一种三端口多向DC/DC变换电路的制作方法

一种三端口多向dc/dc变换电路
技术领域
1.本发明涉及电子电路技术领域，尤其是一种三端口多向dc/dc变换电路。


背景技术：

2.在电池化成、储能等应用场景当中，双向功率变换器的使用在实现了电池充放电过程的同时，大大提高了电路功能的集成化程度，降低了物料成本。所谓双向功率变换器关键在于使用同一功率回路实现电压等级的双向变换和电流的双向流动，即在功能上实现了电能的双向传递。从概念上说，双向功率变换器包含双向dc/dc功率变换器和双向dc/ac功率变换器。
3.值得注意的是，在以上应用中针对同一dc/dc功率变换器而言，如图1所示，能量的流动仅可发生在两个端口a、b 之间，因而能量流动方向也仅有两种工况，工况1是能量从端口a流向端口b，工况2是能量从端口b流向端口a。然而，在实际应用需求中，存在3个端口间任意两个端口间发生能量流动的情况，其能量流动形式有6种工况，如图2所示，这里称为三端口多向dc/dc变换器。现存解决方案如图3所示，通过使用两个双向dc/dc变换器级联的方式可实现端口a、b、c之间任意两个端口间的能量传递，此方式缺点为电路复杂成本高。更重要的是，一般单级dc/dc变换效率参考值为98%，也即是当端口b与端口a二者间或者端口b与端口c二者间发生能量传递的情况，其转换效率参考值为98%，而当端口a与c之间发生能量传递时，需要经过两级dc/dc功率变换，效率折算为98%
×
98%=96%，此工况下效率较低。


技术实现要素：

4.针对上述现有技术中存在的不足，本发明的目的在于提供一种三端口多向传输的且满足任意两个端口间发生能量传递时仅通过一级dc/dc功率变换即可实现，提高了整体效率，同时满足了电气隔离的需求，安全性得以提升的dc/dc变换电路。
5.为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：一种三端口多向dc/dc变换电路，包括变压器、第一功率开关网络、第二功率开关网络和第三功率开关网络，所述变压器为三绕组变压器，将所述变压器的三个绕组分别定义为n1绕组、n2绕组以及n3绕组，所述第一功率开关网络、第二功率开关网络和第三功率开关网络均设置有四个接口，且将四个接口定义为bus+接口、bus-接口、x接口和y接口，所述bus+接口、bus-接口为直流侧接口，所述x接口和y接口为交流侧接口，所述变压器的三个绕组分别连接对应的功率开关网络，且通过所述n1绕组、n2绕组以及n3绕组分别连接第一功率开关网络、第二功率开关网络和第三功率开关网络的x接口和y接口。
6.优选地，所述第一功率开关网络、第二功率开关网络和第三功率开关网络的usb+接口分别连接有第一开关、第二开关以及第三开关，所述第一功率开关网络、第二功率开关网络和第三功率开关网络的bus+接口、bus-接口之间分别连接有第一电容、第二电容和第三电容。
7.优选地，所述n1绕组与第一功率开关网络的x接口之间、n2绕组与第二功率开关网
络的x接口之间、n3绕组与第三功率开关网络的x接口之间分别连接有第一电感、第二电感和第三电感。
8.优选地，所述n1绕组与第一功率开关网络的y接口之间、n2绕组与第二功率开关网络的y接口之间、n3绕组与第三功率开关网络的y接口之间分别连接有第四电容、第五电容和第六电容。
9.优选地，所述第一功率开关网络、第二功率开关网络和第三功率开关网络为全桥开关网络、非对称半桥开关网络和对称半桥开关网络中的一种或多种结合。
10.由于采用了上述方案，本发明主要依靠具备三绕组的变压器作为整体电路上的耦合连接，并依靠变压器的每一个绕组去连接单个功率开关网络，接合对于对应绕组电路之间的通断控制，使只让对应的端口的功率开关网络导通工作，任意两个端口间发生能量传递时，仅通过一级dc/dc功率变换，从而提高了整体效率；同时，依靠变压器作为连接件，可以借助变压器的电气隔离作用，可满足电路中的电气隔离的需求，使得整体电路安全性得以提升。
附图说明
11.图1是本发明背景技术中传统双向dc/dc功率变换器示意图。
12.图2是本发明背景技术中三端口多向dc/dc变换器能量流动形式示意图。
13.图3是本发明背景技术中传统三端口多向dc/dc功率变换方案示意图。
14.图4是本发明实施例的电路结构示意图。
15.图5是本发明实施例的功率开关网络的三种结构形式的示意图。
16.图6是本发明实施例采用全桥开关网络形式的整体电路结构示意图。
17.图7是本发明实施例的控制电路的结构示意图。
具体实施方式
18.为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
19.在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”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装置或元件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”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个所述特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。
20.在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“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。可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。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。
21.如图4至图7所示，本实施例提供的一种三端口多向dc/dc变换电路，包括变压器t1、第一功率开关网络1、第二功率开关网络2和第三功率开关网络3，所述变压器t1为三绕组变压器，将所述变压器t1的三个绕组分别定义为n1绕组、n2绕组以及n3绕组，所述第一功率开关网络1、第二功率开关网络2和第三功率开关网络3均设置有四个接口，且将四个接口定义为bus+接口、bus-接口、x接口和y接口，所述bus+接口、bus-接口为直流侧接口，所述x接口和y接口为交流侧接口，所述变压器t1的三个绕组分别连接对应的功率开关网络，且通过所述n1绕组、n2绕组以及n3绕组分别连接第一功率开关网络1、第二功率开关网络2和第三功率开关网络3的x接口和y接口。其中，所述第一功率开关网络1、第二功率开关网络2和第三功率开关网络3的usb+接口分别连接有第一开关k1、第二开关k2以及第三开关k3，所述第一功率开关网络1、第二功率开关网络2和第三功率开关网络3的bus+接口、bus-接口之间分别连接有第一电容c1、第二电容c2和第三电容c3。
22.进一步，所述n1绕组与第一功率开关网络1的x接口之间、n2绕组与第二功率开关网络2的x接口之间、n3绕组与第三功率开关网络3的x接口之间分别连接有第一电感l1、第二电感l2和第三电感l3。
23.进一步，所述n1绕组与第一功率开关网络1的y接口之间、n2绕组与第二功率开关网络2的y接口之间、n3绕组与第三功率开关网络3的y接口之间分别连接有第四电容c4、第五电容c5和第六电容c6。
24.本实施例的电路结构存在3个端口，如图4和图6所示，分别为端口dc1、端口dc2、端口dc3，此电路可实现上述3个端口间的任意2个端口间发生单级功率变换的能量传递。
25.具体表现为：3个端口电路通过一个3绕组变压器t1实现电路上的耦合连接，这3个绕组匝数分别为n1绕组、n2绕组、n3绕组。3个端口电路中都分别包含一功率开关网络，分别为第一功率开关网络1、第二功率开关网络2和第三功率开关网络3，而对于功率开关网络具体拓扑形式有3种，如图5所示，功率开关网络由功率开关管单独构成或者由功率开关管和电容构成，其中功率开关管包含但不限于mosfet和igbt之类的可实现高速通断功率半导体器件，开关频率从几khz到几百khz不等，总体为全桥开关网络、非对称半桥开关网络和对称半桥开关网络中的一种或多种结合。
26.具体地，从dc1端口看进去，经由第一开关k1进入滤波作用的第一电容c1两端，进而连接至第一功率开关网络1的直流接口bus1+、bus1
‑ꢀ
，交流接口x1、y1分别连接至由第一电感l1、变压器t1的n1绕组、第四电容c4构成的回路。
27.从dc2端口看进去，经由第二开关k2进入滤波作用的第二电容c2两端，进而连接至第二功率开关网络2的直流接口bus2+、bus2
‑ꢀ
，交流接口x2、y2分别连接至由第二电感l2、变压器t1的n2绕组、第五电容c5构成的回路。
28.从dc3端口看进去，经由第三开关k3进入滤波作用的第三电容c3两端，进而连接至第三功率开关网络3的直流接口bus3+、bus3
‑ꢀ
，交流接口x3、y3分别连接至由第三电感l3、变压器t1的n3绕组、第六电容c6构成的回路。
29.同时，需要特别说明的是：由于具体应用需求不同，本实施例中所指通第一开关k1、第二开关k2、第三开关k3包含但不限于继电器、断路器等实现电气通断功能的器件，也可根据具体需求省去第一开关k1、第二开关k2、第三开关k三者其中之一，例如某应用中第
三开关k3为始终闭合状态，那么第三开关k3可省去。第一电感l1、第二电感l2、第三电感l3为电路意义上的元件，在工艺实现上不限于由单个具体元件实现，也可由其他工艺方式如变压器漏感等效实现。第四电容c4、第五电容c5、第六电容c6为电路意义上的元件，可根据实际电路参数设计与控制方式的不同做出不同的等效实现，以第五电容c5为例有如下几种情况视为等效实现：1.第五电容c5取值很大的情况下可等效为短路，则略去第五电容c5元件视为等效；2.若功率开关网络采用对称半桥时(图4中的第三个)，第五电容c5可等效至功率开关网络的cx、cy处，此时略去第五电容c5而采用对称半桥视为等效；3.dc1端口与dc2端口进行能量传递时，第四电容c4、第五电容c5可等效为仅保留等效参数第四电容c4同时略去第五电容c5，此时略去第五电容c5而保留第四电容c4视为等效。
30.而对于本实施例的电路具体工况描述，则特以功率开关网络采用全桥开关网络进行举例说明，具体如下：本电路具体工作时，需连接控制电路，控制电路为常规的现有控制电路，具体构造如图7所示，101为系统的核心控制器，包含但不限于dsp、arm等具备模拟量采样、pwm输出功能并实现环路控制的控制器。控制器101所需模拟采样分为电压采样和电流采样，所需电压采样为3个端口电压vdc1、vdc2、vdc3经由电压采样电路102进行信号处理后送至控制器101，所需电流采样为流入（出）3个端口的电流cs1、cs2、cs3，经由电流采样电路103进行信号处理后送至控制器101。控制器101发出的驱动信号经由驱动电路106对功率开关网络中的功率开关管q1~q12进行开关控制。另外，控制器101根据需求，经由继电器驱动电,105对继电器第一开关k1、第二开关k2、第三开关k3进行逻辑控制。最后，控制器101配置通讯口经由对外通讯接口电路104实现变换器状态、参数的显示、指令收发等信息交互通道。
31.而本实施例具体便存在6种工况，具体如下：工况1：工况1：dc1端口向dc2端口传递能量。
32.此工况下，dc1端口为源侧，dc2端口为载侧。第一开关k1、第二开关k2闭合，第三开关k3断开，n3绕组所在电路开路。控制器101根据采样信号vdc1、vdc2、cs1、cs2，发出驱动信号驱动功率开关管q1、q2、q3、q4对电压dc1进行斩波调制，激励n1绕组、n2绕组所在回路产生交流电流，同时控制器101发出驱动信号对q5、q6、q7、q8构成的全桥网络进行整流控制（包含不控整流），再由第二电容c2滤波后输出所需直流电压至dc2端口。
33.工况2：dc2端口向dc1端口传递能量。
34.此工况下，dc2端口为源侧，dc1端口为载侧。第一开关k1、第二开关k2闭合，第三开关k3断开，n3绕组所在电路开路。控制器101根据采样信号vdc1、vdc2、cs1、cs2，发出驱动信号驱动功率开关管q5、q6、q7、q8对电压dc2进行斩波调制，激励n1绕组、n2绕组所在回路产生交流电流，同时控制器101发出驱动信号对q1、q2、q3、q4构成的全桥网络进行整流控制（包含不控整流），再由第一电容c1滤波后输出所需直流电压至dc1端口。
35.工况3：dc1端口向dc3端口传递能量。
36.此工况下，dc1端口为源侧，dc3端口为载侧。第一开关k1、第三开关k3闭合，第二开关k2断开，n2绕组所在电路开路。控制器101根据采样信号vdc1、vdc3、cs1、cs3，发出驱动信
号驱动功率开关管q1、q2、q3、q4对电压dc1进行斩波调制，激励n1绕组、n3绕组所在回路产生交流电流，同时控制器101发出驱动信号对q9、q10、q11、q12构成的全桥网络进行整流控制（包含不控整流），再由第三电容c3滤波后输出所需直流电压至dc3端口。
37.工况4：dc3端口向dc1端口传递能量。
38.此工况下，dc3端口为源侧，dc1端口为载侧。第一开关k1、第三开关k3闭合，第二开关k2断开，n2绕组所在电路开路。控制器101根据采样信号vdc1、vdc3、cs1、cs3，发出驱动信号驱动功率开关管q9、q10、q11、q12对电压dc3进行斩波调制，激励n1绕组、n3绕组所在回路产生交流电流，同时控制器101发出驱动信号对q1、q2、q3、q4构成的全桥网络进行整流控制（包含不控整流），再由第一电容c1滤波后输出所需直流电压至dc1端口。
39.工况5：dc2端口向dc3端口传递能量。
40.此工况下，dc2端口为源侧，dc3端口为载侧。第二开关k2、第三开关k3闭合，第一开关k1断开，n1绕组所在电路开路。控制器101根据采样信号vdc2、vdc3、cs2、cs3，发出驱动信号驱动功率开关管q5、q6、q7、q8对电压dc2进行斩波调制，激励n2绕组、n3绕组所在回路产生交流电流，同时控制器101发出驱动信号对q9、q10、q11、q12构成的全桥网络进行整流控制（包含不控整流），再由第三电容c3滤波后输出所需直流电压至dc3端口。
41.工况6：dc3端口向dc2端口传递能量。
42.此工况下，dc3端口为源侧，dc2端口为载侧。第二开关k2、第三开关k3闭合，第一开关k1断开，n1绕组所在电路开路。控制器101根据采样信号vdc2、vdc3、cs2、cs3，发出驱动信号驱动功率开关管q9、q10、q11、q12对电压dc3进行斩波调制，激励n2绕组、n3绕组所在回路产生交流电流，同时控制器101发出驱动信号对q5、q6、q7、q8构成的全桥网络进行整流控制（包含不控整流），再由第二电容c2滤波后输出所需直流电压至dc2端口。
43.其中，以上过程控制方式包含但不限于占空比控制、变频控制、移相控制或上述方式的混合组合控制等。
44.以上仅为本发明的优选实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。

技术特征：
1.一种三端口多向dc/dc变换电路，其特征在于：包括变压器、第一功率开关网络、第二功率开关网络和第三功率开关网络，所述变压器为三绕组变压器，将所述变压器的三个绕组分别定义为n1绕组、n2绕组以及n3绕组，所述第一功率开关网络、第二功率开关网络和第三功率开关网络均设置有四个接口，且将四个接口定义为bus+接口、bus-接口、x接口和y接口，所述bus+接口、bus-接口为直流侧接口，所述x接口和y接口为交流侧接口，所述变压器的三个绕组分别连接对应的功率开关网络，且通过所述n1绕组、n2绕组以及n3绕组分别连接第一功率开关网络、第二功率开关网络和第三功率开关网络的x接口和y接口。2.如权利要求1所述的一种三端口多向dc/dc变换电路，其特征在于：所述第一功率开关网络、第二功率开关网络和第三功率开关网络的usb+接口分别连接有第一开关、第二开关以及第三开关，所述第一功率开关网络、第二功率开关网络和第三功率开关网络的bus+接口、bus-接口之间分别连接有第一电容、第二电容和第三电容。3.如权利要求2所述的一种三端口多向dc/dc变换电路，其特征在于：所述n1绕组与第一功率开关网络的x接口之间、n2绕组与第二功率开关网络的x接口之间、n3绕组与第三功率开关网络的x接口之间分别连接有第一电感、第二电感和第三电感。4.如权利要求3所述的一种三端口多向dc/dc变换电路，其特征在于：所述n1绕组与第一功率开关网络的y接口之间、n2绕组与第二功率开关网络的y接口之间、n3绕组与第三功率开关网络的y接口之间分别连接有第四电容、第五电容和第六电容。5.如权利要求4所述的一种三端口多向dc/dc变换电路，其特征在于：所述第一功率开关网络、第二功率开关网络和第三功率开关网络为全桥开关网络、非对称半桥开关网络和对称半桥开关网络中的一种或多种结合。

技术总结
本发明公开一种三端口多向DC/DC变换电路。包括变压器、第一功率开关网络、第二功率开关网络和第三功率开关网络，所述变压器为三绕组变压器，所述变压器的三个绕组分别连接对应的功率开关网络。本发明主要依靠具备三绕组的变压器作为整体电路上的耦合连接，并依靠变压器的每一个绕组去连接单个功率开关网络，接合对于对应绕组电路之间的通断控制，使只让对应的端口的功率开关网络导通工作，任意两个端口间发生能量传递时，仅通过一级DC/DC功率变换，从而提高了整体效率；同时，依靠变压器作为连接件，可以借助变压器的电气隔离作用，可满足电路中的电气隔离的需求，使得整体电路安全性得以提升。得以提升。得以提升。


技术研发人员：张艳 孙蕾 黄宪平 林丹娜
受保护的技术使用者：国梦电匠（深圳）科技有限公司
技术研发日：2023.08.11
技术公布日：2023/10/15