CN111181400A - 一种高变比dc/dc变换电路及控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明是一种高变比DC/DC变换电路及控制方法，该电路包括输入接口、第一全控开关器件Q1、第二全控开关器件Q2、第三全控开关器件S1、第一电容C1、第二电容C2、第三电容C3、第四电容C4、第一电感L1、第二电感L2、第三电感L3、第一二极管D1、第二二极管D2、第三二极管D3和输出接口，通过控制第一全控开关器件Q1、第二全控开关器件Q2和第三全控开关器件S1的工作状态，实现不同的变换电路工作模式及对应功能。本发明变换电路可以根据输入和输出的不同而选择不同的工作模式，决定不同的工作状态，并能实现高变比工作，特别适合在光伏新能源等直流宽电压变换场合应用。

Description

一种高变比DC/DC变换电路及控制方法

技术领域

本发明涉及变压技术领域，具体涉及一种高变比DC/DC变换电路及控制方法。

背景技术

直流-直流(DC/DC)变换电路在各种电能变换系统中应用广泛，是实现对电能变换管理的重要变换之一，其主要功能是实现电压的变换。由于直流不同于交流的特性，交流可以方便的通过变压器实现各种电压等级间的变换调节，直流由于无法使用类似变压器变压原理来实现对电压的调节，必须采用各种DC/DC变换电路来实现，对直流的电压变换根据不同的应用场景主要可以分为升压、降压和升降压。常规的变换电路存在工程应用变压比受限、功能模式单一等弊端和不足，特别是面向太阳能光伏发电等直流电压波动范围大场合，需要采用多电路组合等方式来实现高变比的应用。本发明通过设计高变比高性能的电路解决类似这些高变比场合的工程应用需求。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术存在的问题，提供一种高变比DC/DC变换电路及控制方法，根据不同的应用模式对电路进行按需调节即可实现高变比和多模式工作，满足太阳能光伏发电等工程应用场合的需求。

为实现上述技术目的，达到上述技术效果，本发明通过以下技术方案实现：

一种高变比DC/DC变换电路，该电路包括输入接口、第一全控开关器件Q1、第二全控开关器件Q2、第三全控开关器件S1、第一电容C1、第二电容C2、第三电容C3、第四电容C4、第一电感L1、第二电感L2、第三电感L3、第一二极管D1、第二二极管D2、第三二极管D3和输出接口，通过控制第一全控开关器件Q1、第二全控开关器件Q2和第三全控开关器件S1的工作状态，实现不同的变换电路工作模式及对应功能；其中，

所述第三全控开关器件S1的公共端与输入接口的正极端、第一全控开关器件Q1和第一电容C1的一个公共连接点相连接，所述第三全控开关器件S1的控制端与第一电感L1、第三电感L3、第三电容C3和第二全控开关器件Q2的一个公共连接点相连接；

所述第一全控开关器件Q1的控制端与第一二极管D1的负极端、第二二极管D2的正极端相连接；

所述第二全控开关器件Q2的控制端与第二电感L2、第二电容C2、输出接口的负极端和第四电容C4的一个公共连接点相连接；

所述第一二极管D1的正极端与输出接口的负极端、第一电容C1、第三电容C3和第二电感L2的另一个公共连接点相连接；

所述第二二极管D2的负极端与第一电感L1、第二电容C2的另一个公共连接点相连接；

所述第一电容C1与输入接口并联，第四电容C4与输出接口并联，所述第三电感L3通过第三二极管D3连接输出接口的正极端，所述输入接口与输出接口的负极端之间连接有第二电感L2。

进一步的，所述输入接口的正极端依次电连通第三全控开关器件S1、第三电感L3、第三二极管D3和输出接口的正极端组成直流变换高效直通电路，以实现输入接口电能等效直接连接到输出接口。

进一步的，所述第一全控开关器件Q1、第一二极管D1、第二二极管D2、第三二极管D3、第一电感L1、第二电感L2和第三电感L3组成降压Buck变换电路，以实现输入接口电能到输出接口电能的降压变换。

进一步的，所述第二二极管D2、第一电感L1、第二电感L2、第一电容C1和第二电容C2组成Z源变换电路。

进一步的，所述第二二极管D2、第一电容C1、第二电容C2、第二全控开关器件Q2、第一电感L1、第二电感L2、第三电感L3和第三二极管D3组成高变比升压Z-Boost变换电路，以实现输入接口电能到输出接口电能的高变比升压变换。

进一步的，所述第一全控开关器件Q1、第二全控开关器件Q2和第三全控开关器件S1的断开状态形成保护电路，实现对输入和输出的电路隔离。

一种高变比DC/DC变换电路的控制方法，该方法包括以下步骤：

步骤1）检测输入电压值Uin和输出电压设定值Uout_set；

步骤2）比较输入电压值Uin和输出设定电压值Uout_set的大小，并计算差值绝对Ue；

步骤3）根据步骤2）的比较结果确定电路工作模式，并将Ue的值与设定的电压差Ue_set1或者Ue_set2进行比较后决定电路的工作模式，具体为：如果输入电压Uin大于输出电压Uout_set，且Ue小于设定的电压差Ue_set1,则电路工作在直通模式；反之电路工作在降压Buck电路模式；如果输入电压Uin小于输出电压Uout_set，则电路工作在高变比的升压Z-Boost模式；

步骤4）根据步骤3）的电路工作状态不同，对第一全控开关器件Q1、第二全控开关器件Q2和第三全控开关器件S1实施不同的控制，具体为：在直通工作状态下第一全控开关器件Q1和第二全控开关器件Q2为断开状态、第三全控开关器件S1为接通状态；在Buck电路工作状态下，第一全控开关器件Q1工作在PWM信号控制状态、第二全控开关器件Q2和第三全控开关器件S1为断开状态；如果工作在Z-Boost工作状态下，第一全控开关器件Q1为接通状态、第二全控开关器件Q2工作在PWM信号控制状态、第三全控开关器件S1为断开状态；

步骤5）根据步骤4）确定的第一全控开关器件Q1、第二全控开关器件Q2和第三全控开关器件S1的工作控制方式，实施控制完成电路的变换功能，其中在Buck电路工作状态和Z-Boost工作状态下，根据差值Ue的大小实时调节PWM控制信号的占空比；

步骤6）如果检测到故障发生，通过对第一全控开关器件Q1、第二全控开关器件Q2和第三全控开关器件S1全部断开，变换电路进入隔离保护状态。

本发明的有益效果是:

本发明变换电路可以根据输入和输出的不同而选择不同的工作模式，决定不同的工作状态，并能实现高变比工作，特别适合在光伏新能源等直流宽电压变换场合应用。

附图说明

图1为本发明的变换电路示意图；

图2a为本发明变换电路的直通模式电路连接图；

图2b为本发明变换电路的降压模式电路连接图；

图2c为本发明变换电路的升压模式电路连接图；

图2d为本发明变换电路的保护模式电路连接图；

图3为本发明变换电路的控制流程图。

具体实施方式

下面将参考附图并结合实施例，来详细说明本发明。

如图1所示，一种高变比DC/DC变换电路，该电路包括输入接口、第一全控开关器件Q1、第二全控开关器件Q2、第三全控开关器件S1、第一电容C1、第二电容C2、第三电容C3、第四电容C4、第一电感L1、第二电感L2、第三电感L3、第一二极管D1、第二二极管D2、第三二极管D3和输出接口，通过控制第一全控开关器件Q1、第二全控开关器件Q2和第三全控开关器件S1的工作状态，实现不同的变换电路工作模式及对应功能；其中，

所述第三全控开关器件S1的公共端与输入接口的正极端、第一全控开关器件Q1和第一电容C1的一个公共连接点相连接，所述第三全控开关器件S1的控制端与第一电感L1、第三电感L3、第三电容C3和第二全控开关器件Q2的一个公共连接点相连接；

所述第一全控开关器件Q1的控制端与第一二极管D1的负极端、第二二极管D2的正极端相连接；

所述第二全控开关器件Q2的控制端与第二电感L2、第二电容C2、输出接口的负极端和第四电容C4的一个公共连接点相连接；

所述第一二极管D1的正极端与输出接口的负极端、第一电容C1、第三电容C3和第二电感L2的另一个公共连接点相连接；

所述第二二极管D2的负极端与第一电感L1、第二电容C2的另一个公共连接点相连接；

所述第一电容C1与输入接口并联，第四电容C4与输出接口并联，所述第三电感L3通过第三二极管D3连接输出接口的正极端，所述输入接口与输出接口的负极端之间连接有第二电感L2。

如图2a所示，为直通模式：所述输入接口的正极端依次电连通第三全控开关器件S1、第三电感L3、第三二极管D3和输出接口的正极端组成直流变换高效直通电路，以实现输入接口电能等效直接连接到输出接口。

如图2b所示，为降压模式：所述第一全控开关器件Q1、第一二极管D1、第二二极管D2、第三二极管D3、第一电感L1、第二电感L2和第三电感L3组成降压Buck变换电路，以实现输入接口电能到输出接口电能的降压变换。

所述第二二极管D2、第一电感L1、第二电感L2、第一电容C1和第二电容C2组成Z源变换电路。

如图2c所示，为升压模式：所述第二二极管D2、第一电容C1、第二电容C2、第二全控开关器件Q2、第一电感L1、第二电感L2、第三电感L3和第三二极管D3组成高变比升压Z-Boost变换电路，以实现输入接口电能到输出接口电能的高变比升压变换。

如图2d所示，为保护模式：所述第一全控开关器件Q1、第二全控开关器件Q2和第三全控开关器件S1的断开状态形成保护电路，实现对输入和输出的电路隔离。

如图3所示，一种高变比DC/DC变换电路的控制方法，该方法包括以下步骤：

步骤1）检测输入电压值Uin和输出电压设定值Uout_set；

步骤2）比较输入电压值Uin和输出设定电压值Uout_set的大小，并计算差值绝对Ue；

步骤3）根据步骤2）的比较结果确定电路工作模式，并将Ue的值与设定的电压差Ue_set1或者Ue_set2进行比较后决定电路的工作模式，具体为：如果输入电压Uin大于输出电压Uout_set，且Ue小于设定的电压差Ue_set1,则电路工作在直通模式；反之电路工作在降压Buck电路模式；如果输入电压Uin小于输出电压Uout_set，则电路工作在高变比的升压Z-Boost模式；具体可由下式直观表示：

；

步骤4）根据步骤3）的电路工作状态不同，对第一全控开关器件Q1、第二全控开关器件Q2和第三全控开关器件S1实施不同的控制，具体为：在直通工作状态下第一全控开关器件Q1和第二全控开关器件Q2为断开状态、第三全控开关器件S1为接通状态；在Buck电路工作状态下，第一全控开关器件Q1工作在PWM信号控制状态、第二全控开关器件Q2和第三全控开关器件S1为断开状态；如果工作在Z-Boost工作状态下，第一全控开关器件Q1为接通状态（这里核实下是否是接通状态）、第二全控开关器件Q2工作在PWM信号控制状态、第三全控开关器件S1为断开状态；

步骤5）根据步骤4）确定的第一全控开关器件Q1、第二全控开关器件Q2和第三全控开关器件S1的工作控制方式，实施控制完成电路的变换功能，其中在Buck电路工作状态和Z-Boost工作状态下，根据差值Ue的大小实时调节PWM控制信号的占空比；

步骤6）如果检测到故障发生，通过对第一全控开关器件Q1、第二全控开关器件Q2和第三全控开关器件S1全部断开，变换电路进入隔离保护状态。

此外，需要说明的是，除非特别说明或者指出，否则说明书中的术语“第一”、“第二”、“第三”等描述仅仅用于区分说明书中的各个组件、元素、步骤等，而不是用于表示各个组件、元素、步骤之间的逻辑关系或者顺序关系等。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种高变比DC/DC变换电路，其特征在于，该电路包括输入接口、第一全控开关器件Q1、第二全控开关器件Q2、第三全控开关器件S1、第一电容C1、第二电容C2、第三电容C3、第四电容C4、第一电感L1、第二电感L2、第三电感L3、第一二极管D1、第二二极管D2、第三二极管D3和输出接口，通过控制第一全控开关器件Q1、第二全控开关器件Q2和第三全控开关器件S1的工作状态，实现不同的变换电路工作模式及对应功能；其中，

所述第三全控开关器件S1的公共端与输入接口的正极端、第一全控开关器件Q1和第一电容C1的一个公共连接点相连接，所述第三全控开关器件S1的控制端与第一电感L1、第三电感L3、第三电容C3和第二全控开关器件Q2的一个公共连接点相连接；

所述第一全控开关器件Q1的控制端与第一二极管D1的负极端、第二二极管D2的正极端相连接；

所述第二全控开关器件Q2的控制端与第二电感L2、第二电容C2、输出接口的负极端和第四电容C4的一个公共连接点相连接；

所述第一二极管D1的正极端与输出接口的负极端、第一电容C1、第三电容C3和第二电感L2的另一个公共连接点相连接；

所述第二二极管D2的负极端与第一电感L1、第二电容C2的另一个公共连接点相连接；

所述第一电容C1与输入接口并联，第四电容C4与输出接口并联，所述第三电感L3通过第三二极管D3连接输出接口的正极端，所述输入接口与输出接口的负极端之间连接有第二电感L2。

2.根据权利要求1所述的高变比DC/DC变换电路，其特征在于，所述输入接口的正极端依次电连通第三全控开关器件S1、第三电感L3、第三二极管D3和输出接口的正极端组成直流变换高效直通电路，以实现输入接口电能等效直接连接到输出接口。

3.根据权利要求1所述的高变比DC/DC变换电路，其特征在于，所述第一全控开关器件Q1、第一二极管D1、第二二极管D2、第三二极管D3、第一电感L1、第二电感L2和第三电感L3组成降压Buck变换电路，以实现输入接口电能到输出接口电能的降压变换。

4.根据权利要求1所述的高变比DC/DC变换电路，其特征在于，所述第二二极管D2、第一电感L1、第二电感L2、第一电容C1和第二电容C2组成Z源变换电路。

5.根据权利要求1所述的高变比DC/DC变换电路，其特征在于，所述第二二极管D2、第一电容C1、第二电容C2、第二全控开关器件Q2、第一电感L1、第二电感L2、第三电感L3和第三二极管D3组成高变比升压Z-Boost变换电路，以实现输入接口电能到输出接口电能的高变比升压变换。

6.根据权利要求1所述的高变比DC/DC变换电路，其特征在于，所述第一全控开关器件Q1、第二全控开关器件Q2和第三全控开关器件S1的断开状态形成保护电路，实现对输入和输出的电路隔离。

7.一种高变比DC/DC变换电路的控制方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：

步骤1）检测输入电压值Uin和输出电压设定值Uout_set；

步骤2）比较输入电压值Uin和输出设定电压值Uout_set的大小，并计算差值绝对Ue；

步骤3）根据步骤2）的比较结果确定电路工作模式，并将Ue的值与设定的电压差Ue_set1或者Ue_set2进行比较后决定电路的工作模式，具体为：如果输入电压Uin大于输出电压Uout_set，且Ue小于设定的电压差Ue_set1,则电路工作在直通模式；反之电路工作在降压Buck电路模式；如果输入电压Uin小于输出电压Uout_set，则电路工作在高变比的升压Z-Boost模式；

步骤4）根据步骤3）的电路工作状态不同，对第一全控开关器件Q1、第二全控开关器件Q2和第三全控开关器件S1实施不同的控制，具体为：在直通工作状态下第一全控开关器件Q1和第二全控开关器件Q2为断开状态、第三全控开关器件S1为接通状态；在Buck电路工作状态下，第一全控开关器件Q1工作在PWM信号控制状态、第二全控开关器件Q2和第三全控开关器件S1为断开状态；如果工作在Z-Boost工作状态下，第一全控开关器件Q1为接通状态、第二全控开关器件Q2工作在PWM信号控制状态、第三全控开关器件S1为断开状态；

步骤5）根据步骤4）确定的第一全控开关器件Q1、第二全控开关器件Q2和第三全控开关器件S1的工作控制方式，实施控制完成电路的变换功能，其中在Buck电路工作状态和Z-Boost工作状态下，根据差值Ue的大小实时调节PWM控制信号的占空比；

步骤6）如果检测到故障发生，通过对第一全控开关器件Q1、第二全控开关器件Q2和第三全控开关器件S1全部断开，变换电路进入隔离保护状态。

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