一种集成三端口功率变换器的制作方法

本发明涉及本发明属于电力电子功率变换领域，具体涉及到在电动汽车应用中的三端口功率变换器。

背景技术：

随着新能源发展，尤其是电动汽车的发展，出现了多端口之间的功率变换需求，且部分端口功率变换需求为双向传输。而目前在电动汽车中实际应用情况为：从电网整流直流高压端到高压储能电池端，基本采用ac/dc变换器来实现，一般称为充电机；而从高压储能电池端返回到电网端直流高压采用dc/ac变换器来实现,一般称为逆变器（部分低端需求不配置该逆变模块）；从高压储能电池端到低压电器（电池）端则采用dc/dc变换器来实现；从电网整流直流高压端到低压电器端，目前没有相对应的模块来实现。为了完成以上功能，目前至少采用三个以上模块来实现，成本高、体积大、重量重；又由于模块间分开控制，很难得到最优化设计；可靠性也存在较大挑战。

技术实现要素：

为了克服电动汽车功率变换中存在的分开控制、成本高、可靠性较差的不足，本发明提供一种集中控制、成本低、可靠性良好的集成三端口功率变换器。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：

一种集成三端口功率变换器，所述功率变换器包括具有三个独立绕组的变压器、第一电压型逆变单元、第二电压型逆变单元、输出整流单元、控制模块单元以及端口p1、p2和p3，其中，一个端口p3作为负载端口，另外两个端口p1、p2作为源或负载端口；端口p3与输出整流单元连接，所述端口p1与第一电压型逆变单元连接，所述端口p2与第二电压型逆变单元连接，其中一个变压器的独立绕组与所述输出整流单元连接，所述第一电压型逆变单元、第二电压型逆变单元分别与变压器的另外两个独立绕组连接，所述第一电压型逆变单元、第二电压型逆变单元、输出整流单元的受控开关均与所述控制模块单元连接。

进一步，所述功率变换器还包括第一阻抗匹配单元和第二阻抗匹配单元，所述第一电压型全桥单元与所述第一阻抗匹配单元连接，所述第一阻抗匹配单元与变压器的另外两个独立绕组中的一个独立绕组连接；所述第二电压型全桥单元与所述第二阻抗匹配单元连接，所述第二阻抗匹配单元与变压器的另外两个独立绕组中的另一个独立绕组连接。

再进一步，所述第一阻抗匹配单元和/或第二阻抗匹配单元采用一个电感。

所述变压器为在同一个铁芯上设有三个独立绕组，所述三个独立绕组之间相互电气隔离。

所述第一电压型逆变单元和第二电压型逆变单元均为电压型全桥单元，所述电压型全桥单元由四个功率管组成两个并联桥臂，桥臂一个中点连接一电容，通过该电容与阻抗匹配单元相连，桥臂另外一个中点与阻抗匹配单元相连。当然，也可以是半桥形式。

所述输出整流单元为全波整流单元，所述由两个功率管和一个电感组成，其中两个功率管和电感分别与三绕组变压器的一个独立端口相连，两个功率管另外一端相连之后与端口p3相连，电感另外一端与端口p3相连。当然，也可以是半波形式。

所述的控制模块单元包括用于采集各端口的电压和电流信号的采样和隔离电路、调理电路、计算和控制电路以及隔离和驱动电路，所述采样和隔离电路与调理电路连接，所述调理电路与所述计算和控制电路连接，所述计算和控制电路与所述隔离和驱动电路连接。可以采用dsp或arm等带有数字运算处理的芯片。

所述第一电压型逆变单元和第二电压型逆变单元中，所述功率管为可控开关管。如mos管、igbt等。

所述输出整流单元中，功率管，为不可控功率二极管或可控开关管，如mos管等。

本发明的技术构思为：三端口双向变换器作为多端口变换器的特例，已然成为一个新的研究热点，其源于新能源之应用，尤其是光伏、风力发电和电池储能等应用，各端口采用电压型/电流型全桥单元、电压型/电流型半桥单元、电压型/电流型升压单元，或其组合，各端口之间功率可采用双向变换。

结合以上三端口双向变换器的研究，并从电动汽车实际应用出发，本发明提出一种集成三端口功率变换器，将有效降低成本，提高产品的可靠性和控制的灵活性，具有很强的市场应用前景。

该集成三端口功率变换器，通过集中控制，控制不同单元的功率管，来实现端口p1和p2之间功率转换为双向的，端口p1和p2对端口p3之间功率转换为单向的，从而实现：电网整流而来的直流高压（p2或p1）对高压储能电池电压（p1或p2）和低压电器（电池）（p3）进行充电，高压储能电池电压（p1或p2）可以通过逆变向电网直流高压（p2或p1）返回能量，高压储能电池电压（p1或p2）向低压电器（电池）（p3）进行充电。如此设计，通过一个模块实现三个以上的模块功能，有效降低器件数量，降低成本，减小体积，提高可靠性，使得应用该技术之产品具有很强的市场竞争力。

本发明的有益效果主要表现在：将该发明应用到电动汽车上，可以取代目前在电动汽车使用的多个模块，达到降低成本、减小体积和降低重量。通过系统控制，达到最优化设计，将产生较大的社会效益。

附图说明

图1是本发明第一较佳实施例的拓扑线路图；

图2是本发明第二较佳实施例的拓扑线路图；

图3是本发明第三较佳实施例的拓扑线路图；

图4是本发明第四较佳实施例的拓扑线路图；

图5是本发明第五较佳实施例的拓扑线路图；

图6是本发明第六较佳实施例的拓扑线路图；

图7是本发明第七较佳实施例的拓扑线路图；

图8是本发明第八较佳实施例的拓扑线路图；

图9是控制模块单元的原理框图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步描述。

参照图1～图9，一种集成三端口功率变换器，所述功率变换器包括具有三个独立绕组的变压器20、第一电压型逆变单元21、第二电压型逆变单元22、输出整流单元23、控制模块单元11以及端口p1、p2和p3，其中，一个端口p3作为负载端口，另外两个端口p1、p2作为源或负载端口；端口p3与输出整流单元23连接，所述端口p1与第一电压型逆变单元21连接，所述端口p2与第二电压型逆变单元22连接，其中一个变压器的独立绕组与所述输出整流单元23连接，所述第一电压型逆变单元21、第二电压型逆变单元22分别与变压器20的另外两个独立绕组连接，所述第一电压型逆变单元21、第二电压型逆变单元22、输出整流单元23的受控开关均与所述控制模块单元11连接。

进一步，所述功率变换器还包括第一阻抗匹配单元24和第二阻抗匹配单元25，所述第一电压型逆变单元21与所述第一阻抗匹配单元24连接，所述第一阻抗匹配单元24与变压器的另外两个独立绕组中的一个独立绕组连接；所述第二电压型逆变单元22与所述第二阻抗匹配单元25连接，所述第二阻抗匹配单元25与变压器的另外两个独立绕组中的另一个独立绕组连接。

再进一步，所述第一阻抗匹配单元24和/或第二阻抗匹配单元25采用一个电感。

如图1所示，揭示有本发明第一较佳实施例的详细拓扑图，主要包括如下。

控制模块单元11，包括信号采样和隔离电路，信号调理电路，计算和控制电路，输出隔离和驱动电路，图9为其详细功能框图；

变压器20，为一个具有三个独立绕组的变压器，三个绕组共同绕制在同一个铁芯上，且三绕组间电气完全隔离。绕组a1b1与第一阻抗匹配单元24相连，绕组a2b2与第二阻抗匹配单元25相连，绕组a3n3b3与输出整流单元相连，其中a3和b3分别与功率管s9和s10一端相连，n3与电感l3一端相连。

第一阻抗匹配单元24，为一电感l1，l1一端连接变压器绕组a1b1中a1，另外一端与电压全桥单元中c1一端相连。

第二阻抗匹配单元25，为一电感l2，l2一端连接变压器绕组a2b2中a2，另外一端与电压全桥单元中c2一端相连。

第一电压型逆变单元21，由四个开关管s1、s2、s3、s4和电容c1组成，s1与s2串联组成一个桥臂，且中点与电容c1一端相连；s3与s4串联组成另外一个桥臂，且中点直接与变压器绕组a1b1中b1相连。s1与s3和s2与s4连接点直接输出作为端口p1。

第二电压型逆变单元22，由四个开关管s5、s6、s7、s8和电容c2组成，s5与s6串联组成一个桥臂，且中点与电容c2一端相连；s7与s8串联组成另外一个桥臂，且中点直接与变压器绕组a2b2中b2相连。s5与s7和s6与s8连接点直接输出作为端口p2。

输出整流单元23，由两个功率管s9、s10和一个电感l3组成，且分别与变压器绕组a3n3b3相连，而s9和s10另外一端相连之后与电感l3另外一端输出作为端口p3。

变压器20、第一电压型逆变单元21、第二电压型逆变单元22、输出整流单元23、第一阻抗匹配单元24和第二阻抗匹配单元25形成功率变换电路部分10。

除前面第一实施例外，本发明得以其它变化设计予以实现。

如图2所示，为第二较佳实施例的详细拓扑图，其基本架构与第一实施例基本相同，需强调说明的是：将原第一阻抗匹配单元24中的一颗电感l1变成两颗电感，新增电感为l11。可使电路更加对称，并有助于电感散热。

如图3所示，为第三较佳实施例的详细拓扑图，其基本架构与第一实施例基本相同，需强调说明的是：将原第一阻抗匹配单元24中的一颗电感l1拿掉，使得该功能由第二阻抗匹配单元25中电感l2来完成，达到降低成本，提高竞争力。

如图4所示，为第四较佳实施例的详细拓扑图，其基本架构与第一实施例基本相同，需要强调说明的是：将原第二阻抗匹配单元25中的一颗电感l2换成两颗电感，新增电感为l12。可使电路更加对称，并有助于电感散热。

如图5所示，为第五较佳实施例的详细拓扑图，其基本架构与第一实施例基本相同，需强调说明的是：将原第二阻抗匹配单元25中的一颗电感l2拿掉，使得该功能由第一阻抗匹配单元24中电感l1来完成，达到降低成本，提高竞争力。

如图6所示，为第六较佳实施例的详细拓扑图，其基本架构与第一实施例基本相同，需强调说明的是：将原第一阻抗匹配单元24和第二阻抗匹配单元25中的电感l1和l2都拿掉，通过利用变压器的漏感来实现该电感功能，减少器件，达到降低成本和提高竞争力。

如图7所示，为第七较佳实施例的详细拓扑图，其基本架构与第一实施例基本相同，需要强调说明的是：将输出整流单元23由全波整流变成倍流整流。电感l3与开关管s9共同连接到a3，电感l4与开关管s10共同连接到b3，电感l3与l4另外一端相连和开关管s9与s10另外一端相连共同组成输出端口p3。

如图8所示，为第八较佳实施例的详细拓扑图，其基本架构与第一实施例基本相同，需要强调说明的是：将第一电压型逆变单元21和第二电压型逆变单元22变成电压半桥单元，电容c3、c4和c5、c6分别取代开关管s3、s4和s5、s6。

以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制，虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然而并非用以限定本发明，任何熟悉本专业的技术人员，在不脱离本发明技术方案的范围内，当可利用上述揭示的技术内容作出组合或些许更改或修饰为等同变化的等效实施例，但凡是未脱离本发明技术方案内容，依据本发明的技术实质对以上的实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属于本发明技术方案的范围内。