CN105529924A - 一种准z源降压dc-dc变换电路 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种准Z源降压DC-DC变换电路，其包括电压源,由第一电感、第二电感、第一电容、第二电容和第一开关管构成的准Z源网络，第二开关管，第三电感，输出电容和负载。所述输出电容和负载作为准Z源网络的一部分；所述电压源、第三电感、准Z源网络依次串联；所述第二开关管并联在准Z源网络的第一电感和第二电容上。整个电路结构简单，输出与输入共地，在占空比接近于0.5的时候，可以实现很小的降压比，电路不存在启动冲击电流问题，由于没有二极管，也没有一般降压变换器中由二极管PN结由导通变为截止状态过程中，存在的反向恢复现象。除此之外，该变换器还具有升降压和双向能量流动的能力。

Description

一种准Z源降压DC-DC变换电路

技术领域

本发明涉及电力电子电路领域，具体涉及一种准Z源降压DC-DC变换器电路。

背景技术

在LED集中式直流供电系统中，为了降低线路损耗，采用高压直流输电，由于LED需要的驱动电压较小，所以需要将上百伏的直流高压进行降压。由于电压变比很小，采用普通的BUCK变换器会出现开关损耗大、变换效率低、电磁干扰严重等问题，而且通常降压变换器里带有二极管，二极管由导通变为截止状态过程中，存在反向恢复现象。而隔离型变换器的拓扑结构复杂，变压器漏感导致能量损耗，电磁干扰严重。

发明内容

本发明的目的在于克服上述现有技术的不足，提供一种准Z源降压DC-DC变换器电路，具体技术方案如下。

一种准Z源降压DC-DC变换电路，包括电压源、准Z源阻抗网络、第二开关管、第三电感、输出电容和负载。所述准Z源阻抗网络由第一电感、第二电感、第一电容、第二电容和第一开关管组成；所述输出电容和负载作为准Z源网络的一部分；所述电压源、第三电感、准Z源网络依次串联；所述第二开关管并联在准Z源网络的第一电感和第二电容上。

进一步地，上述准Z源降压DC-DC变换电路的具体连接方式为：所述电压源的正极与第三电感的一端连接；第三电感的另一端分别与第一电容的正极、第一电感的一端和第二开关管的漏极连接；第一电容的负极分别与第二电感的一端、第一开关管的源极连接；第一开关管的漏极分别与第一电感的另一端、第二电容的正极连接；第二电容的负极分别与第二开关管的源极、输出电容的一端和负载的一端连接；电压源的负极分别与第二电感的另一端、输出电容的另一端和负载的另一端连接。

与现有技术相比，本发明电路具有如下优点和技术效果：可以在占空比不小的情况下实现很小的电压变比，输入输出电压共地，没有Z源网络常有的启动冲击电流问题，没有二极管由导通转为关断时的反向恢复问题，并且具有双向能量流动能力，调换负载和电源位置后可以使之成为一个高增益的BOOST电路。

附图说明

图1是本发明具体实施方式中的一种准Z源降压DC-DC变换电路。

图2a、图2b是第一开关管S₁导通、第二开关管S₂关断时工作过程的等效电路图。

图3a、图3b是第二开关管S₂导通、第一开关管S₁关断时工作过程的等效电路图。

图4是变换器的电压增益和占空比的关系图。

图5为实例中本发明电路的工作波形图。

具体实施方式

以下结合实施例及附图对本发明作进一步详细的描述说明，但本发明的实施方式不限于此。需指出的是，以下若有未特别详细说明之过程或参数，均是本领域技术人员可参照现有技术理解或实现的。

参考图1，本发明所述的一种准Z源降压DC-DC变换电路，其包括电压源V_IN,由第一电感L₁、第二电感L₂、第一电容C₁、第二电容C₂和第一开关管S₁构成的准Z源网络，第二开关管S₂，第三电感L₃，输出电容C_O和负载R_L。所述输出电容和负载作为准Z源网络的一部分；所述电压源、第三电感、准Z源网络依次串联；所述第二开关管并联在准Z源网络的第一电感和第二电容上。两个开关管的存在给负载向电压源馈能提供了可能，从而大大降低了负载电压。整个电路结构简单，输出与输入共地，在占空比接近于0.5的时候，可以实现很小的降压比，电路不存在启动冲击电流问题，由于没有二极管，也没有一般降压变换器中由二极管PN结由导通变为截止状态过程中，存在的反向恢复现象。除此之外，该变换器具有升降压和双向能量流动的能力。

本实例电路的具体连接如下：所述电压源V_IN的正极与第三电感L₃的一端连接；第三电感L₃的另一端分别与第一电容C₁的正极、第一电感L₁的一端和第二开关管S₂的漏极连接；第一电容C₁的负极分别与第二电感L₂的一端、第一开关管的S₁源极连接；第一开关管S₁的漏极分别与第一电感L₁的另一端、第二电容C₂的正极连接；第二电容C₂的负极分别与第二开关管S₂的源极、输出电容C_O的正极和负载R_L的一端连接；电压源V_IN的负极分别与第二电感L₂的另一端、输出电容C_O的负极和负载R_L的另一端连接。

图2a、图2b和图3a、图3b给出了本发明电路的工作过程图。图2a、图2b是第一开关管S₁导通、第二开关管S₂关断时的等效电路图；图3a、图3b是第二开关管S₂导通、第一开关管S₁关断时的等效电路图，图中实线表示变换器中有电流流过的部分，虚线表示变换器中无电流流过的部分。

本实例的工作过程如下。

阶段1，如图2：第一开关管S₁导通，此时第二开关管S₂处于关断状态。电路形成了三个回路，分别是：第一电感L₁和第一电容C₁构成一个回路；第二电感L₂、第二电容C₂和输出电容C_O、负载R_L构成一个回路；电压源V_IN和第三电感L₃以及其他器件构成一个回路。由于第一电容C₁、第二电容C₂电压和大于电压源V_IN电压，第一电容C₁、第二电容C₂、第一电感L₁、第二电感L₂、输出电容C_O、负载R_L对电压源V_IN和第三电感L₃进行反向充电，第三电感L₃电流降低。在这个过程中，第一电感L₁先对第一电容C₁进行充电，第二电感L₂对第二电容C₂、输出电容C_O和负载R_L进行充电，电流流经第一开关管S₁的反并联二极管，第一电感L₁和第二电感L₂电流降低，如图2a所示；第一电感L₁和第二电感L₂电流降到0后，第一电容C₁对第一电感L₁进行充电、第二电容C₂和输出电容C_O对第二电感L₂进行充电，电流流经第一开关管S₁，第一电感L₁和第二电感L₂电流升高，如图2b所示。

阶段2，如图3：第二开关管S₂导通，此时第一开关管S₁处于关断状态。电路形成了三个回路，分别是：第一电感L₁和第二电容C₂构成一个回路；第二电感L₂、第一电容C₁和输出电容C_O、负载R_L构成一个回路；电压源V_IN和第三电感L₃以及输出电容C_O、负载R_L构成一个回路。由于负载电压低于输入电压，电压源V_IN对第三电感L₃和输出电容C_O、负载R_L进行充电，第三电感L₃电流升高。在这个过程中，第一电感L₁先对第二电容C₂进行充电，第二电感L₂和输出电容C_O对第一电容C₁进行充电，电流流经第二开关管S₂的反并联二极管，第一电感L₁和第二电感L₂电流降低，如图3a所示；第一电感L₁和第二电感L₂电流降到0后，第二电容C₂对第一电感L₁进行反向充电、第一电容C₁对第二电感L₂、输出电容C_O和负载R_L进行充电，电流流经第二开关管S₂，第一电感L₁和第二电感L₂电流升高，如图3b所示。

综上情况，设第一开关管S₁的占空比为D，开关周期为T_S。V_L1、V_L2、V_L3、V_C1、V_C2分别是第一电感L₁、第二电感L₂、第三电感L₃、第一电容C₁、第二电容C₂的电压，V_S1和V_S2分别为第一开关管S₁和第二开关管S₂的关断电压，V_IN为电压源电压，负载R_L两端电压为V_O。

第一开关管S₁导通，第二开关管S₂关断期间，对应阶段1所述的工作情形，因此有如下公式：

V_L1＝V_C1(1)

V_L2＝V_C2+V_O(2)

V_L3＝V_IN-V_C1-V_C2-V_O(3)

第一开关管S₁导通时间为D·T_S。

第二开关管S₂导通，第一开关管S₁关断期间，对应阶段2所述的工作情形，因此有如下公式：

V_L1＝-V_C2(4)

V_L2＝V_O-V_C1(5)

V_L3＝V_IN-V_O(6)

第一开关管S₁关断时间为(1-D)·T_S。

由电感的伏秒平衡原理得：

V_C1·D·T_S-V_C2·(1-D)·T_S＝0(7)

(V_C2+V_O)·D·T_S+(V_O-V_C1)·(1-D)·T_S＝0(8)

(V_IN-V_C1-V_C2-V_O)·D·T_S+(V_IN-V_O)·(1-D)·T_S＝0(9)

联立式(7)、式(8)、式(9)，可得该发明电路的电压增益表达式为：

$G=\frac{Vo}{V_{IN}}=\frac{1-2D}{1-D}---\left(10\right)$

如图4所示为本发明电路的增益曲线。由图4可以看出，当占空比D接近于0.5(D<0.5)时，增益G可以很小。当D>0.5时，本发明电路相当于一个BUCK-BOOST电路：0<D<2/3时，本发明电路相当于一个BUCK电路，输出电压和输入电压方向相反；2/3<D<1时，本发明电路相当于一个BOOST电路。

由于本发明电路具有双向能量流动的能力，所以调换负载和电源位置后，当占空比D接近于0.5(D<0.5)时，增益G可以很大，成为一个高增益升压电路。当D>0.5时，本发明电路相当于一个BUCK-BOOST电路：0<D<2/3时，本发明电路相当于一个BOOST电路，输出电压和输入电压方向相反；2/3<D<1时，本发明电路相当于一个BUCK电路，输出电压和输入电压方向相反。

由于本发明电路本身拓扑结构的特点，当其启动时，电路中的电感对启动冲击电流有抑制作用，减少了对器件的冲击损害。同时，由于电路中没有二极管，也就没有二极管由导通转为关断的过程中存在的反向恢复现象。

综上所述，本发明电路不仅可以实现很小的电压增益，输入输出共地，不存在Z源网络的启动冲击电流问题和二极管的反向恢复问题，可以实现降压和升降压功能，并且具有双向能量流动能力，调换负载和电源位置后可以使之成为一个高增益的BOOST电路。

上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受所述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。

Claims (3)

1.一种准Z源降压DC-DC变换电路，其特征在于包括电压源（V_IN）、准Z源网络、第二开关管（S₂）、第三电感（L₃）、输出电容（C_O）和负载（R_L）；所述准Z源网络由第一电感（L₁）、第二电感（L₂）、第一电容（C₁）、第二电容（C₂）和第一开关管（S₁）构成；所述输出电容（C_O）和负载（R_L）作为准Z源网络的一部分；所述电压源（V_IN）、第三电感（L₃）、准Z源网络依次串联；所述第二开关管（S₂）并联在准Z源网络的第一电感（L₁）和第二电容（C₂）上。

2.根据权利要求1所述的一种准Z源降压DC-DC变换电路，其特征在于所述电压源（V_IN）的正极与第三电感（L₃）的一端连接；第三电感（L₃）的另一端分别与第一电容（C₁）的正极、第一电感（L₁）的一端和第二开关管（S₂）的漏极连接；第一电容（C₁）的负极分别与第二电感（L₂）的一端、第一开关管的（S₁）源极连接；第一开关管（S₁）的漏极分别与第一电感（L₁）的另一端、第二电容（C₂）的正极连接；第二电容（C₂）的负极分别与第二开关管（S₂）的源极、输出电容（C_O）的正极和负载（R_L）的一端连接；电压源（V_IN）的负极分别与第二电感（L₂）的另一端、输出电容（C_O）的负极和负载（R_L）的另一端连接。

3.根据权利要求1所述的一种准Z源降压DC-DC变换电路，其特征在于当所述第一开关管（S₁）导通，所述第二开关管（S₂）关断时，电路形成了三个回路，分别是：第一电感（L₁）和第一电容（C₁）构成一个回路；第二电感（L₂）、第二电容（C₂）和输出电容（C_O）、负载（R_L）构成一个回路；电压源（V_IN）和第三电感（L₃）以及其他器件构成一个回路；第一电感（L₁）、第二电感（L₂）、输出电容（C_O）、负载（R_L）对电压源（V_IN）和第三电感（L₃）进行反向充电；第一电感（L₁）先对第一电容（C₁）进行充电；第二电感（L₂）对第二电容（C₂）、输出电容（C_O）和负载（R_L）进行充电；第一电感（L₁）和第二电感（L₂）电流降到0后，第一电容（C₁）对第一电感（L₁）进行充电；第二电容（C₂）和输出电容（C_O）对第二电感（L₂）进行充电；当所述第二开关管（S₂）导通，所述第一开关管（S₁）关断时，电路形成了三个回路，分别是：第一电感（L₁）和第二电容（C₂）构成一个回路；第二电感（L₂）、第一电容（C₁）和输出电容（C_O）、负载（R_L）构成一个回路；电压源（V_IN）和第三电感（L₃）以及输出电容（C_O）、负载（R_L）构成一个回路；电压源（V_IN）对第三电感（L₃）和输出电容（C_O）、负载（R_L）进行充电；第一电感（L₁）先对第二电容（C₂）进行充电；第二电感（L₂）和输出电容（C_O）对第一电容（C₁）进行充电；第一电感（L₁）和第二电感（L₂）电流降到0后，第二电容（C₂）对第一电感（L₁）进行反向充电；第一电容（C₁）对第二电感（L₂）、输出电容（C_O）和负载（R_L）进行充电。