CN112737290A

CN112737290A - 一种高集成非隔离正负压输出多端口变换器电路

Info

Publication number: CN112737290A
Application number: CN202011544423.1A
Authority: CN
Inventors: 张艺; 白昱; 周奕龙; 於静; 张博温; 朱洪雨; 孙骥龙
Original assignee: Shenzhen Aerospace New Power Technology Ltd; Shenzhen Academy of Aerospace Technology
Current assignee: Shenzhen Aerospace New Power Technology Ltd; Shenzhen Academy of Aerospace Technology
Priority date: 2020-12-23
Filing date: 2020-12-23
Publication date: 2021-04-30
Anticipated expiration: 2040-12-23
Also published as: CN112737290B

Abstract

本发明涉及变换器控制领域，特别涉及一种高集成非隔离正负压输出多端口变换器电路。该电路包括输出负压的第一端口电路，输出正负压的第二端口电路、第三端口电路，第一端口电路包括端口U ₁，开关管S ₁、开关管S ₂、电感L ₁、电容C ₁、电容C ₀，第二端口电路包括端口U ₂、电感L ₂、电容C ₂，端口U ₁分别连接电感L ₁、电容C ₁，电感L ₁的另一端分别连接开关管S ₁、电容C ₀，电容C ₀的另一端分别连接开关管S ₂、电感L ₂，电感L ₂的另一端分别连接电容C ₂、端口U ₂，电容C ₁、电容C ₂、开关管S ₁、开关管S ₂的另一端分别接地，第三端口电路并联在电容C ₀的两端。对比于传统产生正负压输出的隔离实现形式，或两个拓扑实现正压和负压输出，该变换器具有明显的高度集成特性。

Description

一种高集成非隔离正负压输出多端口变换器电路

技术领域

本发明涉及变换器控制领域，特别涉及一种高集成非隔离正负压输出多端口变换器电路。

背景技术

多数高精密运放需要正负供电，以往的正负供电往往采用隔离模块电源/变换器或者两个正压和负压芯片/电路实现，隔离模块电源/变换器方案变压器会增加体积和损耗，两个正压和负压芯片/电路实现方式需要独立的外部参数。

发明内容

本发明提供一种高集成非隔离正负压输出多端口变换器电路，旨在实现一个变换器根据需求输出多个正负压。

本发明提供一种高集成非隔离正负压输出多端口变换器电路，包括输出负压的第一端口电路，输出正负压的第二端口电路、第三端口电路，所述第一端口电路包括端口U₁，开关管S₁、开关管S₂、电感L₁、电容C₁、电容C₀，所述第二端口电路包括端口U₂、电感L₂、电容C₂，所述端口U₁分别连接电感L₁、电容C₁，所述电感L₁的另一端分别连接开关管S₁、电容C₀，所述电容C₀的另一端分别连接开关管S₂、电感L₂，所述电感L₂的另一端分别连接电容C₂、端口U₂，所述电容C₁、电容C₂、开关管S₁、开关管S₂的另一端分别接地，所述第三端口电路并联在电容C₀的两端。

作为本发明的进一步改进，该电路还包括多个第三端口电路，所述多个第三端口电路均并联在电容C₀的两端。

作为本发明的进一步改进，所述第三端口电路包括端口U₃、开关管S₃、开关管S₄、电感L₃、电容C₃，所述端口U₃分别连接电感L₃、电容C₃，所述电感L₃的另一端分别连接开关管S₃、开关管S₄，所述开关管S₃、开关管S₄的另一端分别连接在电容C₀的两端，所述电容C₃的另一端接地。

作为本发明的进一步改进，所述第一端口电路中的开关管S₁、开关管S₂组成第一互补管，所述第三端口电路中的开关管S₃、开关管S₄组成第三互补管，所述第一互补管、第三互补管全部或部分替换为MOSFET管、IGBT管、二极管中的一种或多种。

作为本发明的进一步改进，所述第一互补管、第三互补管均全部替换为MOSFET管后，包括场效应管Q₁、场效应管Q₂、场效应管Q₃、场效应管Q₄、所述场效应管Q₁的漏极分别连接场效应管Q₃的漏极、电感L₁、电容C₀，所述场效应管Q₂的漏极分别连接场效应管Q₄的源极、电容C₀的另一端、电感L₂，所述场效应管Q₃的源极分别连接场效应管Q₄的漏极、电感L₃，所述场效应管Q₁的源极、场效应管Q₂的源极分别接地。

作为本发明的进一步改进，所述场效应管Q₂替换为二极管D₁，所述二极管D₁的正极分别连接场效应管Q₄的源极、电容C₀的另一端、电感L₂，所述二极管D₁的负极接地。

作为本发明的进一步改进，所述电感L₁和电感L₂替换为同一磁芯上的绕组L₁和绕组L₂，所述绕组L₁和绕组L₂由电感L₁和电感L₂耦合构成，所述绕组L₁的同名端连接端口U₁、其异名端连接电容C₀，所述绕组L₂的同名端连接端口U₂、其异名端连接电容C₀的另一端。

作为本发明的进一步改进，所述电容C₀替换为阻尼网络电路，所述阻尼网络电路包括电容C₀、电容C_d、电阻R_d，所述电容C_d和电阻R_d串联后并联在电容C₀的两端。

本发明的有益效果是：对相比于传统产生正负压输出的隔离实现形式，或两个拓扑实现正压输出和负压输出，该变换器具有明显的高度集成特性。其该电路易于扩展，扩展的端口也具有可输出正负压的特性；而且可通过同步管，实现部分/任意端口的能量双向流动；通过耦合电感实现“零纹波”。

附图说明

图1是本发明一种高集成非隔离正负压输出多端口变换器电路的基本拓扑图；

图2是本发明中基本拓扑电路的第一变换电路；

图3是本发明中基本拓扑电路的多端口扩展电路；

图4是本发明的基本拓扑电路中开关管全部替换为同步管的电路；

图5是本发明的基本拓扑电路中开关管部分替换为同步管的电路；

图6是本发明的基本拓扑电路中耦合电感形式的电路图；

图7是本发明的基本拓扑电路中变换器的参考方向图；

图8是变换器参考方向图中参考方向为正方向时各个关键器件的电压或电流波形图；

图9是变换器参考方向图中参考方向为负方向时各个关键器件的电压或电流波形图；

图10是本发明的基本拓扑电路中在[t₁,t₂]区间内电路电流流向图；

图11是本发明的基本拓扑电路中在[t₂,t₃]区间内电路电流流向图；

图12是本发明的基本拓扑电路中在[t₃,t₄]区间内电路电流流向图；

图13是本发明的基本拓扑电路中在[t₄,t₅]区间内电路电流流向图。

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。

实施例一：

如图1所示，本发明的一种高集成非隔离正负压输出多端口变换器电路，其基本拓扑图包括输出负压的第一端口电路，输出正负压的第二端口电路、第三端口电路，第一端口电路包括端口U₁，开关管S₁、开关管S₂、电感L₁、电容C₁、电容C₀，第二端口电路包括端口U₂、电感L₂、电容C₂，端口U₁分别连接电感L₁、电容C₁，电感L₁的另一端分别连接开关管S₁、电容C₀，电容C₀的另一端分别连接开关管S₂、电感L₂，电感L₂的另一端分别连接电容C₂、端口U₂，电容C₁、电容C₂、开关管S₁、开关管S₂的另一端分别接地，第三端口电路并联在电容C₀的两端。第三端口电路包括端口U₃、开关管S₃、开关管S₄、电感L₃、电容C₃，端口U₃分别连接电感L₃、电容C₃，电感L₃的另一端分别连接开关管S₃、开关管S₄，开关管S₃、开关管S₄的另一端分别连接在电容C₀的两端，电容C₃的另一端接地。

基本拓扑图为三个端口，一个端口输出负压，另一个输出端口可输出正负压，且正负压可连续变化/调节；该电路由Cuk电路衍生得到，作为一种扩展形式，该基本拓扑中电容C₀可变为包含阻尼网络(C₀、C_d、R_d)的形式，如图2所示，C₀替换为阻尼网络电路，阻尼网络电路包括电容C₀、电容C_d、电阻R_d，电容C_d和电阻R_d串联后并联在电容C₀的两端。

实施例二：

在实施例一的基础上，该基本拓扑可通过电容C₀两侧进行扩展，即多个第三端口电路均并联在电容C₀的两端。如图3所示，可以扩展为四端口等多端口，即增加了第四端口电路，该第四端口电路包括开关管S₅、开关管S₆、电感L₄、电容C₄、端口U₄，端口U₄分别连接电感L₄、电容C₄、电感L₄的另一端分别连接开关管S₅、开关管S₆，电容C₄的另一端接地，开关管S₅和开关管S₆的另一端分别并联在电容C₀的两端，同样的开关管S₅和开关管S₆的另一端也可以替换为并联在阻尼网络电路的两端。扩展的端口不局限于第四端口电路，可以增加第五端口电路、第六端口电路甚至更多，根据需要来增加或减少端口电路数量。扩展的端口具有可以输出正负压的特点，使该变换器具有易于扩展的特性。

实施例三：

在实施例一、二的基础上，第一端口电路中的开关管S₁、开关管S₂组成第一互补管，第三端口电路中的开关管S₃、开关管S₄组成第三互补管，第一互补管、第三互补管全部或部分替换为MOSFET管、IGBT管、二极管中的一种或多种。开关管S_i可采用MOSFET、IGBT或二极管，当开关通过MOSFET实现或者并联二极管的开关实现时，在轻载条件下，可实现部分功率管的软开关，进一步提升效率。

以基本拓扑图为例，若拓扑中开关管S₁和开关管S₂、开关管S₃和开关管S₄等互补管均采用同步管，其实现形式如图4，第一互补管、第三互补管均全部替换为MOSFET管后，包括场效应管Q₁、场效应管Q₂、场效应管Q₃、场效应管Q₄、场效应管Q₁的漏极分别连接场效应管Q₃的漏极、电感L₁、电容C₀，场效应管Q₂的漏极分别连接场效应管Q₄的源极、电容C₀的另一端、电感L₂，场效应管Q₃的源极分别连接场效应管Q₄的源极、电感L₃，场效应管Q₁的源极、场效应管Q₂的漏极分别接地。则可实现任意端口能量双向流动，这说明所提变换器具有可实现部分/任意端口的能量双向流动的特性。

若基本拓扑图中开关管S₁和开关管S₂、开关管S₃和开关管S₄等互补管全部不采用或部分采用同步管，例如图5所示，场效应管Q₂替换为二极管D₁，二极管D₁的正极分别连接场效应管Q₄的源极、电容C₀的另一端、电感L₂，二极管D₁的负极接地。则只有采用同步管的端口可实现端口能量双向流动，其他端口则只能单向流动这说明所提变换器具有可实现部分/任意端口的能量双向流动的特性。

同样的，图4、图5电路中的电容C₀替换为阻尼网络电路，来作为另外的扩展形式。

实施例四：

在实施例一、二、三的基础上，如图6所示，该电路中电感L₁和电感L₂替换为同一磁芯上的绕组L₁和绕组L₂，绕组L₁和绕组L₂由电感L₁和电感L₂耦合构成，绕组L₁的同名端连接端口U₁、其异名端连接电容C₀，绕组L₂的同名端连接端口U₂、其异名端连接电容C₀的另一端。基本拓扑可通过电感L₁和电感L₂的耦合实现U₁端口和U₂端口电流的抵消，原因是两端的电压变化情况一致，及当电感量和磁芯一致时，一个周期内对应产生的磁感应强度一致。进而实现“零纹波”输出，同时减小滤波器的体积。理论上，是可以实现完全的纹波抵消的，但是由于互感的耦合系数不可能等于1，或者说由于漏感的存在，因此实际上的纹波无法实现完全的零纹波。显然，耦合系数越高，电流纹波越小。

对于该高集成非隔离正负压输出多端口变换器电路的端口电压关系为：

假设，①以图7所示的电压、电流方向为参考正方向；②电容、电感均为理想器件；③开关管S_i的占空比为D_i。

则端口电压有关系：

同时有：

从公式(1)可见，端口U₂的输出电压与Cuk电路的端口电压一样，端口U₂端口电压与D₁和D₃有关，可通过调节D₃的值调整其电压输出，当D₃<D₁时，U₃的输出与U₁输入为反相，当D₃>D₂时，U₃的输出与U₁输入为同相，当D₃＝D₁时，U₃的输出理论上为0。

例如U₁输入电压为48V时，输出±5V，则D₂＝5/53＝0.094，D₃＝10/53＝0.189，可使U₂输出-5V，U₃输出﹢5V。

本高集成非隔离正负压输出多端口变换器电路的工作模态分析：

如图4，以三端口变换开关管S₁至S₄为MOSFET为例，更改为场效应管Q₁至场效应管Q₄，则是变换器/电路/拓扑工作原理：

(一)U₃端口输出正压举例：

场效应管Q₁和场效应管Q₃的时序并不影响变换器的输入输出电压变比，在此以场效应管Q₁超前于场效应管Q₃为例，如图8所示，给出了以图7标出的参考方向为正方向的各个关键器件的电压或电流波形。图8中，场效应管Q₃滞后于场效应管Q₁，且D_Q1＜D_Q3，红色框内为放大的纹波波形，t₁到t₅之间为一个开关周期的时间。

(二)U₃端口输出负压举例：

场效应管Q₁和场效应管Q₃的时序并不影响变换器的输入输出电压变比，在此以场效应管Q₁超前与场效应管Q₃为例，如图9所示，给出了以图7标出的参考方向为负方向的各个关键器件的电压或电流波形。图9中，场效应管Q₃滞后于场效应管Q₁，且D_Q1＞D_Q3，红色框内为放大的纹波波形。

以图9(U₃端口输出负压)为例，分析每个模态的电流流向及储能元件的充放电情况。在给出的例子中，电感L₁和电感L₂的电流有小于零的情况(由负载大小决定)，因此用实线“——”表示在此区间内电流方向恒为此方向，横点线“—·”线表示一个区间内先出现的电流情况，用虚线“--”表示此区间内后出现的电流情况，如图10至图13中给出是[t₁,t₅]一个周期时间内的电流方向及变化，需要注意的是，不同区间电流方向改变的时间不同。

[t₁,t₂]区间，场效应管Q₁和场效应管Q₄导通，场效应管Q₂和场效应管Q₃关断。电路情况如图10，电感L₁两端承受电压为U₁，电感L₁电流以U₁/L₁的斜率逐渐增加，电感储能。电感L₂两端承受电压为U₂+U_C0，因为电容C₀两端电压稳态值为U₁-U₂因此U_C0＝U₁-U₂，所以电感L₂电流以U₁/L₂的斜率逐渐增加，电感储能。电感L₃两端承受电压为U₃+U_C0，电感L₃电流以(U₃+U₁-U₂)/L₃的斜率变化，在图9给出的例子中U₃+U₁-U₂＞0，因此电感L₃电流逐渐增加。

[t₂,t₃]区间，场效应管Q₁和场效应管Q₃导通，场效应管Q₂和场效应管Q₄关断。电路情况如图11，由于场效应管Q₁和场效应管Q₂的开关状态没有变化，因此电感L₁和电感L₂电流变化趋势不变。电感L₃由于场效应管Q₄的关断，电感L₃被迫通过场效应管Q₃续流，两端承受电压为U₃，电感L₃电流以U₃/L₃的斜率逐渐减小(当D_Q3＞D_Q1时斜率逐渐增加)。

[t₃,t₄]区间，场效应管Q₂和场效应管Q₃导通，场效应管Q₁和场效应管Q₄关断。电路情况如图12，电感L₁两端承受电压为U₁-U_C0＝U₂，电感L₁电流以U₂/L₁的斜率逐渐减小(U₂为负数)，将电感L₁中的能量转移到电容C₀中。电感L₂两端承受电压为U₂，电感L₂电流以U₂/L₂的斜率逐渐减小。电感L₃两端承受电压为U₃-U_C0，电感L₃电流以(U₃-U₁+U₂)/L₃的斜率逐渐减小。

[t₄,t₅]区间，场效应管Q₂和场效应管Q₄导通，场效应管Q₁和场效应管Q₃关断。电路情况如图13，电感L₁两端承受电压为U₁-U_C0＝U₂，电感L₁电流以U₂/L₁的斜率逐渐减小，将电感L₁中的能量转移到电容C₀中。电感L₂两端承受U₂电压，电容C₂放电，电感电流以U₂/L₂的斜率逐渐减小。电感L₃两端承受U₃电压，电容C₃放电，电感电流以U₃/L₃的斜率逐渐减小。

(三)电感L₁与电感L₂采用耦合电感：

电感L₁与电感L₂采用耦合电感形式的电路如图6所示，耦合电感带来的“零纹波”优势与耦合电感的Cuk电路工作一致。

以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换，都应当视为属于本发明的保护范围。

Claims

1.一种高集成非隔离正负压输出多端口变换器电路，其特征在于，包括输出负压的第一端口电路，输出正负压的第二端口电路、第三端口电路，所述第一端口电路包括端口U ₁，开关管S ₁、开关管S ₂、电感L ₁、电容C ₁、电容C ₀，所述第二端口电路包括端口U ₂、电感L ₂、电容C ₂，所述端口U ₁分别连接电感L ₁、电容C ₁，所述电感L ₁的另一端分别连接开关管S ₁、电容C ₀，所述电容C ₀的另一端分别连接开关管S ₂、电感L ₂，所述电感L ₂的另一端分别连接电容C ₂、端口U ₂，所述电容C ₁、电容C ₂、开关管S ₁、开关管S ₂的另一端分别接地，所述第三端口电路并联在电容C ₀的两端。

2.根据权利要求1所述的高集成非隔离正负压输出多端口变换器电路，其特征在于，包括多个第三端口电路，所述多个第三端口电路均并联在电容C ₀的两端。

3.根据权利要求1所述的高集成非隔离正负压输出多端口变换器电路，其特征在于，所述第三端口电路包括端口U ₃、开关管S ₃、开关管S ₄、电感L ₃、电容C ₃，所述端口U ₃分别连接电感L ₃、电容C ₃，所述电感L ₃的另一端分别连接开关管S ₃、开关管S ₄，所述开关管S ₃、开关管S ₄的另一端分别连接在电容C ₀的两端，所述电容C ₃的另一端接地。

4.根据权利要求3所述的高集成非隔离正负压输出多端口变换器电路，其特征在于，所述第一端口电路中的开关管S ₁、开关管S ₂组成第一互补管，所述第三端口电路中的开关管S ₃、开关管S ₄组成第三互补管，所述第一互补管、第三互补管全部或部分替换为MOSFET管、IGBT管、二极管中的一种或多种。

5.根据权利要求4所述的高集成非隔离正负压输出多端口变换器电路，其特征在于，所述第一互补管、第三互补管均全部替换为MOSFET管后，包括场效应管Q ₁、场效应管Q ₂、场效应管Q ₃、场效应管Q ₄、所述场效应管Q ₁的漏极分别连接场效应管Q ₃的漏极、电感L ₁、电容C₀，所述场效应管Q ₂的漏极分别连接场效应管Q ₄的源极、电容C ₀的另一端、电感L ₂，所述场效应管Q ₃的源极分别连接场效应管Q ₄的漏极、电感L ₃，所述场效应管Q ₁的源极、场效应管Q ₂的源极分别接地。

6.根据权利要求5所述的高集成非隔离正负压输出多端口变换器电路，其特征在于，所述场效应管Q ₂替换为二极管D ₁，所述二极管D ₁的正极分别连接场效应管Q ₄的源极、电容C ₀的另一端、电感L ₂，所述二极管D ₁的负极接地。

7.根据权利要求1所述的高集成非隔离正负压输出多端口变换器电路，其特征在于，所述电感L ₁和电感L ₂替换为同一磁芯上的绕组L ₁和绕组L ₂，所述绕组L ₁和绕组L ₂由电感L ₁和电感L ₂耦合构成，所述绕组L ₁的同名端连接端口U ₁、其异名端连接电容C ₀，所述绕组L ₂的同名端连接端口U ₂、其异名端连接电容C ₀的另一端。

8.根据权利要求1至7任一项所述的高集成非隔离正负压输出多端口变换器电路，其特征在于，所述电容C ₀替换为阻尼网络电路，所述阻尼网络电路包括电容C ₀、电容C _d、电阻R _d，所述电容C _d和电阻R _d串联后并联在电容C ₀的两端。