CN111711360B - 一种续能回馈型高倍降压电路及其控制方法 - Google Patents

一种续能回馈型高倍降压电路及其控制方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种续能回馈型高倍降压电路及其控制方法，该电路包括：依次连接的降压电路以及储能电路；降压电路包括多个，多个降压电路依次级联串充并联回馈。该方法包括：控制降压电路以及储能电路的功率开关导通，依次级联的多个降压电路中的降压电感在直流电源的作用下串联储能，储能电路的储能电容储能；控制降压电路以及储能电路的功率开关断开，依次级联的多个降压电路中的降压电感并联续流，将能量回馈给所述直流电源。本发明的续能回馈型高倍降压电路及其控制方法，不使用中间电容，降压不过于灵敏，而且可以工作在连续电流模式、临界电流模式、断续电流模式。

Description

一种续能回馈型高倍降压电路及其控制方法
技术领域
本发明涉及电力电子变换技术领域，特别涉及一种续能回馈型高倍降压电路及其控制方法。
背景技术
直流降压电路包括两类：(1)电气耦合型，即BUCK DC-DC电路；(2)电气隔离型，即前级DC-AC变换器，中级为高频隔离变压器，后级为AC-DC变换器；前者升压能力有限，当开关频率较高时，不能允许占空比很小，如1～5％，否则影响输出电压质量，并引起较高的开关损耗。后者降能力依赖于隔离变压器的变比。此外还具有非常多的各式各样的复合降压电路，如电压变比为占比平方型(如王涛，巫旺等人于2017年1月在电源学报发表的二次型Buck变换器的分析与设计)、电压变比为占比n方型(如M.G.Ortiz-Lopez等人于2008年在IET Power Electron发表的Modeling and analysis of switch-mode cascadeconverters with a single active switch)，等等，其优点是采用单只功率开关，即可在占比较大情况下，可以实现高倍降压，其不足是降压过于灵敏，而且需要中间电容数量较多。
因此，急需提供一种新型的高倍降压DC-DC变换器。
发明内容
本发明针对上述现有技术中存在的问题，提出一种续能回馈型高倍降压电路及其控制方法，不使用中间电容，降压不过于灵敏，而且可以工作在连续电流模式(CCM)、临界电流模式(CRM)、断续电流模式(DCM)。
为解决上述技术问题，本发明是通过如下技术方案实现的：
本发明提供一种续能回馈型高倍降压电路，其包括：依次连接的降压电路以及储能电路；其中，所述降压电路包括多个，多个所述降压电路依次级联串充并联回馈。
工作原理为：当所述降压电路以及储能电路的功率开关导通，依次级联的多个所述降压电路中的降压电感在直流电源的作用下串联储能，所述储能电路的储能电容储能。当所述降压电路以及储能电路的功率开关断开，依次级联的多个所述降压电路中的降压电感并联续流，将能量回馈给所述直流电源。
较佳地，所述降压电路包括三个，分别为：第一降压电路、第二降压电路以及第三降压电路；
所述第一降压电路、第二降压电路以及第三降压电路依次级联串充并联回馈。
较佳地，所述第一降压电路包括：第一功率开关、第一降压电感、第一二极管以及第二二极管；其中，
所述第一功率开关的漏极与直流电源的正极相连，所述第一功率开关的源极与所述第一降压电感的一端以及所述第一二极管的阴极相连；
所述第一二极管的阳极与所述直流电源的负极相连；
所述第一降压电感的另一端与所述第二二极管的阳极相连后形成所述第一降压电路的正极；
所述第二二极管的阴极与所述直流电源的正极相连。
进一步地，所述第二降压电路包括：第二功率开关、第二降压电感、第三二极管以及第四二极管；其中，
所述第二功率开关的漏极与所述第一降压电压电路的正极相连，所述第二功率开关的源极与所述第二降压电感的一端以及所述第三二极管的阴极相连；
所述第三二极管的阳极与所述直流电源的负极相连；
所述第二降压电感的另一端与所述第四二极管的阳极相连后形成所述第二降压电路的正极；
所述第四二极管的阴极与所述直流电源的正极相连。
进一步地，所述第三降压电路包括：第三功率开关、第三降压电感、第五二极管以及第六二极管；其中，
所述第三功率开关的漏极与所述第二降压电路的正极相连，所述第三功率开关的源极与所述第三降压电感的一端以及所述第五二极管的阴极相连；
所述第五二极管的阳极与所述直流电源的负极相连；
所述第三降压电感的另一端与所述第六二极管的阳极相连后形成所述第三降压电路的正极；
所述第六二极管的阴极与所述直流电源的正极相连。
较佳地，所述储能电路包括：第四功率开关、储能电容以及负载电阻；其中，
所述第四功率开关的漏极与所述第三降压电路的正极相连；
所述第四功率开关的源极与所述储能电容的一端以及所述负载电阻的一端相连，形成直流输出正极；
所述储能电容的另一端与所述负载电阻的另一端相连后与所述直流电源的负极相连，形成直流输出负极。
本发明还提供一种续能回馈型高倍降压电路的控制方法，用于上述所述的续能回馈型高倍降压电路，其包括以下步骤：
S51：控制所述降压电路以及储能电路的功率开关导通，依次级联的多个所述降压电路中的降压电感在直流电源的作用下串联储能，所述储能电路的储能电容储能；
S52：控制所述降压电路以及储能电路的功率开关断开，依次级联的多个所述降压电路中的降压电感并联续流，将能量回馈给所述直流电源。
相较于现有技术，本发明具有以下优点：
(1)本发明提供的续能回馈型高倍降压电路及其控制方法，降压电路在感值失衡时可实现降压电路的稳定运行，降压不过于灵敏，避免电流突变引起的电压冲击；
(2)本发明提供的续能回馈型高倍降压电路及其控制方法，当降压电路的功率开关断开时，各降压电路的降压电感向直流电源续流，在该过程中，直流电源不参与功能，反而吸收各电感储能，因此储能电容得到高压的机会更低，因此可以支持高倍降压，特别适合高压输入-低压输出且电压变比很低的应用场合；
(3)本发明提供的续能回馈型高倍降压电路及其控制方法，多个降压电路级联连接，扩展容易，便于实现多级级联降压电路；
(4)本发明提供的续能回馈型高倍降压电路及其控制方法，无需使用中间电容，降低电路板体积；
(5)本发明提供的续能回馈型高倍降压电路及其控制方法，可以工作在连续电流模式(CCM)、临界电流模式(CRM)、断续电流模式(DCM)，适用范围广。
当然，实施本发明的任一产品并不一定需要同时达到以上所述的所有优点。
附图说明
下面结合附图对本发明的实施方式作进一步说明：
图1为本发明一实施例的续能回馈型高倍降压电路的电路原理图；
图2为本发明一实施例的续能回馈型高倍降压电路的驱动脉冲信号。
标号说明：1-第一降压电路，2-第二降压电路，3-第三降压电路，4-储能电路。
具体实施方式
下面对本发明的实施例作详细说明，本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。
如图1所示为本发明一实施例的续能回馈型高倍降压电路的电路原理图。
请参考图1，本实施例的续能回馈型高倍降压电路包括：依次连接的降压电路以及储能电路4；其中，降压电路包括多个，多个降压电路依次级联串充并联回馈。
本实施例中，降压电路以三个为例，分别为：第一降压电路1、第二降压电路2以及第三降压电路3。
进一步地，第一降压电路1包括：第一功率开关S1、第一降压电感L1、第一二极管D1以及第二二极管D2。其中，第一功率开关S1的漏极与直流电源Ui的正极DCP1相连，第一功率开关S1的源极与第一降压电感L1的一端以及第一二极管D1的阴极相连。第一二极管D1的阳极与直流电源Ui的负极相连。第一降压电感L1的另一端与第二二极管D2的阳极相连后形成第一降压电路的正极DCP2。第二二极管D2的阴极与直流电源Ui的正极DCP1相连。
进一步地，第二降压电路2包括：第二功率开关S2、第二降压电感L2、第三二极管D3以及第四二极管D4。其中，第二功率开关S2的漏极与第一降压电压电路的正极DCP2相连，第二功率开关S2的源极与第二降压电感L2的一端以及第三二极管D3的阴极相连。第三二极管D3的阳极与直流电源Ui的负极DCN相连。第二降压电感L2的另一端与第四二极管D4的阳极相连后形成第二降压电路的正极DCP3。第四二极管D4的阴极与直流电源Ui的正极DCP1相连。
进一步地，第三降压电路3包括：第三功率开关S3、第三降压电感L3、第五二极管D5以及第六二极管D6。其中，第三功率开关S3的漏极与第二降压电路的正极DCP3相连，第三功率开关S3的源极与第三降压电感L3的一端以及第五二极管D5的阴极相连。第五二极管D5的阳极与直流电源Ui的负极DCN相连。第三降压电感L3的另一端与第六二极管D6的阳极相连后形成第三降压电路的正极DCP4。第六二极管D6的阴极与直流电源Ui的正极DCP1相连。
进一步地，储能电路4包括：第四功率开关S4、储能电容C1以及负载电阻R1。其中，第四功率开关的漏极与所述第三降压电路的正极相连。第四功率开关S4的源极与储能电容C1的一端以及负载电阻R1的一端相连，形成直流输出正极DCP5。储能电容C1的另一端与负载电阻R1的另一端相连后与直流电源Ui的负极DCN相连，形成直流输出负极DCN。
上述续能回馈型高倍降压电路的工作原理为：
(1)当功率开关S1～S3、S4导通时，降压电感的电流上升斜率为diL1/dt＝diL2/dt＝diL3/dt＝(Ui-Uo)/(L1+L1+L3)，所有电感电流上升，但是由于斜率较小，储能较少。在该期间，直流电源Ui向各电感(L1、L2、L3)和储能电容C1供电，储能电路中储能电容C1充电电流与各电感电流中纹波部分相同，同时电容C1向负载电阻R1供电。
(2)当功率开关S1～S3、S4断开时，降压电感的电流下降斜率为diL1/dt＝-Uo/L1，diL2/dt＝-Uo/L2，diL2/dt＝-Uo/L3，各电感通过各自续流路径向直流电源Ui续流，电感电流下降。由于实际中三只电感取值具有不一致性，最大偏差会达到20％，因此此时不宜采用CCM，而采用DCM。因此各电感电流下降至零后，续流结束。该过程中，直流电源不参与供能，反而吸收各电感储能，因此电容C1得到高压的机会更低，因此可以支持高倍降压。
图2(a)为本发明功率开关S1～S3与功率开关S4的驱动脉冲波形示意，适合CCM和DCM。在CCM时，所有降压电感取值需要相同。在DCM时，所有降压电感取值相同时，各电感电流波形如图2(b)所示。
在DCM时，所有降压电感取值不同时，感值最大的电感电流波形如图2(c)所示，感值最小的电感电流波形如图2(d)所示。感值最大的降压电路中功率开关的最大占比为dmax＝NUi/[(N+1)Ui-Uo]，只要功率开关S1～S3与功率开关S4占比小于dmax，就不会进入CCM，确保正常工作。
在CCM和CRM时，Uo/Ui＝1-N(1-d)/d＞0，但是d＞N/(1+N)。
一实施例中，不失一般性，设输入电压400V，输出电压5V，输出功率50W，开关频率为50kHz；
功率开关S1～S4：功率MOSFET，5A(在壳温85℃时)，650V；
功率二极管D1～D5：5A(在壳温85℃时)，600V；
电容C1：220μF，10V；
电阻R1：0.5Ω/10W；
降压电感L1～L3：额定电流5A，额定感值100μH，偏差率在20％以内。
功率二极管D6：可以不采用，开路状态。
上述实施例中，降压电路以三个为例，不同实施例中，降压电路也可以包括两个或三个以上。
在本发明另一实施例中，还提供一种续能回馈型高倍降压电路的控制方法，其包括以下步骤：
S51：控制降压电路以及储能电路的功率开关导通，依次级联的多个降压电路中的降压电感在直流电源的作用下串联储能，储能电路的储能电容储能；
S52：控制降压电路以及储能电路的功率开关断开，依次级联的多个降压电路中的降压电感并联续流，将能量回馈给直流电源。
本发明上述实施例的续能回馈型高倍降压电路及其控制方法，不使用中间电容，降压不过于灵敏，而且可以工作在连续电流模式、临界电流模式、断续电流模式。
此处公开的仅为本发明的优选实施例，本说明书选取并具体描述这些实施例，是为了更好地解释本发明的原理和实际应用，并不是对本发明的限定。任何本领域技术人员在说明书范围内所做的修改和变化，均应落在本发明所保护的范围内。

Claims (3)

1.一种续能回馈型高倍降压电路，其特征在于，包括：依次连接的降压电路以及储能电路；其中，
所述降压电路包括多个，多个所述降压电路依次级联串充并联回馈；
所述降压电路包括三个，分别为：第一降压电路、第二降压电路以及第三降压电路；
所述第一降压电路、第二降压电路以及第三降压电路依次级联串充并联回馈；
所述第一降压电路包括：第一功率开关、第一降压电感、第一二极管以及第二二极管；其中，
所述第一功率开关的漏极与直流电源的正极相连，所述第一功率开关的源极与所述第一降压电感的一端以及所述第一二极管的阴极相连；
所述第一二极管的阳极与所述直流电源的负极相连；
所述第一降压电感的另一端与所述第二二极管的阳极相连后形成所述第一降压电路的正极；
所述第二二极管的阴极与所述直流电源的正极相连；
所述第二降压电路包括：第二功率开关、第二降压电感、第三二极管以及第四二极管；其中，
所述第二功率开关的漏极与所述第一降压电压电路的正极相连，所述第二功率开关的源极与所述第二降压电感的一端以及所述第三二极管的阴极相连；
所述第三二极管的阳极与所述直流电源的负极相连；
所述第二降压电感的另一端与所述第四二极管的阳极相连后形成所述第二降压电路的正极；
所述第四二极管的阴极与所述直流电源的正极相连；
所述第三降压电路包括：第三功率开关、第三降压电感、第五二极管以及第六二极管；其中，
所述第三功率开关的漏极与所述第二降压电路的正极相连，所述第三功率开关的源极与所述第三降压电感的一端以及所述第五二极管的阴极相连；
所述第五二极管的阳极与所述直流电源的负极相连；
所述第三降压电感的另一端与所述第六二极管的阳极相连后形成所述第三降压电路的正极；
所述第六二极管的阴极与所述直流电源的正极相连。
2.根据权利要求1所述的续能回馈型高倍降压电路，其特征在于，所述储能电路包括：第四功率开关、储能电容以及负载电阻；其中，
所述第四功率开关的漏极与所述第三降压电路的正极相连；
所述第四功率开关的源极与所述储能电容的一端以及所述负载电阻的一端相连，形成直流输出正极；
所述储能电容的另一端与所述负载电阻的另一端相连后与所述直流电源的负极相连，形成直流输出负极。
3.一种续能回馈型高倍降压电路的控制方法，其特征在于，用于如权利要求1至2任一项所述的续能回馈型高倍降压电路，所述方法包括：
S51：控制所述降压电路以及储能电路的功率开关导通，依次级联的多个所述降压电路中的降压电感在直流电源的作用下串联储能，所述储能电路的储能电容储能；
S52：控制所述降压电路以及储能电路的功率开关断开，依次级联的多个所述降压电路中的降压电感并联续流，将能量回馈给所述直流电源。
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