CN105763048A - 带串联型降压升流电路的buck变换器 - Google Patents

带串联型降压升流电路的buck变换器 Download PDF

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杨喜军
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Abstract

本发明提供了一种带串联型降压升流电路的buck变换器，包括降压升流电路、buck电路，所述降压升流电路的第一输出端连接至buck电路的第一输入端，降压升流电路的第二输出端连接至buck电路的第二输入端，即通过降压升流电路预先对输入电压进行降压升流处理再传输至buck电路的输入端。本发明能够通过控制开关管S2、开关管S3、开关管S4、开关管S5、开关管S6、开关管S7同时导通的个数，改变输入电流增加的倍数；结构简单，操作方便，降压效果明显，通过增加电解电容、开关管的数量对buck变换器进行拓展，实现对输入电压在更宽范围内的降压调整。

Description

带串联型降压升流电路的buck变换器
技术领域
本发明涉及电力电子变换技术领域，具体地，涉及一种带串联型降压升流电路的buck变换器。
背景技术
DC-DC电力变换器是一种电能转换装置，可以对直流电压进行转换，它将不可调节的直流电压转换成可调节的直流电压，其中buck变换器实现了对输入电压的降压操作。传统的buck电路输出电压与输入电压的比值为开关的占空比。当需要将很大的电压降到很小时，传统的buck电路占空比很小，无法进行实际应用。
随着新能源应用领域的不断拓宽，新能源开发技术要求buck变换器具有宽输入电压范围。一种方法是引入变压器模块，如正激变换器，通过原副边绕组的匝比降低对开关管占空比的要求。但是，该方法虽然可以拓宽变换器输入电压范围，控制占空比在一个合理的范围之内，却也意味着电路体积的明显增加。另一种方法是采用变换器级联技术，将两个或多个的变换器进行级联，输出输入电压的比值将会是占空比的多次方。
经过对现有技术的检索发现，在buck电路的前置电路中进行预先降压的研究非常少。在buck电路方面的研究主要集中在二次型buck或级联型buck的优化方面。卢志飞等在2011年的“电工技术学报”上介绍了单开关二次型的buck变换器；陆治国等在2014年2月的“电力电子技术”文章中提出“一种新型的交错并联二次型Buck变换器”，降低输出电流纹波并实现在相同占空比情况下达到更高的电压增益。在专利检索方面，相关研究专注于buck电路的控制算法、应用方式，缺少buck电路的降压预处理。
专利申请号：201510748108.3，名称:一种开关电源电路及太阳能发电系统，提出对电路中电感、电容连接方式的改进以提高效率，但没有降低对器件的要求。
综上所述，目前buck电路的研究主要集中在控制算法的优化和二次型或级联型的研究，缺乏预处理方面的研究和设计。由于电路原理上的约束，二次型或级联型的buck电路尽管较传统电路输入电压范围扩大，但提高空间不足，不能靠一味地增加级联个数来提高性能。而算法的改进也意味着算法复杂度的提高，在实际应用中不易于推广。另外，目前的相关buck电路电流的放大不可控，电压的成倍减小意味着电流的成倍增加，在特定应用中可能受限。
随着实践应用的推广，设计一种能提高输入电压范围、控制输入电流大小而不需要大量增加开关管数量或依赖复杂控制的降压变压器成为一个重要的研究方向。
发明内容
针对现有技术中的缺陷，本发明的目的是提供一种带串联型降压升流电路的buck变换器。
根据本发明提供的带串联型降压升流电路的buck变换器，包括降压升流电路、buck电路，所述降压升流电路的第一输出端连接至buck电路的第一输入端，降压升流电路的第二输出端连接至buck电路的第二输入端，即通过降压升流电路预先对输入电压进行降压升流处理再传输至buck电路的输入端。
优选地，所述降压升流电路包括：开关管S1、二极管D1、初级充放电单元、末级充放电单元和/或级联充放电路；其中：
所述初级充放电单元包括：电解电容C1、开关管S3；
所述末级充放电单元包括：二极管DN+2、电解电容CN+2、开关管S2N+2，其中N表示级联充放电路中级联充放电单元的总个数；其中，DN+2表示第N+2个二极管，CN+2表示第N+2个电解电容，S2N+2表示第2N+2个开关管；
级联充放电路包括：二极管Dn+1、电解电容Cn+1、开关管S2n、开关管S2n+3，其中n＝1,2,3…N；N表示级联充放电路中级联充放电单元的总个数；其中，Dn+1表示第n+1个二极管，S2n表示2n个开关管，S2n+3表示2n+3个开关管；
具体地，开关管S1的漏极与输入电源的正极相连，所述开关管S1的源极连接至二极管D1的正极，二极管D1的负极连接至电解电容C1的正极并构成所述降压升流电路的第一输出端；所述电解电容C1的负极连接至开关管S3的漏极，所述开关管S3的源极构成所述降压升流电路的第二输出端；
每个级联充放电单元的二极管Dn+1的正极构成该级联充放电单元的第一端口，所述二极管Dn+1的负极分别连接至开关管S2n的源极和电解电容Cn+1的正极，所述电解电容Cn+1的负极构成该级联充放电单元的第二端口并连接至开关管S2n+3的漏极；所述开关管S2n的漏极连接至降压升流电路的第一输出端，所述开关管S2n+3的源极连接至降压升流电路的第二输出端；第一个级联充放电单元的第一端口连接至初级充放电单元电解电容C1的负极，最后一个级联充放电单元的第二端口连接至末级充放电单元二极管DN+2的正极，前一级联充放电单元的第二端口与后一级联充放电单元的第一端口相连；
所述末级充放电单元二极管DN+2的负极分别连接至电解电容CN+2的正极、开关管S2N+2的源极，所述电解电容CN+2的负极连接至降压升流电路的第二输出端；所述开关管S2N+2的漏极连接至降压升流电路的第一输出端。
优选地，所述buck电路包括：电感L1、开关管Sx、二极管Dx、电解电容Cx，电感L1的一端与二极管Dx的负极相连并构成buck电路的第一输入端，二极管Dx的正极连接至开关管Sx的漏极，所述开关管Sx的源极构成buck电路的第二输入端；电解电容Cx的正极连接至电感L1的另一端并构成buck电路的第一输出端；所述电解电容Cx的负极连接至开关管Sx的漏极并构成buck电路的第二输出端；所述buck电路的第一输出端、第二输出端分别连接至负载的两端。
优选地，当开关管S1导通，开关管S2n、开关管S2n+3截止时，输入电源对串联的电解电容C1、电解电容Cn+1、电解电容CN+2充电；当开关管S1截止，开关管S2n、开关管S2n+3、开关管Sx导通时，电解电容C1、电解电容Cn+1、电解电容CN+2并联对电解电容Cx充电；当开关管Sx截止时，电解电容Cx对负载供电。
优选地，通过改变开关管S2n+3的导通数量，能够调整buck电路的输入电流。
与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：
1、本发明提供的带串联型降压升流电路的buck变换器，在开关管S1导通，且开关管S2、开关管S3、开关管S4、开关管S5、开关管S6、开关管S7断开时，对串联的电解电容C1、电解电容C2、电解电容C3、电解电容C4进行充电，当S1断开，且开关管S2-S7导通时，电解电容C1、电解电容C2、电解电容C3、电解电容C4转换为并联结构对输入电源进行预先的降压升流，因此对后一级buck电路器件参数要求降低，有助于后一级buck电路参数的选型和降压操作。
2、本发明提供的带串联型降压升流电路的buck变换器能够通过控制开关管S2、开关管S3、开关管S4、开关管S5、开关管S6、开关管S7同时导通的个数，改变输入电流增加的倍数。
3、本发明提供的带串联型降压升流电路的buck变换器电路结构简单，操作方便，降压效果明显，通过增加电解电容、开关管的数量对buck变换器进行拓展，实现对输入电压在更宽范围内的降压调整。
附图说明
通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：
图1为本发明提供的实施例的电路原理图。
图2为本发明提供的实施例的开关管时序图。
图3为图2中的区间1时刻的电流回路图。
图4为图2中的区间2时刻的电流回路图。
图5为图2中的区间3时刻的电流回路图。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变化和改进。这些都属于本发明的保护范围。
根据本发明提供的带串联型降压升流电路的buck变换器，包括：降压升流电路、buck电路，所述降压升流电路的第一输出端连接至buck电路的第一输入端，降压升流电路的第二输出端连接至buck电路的第二输入端，即通过降压升流电路预先对输入电压进行降压升流处理再传输至buck电路的输入端，其中，所述降压升流电路还能够生成不同倍数的输入电流。
所述降压升流电路包括：开关管S1、二极管D1、初级充放电单元、末级充放电单元和/或级联充放电路；其中：
所述初级充放电单元包括：电解电容C1、开关管S3；
所述末级充放电单元包括：二极管DN+2、电解电容CN+2、开关管S2N+2，其中N表示级联充放电路中级联充放电单元的总个数；
级联充放电路包括：二极管Dn+1、电解电容Cn+1、开关管S2n、开关管S2n+3，其中n＝1,2,3…N；N表示级联充放电路中级联充放电单元的总个数；
具体地，开关管S1的漏极与输入电源的正极相连，所述开关管S1的源极连接至二极管D1的正极，二极管D1的负极连接至电解电容C1的正极并构成所述降压升流电路的第一输出端；所述电解电容C1的负极连接至开关管S3的漏极，所述开关管S3的源极构成所述降压升流电路的第二输出端；
每个级联充放电单元的二极管Dn+1的正极构成该级联充放电单元的第一端口，所述二极管Dn+1的负极分别连接至开关管S2n的源极和电解电容Cn+1的正极，所述电解电容Cn+1的负极构成该级联充放电单元的第二端口并连接至开关管S2n+3的漏极；所述开关管S2n的漏极连接至降压升流电路的第一输出端，所述开关管S2n+3的源极连接至降压升流电路的第二输出端；第一个级联充放电单元的第一端口连接至初级充放电单元电解电容C1的负极，最后一个级联充放电单元的第二端口连接至末级充放电单元二极管DN+2的正极，前一级联充放电单元的第二端口与后一级联充放电单元的第一端口相连；
所述末级充放电单元二极管DN+2的负极分别连接至电解电容CN+2的正极、开关管S2N+2的源极，所述电解电容CN+2的负极连接至降压升流电路的第二输出端；所述开关管S2N+2的漏极连接至降压升流电路的第一输出端。
所述buck电路包括：电感L1、开关管Sx、二极管Dx、电解电容Cx，电感L1的一端与二极管Dx的负极相连并构成buck电路的第一输入端，二极管Dx的正极连接至开关管Sx的漏极，所述开关管Sx的源极构成buck电路的第二输入端；电解电容Cx的正极连接至电感L1的另一端并构成buck电路的第一输出端；所述电解电容Cx的负极连接至开关管Sx的漏极并构成buck电路的第二输出端；所述buck电路的第一输出端、第二输出端分别连接至负载的两端。
当开关管S1导通，开关管S2n、开关管S2n+3截止时，输入电源对串联的电解电容C1、电解电容Cn+1、电解电容CN+2充电；当开关管S1截止，开关管S2n、开关管S2n+3、开关管Sx导通时，电解电容C1、电解电容Cn+1、电解电容CN+2并联对电解电容Cx充电；当开关管Sx截止时，电解电容Cx对负载供电。
通过改变开关管S2n+3的导通数量，能够调整buck电路的输入电流。
如图1所示，本实施例提供的带串联型降压升流电路的buck变换器，包括功率二极管D1-D5、电解电容C1-C5、开关管S1-S8、电感L1，其中：
开关管S1的漏极与电压源的正极相连，源极与功率二极管D2的正极相连；
电解电容C1的正极与功率二极管D1的负极、开关管S2的漏极、开关管S4的漏极、开关管S6的漏极、二极管D5的负极、电感L1的一端相连，电解电容C1的负极与功率二极管D2的正极、开关管S3的漏极相连；
电解电容C2的正极与功率二极管D2的负极、开关管S2的源极相连，电解电容C2的负极与功率二极管D3的正极、开关管S5的漏极相连；
电解电容C3的正极与功率二极管D3的负极、开关管S4的源极相连，电解电容C3的负极与功率二极管D4的正极、开关管S7的漏极相连；
电解电容C4的正极与功率二极管D4的负极、开关管S6的源极相连，电解电容C4的负极与电源负极、开关管S3的源极、开关管S5的源极、开关管S7的源极、开关管S8的源极相连；
电感L1的一端与功率二极管D5的负极、电解电容C1的正极相连，另一端与电解电容C5的正极、负载的正极相连；
开关管S8的源极与电源的负极相连，开关管S8的漏极与功率二极管D5的负极、电解电容C5的负极、负载的负极相连。
本实例中上述各个元器件的选型：
供电电源：直流电源380V；
负载功率：2.5kW；
功率二极管(D1)：100V，20A/100℃，避免电流反向；
功率二极管(D2—D4)：300V，15A/100℃，续流、避免反向导通；
功率二极管(D5)：300V，25A/100℃，续流二极管；
电解电容(C1-C4)：300V，3300μF，用于储能；
电解电容(C5)：300V，330μF，用于稳压；
电感(L1)：330mH，30A，用于储能；
开关管(S1、S8)：600V，30A；
开关管(S2-S7)：300V，15A。
整个电路具体工作时：
当开关管S1导通时，开关管S2-S7全部截止，此时电解电容C1-C4串联，直流电源通过开关管S1、二极管D1、电解电容C1、二极管D2、电解电容C2、二极管D3、电解电容C3、二极管D4、电解电容C4支路向四个电解电容进行充电，最终使得每个电容的两端电压变成电源电压的四分之一。此时开关管S8也截止。当开关管S1截止时，直流电源不再供电，开关管S2-S7全部导通，电解电容C1、开关管S3，开关管S2、电解电容C2、开关管S5，开关管S4、电解电容C3、开关管S7，开关管S6、电解电容C4这四条支路并联，四个电解电容对下一级的buck电路进行供电，输出电压为电源电压的四分之一，但输出电流明显增加。电感L1、二极管D5、电解电容C5、开关管S8构成一个buck电路。当开关管S8断开时，电感L1对电解电容C5和负载进行供电；当开关管S8导通时，电解电容C1-C4对电路中的储能元件和负载供电。此时实现对输入电压的进一步降压。
本发明可用于宽输入电压且需要较大输出电流的DC-DC变换领域。当输入输出电压比值很大时，以往会考虑采用带变压器的DC-DC变化电路，会增加变换器的体积。采用带降压升流电路后可预先对输入电压进行降压，再采用buck电路，使占空比可以控制在合理范围内。最终能够实现大电压的降压和电流升流功能，具有电路结构简单、易扩展的特点。
以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变化或修改，这并不影响本发明的实质内容。在不冲突的情况下，本申请的实施例和实施例中的特征可以任意相互组合。

Claims (5)

1.一种带串联型降压升流电路的buck变换器，其特征在于，包括降压升流电路、buck电路，所述降压升流电路的第一输出端连接至buck电路的第一输入端，降压升流电路的第二输出端连接至buck电路的第二输入端，即通过降压升流电路预先对输入电压进行降压升流处理再传输至buck电路的输入端。
2.根据权利要求1所述的带串联型降压升流电路的buck变换器，其特征在于，所述降压升流电路包括：开关管S1、二极管D1、初级充放电单元、末级充放电单元和/或级联充放电路；其中：
所述初级充放电单元包括：电解电容C1、开关管S3；
所述末级充放电单元包括：二极管DN+2、电解电容CN+2、开关管S2N+2，其中N表示级联充放电路中级联充放电单元的总个数；其中，DN+2表示第N+2个二极管，CN+2表示第N+2个电解电容，S2N+2表示第2N+2个开关管；
级联充放电路包括：二极管Dn+1、电解电容Cn+1、开关管S2n、开关管S2n+3，其中n＝1,2,3…N；N表示级联充放电路中级联充放电单元的总个数；其中，Dn+1表示第n+1个二极管，S2n表示2n个开关管，S2n+3表示2n+3个开关管；
具体地，开关管S1的漏极与输入电源的正极相连，所述开关管S1的源极连接至二极管D1的正极，二极管D1的负极连接至电解电容C1的正极并构成所述降压升流电路的第一输出端；所述电解电容C1的负极连接至开关管S3的漏极，所述开关管S3的源极构成所述降压升流电路的第二输出端；
每个级联充放电单元的二极管Dn+1的正极构成该级联充放电单元的第一端口，所述二极管Dn+1的负极分别连接至开关管S2n的源极和电解电容Cn+1的正极，所述电解电容Cn+1的负极构成该级联充放电单元的第二端口并连接至开关管S2n+3的漏极；所述开关管S2n的漏极连接至降压升流电路的第一输出端，所述开关管S2n+3的源极连接至降压升流电路的第二输出端；第一个级联充放电单元的第一端口连接至初级充放电单元电解电容C1的负极，最后一个级联充放电单元的第二端口连接至末级充放电单元二极管DN+2的正极，前一级联充放电单元的第二端口与后一级联充放电单元的第一端口相连；
所述末级充放电单元二极管DN+2的负极分别连接至电解电容CN+2的正极、开关管S2N+2的源极，所述电解电容CN+2的负极连接至降压升流电路的第二输出端；所述开关管S2N+2的漏极连接至降压升流电路的第一输出端。
3.根据权利要求1或2所述的带串联型降压升流电路的buck变换器，其特征在于，所述buck电路包括：电感L1、开关管Sx、二极管Dx、电解电容Cx，电感L1的一端与二极管Dx的负极相连并构成buck电路的第一输入端，二极管Dx的正极连接至开关管Sx的漏极，所述开关管Sx的源极构成buck电路的第二输入端；电解电容Cx的正极连接至电感L1的另一端并构成buck电路的第一输出端；所述电解电容Cx的负极连接至开关管Sx的漏极并构成buck电路的第二输出端；所述buck电路的第一输出端、第二输出端分别连接至负载的两端。
4.根据权利要求3所述的带串联型降压升流电路的buck变换器，其特征在于，当开关管S1导通，开关管S2n、开关管S2n+3截止时，输入电源对串联的电解电容C1、电解电容Cn+1、电解电容CN+2充电；当开关管S1截止，开关管S2n、开关管S2n+3、开关管Sx导通时，电解电容C1、电解电容Cn+1、电解电容CN+2并联对电解电容Cx充电；当开关管Sx截止时，电解电容Cx对负载供电。
5.根据权利要求4所述的带串联型降压升流电路的buck变换器，其特征在于，通过改变开关管S2n+3的导通数量，能够调整buck电路的输入电流。
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