CN113131742B

CN113131742B - 宽电压输入四管Buck-Boost电路

Info

Publication number: CN113131742B
Application number: CN202110257250.3A
Authority: CN
Inventors: 不公告发明人
Original assignee: Mornsun Guangzhou Science and Technology Ltd
Current assignee: Mornsun Guangzhou Science and Technology Ltd
Priority date: 2021-03-09
Filing date: 2021-03-09
Publication date: 2022-04-15
Anticipated expiration: 2041-03-09
Also published as: CN113131742A

Abstract

本发明专利公开了一种宽电压输入Buck‑Boost电路，包括电容C1、电容C2、电容C3、电容C4、电容C5、开关管Q1、开关管Q2、开关管Q3、开关管Q4、二极管D1、二极管D2、二极管D3、二极管D4、电阻R1、电阻R2、电阻R3、电阻R4、绕组电感N1和绕组电感N2。可适用于宽电压输入范围，且对MOS管耐压要求较高的直流‑直流变换器领域，四个开关管采用串联分压的连接方式，可解决做高压时对开关管耐压选型要求高的问题，同时电路还可解决由于开关管参数不一致导致分压不均匀的问题；当采用四个开关管的工作模式为同开通同关断的工作模式时，仅需一个同步的驱动信号即可，降低了驱动电路的设计难度，且电路拓扑可避免传统拓扑反极性问题。

Description

宽电压输入四管Buck-Boost电路

技术领域

本发明涉及开关电源设计领域，尤其适用于宽电压输入Buck-Boost电路。

背景技术

工业与民用领域中都经常需要将各种电网的交流电整流为直流电，为了让开关电源满足全球电网标准就需要将开关电源的输入电压设计为满足宽范围输入电压要求。

一般情况下，开关管的耐压越高，导通电阻Rds也会相应的增大，会造成开关管温升升高，效率降低，其单体价格也会越高，对于超高压输入的电源产品，比如需要1500VDC输入时，单体开关管耐压(通常最大为1200V)已经满足不了要求，这时只能将多个MOS管进行串联使用，但是串联使用存在的问题是开关管单体性能差异会导致各个开关管分压不均，从而大大降低可靠性，另外如图1所示的传统的单管Buck-Boost电路还存在输入输出电压极性为负的问题，在实际应用中输入侧与输出侧不能共地，尽管如图2的双管Buck-Boost电路可以解决传统单管Buck-Boost电路输出电压反极性的问题，但是双管Buck-Boost变换器的输入侧开关管的应力为输入电压，输出侧开关管的电压应力为输出电压，因此该拓扑对开关管的选型也极为苛刻，不适用于宽电压输入的高压场合。

发明内容

有鉴于此，本发明主要可用于解决高压产品中对开关管耐压选型苛刻的问题，同时可以解决传统Buck-Boost的输出电压反极性问题，具有自动均压功能，且驱动电路简单可靠，易于实现。

为了解决上述技术问题，本发明提供以下技术方案：

第一种技术方案，提供一种宽电压输入Buck-Boost电路，应用于宽电压输入范围下的开关电源，其包括电容C1、电容C2、电容C3、电容C4、开关管Q1、开关管Q2、开关管Q3、开关管Q4、二极管D1、二极管D2、二极管D3、二极管D4、中性线以及由绕组电感N1和绕组电感N2组成的耦合电感；

输入电源的正极连接开关管Q1的漏极，开关管Q1的源极连接二极管D1的阴极和绕组电感N1的同名端；电容C1的第一端连接输入电源的正极，电容C1的第二端连接电容C2 的第一端；电容C2的第一端连接二极管D2的阴极和二极管D1的阳极，电容C2的第二端与输入电源的负极和开关管Q2的源极连接；开关管Q2的漏极连接二极管D2的阳极和绕组电感N2的异名端；绕组电感N1的异名端连接二极管D3的阳极和开关管Q3的漏极，开关管Q3的源极连接开关管Q4的漏极；开关管Q4的源极连接二极管D4的阴极和绕组电感N2 的同名端；二极管D3的阴极连接电容C3的第一端和输出正极端；二极管D4的阳极连接电容C4的第一端和输出负极端，电容C3的第二端与电容C4的第二端相连；中性线将电容C1 的第二端、二极管D1的阳极、开关管Q3的源极以及电容C3的第二端进行连接。

第二种技术方案，提供一种宽电压输入Buck-Boost电路，应用于宽电压输入范围下的开关电源，其包括电容C1、电容C2、电容C3、电容C4、电容C5、开关管Q1、开关管Q2、开关管Q3、开关管Q4、二极管D1、二极管D2、二极管D3、二极管D4、电阻R1、电阻 R2、电阻R3、电阻R4、中性线以及由绕组电感N1和绕组电感N2组成的耦合电感；

输入电源的正极连接电容C1的第一端、电阻R1的第一端和开关管Q1的漏极；电容C1 的第二端连接电容C2的第一端；开关管Q1的源极连接二极管D1的阴极和绕组电感N1的同名端；电容C2的第一端连接电阻R1的第二端、电阻R2的第一端、二极管D2的阴极和二极管D1的阳极，电容C2的第二端连接输入电源的负极、电阻R2的第二端和开关管Q2 的源极；开关管Q2的漏极连接二极管D2的阳极和绕组电感N2的异名端；绕组电感N1的异名端连接二极管D3的阳极和开关管Q3的漏极，开关管Q3的源极连接开关管Q4的漏极；开关管Q4的源极连接二极管D4的阴极和绕组电感N2的同名端；二极管D3的阴极连接电容C3的第一端和电阻R3的第一端；二极管D4的阳极连接电容C4的第一端和电阻R4的第一端，电阻R3的第二端与电阻R4的第二端相连接，电容C3的第二端与电容C4的第二端相连接，电阻R3的第一端连接电容C5的第一端和输出正极端，电阻R4的第一端连接电容 C5的第二端与输出负极端，中性线将电容C1的第二端、电阻R1的第二端、二极管D1的阳极、开关管Q3的源极、电容C3的第二端以及电阻R3的第二端进行连接。

第三种技术方案，提供一种宽电压输入Buck-Boost电路，应用于宽电压输入范围下的开关电源，其包括电容C1、电容C2、电容C3、电容C4、电容C5、开关管Q1、开关管Q2、开关管Q3、开关管Q4、开关管Q5、开关管Q6、开关管Q7、开关管Q8、电阻R1、电阻 R2、电阻R3、电阻R4、中性线以及由绕组电感N1和绕组电感N2组成的耦合电感；

输入电源的正极连接电容C1的第一端、电阻R1的第一端和开关管Q1的漏极；电容C1 的第二端连接电容C2的第一端；开关管Q1的源极连接开关管Q5的漏极和绕组电感N1的同名端；电容C2的第一端电阻R1的第二端、连接电阻R2的第一端、开关管Q5的源极和开关管Q6的漏极，电容C2的第二端连接输入电源的负极、电阻R2的第二端和开关管Q2 的源极；开关管Q2的漏极连接开关管Q6的源极和绕组电感N2的异名端；绕组电感N1的异名端连接开关管Q7的源极和开关管Q3的漏极，开关管Q3的源极连接开关管Q4的漏极；开关管Q4的源极连接开关管Q8的漏极和绕组电感N2的同名端；开关管Q7的漏极连接电容C3的第一端和电阻R3的第一端；开关管Q8的源极连接电容C4的第一端和和电阻R4的第一端，电阻R3的第二端与电阻R4的第二端相连接，电容C3的第二端与电容C4的第二端相连接，电阻R3的第一端连接电容C5的第一端和输出正极端，电阻R4的第一端连接电容C5的第二端与输出负极端；中性线将电容C1的第二端、电阻R1的第二端、开关管Q5 的源极、开关管Q3的源极、电容C3的第二端以及电阻R3的第二端进行连接。

本发明的工作原理后面会结合具体实施例进行详细说明，此处不赘述，与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：

1、本发明电路通过开通开关管给绕组电感进行充电，四个开关管均关闭时，绕组电感通过四个二极管进行续流，此时的输出电压为上正下负，避免出现传统的Buck-Boost变换器下正上负反极性的问题；

2、本发明电路在MOS管关断时，开关管Q1和Q2通过分压各承受一半输入电压的应力，可以解决对高压场合MOS管选型苛刻的问题，同时Q3和Q4开关管承受一半输出电压的应力，可以选用低耐压的开关管，减少成本；

3、本发明电路通过增加的绕组电感和电容解决了由于开关管参数不一致导致分压不均匀的问题，实现了自动均压以及适应于宽电压输入的特征，降低了成本；

4、本发明电路当采用四个开关管同开同关的控制策略时，通过改变占空比的方式来进行升降压，只需要一个多绕组驱动变压器即可，驱动电路稳定简单，可靠性高，易于实现。

附图说明

图1为现有的普通的Buck-Boost电路原理图；

图2为现有的双管Buck-Boost电路原理图；

图3为本发明宽电压输入Buck-Boost电路第一实施例的原理图；

图4为本发明宽电压输入Buck-Boost电路第二实施例的原理图；

图5为本发明宽电压输入Buck-Boost电路第三实施例的原理图。

具体实施方式

第一实施例

图3为第一实施例宽电压输入Buck-Boost电路原理图，其包括电容C1、电容C2、电容C3、电容C4、开关管Q1、开关管Q2、开关管Q3、开关管Q4、二极管D1、二极管D2、二极管D3、二极管D4、耦合电感以及中性线，其中，耦合电感由绕组电感N1和绕组电感N2 组成；

其连接关系如下：

输入电源Vin的正极连接开关管Q1的漏极，开关管Q1的源极连接二极管D1的阴极和耦合电感的绕组电感N1的同名端；电容C1的第一端连接输入电源Vin的正极，电容C1的第二端连接电容C2的第一端；电容C2的第一端连接二极管D2的阴极和二极管D1的阳极，电容C2的第二端与输入电源Vin的负极和开关管Q2的源极连接；开关管Q2的漏极连接二极管D2的阳极和绕组电感N2的异名端；绕组电感N1的异名端连接二极管D3的阳极和开关管Q3的漏极，开关管Q3的源极连接开关管Q4的漏极；开关管Q4的源极连接二极管D4 的阴极和绕组电感N2绕组的同名端；二极管D3的阴极连接电容C3的第一端和输出正极端 VOUT+；二极管D4的阳极连接电容C4的第一端和输出负极端VOUT-，电容C3的第二端与电容C4的第二端相连；中性线将电容C1的第二端、二极管D1的阳极、开关管Q3的源极以及电容C3的第二端进行连接。

本实施例的宽电压输入Buck-Boost电路的工作原理为：

将绕组电感N1和绕组电感N2设置为耦合电感，且匝比为1:1；电容C1和电容C2设置为容值耐压均相等的电容；电容C3和电容C4设置为容值耐压均相等的电容。当开关管Q1、开关管Q2、开关管Q3、开关管Q4开通时，输入电源Vin通过开关管Q1、开关管Q2、开关管Q3、开关管Q4对绕组电感N1和绕组电感N2进行励磁充电，同时电容C3和电容C4对负载进行供电；当开关管Q1、开关管Q2、开关管Q3、开关管Q4关断时，绕组电感N1和绕组电感N2通过二极管D3、二极管D4、二极管D2、二极管D1进行续流放电，同时给电容C3、电容C4和负载进行供电，由于耦合电感中的绕组电感N1和绕组电感N2的匝比为 1:1，故绕组电感N1和绕组电感N2上的电压始终相等，且电容C1、电容C2、电容C3、电容C4采用容值耐压均相等的电容，因此通过绕组电感N1、绕组电感N2和电容C1、C2、C3、 C4可以实现开关管Q1、开关管Q2、开关管Q3、开关管Q4两端的均压，解决开关管参数不一致导致分压不均的问题。同理，续流二极管D1、D2、D3、D4同样也可以依靠该耦合电感中的绕组电感N1、绕组电感N2和耐压容值相等的电容C1、电容C2、电容C3、电容C4来实现自动均压，在耦合电感进入断续模式时，同样可以通过容值耐压相等的电容来实现MOS 管和二极管两端的自动均压。

第二实施例

如图4所示，为本发明第二实施例宽电压输入Buck-Boost电路原理图，与第一实施例相比，不同之处在于：增加了电阻R1、电阻R2、电阻R3、电阻R4以及电容C5。

其连接关系如下：

输入电源Vin的正极连接电容C1的第一端、电阻R1的第一端和开关管Q1的漏极；电容C1的第二端连接电容C2的第一端；开关管Q1的源极连接二极管D1的阴极和绕组电感 N1的同名端；电容C2的第一端电阻R1的第二端、连接电阻R2的第一端、二极管D2的阴极和二极管D1的阳极，电容C2的第二端连接输入电源Vin的负极、电阻R2的第二端和开关管Q2的源极；开关管Q2的漏极连接二极管D2的阳极和绕组电感N2的异名端；绕组电感N1的异名端连接二极管D3的阳极和开关管Q3的漏极，开关管Q3的源极连接开关管Q4 的漏极；开关管Q4的源极连接二极管D4的阴极和绕组电感N2的同名端；二极管D3的阴极连接电容C3的第一端和电阻R3的第一端；二极管D4的阳极连接电容C4的第一端和电阻R4的第一端，电阻R3的第二端与电阻R4的第二端相连接，电容C3的第二端与电容C4 的第二端连接；电阻R3的第一端连接电容C5的第一端和输出正极端VOUT+，电阻R4的第一端连接电容C5的第二端与输出负极端VOUT-，中性线将电容C1的第二端、电阻R1的第二端、二极管D1的阳极、开关管Q3的源极、电容C3的第二端以及电阻R3的第二端进行连接。

本实施例的宽电压输入Buck-Boost电路的工作原理与第一实施例的区别为：第一实施例的输入侧和输出侧主要通过绕组电感N1、绕组电感N2和电容C1、C2、C3、C4进行均压，由于电容本身的内部差异(ESR等)，可能造成电容这部分的分压不均，本实施例通过在输入端电容C1两端并联高阻值电阻R1，电容C2两端并联高阻值电阻R2，在输出电容C3两端并联高阻值电阻R3，电容C4两端并联高阻值电阻R4，靠四个高阻值电阻R1、R2、R3、R4 来进行分压，来实现电容C1、电容C2和电容C3、电容C4两端电容均压，从而实现开关管 Q1、开关管Q2和开关管Q3、开关管Q4两端的均压，这样比第一实施例的电容这部分均压的均压精度更高，电容C5的主要作用是进行储能滤波，让其升压或者降压后的直流电变得更加平滑。

第三实施例

如图5所示，为本发明第三实施例宽电压输入Buck-Boost电路原理图，与第二实施例相比，不同之处在于：将续流二极管D1、二极管D2、二极管D3、二极管D4更换为开关管Q5、开关管Q6、开关管Q7、开关管Q8。

其连接关系如下：

输入电源Vin的正极连接电容C1的第一端、电阻R1的第一端和开关管Q1的漏极；电容C1的第二端连接电容C2的第一端；开关管Q1的源极连接开关管Q5的漏极和绕组电感 N1的同名端；电容C2的第一端连接电阻R1的第二端、电阻R2的第一端、开关管Q5的源极和开关管Q6的漏极，电容C2的第二端连接输入电源Vin的负极、电阻R2的第二端和开关管Q2的源极；开关管Q2的漏极连接开关管Q6的源极和绕组电感N2的异名端；绕组电感N1的异名端连接开关管Q7的源极和开关管Q3的漏极，开关管Q3的源极连接开关管Q4 的漏极；开关管Q4的源极连接开关管Q8的漏极和绕组电感N2的同名端；开关管Q7的漏极连接电容C3的第一端和电阻R3的第一端；开关管Q8的源极连接电容C4的第一端和和电阻R4的第一端，电阻R3的第二端与电阻R4的第二端相连接，电容C3的第二端与电容 C4的第二端连接；电阻R3的第一端连接电容C5的第一端和输出正极端VOUT+，电阻R4 的第一端连接电容C5的第二端与输出负极端VOUT-；中性线将电容C1的第二端、电阻R1 的第二端、开关管Q5的源极、开关管Q3的源极、电容C3的第二端以及电阻R3的第二端进行连接。

本实施例的工作原理相比第二实施例的主要区别为：第二实施例在绕组电感N1、绕组电感N2续流阶段，通过二极管D1、二极管D2、二极管D3、二极管D4进行续流，而本实施例通过用开关管Q5、开关管Q6、开关管Q7、开关管Q8，代替二极管D1、二极管D2、二极管D3、二极管D4后，在绕组电感N1和绕组电感N2充电阶段，开通开关管Q1、开关管 Q2、开关管Q3和开关管Q4，同时关断开关管Q5、开关管Q6、开关管Q7和开关管Q8，则输入电源Vin通过开关管Q1、开关管Q2、开关管Q3、开关管Q4对绕组电感N1和绕组电感N2进行充电，同时电容C3和电容C4对负载进行供电，在绕组电感N1和绕组电感N2放电阶段，关断开关管Q1、开关管Q2、开关管Q3和开关管Q4，同时开通开关管Q5、开关管 Q6、开关管Q7和开关管Q8，则绕组电感N1和绕组电感N2的电流通过开关管Q5、开关管 Q6、开关管Q7、开关管Q8进行续流，以给负载侧供电，这样通过采用开关管Q5、Q6、Q7、 Q8续流的方案相比与第二实施例可以进一步的提升系统效率。

以上仅是本发明的实施方式，需要特别指出的是，上述实施方式不应视为对本发明的限制，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明的精神和范围内，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims

1.一种宽电压输入Buck-Boost电路，应用于宽电压输入范围下的开关电源，其特征在于：包括电容C1、电容C2、电容C3、电容C4、开关管Q1、开关管Q2、开关管Q3、开关管Q4、二极管D1、二极管D2、二极管D3、二极管D4、中性线以及由绕组电感N1和绕组电感N2组成的耦合电感；

输入电源的正极连接开关管Q1的漏极，开关管Q1的源极连接二极管D1的阴极和绕组电感N1的同名端；电容C1的第一端连接输入电源的正极，电容C1的第二端连接电容C2的第一端；电容C2的第一端连接二极管D2的阴极和二极管D1的阳极，电容C2的第二端与输入电源的负极和开关管Q2的源极连接；开关管Q2的漏极连接二极管D2的阳极和绕组电感N2的异名端；绕组电感N1的异名端连接二极管D3的阳极和开关管Q3的漏极，开关管Q3的源极连接开关管Q4的漏极；开关管Q4的源极连接二极管D4的阴极和绕组电感N2的同名端；二极管D3的阴极连接电容C3的第一端和输出正极端；二极管D4的阳极连接电容C4的第一端和输出负极端，电容C3的第二端与电容C4的第二端相连；中性线将电容C1的第二端、二极管D1的阳极、开关管Q3的源极以及电容C3的第二端进行连接。

2.一种宽电压输入Buck-Boost电路，应用于宽电压输入范围下的开关电源，其特征在于：包括电容C1、电容C2、电容C3、电容C4、电容C5、开关管Q1、开关管Q2、开关管Q3、开关管Q4、二极管D1、二极管D2、二极管D3、二极管D4、电阻R1、电阻R2、电阻R3、电阻R4、中性线以及由绕组电感N1和绕组电感N2组成的耦合电感；

输入电源的正极连接电容C1的第一端、电阻R1的第一端和开关管Q1的漏极；电容C1的第二端连接电容C2的第一端；开关管Q1的源极连接二极管D1的阴极和绕组电感N1的同名端；电容C2的第一端连接电阻R1的第二端、电阻R2的第一端、二极管D2的阴极和二极管D1的阳极，电容C2的第二端连接输入电源的负极、电阻R2的第二端和开关管Q2的源极；开关管Q2的漏极连接二极管D2的阳极和绕组电感N2的异名端；绕组电感N1的异名端连接二极管D3的阳极和开关管Q3的漏极，开关管Q3的源极连接开关管Q4的漏极；开关管Q4的源极连接二极管D4的阴极和绕组电感N2绕组的同名端；二极管D3的阴极连接电容C3的第一端和电阻R3的第一端；二极管D4的阳极连接电容C4的第一端和电阻R4的第一端，电阻R3的第二端与电阻R4的第二端相连接，电容C3的第二端与电容C4的第二端相连接，电阻R3的第一端连接电容C5的第一端和输出正极端，电阻R4的第一端连接电容C5的第二端与输出负极端，中性线将电容C1的第二端、电阻R1的第二端、二极管D1的阳极、开关管Q3的源极、电容C3的第二端以及电阻R3的第二端进行连接。

3.一种如权利要求1-2任一项所述的宽电压输入Buck-Boost电路的控制方法，其特征在于，包括：

控制开关管Q1、开关管Q2、开关管Q3和开关管Q4开通，使得输入电源Vin通过开关管Q1、开关管Q2、开关管Q3、开关管Q4对原边绕阻N1和副边绕阻N2进行充电，同时使得通过电容C3和电容C4对负载进行供电；

控制开关管Q1、开关管Q2、开关管Q3和开关管Q4关断，使得绕组电感N1和绕组电感N2通过二极管D3、二极管D4、二极管D2、二极管D1进行续流，以给负载进行供电。

4.一种宽电压输入Buck-Boost电路，应用于宽电压输入范围下的开关电源，其特征在于：包括电容C1、电容C2、电容C3、电容C4、电容C5、开关管Q1、开关管Q2、开关管Q3、开关管Q4、开关管Q5、开关管Q6、开关管Q7、开关管Q8、电阻R1、电阻R2、电阻R3、电阻R4、中性线以及由绕组电感N1和绕组电感N2组成的耦合电感；

输入电源的正极连接电容C1的第一端、电阻R1的第一端和开关管Q1的漏极；电容C1的第二端连接电容C2的第一端；开关管Q1的源极连接开关管Q5的漏极和绕组电感N1的同名端；电容C2的第一端连接电阻R1的第二端、电阻R2的第一端、开关管Q5的源极和开关管Q6的漏极，电容C2的第二端连接输入电源的负极、电阻R2的第二端和开关管Q2的源极；开关管Q2的漏极连接开关管Q6的源极和绕组电感N2的异名端；绕组电感N1的异名端连接开关管Q7的源极和开关管Q3的漏极，开关管Q3的源极连接开关管Q4的漏极；开关管Q4的源极连接开关管Q8的漏极和绕组电感N2的同名端；开关管Q7的漏极连接电容C3的第一端和电阻R3的第一端；开关管Q8的源极连接电容C4的第一端和和电阻R4的第一端，电阻R3的第二端与电阻R4的第二端相连接，电容C3的第二端与电容C4的第二端相连接，电阻R3的第一端连接电容C5的第一端和输出正极端，电阻R4的第一端连接电容C5的第二端与输出负极端；中性线将电容C1的第二端、电阻R1的第二端、开关管Q5的源极、开关管Q3的源极、电容C3的第二端以及电阻R3的第二端进行连接。

5.一种如权利要求4所述的宽电压输入Buck-Boost电路的控制方法，其特征在于，包括：

控制开关管Q1、开关管Q2、开关管Q3和开关管Q4开通，同时控制开关管Q5、开关管Q6、开关管Q7和开关管Q8关断，使得输入电源Vin通过开关管Q1、开关管Q2、开关管Q3、开关管Q4对绕组电感N1和绕组电感N2进行充电，同时使得通过电容C3和电容C4对负载进行供电；

控制开关管Q1、开关管Q2、开关管Q3和开关管Q4关断，同时控制开关管Q5、开关管Q6、开关管Q7和开关管Q8开通，使得绕组电感N1和绕组电感N2通过开关管Q5、开关管Q6、开关管Q7、开关管Q8进行续流，以给负载进行供电。