CN104052263B - 电容分压型直流降压电路 - Google Patents

Abstract

本发明属于电气工程及其自动化技术领域，涉及到一种直流降压技术。电容分压型直流降压电路通过串联电容对高压侧直流进行分压，使用开关依次与串联电容中的一个或几个电容两端相连，让电容的电荷向输出端的储能元件转移，调节开关的通断速度可以控制低电压侧输出电压的大小；本发明可以减小直流降压电路的储能电感，为直流降压装置的小型化提供技术支持。

Description

电容分压型直流降压电路

技术领域

本发明涉及到一种直流降压技术。电容分压型直流降压电路是通过串联电容对高压侧直流进行分压，使用开关依次与串联电容中的一个或几个电容两端相连，让电容的电荷向输出端的储能元件转移，调节开关的通断速度可以控制低电压侧输出电压的大小；本发明可以减小直流降压电路的储能电感，为直流降压装置的小型化提供技术支持。本发明属于电气工程及其自动化技术领域。

背景技术

直流降压在工业生产中具有广泛的应用。在现在的直流降压电路中，主要是Buck电路、Cuk电路、Sepic电路、Zeta电路等基本结构，在这几种电路中，都是通过电力电子开关的通断，把高电压侧直流电压或电流在时间上切成段，即通常所说的斩波，高电压侧电压或电流通过可以调节的断续方波对储能元件充电；储能元件再通过低电压回路放电。在直流降压电路中，为了实现输入和输出的功率平衡，当输出电压比输入电压低时，必然要求输出电流比输入电流大，而这个电流的增加必然需要储能电感和续流元件，使得当高电压侧电压或电流对低电压侧电路无放电时段内在低电压侧回路能形成电流，从而使低电压侧回路电流增生。所以，在上述的降压电路及其变化形式中，储能电感和续流二极管是不可或缺的元件。

除了直接的直流降压电路外，还有通过把直流先变为高频交流，进行高频变压器降压，再进行整流获得低电压直流的间接直流降压电路，在间接直流降压电路中，需要使用高频变压器。

在现在的直流降压电路中，需要使用储能电感或变压器。如果要减小储能电感或变压器的体积，就要提高电力电子开关的频率；而提高了电力电子开关的频率，储能电感或变压器以及电力电子开关本身的损耗都会增加，即整个直流降压电路的转换效率会降低。所以，减小体积和提高效率是现在直流降压电路难以调和的矛盾。

在现有直流降压电路特征分析的基础上，本发明提出一种电容分压型直流降压技术，通过在高电压侧接入串联电容支路，使用开关依次把串联电容支路中一个或几个电容与低电压侧电路相连接，从而让各个电容依次对低电压侧电路放电，形成低电压侧的电压和电流，调节开关的转换速度即可控制低电压侧电压的大小。在电容分压型直流降压电路中，储能电感可以大幅度减小，从而为直流降压电路的减小体积和提高效率提供技术支持，具有显著的经济效益。

发明内容

在高电压侧接入串联电容支路，使用开关依次把串联电容支路中的一个或几个电容与低电压侧电路相连接，从而让各个电容依次对低电压侧电路放电，通过控制开关转换的速度调节直流输出电压的大小，形成电容分压型直流电压电路。电容分压型直流降压电路可以大幅度减小储能电感，从而减小直流降压装置的体积，提高直流降压装置的效率。

为了实现上述目的，本发明的技术解决方案是：

如图1所示，使用C3、Cn、C4、C5电容形成串联支路，串联电容支路两端分别与高电压侧的正负极连接。串联电容的个数根据需要而变化，在很大程度上取决于期望分压的高低和分压级差的大小，如果希望分压越低或分压的级差越小，则要求串联的电容个数越多，反之则可以使用较少数量的电容串联；串联电容的数量至少为两个，否则这种电容分压型直流降压电路将失去意义。串联的电容量值应该一致，即量值的差异不应该过大；如果串联的各个电容量值不一致，会使电容分压不均，虽然电路也能工作，但会增加控制的复杂程度或影响直流输出的电压品质。

转换开关K的多支路端与串联电容支路中的各个电容两端对应相连，单支路端与低电压回路的输入端相连。

在图1中，当转换开关K切换到最下端的位置时，使电容C3与低电压回路相连接。如果C3的电压比C20的电压高，则电容C3通过电感L1向电容C20充电，电容C3上的电荷向电容C20上转移，电容C3两端的电荷减少，两端的电压降低；当电容C3的电压和C20相等时，则电感L1上的电流达到最大值；然后电感L1的电流逐渐减小，释放能量，电容C3的电荷继续减少，电压继续降低；当电感L1上的电流降为零时，如果保持转换开关K的状态不变，则电容C20会向电容C3反充电，经过振荡后，电容C3和C20的电压相等；当电感L1上的电流降为零时，如果使转换开关K切换到下一个位置，则下一个被接入低电压回路的电容开始放电。转换开关K依次切换时，串联电容支路的各个电容依次对低电压回路放电，放电过程与电容C3放电过程相同。

在电容C3向电容C20充电过程中，电容C3上的电压降低，则整个串联电容支路的端电压也会降低，交流电源经过整流后向整个串联电容支路充电；所以，当电容C3的电压降低时，串联电容支路的其它电容的电压升高，电荷也相应增多。同理，串联电容支路中其它电容的放电会使电容C3充电。

在电容C3向电容C20充电过程中，是电容C3的电荷电容C20进行转移，电容C20的电压会升高，为了使电容C3在每次放电过程中电容C20的电压变化幅度不能太大，需要电容C3的值要小于电容C20的值。同理，串联电容支路的其它电容的值也需要小于电容C20，使电容C20的电压变化幅度不能太大。

如果电源向串联电容支路充电量为q，则在串联电容支路中的每个电容上都感应出电量为q的电荷。如果串联电容支路中的每个电容都可以把电量为q的电荷释放到低电压回路中去，则在串联电容支路中有n个电容串联，在低电压回路上就可以获得n倍的电荷量注入。也就是说，低电压回路电流的增加是通过串联电容支路中各个电容感应出电荷，再分别抽取这些电荷来实现的。

在图1中，电感L1与其两端连接的电容一起构成振荡电路，为开关的软通断创造条件。以电感L1两端连接的是电容C3和C20为例，当电感上的电流为零时，开关K切换到最下端的位置，这是电容C3通过电感L1对电容C20放电，电感L1上的电流从零开始上升，实现开关的零电流导通；在电容C3向电容C20放电的过程中，电容C3的电压下降，电感L1上的电流上升，当电容C3上的电压与C20上的电压相等时，电感L1上的电流达到最大值；然后电容C3上的电压继续下降，而电感L1上的电流则由最大值逐渐减小，最后减小为零；当电感L1上的电流减小到零时，使开关K切换，实现零电流关断；串联电容支路中的其它电容通过电感L1向电容C20放电时开关K同样可以实现零电流开通和零电流关断，从而实现开关的软通断，降低开关损耗。在振荡过程中为了防止串联电容支路中的相关电容出现负电压，增加如图1所示的续流二极管D5。

在工程中，为了减小装置的体积，需要减小电感的量值；在由电容和电感构成的振荡电路中，电感越小，电感中电流的变化率越大；所以，为了限制电感中的电流的最大值，需要缩短电流上升和下降的时间，也即需要提高电感上电压和电流的频率。但是，在电容分压型直流降压电路中，由于作用在电感两端的电压大幅度降低，电感上的电流的变化率也大幅度降低；也即电感上的电压和电流的频率可以大幅度降低。和不经过电容分压的直流降压电路相比，如果在相同的电感量值条件下，电感上的电压和电流频率降低，减少了电感上的功率损耗，如果在相同的电压和电流工作频率下，则可以减小电感量值，使装置的体积缩小，重量减轻。

串联电容支路中电容越大，则放电时间越长，所需要的限流电感也越大，而开关切换的频率也越低。为了减小电感量，需要减小串联电容支路中的电容，则开关切换的频率变高。当串联电容支路的电容变小而开关频率变高时，电源的工频电压变化跟不上串联电容支路两端电压的变化，会使串联电容支路两端的电压波动加大，为了抑制串联电容支路两端电压的这种变化，在串联电容支路旁并联一个较大的电容C1；如果是对电源电压的变化不敏感，则电容C1可以不用。

本发明具有如下优点：

1、能减小电感量值，有利于减小直流降压系统的体积；

2、能够实现开关的软开通和软关断，有利于减小开关损耗；

3、能够降低开关的频率，有利于减小电感上的功率损耗。

附图说明

图1是电容分压型直流降压电路原理图，在图1中：

AC—交流电源；

D1～D4—整流二极

管；C1—滤波电

容；C3～C5、Cn—

分压电容；K—多

路转换开关；D5—

续流二级管；L1—

谐振电感；C20—

储能电容；C21—

滤波电容；L2—滤

波电感；

图2是电容分压型直流降压电路实现方案之一，在图2中：

AC—交流电源；

D6～D9—整流二极

管；C6—滤波电

容；C7～C9、Cn—

分压电容；

IGBT1～IGBT6、IGBTm、IGBTn—绝缘栅双极型晶体管电力电子开关器件；

D10—续流二级管；L3—谐振电感；C30—储能电容；C31—滤波电容；L4—滤波电感；U—控制与驱动电路。

具体实施方式

图2为电容分压型直流降压电路的具体实施方式，进一步说明发明内容。需要说明的是，图2只是具体实施方式之一，本发明还有其它的具体实施方式。

在图2中，使用IGBT构成开关组来实现图1中的开关K的功能，而IGBT的控制和驱动根据需要使用相应的软硬件构建。

在图2中，电源通过整流电路给电容C6和串联电容支路供电。当串联电容支路充满电后，通过控制信号使开关组的开关依次导通和关断，使串联电容支路中的各个电容依次对低电压回路放电，从而实现电能从高电压侧向低电压侧传输的功能。以电容C7向低电压侧回路放电为例，当电容C7充满电后，通过控制信号使IGBT1和IGBT2电力电子开关导通，由于电容C7两端的电压比电容C30两端的电压高，则电容C7通过电感L3向电容C30放电；由于电感L3的存在，IGBT1和IGBT2上的电流从零开始上升，实现IGBT1和IGBT2的零电流开通。当电容C7通过电感L3向电容C30放电时，电容和电感形成谐振电路，电感上的电流先由零增加，当电容C7两端的电压与电容C30两端的电压相等时，电感上的电流达到最大值，然后电感上的电流逐渐减小，直到变为零；当电感上的电流变为零时，IGBT1和IGBT2开始承受反向电压而关断，从而实现IGBT1和IGBT2的软关断。在电容C7的放电过程中，电容C7两端的电压降低，而串联电容支路中的其它电容的电压相应升高。串联电容支路中的其它电容对低电压回路放电时的过程与上述过程相同。

在图2中，开关组可以由分立元件构成，也可以通过集成的方式把相应开关封装在一个芯片中，从而实现开关组的小型化。

Claims (2)

1.电容分压型直流降压电路，其特征在于，该电容分压型直流降压电路包括：串联电容支路(C3、C4、C5、Cn)、转换开关(K)、电感(L1)、储能电容(C20)、二极管(D5)，串联电容支路(C3、C4、C5、Cn)两端分别与高电压侧的正负极连接，转换开关(K)的多支路端与串联电容支路(C3、C4、C5、Cn)中的各个电容两端对应相连，转换开关(K)的两个单支路端分别与低电压回路的两个输入端相连，电感(L1)与其两端连接的串联电容支路(C3、C4、C5、Cn)和储能电容(C20)一起构成振荡电路，低电压回路由电感(L1)、储能电容(C20)构成；

低电压回路中的电感(L1)输入端与转换开关(K)的一个单支路端相连，电感(L1)输出端与低电压回路中的储能电容(C20)一端相连，储能电容(C20)的另一端与转换开关(K)的另一个单支路端连接，二极管(D5)正极与储能电容(C20)的另一端连接，二极管(D5)负极与电感(L1)输入端连接；

转换开关(K)依次切换时，串联电容支路(C3、C4、C5、Cn)的各个电容依次对低电压回路放电，转换开关(K)切换到下一个位置时，则下一个被接入低电压回路的串联电容支路(C3、C4、C5、Cn)中某一个电容开始放电；

转换开关(K)在流过电感(L1)的电流变为零时进行切换，以实现零电流导通和零电流关断，从而降低转换开关(K)的开关损耗；

并且为了抑制串联电容支路(C3、C4、C5、Cn)两端电压的变化在串联电容支路(C3、C4、C5、Cn)旁并联一个较大的电容C1。

2.按照权利要求1所述的电容分压型直流降压电路，其特征在于，串联电容支路(C3、C4、C5、Cn)中每一电容的容值均小于储能电容(C20)的容值，使串联电容支路(C3、C4、C5、Cn)中的电容通过电感(L1)对储能电容(C20)放电时不引起储能电容(20)电压的大幅度的变化。