一种磁集成三端口DC-DC变换器

一种磁集成三端口dc
‑
dc变换器
技术领域
1.本实用新型涉及光伏发电系统、混合电动汽车与混合储能等系统中的电力电子变换器及电力电子磁集成技术领域，具体涉及一种磁集成三端口dc
‑
dc变换器。


背景技术：

2.能源是人类生存和社会发展最基本的物质基础，目前，地球能源逐渐短缺，环境污染严重，气候变化剧烈，为了解决这一系列问题，人类越来越重视光伏发电和风力发电等新能源技术。同时为了更好的利用能源，常常将可再生能源和其它能源及储能系统结合起来构成可再生能源联合供电系统，例如光伏—蓄电池联合供电系统，蓄电池的引入提高了系统能量的利用率，提高了系统运行效率，并利用多端口变换器连接系统中的各个单元，实现能量的稳定、高效传输。现有的联合供电系统结构较为复杂，每有一个端口就相应增加一个功率变换单元，系统成本高，可靠性较低。通过开关管的复用，将三端口dc
‑
dc变换器代替现有的变换器结构，能够简化电路结构，降低成本。然而随之带来了磁性元件增多，变换器体积、重量增加等问题，这就导致了系统损耗大，效率低，不利于变换器功率密度的提升。通过对三端口dc
‑
dc变换器中各分立磁件进行磁集成，可以有效的减小磁性元件的体积、重量，降低系统损耗，对提高三端口变换器的性能及功率密度有重要意义。现有的技术大部分对隔离或非隔离型变换器进行磁集成，对开关管复用型三端口dc
‑
dc变换器磁集成较少。


技术实现要素：

3.针对现有技术的缺陷，本实用新型提供了一种磁集成三端口dc
‑
dc变换器，以实现开关管复用型三端口dc
‑
dc变换器的磁集成，进而减少磁性元件的数量，提高变换器的功率密度，降低系统的成本和损耗。
4.本实用新型提供一种磁集成三端口dc
‑
dc变换器，包括直流电压源v
in
、输入滤波电容c
in
、蓄电池电源v
bat
、原边全桥、副边全桥、磁集成结构一、磁集成结构二、输出滤波电容c0、输出负载r0；所述磁集成结构一分别和磁集成结构二、原边全桥、蓄电池电源连接v
bat
，所述磁集成结构二分别和磁集成结构一、原边全桥、副边全桥连接，所述蓄电池电源v
bat
和直流电压源v
in
、输入滤波电容c
in
连接，所述副边全桥和输出滤波电容c0、输出负载r0连接；整个电路拓扑结构是由两相交错并联双向buck
‑
boost电路与双有源桥电路集成所得，由磁集成结构一和原边全桥组成了两相交错并联双向buck
‑
boost电路，由原边全桥、磁集成结构二和副边全桥组成了双有源桥电路；所述直流电压源v
in
同输入滤波电容c
in
相连接；所述原边全桥包括开关管s1、开关管s2、开关管s3、开关管s4，开关管s1的源极同开关管s2的漏极相连接，开关管s3的源极同开关管s4的漏极相连接，开关管s1的漏极同开关管s3的漏极相连接，开关管s2的源极同开关管s4的源极相连接；所述输入滤波电容c
in
同原边全桥的开关管s1漏极、开关管s3漏极和开关管s2源极、开关管s4源极相连接；所述副边全桥包括开关管s5、开关管s6、开关管s7、开关管s8，开关管s5的源极同开关管s6的漏极相连接，开关管s7的源极同开关管s8的漏极相连接，开关管s5的漏极同开关管s7的漏极相连接，开关管s6的源极同开关
管s8的源极相连接；所述磁集成结构一端口1'同端口2'相连后与蓄电池电源的正极相连接，磁集成结构一端口3'同原边全桥侧端口a相连接，磁集成结构一端口4'同原边全桥侧端口b相连接；所述蓄电池电源v
bat
的正极同磁集成结构一端口1'和端口2'相连接，蓄电池电源v
bat
的负极同直流电压源v
in
的负极相连接；所述磁集成结构二端口1同原边全桥侧端口a相连接，磁集成结构二端口2同原边全桥侧端口b相连接，磁集成结构二端口3同副边全桥侧端口c相连接，磁集成结构二端口4同副边全桥侧端口d相连接；所述输出滤波电容c0同副边全桥开关管s5的漏极、开关管s7的漏极和副边全桥开关管s6的源极、开关管s8的源极相连接；所述输出负载r0同输出滤波电容c0相连接。
5.可选地，所述磁集成结构一包括ee/ei磁芯或平面磁芯、第一电感绕组l1、第二电感第一绕组l
21
、第二电感第二绕组l
22
；第一电感绕组l1绕在磁芯中柱ⅲ上，第二电感第一绕组l
21
绕在磁芯左侧柱ⅰ上，第二电感第二绕组l
22
绕在磁芯右侧柱ⅱ上；其中第一电感绕组l
11
一端作为磁集成结构一端口1'，第一电感绕组l
11
另一端作为磁集成结构一端口2'，第二电感第一绕组l
21
一端作为磁集成结构一端口3'，第二电感第一绕组l
21
另一端与同第二电感第二绕组l
22
相连接，第二电感第二绕组l
22
另一端作为磁集成结构一端口4'；ee/ei磁芯或平面磁芯三个磁柱均开有气隙。
6.可选地，所述磁集成结构二包括ee/ei磁芯或平面磁芯、第三电感绕组l3、原边第一绕组n
p1
、原边第二绕组n
p2
、副边第一绕组n
s1
、副边第二绕组n
s2
；
7.第三电感绕组l3绕在磁芯中柱ⅲ上，原边第一绕组n
p1
绕在磁芯左侧柱ⅰ上，原边第二绕组n
p2
绕在磁芯右侧柱ⅱ上，副边第一绕组n
s1
绕在磁芯左侧柱ⅰ上，副边第二绕组n
s2
绕在磁芯右侧柱ⅱ上；其中第三电感绕组l3的同名端作为磁集成结构二端口1，第三电感绕组l3的异名端同原边第一绕组n
p1
的同名端相连接，原边第一绕组n
p1
的异名端同原边第二绕组n
p2
的同名端相连接，原边第二绕组n
p2
的异名端作为磁集成结构二端口2，副边第一绕组n
s1
的同名端作为磁集成结构二端口3，副边第一绕组n
s1
的异名端同副边第二绕组n
s2
的同名端相连接，副边第二绕组n
s2
的异名端作为磁集成结构二端口4；ee/ei磁芯或平面磁芯三个磁柱均开有气隙。
8.可选地，所述整个电路拓扑结构是由两相交错并联双向buck
‑
boost电路与双有源桥电路集成所得，由所述磁集成结构一和所述原边全桥组成了两相交错并联双向buck
‑
boost电路，由所述原边全桥、所述磁集成结构二和所述副边全桥组成了双有源桥电路。
9.可选地，所述磁集成结构一在一个磁芯中集成了交错并联双向buck
‑
boost电路中的两个电感，磁集成结构二在一个磁芯中集成了双有源桥电路中的电感和变压器。
10.本实用新型的有益效果为：本实用新型将交错并联双向buck/boost电路与双有源桥电路通过共用原边全桥集成在一起，通过开关管复用，使开关管数量减少，降低开关损耗，降低了成本。本实用新型变换器中的直流电压源与蓄电池电源均可实现能量双向传输，易于系统的能量管理控制，可提高输入能量的利用率。本实用新型利用磁集成技术有效地减少了磁性元件的数量，降低铁损，减小了磁性元件的体积，提高了变换器的功率密度，且磁集成后的各个磁元件运行状态不受影响，集成磁件的饱和度得到降低，有效的减小了变换器的损耗。
附图说明
11.图1是本实用新型实施例提供的一种磁集成三端口dc
‑
dc变换器示意图。
12.图2是本实用新型的仅使用一个ee/ei型磁芯将第一电感置于中柱，第二电感置于左侧柱和右侧柱的结构示意图。
13.图3是本实用新型的仅使用一个ee/ei型磁芯将电感置于中柱，变压器置于左侧柱和右侧柱的结构示意图。
具体实施方式
14.以下将结合附图，对本实用新型的优选实施例进行详细的描述：应当理解，优选实施例仅为了说明本实用新型，而不是为了限制本实用新型的保护范围。(现在通过结合具体实施方式以及附图的方法对本实用新型做出进一步解释和说明)
15.图1是本实用新型实施例提供的一种磁集成三端口dc
‑
dc变换器示意图，本实用新型实施例提供的一种磁集成三端口dc
‑
dc变换器包括直流电压源v
in
、输入滤波电容c
in
、蓄电池电源v
bat
、原边全桥、副边全桥、磁集成结构一、磁集成结构二、输出滤波电容c0、输出负载r0；整个电路拓扑结构是由两相交错并联双向buck
‑
boost电路与双有源桥电路集成所得，由磁集成结构一和原边全桥组成了两相交错并联双向buck
‑
boost电路，由原边全桥、磁集成结构二和副边全桥组成了双有源桥电路；所述直流电压源v
in
同输入滤波电容c
in
相连接；所述原边全桥包括开关管s1、开关管s2、开关管s3、开关管s4，开关管s1的源极同开关管s2的漏极相连接，开关管s3的源极同开关管s4的漏极相连接，开关管s1的漏极同开关管s3的漏极相连接，开关管s2的源极同开关管s4的源极相连接；所述输入滤波电容c
in
同原边全桥的开关管s1漏极、开关管s3漏极和开关管s2源极、开关管s4源极相连接；所述副边全桥包括开关管s5、开关管s6、开关管s7、开关管s8，开关管s5的源极同开关管s6的漏极相连接，开关管s7的源极同开关管s8的漏极相连接，开关管s5的漏极同开关管s7的漏极相连接，开关管s6的源极同开关管s8的源极相连接；所述磁集成结构一端口1'同端口2'相连后与蓄电池电源的正极相连接，磁集成结构一端口3'同原边全桥侧端口a相连接，磁集成结构一端口4'同原边全桥侧端口b相连接；所述蓄电池电源v
bat
的正极同磁集成结构一端口1'和端口2'相连接，蓄电池电源v
bat
的负极同直流电压源v
in
的负极相连接；所述磁集成结构二端口1同原边全桥侧端口a相连接，磁集成结构二端口2同原边全桥侧端口b相连接，磁集成结构二端口3同副边全桥侧端口c相连接，磁集成结构二端口4同副边全桥侧端口d相连接；所述输出滤波电容c0同副边全桥开关管s5的漏极、开关管s7的漏极和副边全桥开关管s6的源极、开关管s8的源极相连接；所述输出负载r0同输出滤波电容c0相连接。
16.所述磁集成结构一和磁集成结构二是本实用新型的主要内容，分别为两个四端口结构，图2结构在一个磁芯中集成了交错并联双向buck
‑
boost电路中的两个电感，采用解耦集成的方法，集成后两个电感的工作状态互不影响。图3结构在一个磁芯中集成了双有源桥电路中的电感和变压器，采用新型的绕制方法有效的解决了电感与变压器磁集成后磁芯两侧柱饱和的问题，降低了磁芯的饱和度，提高了磁芯利用率，以方便实际设计与应用。
17.图2是本实用新型的仅使用一个ee/ei型磁芯将第一电感置于中柱，第二电感置于左侧柱和右侧柱的结构示意图。磁集成结构一包括ee/ei磁芯或平面磁芯、第一电感绕组l1、第二电感第一绕组l
21
、第二电感第二绕组l
22
；第一电感绕组l1绕在磁芯中柱ⅲ上，第二
电感第一绕组l
21
绕在磁芯左侧柱ⅰ上，第二电感第二绕组l
22
绕在磁芯右侧柱ⅱ上；其中第一电感绕组l
11
一端作为磁集成结构一端口1'，第一电感绕组l
11
另一端作为磁集成结构一端口2'，第二电感第一绕组l
21
一端作为磁集成结构一端口3'，第二电感第一绕组l
21
另一端与同第二电感第二绕组l
22
相连接，第二电感第二绕组l
22
另一端作为磁集成结构一端口4'；ee/ei磁芯或平面磁芯三个磁柱均开有气隙。
18.磁集成结构一的两侧柱的第二电感第一绕组和第二电感第二绕组产生的磁通在磁芯中柱相互抵消，第二电感运行不对第一电感运行产生影响；第一电感绕组产生的磁通对第二电感第一绕组在磁芯左侧柱ⅰ的磁通削减，第一电感绕组产生的磁通对第二电感第二绕组在磁芯右侧柱ⅱ的磁通增强，第一电感的运行对第二电感的运行产生的影响相互抵消，实现了两电感的解耦集成。
19.图3是本实用新型的仅使用一个ee/ei型磁芯将电感感置于中柱，变压器置于左侧柱和右侧柱的结构示意图。磁集成结构二包括ee/ei磁芯或平面磁芯、第三电感绕组l3、原边第一绕组n
p1
、原边第二绕组n
p2
、副边第一绕组n
s1
、副边第二绕组n
s2
；第三电感绕组l3绕在磁芯中柱ⅲ上，原边第一绕组n
p1
绕在磁芯左侧柱ⅰ上，原边第二绕组n
p2
绕在磁芯右侧柱ⅱ上，副边第一绕组n
s1
绕在磁芯左侧柱ⅰ上，副边第二绕组n
s2
绕在磁芯右侧柱ⅱ上；其中第三电感绕组l3的同名端作为磁集成结构二端口1，第三电感绕组l3的异名端同原边第一绕组n
p1
的同名端相连接，原边第一绕组n
p1
的异名端同原边第二绕组n
p2
的同名端相连接，原边第二绕组n
p2
的异名端作为磁集成结构二端口2，副边第一绕组n
s1
的同名端作为磁集成结构二端口3，副边第一绕组n
s1
的异名端同副边第二绕组n
s2
的同名端相连接，副边第二绕组n
s2
的异名端作为磁集成结构二端口4；ee/ei磁芯或平面磁芯三个磁柱均开有气隙。
20.磁集成结构二的第三电感产生的磁通对原边第一绕组在磁芯左侧柱ι的磁通增强，对副边第一绕组在磁芯左侧柱ι的磁通削减，第三电感产生的磁通对原边第二绕组在磁芯右侧柱ⅱ的磁通削减，对副边第二绕组在磁芯右侧柱ⅱ的磁通增强，第三电感的运行对变压器运行产生的影响相互抵消；通过对第三电感在磁芯中柱ⅲ匝数的合理设计，原边第一绕组、原边第二绕组、副边第一绕组和副边第二绕组产生的磁通对第三电感在磁芯中柱ⅲ的磁通相互抵消，变压器运行不对第三电感运行产生影响。实现了电感和变压器的解耦集成，磁集成后中柱产生的磁通最大，但由于ee/ei型磁芯中柱比侧柱更宽，所以饱和度会降低。
21.所述磁集成结构一和磁集成结构二应用于三端口dc
‑
dc变换器，但并非对其限制，可以应用到其他实施例的磁集成三端口dc
‑
dc变换器中。本实用新型所提出的所有变换器及磁集成结构，其自然推演与变化组合形式均在保护之内。
22.本实用新型不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本实用新型的原理，在不脱离本实用新型基本内容的前提下，本实用新型还会有各种等效变换和改进，这些等效变换和改进都落入要求保护的本实用新型范围内。本实用新型要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。