，而由于构造出的=端口电路继承 了原有电路的端口电压大小限制，因而限制了S端口电路的工作范围。
【发明内容】
[0004] 针对现有技术的W上缺陷或改进需求，本发明提供了两种单磁忍非隔离型=端口 直流变换器，目的在于使变换器具备更加广泛的工作范围与更灵活的工作方式，解决现有 非隔离型=端口变换器工作模态缺失与工作范围受限的问题。
[0005] 本发明第一种技术方案如下：
[0006] -种非隔离型=端口直流变换器，包括输入源端口，电池端口，负载端口，第一开 关管、第二开关管、第=开关管，第一二极管、第二二极管、第=二极管，滤波电容和滤波电 感，其中：
[0007] 所述第一开关管的漏极接输入源端口的正端，第一开关管的源极接第一二极管的 阴极和滤波电感的一端，滤波电感的另一端与第二二极管的阳极和第二开关管的漏极相 连，第二二极管的阴极与电池端口的正端和第=开关管的漏极相连，电池端口的负端连接 第二开关管的漏极和第=二极管的阳极，第=开关管的源极分别连接滤波电容的一端与负 载端口的正端，滤波电容的另一端与负载端口的负端、第=二极管阴极，第一二极管阳极和 输入源端口的负端相连。
[000引本发明提出的第二种非隔离型=端口直流变换器，包括输入源端口，电池端口，负 载端口，第一开关管、第二开关管、第=开关管，第一二极管、第二二极管、第=二极管，滤波 电容和滤波电感，其中：
[0009] 所述第=二极管的阳极连接输入源端口的正端，第=二极管的阴极分别连接电池 端口的正端和第二开关管的漏极，电池端口的负端与第=开关管的源极和第二二极管的阳 极相连，第二开关管的源极与第二二极管的阴极和滤波电感的一端相连，滤波电感的另一 端与第一二极管的阳极和第一开关管的漏极相连，第一二极管的阴极分别连接滤波电容的 一端与负载端口的正端，滤波电容的另一端分别连接负载端口的负端、第一开关管的源极、 第=开关管的漏极和输入源端口的负端。
[0010] 运两种方案创新的电路结构，使运两种方案均能够实现=个端口之间所有的工作 模态，而且大多数模态能够W不同的工作方式实现。端口之间的电压关系因而不会受到固 定的工作方式的限制，端口之间的电压限制因此较少，使变换器有更加广泛的工作范围与 灵活的工作方式。
[0011] 总体而言，通过本发明所构思的W上技术方案与现有技术相比，能够取得下列有 益效果：
[0012] (1)采用集成的变换器连接输入电压源、负载与电池=个端口；端口之间的能量转 换为单级，具有较高的效率;同时具备能量的统一管理。
[001 ；3 ] (2)能够实现；个端口之间全部可能的工作模式，功能齐全。
[0014] (3)同一个工作模式下能够用不同的工作方式完成，因而端口电压限制少，工作范 围更加广泛，工作方式更加灵活。
[0015] 本发明提出的非隔离型=端口变换器不仅用集成的变换器实现了=个端口之间 的连接与能量管理，同时能够实现=个端口之间所有的工作模态，而且大多数工作模态能 够W不同的工作方式实现，端口之间的电压限制较少，变换器有广泛的工作范围与灵活的 工作方式，具有良好的应用前景。
【附图说明】
[0016] 图1是本发明的第一种非隔离型S端口变换器的结构原理图；
[0017] 图2是本发明的第二种非隔离型S端口变换器的结构原理图；
[0018] 图3是图1所示的变换器工作在双输出模式下，且为buck型时的等效电路图；
[0019] 图4是图1所示的变换器工作在双输出模式下，且为boost型时的等效电路图；
[0020] 图5a是图1所示的变换器工作在双输出模式下，且为buck-boost型时，工作在模态 1的等效电路图；
[0021] 图化为图1所示的变换器工作在双输出模式下，且为buck-boost型时，工作在模态 2的等效电路图；
[0022] 图5c为图I所示的变换器工作在双输出模式下，且为buck-boost型时，工作在模态 3的等效电路图；
[0023] 图6是图1所示的变换器工作在双输入模式下，且为buck型时的等效电路图；
[0024] 图7a是图1所示的变换器工作在双输入模式下，且为boost型时，工作在模态1的等 效电路图；
[0025] 图7b为图1所示的变换器工作在双输入模式下，且为boost型时，工作在模态2的等 效电路图；
[00%]图7c为图1所示的变换器工作在双输入模式下，且为boost型时，工作在模态3的等 效电路图；
[0027] 图8a是图1所示的变换器工作在双输入模式下，且为buck-boost型时，工作在模态 1的等效电路图；
[0028] 图8b为图1所示的变换器工作在双输入模式下，且为buck-boost型时，工作在模态 2的等效电路图；
[0029] 图8c为图1所示的变换器工作在双输入模式下，且为buck-boost型时，工作在模态 3的等效电路图；
[0030] 图9是图1所示的变换器工作在电池单独供电模式下时的等效电路图；
[0031] 图10是图1所示的变换器工作在电池储能模式下，且为buck型时的等效电路图；
[0032] 图11是图1所示的变换器工作在电池储能模式下，且为boost型时的等效电路图；
[0033] 图12是图1所示的变换器工作在电池储能模式下，且为buck-boost型时的等效电 路图；
[0034] 图13是图1所示的变换器工作在输入电压源单独供电模式下，且为buck型时的等 效电路图；
[0035] 图14是图1所示的变换器工作在输入电压源单独供电模式下，且为boost型时的等 效电路图；
[0036] 图15是图1所示的变换器工作在输入电压源单独供电模式下，且为buck-boost型 时的等效电路图；
[0037] 在所有附图中，相同的附图标记用来表示相同的元件或结构，其中:Vin是输入电压 源，L是滤波电感，C。是滤波电容，R。是负载，Si是第一开关管，S2是第二开关管，S3是第=开关 管，Di是第一二极管，化是第二二极管，〇3是第=二极管。
【具体实施方式】
[0038] 为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，W下结合附图及实施例，对 本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用W解释本发明，并 不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所设及到的技术特征只要 彼此之间未构成冲突就可W相互组合。
[0039] 如图1所示，第一种非隔离型=端口直流变换器，包括输入源端口，外接输入电压 源Vin，电池端口，外接电池Vb，负载端口，外接负载R。，第一至第=开关管Si、S2、S3，第一至第 =二极管化、〇2、化，滤波电容C。和滤波电感L，其中：第一开关管Sl的漏极接输入电压源Vin的 正极，第一开关管Si的源极接第一二极管化的阴极和滤波电感L的一端，滤波电感L的另一端 与第二二极管化的阳极和第二开关管S2的漏极相连，第二二极管化的阴极与电池Vb的正极 和第=开关管S3的漏极相连，电池Vb的负极连接第二开关管S2的漏极和第=二极管化的阳 极，第=开关管S3的源极分别连接滤波电容C。的一端与负载R。的一端，滤波电容的另一端与 负载R。另一端、第=二极管化阴极，第一二极管化阳极和输入电压源负端相连。
[0040] 如图2所示，本发明的第二种非隔离型=端口直流变换器，包括输入源端口，外接 输入电压源Vin,电池端口，外接电池化，负载端口，外接负载R。，第一至第S开关管Si、S2、S3， 第一至第=二极管化、〇2、化，滤波电容C。和滤波电感L。，其中：第=二极管化的阳极连接输入 电压源Vin的正端，第=二极管化的阴极分别连接电池化的正端和第二开关管S2的漏极，电池 Vb的负端与第=开关管S3的源极和第二二极管化的阳极相连，第二开关管S2的源极与第二 二极管化的阴极和滤波电感L的一端相连，滤波电感L的另一端与第一二极管化的阳极和第 一开关管Si的漏极相连，第一二极管化的阴极分别连接滤波电容C。的一端与负载R。的一端， 滤波电容C。的另一端分别连接负载R。另一端、第一开关管Si的源极、第=开关管S3的漏极和 输入电压源Vin的负端。
[0041] 本发明的第一种非隔离型=端口直流变换器适用于电池电压化及输出电压V。满足 Vb〉V。的场合。对于输入电压源电压Vin与电池电压Vb之间及输入电压源电压Vin与输出负载 电压V。之间则没有电压限制。本发明的第二种非隔离型=端口直流变换器适用于电池电压 化及输入电压源电压Vin满足化〉Vin的场合。对于负载电压V。与电池电压化之间及输入电压源 电压Vin与输出负载电压V。之间则没有运样的电压限制。由此可见，本发明的两种变换器端 口电压限制少，具有更加广泛的工作范围与更加灵活的工作方式。
[0042] 下面W图1所示的非隔离型=端口直流变换器为例来阐述本发明的工作原理。
[0043] =端口变换器根据工作环境的不同，工作在不同的工作模式下。当输入电压源Vin 功率大于负载V。所需功率时，输入电压源Vin同时给负载V。与电池化供电，该种工作模式称之 为双输出模式；当输入电压源Vin功率小于负载V。所需功率时，输入电压源Vin与电池Vb同时 给负载V。供电，该种工作模式称之为双输入模式；当输入电压源Vin产生功率为零时，电池化 单独给负载V。供电，该种工作模式称之为电池单独供电模式；当负载所需功率为零时，输入 电压源Vin单独给电池Vb充电，该种工作模式称之为电池储能模式；当电池能量充满，并且为 了延长电池使用寿命而断开电池端口时，输入电压源Vin单独给负载V。供电，该种模式称之 为输入电压源单独供电模式。在不同工作环境下，该变换器工作在不同的工作模式。本发明 中的=端口变换器能够实现上述所有的工作模式，因而能够应对不同的工作环境，功能齐 全。
[0044] 同时，该变换器在双输出模式，双输入模式，电池储能模式与输入电压源单独供电 模式中，工作方式有buck型，boost型和buck-boost型;在电池单独供电模式中，工作方式只 有buck型。因而，输入电压源电压Vin与电池电压Vb之间及输入电压源电压Vin与输出负载电 压V。之间没有电压限制，而对于电池电压化及输出电压V。，则需要满足Vb〉Vin。该变换器各工 作类型如下表所示。 r00451
[0046] 下面W图I所示的非隔离型=端口变换器为例来说明本发明的具体工作原理，图2 所示的非隔离型=端口变换器工作原理与之相似。
[0047] 当变换器工作在双输出模式，且为buck型时，第二开关管S2-直关断，通过控制第 一和第=开关管Si、S3的开通和关断来管理系统的功率，变换器的等效电路如图3所示，此时 变换器等效于双输出buck变换器。
[004引当变换器工作在双输出模式，且为boost型时，第一开关管Si-直开通，通过控制 第二和第=开关管S2、S3的开通和关断来管理系统的功率，变换器的等效电路如图4所示，此 时变换器等效于双输出boost变换器。
[0049] 当变换器工作在双输出模式，且为buck-boost型时，模态1:等效电路如图5a所示， 第一开关管和第二开关管Sl、S2导通，第=开关管S3关断，输入电压源Vin给滤波电感L励磁。 模态2:等效电路如图化所示，第一开关管和第二开关管Si、S2关断，第=开关管S3开通，滤波 电感L给负载R。充电。模态3:等效电路如图5c所示，第一、第二和第=开关管Si、S2和S3同时 关断，滤波电感L给电池化充电。
[0050] 当变换器工作在双输入模式，且为buck型时，第S开关管S3-直开通，通过控制第 一和第二开关管Si、S2的开通和关断来管理系统的功率，变换器的等效电路如图6所示，此时 变换器等效于双输入buck变换器。
[0051] 当变换器工作在双输入模式，且为boost型时，模态1:等效电路如图7a所示，第一 开关管和第二开关管Sl、S2导通，第=开关管S3关断，输入电压源Vin给滤波电感L励磁。模态 2:等效电路如图7b所示，第一、第二和第立开关管Sl、S沸S3全部开通，输入电压源Vin与电池 Vb-起通过滤波电感L给负载R。供电。模态3:等效电路如图7c所示，第一开关管和第=开关 管Si、S3导通，第二开关管S2关断，输入电压源Vin通过滤波电感L给负载Rd供电。
[0化2]当变换器工作在双输入模式，且为buck-boost型时，模态1:等效电路如图8a所示， 第一开关管和第二开关管Sl、S2导通，第=开关管S3关断，输入电压源Vin给滤波电感L励磁。 模态2:等效电路如图8b所示，第二开关管和第=开关管S2、S3导通，第一开关管Si关断，电池 通过滤波电感L给负载R。供电。模态3:等效电路如图8c所示，第一开关管和第二开关管Si、S2 关断，第=开关管S3开通，滤波电感L给负载R。供电。
[0053] 当变换器工作在电池单独供电模式时，在该种模式下只有buck型，第一开关管Si 一直关断，第=开关管S3-直开通，通过控制第二开关管S2的开通和关断来控制系统的能 量，变换器等效电路如图9所示，此时变换器等效于buck电路。
[0054] 当变换器工作在电池储能模式时，且为buck型时，第二开关管S2和第S开关管S3都 一直关断，通过控制第一开关管Si的开通和关断来控制系统的能量，变换器等效电路如图 10所示，此时变换器等效于buck电路。
[0055] 当变换器工作在电池储能模式时，且为boost型时，第一开关管Si-直开通，第S 开关管S3-直关断，通过控制第二开关管S2的开通和关断来控制系统的能量，变换器等效电 路如图11所示，此时变换器等效于一个boost电路。
[0化6]当变换器工作在电池储能模式时，且为buck-boost型时，第二开关管S2与第一开 关管Si同时开通和关断，第=开关管S3-直关断，通过控制第一开关管Si的开通和关断来控 制系统的能量，变换器等效电路如图12所示，此时变换器的工作方式等效为一个buck- boost 电路。
[0057]当变换器工作在输入电压源单独供电模式时，且为buck型时，第S开关管S3-直 开通，第二开关管S2-直关断，通过控制第一开关管Sl的开通和关断来控制系统的能量，变 换器等效电路如图13所示，此时变换器等效于一个buck电路。
[005引当变换器工作在输入电压源单独供电模式时，且为boost型时，第一开关管Si-直 开通，第=开关管S3和第二开关管S2互补导通，通过控制第二开关管S2的开通和关断来控制 系统的能量，变换器等效电路如图14所示，此时变换器工作方式等效于一个boost电路。
[0059] 当变换器工作在输入电压源单独供电模式时，且为buck-boost型时，第二开关管 &和第一开关管Si同时导通和关断，第S开关管S3与第一开关管Si互补导通，通过控制第一 开关管Si的开通和关断来控制系统的能量，变换器等效电路如图15所示，此时变换器工作 方式等效于一个buck-boost电路。
[0060] 本领域的技术人员容易理解，W上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用W 限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含 在本发明的保护范围之内。
【主权项】
1. 一种非隔离型三端口直流变换器，其特征在于，包括输入源端口，电池端口，负载端 口，第一开关管、第二开关管、第三开关管，第一二极管、第二二极管、第三二极管，滤波电容 和滤波电感，其中： 所述第一开关管的漏极接输入源端口的正端，第一开关管的源极接第一二极管的阴极 和滤波电感的一端，滤波电感的另一端与第二二极管的阳极和第二开关管的漏极相连，第 二二极管的阴极与电池端口的正端和第三开关管的漏极相连，电池端口的负端连接第二开 关管的漏极和第三二极管的阳极，第三开关管的源极分别连接滤波电容的一端与负载端口 的正端，滤波电容的另一端与负载端口的负端、第三二极管阴极，第一二极管阳极和输入源 端口的负端相连。2. -种非隔离型三端口直流变换器，其特征在于，包括输入源端口，电池端口，负载端 口，第一开关管、第二开关管、第三开关管，第一二极管、第二二极管、第三二极管，滤波电容 和滤波电感，其中： 所述第三二极管的阳极连接输入源端口的正端，第三二极管的阴极分别连接电池端口 的正端和第二开关管的漏极，电池端口的负端与第三开关管的源极和第二二极管的阳极相 连，第二开关管的源极与第二二极管的阴极和滤波电感的一端相连，滤波电感的另一端与 第一二极管的阳极和第一开关管的漏极相连，第一二极管的阴极分别连接滤波电容的一端 与负载端口的正端，滤波电容的另一端分别连接负载端口的负端、第一开关管的源极、第三 开关管的漏极和输入源端口的负端。
【文档编号】H02M3/155GK105978325SQ201610436121
【公开日】2016年9月28日
【申请日】2016年6月17日
【发明人】陈宇, 张鹏程
【申请人】华中科技大学