CN108336907B - 一种自激式交错并联Buck变换器 - Google Patents
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Abstract
一种自激式交错并联Buck变换器，包括Buck单元和输出电容，Buck单元至少两个，每个Buck单元的主电路包括三极管、主电路二极管和主电路电感，每个Buck单元有且仅有另外一个Buck单元通过自激通路相连，所有Buck单元形成闭环自激回路；自激通路包括分压电阻、自激电容和自激二极管；每个三极管的基极与发射极之间连有自激二极管，自激二极管的阳极与三极管的基极相连，自激二极管的阴极与三极管的发射极相连；由自激通路相连的两个Buck单元中、分压电阻和自激电容连于其中一个三极管的基极和另一个三极管的集电极；自激电容的电压被限制。本发明具有易于扩容和起振但又不易停振的特点，适用于高电压输入低电压输出的工作场合。
Description
技术领域
本发明涉及降压型DC-DC变换器领域，更具体的说，它涉及一种自激式交错并联Buck变换器。
背景技术
与单一的Buck变换器相比，交错并联的Buck变换器具有容量大、输入电流和输出电流纹波均小的优点。和他激式Buck变换器相比，自激式Buck变换器具有易于启动、性价比高等优点。而市场急需集合两者优点的Buck变换器，达到令Buck变换器的性能获得进一步提升的技术方案。
发明内容
本发明克服了现有技术的不足，提供了通过构建易于起振但又不易停振的多通道“互锁”自激单元，可令自激式交错并联Buck变换器易于扩展，增加容量；易于起振，对参与自激的元器件要求低；也不易停振，在缺省控制环路的情况下仍可自主工作的一种自激式交错并联Buck变换器。
为了解决上述技术问题，本发明的技术方案如下：
一种自激式交错并联Buck变换器，包括Buck单元和输出电容，Buck单元至少两个，每个Buck单元的主电路包括三极管、主电路二极管和主电路电感，所有Buck单元的三极管的发射极与直流电源的正端相连，所有主电路电感的第一端与本Buck单元的三极管集电极相连，所有主电路电感的第二端连在一起、并与输出电容的一端相连；
每个Buck单元有且仅有另外一个Buck单元通过自激通路相连，所有Buck 单元形成闭环自激回路；自激通路包括分压电阻、自激电容和自激二极管；每个三极管的基极与发射极之间连有自激二极管，自激二极管的阳极与三极管的基极相连，自激二极管的阴极与三极管的发射极相连；由自激通路相连的两个 Buck单元中、分压电阻和自激电容连于其中一个三极管的基极和另一个三极管的集电极；自激电容的电压被限制。主电路电感的第一端和第二端只是为了区别电感的两端，并不是数学意义的第一和第二。
明确主电路电感的设置方式为：主电路电感只有一个；或者主电路电感由至少两个电感串联形成。
明确主电路二极管的连接方式为：主电路二极管的阳极与直流电源负极相连；当主电路电感只有一个时，主电路二极管的阴极与本Buck单元的三极管集电极相连；当主电路电感由至少两个电感串联时，主电路二极管的阴极连于本 Buck单元的两个主回路电感之间。
第一种自激电容的电压限制方式为：限压电阻与自激电容并联。
第二种自激电容的电压限制方式为：限压电阻一端连于分压电阻与自激电容之间，另一端与直流电源的负极相连。
第三种自激电容的电压限制方式为：限压电阻一端连于分压电阻与自激电容之间，另一端连于主电路电感与输出电容Co之间。
本发明相比现有技术优点在于：
1、Buck单元的主电路连接于直流电源正极与输出电容之间，Buck单元之间通过自激通路相连，形成闭环自激回路，Buck单元的个数易于扩展，方便增加容量。
2、由自激通路相连的两个Buck单元，其中一个Buck单元的三极管导通时，另一个Buck单元截止，即两个Buck单元利用电容实现互锁，闭环自激回路易于启动。
3、自激闭环回路由三极管、二极管和电感组成，对自激的元器件要求低，不易停振，在缺省控制环路的情况下仍可自主工作。
附图说明
图1是本发明有1个主电路电感、限压电阻与自激电容并联的电路图。
图2是本发明有1个主电路电感、限压电阻与直流电源负极相连的电路图。
图3是本发明有1个主电路电感、限压电阻与输出电容相连的电路图。
图4是本发明有2个主电路电感、限压电阻连于两个主电路电感之间的电路图。
图5是图1所示电路的仿真波形图。
图6是图4所示电路的仿真波形图。
具体实施方式
如图1-图4所示，一种自激式交错并联Buck变换器，包括Buck单元和输出电容，Buck单元至少两个，每个Buck单元的主电路包括三极管Qpj_1、主电路二极管Dj_1和主电路电感Lj_1，所有Buck单元的三极管发射极与直流电源 Vi的正端相连，所有主电路电感Lj_1的第一端与本Buck单元的三极管集电极相连，所有主电路电感的第二端连在一起、并与输出电容Co的一端相连；输出电容与负载Z并联。
每个Buck单元有且仅有另外一个Buck单元通过自激通路相连，所有Buck 单元形成闭环自激回路；自激通路包括分压电阻Rpj-1_2、自激电容Cpj_1和自激二极管Dpj-1_1；每个三极管的基极与发射极之间连有自激二极管Dpj_1，自激二极管Dpj_1的阳极与三极管基极相连，自激二极管Dpj_1的阴极与三极管发射极相连；由自激通路相连的两个Buck单元中、分压电阻Rpj-1_2和自激电容Cpj_1连于其中一个三极管Qpj-1_1的基极和另一个三极管Qpj_1的集电极；自激电容Cpj_1的电压被限压电阻Rpj_1限制。主电路电感的第一端和第二端只是为了区别电感的两端，并不是数学意义的第一和第二。
图1中，电阻Rp1_1至电阻Rpn_1、电阻Rp1_2至电阻Rpn_2、电容Cp1_1 至电容Cpn_1、二极管Dp1_1至二极管Dpn_1、二极管D1_1至二极管Dn_1、三极管Qp1_1至三极管Qpn_1形成闭环的自激单元。所有三极管均为PNP型 BJT管。
通过自激通路相连的两个Buck单元互锁。以图1-图4为例，假设第j个Buck 单元作为本级单元，第j-1个Buck单元作为下一级单元。
PNP型BJT管Qpj_1的发射极同时与直流电源Vi的正端和二极管Dpj_1的阴极相连，PNP型BJT管Qpj_1的基极同时与二极管Dpj_1的阳极和电阻Rpj_2 的一端相连，PNP型BJT管Qpj_1的集电极同时与电阻Rpj_1的一端、电容Cpj_1 的一端、二极管Dj_1的阴极和电感Lj_1的一端相连，电感Lj_1的另一端同时与电容Co的一端和负载Z的一端相连，负载Z的另一端同时与电容Co的另一端、二极管Dj_1的阳极和直流电源Vi的负端相连，j的取值范围是1至n。电阻Rp1_2的另一端同时与电阻Rp2_1的另一端和电容Cp2_1的另一端相连，以此类推，电阻Rpn-1_2的另一端同时与电阻Rpn_1的另一端和电容Cpn_1的另一端相连，电阻Rpn_2的另一端同时与电阻Rp1_1的另一端和电容Cp1_1的另一端相连。
图1-图4所示的电路，利用自激单元内部(主要是PNP型BJT管Qp1_1 至PNP型BJT管Qpn_1)的不一致性，产生所需的振荡。假设Qp1_1率先导通，二极管D1_1截止，电感L1_1充磁，电流iL1_1逐渐增加，直流电源Vi通过电阻Rp1_2给电容Cp2_1充电。在Cp2_1的充电过程中，Qp1_1的基极电流逐渐减小，而Qp1_1的集电极电流逐渐增加，Qp1_1逐步退出饱和状态进入截止状态。当Qp1_1截止后，D1_1导通，L1_1放磁，iL1_1逐渐减小。同时，PNP型 BJT管Qpn_1导通，二极管Dn_1截止，电感Ln_1充磁，电流iLn_1逐渐增加，直流电源Vi通过电阻Rpn_2给电容Cp1_1充电。以此类推，Qpn_1滞后于Qp1_1 导通和截止，Qpk-1_1滞后于Qk_1导通和截止，Qp1_1滞后于Qp2_1导通和截止，k的取值范围是2至n。稳态时，当Qp1_1导通时，Cp1_1通过Rpn_2和 Dpn_1进行放电；当Qpk_1导通时，Cpk_1通过Rpk-1_2和Dpk-1_1进行放电；当Qpn_1导通时，Cpn_1通过Rpn-1_2和Dpn-1_1进行放电。周而复始。Dpj_1 的作用是保护Qpj_1并参与振荡，电阻Rpj_1的作用是限制Cpj_1的端电压。
主电路电感和主电路二极管的设置方式为：
如图1-3所示，主电路电感只有一个，主电路二极管的阳极与直流电源Vi 负极相连，主电路二极管的阴极与本Buck单元的三极管集电极相连。
或者，如图4所示，主电路电感由至少两个电感串联形成。当主电路电感由至少两个电感串联时，主电路二极管的阴极连于本单元的两个主电路电感之间。
图5是图1所示电路(n＝3)的仿真波形图。由图5可知图1所示电路的自激工作状态，其输出电压Vo小于Vi，PNP型BJT管的导通顺序依次为Qp1_1 →Qp3_1→Qp2_1→Qp1_1。
自激电容的电压限制方式：
在一些实施例中，如图1所示，主电路电感只有1个、即Lj_1，限压电阻 Rpj_1与自激电容Cpj_1并联。可通过改变分压电阻Rpj-1_2和限压电阻Rpj_1 的阻值，调节自激电容Cpj_1的电压，从而改变自激式交错并联Buck变换器的工作频率。j的取值范围是1至n，Rpj_1表示第j个Buck单元的限压电阻，n 表示Buck单元的总数。
在一些实施例中，如图2所示，主电路电感只有1个、即Lj_1，限压电阻 Rpj_1一端与连于分压电阻与自激电容之间，另一端与直流电源的负极相连。与图1所示电路相比，当Qpj_1导通时，图2所示电路中Rpj_1会令Cpj_1具有更快的放电速度。j的取值范围是1至n，Rpj_1表示第j个Buck单元的限压电阻， n表示Buck单元的总数。
在一些实施例中，如图3所示，主电路电感只有1个、即Lj_1，限压电阻 Rpj_1的一端与输出电容Co的一端相连，j的取值范围是1至n。与图1所示电路相比，当Dj_1导通时，图3所示电路中Rpj_1会令Cpj_1具有更高的充电电压上限。j的取值范围是1至n，Rpj_1表示第j个Buck单元的限压电阻，n表示Buck单元的总数。
在一些实施例中，如图4所示，主电路电感由Lj_2和Lj_1串联形成，PNP 型BJT管Qpj_1的集电极和电容Cpj_1的一端都与电感Lj_2的一端相连，二极管Dj_1的阴极和电感Lj_1的一端都与电感Lj_2的另一端相连，电感Lj_2的一端与电感Lj_1的一端是同名端关系，j的取值范围是1至n，Rpj_1表示第j个 Buck单元的限压电阻，n表示Buck单元的总数。由于Lj_1和Lj_2的耦合关系，可实现高降压比。
图6是图4所示电路(n＝2)的仿真波形图。由图6可知图4所示电路的自激工作状态，其输出电压Vo小于Vi，PNP型BJT管的导通顺序依次为Qp1_1 →Qp2_1→Qp1_1。与图1所示电路相比，其Vo更低。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明保护范围内。
Claims (7)
1.一种自激式交错并联Buck变换器，其特征在于：变换器包括Buck单元和输出电容，Buck单元至少两个，每个Buck单元的主电路包括三极管、主电路二极管和主电路电感，所有Buck单元的三极管的发射极与直流电源的正端相连，所有主电路电感的第一端与本Buck单元的三极管集电极相连，所有主电路电感的第二端连在一起、并与输出电容的一端相连；每个Buck单元有且仅有另外一个Buck单元通过自激通路相连，所有Buck单元形成闭环自激回路；自激通路包括分压电阻、自激电容和自激二极管；每个三极管的基极与发射极之间连有自激二极管，自激二极管的阳极与三极管的基极相连，自激二极管的阴极与三极管的发射极相连；由自激通路相连的两个Buck单元中，分压电阻和自激电容连于其中一个三极管的基极和另一个三极管的集电极；自激电容的电压被限制。
2.根据权利要求1所述的一种自激式交错并联Buck变换器，其特征在于：主电路电感只有一个。
3.根据权利要求1所述的一种自激式交错并联Buck变换器，其特征在于：主电路电感由至少两个电感串联形成。
4.根据权利要求1所述的一种自激式交错并联Buck变换器，其特征在于：主电路二极管的阳极与直流电源负极相连；当主电路电感只有一个时，主电路二极管的阴极与本Buck单元的三极管集电极相连；当主电路电感由至少两个电感串联时，主电路二极管的阴极连于本Buck单元的两个主回路电感之间。
5.根据权利要求4所述的一种自激式交错并联Buck变换器，其特征在于：限压电阻与自激电容并联。
6.根据权利要求4所述的一种自激式交错并联Buck变换器，其特征在于：限压电阻一端连于分压电阻与自激电容之间，另一端与直流电源的负极相连。
7.根据权利要求4所述的一种自激式交错并联Buck变换器，其特征在于：限压电阻一端连于分压电阻与自激电容之间，另一端连于主电路电感与输出电容Co之间。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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