1.三端口变换器功率流

用于去电解电容的三端口变换器拓扑基本结构如图9-12所示，包括主电源输入、储能电容和LED负载三个端口，其中，主电源输入功率p_in、LED负载功率p_o是单向功率流，储能电容功率p_c是双向功率流（定义充电功率为正，放电功率为负）。

根据p_in与p_o的大小关系分为p_in＞p_o和p_in＜p_o两种功率条件。当p_in＞p_o时，主电源输入功率向LED负载供电，多余的能量储存到C_a中，如图9-13a所示；当p_in＜po时，主电源输入功率所提供的能量无法满足负载需求，不足的能量由C_a提供，如图9-13b所示。因此，一个完整的三端口变换器内部应该包含三条功率流：从p_in到p_o，从pin到pc，从pc到po，如图9-13c所示。储能电容端口的C_a通过吸收和释放能量平衡p_in和p_o之间的脉动功率；将C_a的工作电压设计为直流电压叠加大纹波电压的形式以减小电容容值，进而用容值较小的高压CBB电容或陶瓷电容替代电解电容。

图9-12 三端口变换器拓扑基本结构

图9-13 三端口变换器功率流向

a）p_in＞p_o时 b）p_in＜p_o时 c）完整功率流向

2.三端口变换器拓扑构造原理

电力电子变换器可以实现从输入到输出两个端口之间的能量传输，即两个端口之间的功率流动。基本的DC/DC变换器（Buck、Boost、Buck-Boost、Zeta、Cuk、Sepic）只有一条功率传输路径和一个控制变量（一个开关管），只能实现两个端口之间的单向功率传输。三端口拓扑有三条功率流路径，能够实现三个端口之间的功率传输。其中每一条功率流路径都可以实现两个端口之间的功率传输，这与基本DC/DC变换器的功能是相同的，因此，基本DC/DC变换器是构造三端口变换器的拓扑单元。所以，在基本DC/DC变换器的基础上构造无电解电容的三端口变换器拓扑可以从下面两点考虑：(www.daowen.com)

1）增加功率传输路径，构造从主电源输入到LED负载、主电源输入到储能电容和储能电容到LED负载共三条功率传输路径。

2）增加功率流控制变量，使得三个端口之间的功率流是受控制的，满足p_in＞p_o和p_in＜p_o时的功率控制要求，以平衡输入输出功率之间的脉动功率。

首先，增加p_in到p_c功率传输路径，构造两输出变换器。传统DC/DC变换器中输入功率端只有从p_in到p_o一条功率传输路径，由于中间不含储能元件，输入功率的脉动将导致输出LED负载功率的脉动，如图9-14a所示。从图9-13所示三端口功率流分析中得知，三端口拓扑中输入功率端具有两输出端，除了p_in到p_o功率传输路径，还具有p_in到p_c的功率传输路径。为此，可以将传统DC/DC变换器的输出端分裂，并引入开关管S作为控制变量控制两个输出端的功率流向，形成两输出端DC/DC变换器，如图9-14b所示。开关管开通时p_in流向p_o，开关管关断时p_in流向p_c。所以，由于p_in到p_c功率传输路径和开关管S的存在，当p_in＞p_o时，主电源输入功率为LED负载提供能量，多余的能量都储存到C_a中，从而使得在p_in＞p_o时输出功率p_o恒定。

图9-14 三端口拓扑构造过程

a）传统DC/DC变换器 b）两输出变换器 c）两输入变换器 d）组合式三端口变换器

然后，增加p_c到p_o功率传输路径，构造两输入变换器。传统DC/DC功率变换器能够实现一个端口到另一个端口的单向功率传输，因此可将储能电容C_a与LED负载用DC/DC变换器连接起来，构造p_c到p_o功率传输路径，形成两输入变换器，如图9-14c所示。当p_in＜p_o时，由于主电源输入功率不足，储能电容则可以通过该路径提供功率，从而使得在p_in＜p_o时输出功率p_o恒定。

最后，将两输出变换器和两输入变换器合并构成组合式三端口变换器，由于储能电容的存在，无论在p_in＞p_o时还是在p_in＜p_o时，输出功率p_o都恒定，如图9-14d所示。在LED驱动电路中，为了获得较高的输入功率因数，组合式三端口变换器中的主DC/DC变换器需实现PFC功能。第三端口的储能电容通过充放电功率传输路径平衡p_in和p_o之间的脉动功率，从而实现恒功率输出。在满足PFC功能和恒功率输出条件下，根据DC/DC变换器的特点以及储能电容充放电功率传输路径的特点可以对组合式三端口变换器进行优化整合，形成如图9-12所示的具有较高集成度和功率密度的基本结构。