一種多輸出電平功率變換器的制造方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種多輸出電平功率變換器。該變換器在一個開關(guān)周期內(nèi)，利用一個諧振電感與多個儲能電容發(fā)生諧振，藉此向儲能電容進行儲能。通過控制開關(guān)管的占空比來控制電容所儲能量，從而實現(xiàn)多電平輸出。通過切換開關(guān)，可以使負載上的供電電壓瞬間改變。本發(fā)明只采用了一個很小的諧振電感，并且功率器件較少，拓撲簡單，易于集成，非常適合穩(wěn)態(tài)工作時需要不停切換供電電壓的負載。
【專利說明】一種多輸出電平功率變換器

【技術(shù)領域】
[0001]本發(fā)明涉及功率變換器，尤其涉及一種多輸出電平功率變換器。

【背景技術(shù)】
[0002]隨著電力電子技術(shù)的發(fā)展，功率變換器得到越來越多的應用，如自動化控制、工業(yè)制造、家用電器等。例如對于電力傳統(tǒng)系統(tǒng)，為了減小開關(guān)頻率、提聞控制精度、提聞動態(tài)響應以及提高系統(tǒng)運行的可靠性，需要頻繁切換系統(tǒng)的供電電壓，切換頻率甚至會達到kHz的級別。
[0003]傳統(tǒng)的功率變換器一般為單輸入單輸出，調(diào)節(jié)輸出電壓需要在多個開關(guān)周期內(nèi)完成，不能瞬間調(diào)節(jié)輸出電壓，在上述的需要頻繁切換系統(tǒng)供電電壓的場合，傳統(tǒng)功率變換器不能滿足其快速性的要求。
[0004]采用多個功率變換器并聯(lián)形式的功率變換器，可以解決功率變換器瞬間調(diào)壓的問題，但是結(jié)構(gòu)復雜、功率器件多，電容電感數(shù)量多，成本高。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是針對【背景技術(shù)】的缺陷，提供一種功率器件少、結(jié)構(gòu)簡單、成本低廉、快速調(diào)壓的多輸出電平功率變換器。
[0006]本發(fā)明為解決上述技術(shù)問題采用以下技術(shù)方案:
一種多輸出電平功率變換器，包含電源、諧振電感、第一至第二開關(guān)管、第一至第三二極管、第一至第二輸出端口、m個升壓支路以及η個降壓支路，m、n均為大于等于I的整數(shù)；所述電源的陽極分別與第一開關(guān)管的漏極、第二開關(guān)管的源極、第三二極管的正極相連，陰極分別與第一二極管的正極、第二輸出端口相連；
所述第一開關(guān)管的源極分別與第一二極管的負極、諧振電感的一端相連；
所述第二二極管的正極與諧振電感的另一端相連，負極分別與第二開關(guān)管的漏極、第三二極管的負極相連；
所述升壓支路均包含一個升壓開關(guān)管、一個升壓儲能電容和一個升壓開關(guān)，其中，升壓開關(guān)包含“I”端、“2”端、“3”端三個端口 ；升壓開關(guān)管的漏極與所述第二二極管的負極相連，源極分別與升壓儲能電容的正極、升壓開關(guān)的“I”端相連；升壓儲能電容的負極與所述電源的陰極相連；
所述降壓支路均包含一個降壓開關(guān)管、一個降壓儲能電容和一個降壓開關(guān)，其中，降壓開關(guān)包含“I”端、“2”端、“3”端三個端口 ；降壓開關(guān)管的漏極與所述第二二極管的正極相連，源極分別與降壓儲能電容的正極、降壓開關(guān)的“ I ”端相連；降壓儲能電容的負極與所述電源的陰極相連；
所述m個升壓支路的升壓開關(guān)、η個降壓支路的降壓開關(guān)通過其“3”端、“2”端依次串聯(lián)，且首尾兩端分別和第一輸出端口、第二輸出端口相連。
[0007]作為本發(fā)明一種多輸出電平功率變換器進一步的優(yōu)化方案，所述第一至第二開關(guān)管、升壓開關(guān)管、降壓開關(guān)管采用MOS管、三極管、IGBT中的任意一種。
[0008]本發(fā)明采用以上技術(shù)方案與現(xiàn)有技術(shù)相比，具有以下技術(shù)效果:
1.能夠利用一個功率變換器實現(xiàn)多種電平的輸出，并且通過開關(guān)的控制可以使得負載上的供電電壓實現(xiàn)瞬時的切換；
2.通過對每個輸出電平進行獨立反饋控制，能夠方便的獲取期望電平值；
3.本發(fā)明采用的功率變換器只使用了一個感值很小的諧振電感，采用空心電感即可實現(xiàn)，無需磁性元件，大大減小了體積重量，便于集成，并且提高了系統(tǒng)轉(zhuǎn)換效率；
4.本發(fā)明相比于采用并聯(lián)型變換器的方式，采用了更少的功率器件，結(jié)構(gòu)簡單，控制容易，可靠性更高；
5.TS、TU至Tta為零開通，Tf為零關(guān)斷，因此功率變換器的開關(guān)損耗僅為傳統(tǒng)硬開關(guān)功率變換器的一半。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0009]圖1為本發(fā)明所采用多輸出電平功率變換器電路圖；
圖2為基本1*1階兩輸出電平功率變換器電路圖；
圖3為基本1*1階兩輸出電平功率變換器電感能量流向電壓電平端模態(tài)圖；
圖4為基本1*1階兩輸出電平功率變換器電感能量流向高壓電平端模態(tài)圖；
圖5為基本1*1階兩輸出電平功率變換器電感能量回饋模態(tài)圖；
圖6為基本1*1階兩輸出電平功率變換器工作狀態(tài)波形圖。

【具體實施方式】
[0010]下面結(jié)合附圖對本發(fā)明的技術(shù)方案做進一步的詳細說明:
如圖1所示，本發(fā)明公開了一種多輸出電平功率變換器，包含電源、諧振電感Ls、第一開關(guān)管Ts、第二開關(guān)管Tf、第一二極管D1、第二二極管D2、第三二極管D3、第一至第二輸出端口、m個升壓支路以及η個降壓支路，m、η均為大于等于I的整數(shù)；
所述電源的陽極分別與第一開關(guān)管Ts的漏極、第二開關(guān)管Tf的源極、第三二極管D3的正極相連，陰極分別與第一二極管D1的正極、第二輸出端口相連；
所述第一開關(guān)管Ts的源極分別與第一二極管D1的負極、諧振電感Ls的一端相連；
所述第二二極管D2的正極與諧振電感Ls的另一端相連，負極分別與第二開關(guān)管Tf的漏極、第三二極管D3的負極相連；
所述升壓支路均包含一個升壓開關(guān)管、一個升壓儲能電容和一個升壓開關(guān)，其中，升壓開關(guān)包含“I”端、“2”端、“3”端三個端口 ；升壓開關(guān)管的漏極與所述第二二極管D2的負極相連，源極分別與升壓儲能電容的正極、升壓開關(guān)的“I”端相連；升壓儲能電容的負極與所述電源的陰極相連；
所述降壓支路均包含一個降壓開關(guān)管、一個降壓儲能電容和一個降壓開關(guān)，其中，降壓開關(guān)包含“I”端、“2”端、“3”端三個端口 ；降壓開關(guān)管的漏極與所述第二二極管D2的正極相連，源極分別與降壓儲能電容的正極、降壓開關(guān)的“ I ”端相連；降壓儲能電容的負極與所述電源的陰極相連；
所述m個升壓支路的升壓開關(guān)Thsi至THSm、η個降壓支路的降壓開關(guān)IYsi至I^sn通過其“3”端、“2”端依次串聯(lián)，且首尾兩端分別和第一輸出端口、第二輸出端口相連。
[0011]本發(fā)明的負載兩端分別接第一輸出端口、第二輸出端口。
[0012]變換器階數(shù)m和η可以根據(jù)實際情況靈活選取，例如，一個3*4階的多輸出電平功率變換器就包含3個低壓電平和4個高壓電。每個輸出電平均采用一個獨立的電壓反饋控制。
[0013]圖2所示為一個最基本的1*1階兩輸出電平功率變換器。下面以此為例說明本發(fā)明所采用功率變換器的控制原理，在1*1階兩輸出電平功率變換器中，開關(guān)Thsi可以直接用一個二極管D4替代。
[0014]圖3為基本1*1階兩輸出電平功率變換器電感能量流向電壓電平端模態(tài)圖。此時開關(guān)管Ts、Tli開通，電感Ls和電容Cu發(fā)生諧振，電源Vd向電容Cu儲能。當電容Cu上的電壓Vai達到期望的電壓值后，同時關(guān)閉Ts和TU，LS與Cu的諧振停止。通過控制Ts和Tu的占空比，即可控制輸出電壓Vu。
[0015]圖4為基本1*1階兩輸出電平功率變換器電感能量流向高壓電平端模態(tài)圖。Ts和Tu均關(guān)斷后，開關(guān)管Tf尚未開通，由于電感Ls上的電流不能突變，二極管01、D2和隊被迫使導通，電感Ls與電容Cm發(fā)生諧振。電容Chi上的電壓Vm開始從Vd增加。當Vcm達到期望的電壓值后，開關(guān)管乙導通，二極管隊被關(guān)斷，1^與0?的諧振停止。通過控制開關(guān)管Tf的占空比，即可控制輸出電壓Vm。
[0016]圖5為基本1*1階兩輸出電平功率變換器電感能量回饋模態(tài)圖。開關(guān)管Tf開通后，電感Ls上剩余的能量直接通過開關(guān)管Ts返回至電源。至此，一個開關(guān)周期結(jié)束。之后每個開關(guān)周期將重復第二步至第四步的過程。
[0017]圖6為基本1*1階兩輸出電平功率變換器工作狀態(tài)波形圖。詳細描述了在一個開關(guān)周期內(nèi)，開關(guān)管驅(qū)動信號、電容電壓、電感電流的波形對應關(guān)系。其中to至tl對應圖3所示模態(tài)，tl至t2對應圖4所示模態(tài)，t2至t3對應圖5所示模態(tài)，t3至t4為無動作模態(tài)，直到下一個開關(guān)周期開始。
[0018]以上只是對本發(fā)明的優(yōu)選實施方式進行了描述。對該【技術(shù)領域】的普通技術(shù)人員來說，根據(jù)以上實施方式可以很容易地聯(lián)想到其它的優(yōu)點和變形。因此，本發(fā)明并不局限于上述實施方式，其僅僅作為例子對本發(fā)明的一種形態(tài)進行詳細、示范性的說明。在不背離本發(fā)明宗旨的范圍內(nèi)，本領域普通技術(shù)人員在本發(fā)明技術(shù)的方案范圍內(nèi)進行的通常變化和替換，都應包含在本發(fā)明的保護范圍之內(nèi)。
【權(quán)利要求】
1.一種多輸出電平功率變換器，其特征在于，包含電源、諧振電感、第一至第二開關(guān)管、第一至第三二極管、第一至第二輸出端口、m個升壓支路以及η個降壓支路，m、n均為大于等于I的整數(shù)； 所述電源的陽極分別與第一開關(guān)管的漏極、第二開關(guān)管的源極、第三二極管的正極相連，陰極分別與第一二極管的正極、第二輸出端口相連； 所述第一開關(guān)管的源極分別與第一二極管的負極、諧振電感的一端相連； 所述第二二極管的正極與諧振電感的另一端相連，負極分別與第二開關(guān)管的漏極、第三二極管的負極相連； 所述升壓支路均包含一個升壓開關(guān)管、一個升壓儲能電容和一個升壓開關(guān)，其中，升壓開關(guān)包含“I”端、“2”端、“3”端三個端口 ；升壓開關(guān)管的漏極與所述第二二極管的負極相連，源極分別與升壓儲能電容的正極、升壓開關(guān)的“ I”端相連；升壓儲能電容的負極與所述電源的陰極相連； 所述降壓支路均包含一個降壓開關(guān)管、一個降壓儲能電容和一個降壓開關(guān)，其中，降壓開關(guān)包含“I”端、“2”端、“3”端三個端口 ；降壓開關(guān)管的漏極與所述第二二極管的正極相連，源極分別與降壓儲能電容的正極、降壓開關(guān)的“I”端相連；降壓儲能電容的負極與所述電源的陰極相連； 所述m個升壓支路的升壓開關(guān)、η個降壓支路的降壓開關(guān)通過其“3”端、“2”端依次串聯(lián)，且首尾兩端分別和第一輸出端口、第二輸出端口相連。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的多輸出電平功率變換器，其特征在于，所述第一至第二開關(guān)管、升壓開關(guān)管、降壓開關(guān)管采用MOS管、三極管、IGBT中的任意一種。
【文檔編號】H02M3/07GK104167916SQ201410396444
【公開日】2014年11月26日 申請日期:2014年8月12日 優(yōu)先權(quán)日:2014年8月12日
【發(fā)明者】顧聰, 王曉琳 申請人:南京航空航天大學