CN106972765B - 一种Buck型变换器拓扑 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种Buck型变换器拓扑，所述拓扑包括：双向开关模块、降压模块、输出滤波模块、输入分压模块、输入滤波模块；所述输入滤波模块与输入分压模块、双向开关模块连接；所述输入分压模块与双向开关模块、降压模块连接；所述双向开关模块与降压模块、输出滤波模块连接；所述降压模块与输出滤波模块连接；通过控制双向开关模块及降压模块的导通或断开，调整所述拓扑的开关模态。采用较多的电平数去逼近所希望的波形，有效降低THD值，减小滤波器体积和质量、提高输出波形质量。

Description

一种Buck型变换器拓扑
技术领域
本发明涉及电能转换的技术领域，尤其涉及的是一种Buck型变换器拓扑。
背景技术
随着大容量、新能源、特殊环境电能变换技术，特别是近年来流行的电力电子变压器、正弦交流调压器、交流斩波器和柔性交流输电系统(FACTS)控制器等，能源系统对交交变换器的灵活性和稳定性要求也日益苛刻，传统两电平变换器拓扑已无法满足器件电压电流等级的要求。
因此，现有技术还有待于改进和发展。
发明内容
本发明要解决的技术问题在于，针对现有技术的上述缺陷，提供一种Buck型变换器拓扑，解决了现有技术中变换器拓扑的电压电流等级较低的技术问题。
本发明解决技术问题所采用的技术方案如下：
一种Buck型变换器拓扑，其中，所述拓扑包括：
用于控制电路的接入的双向开关模块；用于对输入电压进行调整，输出满足用电负载需要输出电压的降压模块；用于滤去整流输出电压中的纹波的输出滤波模块；用于对电路中输入电压进行分压的输入分压模块；用于滤去整流输入电压中的纹波的输入滤波模块；
所述输入滤波模块与输入分压模块、双向开关模块连接；所述输入分压模块与双向开关模块、降压模块连接；所述双向开关模块与降压模块、输出滤波模块连接；所述降压模块与输出滤波模块连接；
通过控制双向开关模块及降压模块的导通或断开，调整所述拓扑的开关模态。
所述的Buck型变换器拓扑，其中，
所述输入分压模块包括第一电容和第二电容；所述输入双向开关模块包括第一双向开关模块和第二双向开关模块；所述降压模块包括第一降压模块和第二降压模块；
所述输入滤波模块一端连接输入电压端；所述输入滤波模块另一端与第一电容一端、第一双向开关模块一端连接；所述第一电容另一端与第二电容一端、第一降压模块的输入端、第二降压模块的输出端连接；所述第二电容另一端与第二双向开关模块一端连接；所述第二双向开关模块另一端与第二降压模块输入端、输出滤波模块一端连接；所述第一双向开关模块另一端与输出滤波模块另一端连接。
所述的Buck型变换器拓扑，其中，
所述第一双向开关模块包括：第一二极管、第二二极管、第三二极管、第四二极管及第一三极管构成；所述第一二极管正极与输入滤波模块另一端、第一电容一端、第三二极管负极连接；所述第一二极管负极与第一三极管集电极、第二二极管负极连接；所述第三二极管正极与第一三极管发射极、第四二极管正极连接；所述第二二极管正极与第一降压模块输出端、输出滤波模块一端、第四二极管负极连接。
所述的Buck型变换器拓扑，其中，
所述第二双向开关模块包括：第五二极管、第六二极管、第七二极管、第八二极管及第二三极管构成；所述第五二极管正极与输入电压端、第二电容另一端、第七二极管负极连接；所述第五二极管负极与第二三极管集电极、第六二极管负极连接；所述第七二极管正极与第二三极管发射极、第八二极管正极连接；所述第六二极管正极与第二降压模块输入端、输出滤波模块另一端、第八二极管负极连接。
所述的Buck型变换器拓扑，其中，
所述第一降压模块包括：第九二极管、第十二极管、第十一二极管、第十二二极管、第三三极管、第四三极管及第一蓄电池组；所述第九二极管正极与第十一二极管负极连接，两者连线中一点为第一降压模块输出端；所述第九二极管负极与第三三极管集电极、第十二极管负极、第一蓄电池组正极连接；所述第十一二极管正极与第一蓄电池组负极、第四三极管发射极、第十二二极管正极连接；所述第十二极管正极与第三三极管发射极、第四三极管集电极、第十二二极管负极连接，所述连线中一点为第一降压模块输入端。
所述的Buck型变换器拓扑，其中，
所述第二降压模块包括：第十三二极管、第十四二极管、第十五二极管、第十六二极管、第五三极管、第六三极管及第二蓄电池组；所述第十三二极管正极与第十五二极管负极连接，所述连线中一点为第二降压模块输出端；所述第十三二极管负极与第五三极管集电极、第十四二极管负极、第二蓄电池组正极连接；所述第十五二极管正极与第二蓄电池组负极、第六三极管发射极、第十六二极管正极连接；所述第十六二极管负极与第五三极管发射极、第六三极管集电极、第十四二极管负极连接，所述连线中一点为第二降压模块输入端。
所述的Buck型变换器拓扑，其中，所述输出滤波模块包括：第二电感、第三电容；所述第二电感与第一双向开关模块另一端、第一降压模块输出端连接；所述第三电容与第二双向开关模块另一端、第二降压模块输入端连接。
所述的Buck型变换器拓扑，其中，
所述开关模态为模态1、模态2时，输出电压均为uout＝d1uin,其中uout为输出电压，uin为输入电压，d1为双向开关模块的占空比。
所述的Buck型变换器拓扑，其中，
所述开关模态为模态3、模态4时，输出电压均为其中uout为输出电压，uin为输入电压，d1为双向开关模块的占空比，d2为降压模块的占空比，V为蓄电池组的电压值。
所述的Buck型变换器拓扑，其中，
所述开关模态为模态5、模态6时，输出电压均为其中uout为输出电压，uin为输入电压，d1为双向开关模块的占空比。
本发明所提供的一种Buck型变换器拓扑，该变换器拓扑中不需要加入变压器，直接从交流到交流，可以实现单级功率变换，且变换器拓扑更为简单；采用较多的电平数去逼近所希望的波形，有效的降低系统输出总谐波畸变率(THD)，从而可以大大减小滤波器的体积和质量、提高输出波形质量；且在电压回路中，串联的功率开关管数量比较多，总输入电压不变的情况下，每个开关管所承担的电压应力较小。
附图说明
图1是本发明的一种Buck型变换器拓扑电路图。
图2是本发明的Buck型变换器拓扑的开关模态(模态1)示意图。
图3是本发明的Buck型变换器拓扑的开关模态(模态2)示意图。
图4是本发明的Buck型变换器拓扑的开关模态(模态3)示意图。
图5是本发明的Buck型变换器拓扑的开关模态(模态4)示意图。
图6是本发明的Buck型变换器拓扑的开关模态(模态5)示意图。
图7是本发明的Buck型变换器拓扑的开关模态(模态6)示意图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚、明确，以下参照附图并举实施例对本发明进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
现有技术中变换器中需要有一个变压器作为中间环节，且在变压器前后各有一级功率变换电路，在变换过程需要先整流为直流再逆变为交流，变换器的变换过程较复杂。本发明提供了一种Buck型变换器拓扑，在该拓扑中不需要变压器，且能直接从交流到交流，实现单级功率变换。
如图1所示，为本发明的一种Buck型变换器拓扑电路图，所述拓扑包括：双向开关模块，用于控制电路的接入；降压模块，用于对输入电压进行调整，输出满足用电负载需要的输出电压；输出滤波模块，用于滤去整流输出电压中的纹波；输入分压模块，用于对电路中的输入电压进行分压；输入滤波模块，用于滤去整流输入电压中的纹波。
所述输入滤波模块与输入分压模块、双向开关模块连接；所述输入分压模块与双向开关模块、降压模块连接；所述双向开关模块与降压模块、输出滤波模块连接；所述降压模块与输出滤波模块连接。通过控制双向开关模块及降压模块的导通或断开，调整所述拓扑的开关模态。
所述输入双向开关模块包括第一双向开关模块1和第二双向开关模块2；每个双向开关模块由四个二极管及一个三极管构成。
所述降压模块包括第一降压模块3和第二降压模块4；每个降压模块包括四个二极管、两个三极管及一个蓄电池组构成。在电压回路中，串联的功率开关管数量比较多，总输入电压不变，则每个开关管所需承担的电压应力就会比较小。
所述输出滤波模块5包括第二电感L2、第三电容C3。
所述输入分压模块6包括两个分压电容：第一电容C1和第二电容C2。
所述输入滤波模块7包括第一电感L1；
所述输入滤波模块7一端连接输入电压端；所述输入滤波模块7另一端与第一电容C1一端、第一双向开关模块1一端连接；所述第一电容C1另一端与第二电容C2一端、第一降压模块3的输入端、第二降压模块4的输出端连接；所述第二电容C2另一端与第二双向开关模块2一端连接；所述第二双向开关模块2与第二降压模块4输入端、输出滤波模块5一端连接；所述第一双向开关模块1另一端与输出滤波模块5另一端连接。
所述第一双向开关模块1包括：第一二极管D1、第二二极管D2、第三二极管D3、第四二极管D4及第一三极管T1构成；所述第一二极管D1正极与第一电感L1另一端、第一电容C1一端、第三二极管D3负极连接；所述第一二极管D1负极与第一三极管T1集电极、第二二极管D2负极连接；所述第三二极管D3正极与第一三极管T1发射极、第四二极管D4正极连接；所述第二二极管D2正极与第一降压模块3输出端、输出滤波模块5一端连接；所述第二二极管D2正极与第一降压模块3输出端、输出滤波模块5一端、第四二极管D4负极连接。
所述第二双向开关模块2包括：第五二极管D5、第六二极管D6、第七二极管D7、第八二极管D8及第二三极管T2构成；所述第五二极管D5正极与输入电压端、第二电容C2另一端、第七二极管D7负极连接；所述第五二极管D5负极与第二三极管T2集电极、第六二极管D6负极连接；所述第七二极管D7正极与第二三极管T2发射极、第八二极管D8正极连接；所述第六二极管D6正极与第二降压模块4输入端、输出滤波模块5另一端、第八二极管D8负极连接。
所述第一降压模块3包括：第九二极管D9、第十二极管D10、第十一二极管D11、第十二二极管D12、第三三极管T3、第四三极管T4及第一蓄电池组V1；所述第九二极管D9正极与第十一二极管D11负极连接，两者连接中一点为第一降压模块3输出端；所述第九二极管D9负极与第三三极管T3集电极、第十二极管D12负极、第一蓄电池组V1正极连接；所述第十一二极管D11正极与第一蓄电池组V1负极、第四三极管T4发射极、第十二二极管D12正极连接；所述第十二极管D12正极与第三三极管T3发射极、第四三极管T4集电极、第十二二极管D12负极连接，所述连线中一点为第一降压模块3输入端。
所述第二降压模块包括：第十三二极管D13、第十四二极管D14、第十五二极管D15、第十六二极管D16、第五三极管T5、第六三极管T6及第二蓄电池组V2；所述第十三二极管D13正极与第十五二极管D15负极连接，所述连线中一点为第二降压模块4输出端；所述第十三二极管D13负极与第五三极管T5集电极、第十四二极管D14负极、第二蓄电池组V2正极连接；所述第十五二极管D15正极与第二蓄电池组V2负极、第六三极管T6发射极、第十六二极管D16正极连接；所述第十六二极管D16负极与第五三极管T5发射极、第六三极管T6集电极、第十四二极管D14负极连接，所述连线中一点为第二降压模块4输入端。在降压模块中，蓄电池反向串入电压回路中，能更好的降低电压。
所述输出滤波模块5包括：第二电感L2、第三电容C3；所述第二电感L2与第一双向开关模块1输出端、第一降压模块3输出端连接；所述第三电容C3与第二双向开关模块2输出端、第二降压模块4输入端连接。
在该Buck型变换器的输出端还连接一负载R1，该负载上的电压值即为输出电压uout。
基于上述的一种Buck型变换器拓扑，本发明对该拓扑的不同开关模态进行分析，不同开关模态下输出的电压值不同，通过调整各开关模态的工作顺序，并对占空比进行适当的控制，就可以用多阶梯波形使得输出电压逼近正弦波形，有效的降低系统输出总谐波畸变率(THD)。通过控制双向开关模块及降压模块的导通或断开，调整所述拓扑的开关模态。
如图2所述，为本发明的一种Buck型变换器拓扑开关模态(模态1)示意图，此时，第一双向开关模块1与第二双向开关模块2均处于导通状态，而第一降压模块3及第二降压模块4断开。第一双向开关模块1中第一二极管D1、第四二极管D4、第一三极管T1导通，其他开关管断开；第二双向开关模块2中第六二极管D6、第七二极管D7导通，其他开关管断开；第一降压模块3及第二降压模块4中所有开关管断开。
如图3所述，为本发明的一种Buck型变换器拓扑开关模态(模态2)示意图，此时，第一双向开关模块1与第二双向开关模块2均处于导通状态，而第一降压模块3及第二降压模块4断开。第一双向开关模块1中第二二极管D2、第三二极管D3、第一三极管T1导通，其他开关管断开；第二双向开关模块2中第五二极管D5、第八二极管D8导通，其他开关管断开；第一降压模块3及第二降压模块4中所有开关管断开。
开关模态为模态1、模态2时，输出电压均为uout＝d1uin,其中uout为输出电压，uin为输入电压，d1为双向开关模块的占空比。占空比为一个脉冲循环内通电时间所占的比例。模态1对应输入电压为正，模态2对应输入电压为负。
如图4所述，为本发明的一种Buck型变换器拓扑开关模态(模态3)示意图，此时，第一双向开关模块1与第二降压模块4均处于导通状态，而第二双向开关模块2及第一降压模块3断开。第一双向开关模块1中第一二极管D1、第四二极管D4、第一三极管T1导通，其他开关管断开；第二降压模块4中第十四二极管D14、第十五二极管D15导通，其他开关管断开；第二双向开关模块2及第一降压模块3中所有开关管断开。
如图5所述，为本发明的一种Buck型变换器拓扑开关模态(模态4)示意图，此时，第二双向开关模块2与第一降压模块3均处于导通状态，而第一双向开关模块1及第二降压模块4断开。第二双向开关模块2中第六二极管D6、第七二极管D7、第二三极管T2导通，其他开关管断开；第一降压模块3中第十二极管D10、第十一二极管D11导通，其他开关管断开；第一双向开关模块1及第二降压模块4中所有开关管断开。
在模态3、模态4的开关模态状态下，对应的降压模块导通，第一降压模块3中的第一蓄电池组的电压值为V10，第二降压模块4中的第二蓄电池组的电压值为V20，且V10＝V20＝V。
开关模态为模态3、模态4时，输出电压均为其中uout为输出电压，uin为输入电压，d1为双向开关模块的占空比，d2为降压模块的占空比，V为蓄电池组的电压值。
如图6所述，为本发明的一种Buck型变换器拓扑开关模态(模态5)示意图，此时，第一双向开关模块1与第二降压模块4均处于导通状态，而第二双向开关模块2及第一降压模块3断开。第一双向开关模块1中第一二极管D1、第四二极管D4、第一三极管T1导通，其他开关管断开；第二降压模块4中第十五二极管D15、第六三极管T6导通，其他开关管断开；第二双向开关模块2及第一降压模块3中所有开关管断开。
如图7所述，为本发明的一种Buck型变换器拓扑开关模态(模态6)示意图，此时，第二双向开关模块2与第一降压模块3均处于导通状态，而第一双向开关模块1及第二降压模块4断开。第二双向开关模块2中第六二极管D6、第七二极管D7、第二三极管T2导通，其他开关管断开；第一降压模块3中第十一二极管D11、第四三极管T3导通，其他开关管断开；第一双向开关模块1及第二降压模块4中所有开关管断开。
开关模态为模态5、模态6时，输出电压均为其中uout为输出电压，uin为输入电压，d1为双向开关模块的占空比。
在模态5、模态6中，虽然降压模块也处于导通状态，但这两种模态下，蓄电池组并未接入电路中，降压模块不起作用，因此，输出电压不受降压模块占空比的影响。
下面进行举例说明：
假设，交流电压的振幅为100V，蓄电池组的电压值为20V，占空比d1为0.5，占空比d2＝0.5。
当输入100V时，根据上面的输出电压公式可得，输出电压可为5V，25V,50V；当输入-100V时，输出电压可为-25V，-30V，-50V。
根据上述电压值可以将系统分为-50V到-30V，-30V到-25V，-25V到0V，0V到5V，5V到25V，25V到50V几种开关模块间的切换。通过调整各开关模态的工作顺序，对占空比进行适当的控制，可以使得输出电压呈现正弦波形。
本发明所提供的一种加速度传感器校准方法及系统，该变换器拓扑中不需要加入变压器，直接从交流到交流，可以实现单级功率变换，且变换器拓扑更为简单；采用较多的电平数去逼近所希望的波形，有效的降低系统输出总谐波畸变率(THD)，从而可以大大减小滤波器的体积和质量、提高输出波形质量；无中间环节，可直接驱动负载；将蓄电池组反向串入电压回路，增大了输入输出电压的压降比，从而更好的降低电压；且在电压回路中，串联的功率开关管数量比较多，总输入电压不变的情况下，每个开关管所承担的电压应力较小。
应当理解的是，本发明的应用不限于上述的举例，对本领域普通技术人员来说，可以根据上述说明加以改进或变换，所有这些改进和变换都应属于本发明所附权利要求的保护范围。

Claims (8)

1.一种Buck型变换器拓扑，其特征在于，所述拓扑包括：
用于控制电路的接入的双向开关模块；用于对输入电压进行调整，输出满足用电负载需要输出电压的降压模块；用于滤去整流输出电压中的纹波的输出滤波模块；用于对电路中输入电压进行分压的输入分压模块；用于滤去整流输入电压中的纹波的输入滤波模块；
所述输入滤波模块与输入分压模块、双向开关模块连接；所述输入分压模块与双向开关模块、降压模块连接；所述双向开关模块与降压模块、输出滤波模块连接；所述降压模块与输出滤波模块连接；
通过控制双向开关模块及降压模块的导通或断开，调整所述拓扑的开关模态；
所述输入分压模块包括第一电容和第二电容；所述输入双向开关模块包括第一双向开关模块和第二双向开关模块；所述降压模块包括第一降压模块和第二降压模块；
所述输入滤波模块一端连接输入电压端；所述输入滤波模块另一端与第一电容一端、第一双向开关模块一端连接；所述第一电容另一端与第二电容一端、第一降压模块的输入端、第二降压模块的输出端连接；所述第二电容另一端与第二双向开关模块一端连接；所述第二双向开关模块另一端与第二降压模块输入端、输出滤波模块一端连接；所述第一双向开关模块另一端与输出滤波模块另一端连接；
所述第一双向开关模块包括：第一二极管、第二二极管、第三二极管、第四二极管及第一三极管构成；
所述第一二极管正极与输入滤波模块另一端、第一电容一端、第三二极管负极连接；所述第一二极管负极与第一三极管集电极、第二二极管负极连接；
所述第三二极管正极与第一三极管发射极、第四二极管正极连接；
所述第二二极管正极与第一降压模块输出端、输出滤波模块一端、第四二极管负极连接。
2.根据权利要求1所述的Buck型变换器拓扑，其特征在于，
所述第二双向开关模块包括：第五二极管、第六二极管、第七二极管、第八二极管及第二三极管构成；
所述第五二极管正极与输入电压端、第二电容另一端、第七二极管负极连接；所述第五二极管负极与第二三极管集电极、第六二极管负极连接；
所述第七二极管正极与第二三极管发射极、第八二极管正极连接；
所述第六二极管正极与第二降压模块输入端、输出滤波模块另一端、第八二极管负极连接。
3.根据权利要求1所述的Buck型变换器拓扑，其特征在于，
所述第一降压模块包括：第九二极管、第十二极管、第十一二极管、第十二二极管、第三三极管、第四三极管及第一蓄电池组；
所述第九二极管正极与第十一二极管负极连接，两者连线中一点为第一降压模块输出端；
所述第九二极管负极与第三三极管集电极、第十二极管负极、第一蓄电池组正极连接；
所述第十一二极管正极与第一蓄电池组负极、第四三极管发射极、第十二二极管正极连接；
所述第十二极管正极与第三三极管发射极、第四三极管集电极、第十二二极管负极连接，所述连线中一点为第一降压模块输入端。
4.根据权利要求1所述的Buck型变换器拓扑，其特征在于，
所述第二降压模块包括：第十三二极管、第十四二极管、第十五二极管、第十六二极管、第五三极管、第六三极管及第二蓄电池组；
所述第十三二极管正极与第十五二极管负极连接，两者连线中一点为第二降压模块输出端；
所述第十三二极管负极与第五三极管集电极、第十四二极管负极、第二蓄电池组正极连接；
所述第十五二极管正极与第二蓄电池组负极、第六三极管发射极、第十六二极管正极连接；
所述第十六二极管负极与第五三极管发射极、第六三极管集电极、第十四二极管负极连接，所述连线中一点为第二降压模块输入端。
5.根据权利要求1所述的Buck型变换器拓扑，其特征在于，所述输出滤波模块包括：第二电感、第三电容；
所述第二电感与第一双向开关模块另一端、第一降压模块输出端连接；所述第三电容与第二双向开关模块另一端、第二降压模块输入端连接。
6.根据权利要求1所述的Buck型变换器拓扑，其特征在于，
所述开关模态为模态1、模态2时，输出电压均为uout＝d1uin,其中uout为输出电压，uin为输入电压，d1为双向开关模块的占空比。
7.根据权利要求1所述的Buck型变换器拓扑，其特征在于，
所述开关模态为模态3、模态4时，输出电压均为其中uout为输出电压，uin为输入电压，d1为双向开关模块的占空比，d2为降压模块的占空比，V为蓄电池组的电压值。
8.根据权利要求1所述的Buck型变换器拓扑，其特征在于，
所述开关模态为模态5、模态6时，输出电压均为其中uout为输出电压，uin为输入电压，d1为双向开关模块的占空比。
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CN103916036A (zh) * 2014-04-18 2014-07-09 南京理工大学 一种Buck高频隔离式五电平逆变器
CN105281361A (zh) * 2015-09-25 2016-01-27 河海大学 一种五电平双降压式并网逆变器

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