CN106787694A - 基于补偿拓扑的恒压与恒流双模式buck型直流电源电路 - Google Patents

基于补偿拓扑的恒压与恒流双模式buck型直流电源电路 Download PDF

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Abstract

本发明提供的是一种基于补偿拓扑的恒压与恒流双模式BUCK型直流电源电路。由第一电容、第二电容、第一电阻、第二电阻、电感、第一至第六二极管、第一至第五电力电子开关器件、第一电流传感器、第二电流传感器、电压传感器和第一至第四输入接线端子组成。传统的大部分BUCK型直流电源只能工作于恒压模式，且在负载突变的情况下，动态调节时间较长，恒压模式下电压波动幅值较大，恒流模式下电流波动幅值较大。本发明在输入直流电压电流基本稳定的前提下，能实现降压并且既能以恒压模式为负载提供稳定直流电压也能以恒流模式为负载提供稳定直流电流的直流电源主电路拓扑结构与相应控制策略。

Description

基于补偿拓扑的恒压与恒流双模式BUCK型直流电源电路
技术领域
本发明涉及的是一种直流恒压/恒流电源电路。
背景技术
在实际工程中，许多场合既需要恒压模式供电，又需要恒流模式供电，如蓄电池充电等。BUCK型电路由于结构简单、控制容易，因此经常被用作降压型恒压或恒流电源主电路(以下提到的直流电源，若无特殊说明，均指采用BUCK电路结构的直流电源)。这种直流电源在合理的控制策略(例如恒压模式下采用输出电压闭环的PI控制，恒流模式下采用电感电流闭环的PI控制)的作用下，稳态时输出电压与电流精度较高，稳定性好。但是在负载发生突变的情况(负载突然增大或减小)下，电感与电容储能无法瞬间满足负载的需要，因此电路在控制器的调节下产生一个较大的动态调节过程，恒压模式下电压波动幅值较大，恒流模式下电流幅值波动较大，且这两种情况下调节时间都较长。这严重影响了直流电源的输出电能品质，甚至会对整个系统产生巨大危害。针对如何改善直流电源的动态响应的问题，研究人员已经提出了许多方案，但是大部分方案仅仅局限于改善直流电源恒压模式的动态响应，并不能同时应用于恒压与恒流两种模式。
发明内容
本发明的目的在于提供一种能改善恒压模式和恒流模式下的动态响应的基于补偿拓扑的恒压与恒流双模式BUCK型直流电源电路。
本发明的目的是这样实现的：
包括第一电容C1、第二电容C2、第一电阻R1、第二电阻R2、电感L1、第一至第六二极管D1～D6、第一至第五电力电子开关器件S1～S5、第一电流传感器I1、第二电流传感器I2、电压传感器U1、第一至第四输入接线端子A～D，其中第一至第五二极管D1～D5分别是第一至第五电力电子开关器件S1～S5的反并联二极管，第一输入接线端子A与外部输入电压的正极连接，第二输入接线端子B与外部输入电压的负极连接，第一电容C1的正极与第一输入接线端子A连接、负极与第二输入接线端子B连接，第一电力电子开关器件S1的集电极与第一输入接线端子A连接、发射极与第六二极管D6的阴极连接，第一二极管D1反并联在第一电力电子开关器件S1上，第六二极管D6的阳极与第二输入接线端子B连接，第一电流传感器I1与电感L1串联后一端与第一电力电子开关器件S1的发射极连接、另一端与第三输出接线端子C连接，第一电流传感器I1用于检测流过电感的电流，第二电力电子开关器件S2的集电极与电感L1另一端一道与第三输出接线端子C连接于第一连接点E，第二电力电子开关器件S2发射极与第三电力电子开关器件S3发射极连接，第三电力电子开关器件S3的集电极与第二电流传感器I2的正极连接，第二二极管D2与第三二极管D3分别反并联在第二电力电子开关器件S2与第三电力电子开关器件S3上，第二电流传感器I2的负极与第二电容C2的正极连接于第二连接点F，第二电容C2的负极与第四输出接线端子D连接于第三连接点G，第一电压传感器U1并联在第三输出接线端子C与第四输出接线端子D两端用于检测输出电压，第一电阻R1与第四电力电子开关器件S4串联连接在第一输入接线端子A与第二连接点F之间构成高侧补偿电路，第一电阻R1一端与第一输入接线端子A连接、另一端与第四电力电子开关器件S4的集电极连接，第四电力电子开关器件S4的发射极与第二连接点F连接，第四二极管D4反并联在第四电力电子开关器件S4两端，第二电阻R2与第五电力电子开关器件S5串联连接在第三连接点G与第二连接点F之间构成低侧补偿电路，第二电阻R2一端与第三连接点G连接、一端与第五电力电子开关器件S5的发射极连接，第五电力电子开关器件S5的集电极与第二连接点F连接，第五二极管D5反并联在第五电力电子开关器件S5两端。
本发明涉及直流恒压/恒流电源技术，特别是涉及到以BUCK型电路为基本结构，在输入直流电压电流基本稳定的前提下，能实现降压并且既能以恒压模式为负载提供稳定直流电压也能以恒流模式为负载提供稳定直流电流的直流电源主电路拓扑结构与相应控制策略。传统的大部分BUCK型直流电源只能工作于恒压模式，且在负载突变的情况下，动态调节时间较长，恒压模式下电压波动幅值较大，恒流模式下电流波动幅值较大。本发明提出了一种基于补偿拓扑的改进方案，能改善恒压模式和恒流模式下的动态响应过程。
本发明的工作原理如下：
本发明所提出的基于补偿拓扑的恒压/恒流双模式BUCK型直流电源电路，其输入接线端子A与外部输入电源的正极连接，输入接线端子B与外部输入电源的负极连接，输出接线端子C与负荷的正极连接，输出接线端子D与负荷的负极连接。
本发明所提出的基于补偿拓扑的恒压/恒流双模式BUCK型直流电源电路，在恒压稳态工作模式下，电力电子开关器件S2与电力电子开关器件S3保持开通，电力电子开关器件S4与电力电子开关器件S5保持关断，高侧补偿电路与低侧补偿电路均未投入运行，电路工作于标准BUCK电路工作模式，电压传感器U1实时检测输出电压值，并与给定电压比较，利用一定的控制策略实时产生驱动电力电子开关器件S1的PWM信号，电路输出稳定的电压值，并在允许的电压纹波范围内波动。
当电路处于恒压稳态模式时，如果负载等效电阻突然从RV增大至RhV，由于电容C2两端电压不能突变，流过负载电流将突然减小，但是流过电感L1的电流不能突变，因此在负载突变瞬间会有较大电流从E点，流经电力电子开关器件S2、电力电子开关器件S3的反并联二极管D3、电流传感器I2，给电容C2正极充电，此时电流传感器I2将会突然检测到一个较大的正向电流，如果该电流值大于阈值IhV(IhV＞0)，此时控制器发出信号，开通电力电子开关器件S4，高侧补偿电路投入运行，将有较大电流从输入接线端子A流入，流经电阻R1、电力电子开关器件S4，流入F点以补偿电感电流与负载电流的差值，经过时间t1后，控制器发出信号，使电力电子开关器件S4关断，输出电压在控制策略作用下继续以控制电力电子开关器件S1的开通关断的方式进行微调，直至调节过程结束，输出电压重新恢复平稳。时间t1可由下式计算得出：
上式中，R1——电阻值，即电阻R1的电阻值，单位为Ω；
L——电感值，即电感L1的电感值，单位为H；
RV——电阻值，即负载增大前的电阻值，单位为Ω；
RhV——电阻值，即负载增大后的电阻值，单位为Ω。
同理，当电路处于恒压模式时，负载等效电阻突然从RV减小至RLV，由于电容C2两端电压不能突变，流过负载电流将突然增大，但是流过电感L1的电流不能突变，因此在负载突变瞬间会有较大电流从电容C2的正极流出，流经电流传感器I2、电力电子开关器件S3、电力电子开关器件S2的反并联二极管D2，此时电流传感器I2将突然检测到一个较大的反向电流，如果该反向电流绝对值大于阈值ILV(ILV＞0)，控制器发出信号，开通电力电子开关器件S5，低侧补偿电路投入运行，电流沿着电力电子开关器件S5和电阻R2组成的通路放电，经过一段时间t2后，控制器发出信号，使电力电子开关器件S5关断，输出电压在控制策略作用下继续以控制电力电子开关器件S1的开通关断的方式进行微调，直至调节过程结束，输出电压重新恢复平稳。时间t2可由下式计算得出：
上式中，uin——输入电压，即输入接线端子A和输入接线端子B之间的允许电压纹波下的平均电压幅值，单位为V；
uout——输出电压，即输出接线端子C和输出接线端子D之间的允许电压纹波下的平均电压幅值，单位为V；
R2——电阻值，即电阻R2的电阻值，单位为Ω；
L——电感值，即电感L1的电感值，单位为H；
RV——电阻值，即负载减小前的电阻值，单位为Ω；
RLV——电阻值，即负载减小后的电阻值，单位为Ω。
当电路工作于恒流稳态工作模式下，电力电子开关器件S2与电力电子开关器件S3保持开通，电力电子开关器件S4与电力电子开关器件S5保持关断，高侧补偿电路与低侧补偿电路均未投入运行，电路工作于标准BUCK电路工作模式，电流传感器I1实时检测电感电流值，并与给定电流值进行比较，利用一定的控制策略(如电感电流闭环的PI控制)实时产生驱动电力电子开关器件S1的PWM信号，电路输出稳定的电流值，并在允许的电流纹波范围内波动。
当电路处于恒流稳态模式(即电流纹波允许范围内的平均负载电流为Icons)时，负载等效电阻突然由RC增大至RhC，由于电容C2两端电压不能突变，流过负载电流将突然减小，又因为流经电感L1的电流不能突变，因此将有较大电流从E点通过电力电子开关器件S2和电力电子开关器件S3的反并联二极管D3流入电容C2，电流传感器I2将突然检测到一个较大的正向电流，当电流传感器I2检测到的电流值大于阈值IHC(IHC＞0)时，控制器迅速发出信号，关断电力电子开关器件S2，此时由电力电子开关器件S2、二极管D3和电流传感器I2构成的E点与F点之间的通路被切断，E点电位将迅速从IconsRC上升至IconsRhC，同时开通电力电子开关器件S4，高侧补偿电路投入运行，电流从A点流经电阻R1，电力电子开关器件S4给电容C2充电，F点电位缓慢上升，直至F点电位略高于E点电位，将会有电流从F点流经电流传感器I2、电力电子开关器件S3、二极管D2流入E点，此时电流传感器I2将检测到一个反向电流，当电流传感器I2检测到的反向电流绝对值大于阈值IhC(IhC＞0)时，控制器发出信号关断电力电子开关器件S4，高侧补偿电路退出运行，同时开通电力电子开关器件S2，调节结束，电路继续以恒流稳态模式运行。
同理，当电路处于恒流模式(即电流纹波允许范围内的平均负载电流为Icons)时，负载等效电阻突然由RC减小至RlC，由于电容C2两端电压不能突变，流过负载电流将突然增大，又因为流经电感L1的电流不能突变，因此电容C2将会放电，将有较大电流从电容C2正极，流经电流传感器I2、电力电子开关器件S3、电力电子开关器件S2的反并联二极管D2，流入E点，此时，电流传感器I2将检测到一个较大的反向电流，当反向电流绝对值大于阈值ILC(ILC＞0)时，控制器立即发出信号，关断电力电子开关器件S3，此时流经电流传感器I2、电力电子开关器件3、电力电子开关器件S2的反并联二极管D2的电流将被迅速切断，E点电位将迅速从IconsRC下降为IconsRlC，同时控制器发出信号，使电力电子开关器件S5导通，电容C2将沿着电力电子开关器件S5、电阻R2放电，F点电位缓慢下降，直至F点电位将至略低于E点电位时，将有电流从E点沿着电力电子开关器件S2、电力电子开关器件S3的反并联二极管D3、电流传感器I2流入F点，电流传感器I2将检测到一个较小的正向电流，当电流值大于阈值IlC(IlC＞0)时，控制器发出信号，关断电力电子开关器件S5，此时低侧补偿电路退出运行，同时开通电力电子开关器件S3，调节过程结束，电路继续以恒流稳态模式运行。
本发明的有益效果如下：
本发明提出的基于补偿拓扑的恒压/恒流双模式BUCK型直流电源电路，与现有的BUCK型直流电源电路相比，具有以下优点：
(1)当处于恒压工作模式时，负载突然增大，负载电流将突然减小，但电感电流不能突变，将以一定斜率缓慢下降，如果采用现有的BUCK型直流电源电路，电感电流与负载电流的差值将由电容来补偿，将有较大电流流入输出电容给其充电，从而导致输出电容两端电压(即输出电压)出现较大幅值的过冲，调节时间较长；但本发明所提出的电路在这种情况下，将由高侧补偿电路给输出端提供补偿电流，在一定程度上补偿电感电流与负载电流差值，从而减小了输出电压过冲幅值，减小了动态调节时间。
(2)当处于恒压工作模式时，负载突然减小，负载电流将突然增大，但电感电流不能突变，将以一定斜率缓慢增大，如果采用现有的BUCK型直流电源电路，电感电流与负载电流的差值将由电容来补偿，输出电容将放电，较大电流从输出电容两端流出，从而导致输出电容两端电压(即输出电压)出现较大幅值的跌落，动态调节时间长；但本发明所提出的电路在这种情况下，输出电容两端电荷将有部分经过低侧补偿电路放出，在一定程度上减小负载电流与电感电流之差，从而减小了输出电压跌落幅值，减小了动态调节时间。
(3)当处于恒流工作模式时，负载突然增大，如果采用现有的BUCK型直流电源电路，输出电容会吸收较大负载电流，使输出电容电压(即电源输出电压)缓慢升高，电流波动幅值大，调节时间长；但本发明所提出的电路在这种情况下，会迅速切断回路阻止电容吸收负载电流，并让电容通过高侧补偿电路进行充电以提高其两端电压，直至电压与新稳态条件下的输出电压相同再将电容重新投入主电路，因此输出电流波动幅值得到了有效抑制，动态调节时间短。
(4)当处于恒流工作模式时，负载突然减小，如果采用现有的BUCK型直流电源电路，输出电容会向负载放出较大电流，使输出电容电压(即电源输出电压)缓慢降低，电流波动幅值大，调节时间长；但本发明所提出的电路在这种情况下，会迅速切断回路阻止电容向负载放电，并让电容通过低侧补偿电路进行放电以降低其两端电压，直至电压达到新稳态值再重新投入主电路，因此有效抑制了输出电流波动幅值，动态调节时间短。
(5)负载突变带来很大负面影响，但这种情况并非频繁发生，因此从总体上而言，补偿电路上电阻所消耗的能量很小，电路总体上效率较高。
附图说明
图1是本发明的电路图。
具体实施方式
下面举例对本发明作更详细的描述。
结合图1本发明的基于补偿拓扑的恒压与恒流双模式BUCK型直流电源电路主要由电容C1、电容C2、电阻R1、电阻R2、电感L1、二极管D1、二极管D2、二极管D3、二极管D4、二极管D5、二极管D6、电力电子开关器件S1、电力电子开关器件S2、电力电子开关器件S3、电力电子开关器件S4、电力电子开关器件S5、电流传感器I1、电流传感器I2、电压传感器U1、输入接线端子A、输入接线端子B、输出接线端子C、输出接线端子D等元器件构成。其中二极管D1、二极管D2、二极管D3、二极管D4、二极管D5分别是电力电子开关器件S1、电力电子开关器件S2、电力电子开关器件S3、电力电子开关器件S4、电力电子开关器件S5的反并联二极管。具体连接关系为：输入接线端子A与外部输入电压的正极连接，输入接线端子B与外部输入电压的负极连接；电容C1的正极与输入接线端子A连接，电容C1的负极与输入接线端子B连接；电力电子开关器件S1的集电极与输入接线端子A连接，发射极与二极管D6的阴极连接，二极管D1反并联在电力电子开关器件S1上(即二极管D1阳极与电力电子开关器件S1发射极连接，二极管D1阴极与电力电子开关器件S1集电极连接，下同)；二极管D6的阳极与输入接线端子B连接；电流传感器I1与电感L1串联，一端与电力电子开关器件S1的发射极连接，另一端与输出接线端子C连接，电流传感器I1用于检测流过电感的电流；电力电子开关器件S2的集电极与电感L1另一端一道与输出接线端子C连接，为了便于后续说明，将该连接点标注为E点；电力电子开关器件S2发射极与电力电子开关器件S3发射极连接，电力电子开关器件S3的集电极与电流传感器I2的正极连接，二极管D2与二极管D3分别反并联在电力电子开关器件S2与电力电子开关器件S3上；电流传感器I2的负极与电容C2的正极连接，为了便于后续说明，将该连接点标注为F点；电容C2的负极与输出接线端子D连接，为了便于后续说明，将该连接点标注为G点；电压传感器U1并联在输出接线端子C与输出接线端子D两端，用于检测输出电压；此外，电阻R1与电力电子开关器件S4串联连接在输入接线端子A与F点之间，构成高侧补偿电路，其中，R1一端与输入接线端子A连接，R1另一端与电力电子开关器件S4的集电极连接，电力电子开关器件S4的发射极与F点连接，二极管D4反并联在电力电子开关器件S4两端；同理，电阻R2与电力电子开关器件S5串联连接在G点与F点之间，构成低侧补偿电路，其中，R2一端与G点连接，R2另一端与电力电子开关器件S5的发射极连接，电力电子开关器件S5的集电极与F点连接，二极管D5反并联在电力电子开关器件S5两端。
电容C1、电力电子开关器件S1及其反并联二极管D1、二极管D6、电感L1、电容C2、电流传感器I1、电流传感器I2、电压传感器U1构成了现有的标准BUCK型降压电路，这些器件具体参数的大小、型号的选取可参照现有的BUCK电路设计方法；
电力电子开关器件S1及其反并联二极管D1、电力电子开关器件S2及其反并联二极管D2、电力电子开关器件S3及其反并联二极管D3、电力电子开关器件S4及其反并联二极管D4、电力电子开关器件S5及其反并联二极管D5可选用已集成反并联二极管的电力电子开关器件模块代替；上述的电力电子开关器件以IGBT为例，也可选用MOFFET等其他电力电子开关器件；
若电阻R1、电阻R2的值选择过大，则效果不明显；若其值选择过小，电力电子开关器件S4与电力电子开关器件S5上会有过大的电流，且对补偿效果造成干扰；其值选择应根据动态调节指标、电力电子开关器件导通电流范围等因素来综合考虑；
输入接线端子A、输入接线端子B、输出接线端子C、输出接线端子D可选用现有的各种接线端子或电连接器等器件来实现；
电源电路的控制器、控制电路与现有的BUCK电源电路的控制器、控制电路相同，控制策略方面只须在现有的BUCK电源电路的控制策略基础上加入本发明所述的控制逻辑即可。

Claims (3)

1.一种基于补偿拓扑的恒压与恒流双模式BUCK型直流电源电路，包括第一电容(C1)、第二电容(C2)、第一电阻(R1)、第二电阻(R2)、电感(L1)、第一至第六二极管(D1～D6)、第一至第五电力电子开关器件(S1～S5)、第一电流传感器(I1)、第二电流传感器(I2)、电压传感器(U1)、第一至第四输入接线端子(A～D)，其特征是：第一至第五二极管(D1～D5)分别是第一至第五电力电子开关器件(S1～S5)的反并联二极管，第一输入接线端子(A)与外部输入电压的正极连接，第二输入接线端子(B)与外部输入电压的负极连接，第一电容(C1)的正极与第一输入接线端子(A)连接、负极与第二输入接线端子(B)连接，第一电力电子开关器件(S1)的集电极与第一输入接线端子(A)连接、发射极与第六二极管(D6)的阴极连接，第一二极管(D1)反并联在第一电力电子开关器件(S1)上，第六二极管(D6)的阳极与第二输入接线端子(B)连接，第一电流传感器(I1)与电感(L1)串联后一端与第一电力电子开关器件(S1)的发射极连接、另一端与第三输出接线端子(C)连接，第一电流传感器(I1)用于检测流过电感的电流，第二电力电子开关器件(S2)的集电极与电感(L1)另一端一道与第三输出接线端子(C)连接于第一连接点(E)，第二电力电子开关器件(S2)发射极与第三电力电子开关器件(S3)发射极连接，第三电力电子开关器件(S3)的集电极与第二电流传感器(I2)的正极连接，第二二极管(D2)与第三二极管(D3)分别反并联在第二电力电子开关器件(S2)与第三电力电子开关器件(S3)上，第二电流传感器(I2)的负极与第二电容(C2)的正极连接于第二连接点(F)，第二电容(C2)的负极与第四输出接线端子(D)连接于第三连接点(G)，第一电压传感器(U1)并联在第三输出接线端子(C)与第四输出接线端子(D)两端用于检测输出电压，第一电阻(R1)与第四电力电子开关器件(S4)串联连接在第一输入接线端子(A)与第二连接点(F)之间构成高侧补偿电路，第二电阻(R2)与第五电力电子开关器件(S5)串联连接在第三连接点(G)与第二连接点(F)之间构成低侧补偿电路。
2.根据权利要求1所述的基于补偿拓扑的恒压与恒流双模式BUCK型直流电源电路，其特征是所述高侧补偿电路具体包括：第一电阻(R1)一端与第一输入接线端子(A)连接、另一端与第四电力电子开关器件(S4)的集电极连接，第四电力电子开关器件(S4)的发射极与第二连接点(F)连接，第四二极管(D4)反并联在第四电力电子开关器件(S4)两端。
3.根据权利要求1或2所述的基于补偿拓扑的恒压与恒流双模式BUCK型直流电源电路，其特征是所述低侧补偿电路具体包括：第二电阻(R2)一端与第三连接点(G)连接、一端与第五电力电子开关器件(S5)的发射极连接，第五电力电子开关器件(S5)的集电极与第二连接点(F)连接，第五二极管(D5)反并联在第五电力电子开关器件(S5)两端。
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唐治德 等: "一种新颖的BUCK型LED驱动电路", 《电子技术》 *
杜青 等: "一种新型大功率输入并联输出串联Buck半桥变换器", 《中国电机工程学报》 *

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CN106787694B (zh) 2019-08-06

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