CN109149925B - 一种降压斩波电路 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种降压斩波电路，包括第一电感、第二电感、第一电容、第二电容、开关及单向导通模块，第一电感的第一端与电源的正端连接，第一电感的第二端分别与第一电容的第一端、第二电感的第一端及负载的一端连接，第一电容的第二端分别与开关的第一端、单向导通模块的正端及负载的另一端连接，第二电感的第二端分别与第二电容的第一端及单向导通模块的负端连接，第二电容的第二端分别与开关的第二端及电源的负端连接。本申请提供的降压斩波电路，其输出电压为D*Vd，实现了降压的功能。本申请还在电源的正端设置了第一电感，实现了输入电流的连续，减小了谐波污染、电磁干扰等问题的影响，提高了降压效率。

Description

一种降压斩波电路
技术领域
本发明涉及电压变换技术领域，特别是涉及一种降压斩波电路。
背景技术
降压电路在很多场合均有应用。传统的降压电路通常采用Buck电路，图1为传统的Buck电路的结构示意图。传统的Buck电路具有输出电流连续，输出纹波小的优点，但是存在着输入电流(电源向设备输入的电流)断续的缺点，输入电流断续往往会引起谐波污染、电磁干扰等诸多问题。
因此，如何提供一种解决上述技术问题的方案是本领域技术人员目前需要解决的问题。
发明内容
本发明的目的是提供一种降压斩波电路，该降压斩波电路实现了降压的功能，还实现了输入电流的连续，减小了谐波污染、电磁干扰等问题的影响，提高了降压效率。
为解决上述技术问题，本发明提供了一种降压斩波电路，包括第一电感、第二电感、第一电容、第二电容、开关及单向导通模块，其中：
所述第一电感的第一端与电源的正端连接，所述第一电感的第二端分别与所述第一电容的第一端、所述第二电感的第一端及负载的一端连接，所述第一电容的第二端分别与所述开关的第一端、所述单向导通模块的正端及所述负载的另一端连接，所述第二电感的第二端分别与所述第二电容的第一端及所述单向导通模块的负端连接，所述第二电容的第二端分别与所述开关的第二端及所述电源的负端连接。
优选地，所述单向导通模块为二极管。
优选地，所述开关为单个NMOS。
优选地，所述开关由多个NMOS串并联后构成。
优选地，所述开关为单个IGBT。
优选地，所述开关为由多个IGBT串并联后构成。
本申请提供了一种全新结构的降压斩波电路，其输出电压为D*Vd，D为开关的驱动信号的占空比，Vd为电源的电压，该降压斩波电路实现了降压的功能。本申请还在电源的正端设置了第一电感，实现了输入电流的连续，减小了谐波污染、电磁干扰等问题的影响，提高了降压效率。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对现有技术和实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为传统的Buck电路的结构示意图；
图2为本发明提供的一种降压斩波电路的结构示意图；
图3为本发明提供的降压斩波电路在开关处于闭合状态时的工作原理图；
图4为本发明提供的降压斩波电路在开关处于断开状态时的工作原理图；
图5是图2所示降压斩波电路的输入电流iL1的波形图；
图6是图2所示降压斩波电路的整体工作波形图。
具体实施方式
本发明的核心是提供一种降压斩波电路，该降压斩波电路实现了降压的功能，还实现了输入电流的连续，减小了谐波污染、电磁干扰等问题的影响，提高了降压效率。
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
请参照图2，图2为本发明提供的一种降压斩波电路的结构示意图，该电路包括第一电感L1、第二电感L2、第一电容C1、第二电容C2、开关S及单向导通模块D，其中：
第一电感L1的第一端与电源Vd的正端连接，第一电感L1的第二端分别与第一电容C1的第一端、第二电感L2的第一端及负载的一端连接，第一电容C1的第二端分别与开关S的第一端、单向导通模块D的正端及负载的另一端连接，第二电感L2的第二端分别与第二电容C2的第一端及单向导通模块D的负端连接，第二电容C2的第二端分别与开关S的第二端及电源Vd的负端连接。
具体地，开关S具有两种状态：闭合和断开，因此降压斩波电路也存在两种工作模态：
请参照图3，图3为本发明提供的降压斩波电路在开关处于闭合状态时的工作原理图。
在开关S处于闭合状态时，降压斩波电路工作在模态1，单向导通模块D承受反压而反向截止，此时降压斩波电路中存在三个回路，具体为：电源Vd正端-第一电感L1-第一电容C1-电源Vd负端回路；电源Vd正端-第一电感L1-第二电感L2-第二电容C2-电源Vd负端回路；电源Vd正端-第一电感L1-负载-电源Vd负端回路。电源Vd为第一电感L1、第一电容C1、第二电感L2及第二电容C2充电，同时还为负载供电，提供能量。
请参照图4，图4为本发明提供的降压斩波电路在开关处于断开状态时的工作原理图。
在开关S处于断开状态时，降压斩波电路工作在模态2，单向导通模块D正向导通，此时降压斩波电路中存在四个回路，具体为：电源Vd正端-第一电感L1-第二电感L2-第二电容C2-电源Vd负端回路；电源Vd正端-第一电感L1-第一电容C1-二极管D-第二电容C2-电源Vd负端回路；第一电容C1正端-负载-第一电容C1负端回路；第二电感L2-负载-二极管D-第二电感L2回路。电源Vd为第一电感L1、第一电容C1、第二电容C2充电，第一电容C1和第二电感L2为负载供电，提供能量。
本发明提出的输入电流连续的降压斩波电路根据开关S的导通情况分为以上两种工作模态，对上述两种模态下的电感进行分析，把图3的标示方向设为正方向，得出电感的电压为：
定义D为开关S的占空比，T为开关S的驱动信号的周期。
根据电感的伏秒平衡定理，可以得出：
则一个周期内第一电容C1和第二电容C2的平均电压为：
由于负载与第一电容C1并联，则：
可见，该降压斩波电路的输出电压Vo的大小由开关S的占空比D决定，改变占空比D即可得到所需的直流输出电压。
请参照图5，图5是图2所示降压斩波电路的输入电流iL1的波形图，由于在两种工作模态下，输入电流都流过第一电感L1，而由于电感具有阻碍电流变化的特性，使得输入电流连续，避免了由于输入电流断续而导致的谐波污染、电磁干扰等诸多问题。
请参照图6，图6是图2所示降压斩波电路的整体工作波形图，包括输入电压Vd、PWM波、输出电压Vo、输入电流iL1、输出电流io的波形图，通过改变占空比实现对输出电压的降压输出。
本申请提供了一种全新结构的降压斩波电路，其输出电压为D*Vd，D为开关S的驱动信号的占空比，Vd为电源Vd的电压，该降压斩波电路实现了降压的功能。本申请还在电源Vd的正端设置了第一电感L1，实现了输入电流的连续，减小了谐波污染、电磁干扰等问题的影响，提高了降压效率。
作为一种优选地实施例，单向导通模块D为二极管。
具体地，本实施例中，选用二极管作为单向导通模块D，具有结构简单、成本低的优点，当然，也可以选用其他类型的单向导通模块D，根据实际情况来定。
作为一种优选地实施例，开关S为单个NMOS。
作为一种优选地实施例，开关S由多个NMOS串并联后构成。
作为一种优选地实施例，开关S为单个IGBT。
作为一种优选地实施例，开关S为由多个IGBT串并联后构成。
传统的Buck电路中的开关管是高侧驱动，也即开关管导通之后，需要在开关管的栅极加一个大于VGS+Vd的电压，为了实现该目的，现有技术中通常是搭建一个自举电路，从而造成器件过多、电路结构复杂及可靠性低的问题。
本申请中，开关S设置在电源Vd的负极，开关S可以为NMOS或者多个NMOS串并联或者IGBT或者多个IGBT串并联，将开关S的源极连接至电源Vd负极，由于Vs＝0，则只需栅极G的电压大于开关S导通所需的VGS即可。可见，只需低侧驱动电路便可实现对开关S的控制，低侧驱动电路相比高侧驱动电路更为简单，降低了成本。
在实际应用过程中，如果升压中的电流较小，则开关S可只由单个NMOS(N-Metal-Oxide-Semiconductor，N型金属-氧化物-半导体)或者单管IGBT(Insulated Gate BipolarTransistor，绝缘栅双极型晶体管)构成，结构简单、节约了成本。
在实际应用过程中，如果降压中的电流较大，则为了避免损坏器件，提高降压斩波电路的安全性，开关S可由多个NMOS串并联构成或者多个IGBT串并联构成，能够适用于大电流和大电压的场景。需要说明的是，这里的串并联指的是多个NMOS或者IGBT先串联，然后再将多个NMOS串或者IGBT并联。
NMOS晶体管是开关S管中的一种，在一块掺杂浓度较低的P型硅衬底(提供大量可以动空穴)上，制作两个高掺杂浓度的N+区(N+区域中有大量为电流流动提供自由电子的电子源)，并用金属铝引出两个电极，分别作漏极和源极，然后在半导体表面覆盖一层很薄的二氧化硅(SiO2)绝缘层，在漏——源极间的绝缘层上再装上一个铝电极(通常是多晶硅),作为栅极，在衬底上也引出一个电极，这就构成了一个N沟道增强型MOS管，NMOS具有开关S速度快、开关S损耗小的优点。
IGBT是由BJT(双极型三极管)和MOS(绝缘栅型场效应管)组成的复合全控型电压驱动式功率半导体器件,兼有MOSFET的高输入阻抗和GTR的低导通压降两方面的优点。
除了NMOS和IGBT之外，开关S还可以是其他类型的开关S管，实际应用过程中根据需要进行选择。
需要说明的是，在本说明书中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。
对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其他实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (6)

1.一种降压斩波电路，其特征在于，包括第一电感、第二电感、第一电容、第二电容、开关及单向导通模块，其中：
所述第一电感的第一端与电源的正端连接，所述第一电感的第二端分别与所述第一电容的第一端、所述第二电感的第一端及负载的一端连接，所述第一电容的第二端分别与所述开关的第一端、所述单向导通模块的正端及所述负载的另一端连接，所述第二电感的第二端分别与所述第二电容的第一端及所述单向导通模块的负端连接，所述第二电容的第二端分别与所述开关的第二端及所述电源的负端连接。
2.如权利要求1所述的降压斩波电路，其特征在于，所述单向导通模块为二极管。
3.如权利要求1或2所述的降压斩波电路，其特征在于，所述开关为单个NMOS。
4.如权利要求1或2所述的降压斩波电路，其特征在于，所述开关由多个NMOS串并联后构成。
5.如权利要求1或2所述的降压斩波电路，其特征在于，所述开关为单个IGBT。
6.如权利要求1或2所述的降压斩波电路，其特征在于，所述开关为由多个IGBT串并联后构成。
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