CN110492746A - 一种宽输入电压范围的两级变换器及其控制方法 - Google Patents

一种宽输入电压范围的两级变换器及其控制方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种宽输入电压范围的两级变换器及其控制方法,所述两级变换器包括:依次连接的输入端滤波电路、第一级变换器、第二级变换器、输出端滤波电路;所述第一级变换器包括开关管Q1、开关管Q2和电感L2;所述第二级变换器包括变压器T1,副边整流电路,以及由开关管Q3、开关管Q4、开关管Q5和开关管Q6组成的全桥电路,所述开关管Q1、开关管Q2、开关管Q3、开关管Q4、开关管Q5和开关管Q6均通过栅极接收控制器输出的PWM驱动脉冲实现导通和关闭的控制。本发明通过调节PWM驱动脉冲控制开关管实现了两级变换器的降压和升压两种功能,避免了单一Buck或Boost在占空比极大或极小时的高损耗问题。

Description

一种宽输入电压范围的两级变换器及其控制方法
技术领域
本发明涉及变换器技术领域,尤其是一种宽输入电压范围的两级变换器及其控制方法。
背景技术
在新能源发电技术如风力发电、太阳能发电、燃料电池以及军工等电源应用领域,输入电压在较宽的范围内变化。常规的电力电子功率变换拓扑,如Buck和Boost变换器的占空比分别是D和1/(l-D),均不适应于输入电压宽范围变化场合。当输入电压变化范围很大时,Buck电路的自身降压特性决定电路的输出电压要比输入电压的最小值小,因此会产生很大的输出电流,导致效率较差;Boost变换器存在同样的问题,Boost电路的自身升压特性决定了其输出电压要比输入电压的最大值高,若占空比变换范围过大,则损耗较大。在宽范围输入电压场合,Buck和Boost变换器的使用都有很大局限性。其他拓扑如BuckBoost、Flyback或基本的全桥、半桥、正激电路等基于同样原理,在宽输入电压范围应用均存在性能较差的问题。
目前,较为合理的解决方案为采用两级变换器,第一级采用常规Buck或Boost变换器,实现初步的调压功能,第二级采用隔离的全桥或者软开关LLC变换器,以较高效率实现隔离以及高输入输出电压变比,但其本质依然为Buck或Boost即单一的降压或升压电路,难以兼顾最高与最低输入电压的效率,导致电源整体损耗较大。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是:针对上述存在的问题,提供一种宽输入电压范围的两级变换器及其控制方法。
本发明提供的一种宽输入电压范围的两级变换器,包括:依次连接的输入端滤波电路、第一级变换器、第二级变换器、输出端滤波电路;
所述第一级变换器包括开关管Q1、开关管Q2和电感L2;其中,输入端滤波电路经开关管Q1的源极和漏极,以及电感L2连接第二级变换器;开关管Q2的源极连接在开关管Q1和电感L2之间,开关管Q2的漏极接地,用于第一级变换器的同步整流;
所述第二级变换器包括变压器T1,副边整流电路,以及由开关管Q3、开关管Q4、开关管Q5和开关管Q6组成的全桥电路,其中,开关管Q3和开关管Q4为同一桥臂,开关管Q5和开关管Q6为同一桥臂;全桥电路的输入端连接第一级变换器的输出端,全桥电路的输出端连接变压器T1的原边;副边整流电路的输入端连接变压器T1的副边,第二级整流电路的输出端连接输出端滤波电路,用于第二级变换器的同步整流;
所述开关管Q1、开关管Q2、开关管Q3、开关管Q4、开关管Q5和开关管Q6均通过栅极接收控制器输出的PWM驱动脉冲实现导通和关闭的控制。
作为优选,所述输入端滤波电路包括电感L1、电容C1和电容C2;电感L1连接在主输入端和第一级变换器之间;电容C1和电容C2的一端分别连接在电感L1的两端,另一端接地。
作为优选,所述输出端滤波电路包括电感L3、电容C4和电容C5;电感L3连接在主输出端和第二级变换器之间;电容C4和电容C5的一端分别连接在电感L3的两端,另一端接地。
作为优选,所述副边整流电路为由4只开关管或整流二极管组成的全桥整流电路。
本发明还提供一种宽输入电压范围的两级变换器的控制方法,包括:
采用占空比为d1的第一PWM驱动脉冲控制开关管Q1,采用占空比为d2的第二PWM驱动脉冲控制开关管Q2,采用占空比为d3的第三PWM驱动脉冲控制开关管Q3和开关管Q6,采用占空比为d3的第四PWM驱动脉冲控制开关管Q4和开关管Q5;其中,开关管Q1和开关管Q2的工作周期为Ts/2,开关管Q3、开关管Q4、开关管Q5和开关管Q6的工作周期为Ts;
当主输入端的输入电压较高时,第一PWM驱动脉冲和第二PWM驱动脉冲的周期为Ts/2且呈死区互补,使开关管Q1和开关管Q2互补导通;第三PWM驱动脉冲和第四PWM驱动脉冲的周期为Ts且第四PWM驱动脉冲的相位相对于第三PWM驱动脉冲的相位移相Ts/2,且d3=50%;使第一级变换器的输出电压Vm+相对于输入电压实现降压输出功能,此时所述两级变换器工作于Buck模式,保持d3不变,通过调节d1和d2的大小改变主输出端的输出电压;
当主输入端的输入电压较低时,第一PWM驱动脉冲控制开关管Q1导通,第二PWM驱动脉冲控制开关管Q2关闭,第三PWM驱动脉冲和第四PWM驱动脉冲的周期为Ts且第四PWM驱动脉冲的相位相对于第三PWM驱动脉冲的相位移相Ts/2,且d3>50%,使开关管Q3和开关管Q4,以及开关管Q5和开关管Q6存在同时导通;使第一级变换器直通,第二级变换器升压;此时所述两级变换器工作于Boost模式,通过调节d3的大小改变主输出端的输出电压。
进一步地,当主输入端的输入电压较高,所述两级变换器工作于Buck模式时,第一级变换器的输出电压Vm+相对于输入电压的平均降压比为d1,第二级变换器的输出电压相对于第一级平均输出电压的比例为k,其中k为变压器T1的匝比。
进一步地,当主输入端的输入电压较低,所述两级变换器工作于Boost模式时,第一级变换器的平均输出电压等于主输入端的输入电压,第二级变换器的平均输出电压相对于输入电压的平均升压比为k/(1-d4),其中k为变压器T1的匝比,d4为第三PWM驱动脉冲和第四PWM驱动脉冲的重叠占空比。
综上所述,由于采用了上述技术方案,本发明的有益效果是:
本发明通过PWM驱动脉冲控制开关管实现了两级变换器的降压和升压两种功能,避免了单一Buck或Boost在占空比极大或极小时的高损耗问题。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案,下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍,应当理解,以下附图仅示出了本发明的某些实施例,因此不应被看作是对范围的限定,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相关的附图。
图1为本发明的宽输入电压范围的两级变换器的拓扑结构图。
图2为本发明的宽输入电压范围的两级变换器的Buck模式控制原理图。
图3为本发明的宽输入电压范围的两级变换器的Boost模式控制原理图。
具体实施方式
以下结合实施例对本发明的特征和性能作进一步的详细描述。
实施例1
如图1所示,本实施例提供的一种宽输入电压范围的两级变换器,包括:依次连接的输入端滤波电路、第一级变换器、第二级变换器、输出端滤波电路;
所述第一级变换器包括开关管Q1、开关管Q2和电感L2;其中,输入端滤波电路经开关管Q1的源极和漏极,以及电感L2连接第二级变换器;开关管Q2的源极连接在开关管Q1和电感L2之间,开关管Q2的漏极接地,用于第一级变换器的同步整流;
所述第二级变换器包括变压器T1,副边整流电路,以及由开关管Q3、开关管Q4、开关管Q5和开关管Q6组成的全桥电路,其中,开关管Q3和开关管Q4为同一桥臂,开关管Q5和开关管Q6为同一桥臂;全桥电路的输入端连接第一级变换器的输出端,全桥电路的输出端连接变压器T1的原边;副边整流电路的输入端连接变压器T1的副边,第二级整流电路的输出端连接输出端滤波电路,用于第二级变换器的同步整流;
所述开关管Q1、开关管Q2、开关管Q3、开关管Q4、开关管Q5和开关管Q6均通过栅极接收控制器输出的PWM驱动脉冲实现导通和关闭的控制。
作为优选,所述输入端滤波电路包括电感L1、电容C1和电容C2;电感L1连接在主输入端和第一级变换器之间;电容C1和电容C2的一端分别连接在电感L1的两端,另一端接地。
作为优选,所述输出端滤波电路包括电感L3、电容C4和电容C5;电感L3连接在主输出端和第二级变换器之间;电容C4和电容C5的一端分别连接在电感L3的两端,另一端接地。
所述输入端滤波电路和输出端滤波电路也可以采用其他常规滤波方式。
在本实施例中,开关管Q1为主开关管;开关管Q2为第一级变换器的同步整流开关管,与开关管Q1呈死区的互补导通,也可以采用整流二极管替换,电感L2为第一级变换器的输出滤波电感。第一级变换器的输出电压为Vm+,在本实施例中未采用滤波电容,因此,第一级变换器的输出电压Vm+为脉冲式的电压波形。开关管Q3、开关管Q4、开关管Q5和开关管Q6为变压器T1的原边开关管,作为优选,所述副边整流电路为由4只开关管,如图1所示的开关管Q7、开关管Q8、开关管Q9和开关管Q10组成的全桥整流电路,其中,开关管Q7和开关管Q8为同一桥臂,开关管Q9和开关管Q10为同一桥臂;所述副边整流电路作为第二级变换器的同步整流,也可以采用整流二极管组成的全桥整流电路进行替换,还可以采用其他半桥、全桥整流电路。
基于上述的宽输入电压范围的两级变换器,本实施例还提供一种宽输入电压范围的两级变换器的控制方法,包括:
采用占空比为d1的第一PWM驱动脉冲控制开关管Q1,采用占空比为d2的第二PWM驱动脉冲控制开关管Q2,采用占空比为d3的第三PWM驱动脉冲控制开关管Q3和开关管Q6,采用占空比为d3的第四PWM驱动脉冲控制开关管Q4和开关管Q5;其中,开关管Q1和开关管Q2的工作周期为Ts/2,开关管Q3、开关管Q4、开关管Q5和开关管Q6的工作周期为Ts;
如图2所示,当主输入端的输入电压较高时,第一PWM驱动脉冲和第二PWM驱动脉冲的周期为Ts/2且呈死区互补,使开关管Q1和开关管Q2互补导通;第三PWM驱动脉冲和第四PWM驱动脉冲的周期为Ts且第四PWM驱动脉冲的相位相对于第三PWM驱动脉冲的相位移相Ts/2,且d3=50%;当开关管Q3和开关管Q6导通且开关管Q4和开关管Q5关闭,或者开关管Q3和开关管Q6关闭且开关管Q4和开关管Q5导通时,第一级变换器的输出电压Vm+被输出电压箝位,具体地,第一级变换器的输出电压Vm+相对于输入电压的平均降压比为d1,第二级变换器的输出电压相对于第一级平均输出电压的比例为k,其中k为变压器T1的匝比;当开关管Q3和开关管Q6导通且开关管Q4和开关管Q5导通时,第一级变换器的输出电压Vm+为0。
综上所述,当主输入端的输入电压较高时,通过控制变换器,使第一级变换器的输出电压Vm+相对于输入电压实现降压输出功能,此时所述两级变换器工作于Buck模式,类似于传统的Buck变换器的工作方式,保持d3不变,通过调节d1和d2的大小改变主输出端的输出电压。
如图3所示,当主输入端的输入电压较低时,第一PWM驱动脉冲控制开关管Q1导通,第二PWM驱动脉冲控制开关管Q2关闭,第三PWM驱动脉冲和第四PWM驱动脉冲的周期为Ts且第四PWM驱动脉冲的相位相对于第三PWM驱动脉冲的相位移相Ts/2,且d3>50%,使开关管Q3和开关管Q4,以及开关管Q5和开关管Q6存在同时导通;使第一级变换器直通,第二级变换器升压。具体地,当开关管Q3和开关管Q6导通且开关管Q4和开关管Q5关闭,或者开关管Q3和开关管Q6关闭且开关管Q4和开关管Q5导通时,第一级变换器的平均输出电压(即Vm+的平均电压)等于输入电压,第二级变换器的输出电压相对于输入电压的比例为k/(1-d4)其中k为变压器匝比,d4为第三PWM驱动脉冲和第四PWM驱动脉冲的重叠占空比;当开关管Q3和开关管Q6导通且开关管Q4和开关管Q5导通时,电感L2的输入端电压为主输入端的输入电压(忽略开关管Q1的导通压降),输出端电压为0,也就是说第一级变换器的输出电压Vm+为0。
综上所述,当主输入端的输入电压较低时,通过控制变换器,使第一级变换器直通,第二级变换器升压;此时所述两级变换器工作于Boost模式,类似于传统的Boost变换器的工作方式,通过调节d3的大小改变主输出端的输出电压。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已,并不用以限制本发明,凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等,均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种宽输入电压范围的两级变换器,其特征在于,包括:依次连接的输入端滤波电路、第一级变换器、第二级变换器、输出端滤波电路;
所述第一级变换器包括开关管Q1、开关管Q2和电感L2;其中,输入端滤波电路经开关管Q1的源极和漏极,以及电感L2连接第二级变换器;开关管Q2的源极连接在开关管Q1和电感L2之间,开关管Q2的漏极接地,用于第一级变换器的同步整流;
所述第二级变换器包括变压器T1,副边整流电路,以及由开关管Q3、开关管Q4、开关管Q5和开关管Q6组成的全桥电路,其中,开关管Q3和开关管Q4为同一桥臂,开关管Q5和开关管Q6为同一桥臂;全桥电路的输入端连接第一级变换器的输出端,全桥电路的输出端连接变压器T1的原边;副边整流电路的输入端连接变压器T1的副边,第二级整流电路的输出端连接输出端滤波电路,用于第二级变换器的同步整流;
所述开关管Q1、开关管Q2、开关管Q3、开关管Q4、开关管Q5和开关管Q6均通过栅极接收控制器输出的PWM驱动脉冲实现导通和关闭的控制。
2.根据权利要求1所述的宽输入电压范围的两级变换器,其特征在于,所述输入端滤波电路包括电感L1、电容C1和电容C2;电感L1连接在主输入端和第一级变换器之间;电容C1和电容C2的一端分别连接在电感L1的两端,另一端接地。
3.根据权利要求1所述的宽输入电压范围的两级变换器,其特征在于,所述输出端滤波电路包括电感L3、电容C4和电容C5;电感L3连接在主输出端和第二级变换器之间;电容C4和电容C5的一端分别连接在电感L3的两端,另一端接地。
4.根据权利要求1所述的宽输入电压范围的两级变换器,其特征在于,所述副边整流电路为由4只开关管或整流二极管组成的全桥整流电路。
5.一种宽输入电压范围的两级变换器的控制方法,其特征在于,包括:
采用占空比为d1的第一PWM驱动脉冲控制开关管Q1,采用占空比为d2的第二PWM驱动脉冲控制开关管Q2,采用占空比为d3的第三PWM驱动脉冲控制开关管Q3和开关管Q6,采用占空比为d3的第四PWM驱动脉冲控制开关管Q4和开关管Q5;其中,开关管Q1和开关管Q2的工作周期为Ts/2,开关管Q3、开关管Q4、开关管Q5和开关管Q6的工作周期为Ts;
当主输入端的输入电压较高时,第一PWM驱动脉冲和第二PWM驱动脉冲的周期为Ts/2且呈死区互补,使开关管Q1和开关管Q2互补导通;第三PWM驱动脉冲和第四PWM驱动脉冲的周期为Ts且第四PWM驱动脉冲的相位相对于第三PWM驱动脉冲的相位移相Ts/2,且d3=50%;使第一级变换器的输出电压Vm+相对于输入电压实现降压输出功能,此时所述两级变换器工作于Buck模式,保持d3不变,通过调节d1和d2的大小改变主输出端的输出电压;
当主输入端的输入电压较低时,第一PWM驱动脉冲控制开关管Q1导通,第二PWM驱动脉冲控制开关管Q2关闭,第三PWM驱动脉冲和第四PWM驱动脉冲的周期为Ts且第四PWM驱动脉冲的相位相对于第三PWM驱动脉冲的相位移相Ts/2,且d3>50%,使开关管Q3和开关管Q4,以及开关管Q5和开关管Q6存在同时导通;使第一级变换器直通,第二级变换器升压;此时所述两级变换器工作于Boost模式,通过调节d3的大小改变主输出端的输出电压。
6.根据权利要求5所述的宽输入电压范围的两级变换器的控制方法,其特征在于,当主输入端的输入电压较高,所述两级变换器工作于Buck模式时,第一级变换器的输出电压Vm+相对于输入电压的平均降压比为d1,第二级变换器的输出电压相对于第一级平均输出电压的比例为k,其中k为变压器T1的匝比。
7.根据权利要求5所述的宽输入电压范围的两级变换器的控制方法,其特征在于,当主输入端的输入电压较低,所述两级变换器工作于Boost模式时,第一级变换器的平均输出电压等于主输入端的输入电压,第二级变换器的平均输出电压相对于输入电压的平均升压比为k/(1-d4),其中k为变压器T1的匝比,d4为第三PWM驱动脉冲和第四PWM驱动脉冲的重叠占空比。
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CN113992009A (zh) * 2021-11-17 2022-01-28 深圳市皓文电子有限公司 一种宽输入范围dc/dc变换器电路和控制方法

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