CN102163923A - 开关型dc/dc变换电路 - Google Patents

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张东海
韩卫军
王伟毅
付登萌
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Abstract

本发明公开了一种开关型DC/DC变换电路，包括逆变电路、整流输出电路、微处理器；所述逆变电路输入端接直流电压源，将直流电压源的直流电压变为高频交流电压输出到整流输出电路；整流输出电路将逆变电路输出的高频交流电压整流，输出直流电压；微处理器输出所述逆变电路中的各开关器件的驱动控制信号，控制所述逆变电路中的各开关器件的导通和关断，所述微处理器当将一设定电压值增减时，输出的所述逆变电路中的各开关器件的驱动控制信号控制各开关器件的导通时间相应增减。本发明的开关型DC/DC变换电路，占用板上空间小。

Description

开关型DC/DC变换电路
技术领域
本发明涉及电源电路技术，特别涉及一种开关型DC/DC变换电路。
背景技术
将一个不受控制的输入直流电压变换成为另一个受控的输出直流电压称之为DC/DC变换。在电动汽车驱动及再生制动系统中，DC/DC变换器和电机驱动器是系统能量流动的重要环节，DC/DC变换器是将电池、直流电机等直流电压源固定的直流电压变换成受控制的直流电压输出。
开关型DC/DC变换电路是通过周期性的控制开关器件(功率半导体器件)的通断时间或通断频率来调整输出电压或维持输出电压恒定，将固定的直流电压变换成受控制的直流电压输出。常见的开关型DC/DC(直流到直流)变换电路如图1所示，包括电压变换电路、逆变电路、整流输出电路；电压变换电路输入端接直流电压源Ud，用于通过控制其中的开关器件导通与关断来控制输出到逆变电路的直流电压Ui的大小，从而控制开关型直流变换(DC/DC)电路的输出直流电压Uo的大小；逆变电路的输入端接电压变换电路的输出直流电压Ui，用于将电压变换电路的输出直流电压Ui变为高频交流电压输出到整流输出电路；整流输出电路用于将逆变电路输出的高频交流电压整流，输出直流电压Uo；电压变换电路通常有升压变换电路(Boost)、降压变换电路(Buck)、升降压变换电路(Buck-Boost)、库克变换电路(Cuk)等；常用的逆变电路有全桥式、半桥式、推挽式。
半桥式逆变电路如图2所示，输入直流电压Ui，第一电容C1、第二电容C2容量相等且容量足够大，使得两个电容连接处的电位为输入直流电压Ui的一半，并且在电路工作时各该电容两端的电压保持为Ui/2，第三开关器件VT3的驱动控制信号ug3控制第三开关器件VT3的通断，第四开关器件VT4的驱动控制信号ug4控制第四开关器件VT4的通断，第三开关器件VT3、第四开关器件VT4(图中两开关器件为场效应管，也可采用其它功率半导体开关器件)的通断规律为：每个开关周期为Ts，第一开关周期仅为第三开关器件VT3工作，第四开关器件VT4保持截止状态，第一开关周期中第三开关器件VT3的导通持续时间为Ton，关断时间为Toff，Ton+Toff＝Ts；第二开关周期仅为第四开关器件VT4工作，第三开关器件VT3保持截止状态，第二开关周期中第四开关器件VT4的导通持续时间为Ton，关断时间为Toff，第三开关器件VT3、第四开关器件VT4两个开关器件交替工作，第三开关器件VT3导通时变压器初级绕组的电压为-Ui/2，第四开关器件VT4导通时变压器初级绕组的电压为Ui/2。
全桥式逆变电路如图3所示，是将半桥式逆变电路中的第一电容C1、第二电容C2替换为第一开关器件VT1、第二开关器件VT2，并配以驱动控制信号，第一开关器件VT1的驱动控制信号ug1、第二开关器件VT2的驱动控制信号ug2、第三开关器件VT3的驱动控制信号ug3、第四开关器件VT4的驱动控制信号ug4分别控制相应开关器件的通断，该四开关器件(图中该四开关器件为场效应管，也可采用其它功率半导体开关器件)的通断规律为：每个开关周期为Ts，第一开关周期仅为第三开关器件VT3、第二开关器件VT2工作，第四开关器件VT4、第一开关器件VT1保持截止状态，第一开关周期中第三开关器件VT3、第二开关器件VT2的导通持续时间为Ton，关断时间为Toff，Ton+Toff＝Ts；第二开关周期仅为第四开关器件VT4、第一开关器件VT1工作，第三开关器件VT3、第二开关器件VT2保持截止状态，第二开关周期中第四开关器件VT4、第一开关器件VT1的导通持续时间为Ton，关断时间为Toff，第三开关器件VT3和第二开关器件VT2、第四开关器件VT4和第一开关器件VT1两组开关器件交替工作，第三开关器件VT3和第二开关器件VT2导通时变压器初级绕组的电压为-Ui，第四开关器件VT4和第一开关器件VT1导通时变压器初级绕组的电压为Ui。
推挽式逆变电路如图4所示，与半桥式逆变电路相似也是只有第三开关器件VT3、第四开关器件VT4两个开关器件，第三开关器件VT3的驱动控制信号ug3控制第三开关器件VT3的通断，第四开关器件VT4的驱动控制信号ug4控制第四开关器件VT4的通断，第三开关器件VT3、第四开关器件VT4(图中两开关器件为场效应管，也可采用其它功率半导体开关器件)的通断规律为：每个开关周期为Ts，第一开关周期仅为第三开关器件VT3工作，第四开关器件VT4保持截止状态，第一开关周期中第三开关器件VT3的导通持续时间为Ton，关断时间为Toff，Ton+Toff＝Ts；第二开关周期仅为第四开关器件VT4工作，第三开关器件VT3保持截止状态，第二开关周期中第四开关器件VT4的导通持续时间为Ton，关断时间为Toff，第三开关器件VT3、第四开关器件VT4两个开关器件交替工作，第三开关器件VT3导通时，电流从直流电源正流入变压器初级绕组的上端，从变压器初级绕组中心抽头流出；第三开关器件VT3导通时，电流从直流电源正流入变压器初级绕组的下端，从变压器初级绕组中心抽头流出。
图5所示为一种常见的开关型直流变换(DC/DC)电路，其电压变换电路为升压变换电路(Boost)，其逆变电路为全桥式。
常见的开关型直流变换(DC/DC)电路，逆变电路中的各开关器件的驱动控制信号通常是固定的，驱动控制信号控制各开关器件在一个开关周期Ts中的导通时间Ton是固定的，不能控制改变直流电压输出Uo的大小，其是通过设置的电压变换电路控制改变直流电压输出的大小，而电压变换电路大多采用大电感、大电容等分立元器件搭建，成本高，也占用了大量的板上空间，而且抗电压波动的动态响应能力较差。
目前，在汽车中，汽车电子控制单元(ECU)已广泛采用高速(100MHz以上)微处理器(MCU)，汽车的电池、直流电机等直流电压源的波动一般为ms级(即1KHz以下)，微处理器的速度达电压变换速度的10万倍。
发明内容
本发明要解决的技术问题是提供开关型DC/DC变换电路，占用板上空间小。
为解决上述技术问题，本发明的开关型DC/DC变换电路，包括逆变电路、整流输出电路，还包括一微处理器；
所述逆变电路，输入端接直流电压源，用于将直流电压源的直流电压变为高频交流电压输出到整流输出电路；
所述整流输出电路，用于将逆变电路输出的高频交流电压整流，输出直流电压；
所述微处理器，用于输出所述逆变电路中的各开关器件的驱动控制信号，控制所述逆变电路中的各开关器件的导通和关断；所述微处理器当将一设定电压值增减时，输出的所述逆变电路中的各开关器件的驱动控制信号控制各开关器件的导通时间相应增减。
开关型DC/DC变换电路还包括一电压采样电路；
所述电压采样电路，用于对所述整流输出电路的输出直流电压进行电压采样，输出电压采样信号到所述微处理器；
所述微处理器，还根据所述电压采样信号控制所述逆变电路中的各开关器件的导通时间，当所述电压采样信号低于所述设定电压值，控制所述逆变电路中的各开关器件的导通时间增大，当所述电压采样信号高于所述设定电压值，控制所述逆变电路中的各开关器件的导通时间减小。
所述逆变电路可以是全桥式、半桥式、推挽式。
所述微处理器可以采用汽车电子控制单元的微处理器。
本发明的开关型DC/DC变换电路，采用微处理器控制逆变电路中的各开关器件的导通时间从而控制开关型DC/DC变换电路的输出直流电压的大小，省去了传统开关型DC/DC变换电路中的电压变换电路，从而省去了大量的电子功率器件，降低了成本，减小了板上空间的占用，而且利用PWM(脉冲宽度调制)开关闭环控制技术，提高了开关型DC/DC变换电路的抗电压波动的动态响应能力。
附图说明
下面结合附图及具体实施方式对本发明作进一步详细说明。
图1是常见的开关型DC/DC变换电路示意图；
图2是半桥式逆变电路示意图；
图3是全桥式逆变电路示意图；
图4是推挽式逆变电路示意图；
图5是一种常见的开关型DC/DC变换电路；
图6是本发明的开关型DC/DC变换电路一实施方式示意图；
图7是本发明的开关型DC/DC变换电路一较佳实施例示意图。
具体实施方式
本发明的开关型DC/DC变换电路一实施方式如图6所示，包括逆变电路、整流输出电路、电压采样电路、微处理器(MCU)；
所述逆变电路，输入端接直流电压源Ud，用于将直流电压源Ud的直流电压变为高频交流电压输出到整流输出电路；
所述整流输出电路，用于将逆变电路输出的高频交流电压整流，输出直流电压Uo；
所述电压采样电路，用于对所述整流输出电路的输出直流电压Uo进行电压采样，输出电压采样信号到所述微处理器；
所述微处理器，用于输出所述逆变电路中的各开关器件的驱动控制信号，控制所述逆变电路中的各开关器件的导通和关断，所述微处理器当将一设定电压值增减时，输出的所述逆变电路中的各开关器件的驱动控制信号控制各开关器件的导通时间相应增减，所述微处理器还根据所述电压采样信号控制所述逆变电路中的各开关器件的导通时间，当所述电压采样信号低于所述设定电压值，控制所述逆变电路中的各开关器件的导通时间增大，当所述电压采样信号高于所述设定电压值，控制所述逆变电路中的各开关器件的导通时间减小。
所述逆变电路可以是全桥式、半桥式或推挽式。
一较佳实施例如图7所示，开关型DC/DC变换电路包括全桥式逆变电路、整流输出电路、电压采样电路、微处理器(MCU)；全桥式逆变电路输入端接直流电压源Ud，将直流电压源Ud的直流电压变为高频交流电压输出到整流输出电路，电压采样电路通过电阻分压对整流输出电路的输出直流电压Uo进行电压采样，输出电压采样信号到微处理器，微处理器输出全桥式逆变电路中的第一开关器件VT1的驱动控制信号ug1、第二开关器件VT2的驱动控制信号ug2、第三开关器件VT3的驱动控制信号ug3、第四开关器件VT4的驱动控制信号ug4，分别控制第一开关器件VT1、第二开关器件VT2、第三开关器件VT3、第四开关器件VT4的通断，当所述电压采样信号低于设定电压值，控制所述全桥式逆变电路中的四开关器件的导通时间增大，当所述电压采样信号高于设定电压值，控制所述全桥式逆变电路中的四开关器件的导通时间减小，并且当增减所述设定电压值时，输出的所述全桥式逆变电路中的四开关器件的驱动控制信号控制四开关器件的导通时间相应增减。
本发明的开关型DC/DC变换电路，采用微处理器控制逆变电路中的各开关器件的导通时间从而控制开关型DC/DC变换电路的输出直流电压的大小，省去了传统开关型DC/DC变换电路高电压输入端的电压变换电路，从而省去了大量的电子功率器件，降低了成本，减小了板上空间的占用，而且利用PWM(脉冲宽度调制)开关闭环控制技术，提高了开关型DC/DC变换电路的抗电压波动的动态响应能力。
特别的，作为汽车车载开关型DC/DC变换电路，可以以汽车电子控制单元(ECU)的微处理器(MCU)，作为汽车车载开关型DC/DC变换电路的微处理器。汽车车载开关型DC/DC变换电路高压输入端电压的波动一般为ms级(即1KHz以下)，汽车电子控制单元(ECU)的微处理器(MCU)的速度达电压变换速度的10万倍，完全能满足DC/DC闭环控制要求。

Claims (6)

1.一种开关型DC/DC变换电路，包括逆变电路、整流输出电路，其特征在于，还包括一微处理器；
所述逆变电路，输入端接直流电压源，用于将直流电压源的直流电压变为高频交流电压输出到整流输出电路；
所述整流输出电路，用于将逆变电路输出的高频交流电压整流，输出直流电压；
所述微处理器，用于输出所述逆变电路中的各开关器件的驱动控制信号，控制所述逆变电路中的各开关器件的导通和关断；所述微处理器当将一设定电压值增减时，输出的所述逆变电路中的各开关器件的驱动控制信号控制各开关器件的导通时间相应增减。
2.根据权利要求1所述的开关型DC/DC变换电路，其特征在于，开关型DC/DC变换电路还包括一电压采样电路；
所述电压采样电路，用于对所述整流输出电路的输出直流电压进行电压采样，输出电压采样信号到所述微处理器；
所述微处理器，还根据所述电压采样信号控制所述逆变电路中的各开关器件的导通时间，当所述电压采样信号低于所述设定电压值，控制所述逆变电路中的各开关器件的导通时间增大，当所述电压采样信号高于所述设定电压值，控制所述逆变电路中的各开关器件的导通时间减小。
3.根据权利要求1或2所述的开关型DC/DC变换电路，其特征在于，所述逆变电路是全桥式。
4.根据权利要求1或2所述的开关型DC/DC变换电路，其特征在于，所述逆变电路是半桥式。
5.根据权利要求1或2所述的开关型DC/DC变换电路，其特征在于，所述逆变电路是推挽式。
6.根据权利要求1所述的开关型DC/DC变换电路，其特征在于，所述微处理器采用汽车电子控制单元的微处理器。
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