CN103427635A - 一种双电平输出功率变换器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种双电平输出功率变换器，包括直流电源、电容Ⅰ、电容Ⅱ、开关管Ⅰ、开关管Ⅱ、开关管Ⅲ、二极管Ⅰ、二极管Ⅱ、二极管Ⅲ、一个电感。该变换器在一个开关周期内，首先向电感储能，然后通过控制开关管，分别使电感能量流向两个电容，并且通过控制开关管的占空比来控制流向两个电容能量的大小，实现升压和降压。通过切换开关，可以使负载上的供电电压迅速改变。本发明采用的功率器件少，结构简单，能同时实现升压和降压，输出双电压之间切换简单，非常适合需要瞬间改变供电电压的用电设备。

Description

一种双电平输出功率变换器

技术领域

本发明涉及一种功率变换器，更具体的说，涉及一种升降压双电平输出功率变换器。

背景技术

 随着电力电子技术的发展，功率变换器得到越来越多的应用，如自动化控制、工业制造、家用电器等。在某些特殊场合，如无刷直流电机换向时，为了减小换向转矩脉动,需要调节供电电压，但是无刷直流电机换向时间很短，需要供电电压的调节在很短的时间内完成；再如电机负载突变时，为了提高电流和转速的响应速度，也需要供电电压的调节在很短时间内完成。

有些负载需要脉冲电压供电，即存在一个高低电压不断切换的过程，这类负载需要高低电压快速切换，响应时间短，而传统的升降压变换器（如BUCK-BOOST、Cuk），调节输出电压需要在多个开关周期内完成，不能瞬间调节输出电压，在上述需要立即调节输出电压的情况下，这种升降压变换器不能满足其快速性的要求。

采用两个功率变换器并联形式的功率变换器，可以解决功率变换器瞬间调压的问题，但是结构复杂、功率器件多，电容电感数量多，成本高。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是：提供一种结构简单、元器件少的双电平输出功率变换器，解决了并联的变换器结构复杂，成本高的问题。

本发明为解决上述技术问题，采用如下技术方案：

一种双电平输出功率变换器，包括直流电源、电容Ⅰ、电容Ⅱ、开关管Ⅰ、开关管Ⅱ、开关管Ⅲ、二极管Ⅰ、二极管Ⅱ、二极管Ⅲ、一个电感；其中，所述直流电源正极分别与电容Ⅱ的负极、开关管Ⅰ的输入端连接；所述电容Ⅱ的正极分别与二极管Ⅱ的阴极、开关管Ⅲ的输入端连接；所述开关管Ⅲ的输出端分别与二极管Ⅲ的阴极、负载输入端的正极连接；所述开关管Ⅰ的输出端分别与所述电感的一端、二极管Ⅰ的阴极连接；所述电感的另一端分别与二极管Ⅱ的阳极、开关管Ⅱ的输入端连接；所述开关管Ⅱ输出端分别与所述二极管Ⅲ的阳极、电容Ⅰ的正极连接；所述电源的负极分别与二极管Ⅰ的阳极、电容Ⅰ的负极、负载输入端的负极连接。

为了更进一步说明本方案的电路，所述开关管为MOS管、三极管、IGBT中的至少一种。

为了实现上述方案快速调压，快速切换供电电平的目的，本发明提出了一种基于该双电平输出功率变换器的控制方法，该方法包括调压过程、供电切换过程；其中

（1）调压过程：

在一个工作周期内，首先，使开关管Ⅰ、开关管Ⅱ同时处于导通状态；然后依次断开开关管Ⅰ、开关管Ⅱ，保持开关管Ⅰ的占空比小于开关管Ⅱ的占空比，一个调压工作周期结束；

（2）供电切换过程：

当负载需要低电压供电时，控制开关管Ⅲ截止；当负载需要高电压供电时，控制开关管Ⅲ导通。

与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：

1、使用少量的元器件优化了双电平输出功率变换器的电路结构，使得电路结构简单、成本较低、控制方便，能够在多种特殊场合使用，如抑制电机转矩脉动，解决电机突加负载等。

2、实现快速调压，并且能够实现输出在高平和低电平之间进行快速切换，两种电压之间的切换仅在开关闭合和关断的时间内完成，适用于需要快速调压的场合，解决了BUCk-BOOST, Cuk等升降压变换器不能快速调压的问题。

3、通过调节功率开关管的占空比，能够对输出高低电平的大小进行快速控制。

附图说明

图1为本发明的硬件连接图。

图2为本发明双电平输出功率变换器工作在电感储能模态图。

图3为本发明双电平输出功率变换器工作在电感能量流向低压端模态图。

图4为升降压双电平输出功率变换器工作在电感能量流向高压端模态图。

图5为本发明电感电流工作状态波形图。

图6为本发明的双电平功率变换器工作在低压端放电模态图。

图7为本发明的双电平功率变换器工作在高压端放电模态图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的技术方案进行详细说明：

本实施例以功率开关管S₁、S₂、S₃均为MOS管为例，详细说明本技术方案：

一种双电平输出功率变换器，包括直流电源、电容Ⅰ、电容Ⅱ、开关管Ⅰ、开关管Ⅱ、开关管Ⅲ、二极管Ⅰ、二极管Ⅱ、二极管Ⅲ、一个电感；其中，所述直流电源正极分别与电容Ⅱ负极、开关管Ⅰ漏极连接；所述电容Ⅱ正极分别与二极管Ⅱ阴极、开关管Ⅲ漏极连接；所述开关管Ⅲ源极分别与二极管Ⅲ阴极、负载输入端连接；所述开关管Ⅰ源极分别与电感一端、二极管Ⅰ阴极连接；所述电感另一端分别与二极管Ⅱ阳极、开关管Ⅱ漏极连接；所述开关管Ⅱ源极分别与二极管Ⅲ阳极、电容Ⅰ正极连接；所述电源负极分别与二极管Ⅰ阳极、电容Ⅰ负极、负载输出端连接。

本实施例硬件连接如图1所示，包括直流电源U_d、两个电解电容即电解电容C₁和电解电容C₂,三个功率开关管即功率开关管S₁、功率开关管S₂、功率开关管S₃,三个二极管即二极管D₁、二极管D₂、二极管D₃,一个电感L，其中直流电源U_d的正极分别连接电解电容C₂的负极和功率开关管S₁的漏极，直流电源U_d的负极分别连接二极管D₁的阳极和电解电容C₁的负极，电解电容C₂的正极分别连接功率开关管S₃的漏极和二极管D₂的阴极，功率开关管S₁的源极分别连接二极管D₁的阴极和电感L的一端，电感L的另一端分别连接功率开关管S₃的漏极和二极管D₂的阳极，功率开关管S₂的源极分别连接电解电容C₁的正极和二极管D₃的阳极，功率开关管S₃的源极连接二极管D₃的阴极，其中，电解电容C₁的正极电压为V_o1,电解电容C₂的正极电压为V_o2，功率开关管S₁、功率开关管S₂、功率开关管S₃的栅极连接控制信号。

本发明控制方法及工作过程如下：

本发明提出升降压双电平输出的功率变换器，通过控制三个功率开关管，控制高压端和低压端的输出电压，并且实现输出高低电压的选择。通过控制功率开关管S₁、S₂的占空比，调节V_o1、V_o2的电压，通过控制功率开关管S₃的导通和截止来选择输出高电压或者低电压，因此基于该功率变换器的控制方法可以分为两个部分，一是调压过程，二是供电切换过程。具体工作过程如下：

（1）调压过程：

如图2所示，为电感L、电解电容C₁的充电过程，控制功率开关管S₁、功率开关管S₂同时处于导通状态，此时，直流电源U_d、功率开关管S₁、电感L、功率开关管S₂、电解电容C₁组成回路，直流电源U_d开始为电感L、电解电容C₁充电，其波形图如图5所示，0至t₀区间内，功率开关管S₁、功率开关管S₂均为高电平导通状态，电感L的电流i_L线性增加，电感L储能，电解电容C₁的正极电压V_o1增大。

如图3所示，为电感L放电、电解电容C₁继续充电的过程，控制功率开关管S₁断开，此时二极管D₁导通，二极管D₁、电感L、功率开关管S₂、电解电容C₁组成回路，电感L放电为电解电容C₁继续充电，波形图如图5所示，t₀至t₁区间内，功率开关管S₁为低电平截止状态、功率开关管S₂为高电平导通状态，电感L的电流i_L线性减小，电解电容C₁的正极电压V_o1继续增大。

如图4所示，为电感L放电、电解电容C₂充电的过程，控制功率开关管S₂断开，此时二极管D₂导通，二极管D₁、电感L、二极管D₂、电解电容C₂、直流电源U_d组成回路，电感L放电为电解电容C₂充电，波形图如图5所示，t₁至t₂区间内，功率开关管S₁、功率开关管S₂均为低电平截止状态，电感L的电流i_L线性减小，电解电容C₂的正极电压V_o2增大。

以上为一个调压工作周期内的工作过程，在一个周期内，功率开关管S₁的占空比始终要小于功率开关管S₂的占空比，由于电解电容C₂的负极与直流电源U_d正极连接，所以电解电容C₂充电后的电压V_o2大于直流电源U_d的电压，并且通过控制功率开关管S₁、功率开关管S₂的占空比，使得电解电容C₁的正极电压V_o1小于直流电源U_d的电压。

（2）供电切换过程

当负载需要低电压供电时，控制功率开关管S₃截止，如图6所示，为低电压为负载供电过程，二极管D₃导通，电解电容C₁放电，形成的电流i_L经过二极管D₃流向负载，为负载供电。

当负载需要高电压供电时，控制功率开关管S₃导通，如图7所示，为高电压为负载供电过程，由于V_o2大于V_o1，因此二极管D₃反向截止，电解电容C₂放电，形成的电流i_L经过二极管D3流向负载，为负载供电。

当功率开关管S₁、S₂、S₃为三极管或IGBT时，将上述电路中相应的MOS管替换成三极管或IGBT，替换原则如下：三极管的基极、IGBT的门极对应MOS管的栅极；三极管的集电极、IGBT的集电极对应MOS管的漏极；三极管的发射极、IGBT的发射极对应MOS管的源极连接，控制方法与使用MOS管的控制方法相同。

Claims (3)

1.一种双电平输出功率变换器，其特征在于：包括直流电源、电容Ⅰ、电容Ⅱ、开关管Ⅰ、开关管Ⅱ、开关管Ⅲ、二极管Ⅰ、二极管Ⅱ、二极管Ⅲ、一个电感；其中，所述直流电源正极分别与电容Ⅱ的负极、开关管Ⅰ的输入端连接；所述电容Ⅱ的正极分别与二极管Ⅱ的阴极、开关管Ⅲ的输入端连接；所述开关管Ⅲ的输出端分别与二极管Ⅲ的阴极、负载输入端的正极连接；所述开关管Ⅰ的输出端分别与所述电感的一端、二极管Ⅰ的阴极连接；所述电感的另一端分别与二极管Ⅱ的阳极、开关管Ⅱ的输入端连接；所述开关管Ⅱ输出端分别与所述二极管Ⅲ的阳极、电容Ⅰ的正极连接；所述电源的负极分别与二极管Ⅰ的阳极、电容Ⅰ的负极、负载输入端的负极连接。

2.根据权利要求1所述的双电平输出功率变换器，其特征在于：所述开关管为MOS管、三极管、IGBT中的至少一种。

3.一种基于权利要求1或2所述双电平输出功率变换器的控制方法，其特征在于：包括调压过程、供电切换过程；

（1）调压过程：

在一个工作周期内，首先，使开关管Ⅰ、开关管Ⅱ同时处于导通状态；然后依次断开开关管Ⅰ、开关管Ⅱ，保持开关管Ⅰ的占空比小于开关管Ⅱ的占空比，一个调压工作周期结束；

（2）供电切换过程：

当负载需要低电压供电时，控制开关管Ⅲ截止；当负载需要高电压供电时，控制开关管Ⅲ导通。

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