一种磁集成与零端口电流纹波的三端口变换器的制造方法
【专利摘要】本发明提供了一种磁集成与电流纹波抵消的三端口变换器，采用磁集成技术，减少了磁环的数量，也减少了驱动耦合变压器的个数，很大程度上减小了整机的体积、重量；利用电流纹波抵消支路，使得三端口流经的电流纹波很小，近似为零。本发明的三端口变换器减小了电磁干扰影响，同时节省了滤波成本，使得母线电流、电池电流更平缓。
【专利说明】一种磁集成与零端口电流纹波的三端口变换器
【技术领域】
[0001] 本发明涉及电源变换器，尤其涉及一种三端口变换器。
【背景技术】
[0002] 太阳能电池-蓄电池直流电源系统中一般以太阳能作为输入源，蓄电池作为备用 电源，共同向负载进行供电，由于需要同时管理输入源、蓄电池和负载三者的功率，一般需 要采用两个或多个变换器共同完成系统功率管理的任务，各变换器分散控制，系统体积大、 重量大，且存在多级功率变换，系统效率较低。现有技术如附图1所示，通常采用三端口变 换器代替多个独立的变换器来实现系统的功率管理，采用分立磁元件实现三端口的能量流 动，实现了产品化应用，其特点在于各端口通过变压器绕组相互隔离，其存在的问题及缺陷 是：
[0003] 1)使用独立的磁环电感，包括高边MOS管的变压器耦合驱动，没有采用磁集成技 术，磁元件较多；
[0004] 2)各端口输入输出纹波较大，滤波电容也较多；器件多，体积、重量较大，占用了 更多的空间，减小了功率密度；
[0005] 3)变压器隔离驱动对开关管开关控制的不足。
【发明内容】
[0006] 为了解决现有技术中问题，本发明提出了一种磁集成与零端口电流纹波的三端口 变换器，能够减少了磁环的数量和驱动耦合变压器的个数，同时，减小了电磁干扰影响，使 得三端口流经的电流纹波几乎为零。
[0007] 本发明通过如下技术方案实现：
[0008] -种磁集成与零端口电流纹波的三端口变换器，包括：太阳能电池SA输入端Vsa、 母线端Vbus和蓄电池端Vbat，磁集成磁环的superboost电路，双向superbuck电路，电流纹 波抵消支路1、支路2和支路3 ;所述太阳能电池SA通过所述磁集成磁环的superboost电 路单向对母线端传递能量，所述磁集成磁环的superboost电路包括SA输入电容Cin、母线滤 波电容Cbus、N-M0SFET管Q1、Q2、电感LN8、LN4、LN5;所述蓄电池通过所述双向SuperBuck电路 双向对母线端传递能量，所述双向SuperBuck电路包括N-M0S管Q3、Q4、BUCK电路的续流电 感LN1、电感LN5、LN9、L_蓄电池端滤波电容Cbat;其中，输入电容Cin与太阳能电池恒流源并 联；母线滤波电容的Cbus-端连母线输出端，另一端接地；N-M0SFET管Q1的栅极通过驱动 电感LN8连驱动电路1，电感LN8的同名端连Q1的栅极，Q1的漏极连SA的输入端，Q1的源极 连电感LN5的同名端，LN5的异名端接地；Q2的源极连SA的输入端，Q2的漏极连电感LN4的 同名端，Q2的栅极连驱动电路2,电感LN4的异名端连母线输出端；电容C1的一端连LN4的 同名端，另一端连LN5的同名端；蓄电池端滤波电容Cbat与蓄电池并联，Q3的漏极连Q2的漏 极，Q3的源极连Q4的漏极，Q3的栅极连的L_的同名端，L_的异名端连驱动电路3 ;Q4的 源极连LN5的同名端，Q4的栅极连驱动电感LN9的同名端，LN9的异名端连驱动电路4 ;Q3的 源极连BUCK电路的续流电感LN1的同名端，LN1的异名端连蓄电池的输入端；所述电感LN5、LN4、LN8、LN9绕在磁环1上，所述电感Ln1、L_绕在另一个磁环2上；所述电流纹波抵消支路1 和支路2用于抵消太阳能输入侧的电流纹波，所述电流纹波抵消支路3用于抵消电池侧的 电流纹波，所述电流纹波抵消支路由一个独立电感，一个绕在磁环上的绕组和一个薄膜电 容串联而成。
[0009] 进一步地，所述电流纹波抵消支路1包括电感L7、LN7和电容C3,其中，电感L7的 一端连SA的输入端，另一端连LN7的同名端，LN7的异名端通过电容C3接地；所述电流纹波 抵消支路2包括电感L2、LN2和电容C2,其中，电感L2的一端连SA的输入端，另一端连LN2 的同名端，LN2的异名端通过电容C2接地；所述电流纹波抵消支路3包括电感L3、LN3和电 容C4,其中，电感LN3的异名端连蓄电池的输入端，同名端连电感L3的一端，L3的另一端通 过电容C4接地，所述LN7绕在磁环1上，所述LN2、LN3绕在磁环2上。
[0010] 本发明的有益效果是：本发明提供的磁集成与电流纹波抵消的三端口变换器应用 于太阳能电池与蓄电池直流电源系统、航天电源系统，航空电源系统和航海电源系统。其改 进的结构可以减小体积、重量，减少滤波器件，减小输入输出纹波，提高功率密度、稳定性。
【专利附图】
【附图说明】
[0011] 图1是现有技术中的三端口变换器电路图；
[0012] 图2是本发明的磁集成与零端口电流纹波的三端口变换器电路图；
[0013] 图3是本发明的三端口变换器的简化电路图。
【具体实施方式】
[0014] 下面结合【专利附图】
【附图说明】及【具体实施方式】对本发明进一步说明。
[0015] 如附图2所示的是本发明的磁集成与电流纹波抵消的三端口变换器电路图。所述 变换器包括太阳能电池SA输入端Vsa、母线端Vbus和蓄电池端Vbat，磁集成磁环的superboost 电路，双向superbuck电路，电流纹波抵消支路1、支路2和支路3。
[0016] 左半部分是磁集成磁环的superboost电路。所述太阳能电池SA通过所述磁集成 磁环的superboost电路单向对母线端传递能量，所述磁集成磁环的superboost电路包括 SA输入电容Cin(薄膜电容15uF)、母线滤波电容Cbus(电容阵）、N-M0SFET管Ql、Q2(型号 IRFP90N20D，负责升压）、电感LN8、LN4;所述蓄电池通过所述双向SuperBuck电路双向对母 线端传递能量，所述双向SuperBuck电路包括N-M0S管Q3、Q4 (型号IRFP90N20D)、BUCK电 路的续流电感Lm(80uH)、电感LN5、LN9、LN1Q、蓄电池端滤波电容Cbat (15uF);其中，输入电容Cin 与太阳能电池恒流源并联；母线滤波电容的Cbus-端连母线输出端，另一端接地；N-M0SFET 管Q1的栅极通过驱动电感LN8连驱动电路1，电感LN8的同名端连Q1的栅极，Q1的漏极连 SA的输入端，Q1的源极连电感LN5的同名端，LN5的异名端接地；Q2的源极连SA的输入端， Q2的漏极连电感LN4的同名端，Q2的栅极连驱动电路2,电感LN4的异名端连母线输出端；电 容C1的一端连LN4的同名端，另一端连LN5的同名端；蓄电池端滤波电容Cbat与蓄电池并联， Q3的漏极连Q2的漏极，Q3的源极连Q4的漏极，Q3的栅极连的L_的同名端，1^1(|的异名端 连驱动电路3 ;Q4的源极连LN5的同名端，Q4的栅极连驱动电感LN9的同名端，LN9的异名端 连驱动电路4 ;Q3的源极连BUCK电路的续流电感LN1的同名端，LN1的异名端连蓄电池的输 入端；所述电流纹波抵消支路1和支路2用于抵消太阳能输入侧的电流纹波，所述电流纹波 抵消支路3用于抵消电池侧的电流纹波，所述电流纹波抵消支路由一个独立电感，一个绕 在磁环上的绕组和一个薄膜电容串联而成。
[0017] 所述电流纹波抵消支路1包括电感L7、LN7和电容C3,其中，电感L7的一端连SA 的输入端，另一端连LN7的同名端，LN7的异名端通过电容C3接地；所述电流纹波抵消支路 2包括电感L2、LN2和电容C2,其中，电感L2的一端连SA的输入端，另一端连LN2的同名端， LN2的异名端通过电容C2接地；所述电流纹波抵消支路3包括电感L3、LN3和电容C4,其中， 电感LN3的异名端连蓄电池的输入端，同名端连电感L3的一端，L3的另一端通过电容C4接 地，所述电感LN4、LN5、LN7、LN8、1^9绕在磁环1上，所述LN1、LN2、LN3、LN1(I绕在磁环2上。
[0018] 所述电感LN4的异名端与母线输出端之间有一个固态限流欠压保护器，所述电感 LN1的异名端与电池端之间也有一个固态限流欠压保护器。
[0019] 所述固态限流欠压保护器由N-MOSFET管和二极管组成，所述二极管的正极连 N-MOSFET管的源极，负极连N-MOSFET管的漏极。
[0020] 所述Q2、Q3、Q4的源极和漏极之间有二极管，所述二极管的正极连源极，负极连漏 极。
[0021] 附图3是本发明的三端口变换器的简化电路图，其中，Q1和Q2信号互补，Q3和Q4 信号互补。Q3、Q4互补导通，当为电池充电时，利用Q3实现BUCK功能，当电池放电时，利用
【权利要求】
1. 一种磁集成与零端口电流纹波的三端口变换器，其特征在于：所述三端口变换器包 括：太阳能电池SA输入端V sa、母线端Vbus和蓄电池端Vbat，磁集成磁环的superboost电路， 双向superbuck电路，电流纹波抵消支路1、支路2和支路3 ;所述太阳能电池SA通过所述 磁集成磁环的superboost电路单向对母线端传递能量，所述磁集成磁环的superboost电 路包括SA输入电容C in、母线滤波电容Cbus、N-MOSFET管Ql、Q2、电感LN8、L N4、Ln5;所述蓄 电池通过所述双向SuperBuck电路双向对母线端传递能量，所述双向SuperBuck电路包括 N-MOS管Q3、Q4、BUCK电路的续流电感L ni、电感LN5、LN9、Lmtl、蓄电池端滤波电容C bat;其中， 输入电容Cin与太阳能电池恒流源并联；母线滤波电容的Cbus-端连母线输出端，另一端接 地；N-MOSFET管Ql的栅极通过驱动电感L n8连驱动电路1，电感Ln8的同名端连Ql的栅极， Ql的漏极连SA的输入端，Ql的源极连电感L n5的同名端，Ln5的异名端接地；Q2的源极连SA 的输入端，Q2的漏极连电感Ln4的同名端，Q2的栅极连驱动电路2,电感L n4的异名端连母线 输出端；电容Cl的一端连Ln4的同名端，另一端连L N5的同名端；蓄电池端滤波电容C bat与 蓄电池并联，Q3的漏极连Q2的漏极，Q3的源极连Q4的漏极，Q3的栅极连的Lnici的同名端， L mtl的异名端连驱动电路3 ;Q4的源极连Ln5的同名端，Q4的栅极连驱动电感Ln9的同名端， Ln9的异名端连驱动电路4 ;Q3的源极连BUCK电路的续流电感Lni的同名端，Lni的异名端连 蓄电池的输入端；所述电感L N4、LN5、LN8、Ln9绕在磁环1上，所述电感L N1、Lnici绕在另一个磁 环2上；所述电流纹波抵消支路1和支路2用于抵消太阳能输入侧的电流纹波，所述电流纹 波抵消支路3用于抵消电池侧的电流纹波，所述电流纹波抵消支路由一个独立电感，一个 绕在磁环上的绕组和一个薄膜电容串联而成。
2. 根据权利要求1所述的磁集成与零端口电流纹波的三端口变换器，其特征在于：所 述电流纹波抵消支路1包括电感L7、LN7和电容C3,其中，电感L7的一端连SA的输入端，另 一端连L n7的同名端，Ln7的异名端通过电容C3接地；所述电流纹波抵消支路2包括电感L2、 Ln2和电容C2,其中，电感L2的一端连SA的输入端，另一端连Ln2的同名端，Ln2的异名端通 过电容C2接地；所述电流纹波抵消支路3包括电感L3、L n3和电容C4，其中，电感L N3的异名 端连蓄电池的输入端，同名端连电感L3的一端，L3的另一端通过电容C4接地，所述Ln7绕 在磁环1上，所述L n2、Ln3绕在磁环2上。
3. 根据权利要求2所述的磁集成与零端口电流纹波的三端口变换器，其特征在于：电 容C2与C3合为一个电容。
4. 根据权利要求1所述的磁集成与零端口电流纹波的三端口变换器，其特征在于：所 述N-MOS管Q3、Q4互补导通，当为蓄电池充电时，利用Q3实现BUCK功能，当蓄电池放电时， 利用Q4实现升压功能。
5. 根据权利要求1所述的磁集成与零端口电流纹波的三端口变换器，其特征在于：所 述Ql和Q4直接采用两个绕组进行驱动，Q2和Q3经过自举电平实现高边驱动。
6. 根据权利要求1所述的磁集成与零端口电流纹波的三端口变换器，其特征在于：所 述电感Ln4的异名端与母线输出端之间有一个固态限流欠压保护器，所述电感L ni的异名端 与电池端之间也有一个固态限流欠压保护器。
7. 根据权利要求1所述的磁集成与零端口电流纹波的三端口变换器，其特征在于：所 述固态限流欠压保护器由N-MOSFET管和二极管组成，所述二极管的正极连N-MOSFET管的 源极，负极连N-MOSFET管的漏极。
8.根据权利要求1所述的磁集成与零端口电流纹波的三端口变换器，其特征在于：所 述Q2、Q3、Q4的源极和漏极之间有二极管，所述二极管的正极连源极，负极连漏极。
【文档编号】H02M3/335GK104518672SQ201410677018
【公开日】2015年4月15日 申请日期:2014年11月21日 优先权日:2014年11月21日
【发明者】朱洪雨, 张东来, 朱基伟, 张博温 申请人:深圳市航天新源科技有限公司