CN111371311A - 一种电容传递能量的电流转换电路 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种电容传递能量的电流转换电路，包括电子开关、储能及能量转换电容、续流电感和续流二极管；电子开关的第一端、第二端用以接收输入电流，第三端接收脉冲宽度控制信号；储能及能量转换电容的第一端耦接于电子开关的第一端，第二端耦接于续流电感的第一端；续流二极管的正极耦接于储能及能量转换电容与续流电感之间，负极耦接于电子开关的第二端；续流电感的第二端作为负极输出端以及电子开关的第二端作为正极输出端，用以提供输出电流；通过控制电子开关在单个开关周期内的通断时间比调节输出电流与输入电流的比值；本发明简化了电路结构，降低输出电流纹波，扩大输出电流动态范围；电路本身元器件少、简单实用、便于推广应用。

Description

一种电容传递能量的电流转换电路
技术领域
本发明属于电力电子技术领域，更具体地，涉及一种电容传递能量的电流转换电路。
背景技术
现有的直流供电系统通常采用恒压供电方式，随着科学技术的发展和新型供电技术领域的拓展，特别是在未来水下信息系统和网络中，恒流供电制式将显示其独特的优势。
在恒流供电系统中，通常需要将一种恒流转换为另一种恒流的技术以及相应的转换电路，现有适用于恒流供电制式的变换器多采用电感作为储能与能量转换介质；专利申请号为201810321360.X，名称为《一种升流型直流电流/电流变换电路》公开了一种基于电感的适用于恒流供电制式的在输入端与输出端进行能量传递与转换的电流变换电路，该电路输出电流大于等于输入电流，其输出电流调节范围受限；专利号为201810320206.0，专利名称为《一种宽输出动态范围的直流电流/电流变换电路》提出了一种适用于恒流供电制式的依靠电感在输入端与输出端进行能量传递与转换的电流变换电路，其电路结构如图1所示；该电流/电流变换电路工作时的能量传递过程为：恒流源先将能量传递至接入电容Ci，电容Ci再将能量传递至储能及转换电感L，储能及转换电感L将能量最后传递至输出储能及滤波电容Co和负载RL；为了减小输出电流纹波，需要电容Co并联负载RL以进行滤波。此电路在实现电流转换的过程中存在能量转换次数多，导致能量损耗大，以及电路结构不够简单的缺陷。
为简化电路结构，降低输出电流纹波，扩大输出电流动态范围，有必要研究、设计一种新型的电流转换电路，本发明正是基于这种背景开展的。
发明内容
针对现有技术的至少一个缺陷或改进需求，本发明提供了一种电容传递能量的电流转换电路，将储能及能量转换电容放置于恒流源与续流电感之间，控制储能及能量转换电容在电子开关的一个开关周期内进行充电状态与放电状态的切换，使其在恒流源与续流电感、负载之间传递能量；续流电感主要发挥续流作用，在储能及能量转换电容充电期间为负载提供电能；同时具有滤波作用，保证负载电流的稳定性与连续性。
为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提供了一种电容传递能量的电流转换电路，其包括电子开关、储能及能量转换电容、续流电感和续流二极管：
所述电子开关的第一端、第二端用以接收输入电流，第三端接收脉冲宽度控制信号；所述储能及能量转换电容的第一端耦接于电子开关的第一端，第二端耦接于续流电感的第一端；所述续流二极管的正极耦接于储能及能量转换电容与续流电感之间，负极耦接于电子开关的第二端；所述续流电感的第二端作为负极输出端以及电子开关的第二端作为正极输出端，用以提供输出电流。
优选的，上述电流转换电路，所述输入电流为恒流源的输出电流，电子开关的第一端用以连接所述恒流源的正极，第二端用以连接恒流源的负极。
优选的，上述电流转换电路，所述电子开关的第三端用于接收脉冲宽度控制信号，基于具有不同占空比的所述脉冲宽度控制信号来控制电子开关在单个开关周期内的通断时间比。
本发明的电容传递能量的电流转换电路具有下述特点：电子开关导通时储能及能量转换电容向负载、续流电感释放能量，续流电感进行储能，流过电子开关的电流为恒流源提供的输入电流与储能及能量转换电容的放电电流之和，续流二极管两端电压为储能及能量转换电容两端电压；
电子开关截止时恒流源对储能及能量转换电容充电进行储存能量，续流电感向负载释放能量，进行续流，此时续流二极管导通，流过续流二极管的电流为恒流源提供的输入电流与负载电流之和，电子开关第一端与第二端之间的电压为储能及能量转换电容两端电压。
在整个开关周期中储能及能量转换电容在恒流源与负载之间进行能量传递，续流电感除具有能量存储与转换的功能外，同时具有滤波作用，保证输出电流的稳定与连续。通过调节电子开关控制信号的占空比大小可以调节输出电流的大小，理论上可以实现输出电流与输入电流之比为任意值。
优选的，上述电流转换电路，所述输出电流与输入电流的比值为：
Figure BDA0002460535560000031
式中：IO表示输出电流；Iin为表示输入电流；D表示脉冲信号的占空比。
优选的，上述电流转换电路还包括脉冲调制电路；所述脉冲调制电路的输出端耦接于电子开关的第三端，用以输出具有不同占空比的PWM信号。
优选的，上述电流转换电路还包括采样电路；所述采样电路的输入端耦接于所述正极输出端以及负极输出端，用以采集对应于所述输出电流的输出电压；采样电路的输出端耦接于脉冲调制电路的电压输入端，将所述输出电压作为用于调整占空比的比较电压反馈给脉冲调制电路。
优选的，上述电流转换电路，所述电子开关选自双极型晶体管、场效应管、IGBT中的任意一种。
总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，能够取得下列有益效果：
(1)本发明提供的电流转换电路，将储能及能量转换电容放置于恒流源与续流电感之间，恒流源将能量传递至储能及能量转换电容，电容再将能量直接传递至续流电感与负载，控制储能及能量转换电容在电子开关的一个开关周期内进行充电状态与放电状态的切换，使其在恒流源与续流电感、负载之间传递能量；能量传递过程更简洁，有利于降低能量损耗；续流电感主要发挥续流作用，在储能及能量转换电容充电期间为负载提供电能，同时兼有滤波作用，保证负载电流的稳定性与连续性；本发明简化了适用于恒流供电制式电流/电流变换电路结构，降低输出电流纹波，扩大输出电流动态范围。
(2)本发明提供的电流转换电路，通过调节电子开关控制脉冲占空比的大小调节输出电流大小，理论上可以实现输出电流与输入电流的比值为任意值；具有输出电流动态范围大、纹波低的特点，电路本身元器件少、简单实用、稳定可靠、便于推广应用。
附图说明
图1是现有技术中的直流电流/电流变换电路的结构示意图；
图2是本发明实施例提供的电流转换电路的结构示意图；
图3是本发明实施例提供的电流转换电路的主要参数波形图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
图2是本实施例提供的电流转换电路的结构示意图，参见图2所示，该电路包括电子开关M、储能及能量转换电容C、续流二极管Z和续流电感L；
其中，所述电子开关M的第一端、第二端用以接收输入电流，第三端接收脉冲宽度控制信号；所述储能及能量转换电容C的第一端耦接于电子开关M的第一端，第二端耦接于续流电感L的第一端；所述续流二极管Z的正极耦接于储能及能量转换电容C与续流电感L之间，负极耦接于电子开关M的第二端；所述续流电感L的第二端作为负极输出端以及电子开关M的第二端作为正极输出端，用以提供输出电流。
当电子开关M导通时，续流二极管Z截止，储能及能量转换电容C、电子开关M、续流电感L构成放电通路，此时，储能及能量转换电容C向续流电感L和外部负载RL释放电能，续流电感L存储能量；当电子开关M截止时，续流二极管Z导通，储能及能量转换电容C接收恒流源提供的输入电流进行充电，续流电感L、续流二极管Z构成放电通路，由续流电感L释放其在电子开关M导通时储存的电能，向外部负载RL放电以形成输出电流；调节电子开关M接收的PWM信号占空比，从而控制电子开关M的通断时间比，进而调节输出电流与恒流源提供的输入电流的比值，理论上可以实现输出电流与输入电流的比值为任意值。
电子开关M选用双极型晶体管、场效应管、IGBT中的任意一种，本发明不作具体限制。
本发明将巧妙的将储能及能量转换电容放置于恒流源与续流电感之间，控制储能及能量转换电容在电子开关的一个开关周期内进行充电状态与放电状态的切换，使其在恒流源与续流电感、负载之间传递能量；续流电感是储能及能量转换电感，其主要发挥续流作用，在储能及能量转换电容充电期间为负载提供电能；同时具有滤波作用，保证负载电流的稳定性与连续性。
作为本实施例的一个具体示例，上述电流转换电路还包括脉冲宽度调制电路PWM，该脉冲宽度调制电路PWM的输出端与电子开关M的控制端与相连，用于输出具有一定占空比的PWM脉冲信号；占空比的具体值由实际所需的输出电流大小来决定。
储能及能量转换电容C是本电路的核心器件，具有储能作用和能量转换功能；图3是本实施例提供的电流转换电路的主要参数波形图，参见图2、3，电路具体工作过程如下：
(1)导通模态
电子开关M导通，恒流源被短路，储能及能量转换电容C向负载及续流电感L释放能量，储能及能量转换电容C的电压使得续流二极管Z截止，续流电感L储存能量，流过电子开关M的电流为恒流源输出电流Iin与储能及能量转换电容C放电电流(即流过负载的电流IO)之和，续流二极管Z承受电压值为储能及能量转换电容C的电压值VC。此过程中，储能及能量转换电容C放电电流等于负载电流IO，其电容电压VC线性下降，续流电感L两端承受电压值VL为储能及能量转换电容C电压值VC与负载电压值VO之差，其电感电流IL线性上升。
(2)截止模态
电子开关M截止，续流二极管Z导通，恒流源对储能及能量转换电容C进行充电储能，续流电感L向负载释放能量，流过续流二极管Z的电流为恒流源输出电流Iin与负载电流IO之和，电子开关M承受电压值为储能及能量转换电容C的电压值VC。此过程中，储能及能量转换电容C的充电电流等于恒流源输出电流Iin，其电容电压VC线性上升，续流电感L两端承受电压为负载电压VO的负值，其电感电流IL线性下降。
根据两种模态下储能及能量转换电容C的电压变化量相等，续流电感L的电流变化量相等，可得出本发明变换电路的输出电流与恒流源的输入电流之间的关系式如下：
Figure BDA0002460535560000061
式中：IO表示本发明变换电路的输出电流值；Iin表示恒流源的输入电流值；D表示电子开关M接收的PWM信号的占空比。
由式(1)可知，调节电子开关M控制信号的占空比就可以改变输出电流IO的大小，理论上可以实现输出电流与输入电流之间的比值为任意值。
另外可得本发明变换电路储能及能量转换电容C的电压VC与输出电压VO的关系式如下：
Figure BDA0002460535560000062
式中：VO表示本发明变换电路的输出电压值；VC表示储能及能量转换电容C的电压值。
作为本实施例的一个优选示例，上述电流转换电路还包括采样电路，该采样电路用以在输出端取样电压值并反馈至脉冲调制电路PWM的误差电压输入端；脉冲调制电路PWM通过调整占空比来调节输出电流IO，并间接调整输出电压VO使之稳定在某一值，从而实现电流/电压转换。
本实施例中，脉冲宽度调制电路PWM根据基准电压Vref和比较电压Vf的相对值输出占空比为D的脉冲信号，其中Vref是基准电压，Vf是比较电压，在输出端取样电压值VO反馈至脉冲宽度调制电路PWM的误差电压输入端(作为比较电压Vf)，通过调整占空比调节输出电流IO并间接调整输出电压VO使之稳定在某一值。
相比于现有的电感型电流变换电路，本发明提供的一种电容传递能量的电流转换电路，通过电容的充放电将恒流源能量传递给负载，为恒流供电制式电流变换器提供一种新型技术方案，同时通过调节电子开关控制脉冲占空比的大小调节输出电流大小，理论上可以实现输出电流与输入电流的比值为任意值。具有输出电流动态范围大、纹波低的特点，且电路本身元器件少、简单实用、稳定可靠、便于推广应用。
本领域的技术人员容易理解，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)

1.一种电容传递能量的电流转换电路，其特征在于，包括电子开关、储能及能量转换电容、续流电感和续流二极管；
所述电子开关的第一端、第二端用以接收输入电流；所述储能及能量转换电容的第一端耦接于电子开关的第一端，第二端耦接于续流电感的第一端；所述续流二极管的正极耦接于储能及能量转换电容与续流电感之间，负极耦接于电子开关的第二端；所述续流电感的第二端作为负极输出端以及电子开关的第二端作为正极输出端，用以提供输出电流；
电子开关导通时，续流二极管截止，储能及能量转换电容向续流电感放电并形成输出电流；电子开关截止时，续流二极管导通，储能及能量转换电容接收所述输入电流进行充电，续流电感释放其在电子开关导通时储存的电能以形成输出电流；通过控制电子开关在单个开关周期内的通断时间比来调节输出电流与输入电流的比值。
2.如权利要求1所述的电流转换电路，其特征在于，所述电子开关的第三端用于接收脉冲宽度控制信号，基于所述脉冲宽度控制信号来调节电子开关在单个开关周期内的通断时间比。
3.如权利要求1所述的电流转换电路，其特征在于，所述输入电流为恒流源的输出电流，电子开关的第一端用以连接所述恒流源的正极，第二端用以连接恒流源的负极。
4.如权利要求2所述的电流转换电路，其特征在于，还包括脉冲调制电路；所述脉冲调制电路的输出端耦接于电子开关的第三端，用以输出具有不同占空比的脉冲宽度控制信号。
5.如权利要求4所述的电流转换电路，其特征在于，所述输出电流与输入电流的比值为：
Figure FDA0002460535550000021
式中：IO表示输出电流；Iin为表示输入电流；D表示脉冲宽度控制信号的占空比。
6.如权利要求4所述的电流转换电路，其特征在于，还包括采样电路；所述采样电路的输入端耦接于所述正极输出端以及负极输出端，用以采集对应于所述输出电流的输出电压；采样电路的输出端耦接于脉冲调制电路的电压输入端，将所述输出电压作为用于调整占空比的比较电压反馈给脉冲调制电路。
7.如权利要求1所述的电流转换电路，其特征在于，所述电子开关选自双极型晶体管、场效应管、IGBT中的任意一种。
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