CN112737290B - 一种高集成非隔离正负压输出多端口变换器电路 - Google Patents
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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
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,包括输入正压的第一端口电路,输出负压的第二端口电路、输出正负压的第三端口电路,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的一端,所述电感L 1的另一端分别连接开关管S 1、电容C 0的一端,所述电容C 0的另一端分别连接开关管S 2、电感L 2的一端,所述电感L 2的另一端分别连接电容C 2的一端、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。
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C 0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的一端,所述电感L 3的另一端分别连接开关管S 3、开关管S 4的一端,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。
作为本发明的进一步改进,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。
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的另一端、电容C0的一端,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的一端,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的另一端,所述场效应管Q 1的源极、场效应管Q 2的源极分别接地。
作为本发明的进一步改进,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的一端,所述二极管D 1的负极接地。
作为本发明的进一步改进,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的一端,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。
作为本发明的进一步改进,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。
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[t 1 ,t 2]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[t 2 ,t 3]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[t 3 ,t 4]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[t 4 ,t 5]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入正压的第一端口电路,输出负压的第二端口电路、输出正负压的第三端口电路,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的一端,电感L 1的另一端分别连接开关管S 1、电容C 0的一端,电容C 0的另一端分别连接开关管S 2、电感L 2的一端,电感L 2的另一端分别连接电容C 2的一端、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。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,端口U 3分别连接电感L 3、电容C 3的一端,电感L 3 的另一端分别连接开关管S 3、开关管S 4的一端,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,电容C 3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C 0可变为包含阻尼网络(C 0 、C d 、R d )的形式,如图2所示, C 0替换为阻尼网络电路,阻尼网络电路包括电容C 0、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C 0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C 0两侧进行扩展,即多个第三端口电路均并联在电容C 0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S 5、开关管S 6、电感L 4、电容C 4、端口U 4,端口U 4分别连接电感L 4、电容C 4的一端、电感L 4 的另一端分别连接开关管S 5、开关管S 6,电容C 4的另一端接地,开关管S 5和开关管S 6的另一端分别并联在电容C 0的两端,同样的开关管S 5和开关管S 6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S 1、开关管S 2组成第一互补管,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,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S 1和开关管S 2、开关管S 3和开关管S 4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Q 1、场效应管Q 2、场效应管Q 3、场效应管Q 4、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的另一端、电容C 0的一端,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的一端,场效应管Q 3的源极分别连接场效应管Q 4的源极、电感L 3的另一端,场效应管Q 1的源极、场效应管Q 2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S 1和开关管S 2、开关管S 3和开关管S 4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Q 2替换为二极管D 1,二极管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的一端,二极管D 1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C 0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,绕组L 1和绕组L 2由电感L 1和电感L 2耦合构成,绕组L 1的同名端连接端口U 1、其异名端连接电容C 0的一端,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。基本拓扑可通过电感L 1和电感L 2 的耦合实现U 1端口和U 2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U 2的输出电压与Cuk电路的端口电压一样,端口U 2端口电压与D 1和D 3有关,可通过调节D 3的值调整其电压输出,当D 3 <D 1时,U 3的输出与U 1输入为反相,当D 3 > D 1时,U 3的输出与U 1输入为同相,当D 3 =D 1时,U 3的输出理论上为0。
例如U 1输入电压为48V时,输出±5V,则D 2=5/53=0.094,D 3=10/53=0.189,可使U 2输出-5V,U 3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S 1至S 4为MOSFET为例,更改为场效应管Q 1至场效应管Q 4,则是变换器/电路/拓扑工作原理:
(一)U 3端口输出正压举例:
场效应管Q 1和场效应管Q 3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Q 1超前于场效应管Q 3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Q 3滞后于场效应管Q 1,且D Q1<D Q3,红色框内为放大的纹波波形,t 1到t 5之间为一个开关周期的时间。
(二)U 3端口输出负压举例:
场效应管Q 1和场效应管Q 3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Q 1超前与场效应管Q 3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Q 3滞后于场效应管Q 1,且D Q1>D Q3,红色框内为放大的纹波波形。
以图9(U 3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L 1和电感L 2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[t 1 ,t 5]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。
[t 1 ,t 2]区间,场效应管Q 1和场效应管Q 4导通,场效应管Q 2和场效应管Q 3关断。电路情况如图10,电感L 1两端承受电压为U 1,电感L 1电流以U 1/L 1的斜率逐渐增加,电感储能。电感L 2两端承受电压为U 2 +U C0,因为电容C 0两端电压稳态值为U 1-U 2因此U C0 = U 1-U 2,所以电感L 2电流以U 1/L 2的斜率逐渐增加,电感储能。电感L 3两端承受电压为U 3 +U C0,电感L 3电流以(U 3 +U 1-U 2)/L 3的斜率变化,在图9给出的例子中U 3 +U 1-U 2>0,因此电感L 3电流逐渐增加。
[t 2 ,t 3]区间,场效应管Q 1和场效应管Q 3导通,场效应管Q 2和场效应管Q 4关断。电路情况如图11,由于场效应管Q 1和场效应管Q 2的开关状态没有变化,因此电感L 1和电感L 2电流变化趋势不变。电感L 3由于场效应管Q 4的关断,电感L 3被迫通过场效应管Q 3续流,两端承受电压为U 3,电感L 3电流以U 3/L 3的斜率逐渐减小(当D Q3>D Q1时斜率逐渐增加)。
[t 3 ,t 4]区间,场效应管Q 2和场效应管Q 3导通,场效应管Q 1和场效应管Q 4关断。电路情况如图12,电感L 1两端承受电压为U 1 -U C0 =U 2,电感L 1电流以U 2/L 1的斜率逐渐减小(U 2为负数),将电感L1中的能量转移到电容C 0 中。电感L 2两端承受电压为U 2,电感L 2电流以U 2/L 2的斜率逐渐减小。电感L 3两端承受电压为U 3 - U C0 ,电感L 3电流以(U 3 -U 1+U 2 )/L 3的斜率逐渐减小。
[t 4 ,t 5]区间,场效应管Q 2和场效应管Q 4导通,场效应管Q 1和场效应管Q 3关断。电路情况如图13,电感L 1两端承受电压为U 1 -U C0 =U 2,电感L 1电流以U 2/L 1的斜率逐渐减小,将电感L 1中的能量转移到电容C 0中。电感L 2两端承受U 2电压,电容C 2放电,电感电流以U 2/L 2的斜率逐渐减小。电感L 3两端承受U 3电压,电容C 3放电,电感电流以U 3/L 3的斜率逐渐减小。
(三)电感L 1与电感L 2采用耦合电感:
电感L 1与电感L 2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 (6)
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,包括输入正压的第一端口电路,输出负压的第二端口电路、输出正负压的第三端口电路,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的一端,所述电感L 1的另一端分别连接开关管S 1、电容C 0的一端,所述电容C 0的另一端分别连接开关管S 2、电感L 2的一端,所述电感L 2的另一端分别连接电容C 2的一端、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;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;
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的一端,所述电感L 3的另一端分别连接开关管S 3、开关管S 4的一端,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;
假设开关管S i 的占空比为D i ,则端口电压有关系:
其中,D 1为开关管S 1的占空比,D 3为开关管S 3的占空比;
当D 3 <D 1时,U 3 的输出与U 1 输入为反相,当D 3 >D 1时,U 3 的输出与U 1 输入为同相,当D 3 =D 1时,U 3 的输出理论上为0。
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。
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的另一端、电容C 0的一端,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的一端,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的另一端,所述场效应管Q 1的源极、场效应管Q 2的源极分别接地。
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的一端,所述二极管D 1的负极接地。
6.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的一端,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。
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