CN103701330A - 一种大功率高变比升压电路 - Google Patents

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本发明公开了一种大功率高变比升压电路，包括：前级推挽升压子电路（1）、后级BOOST稳压子电路（3）和中间级谐振整流子电路（2）。采用两级式级联结构：前级推挽升压子电路（1）的输出滤波电感和后级BOOST稳压子电路（3）滤波电感共用一个电感，减小了电路的体积和成本且谐振电容C5的加入不仅可与原边折射到副边的漏感形成谐振，实现能量传递的最大化，还可实现第一功率三极开关管S1、第二功率三极开关管S2的软开关，进一步提高电路转换效率。

Description

一种大功率高变比升压电路
技术领域
本发明涉及一种直流升压电路，特别是一种大功率高变比升压电路。
背景技术
现阶段，在机载、车载供电系统中大多使用直流28V，为了适应后级用电设备的需要通常要加一级高效的升压电路。目前，直流升压电路有多种结构形式，按功率三极开关管连接方式的不同分为单端反激电路、单端正激电路、半桥电路、全桥电路、BOOST稳压电路和推挽升压电路。单端反激电路能量间接传输和变压器单相限工作的特点决定了其只适应于100-200W小功率场所；单端正激电路变压器同样为单相磁化，利用率低且需考虑磁复位问题；半桥电路功率三极开关管电压应力小，变压器磁芯利用率高，但均压电容的不平衡问题不易解决；全桥电路虽克服了上述局限，但其功率器件较多，不适合小型化场所；BOOST电路的功率器件较少，结构简单，易于实现，但升压能力不足、输入输出非隔离限制了其使用；推挽电路虽克服了上述缺点，但在某些对输出功率要求较大、升压能力要求较强的场合中仍不适用。
发明内容
本发明的目的在于提供一种大功率高变比升压电路，解决上述升压电路功率等级小、能量利用率低、升压能力不足的问题。
一种大功率高变比升压电路，包括：前级推挽升压子电路和后级BOOST稳压子电路，还包括：中间级谐振整流子电路。所述前级推挽升压子电路，包括：第一功率三极开关管S 1、第二功率三极开关管S 2、第一原边绕组T p1、第二原边绕组T p2、第一吸收电容C 1、第二吸收电容C 2、第三吸收电容C 3、第四吸收电容C 4、第一吸收电阻R 1和第二吸收电阻R 2；中间级谐振整流子电路，包括：副边绕组T s、第一整流二级管D 1、第二整流二级管D 2、第三整流二级管D 3、第四整流二级管D 4和谐振电容C 5；后级BOOST稳压子电路，包括：滤波电感L 1、第三功率三极开关管S 3、续流二极管D 5和输出滤波电容C f。
第一功率三极开关管S 1的漏极与第一原边绕组T p1的同名端连接；第二功率三极开关管S 2的漏极与第二原边绕组T p2的异名端连接；第一原边绕组T p1的异名端和第二原边绕组T p2的同名端连接到外接电源U的正极；第一功率三极开关管S 1和第二功率三极开关管S 2的源极连接到外接电源U的负极；第一吸收电容C 1的一端与第一原边绕组T p1的同名端连接；第一吸收电容C 1的另一端与第一原边绕组T p1的异名端连接；第一吸收电阻R 1的一端与第一原边绕组T p1的同名端连接；第一吸收电阻R 1的另一端与第二吸收电容C 2的一端连接；第二吸收电容C 2的另一端与第一原边绕组T p1的异名端连接；第三吸收电容C 3的一端与第二原边绕组T p2的同名端连接；第三吸收电容C 3的另一端与第二原边绕组T p2的异名端连接；第二吸收电阻R 2的一端与第二原边绕组T p2的同名端连接；第二吸收电阻R 2的另一端与第四吸收电容C 4的一端连接；第四吸收电容C 4的另一端与第二原边绕组T p2的异名端连接；第一整流二级管D 1的阳极和第三整流二级管D 3的阴极连接到副边绕组T s的同名端；第二整流二级管D 2的阳极和第四整流二级管D 4的阴极连接到副边绕组T s的异名端；第一整流二级管D 1的阴极、第二整流二级管D 2的阴极和谐振电容C 5的一端均与滤波电感L 1一端相连接；第三整流二级管D 3的阳极、第四整流二级管D 4的阳极和谐振电容C 5的另一端均与输出电压U o负端连接；滤波电感L 1的另一端分别与续流二极管D 5的阳极、第三功率三极开关管S 3的漏极连接；续流二极管D 5的阴极连接到输出电压U o正端；第三功率三极开关管S 3的源极连接到输出电压U o负端；输出滤波电容C f的正端连接到输出电压U o正端；输出滤波电容C f的负端连接到输出电压U o负端。
所述大功率高变比升压电路分为两个工作区间：推挽电路负半周期工作，变压器负向磁化，第三功率三极开关管S 3调制工作；推挽电路正半周期工作，变压器正向磁化，第三功率三极开关管S 3调制工作。
推挽电路负半周期工作，变压器负向磁化，第三功率三极开关管S 3调制工作，第二整流二级管D 2和第三整流二级管D 3起整流作用，此阶段共包含四个工作模态：
工作模态一：第一功率三极开关管S 1和第三功率三极开关管S 3导通，第二功率三极开关管S 2截止，第一原边绕组T p1负向激励，第二整流二级管D 2和第三整流二级管D 3整流工作，续流二极管D 5截止，输出通过输出滤波电容C f为负载R o放电。
工作模态二：第一功率三极开关管S 1导通，第二功率三极开关管S 2和第三功率三极开关管S 3截止，第一原边绕组T p1负向激励，第二整流二级管D 2和第三整流二级管D 3整流工作，续流二极管D 5导通，输出同时为输出滤波电容C f和负载R o供电。
工作模态三：第一功率三极开关管S 1、第二功率三极开关管S 2和第三功率三极开关管S 3全部截止，第一原边绕组T p1仍保持负向激励，第二整流二级管D 2和第三整流二级管D 3仍起整流作用，续流二极管D 5导通，输出同时为输出滤波电容C f和负载R o供电。
工作模态四：第一功率三极开关管S 1、第二功率三极开关管S 2截止，第三功率三极开关管S 3导通，第一原边绕组T p1仍保持负向激励，第二整流二级管D 2和第三整流二级管D 3仍起整流作用，续流二极管D 5截止，输出通过输出滤波电容C f为负载R o放电。
推挽电路正半周期工作，变压器正向磁化，第三功率三极开关管S 3调制工作，第一整流二级管D 1和第四整流二级管D 4起整流作用，此阶段共包含四个工作模态，顺次表述为：
工作模态五：第二功率三极开关管S 2和第三功率三极开关管S 3导通，第一功率三极开关管S 1截止，第二原边绕组T p2正向激励，第一整流二级管D 1和第四整流二级管D 4整流工作，续流二极管D 5截止，输出通过输出滤波电容C f为负载R o放电。
工作模态六：第二功率三极开关管S 2导通，第一功率三极开关管S 1和第三功率三极开关管S 3截止，第二原边绕组T p2正向激励，第一整流二级管D 1和第四整流二级管D 4整流工作，续流二极管D 5导通，输出同时为输出滤波电容C f和负载R o供电。
工作模态七：第一功率三极开关管S 1、第二功率三极开关管S 2和第三功率三极开关管S 3全部截止，第二原边绕组T p2仍保持正向激励，第一整流二级管D 1和第四整流二级管D 4仍起整流作用，续流二极管D 5导通，输出同时为输出滤波电容C f和负载R o供电。
工作模态八：第一功率三极开关管S 1、第二功率三极开关管S 2截止，第三功率三极开关管S 3导通，第二原边绕组T p2仍保持正向激励，第一整流二级管D 1和第四整流二级管D 4仍起整流作用，续流二极管D 5截止，输出通过输出滤波电容C f为负载R o放电。
本电路可实现大功率高变比升压的电路，具有如下优点：（1）两级式级联结构，提高了电路的升压能力；（2）前级推挽升压子电路的输出滤波电感和后级BOOST稳压子电路滤波电感共用一个电感，减小了电路的体积和成本；（3）谐振电容C 5的加入不仅可与原边折射到副边的漏感形成谐振，实现能量传递的最大化，还可实现第一功率三极开关管S 1、第二功率三极开关管S 2的软开关，进一步提高电路转换效率。
附图说明
图1  一种大功率高变比升压电路结构示意图；
图2  一种大功率高变比升压电路工作模态一示意图；
图3  一种大功率高变比升压电路工作模态二示意图；
图4  一种大功率高变比升压电路工作模态三示意图；
图5  一种大功率高变比升压电路工作模态四示意图；
图6  一种大功率高变比升压电路工作模态五示意图；
图7  一种大功率高变比升压电路工作模态六示意图；
图8  一种大功率高变比升压电路工作模态七示意图；
图9  一种大功率高变比升压电路工作模态八示意图；
图10  一种大功率高变比升压电路的控制框图。
1.前级推挽升压子电路  2.中间级谐振整流子电路  3.后级BOOST稳压子电路。
具体实施方式
一种大功率高变比升压电路，包括：前级推挽升压子电路1、后级BOOST稳压子电路3，还包括：中间级谐振整流子电路2。前级推挽升压子电路1，包括：第一功率三极开关管S 1、第二功率三极开关管S 2、第一原边绕组T p1、第二原边绕组T p2、第一吸收电容C 1、第二吸收电容C 2、第三吸收电容C 3、第四吸收电容C 4、第一吸收电阻R 1、第二吸收电阻R 2；中间级谐振整流子电路2，包括：副边绕组T s、第一整流二级管D 1、第二整流二级管D 2、第三整流二级管D 3、第四整流二级管D 4和谐振电容C 5；后级BOOST稳压子电路3，包括：滤波电感L 1、第三功率三极开关管S 3、续流二极管D 5和输出滤波电容C f。
第一功率三极开关管S 1的漏极与第一原边绕组T p1的同名端连接；第二功率三极开关管S 2的漏极与第二原边绕组T p2的异名端连接；第一原边绕组T p1的异名端和第二原边绕组T p2的同名端连接到外接电源U的正极；第一功率三极开关管S 1和第二功率三极开关管S 2的源极连接到外接电源U的负极；第一吸收电容C 1的一端与第一原边绕组T p1的同名端连接；第一吸收电容C 1的另一端与第一原边绕组T p1的异名端连接；第一吸收电阻R 1的一端与第一原边绕组T p1的同名端连接；第一吸收电阻R 1的另一端与第二吸收电容C 2的一端连接；第二吸收电容C 2的另一端与第一原边绕组T p1的异名端连接；第三吸收电容C 3的一端与第二原边绕组T p2的同名端连接；第三吸收电容C 3的另一端与第二原边绕组T p2的异名端连接；第二吸收电阻R 2的一端与第二原边绕组T p2的同名端连接；第二吸收电阻R 2的另一端与第四吸收电容C 4的一端连接；第四吸收电容C 4的另一端与第二原边绕组T p2的异名端连接；第一整流二级管D 1的阳极和第三整流二级管D 3的阴极连接到副边绕组T s的同名端；第二整流二级管D 2的阳极和第四整流二级管D 4的阴极连接到副边绕组T s的异名端；第一整流二级管D 1的阴极、第二整流二级管D 2的阴极和谐振电容C 5的一端均与滤波电感L 1一端相连接；第三整流二级管D 3的阳极、第四整流二级管D 4的阳极和谐振电容C 5的另一端均与输出电压U o负端连接；滤波电感L 1的另一端分别与续流二极管D 5的阳极、第三功率三极开关管S 3的漏极连接；续流二极管D 5的阴极连接到输出电压U o正端；第三功率三极开关管S 3的源极连接到输出电压U o负端；输出滤波电容C f的正端连接到输出电压U o正端；输出滤波电容C f的负端连接到输出电压U o负端。
本发明的一种大功率高变比升压电路可分为两个工作区间：1.推挽电路负半周期工作，变压器负向磁化，第三功率三极开关管S 3调制工作；2. 推挽电路正半周期工作，变压器正向磁化，第三功率三极开关管S 3调制工作。
推挽电路负半周期工作，变压器负向磁化，第三功率三极开关管S 3调制工作，第二整流二级管D 2和第三整流二级管D 3起整流作用，此阶段共包含四个工作模态：
工作模态一：第一功率三极开关管S 1和第三功率三极开关管S 3导通，第二功率三极开关管S 2截止，第一原边绕组T p1负向激励，第二整流二级管D 2和第三整流二级管D 3整流工作，续流二极管D 5截止，输出通过输出滤波电容C f为负载R o放电。
工作模态二：第一功率三极开关管S 1导通，第二功率三极开关管S 2和第三功率三极开关管S 3截止，第一原边绕组T p1负向激励，第二整流二级管D 2和第三整流二级管D 3整流工作，续流二极管D 5导通，输出同时为输出滤波电容C f和负载R o供电。
工作模态三：第一功率三极开关管S 1、第二功率三极开关管S 2和第三功率三极开关管S 3全部截止，第一原边绕组T p1仍保持负向激励，第二整流二级管D 2和第三整流二级管D 3仍起整流作用，续流二极管D 5导通，输出同时为输出滤波电容C f和负载R o供电。
工作模态四：第一功率三极开关管S 1、第二功率三极开关管S 2截止，第三功率三极开关管S 3导通，第一原边绕组T p1仍保持负向激励，第二整流二级管D 2和第三整流二级管D 3仍起整流作用，续流二极管D 5截止，输出通过输出滤波电容C f为负载R o放电。
推挽电路正半周期工作，变压器正向磁化，第三功率三极开关管S 3调制工作，第一整流二级管D 1和第四整流二级管D 4起整流作用，此阶段共包含四个工作模态，顺次表述为：：
工作模态五：第二功率三极开关管S 2和第三功率三极开关管S 3导通，第一功率三极开关管S 1截止，第二原边绕组T p2正向激励，第一整流二级管D 1和第四整流二级管D 4整流工作，续流二极管D 5截止，输出通过输出滤波电容C f为负载R o放电。
工作模态六：第二功率三极开关管S 2导通，第一功率三极开关管S 1和第三功率三极开关管S 3截止，第二原边绕组T p2正向激励，第一整流二级管D 1和第四整流二级管D 4整流工作，续流二极管D 5导通，输出同时为输出滤波电容C f和负载R o供电。
工作模态七：第一功率三极开关管S 1、第二功率三极开关管S 2和第三功率三极开关管S 3全部截止，第二原边绕组T p2仍保持正向激励，第一整流二级管D 1和第四整流二级管D 4仍起整流作用，续流二极管D 5导通，输出同时为输出滤波电容C f和负载R o供电。
工作模态八：第一功率三极开关管S 1、第二功率三极开关管S 2截止，第三功率三极开关管S 3导通，第二原边绕组T p2仍保持正向激励，第一整流二级管D 1和第四整流二级管D 4仍起整流作用，续流二极管D 5截止，输出通过输出滤波电容C f为负载R o放电。
为实现以上工作原理，采用控制方案如下：同步时序脉冲CP分别送入控制芯片SG3525的SYNC脚和控制芯片UC3842的R T/C T脚；控制芯片SG3525的输出OUTA通过延时电路和驱动电路I后得到第一功率三极开关管S 1的驱动信号drv 1，其为满脉宽控制，占空比固定在45%左右；控制芯片SG3525的输出OUTB通过延时电路和驱动电路II后得到第二功率三极开关管S 2的驱动信号drv 2，其为满脉宽控制，占空比固定在45%左右；将流过第三功率三极开关管S 3的电流采样信号送入控制芯片UC3842的Isense脚；将输出电压U o和电压基准U r经电压环调节器运算得到信号送入控制芯片UC3842的Comp脚；将控制芯片UC3842 OUT脚输出的信号送入驱动电路III后得到第三功率三极开关管S 3的驱动信号drv 3。

Claims (1)

1.一种大功率高变比升压电路，包括：前级推挽升压子电路（1）和后级BOOST稳压子电路（3），其特征在于还包括：中间级谐振整流子电路（2）；所述前级推挽升压子电路（1），包括：第一功率三极开关管S 1、第二功率三极开关管S 2、第一原边绕组T p1、第二原边绕组T p2、第一吸收电容C 1、第二吸收电容C 2、第三吸收电容C 3、第四吸收电容C 4、第一吸收电阻R 1和第二吸收电阻R 2；中间级谐振整流子电路（2），包括：副边绕组T s、第一整流二级管D 1、第二整流二级管D 2、第三整流二级管D 3、第四整流二级管D 4和谐振电容C 5；后级BOOST稳压子电路（3），包括：滤波电感L 1、第三功率三极开关管S 3、续流二极管D 5和输出滤波电容C f；
第一功率三极开关管S 1的漏极与第一原边绕组T p1的同名端连接；第二功率三极开关管S 2的漏极与第二原边绕组T p2的异名端连接；第一原边绕组T p1的异名端和第二原边绕组T p2的同名端连接到外接电源U的正极；第一功率三极开关管S 1和第二功率三极开关管S 2的源极连接到外接电源U的负极；第一吸收电容C 1的一端与第一原边绕组T p1的同名端连接；第一吸收电容C 1的另一端与第一原边绕组T p1的异名端连接；第一吸收电阻R 1的一端与第一原边绕组T p1的同名端连接；第一吸收电阻R 1的另一端与第二吸收电容C 2的一端连接；第二吸收电容C 2的另一端与第一原边绕组T p1的异名端连接；第三吸收电容C 3的一端与第二原边绕组T p2的同名端连接；第三吸收电容C 3的另一端与第二原边绕组T p2的异名端连接；第二吸收电阻R 2的一端与第二原边绕组T p2的同名端连接；第二吸收电阻R 2的另一端与第四吸收电容C 4的一端连接；第四吸收电容C 4的另一端与第二原边绕组T p2的异名端连接；第一整流二级管D 1的阳极和第三整流二级管D 3的阴极连接到副边绕组T s的同名端；第二整流二级管D 2的阳极和第四整流二级管D 4的阴极连接到副边绕组T s的异名端；第一整流二级管D 1的阴极、第二整流二级管D 2的阴极和谐振电容C 5的一端均与滤波电感L 1一端相连接；第三整流二级管D 3的阳极、第四整流二级管D 4的阳极和谐振电容C 5的另一端均与输出电压U o负端连接；滤波电感L 1的另一端分别与续流二极管D 5的阳极、第三功率三极开关管S 3的漏极连接；续流二极管D 5的阴极连接到输出电压U o正端；第三功率三极开关管S 3的源极连接到输出电压U o负端；输出滤波电容C f的正端连接到输出电压U o正端；输出滤波电容C f的负端连接到输出电压U o负端；
所述大功率高变比升压电路分为两个工作区间：推挽电路负半周期工作，变压器负向磁化，第三功率三极开关管S 3调制工作；推挽电路正半周期工作，变压器正向磁化，第三功率三极开关管S 3调制工作；
推挽电路负半周期工作，变压器负向磁化，第三功率三极开关管S 3调制工作，第二整流二级管D 2和第三整流二级管D 3起整流作用，此阶段共包含四个工作模态：
工作模态一：第一功率三极开关管S 1和第三功率三极开关管S 3导通，第二功率三极开关管S 2截止，第一原边绕组T p1负向激励，第二整流二级管D 2和第三整流二级管D 3整流工作，续流二极管D 5截止，输出通过输出滤波电容C f为负载R o放电；
工作模态二：第一功率三极开关管S 1导通，第二功率三极开关管S 2和第三功率三极开关管S 3截止，第一原边绕组T p1负向激励，第二整流二级管D 2和第三整流二级管D 3整流工作，续流二极管D 5导通，输出同时为输出滤波电容C f和负载R o供电；
工作模态三：第一功率三极开关管S 1、第二功率三极开关管S 2和第三功率三极开关管S 3全部截止，第一原边绕组T p1仍保持负向激励，第二整流二级管D 2和第三整流二级管D 3仍起整流作用，续流二极管D 5导通，输出同时为输出滤波电容C f和负载R o供电；
工作模态四：第一功率三极开关管S 1、第二功率三极开关管S 2截止，第三功率三极开关管S 3导通，第一原边绕组T p1仍保持负向激励，第二整流二级管D 2和第三整流二级管D 3仍起整流作用，续流二极管D 5截止，输出通过输出滤波电容C f为负载R o放电；
推挽电路正半周期工作，变压器正向磁化，第三功率三极开关管S 3调制工作，第一整流二级管D 1和第四整流二级管D 4起整流作用，此阶段共包含四个工作模态，顺次表述为：
工作模态五：第二功率三极开关管S 2和第三功率三极开关管S 3导通，第一功率三极开关管S 1截止，第二原边绕组T p2正向激励，第一整流二级管D 1和第四整流二级管D 4整流工作，续流二极管D 5截止，输出通过输出滤波电容C f为负载R o放电；
工作模态六：第二功率三极开关管S 2导通，第一功率三极开关管S 1和第三功率三极开关管S 3截止，第二原边绕组T p2正向激励，第一整流二级管D 1和第四整流二级管D 4整流工作，续流二极管D 5导通，输出同时为输出滤波电容C f和负载R o供电；
工作模态七：第一功率三极开关管S 1、第二功率三极开关管S 2和第三功率三极开关管S 3全部截止，第二原边绕组T p2仍保持正向激励，第一整流二级管D 1和第四整流二级管D 4仍起整流作用，续流二极管D 5导通，输出同时为输出滤波电容C f和负载R o供电；
工作模态八：第一功率三极开关管S 1、第二功率三极开关管S 2截止，第三功率三极开关管S 3导通，第二原边绕组T p2仍保持正向激励，第一整流二级管D 1和第四整流二级管D 4仍起整流作用，续流二极管D 5截止，输出通过输出滤波电容C f为负载R o放电。
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