CN105450026A - 一种三电平Boost变换器 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种三电平Boost变换器，其第一二极管D1的负极和电源Vs的正极分别连接至采样电路的第一输入端和第二输入端，采样电路的输出端连接至控制器的输入端，控制器的输出端连接至驱动单元的输入端，驱动单元的第一输出端和第二输出端分别连接至第一开关管Q1的栅极和第二开关管Q2的栅极，本发明的三电平Boost变换器采用合理的结构设计，在不增加额外的器件的情况下，大大降低硬开关PWM控制Boost电路的损耗。

Description

一种三电平Boost变换器
技术领域
本发明属于电力电子技术领域，涉及一种三电平Boost变换器。
背景技术
Boost变换器是一种开关直流升压电路，三电平Boost变换器相比两电平Boost变换器，器件的电压应力降低一半，因此应用范围很广，三电平Boost电路最初为典型的PWM硬开关电路，后来为了提升动态特性、降低磁性元件体积，提高电路效率，逐渐发展出多种软开关变形电路；但由于软开关电路必须增加额外的器件才能实现，导致成本增加、控制难度增大等问题，因此在实际应用中，PWM控制的硬开关三电平Boost变换器仍然具有很大的应用价值，但是传统的三电平Boost变换器控制两个交错驱动，通常情况下，开关管的驱动频率往往达到数十kHz，多数在20kHz～40kHz，而由于开关管频率固定不变，导致三电平Boost变换器的开关损耗大大增加。
发明内容
为了解决上述问题，本发明提出一种三电平Boost变换器，采用合理的结构设计，在不增加额外的器件的情况下，大大降低硬开关PWM控制Boost电路的损耗。
为了达到上述目的，本发明采用的技术方案是，一种三电平Boost变换器，包括电源Vs，电源Vs的正极连接第一电感L1的一端，第一电感L1的另一端分别连接第一开关管Q1的漏极和第一二极管D1的正极，第一二极管D1的负极连接第一电容C1的输入端，第一电容C1的输出端分别连接第一开关管Q1的源极和衬底、第二开关管Q2的漏极以及第二电容C2的输入端，第二电容C2的输出端连接第二二极管D2的正极，第二二极管D2的负极分别连接有第二开关管Q2的源极以及电源Vs的负极；所述第一二极管D1的负极和电源Vs的正极分别连接至采样电路的第一输入端和第二输入端，采样电路的输出端连接至控制器的输入端，控制器的输出端连接至驱动单元的输入端，驱动单元的第一输出端和第二输出端分别连接至第一开关管Q1的栅极和第二开关管Q2的栅极。
进一步的，所述第二二极管D2的负极通过第二电感L2接入电源Vs的负极。
进一步的，所述电源Vs为铅酸电池或锂电池。
进一步的，所述电感均采用铁硅铝材质的磁环。
本发明的方案中，采样电路得到输出电压Vo、输出电流Io和输入电源Vs，送入控制器，根据存储在控制器中的由具体磁性材料计算所得的Vs与开关管工作频率的关系，控制器输出该Vs时，开关管对应的占空比，控制驱动单元输出的驱动频率f；在该驱动频率f下，控制器判断输出电压Vo或输出电流Io的值是否和控制器需求的值一致，如果大于需求值，减小驱动单元输出的占空比D，如果小于需求值，增加驱动单元输出的占空比D。
硬开关Boost电路的损耗由开关损耗和导通损耗两部分组成，本发明主要针对以铅酸电池、锂电池等电池作为电源的Boost电路，电池电压在电路工作过程中会逐渐降低，本发明的三电平Boost变换器通过合理的结构设计，使电路的开关频率随输入电压的减小和逐步降低，通过降低开关频率大大减小开关损耗，从而实现降低整个电路损耗的目的。
进一步的，本发明在电路中增加一个第二电感L2，增加第二电感L2后，单个电感的匝数可以降低，第一电感L1和第二电感L2的总感量相对于传统电路中的电感有所减少，但是跌落降低的比例更小，因此可获得更低的开关频率f。
附图说明
图1是本发明三电平Boost变换器原理图。
图2是本发明实施原理图中关键点波形图。
图3是本发明实际参数举例中的频率与输入电压关系曲线。
图4是本发明铁硅铝磁芯磁场强度与跌落系数的关系曲线。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明。
如图1所示，本发明包括作为电源Vs的铅酸电池或锂电池，电源Vs的正极连接第一电感L1的一端，第一电感L1的另一端分别连接第一开关管Q1的漏极和第一二极管D1的正极，第一二极管D1的负极连接第一电容C1的输入端，第一电容C1的输出端分别连接第一开关管Q1的源极、第二开关管Q2的漏极以及第二电容C2的输入端，第二电容C2的输出端连接第二二极管D2的正极，第二二极管D2的负极分别连接有第二开关管Q2的源极以及第二电感L2的一端，第二电感L2的另一端接入电源Vs的负极；所述第一二极管D1的负极和电源Vs的正极分别连接至采样电路的第一输入端和第二输入端，采样电路的输出端连接至控制器的输入端，控制器的输出端连接至驱动单元的输入端，驱动单元的第一输出端和第二输出端分别连接至第一开关管Q1的栅极和第二开关管Q2的栅极，图1中，控制信号Qg1从驱动单元的第一输出端连接至第一开关管Q1的栅极，控制信号Qg2从驱动单元的第二输出端连接至第二开关管Q2的栅极。
如图2，本发明的实施方案是根据输入电压的变化，使开关管的工作频率在一定范围内缓慢减小。由于三电平BOOST电路为升压电路，因此输入电压Vs的上限是输出电压Vo；同时第一开关管和第二开关管交替发波，占空比需小于0.5，因此输入电压的下限是所以，频率减小的范围为：
电路工作时序如图2所示：t0～t2时刻，周期为T1；tn+1～tn+3时刻，周期为Tn+1，可以看出Tn+1>T1，即随着输入电压Vs的减小，电路工作的开关频率下降，输入电压Vs与开关频率之间的关系为：
f ( V s ) : = ( V s - 1 2 · V o ) · D o n ( V s ) L ( V s ) · Δ I ( V s ) - - - ( 1 - 1 )
其中ΔI(Vs)是电感L1上的纹波电流，Don(Vs)是占空比，L(Vs)是电感L1感量随电流增大跌落后的实际值。
D o n ( V s ) : = V o - V s V o - - - ( 1 - 2 )
Δ I ( V s ) : = K _ L · P o V s · η - - - ( 1 - 3 )
以实际参数举例：输出电压Vo＝650V，输出功率Po＝12kW，电路效率η＝98％，电源为三元锂电池组，电压范围为330V～450V；电感电流纹波系数K_L＝0.25；电感初始感量L0＝390uH，采用铁硅铝材质的磁环，磁路l＝0.1074m，共38匝。
L(Vs)函数与电感的材质，绕线匝数也有关系，在上述的实际参数下，电感量的跌落系数遵循图4的曲线，横轴为磁场强度，它与Vs的关系如式1-4；电感量跌落的实际值可以表示为式1-5。
H ( V s ) : = N · ( I i n ( V s ) + 1 2 · Δ I ( V s ) ) l - - - ( 1 - 4 )
L(Vs)：＝L0·NPS60_fall(H(Vs))(1-5)
根据实例参数获得的频率与输入电压的关系曲线如图3，可以看出在330V输入时的开关频率为2kHz，420V输入电压时开关频率为30kHz。这就意味着，相比于传统的固定频率为30kHz的三电平Boost电路，本方案在最低输入电压时，开关损耗最高降低了15倍；
开关损耗Psw与开关频率f正相关:
Psw＝kevery*f；
其中kevery为每个开关周期的开关损耗，因此本发明降低的开关频率可以大大降低三电平Boost变换器的开关损耗。
此外，由于在磁场强度变大时，电感量跌落系数迅速变大，故本发明在电路中增加第二电感L2，如图1所示原理图，增加第二电感L2后，单个电感的匝数可以降低，两个电感的总感量相对于传统电路中的电感有所减少，但是跌落降低的比例更小，因此可以获得更低的开关频率f。

Claims (4)

1.一种三电平Boost变换器，其特征在于，包括电源Vs，电源Vs的正极连接第一电感L1的一端，第一电感L1的另一端分别连接第一开关管Q1的漏极和第一二极管D1的正极，第一二极管D1的负极连接第一电容C1的输入端，第一电容C1的输出端分别连接第一开关管Q1的源极和衬底、第二开关管Q2的漏极以及第二电容C2的输入端，第二电容C2的输出端连接第二二极管D2的正极，第二二极管D2的负极分别连接有第二开关管Q2的源极以及电源Vs的负极；所述第一二极管D1的负极和电源Vs的正极分别连接至采样电路的第一输入端和第二输入端，采样电路的输出端连接至控制器的输入端，控制器的输出端连接至驱动单元的输入端，驱动单元的第一输出端和第二输出端分别连接至第一开关管Q1的栅极和第二开关管Q2的栅极。
2.根据权利要求1所述的一种三电平Boost变换器，其特征在于，所述第二二极管D2的负极通过第二电感L2接入电源Vs的负极。
3.根据权利要求1所述的一种三电平Boost变换器，其特征在于，所述电源Vs为铅酸电池或锂电池。
4.根据权利要求1所述的一种三电平Boost变换器，其特征在于，所述电感均采用铁硅铝材质的磁环。
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