CN114301294A - 一种多功能型单相升降压电路 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种多功能型单相升降压电路，满足各类苛刻条件下的工作需求。所述电路拓扑输入Uin后联接开关S1‑S4构成的4支交叉结构电路，其中，开关S1联接于AC之间，开关S2联接于BC之间，开关S3联接于AD之间，开关S4联接于BD之间；电感L联接于CD之间，开关S5联接于CE之间，ED为输出UO，可加入电容C用于稳压滤波。所述电路拓扑可用于正反向升降压。本发明可用于宽范围输入电压或宽输出电压条件下的正反向升降压直‑直变换、单相升降压交‑交变换、正反向升降压整流特别是升降压功率因数校正，具备多功能特性，可用于各类电力电子应用场合，具备广阔应用前景与市场空间。

Description

一种多功能型单相升降压电路
技术领域
本发明涉及电力电子技术领域，尤其是涉及一种多功能型单相升降压电路。
背景技术
单相升降压电路除可用于单相升降压电压之外，还可用于功率因数校正，以满足不同输入电压条件特别是宽电压输入条件或宽输出电压要求的需要。然而对于正反向升降压直-直变换、单相升降压交-交变换、正反向升降压整流应用均需不同的电路拓扑，对于多功能应用有极大的制约。
发明内容
本发明的目的是在于提供一种多功能型单相升降压电路，以满足各类苛刻条件下的工作需求，它解决了不同输入电压条件特别是宽电压输入条件或宽输出电压要求的技术问题，可以实现正反向升降压直-直变换、单相升降压交-交变换、正反向升降压整流特别是升降压功率因数校正，即可用于多功能应用场合。
本发明的目的是这样实现的：
一种多功能型单相升降压电路，特征是：能用于正反向升降压的电路拓扑由开关S1-S5及电感L构成，其中：联接开关S1-S4构成4支交叉结构电路；4支交叉结构电路的输入端AB为输入Uin，4支交叉结构电路的输出端ED为输出UO，开关S1联接于AC之间，开关S2联接于BC之间，开关S3联接于AD之间，开关S4联接于BD之间；电感L联接于CD之间，开关S5联接于CE之间。
所述电路拓扑根据输入Uin与输出UO的极性共有4种系统工况，分别为工况1：输入Uin为正，输出UO为正；工况2：输入Uin为负，输出UO为正；工况3：Uin为负，输出UO为正；工况4：输入Uin为负，输出UO为负。
根据需要在输出侧UO的ED并有电容C，用于滤波或稳压。
所述一种多功能型单相升降压电路将所述四类系统工况灵活组合可实现正反向升降压直-直变换、单相升降压交-交变换、正反向升降压整流特别是升降压功率因数校正，即可用于多功能应用场合。
本发明的有益效果是：本发明可用于宽范围输入电压或宽输出电压条件下的正反向升降压直-直变换、单相升降压交-交变换、正反向升降压整流特别是升降压功率因数校正，具备多功能特性，可以用于仪表类多功能电源、电子负载等多种应用场合，具备广阔应用前景与市场空间。
附图说明
图1为本发明的电路拓扑图；
图2为本发明的工况1：输入Uin为正，输出UO为正时的原理框图，其中，图2-(a)为开关S2、S3导通且其余开关关断时工况示意图，图2-(b)为开关S5导通且其余开关关断时续流工况示意图；
图3为本发明的工况2：输入Uin为负，输出UO为正时的原理框图，其中，图3-(a)为开关S1、S4导通且其余开关关断时工况示意图，图3-(b)为开关S5导通且其余开关关断时续流工况示意图；
图4为本发明的工况3：输入Uin为负，输出UO为正时的原理框图，其中，图4-(a)为开关S1、S4导通且其余开关关断时工况示意图，图4-(b)为开关S5导通且其余开关关断时续流工况示意图；
图5为本发明的工况4：输入Uin为负，输出UO为负时的原理框图，其中，图5-(a)为开关S2、S3导通且其余开关关断时工况示意图，图5-(b)为开关S5导通且其余开关关断时续流工况示意图；
图6为本发明基于金属-氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)的主电路图。
具体实施方式
下面结合实施例并对照附图对本发明作进一步详细说明。
图1为本发明的电路拓扑图。
一种多功能型单相升降压电路，电路拓扑由开关S1-S5及电感L构成，其中：联接开关S1-S4构成4支交叉结构电路；4支交叉结构电路的输入端AB为输入Uin，4支交叉结构电路的输出端ED为输出UO，开关S1联接于AC之间，开关S2联接于BC之间，开关S3联接于AD之间，开关S4联接于BD之间；电感L联接于CD之间，开关S5联接于CE之间。根据需要在输出侧UO的ED并有电容C，用于滤波或稳压。所述电路拓扑具备正反向升降压能力。
所述电路拓扑可实现正反向升降压直-直变换、单相升降压交-交变换、正反向升降压整流，特别是升降压功率因数校正，具备多功能特性。
图2为本发明工况1：输入Uin为正，输出UO为正时的原理框图；
本实施例所述系统工况1分为工况1-(a)和工况1-(b)，分别对应图2-(a)与图2-(b)。
工况1-(a)中，t∈(0，dT)，导通时间为dT，T为周期时间，开关S2、S3导通，其它开关均关断，电流流经Uin(A)→S3→L→S2→Uin(B)，电感L从Uin获得能量并储能，电感电流从D→C；
工况1-(b)中，t∈(dT，T)，导通时间为(1-d)T，开关S5导通，其它开关均关断，电流流经L(C)→S5→UO→L(D)，电感L释放能量，电感电流从D→C。
根据电感伏秒平衡原理，可知：
|uin|*dt＝|UO|*(1-dT) (1)
即
Figure BDA0003452124610000031
因此，当占空比d>0.5时，升压；d<0.5时，降压；d＝0.5，|uin|＝|UO|，即可实现升降压输出。
本实施例所述其它三类工况的升降压原理与之类同，不再累述。
图3为本发明工况2：输入Uin为负，输出UO为正时的原理框图；
本实施例所述系统工况2分为工况2-(a)和工况2-(b)，分别对应图3-(a)与图3-(b)。
工况2-(a)中，t∈(0,dT)，导通时间为dT，T为周期时间，开关S1、S4导通，其它开关均关断，电流流经Uin(B)→S4→L→S1→Uin(A)，电感L从Uin获得能量并储能，电感电流从D→C；
工况2-(b)中，t∈(dT,T)，导通时间为(1-d)T，开关S5导通，其它开关均关断，电流流经L(C)→S5→UO→L(D)，电感L释放能量，电感电流从D→C。
图4为本发明工况3：输入Uin为负，输出UO为正时的原理框图；
本实施例所述系统工况3分为工况3-(a)和工况3-(b)，分别对应图3-(a)与图3-(b)。
工况3-(a)中，t∈(0,dT)，导通时间为dT，T为周期时间，开关S1、S4导通，其它开关均关断，电流流经Uin(A)→S1→L→S4→Uin(A)，电感L从Uin获得能量并储能，电感电流从C→D；
工况3-(b)中，t∈(dT,T)，导通时间为(1-d)T，开关S5导通，其它开关均关断，电流流经L(C)→S5→UO→L(D)，电感L释放能量，电感电流从C→D。
图5为本发明工况4：输入Uin为负，输出UO为负时的原理框图；
本实施例所述系统工况4分为工况4-(a)和工况4-(b)，分别对应图5-(a)与图5-(b)。
工况4-(a)中，t∈(0,dT)，导通时间为dT，T为周期时间，开关S2、S3导通，其它开关均关断，电流流经Uin(B)→S2→L→S3→Uin(A)，电感L从Uin获得能量并储能，电感电流从C→D；
工况4-(b)中，t∈(dT,T)，导通时间为(1-d)T，开关S5导通，其它开关均关断，电流流经L(C)→S5→UO→L(D)，电感L释放能量，电感电流从C→D。
综上所述，本实施例所述4类系统工况如表1所示。
表1四类系统工况总结
Figure BDA0003452124610000032
Figure BDA0003452124610000041
电感电流方向决定了输出电压方向，电感电流方向工作于C→D时，输出UO为负，反之为正。
本实施例所述四类系统工况均可工作于电感电流连续模式或断续模式；本实施例所述Uin、UO均以上正下负为参考正方向。
本实施例所述一种多功能型单相升降压电路将所述四类系统工况灵活组合可实现正反向升降压直-直变换、单相升降压交-交变换、正反向升降压整流特别是升降压功率因数校正，即可用于多功能应用场合。
图6为本发明基于金属-氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)的主电路图。
本实施例所述开关S1-S5均可选用各类功率器件构成，包括金属-氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)、绝缘栅双极型晶体管(IGBT)以及各类碳化硅(SiC)或氮化镓(GaN)或其它宽带隙功率器件。
本实施例提供一个基于金属-氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)构成的可行性电路，各开关S1-S5为双向电力电子开关，优选由两个同型号的金属-氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)反向串联而成，其导通二极管均关断；金属-氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)正反向导通内阻低因而导通压降低，相比其它功率器件有效率优势。
另外，各个开关S1-S5均可选用其它功率器件构成，比如绝缘栅双极型晶体管(IGBT)以及各类碳化硅(SiC)或氮化镓(GaN)或其它宽带隙功率器件，相关技术人员均可自行设计不再累述。考虑到损耗，建议各开关优选金属-氧化物半导体场效应晶体管(包括MOSFET或SiC MOSFET)。

Claims (5)

1.一种多功能型单相升降压电路，其特征在于：能用于正反向升降压的电路拓扑由开关S1-S5及电感L构成，其中：联接开关S1-S4构成4支交叉结构电路；4支交叉结构电路的输入端AB为输入Uin，4支交叉结构电路的输出端ED为输出UO，开关S1联接于AC之间，开关S2联接于BC之间，开关S3联接于AD之间，开关S4联接于BD之间；电感L联接于CD之间，开关S5联接于CE之间。
2.根据权利要求1所述的多功能型单相升降压电路，其特征在于：所述电路拓扑根据输入Uin与输出UO的极性共有4种系统工况，分别为工况1：输入Uin为正，输出UO为正；工况2：输入Uin为负，输出UO为正；工况3：Uin为负，输出UO为正；工况4：输入Uin为负，输出UO为负。
3.根据权利要求1所述的多功能型单相升降压电路，其特征在于：在输出侧UO的ED并有电容C，用于滤波或稳压。
4.根据权利要求1所述的多功能型单相升降压电路，其特征在于，所述系统工况1分为工况1-(a)和工况1-(b)，工况1-(a)中，
Figure 626476DEST_PATH_IMAGE002
，导通时间为dT，T为周期时间，开关S2、S3导通，其它开关均关断，电流流经Uin(A)→S3→L→S2→Uin(B)，电感L从Uin获得能量并储能，电感电流从D→C；工况1-(b)中，
Figure 907066DEST_PATH_IMAGE004
，导通时间为（1-d）T，开关S5导通，其它开关均关断，电流流经L(C)→ S5→UO→L(D)，电感L释放能量，电感电流从D→C；
所述系统工况2分为工况2-(a)和工况2-(b)，工况2-(a)中，
Figure 483541DEST_PATH_IMAGE002
，导通时间为dT，T为周期时间，开关S1、S4导通，其它开关均关断，电流流经Uin(B)→S4→L→S1→Uin(A)，电感L从Uin获得能量并储能，电感电流从D→C；工况2-(b)中，
Figure DEST_PATH_IMAGE005
，导通时间为（1-d）T，开关S5导通，其它开关均关断，电流流经L(C)→ S5→UO→L(D)，电感L释放能量，电感电流从D→C；
所述系统工况3分为工况3-(a)和工况3-(b)，工况3-(a)中，
Figure DEST_PATH_IMAGE006
，导通时间为dT，T为周期时间，开关S1、S4导通，其它开关均关断，电流流经Uin(A)→S1→L→S4→Uin(A)，电感L从Uin获得能量并储能，电感电流从C→D；工况3-(b)中，
Figure 567166DEST_PATH_IMAGE005
，导通时间为（1-d）T，开关S5导通，其它开关均关断，电流流经L(C)→ S5→UO→L(D)，电感L释放能量，电感电流从C→D；
所述系统工况4分为工况4-(a)和工况4-(b)，工况4-(a)中，
Figure DEST_PATH_IMAGE007
，导通时间为dT，T为周期时间，开关S2、S3导通，其它开关均关断，电流流经Uin(B)→S2→L→S3→Uin(A)，电感L从Uin获得能量并储能，电感电流从C→D；工况4-(b)中，
Figure 37330DEST_PATH_IMAGE005
，导通时间为（1-d）T，开关S5导通，其它开关均关断，电流流经L(C)→ S5→UO→L(D)，电感L释放能量，电感电流从C→D；
所述4类系统工况均可工作于电感电流连续模式或断续模式。
5.根据权利要求1所述的多功能型单相升降压电路，其特征在于：所述开关S1-S5均选用各类功率器件构成，包括金属-氧化物半导体场效应晶体管（MOSFET）、绝缘栅双极型晶体管（IGBT）以及各类碳化硅（SiC）或氮化镓（GaN）这类宽带隙功率器件。
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