CN102931839B

CN102931839B - 一种交错工作的三电平降压电路

Info

Publication number: CN102931839B
Application number: CN201210501663.2A
Authority: CN
Inventors: 赵林冲; 汤世娟; 张勇; 廖剑飞
Original assignee: CHANGSHA GUANGYI CONVERTING TECHNOLOGY Co Ltd
Current assignee: CHANGSHA GUANGYI CONVERTING TECHNOLOGY Co Ltd
Priority date: 2012-11-30
Filing date: 2012-11-30
Publication date: 2015-11-18
Anticipated expiration: 2032-11-30
Also published as: CN102931839A

Abstract

一种交错工作的三电平降压电路，它的第一开关管Q1、第二开关管Q2的一端均与输入电压Ui的正极相接，第一开关管Q1的另一端经第一换流电感L1与LC滤波组件的M端相接，第二开关管Q2的另一端经第二换流电感L2与LC滤波组件的M端相接；第三开关管Q3、第四开关管Q4的一端均与输入电压Ui的负极相接，第三开关管Q3的另一端经第三换流电感L3接LC滤波组件的Q端，第四开关管Q4的另一端经第四换流电感L4接LC滤波组件的Q端。本发明可使主电感工作频率成倍提高、减小装置的体积和重量。

Description

一种交错工作的三电平降压电路

技术领域

本发明主要涉及到降压电路领域，特指一种交错工作的三电平降压电路。

背景技术

普通的三电平降压斩波电路如图1所示，包括主电感Lm、输出电容Co、电容C1和C2、开关管QA和QB、二极管DA和DB，开关管QA、主电感Lm、输出电容Co、开关管QB、电容C2、电容C1依次串联形成回路连接于输入电压Ui的两端，二极管DA和DB串联后两端分别连接于开关管QA与主电感Lm之间、开关管QB与输出电容Co之间，二极管DA的阳极与DB的阴极相连于X点，C1和C2串联其中点也是X点。

举例说明，开关管QA、QB的占空比为60%，该电路有3种电平状态，时序图如图2所示。在t0～t1时间段，开关管QA和QB闭合，QA、Lm、Co、QB、C2、C1依次串联组成回路，主电感Lm储存电能并向输出电容Co充电。在t1～t2时间段，QA闭合，QB关断，QA、Lm、Co、DB、C1依次串联组成回路，主电感Lm释放能量。在t2～t3时间段，QA和QB闭合，QA、Lm、Co、QB、C2、C1依次串联组成回路，主电感Lm储存电能并向输出电容Co充电。在t3～t4时间段，QA关断，QB闭合，DA、Lm、Co、QB、C2依次串联组成回路，主电感Lm释放能量。从图2可知，t0～t2时间段是主电感Lm的一个工作周期，t0～t4时间段是开关管QA或者QB的一个工作周期。可推理得，主电感Lm工作频率是开关管工作频率的2倍。

电路中开关QA和QB的开关频率越高，则主电感Lm和电容Co的值越小，装置的体积重量就越小。

但有两个因素限制了开关管QA和QB的开关频率。

1、开关管QA和QB通常采用IGBT或MOSFET等功率器件，这些功率器件有一个安全开关时间，如图2中的t3～t4时间段为QA的安全开关时间，其不能小于器件的安全开关时间。

图1中，假设主电感Lm的工作频率为40kHz，开关管QA和开关管QB的开关频率为20kHz，开关管QA和开关管QB关断的最小时间为Toff(min)=5us，则Ts-QA=1/20kHz×1000=50us，开关管QA的最大占空比Dmax≤90%。若提高开关管QA的频率到40kHz，开关管QA关断的最小时间仍为Toff(min)=5us，则Ts-QA=1/40kHz×1000=25us，开关管QA的大占空比Dmax≤80%。在输入电压不变的情况下，由于占空比的限制，则输出电压不能达要求，提高开关管QA的频率到40kHz不能实现。

2、开关管QA、QB通常采用IGBT或MOSFET等功率器件，每开关一次，都会产生相应的开关损耗。参见图1所示的电路中，开关管QA、QB的导通、关断，以及二极管DA、DB从开通态到截止态也会产生一定的开关损耗。参见图2中的t4时刻，由开关管QA导通、QB关断到开关管QA导通、QB导通瞬间，二极管DA从开通态到截至态，在二极管DA两端电压立即变为－|Vrrm|，经过反向恢复时间trr后稳定在－|Vr|（即1/2输入电压）。流过二极管DA的电流先达到反向恢复电流峰值－|Irrm|，经过反向恢复时间trr后降低到0，二极管截止。二极管在反向恢复时间内两端电压与二极管反向恢复电流的乘积对反向恢复时间积分，得到的结果就是二极管关断损耗，如图3所示；反向恢复电流和反向恢复时间往往较大，从而造成较大的损耗，并且与开关频率成正比，这一因素也影响到开关频率的提高。

发明内容

本发明要解决的技术问题就在于：针对现有技术存在的技术问题，本发明提供一种结构简单紧凑、成本低廉、操作简便、可使主电感工作频率成倍提高、进而减小装置的体积和重量的交错工作的三电平降压电路。

为解决上述技术问题，本发明采用以下技术方案：

一种交错工作的三电平降压电路，包括：LC滤波组件、第一开关管Q1、第二开关管Q2、第三开关管Q3、第四开关管Q4、第一二极管D1、第二二极管D2、第三二极管D3、第四二极管D4、第一电容C1和第二电容C2；

所述第一开关管Q1、第二开关管Q2的一端均与输入电压Ui的正极相接，所述第一开关管Q1的另一端经第一换流电感L1与LC滤波组件的M端相接，所述第二开关管Q2的另一端经第二换流电感L2与LC滤波组件的M端相接；

所述第三开关管Q3、第四开关管Q4的一端均与输入电压Ui的负极相接，所述第三开关管Q3的另一端经第三换流电感L3接LC滤波组件的Q端，所述第四开关管Q4的另一端经第四换流电感L4接LC滤波组件的Q端；

所述第一电容C1的正极与输入电压Ui的正极相接，所述第一电容C1的负极与第二电容C2的正极相接，所述第二电容C2的负极与输入电压Ui的负极相接；

所述第一二极管D1的阳极、第二二极管D2的阳极均与第一电容C1和第二电容C2之间H点相接，第一二极管D1的阴极与第二开关管Q2和第二换流电感L2之间的J点相接，第二二极管D2的阴极与第一开关管Q1和第一换流电感L1之间的K点相接；

所述第三二极管D3的阴极、第四二极管D4的阴极均与第一电容C1和第二电容C2之间H点相接，第三二极管D3的阳极与第三开关管Q3和第三换流电感L3之间的N点相接，第四二极管D4的阳极与第四开关管Q4和第四换流电感L4之间的S点相接。

作为本发明的进一步改进：

所述LC滤波组件包括串联的主电感Lm和输出电容Co，所述主电感Lm的一端为M端，所述主电感Lm的另一端与输出电容Co的正极相连，所述输出电容Co的负极为Q端。

所述LC滤波组件包括依次串联的第一主电感Lm1、输出电容Co、第二主电感Lm2，所述第一主电感Lm1的一端为M端，所述第一主电感Lm1的另一端与输出电容Co的正极相连，所述输出电容Co的负极与第二主电感Lm2的一端相连，第二主电感Lm2的另一端为Q端。

与现有技术相比，本发明的优点在于：本发明的交错工作的三电平降压电路，结构简单紧凑、成本低廉、操作简便，其突破了功率器件安全开关时间和二极管关断损耗对降压斩波电路开关频率的制约，使得装置可工作在更高的工作频率，从而降低了装置的体积重量。

附图说明

图1是现有技术中三电平降压斩波电路的电路原理示意图。

图2是图1中电路在具体应用实例中的时序示意图。

图3是图2中应用实例中二极管关断损耗的示意图。

图4是本发明交错工作的三电平降压电路的电路原理示意图。

图5是图4中电路在具体应用实例中的时序示意图。

图6是图5中应用实例中二极管关断损耗的示意图。

图7是本发明中LC滤波组件的一种实例的结构示意图。

图8是本发明中LC滤波组件的另一种实例的结构示意图。

具体实施方式

以下将结合说明书附图和具体实施例对本发明做进一步详细说明。

如图4、图5和图6所示，本发明的交错工作的三电平降压电路，包括：LC滤波组件、第一开关管Q1、第二开关管Q2、第三开关管Q3、第四开关管Q4、第一二极管D1、第二二极管D2、第三二极管D3、第四二极管D4、第一电容C1和第二电容C2；

第一开关管Q1、第二开关管Q2的一端均与输入电压Ui的正极相接，第一开关管Q1的另一端经第一换流电感L1与LC滤波组件的M端相接，第二开关管Q2的另一端经第二换流电感L2与LC滤波组件的M端相接；

第三开关管Q3、第四开关管Q4的一端均与输入电压Ui的负极相接，第三开关管Q3的另一端经第三换流电感L3接LC滤波组件的Q端，第四开关管Q4的另一端经第四换流电感L4接LC滤波组件的Q端；

第一电容C1的正极与输入电压Ui的正极相接，第一电容C1的负极与第二电容C2的正极相接，第二电容C2的负极与输入电压Ui的负极相接；

第一二极管D1的阳极、第二二极管D2的阳极均与第一电容C1和第二电容C2之间H点相接，第一二极管D1的阴极与第二开关管Q2和第二换流电感L2之间的J点相接，第二二极管D2的阴极与第一开关管Q1和第一换流电感L1之间的K点相接；

第三二极管D3的阴极、第四二极管D4的阴极均与第一电容C1和第二电容C2之间H点相接，第三二极管D3的阳极与第三开关管Q3和第三换流电感L3之间的N点相接，第四二极管D4的阳极与第四开关管Q4和第四换流电感L4之间的S点相接。

如图7所示，在一种具体实例中，LC滤波组件包括串联的主电感Lm和输出电容Co，主电感Lm的一端为M端，主电感Lm的另一端与输出电容Co的正极相连，输出电容Co的负极为Q端。

如图8所示，在另一种实例中，LC滤波组件包括依次串联的第一主电感Lm1、输出电容Co、第二主电感Lm2，第一主电感Lm1的一端为M端，第一主电感Lm1的另一端与输出电容Co的正极相连，输出电容Co的负极与第二主电感Lm2的一端相连，第二主电感Lm2的另一端为Q端。

如图1和图7所示的实例中，在使用时，第一开关管Q1和第二开关管Q2交替工作，第三开关管Q3和第四开关管Q4交替工作，第一换流电感L1和第二换流电感L2交替工作，第三换流电感L3和第四换流电感L4交替工作。

举一个例子说明，其工作时序如图5所示。其中，工作时序为t0～t1时间段中第一开关管Q1和第四开关管Q4处于导通状态，第二开关管Q2、第三开关管Q3处于关断状态，第一开关管Q1、第一换流电感L1、主电感Lm、输出电容Co、第四换流电感L4、第四开关管Q4、第二电容C2、第一电容C1组成回路，主电感Lm储存电能并向输出电容Co充电。t1～t2时间段第一开关管Q1导通，第二开关管Q2、第三开关管Q3、第四开关管Q4关断，第一开关管Q1、第一换流电感L1、主电感Lm、输出电容Co、第四换流电感L4、第四二极管D4、第一电容C1组成回路，主电感Lm释放能量。t2～t3时间段第一开关管Q1和第三开关管Q3导通，第二开关管Q2、第四开关管Q4关断，第一开关管Q1、第一换流电感L1、主电感Lm、输出电容Co、第三换流电感L3、第三开关管Q3、第二电容C2、第一电容C1组成回路，主电感Lm储存电能并向输出电容Co充电。t3～t4时间段第三开关管Q3导通，第一开关管Q1、第二开关管Q2、第四开关管Q4关断，主电感Lm、输出电容Co、第三换流电感L3、第三开关管Q3、第二电容C2、第二二极管D2、第一换流电感L1组成回路，主电感Lm释放能量。t4～t5时间段第二开关管Q2和第三开关管Q3导通，第一开关管Q1、第四开关管Q4关断，第二开关管Q2、第二换流电感L2、主电感Lm、输出电容Co、第三换流电感L3、第三开关管Q3、第二电容C2、第一电容C1组成回路，主电感Lm储存电能并向输出电容Co充电。t5～t6时间段第二开关管Q2导通，第一开关管Q1、第三开关管Q3、第四开关管Q4关断，第二开关管Q2、第二换流电感L2、主电感Lm、输出电容Co、第三换流电感L3、第三二极管D3、第一电容C1组成回路，主电感Lm释放能量。t6～t7时间段第二开关管Q2和第四开关管Q4导通，第一开关管Q1、第三开关管Q3关断，第二开关管Q2、第二换流电感L2、主电感Lm、输出电容Co、第四换流电感L4、第四开关管Q4、第二电容C2、第一电容C1组成回路，主电感Lm储存电能并向输出电容Co充电。t7～t8时间段第四开关管Q4导通，第一开关管Q1、第二开关管Q2、第三开关管Q3关断，主电感Lm、输出电容Co、第四换流电感L4、第四开关管Q4、第二电容C2、第一二极管D1、第二换流电感L2组成回路，主电感Lm释放能量。

如图5所示，t0～t2时间段是主电感Lm的一个工作周期，t0～t8时间段是开关管第一开关管Q1（或者第二开关管Q2或者第三开关管Q3或者第四开关管Q4）的一个工作周期。可推理得，主电感Lm工作频率是开关管工作频率的4倍。由此可以推出，在开关管的工作频率相同的条件下，本发明的电路中主电感工作频率是普通的三电平降压电路的主电感工作频率的2倍。

对于开关管：第一开关管Q1、第二开关管Q2、第三开关管Q3、第四开关管Q4的最小关断时间仍为5us，由于第一开关管Q1、第二开关管Q2、第三开关管Q3、第四开关管Q4的工作最大占空比小于50%，这样，理论上第一开关管Q1、第二开关管Q2、第三开关管Q3、第四开关管Q4的开关周期最小为10us，仍可保证最小关断时间Toff(min)=5us的要求，这样第一开关管Q1、第二开关管Q2、第三开关管Q3、第四开关管Q4的开关频率最高能到100k。

可见，采用本电路后，在保证开关管可靠关断的前提下，可以提高电路的开关频率。

如图4所示，第一换流电感L1、第二换流电感L2、第三换流电感L3、第四换流电感L4所采用的是换流电感，将大幅度减少第一二极管D1、第二二极管D2、第三二极管D3、第四二极管D4的关断损耗。以二极管第二二极管D2为例分析，如图5所示，t3～t4时间段第三开关管Q3导通，第一开关管Q1、第二开关管Q2、第四开关管Q4关断，主电感Lm、输出电容Co、第三换流电感L3、第三开关管Q3、第二电容C2、第二二极管D2、第一换流电感L1组成回路，主电感Lm释放能量。到t4时刻，第二开关管Q2、第三开关管Q3开通瞬间，第二二极管D2从开通态到截止态也会产生一定的开关损耗。由于电感第一换流电感L1的作用，第二二极管D2承受的电流在关断时是逐步下降的，其反向恢复电流和反向恢复时间都大大减小，显然，二极管的关断损耗大大下降，见图6。由此，开关频率可进一步提高。实施本发明，突破了功率器件安全开关时间和二极管关断损耗对降压斩波电路开关频率的制约，使得装置可工作在更高的工作频率，从而降低装置的体积重量。

以上仅是本发明的优选实施方式，本发明的保护范围并不仅局限于上述实施例，凡属于本发明思路下的技术方案均属于本发明的保护范围。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理前提下的若干改进和润饰，应视为本发明的保护范围。

Claims

1.一种交错工作的三电平降压电路，其特征在于，包括：LC滤波组件、第一开关管Q1、第二开关管Q2、第三开关管Q3、第四开关管Q4、第一二极管D1、第二二极管D2、第三二极管D3、第四二极管D4、第一电容C1和第二电容C2；

所述第三二极管D3的阴极、第四二极管D4的阴极均与第一电容C1和第二电容C2之间H点相接，第三二极管D3的阳极与第三开关管Q3和第三换流电感L3之间的N点相接，第四二极管D4的阳极与第四开关管Q4和第四换流电感L4之间的S点相接；

在工作时序中，t0～t1时间段中第一开关管Q1和第四开关管Q4处于导通状态，第二开关管Q2、第三开关管Q3处于关断状态，第一开关管Q1、第一换流电感L1、主电感Lm、输出电容Co、第四换流电感L4、第四开关管Q4、第二电容C2、第一电容C1组成回路，主电感Lm储存电能并向输出电容Co充电；t1～t2时间段第一开关管Q1导通，第二开关管Q2、第三开关管Q3、第四开关管Q4关断，第一开关管Q1、第一换流电感L1、主电感Lm、输出电容Co、第四换流电感L4、第四二极管D4、第一电容C1组成回路，主电感Lm释放能量；t2～t3时间段第一开关管Q1和第三开关管Q3导通，第二开关管Q2、第四开关管Q4关断，第一开关管Q1、第一换流电感L1、主电感Lm、输出电容Co、第三换流电感L3、第三开关管Q3、第二电容C2、第一电容C1组成回路，主电感Lm储存电能并向输出电容Co充电；t3～t4时间段第三开关管Q3导通，第一开关管Q1、第二开关管Q2、第四开关管Q4关断，主电感Lm、输出电容Co、第三换流电感L3、第三开关管Q3、第二电容C2、第二二极管D2、第一换流电感L1组成回路，主电感Lm释放能量；t4～t5时间段第二开关管Q2和第三开关管Q3导通，第一开关管Q1、第四开关管Q4关断，第二开关管Q2、第二换流电感L2、主电感Lm、输出电容Co、第三换流电感L3、第三开关管Q3、第二电容C2、第一电容C1组成回路，主电感Lm储存电能并向输出电容Co充电；t5～t6时间段第二开关管Q2导通，第一开关管Q1、第三开关管Q3、第四开关管Q4关断，第二开关管Q2、第二换流电感L2、主电感Lm、输出电容Co、第三换流电感L3、第三二极管D3、第一电容C1组成回路，主电感Lm释放能量；t6～t7时间段第二开关管Q2和第四开关管Q4导通，第一开关管Q1、第三开关管Q3关断，第二开关管Q2、第二换流电感L2、主电感Lm、输出电容Co、第四换流电感L4、第四开关管Q4、第二电容C2、第一电容C1组成回路，主电感Lm储存电能并向输出电容Co充电；t7～t8时间段第四开关管Q4导通，第一开关管Q1、第二开关管Q2、第三开关管Q3关断，主电感Lm、输出电容Co、第四换流电感L4、第四开关管Q4、第二电容C2、第一二极管D1、第二换流电感L2组成回路，主电感Lm释放能量。

2.根据权利要求1所述的交错工作的三电平降压电路，其特征在于，所述LC滤波组件包括串联的主电感Lm和输出电容Co，所述主电感Lm的一端为M端，所述主电感Lm的另一端与输出电容Co的正极相连，所述输出电容Co的负极为Q端。