CN111245249B - 一种开关电源及其控制方法 - Google Patents

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Abstract

本申请公开了一种开关电源及其控制方法，以扩宽开关电源的输出电压范围。该开关电源包括级联在开关电源输入端口与输出端口之间的多输出DC/DC变换电路、电压切换电路和Boost电路；该多输出DC/DC变换电路用于将一路开关电源输入电压变换为多路大小不等的输出电压；该电压切换电路用于选择所述多输出DC/DC变换电路的其中一路输出电压进行输出；预先将开关电源的输出电压范围划分为多个等级，当前时刻下需要输出的开关电源电压的等级越高，所述电压切换电路选择输出的电压越高；该Boost电路用于对所述电压切换电路的输出电压进行升压变换，得到当前时刻下需要输出的开关电源电压。

Description

一种开关电源及其控制方法
技术领域
本发明涉及电力电子技术领域，更具体地说，涉及一种开关电源及其控制方法。
背景技术
开关电源是利用现代电力电子技术，控制开关管开通和关断的时间比率，维持稳定输出电压的一种电源。开关电源以其体积小、重量轻、效率高等显著优点而深受人们的青睐，应用领域越来越广泛。
传统的开关电源的输出电压可调节范围有限，而现在，越来越多的场合需要用到宽输出电压范围的开关电源(即输出电压可宽范围调节的开关电源)。在竞争日益激烈的情况下，改进产品设计、提高产品性能是提高产品竞争力的主要途径，因此如何扩宽开关电源的输出电压范围成为了本领域研究的热点与难点。
发明内容
有鉴于此，本发明提供一种开关电源及其控制方法，以扩宽开关电源的输出电压范围。
一种开关电源，包括级联在开关电源输入端口与输出端口之间的多输出DC/DC变换电路、电压切换电路和Boost电路，其中：
所述多输出DC/DC变换电路，用于将一路开关电源输入电压变换为N路大小不等的输出电压，N≥2；
所述电压切换电路，用于在控制器的控制下选择所述多输出DC/DC变换电路的其中一路输出电压进行输出；其中，预先将开关电源的输出电压范围划分为多个等级，当前时刻下需要输出的开关电源电压的等级越高，所述电压切换电路选择输出的电压越高；
所述Boost电路，用于对所述电压切换电路的输出电压进行升压变换，得到当前时刻下需要输出的开关电源电压。
可选的，所述多输出DC/DC变换电路的N路输出电压大小分别是V1、V2、…、VN，V1<V2<…<VN，其输出Vi电压的端口称为Vi端口，i＝1、2、…、N；
所述电压切换电路包括N-1个二极管D1～DN-1和N-1个可控开关S2～SN，其中：
二极管Dj的阳极接Vj端口的正极、阴极接所述电压切换电路的输出正极，j＝1、2、…、N-1；
可控开关Sk串联在Vk端口的正极，k＝2、3、…、N；
在要求所述电压切换电路输出V1电压时，断开可控开关S2～SN；在要求所述电压切换电路输出Vk电压时，闭合可控开关Sk，断开可控开关Sk+1～SN。
可选的，所述多输出DC/DC变换电路的N路输出电压分别是V1、V2、…、VN，V1<V2<…<VN，其输出电压为Vi的端口称为Vi端口，i＝1、2、…、N；
所述电压切换电路由N个可控开关S1～SN组成，可控开关Si连接在Vk端口的正极与所述电压切换电路的输出正极之间；
在要求电压切换电路200输出Vi电压时，闭合可控开关Si，断开其余N-1个可控开关。
可选的，所述开关电源还包括：连接在所述电压切换电路与所述Boost电路之间的RC缓冲电路，用于限制所述电压切换电路输出电压的变化率。
可选的，所述多输出DC/DC变换电路为反激式拓扑结构或者正激式拓扑结构。
可选的，所述开关电源作为防潜在电势诱导衰减PID电源使用。
可选的，所述防潜在电势诱导衰减PID电源与一电阻串联后接在光伏组件的负极与地之间。
可选的，所述防潜在电势诱导衰减PID电源还包括：设置在所述Boost电路输出端的反并联二极管。
可选的，所述开关电源还包括：连接在开关电源输入端口与所述多输出DC/DC变换电路之间的整流电路。
一种开关电源控制方法，所述开关电源包括级联在开关电源输入端口与输出端口之间的多输出DC/DC变换电路、电压切换电路和Boost电路，其中，所述多输出DC/DC变换电路，用于将一路开关电源输入电压变换为N路大小不等的输出电压，N≥2；所述电压切换电路，用于在控制器的控制下选择所述多输出DC/DC变换电路的其中一路输出电压进行输出；所述Boost电路，用于对所述电压切换电路的输出电压进行升压变换，得到当前时刻下需要输出的开关电源电压；
所述控制方法应用于所述控制器，所述控制方法包括：
确定当前时刻下需要输出的开关电源电压；
判断当前时刻下需要输出的开关电源电压的等级；其中，预先将开关电源的输出电压范围划分为多个等级；
根据当前时刻下需要输出的开关电源电压的等级的高低，控制所述电压切换电路选择输出的电压的高低，其中，当前时刻下需要输出的开关电源电压的等级越高，所述电压切换电路选择输出的电压越高。
从上述的技术方案可以看出，本发明通过切换输出给Boost电路的电压大小，实现了开关电源输出电压在宽范围内可调。本发明电路结构及控制逻辑简单，成本低，便于推广应用。
上述说明仅是本发明技术方案的概述，为了能够更清楚了解本发明的技术手段，而可依照说明书的内容予以实施，并且为了让本发明的上述和其它目的、特征和优点能够更明显易懂，以下特举本发明的具体实施方式。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述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为本发明实施例公开的一种开关电源结构示意图；
图2为本发明实施例公开的又一种开关电源结构示意图；
图3为本发明实施例公开的一种防PID电源结构示意图；
图4为本发明实施例公开的又一种防PID电源结构示意图；
图5为本发明实施例公开的一种开关电源控制方法流程图。
具体实施方式
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，所描述的实施例仅仅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。
参见图1，本发明实施例公开了一种开关电源，包括级联在开关电源输入端口与输出端口之间的多输出DC/DC变换电路100、电压切换电路200和Boost电路400，各组成部件的拓扑结构及功能描述如下：
1)多输出DC/DC变换电路100
多输出DC/DC变换电路100用于将一路开关电源输入电压变换为N路大小不等的输出电压；这N路输出电压大小固定，分别是V1、V2、…、VN，V1<V2<…<VN，N≥2，图1仅以N＝3作为示例。多输出DC/DC变换电路100输出Vi电压的端口称为Vi端口，i＝1、2、…、N。
其中，多输出DC/DC变换电路100具体可采用反激式拓扑结构或者正激式拓扑结构实现，并不局限，图1仅以采用反激式拓扑结构实现作为示例。
2)电压切换电路200
电压切换电路200用于在控制器的控制下选择多输出DC/DC变换电路100的其中一路输出电压进行输出。
具体的，电压切换电路200可采用如图1中示出的拓扑结构，包括N-1个二极管D1～DN-1和N-1个可控开关S2～SN，其中：
二极管Dj的阳极接Vj端口的正极、阴极接电压切换电路200的输出正极，j＝1、2、…、N-1；
可控开关Sk串联在Vk端口的正极，k＝2、3、…、N；
在要求电压切换电路200输出V1电压时，断开可控开关S2～SN；在要求电压切换电路200输出Vk电压时，闭合可控开关Sk，断开可控开关Sk+1～SN，S2～Sk-1断开或闭合均可；各可控开关的控制端连接到所述控制器。
以N＝3为例，参见图1，当要求电压切换电路200输出V3电压时，可以闭合S3、断开S2，此时V2端口由于自身输出正极上串联的S2断开所以无法输出电压，V1端口由于D1反向截止所以也无法输出电压，只有V3端口有电压输出。或者，当要求电压切换电路200输出V3电压时，也可以闭合S3和S2，此时V2端口由于D2反向截止所以无法输出电压，V1端口由于D1反向截止所以也无法输出电压，只有V3端口有电压输出。
可见，电压切换电路200采用如图1中示出的拓扑结构时，利用二极管的反向截止特性，当要求电压切换电路200输出Vk电压时，只需要控制可控开关Sk～SN动作，而没有必要控制可控开关S2～Sk-1动作，k＝2、3、…、N。
或者，电压切换电路200的上述拓扑结构也可以修改为：省去二极管D1～DN-1，并将D1替换为一个可控开关S1，如图2所示，此时在要求电压切换电路200输出Vi电压时，闭合可控开关Si，断开其余N-1个可控开关。
在上述公开的任一种电压切换电路200拓扑结构中，可控开关可采用继电器，但并不局限。
3)Boost电路400
Boost电路400用于对电压切换电路200的输出电压进行升压变换，得到当前时刻下需要输出的开关电源电压。
具体的，当要求开关电源输出电压为V1～V2范围内的某一值时，所述控制器控制电压切换电路200输出V1电压，V1电压向Boost电路400供电，由Boost电路400将V1电压升压至该值，从而实现开关电源输出电压在V1～V2范围内可调；
当要求开关电源输出电压为V2～V3范围内的某一值时，所述控制器控制电压切换电路200输出V2电压，V2电压向Boost电路400供电，由Boost电路400将V2电压升压至该值，从而实现开关电源输出电压在V2～V3范围内可调；
……；
以此类推，当要求开关电源输出电压为VN-1～VN范围内的某一值时，所述控制器控制电压切换电路200输出VN-1电压，VN-1电压向Boost电路400供电，由Boost电路400将VN-1电压升压至该值，从而实现开关电源输出电压在VN-1～VN范围内可调；
当要求开关电源输出电压为大于VN的某一值(例如为V0)时，所述控制器控制电压切换电路200输出VN电压，VN电压向Boost电路400供电，由Boost电路400将VN电压升压至V0，从而实现开关电源输出电压在大于VN的范围内可调；
综上，本发明实施例预先将开关电源的输出电压范围划分为多个等级，当前时刻下需要输出的开关电源电压的等级越高，电压切换电路200要选择输出的电压越高。本发明实施例通过切换输出给Boost电路400的电压大小，最终实现了开关电源输出电压在V1～V0这一宽范围内可调。
可选的，仍参见图1或图2，上述开关电源还包括：连接在电压切换电路200与Boost电路400之间的RC缓冲电路300，RC缓冲电路300用于限制电压切换电路200输出电压的变化率。
具体的，RC缓冲电路300包括电阻R1和电容C1，在电压切换电路200进行输出电压切换瞬间，RC缓冲电路300利用电容C1两端电压不能跳变的特性来限制电容C1两端电压变化率，进而使Boost电路400输入电压缓慢变化而不至于发生跳变；另外在电压切换电路200进行输出电压切换瞬间，RC缓冲电路300还避免了电容C1冲击电流太大，进而延长了电容C1的使用寿命。
可选的，上述公开的任一种开关电源可作为防PID电源使用。具体描述如下：
PID(potential Induced Degradation，潜在电势诱导衰减)效应，是指光伏组件的带电部分、接地边框或接地外部之间的潜在高电压引发光伏组件工作效率大幅衰减的现象。为了防止光伏组件PID效应，常规的做法是在光伏组件提供一个防PID电源，例如将防PID电源与一个电阻串联后接在光伏组件的负极与地之间。由于电池组件对地阻抗是变化的，对应要求防PID电源输出电压亦随之变化，而光伏系统电压等级越高，对防PID电源输出电压变化范围要求越大。
举个例子，参见图3(图3中的电阻R2表示光伏组件负极PV-对地阻抗，电阻R3表示光伏组件正极PV+对地阻抗)，在一个1500V光伏系统中，可以设置V1＝30V、V2＝200V、N＝2，以实现防PID电源输出电压在30V～1500V之间可调，具体的：当要求防PID电源输出电压介于30V～200V之间时，控制电压切换电路200输出30V电压，向Boost电路400供电，实现开关电源输出电压在30V至200V之间可调；当要求防PID电源输出电压介于200V～1500V之间时，控制电压切换电路200输出200V电压，向Boost电路400供电，实现开关电源输出电压在200V到1500V之间可调。
可选的，当上述公开的任一种开关电源作为防PID电源使用时，所述开关电源还包括：设置在Boost电路400输出端的反并联二极管D0，如图4所示。如果光伏组件输出电压为负压时，反并联二极管D0导通从而将光伏组件输出电压钳位到-0.7V(二极管压降)，能够保护防PID电源不受负压损坏。
可选的，如图1、图2、图3或图4所示，上述公开的任一种开关电源还包括连接在开关电源输入端口与多输出DC/DC变换电路100之间的整流电路，用于将交流电压(通常为220VAC)转换为直流电压。所述整流电路可以采用全桥整流电路，但并不局限。
可选的，仍参见图1、图2、图3或图4，上述公开的任一种开关电源还包括并联在所述整流电路输出端的压敏电阻R4，用于实现过压保护。
与上述产品实施例相对应的，本发明实施例还公开了一种开关电源控制方法，以扩宽开关电源的输出电压范围，该开关电源控制方法适用于如下所述开关电源：
所述开关电源包括级联在开关电源输入端口与输出端口之间的多输出DC/DC变换电路、电压切换电路和Boost电路，其中，所述多输出DC/DC变换电路，用于将一路开关电源输入电压变换为N路大小不等的输出电压，N≥2；所述电压切换电路，用于在控制器的控制下选择所述多输出DC/DC变换电路的其中一路输出电压进行输出；所述Boost电路，用于对所述电压切换电路的输出电压进行升压变换，从而得到当前时刻下需要输出的开关电源电压。
所述开关电源控制方法应用于所述控制器，如图5所示，所述开关电源控制方法包括：
步骤S01：确定当前时刻下需要输出的开关电源电压；
步骤S02：判断当前时刻下需要输出的开关电源电压的等级；其中，预先将开关电源的输出电压范围划分为多个等级；
步骤S03：根据当前时刻下需要输出的开关电源电压的等级的高低，确定所述电压切换电路选择输出的电压的高低，其中，当前时刻下需要输出的开关电源电压的等级越高，所述电压切换电路选择输出的电压越高。
可选的，所述开关电源控制方法所适用的开关电源还包括：连接在所述电压切换电路与所述Boost电路之间的RC缓冲电路，用于限制所述电压切换电路输出电压的变化率。
综上所述，本发明通过切换输出给Boost电路的电压大小，实现了开关电源输出电压在宽范围内可调。而且，在切换瞬间本发明还推荐利用RC缓冲电路实现了Boost电路输入电压缓慢变化而不至于发生跳变。
本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。对于实施例公开的方法而言，由于其与实施例公开的开关电源产品相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见开关电源产品部分说明即可。
专业人员还可以进一步意识到，结合本文中所公开的实施例描述的各示例的单元及算法步骤，能够以电子硬件、计算机软件或者二者的结合来实现，为了清楚地说明硬件和软件的可互换性，在上述说明中已经按照功能一般性地描述了各示例的组成及步骤。这些功能究竟以硬件还是软件方式来执行，取决于技术方案的特定应用和设计约束条件。专业技术人员可以对每个特定的应用来使用不同方法来实现所描述的功能，但是这种实现不应认为超出本发明的范围。
本领域普通技术人员可以理解实现上述实施例方法中的全部或部分流程，是可以通过计算机程序来指令相关的硬件来完成，所述的程序可存储于计算机可读取存储介质中，该程序在执行时，可包括如上述各方法的实施例的流程。其中，所述的存储介质可为磁碟、光盘、只读存储记忆体(Read-Only Memory，ROM)或者随机存储记忆体(Random AccessMemory，RAM)等等。
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实施例的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明实施例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 (10)

1.一种开关电源，其特征在于，包括级联在开关电源输入端口与输出端口之间的多输出DC/DC变换电路、电压切换电路和Boost电路，其中：
所述多输出DC/DC变换电路，用于将一路开关电源输入电压变换为N路大小不等的输出电压，N≥2；
所述电压切换电路，用于在控制器的控制下选择所述多输出DC/DC变换电路的其中一路输出电压进行输出；其中，预先将开关电源的输出电压范围划分为多个等级，当前时刻下需要输出的开关电源电压的等级越高，所述电压切换电路选择输出的电压越高；
所述Boost电路，用于对所述电压切换电路的输出电压进行升压变换，得到当前时刻下需要输出的开关电源电压。
2.根据权利要求1所述的开关电源，其特征在于，所述多输出DC/DC变换电路的N路输出电压大小分别是V1、V2、…、VN，V1<V2<…<VN，其输出Vi电压的端口称为Vi端口，i＝1、2、…、N；
所述电压切换电路包括N-1个二极管D1～DN-1和N-1个可控开关S2～SN，其中：
二极管Dj的阳极接Vj端口的正极、阴极接所述电压切换电路的输出正极，j＝1、2、…、N-1；
可控开关Sk串联在Vk端口的正极与所述电压切换电路的输出正极之间，k＝2、3、…、N；
在要求所述电压切换电路输出V1电压时，断开可控开关S2～SN；在要求所述电压切换电路输出Vk电压时，闭合可控开关Sk，断开可控开关Sk+1～SN。
3.根据权利要求1所述的开关电源，其特征在于，所述多输出DC/DC变换电路的N路输出电压分别是V1、V2、…、VN，V1<V2<…<VN，其输出电压为Vi的端口称为Vi端口，i＝1、2、…、N；
所述电压切换电路由N个可控开关S1～SN组成，可控开关Si连接在Vk端口的正极与所述电压切换电路的输出正极之间；
在要求电压切换电路输出Vi电压时，闭合可控开关Si，断开其余N-1个可控开关。
4.根据权利要求1、2或3所述的开关电源，其特征在于，所开关电源还包括：连接在所述电压切换电路与所述Boost电路之间的RC缓冲电路；
其中，所述RC缓冲电路用于限制所述电压切换电路输出电压的变化率。
5.根据权利要求1所述的开关电源，其特征在于，所述多输出DC/DC变换电路为反激式拓扑结构或者正激式拓扑结构。
6.根据权利要求1所述的开关电源，其特征在于，所述开关电源作为防潜在电势诱导衰减PID电源使用。
7.根据权利要求6所述的开关电源，其特征在于，所述防潜在电势诱导衰减PID电源与一电阻串联后接在光伏组件的负极与地之间。
8.根据权利要求7所述的开关电源，其特征在于，所述防潜在电势诱导衰减PID电源还包括：设置在所述Boost电路输出端的反并联二极管。
9.根据权利要求1所述的开关电源，其特征在于，所述开关电源还包括：连接在开关电源输入端口与所述多输出DC/DC变换电路之间的整流电路。
10.一种开关电源控制方法，其特征在于，所述开关电源包括级联在开关电源输入端口与输出端口之间的多输出DC/DC变换电路、电压切换电路和Boost电路，其中，所述多输出DC/DC变换电路，用于将一路开关电源输入电压变换为N路大小不等的输出电压，N≥2；所述电压切换电路，用于在控制器的控制下选择所述多输出DC/DC变换电路的其中一路输出电压进行输出；所述Boost电路，用于对所述电压切换电路的输出电压进行升压变换，得到当前时刻下需要输出的开关电源电压；
所述控制方法应用于所述控制器，所述控制方法包括：
确定当前时刻下需要输出的开关电源电压；
判断当前时刻下需要输出的开关电源电压的等级；其中，预先将开关电源的输出电压范围划分为多个等级；
根据当前时刻下需要输出的开关电源电压的等级的高低，控制所述电压切换电路选择输出的电压的高低，其中，当前时刻下需要输出的开关电源电压的等级越高，所述电压切换电路选择输出的电压越高。
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