CN105207472A - 提升buck输出电压的电路 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种提升buck输出电压的电路，包括电源端，依次连接在电源端的开关管和第一回路、第二回路和负载。电源端经正母线和负母线为电路提供输入电压。第一回路包括第一电容、第一电感和第一续流二极管，在开关管导通时，输入电压经第一电容对第一电感进行充电，在开关管截止时，第一电感经第一电容和第一续流二极管进行放电。第二回路包括与第一电感相耦合的第二电感，与第二电感形成回路的第二电容和第二续流二极管，第二电容与第一电容串联，在开关管截止，第一电感放电时，第二电感产生耦合电压并经第二回路放电。负载连接在第一电容的正端和第二电容的负端之间。

Description

提升buck输出电压的电路
技术领域
本发明涉及一种buck电路，且特别涉及一种提升buck输出电压的电路。
背景技术
LED照明由于出色的节能性能，已经得到越来越广泛的应用。为了满足不同国家的电网工作电压，同时为了防止输入容性滤波器对电网严重的谐波污染，要求在整个宽电压输入100～264Vac范围内都具有很好的恒流效果、具备高功率因数且电流谐波满足相应的谐波标准。
为了满足谐波及高功率因数的要求，LED驱动电源通常需要有功率因数校正电路。传统的功率因数校正电路一般采用升压(Boost)电路，但通常输出电压过高无法适用。因此，近年来，采用降压型的功率因数校正电路，如buck电路。现有的Buck电路实现功率因素校正的方法有两种：一种是工作在临界连续模式的恒导通时间控制，另一种是工作在临界连续模式的峰值电流控制。两种控制方式在低输出电压的应用中可以满足相应的谐波标准。
但是在高输出电压应用场合中，由于buck电路本身工作原理的限制，即要求输入电压必须大于输出电压buck电路才可以正常工作。此时一个工频周期的导通角会随着输出电压的变高而逐渐变小，如图1所示，随着输出电压的增加在一个工频周期内，导通角是逐渐减小的。导通角的减小将导致输入电流谐波变高，难以满足电流谐波的标准。
发明内容
本发明为了克服现有buck电路随着输出电压的增加，一个工频周期内导通角减小从而使得输入电流谐波变高的问题，提供一种在提高输出电压的同时能增大一个工频周期内导通角的提升buck输出电压的电路。
为了实现上述目的，本发明提供一种提升buck输出电压的电路，包括电源端，依次连接在电源端的开关管和第一回路、第二回路和负载。电源端经正母线和负母线为电路提供输入电压。第一回路包括第一电容、第一电感和第一续流二极管，在开关管导通时，输入电压经第一电容对第一电感进行充电，在开关管截止时，第一电感经第一电容和第一续流二极管进行放电。第二回路包括与第一电感相耦合的第二电感，与第二电感形成回路的第二电容和第二续流二极管，第二电容与第一电容串联，在开关管截止，第一电感放电时，第二电感产生耦合电压并经第二回路放电。负载连接在第一电容的正端和第二电容的负端之间。
于本发明一实施例中，第一电感在放电时对第一电容充电，第一电容两端的电压与第一电感的匝数N1呈正比，第二电感在放电时对第二电容充电，第二电容两端的电压与第二电感的匝数N2呈正比，第一电感的匝数N1大于第二电感的匝数N2。
于本发明一实施例中，开关管与电路的负母线相连接，第一续流二极管反向连接在正母线和开关管之间。
于本发明一实施例中，开关管采用浮地驱动，开关管与电路的正母线相连接，第一续流二极管反向连接在开关管和负母线之间。
于本发明一实施例中，第一电容和第二电容均为电解电容。
于本发明一实施例中，提升buck输出电压的电路还包括设置在电源端并对输入电压进行整流的桥式整流电路。
于本发明一实施例中，开关管为MOSFET。
综上所述，本发明提供的提升buck输出电压的电路与现有技术相比，具有以下优点：
在开关管导通期间，输入电压经第一电容、第一电感及开关管组成的回路对第一电感充电，而在第二回路中由于第二续流二极管截止，第二回路中没有电流流过。当开关管截止，第一电感通过第一电容、第一电感以及第一续流二极管组成的第一回路放电，于此同时第二电感上产生耦合电压，该耦合电压经第二电容和第二续流二极管放电。在开关管导通时，从输入侧而言，在一个工频周期内的导通角是由第一电容上的电压所决定。由于输出电压为第一电容上的电压和第二电容上的电压之和，因此，可以得出第一电容上的电压小于输出电压。根据电压和导通角的关系可以得到，本发明提供带有耦合电感的buck电路与传统的buck电路相比，当输出电压相同时，在输入侧导通角只由第一电容上的电压决定，在一个工频周期内具有更大的导通角。导通角的增大可有效提高电流的正弦度，减小电流谐波。
为让本发明的上述和其它目的、特征和优点能更明显易懂，下文特举较佳实施例，并配合附图，作详细说明如下。
附图说明
图1所示为传统的buck电路中输入电压、输出电压和导通角的关系图。
图2所示为本发明一实施例提供的提升buck输出电压的电路的原理图。
图3所示为图2所示的提升buck输出电压的电路中输入电压、输出电压和导通角的关系图。
图4所示为本发明另一实施例提供的提升buck输出电压的电路的原理图。
具体实施方式
受buck电路的原理限制，其要求输入电压必须大于输出电压。如图1所示，Vin(t)为输入电压，Vo为输出电压，在θ～п-θ的范围内，buck电路正常工作，其中θ为buck电路正常工作的起始角，п-θ为buck电路正常工作的终止角，п-2θ为buck电路正常工作的导通角。从图1中可以看出，随着输出电压的不断升高，初始角θ的值会不断的增加，相应的，导通角п-2θ将大幅度减小。在该种拓扑结构的电路中，导通角的减小将会使得输入电流的谐波增加，最终难以满足相应的谐波标准。
有鉴于此，为解决该问题，本实施例提供一种提升buck输出电压的电路，包括电源端，依次连接在电源端的开关管Q和第一回路、第二回路和负载R。电源端经正母线和负母线为电路提供输入电压。第一回路包括第一电容C1、第一电感L1和第一续流二极管D1，在开关管Q导通时，输入电压经第一电容C1对第一电感L1进行充电。在开关管Q截止时，第一电感L1经第一电容C1和第一续流二极管D1进行放电。第二回路包括与第一电感L1相耦合的第二电感L2，与第二电感L2形成回路的第二电容C2和第二续流二极管D2，第二电容C2与第一电容C1串联，在开关管Q截止，第一电感L1放电时，第二电感L2产生耦合电压并经第二回路放电。负载R连接在第一电容C1的正端和第二电容C2的负端之间。
第一回路与开关管的结构与传统的buck电路的结构相同，本实施例在传统的buck电路的基础上增加耦合的第二电感L2组成的第二回路。在开关管Q导通期间，交流的输入电压经第一电容C1对第一电感L1充电，此时第二回路中的第二续流二极管D2是截止的，第二电感L2上无电流。此时，从输入侧看buck电路的工作导通角是由第一电容C1上的电压Uc1决定的。
第一电感L1在通过第一回路放电的同时，由于电磁场耦合，第二电感L2上会产生耦合电压，该耦合电压经第二电容C2和第二续流二极管D2放电，对第二电容C2进行充电。由于第一电容C1和第二电容C2串联且负载R连接在第一电容C1的正端和第二电容C2的负端之间，即输出到负载R上的输出电压Vo为第一电容C1上的电压Uc1和第二电容上的电压Uc2之和，即Vo＝Uc1+Uc2。从该关系可以看出Uc1势必小于Vo。在本发明提供的提升buck输出电压的电路中buck电路的工作导通角是由第一电容C1上的电压Uc1决定的，而Uc1又小于Vo。因此，结合图1和图3可得：与传统的buck电路相比，当输出电压Vo相同时，本发明提供的提升buck输出电压的电路具有更大的导通角。或者说，当导通角相同时，本申请提供的提升buck输出电压的电路可以具有更高的输出电压Vo。图3中，θ1为提升buck输出电压的电路正常工作的起始角，п-θ1为提升buck输出电压的电路正常工作的终止角。
当开关Q截止时第一电感L1两端的电压U1与第一电容C1上的电压Uc1相差一个第一续流二极管D1的导通电压。第一续流二极管D1的导通电压很小，可近似认为U1＝Uc1。相同的，当第二电感L2上的产生耦合电压并进行放电时，第二电感L2两端的电压U2与第二电容C2上的电压Uc2相差一个第二续流二极管D2的导通电压。第二续流二极管D2的导通电压很小，可近似认为U2＝Uc2。根据耦合电感之间的电压关系U1：U2＝N1：N2，即Uc1：Uc2＝N1：N2。根据该关系本实施例提供的提升buck输出电压的电路通过调节第一电感L1的匝数N1和第二电感L2的匝数N2来实现Uc1和Uc2的控制。
从Vo＝Uc1+Uc2可以得出，Uc1值越小(即第一电感的匝数N1越小)，本发明提供的提升buck输出电压的电路具有更大的导通角，可进一步降低输入电流的谐波量。然而，在实际使用中，过低的Uc1值将会使得电路工作不稳定。有鉴于此，本实施例设置第一电感的匝数N1大于第二电感的匝数N2。然而，本发明对此不作任何限定。
于本实施例中，开关管Q为MOSFET，第一电容C1和第二电容C2均为电解电容。然而，本发明对此不作任何限定。于其它实施例中，开关管Q可为三极管或其它类型的MOS管，第一电容C1和第二电容C2可为空气介质电容器等其它类型的电容器。
于本实施例中，为便于开关管Q的驱动，设置开关管Q与电路的负母线连接，第一续流二极管D1反向连接在正母线和开关管Q之间。在该种结构中，由于开关管Q的源极与负母线连接，开关管Q的VGS固定，开关管Q无需采用浮地驱动，大大简化了电路的设计结构。然而，本发明对此不作任何。于其它实施例中，如图4所示，开关管Q可与电路的正母线连接，此时第一续流二极管D1反向连接在开关管和正母线之间。在该种连接方式中，开关管Q的源极与第一续流二极管D1的负极相连接，开关管Q的VGS不固定，需要采用浮地驱动。
于本实施例中，提升buck输出电压的电路还包括设置在电源端并对输入电压进行整流的桥式整流电路D。
综上所述，在开关管导通期间，输入电压经第一电容、第一电感及开关管组成的回路对第一电感充电，而在第二回路中由于第二续流二极管截止，第二回路中没有电流流过。当开关管截止，第一电感通过第一电容、第一电感以及第一续流二极管组成的第一回路放电，于此同时第二电感上产生耦合电压，该耦合电压经第二电容和第二续流二极管放电。在开关管导通时，从输入侧而言，在一个工频周期内的导通角是由第一电容的电压值所决定。由于输出电压为第一电容上的电压和第二电容上的电压之和，因此，可以得出第一电容上的电压小于输出电压。根据电压和导通角的关系可以得到，本发明提供带有耦合电感的buck电路与传统的buck电路相比，当输出电压相同时，在输入侧导通角只由第一电容上的电压决定，在一个工频周期内具有更大的导通角。导通角的增大可有效提高电流的正弦度，减小电流谐波。
虽然本发明已由较佳实施例揭露如上，然而并非用以限定本发明，任何熟知此技艺者，在不脱离本发明的精神和范围内，可作些许的更动与润饰，因此本发明的保护范围当视权利要求书所要求保护的范围为准。

Claims (7)

1.一种提升buck输出电压的电路，其特征在于，包括：
电源端，经正母线和负母线为电路提供输入电压；
依次连接在电源端的开关管和第一回路，所述第一回路包括第一电容、第一电感和第一续流二极管，在开关管导通时，输入电压经第一电容对第一电感进行充电，在开关管截止时，第一电感经第一电容和第一续流二极管进行放电；
第二回路，包括与所述第一电感相耦合的第二电感，与第二电感形成回路的第二电容和第二续流二极管，第二电容与第一电容串联，在开关管截止，第一电感放电时，第二电感产生耦合电压并经第二回路放电；
负载，连接在第一电容的正端和第二电容的负端之间。
2.根据权利要求1所述的提升buck输出电压的电路，其特征在于，第一电感在放电时对第一电容充电，第一电容两端的电压与第一电感的匝数N1呈正比，第二电感在放电时对第二电容充电，第二电容两端的电压与第二电感的匝数N2呈正比，第一电感的匝数N1大于第二电感的匝数N2。
3.根据权利要求1所述的提升buck输出电压的电路，其特征在于，所述开关管与电路的负母线相连接，第一续流二极管反向连接在正母线和开关管之间。
4.根据权利要求1所述的提升buck输出电压的电路，其特征在于，所述开关管采用浮地驱动，开关管与电路的正母线相连接，第一续流二极管反向连接在开关管和负母线之间。
5.根据权利要求1所述的提升buck输出电压的电路，其特征在于，所述第一电容和第二电容均为电解电容。
6.根据权利要求1所述的提升buck输出电压的电路，其特征在于，所述提升buck输出电压的电路还包括设置在电源端并对输入电压进行整流的桥式整流电路。
7.根据权利要求1所述的提升buck输出电压的电路，其特征在于，所述开关管为MOSFET。
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