CN103078495A - 一种高效率的升降压转换器及其控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种高效率的升降压转换器及其控制方法，其通过将升压和降压并联的功率转换电路架构，其共用一个控制电路，所述控制电路根据所述转换器的输入端电压和输出端电压的大小关系来选择控制主电路工作于升压模式或降压模式或同时工作于升压和降压模式，与现有技术相比，其电路集成度高、成本低并且导通损耗大大降低。

Description

一种高效率的升降压转换器及其控制方法

技术领域

本发明涉及电力电子技术，更具体地说，涉及一种高效率的升降压转换器及其控制方法。

背景技术

在电源电压或电池供电应用于不稳定的场合，如车载，电源的输入端电压可能高于或低于或接近于其输出端电压，为了给负载提供稳定的供电，传统的解决方案有单级功率转换和两级功率转换两种，如图1（a）-（e）所示为现有技术中常用的几种功率转换方式的电路图，但这几种功率转换的导通损耗却都较大，无法进一步提高电源效率。

如图1（a）和图1（b）所示，分别为由电感L1、开关管Q1、电容C1、电感L2、开关管Q2和输出电容Co组成的SEPIC功率转换电路和ZETA功率转换电路，其在工作过程中的导通损耗Pcond为公式(1)：

$P_{\mathrm{cond}}\≅{I_{\mathrm{in}}}^2{R}_{L1}+{I_{\mathrm{out}}}^2{R}_{L2}+{(I_{\mathrm{in}}+I_{\mathrm{out}})}^2[{\mathrm{DR}}_{Q1}+(1-D)R_{Q2}]---\left(1\right)$

其中，I_in表示输入电流，I_out表示输出电流，R_L1表示电感L1的等效阻抗，R_L2表示电感L2的等效阻抗，R_Q1表示开关管Q1的导通电阻，R_Q2表示开关管Q2的导通电阻，D表示开关管Q1的占空比。

从公式(1)中可以看出这两种功率转换电路的导通损耗与（I_in+I_out）²成正比，而开关管Q1和Q2的耐压为V_in+V_out，V_in为所述SEPIC(或ZETA)功率转换电路的输入电压，V_out为所述SEPIC(或ZETA)功率转换电路的输出电压，所以不适合高效率转换。

如图1（c）所示为由隔离式变压器T、开关管Q1、开关管Q2和输出电容Co组成的同步整流反激式功率转换电路，其在工作过程中的导通损耗P_cond为公式(2)：

$P_{\mathrm{cond}}\≅\frac{{I_{\mathrm{in}}}^2}{D}(R_{Q1}+R_{L_P})+\frac{{I_{\mathrm{out}}}^2}{1-D}(R_{Q2}+R_{L_S})---\left(2\right)$

需要说明的是，图1（a）-（e）相同作用的元器件用相同的符号表示，公式（2）中和公式（1）中相同的字符表示相同的含义，不重复阐述，以下公式中的内容均相同。

其中，R_LP表示变压器T的原边绕组的等效阻抗，R_LS表示变压器T的副边绕组的等效阻抗，并且，为方便计算，这里开关管Q1与开关管Q2为相同的开关管，则R_Q1=R_Q2；变压器T的原边绕组和副边绕组的匝数为相等，则R_LP=R_LS，原边绕组和副边绕组的电流为：将上述各式子代入公式（2）中得，

$P_{\mathrm{cond}}\≅{(I_{\mathrm{in}}+I_{\mathrm{out}})}^2(R_{Q1}+R_{L_P})---\left(3\right)$

从公式(3)中可以看出这种两级反激式功率转换电路的导通损耗也和（I_in+I_out）²成正比，因此，其导通损耗也必然较大。

如图1（d）所示为由开关管Q1、Q2、Q3、Q4和电感L1组成的Buck-Boost电路，当输入电压大于输出电压时，电路工作于降压Buck工作模式，其在工作过程中的导通损耗为公式(4)：

P_cond=I_out ²[R_Q4+R_L1+D₁R_Q1+(1-D₁)R_Q2]    (4)

其中，D1为开关管Q1的占空比；

当输入电压小于输出电压时，电路工作于升压Boost工作模式时，其在工作过程中的导通损耗为公式(5)：

P_cond=I_in ²[R_L1+R_Q1+D₂R_Q3+(1-D₂)R_Q4]    (5)

其中，D2为开关管Q2的占空比；

从公式（4）和公式（5）中可以看出，其工作过程中的导通损耗和两个开关管的等效阻抗和成正比，因此，其导通损耗较大。

如图1（e）所示为由开关管Q1、Q2、Q3、Q4和电感L1组成的Boost-Buck电路，其在工作过程中的导通损耗为公式(6)：

P_cond=I_in ²[R_L1+D₁R_Q1+(1-D₁)R_Q2]+

I_out ²[R_L2+D₂R_Q3+(1-D₂)R_Q4]    (6)

从公式(6)中看出，这种Boost-Buck的功率转换电路的导通损耗比图1（d）所示为Buck–Boost的功率转换电路的导通损耗更大，其导通损耗不但与两个开关管的等效阻抗和成正比，还包括两个电感的阻抗损耗。

因此，综上所述，现有技术中的功率转换电路导通损耗均较大，其电源的效率无法得到突破和提高，有待于提出一种不但能实现升降压并且损耗小效率高的功率转换电路。

发明内容

有鉴于此，本发明提供了一种高效率的升降压转换器，其不但可以方便地实现升压或降压，为负载提供稳定地输出电压，并且其在工作过程中的导通损耗小，电源效率高。

为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

依据本发明的一种高效率的升降压转换器的控制方法，包括一第一电感和第二电感，所述第一电感的第一端接所述升降压转换器的输入端，

一第一开关和一第二开关串联连接在所述升降压转换器的输入端和接地端之间；

所述第二电感的第一端接在所述第一开关和第二开关的公共连接点，其第二端接所述升降压转换器的输出端；

一第三开关接在所述第一电感的第二端和接地端之间；

一第四开关接在所述第一电感的第二端和所述升降压转换器的输出端之间；

包括以下步骤：接收所述升降压转换器的输入端电压和输出端电压，并根据所述输入端电压和所述输出端电压的大小来控制所述第一开关、第二开关、第三开关和第四开关的开关动作，以使所述升降压转换器工作于升压模式或降压模式。

进一步的，还包括以下步骤：当检测到所述升降压转换器的输入端电压大于其输出端电压时，控制所述第三开关和第四开关维持关断，并且控制所述第一开关和第二开关的开关动作以使所述升降压转换器工作于降压模式；

当检测到所述升降压转换器的输入端电压小于其输出端电压时，控制所述第一开关和第二开关维持关断，并且控制所述第三开关和第四开关的开关动作以使所述升降压转换器工作于升压模式。

优选的，所述第一电感和第二电感为单独的两个电感或是通过耦合的方式耦合在一起。

进一步的，当所述升降压转换器工作于升压模式时，所述第一开关具有反向阻断能力；

当所述升降压转换器工作于降压模式时，所述第四开关具有反向阻断能力。

依据本发明的一种高效率的升降压转换器，包括一第一电感和第二电感，所述第一电感的第一端接所述升降压转换器的输入端，

一第一开关和一第二开关串联连接在所述升降压转换器的输入端和接地端之间；

所述第二电感的第一端接在所述第一开关和第二开关的公共连接点，其第二端接所述升降压转换器的输出端；

一第三开关接在所述第一电感的第二端和接地端之间；

一第四开关接在所述第一电感的第二端和所述升降压转换器的输出端之间；

一控制电路，接收所述升降压转换器的输入端电压和输出端电压，并根据所述输入端电压和所述输出端电压的大小来控制所述第一开关、第二开关、第三开关和第四开关的开关动作，以使所述升降压转换器工作于升压模式或降压模式。

通过上述的技术方案可知，本发明方案提出了一种升压和降压的并联电路架构，其根据转换器的输入端电压和输出端电压的大小关系来选择控制主电路工作于升压模式或降压模式或交替工作于升压和降压模式或同时工作于升压和降压模式，与现有技术相比，其电路集成度高成本低并且导通损耗大大降低。

附图说明

图1（a）-（e）所示为现有技术中功率转换电路的电路图；

图2所示为依据本发明的一种高效率的升降压转换器的一实施例电路框图；

图3所示为依据本发明的一种高效率的升降压转换器的另一实施例电路框图；

具体实施方式

以下结合附图对本发明的几个优选实施例进行详细描述，但本发明并不仅仅限于这些实施例。本发明涵盖任何在本发明的精髓和范围上做的替代、修改、等效方法以及方案。为了使公众对本发明有彻底的了解，在以下本发明优选实施例中详细说明了具体的细节，而对本领域技术人员来说没有这些细节的描述也可以完全理解本发明。

参考图2，所示为依据本发明的一种高效率的升降压转换器的一实施例电路框图；所述升降压转换器包括一第一电感L₁₁和第二电感L₂₂，所述第一电感L₁₁的第一端接所述升降压转换器的输入端，一第一开关Q₁₁和一第二开关Q₂₂串联连接在所述升降压转换器的输入端和接地端之间；所述第二电感L₂₂的第一端接在所述第一开关Q₁₁和第二开关Q₂₂的公共连接点，其第二端接所述升降压转换器的输出端；一第三开关Q₃₃接在所述第一电感L₁₁的第二端和接地端之间；一第四开关Q₄₄接在所述第一电感L₁₁的第二端和所述升降压转换器的输出端之间。图2中电容Co为输出电容

进一步的，所述升降压转换器还包括控制电路201，其接收所述升降压转换器的输入端电压V_in和输出端电压V_out，并根据所述输入端电压V_in和所述输出端电压V_out的大小来控制所述第一开关Q₁₁、第二开关Q₂₂、第三开关Q₃₃和第四开关Q₄₄的开关动作，以使所述升降压转换器工作于升压模式或降压模式。

具体地，所述控制电路201控制所述升降压转换器的工作模式包括以下步骤：

第一步骤：当所述控制电路201检测到所述升降压转换器的输入端电压V_in大于其输出端电压V_out时，所述控制电路201控制所述第三开关Q₃₃和第四开关Q₄₄维持关断，并且通过控制所述第一开关Q₁₁和第二开关Q₂₂的开关动作以使所述升降压转换器工作于降压模式。在降压工作模式过程中，所述第四开关Q₄₄具有反向阻断能力，以防止输出端能量返回至输入端。

第二步骤：当所述控制电路201检测到所述升降压转换器的输入端电压V_in小于其输出端电压V_out时，或者是，在输入端电压V_in减小的过程中，第一开关Q₁₁的占空比已达到100%，并且控制电路201检测到第一开关Q₁₁的平均电流开始变负时，所述控制电路201控制所述第一开关Q₁₁和第二开关Q₂₂完全关断，并且通过控制所述第三开关Q₃₃和第四开关Q₄₄的开关动作以使所述升降压转换器工作于升压模式。需要说明的是，在升压工作模式过程中，所述第一开关Q₁₁具有反向阻断能力，以防止输出端能量返回至输入端。

进一步的，本发明实施例中所述控制电路201控制所述升降压转换器的工作模式还包括以下步骤：

当所述控制电路201检测到所述升降压转换器的输入端电压V_in接近于输出端电压V_out时，所述控制电路201控制所述第一开关Q₁₁、第二开关Q₂₂、第三开关Q₃₃和第四开关Q₄₄的开关动作以使所述升降压转换器交替工作于升压和降压模式或者是同时工作于升压和降压模式，以维持输出电压恒定；其中，所述第一开关Q₁₁、第二开关Q₂₂和第一电感L₁₁形成一降压功率转换电路；所述第三开关Q₃₃、第四开关Q₄₄和第二电感L₂₂形成一升压功率转换电路，其可为输出端提供一部分能量。

在上述第一步骤中，即所述控制电路控制所述转换器工作于降压模式时，其在工作过程中的导通损耗P_cond为公式(7)：

P_cond=I_out ²[R_L22+D₁R_Q11+(1-D₁)R_Q22]    (7)

其中，I_out表示所述转换器的输出电流，R_L22表示所述第二电感L₂₂的等效阻抗，R_Q11表示所述第一开关Q₁₁的导通电阻，R_Q22表示所述第二开关Q₂₂的导通电阻，D1表示所述第一开关Q₁₁的占空比。

在上述第二步骤中，即所述控制电路控制所述转换器工作于升压模式时，其在工作过程中的导通损耗P_cond为公式(8)：

P_cond=I_in ²[R_L11+D₂R_Q33+(1-D₂)R_Q44]    (8)

其中，I_in表示所述转换器的输入电流，R_L11表示第一电感L₁₁的等效阻抗，R_Q33表示第三开关Q₃₃的导通电阻，R_Q44表示第四开关Q₄₄的导通电阻，D2表示第三开关Q₃₃的占空比。

从公式（7）和公式（8）中可以看出，本发明实施例公开的高效率的升降压转换器其导通损耗相对于上述现有技术中的各功率转换电路都大大降低，有效提高了电源的工作效率。

需要补充说明的是，本发明的升降压转换器也可应用于负载发生瞬态变化的场合，在所述变换器的输出端负载发生瞬态变化时，由于输出电压的瞬态变化，控制电路可控制原先不工作的功率转换电路根据情况来辅助工作中的功率转换电路以取得更好的瞬态输出响应。

参考图3，所示为依据本发明的一种高效率的升降压转换器的另一实施例电路框图；本实施例的电路主体架构与上一实施例相同，所不同的是，本实施例中的第一电感L₁₁和第二电感L₂₂通过耦合的方式耦合在一起，这样可以减少PCB面积和元器件的个数，进一步提高集成度节省了成本。

本发明还公开了一种高效率的升降压转换器的控制方法，包括一第一电感和第二电感，所述第一电感的第一端接所述升降压转换器的输入端，一第一开关和一第二开关串联连接在所述升降压转换器的输入端和接地端之间；所述第二电感的第一端接在所述第一开关和第二开关的公共连接点，其第二端接所述升降压转换器的输出端；一第三开关接在所述第一电感的第二端和接地端之间；一第四开关接在所述第一电感的第二端和所述升降压转换器的输出端之间；

包括以下步骤：接收所述升降压转换器的输入端电压和输出端电压，并根据所述输入端电压和所述输出端电压的大小来控制所述第一开关、第二开关、第三开关和第四开关的开关动作，以使所述升降压转换器工作于升压模式或降压模式。

进一步，还包括以下步骤：当检测到所述升降压转换器的输入端电压大于其输出端电压时，控制所述第三开关和第四开关维持关断，并且控制所述第一开关和第二开关的开关动作以使所述升降压转换器工作于降压模式；

当检测到所述升降压转换器的输入端电压小于其输出端电压时，控制所述第一开关和第二开关维持关断，并且控制所述第三开关和第四开关的开关动作以使所述升降压转换器工作于升压模式。

进一步的，还包括以下步骤：当检测到所述升降压转换器的输入端电压接近于其输出端电压时，控制所述第一开关、第二开关、第三开关和第四开关的开关动作以使所述升降压转换器交替工作于升压和降压模式或是同时工作于升压和降压模式，以维持输出电压恒定。

综上所述，依照本发明所公开的一种高效率的升降压转换器及其控制方法，通过一并联的功率转换电路结构，其根据输入端电压和输出端电压的大小既可以实现升压功率转换也可实现降压功率转换，或者交替(或同时)工作于升压和降压模式以满足输出端电压要求，所述转换器只需一个控制电路，电路集成度高，成本低，并且，在工作过程中，所述转换器的导通损耗比现有技术中的功率转换电路的导通损耗都要降低很多，有效提高了工作效率。

以上对依据本发明的优选实施例的高效率的升降压转换器及其控制方法进行了详尽描述，本领域普通技术人员据此可以推知其他技术或者结构以及电路布局、元件等均可应用于所述实施例。

依照本发明的实施例如上文所述，这些实施例并没有详尽叙述所有的细节，也不限制该发明仅为所述的具体实施例。显然，根据以上描述，可作很多的修改和变化。本说明书选取并具体描述这些实施例，是为了更好地解释本发明的原理和实际应用，从而使所属技术领域技术人员能很好地利用本发明以及在本发明基础上的修改使用。本发明仅受权利要求书及其全部范围和等效物的限制。

Claims (8)

1.一种高效率的升降压转换器的控制方法，包括一第一电感和第二电感，所述第一电感的第一端接所述升降压转换器的输入端，

一第一开关和一第二开关串联连接在所述升降压转换器的输入端和接地端之间；

所述第二电感的第一端接在所述第一开关和第二开关的公共连接点，其第二端接所述升降压转换器的输出端；

一第三开关接在所述第一电感的第二端和接地端之间；

一第四开关接在所述第一电感的第二端和所述升降压转换器的输出端之间；

包括以下步骤：接收所述升降压转换器的输入端电压和输出端电压，并根据所述输入端电压和所述输出端电压的大小来控制所述第一开关、第二开关、第三开关和第四开关的开关动作，以使所述升降压转换器工作于升压模式或降压模式。

2.根据权利要求1所述的升降压转换器的控制方法，其特征在于，进一步包括以下步骤：当检测到所述升降压转换器的输入端电压大于其输出端电压时，控制所述第三开关和第四开关维持关断，并且控制所述第一开关和第二开关的开关动作以使所述升降压转换器工作于降压模式；

当检测到所述升降压转换器的输入端电压小于其输出端电压时，控制所述第一开关和第二开关维持关断，并且控制所述第三开关和第四开关的开关动作以使所述升降压转换器工作于升压模式。

3.根据权利要求1所述的升降压转换器的控制方法，其特征在于，所述第一电感和第二电感为单独的两个电感或是通过耦合的方式耦合在一起。

4.根据权利要求1所述的升降压转换器的控制方法，其特征在于，当所述升降压转换器工作于升压模式时，所述第一开关具有反向阻断能力；

当所述升降压转换器工作于降压模式时，所述第四开关具有反向阻断能力。

5.一种高效率的升降压转换器，其特征在于，包括一第一电感和第二电感，所述第一电感的第一端接所述升降压转换器的输入端，

一第一开关和一第二开关串联连接在所述升降压转换器的输入端和接地端之间；

所述第二电感的第一端接在所述第一开关和第二开关的公共连接点，其第二端接所述升降压转换器的输出端；

一第三开关接在所述第一电感的第二端和接地端之间；

一第四开关接在所述第一电感的第二端和所述升降压转换器的输出端之间；

一控制电路，接收所述升降压转换器的输入端电压和输出端电压，并根据所述输入端电压和所述输出端电压的大小来控制所述第一开关、第二开关、第三开关和第四开关的开关动作，以使所述升降压转换器工作于升压模式或降压模式。

6.根据权利要求5所述的升降压转换器，其特征在于，当所述控制电路检测到所述升降压转换器的输入端电压大于其输出端电压时，所述控制电路控制所述第三开关和第四开关维持关断，并且控制所述第一开关和第二开关的开关动作以使所述升降压转换器工作于降压模式；

当所述控制电路检测到所述升降压转换器的输入端电压小于其输出端电压时，所述控制电路控制所述第一开关和第二开关维持关断，并且控制所述第三开关和第四开关的开关动作以使所述升降压转换器工作于升压模式。

7.根据权利要求5所述的升降压转换器，其特征在于，所述第一电感和第二电感为单独的两个电感或是通过耦合的方式耦合在一起。

8.根据权利要求5所述的升降压转换器，其特征在于，当所述升降压转换器工作于升压模式时，所述第一开关具有反向阻断能力；

当所述升降压转换器工作于降压模式时，所述第四开关具有反向阻断能力。

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