CN114884348A - 一种Buck-Boost型单开关多路恒流输出变换器 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种Buck‑Boost型单开关多路恒流输出变换器，一共有n条输出支路，n大于等于2，包括直流电源Vin、开关S1、储能电感Lm、电感Li、二极管Dj、电容Ck、负载Ri，其中负载Ri可以等效为LEDi或者LEDi并联一个滤波电容Coi。i＝1、2、...、n，j＝1、2、...、n‑1，k＝1、2、...、2n‑2。本发明仅使用一个有源开关和n‑1个二极管就可以实现n路恒流输出，具有极少的半导体器件数量，可以有效降低成本。既可以升压输出又可以降压输出，具有较宽的应用场合。可以仅使用电感Li进行滤波，无需滤波电容。这不仅减少了电容数量，还可以消除电解电容对该变换器寿命的影响。

Description

一种Buck-Boost型单开关多路恒流输出变换器
技术领域
本发明属于电力电子技术领域，具体涉及一种Buck-Boost型单开关多路恒流输出变换器，适用于电力电子等领域。
背景技术
目前在大功率场合LED往往采用多串并联的方式，为了提高其可靠性和寿命需要控制每串LED之间的电流均衡，目前实现均流比较简易的方法是使用电容的特性进行无源均流，但是在实现多路均流的同时，往往需要较多的有源开关器件和二极管器件，并且大部分变换器在LED两端都要并联较大的电解电容进行滤波，由于电解电容平均寿命远小于LED灯珠的平均寿命这极大的影响了LED驱动电源的寿命。
发明内容
本发明的目的在于针对现有技术存在的上述问题，提供一种Buck-Boost型单开关多路恒流输出变换器。该变换器仅使用一个开关和(n-1)个二极管就可以实现n路恒流输出。具有极少的半导体器件数量。同时输出负载可以选择性地使用滤波电容或者不使用滤波电容，这样可以消除电解电容在输出测的使用，极大地提高了该变换器的寿命。
本发明的上述目的通过以下技术手段实现：
一种Buck-Boost型单开关多路恒流输出变换器，包括直流电源Vin，还包括开关S1和储能电感Lm，
开关S1的漏极接直流电源Vin的正极。储能电感Lm的一端接开关S1的源极，储能电感Lm的另一端接直流电源Vin的负极，n为输出支路总数，n大于等于2；
当n＝2时，电容C1的负极连接开关S1的源极，电容C1的正极分别与电感L1一端和二极管D1的阴极连接，电感L1另一端与负载R1的一端连接，负载R1的另一端与直流电源Vin的负极连接，二极管D1的阳极分别与电容C2的阴极和负载R2的一端连接，负载R2的另一端与电感L2的一端连接，电感L2的另一端与开关S1的源极连接，
当n＞2时，电容C1的正极与电感L1一端连接，电感L1另一端与负载R1的一端连接，负载R1的另一端与直流电源Vin的负极连接，
电容C2j-1的负极接开关S1的源极，电容C2j-1的正极连接二极管Dj的阴极，二极管Dj的阳极连接电容C2j的负极，电容C2j的正极连接直流电源Vin的负极，j＝1、2、...、n-1，
电容C2p的负极连接负载Rp+1的一端，负载Rp+1的另一端与电感p+1的一端连接，电感Lp+1的另一端与二极管Dp+1的阴极连接，p＝1、2、...、n-2，
电感Ln的一端与开关S1的源极连接，电感Ln的另一端与负载Rn的一端连接，负载Rn的另一端与电容C2n-1的负极连接。
如上所述负载Ri为LEDi或者LEDi并联滤波电容Coi，i＝1、2、...、n。
本发明相对于现有技术，具有以下有益效果：
1、仅使用一个有源开关和(n-1)个二极管就可以实现n路恒流输出，具有极少的半导体器件数量，可以有效降低成本。
2、该变换器既可以升压输出又可以降压输出，具有较宽的应用场合。
3、该变换器可以仅使用电感Li(i＝1、2、...、n)进行滤波，无需滤波电容。这不仅减少了电容数量，还可以消除电解电容对该变换器寿命的影响。
4、综上，本发明非常适合于LED驱动。
附图说明
图1为Buck-Boost型单开关多路恒流输出变换器的电路结构示意图。
图2为Buck-Boost型单开关多路恒流输出变换器主要工作模态示意图。
其中，图2(a)是开关S1开通时变换器工作模态示意图，图2(b)是开关S1断开时变换器工作模态示意图。
图3为Buck-Boost型单开关三路恒流输出变换器的电路结构示意图。
图4为Buck-Boost型单开关三路恒流输出变换器主要仿真波形图。
其中，图4(a)是开关S1、二极管D1和D2的电压波形图，图4(b)是电容C1、C2、C3、C4的电压波形图，图4(c)是电感L1、L2、L3的电流波形图，图4(d)是加了滤波电容Co1、Co2、Co3条件下的输出电流波形图，图4(d)是不加滤波电容Co1、Co2、Co3条件下的输出电流波形图。
具体实施方式
为了便于本领域普通技术人员理解和实施本发明，下面结合实施例对本发明作进一步的详细描述，应当理解，此处所描述的实施示例仅用于说明和解释本发明，并不用于限定本发明。
实施例1：
为了后续方便说明与分析，表示电路元件的电压、电流等参数的定义如下：
一种Buck-Boost型单开关多路恒流输出变换器，包括n条输出支路，n大于等于2。D定义为开关管S1导通时间的占空比；Ts定义为一个开关周期的时间；fs定义为开关频率；VS1定义为开关S1两端的电压，方向从开关S1的漏极到源极；VDj(j＝1、2、...、n-1)定义为二极管Dj(j＝1、2、...、n-1)两端的电压，方向从二极管Dj(j＝1、2、...、n-1)的阳极到阴极；VLm定义为储能电感Lm两端的电压，VLm(on)定义为开关S1导通时储能电感Lm两端的电压，VLm(off)定义为开关S1断开时储能电感Lm两端的电压，方向如图1所示；VLi(i＝1、2、...、n)定义为电感Li(i＝1、2、...、n)两端的电压，VLi(on)(i＝1、2、...、n)定义为开关S1导通时电感Li两端的电压，VLi(off)(i＝1、2、...、n)定义为开关S1断开时电感Li(i＝1、2、...、n)两端的电压，方向如图1所示；ILi(i＝1、2、...、n)定义为电感Li(i＝1、2、...、n)的电流，方向与VLi同向；VRi(i＝1、2、...、n)定义为Ri(i＝1、2、...、n)两端的电压，方向如图1所示；VLEDi(i＝1、2、...、n)定义为LEDi(i＝1、2、...、n)两端的电压，方向如图1所示和Ri同向；ILEDi(i＝1、2、...、n)定义为LEDi(i＝1、2、...、n)上的平均电流，方向与VLEDi(i＝1、2、...、n)同向；VCk(k＝1、2、...、2n-2)定义为电容Ck(k＝1、2、...、2n-2)两端的电压，方向如图1所示；QCkch(k＝1、2、...、2n-2)定义为一个开关周期内电容Ck(k＝1、2、...、2n-2)充电的电荷量；QCkdis(k＝1、2、...、2n-2)定义为一个开关周期内电容Ck(k＝1、2、...、2n-2)放电的电荷量；输入电压定义为直流电源电压Vin，方向如图1所示。
一种Buck-Boost型单开关多路恒流输出变换器，一共有n条输出支路，n大于等于2，包括直流电源Vin、开关S1、储能电感Lm、电感Li(i＝1、2、...、n)、二极管Dj(j＝1、2、...、n-1)、电容Ck(k＝1、2、...、2n-2)、负载Ri(i＝1、2、...、n)，其中负载Ri可以等效为LEDi(i＝1、2、...、n)或者LEDi(i＝1、2、...、n)并联一个滤波电容Coi(i＝1、2、...、n)。
开关S1的漏极接直流电源Vin的正极。储能电感Lm的一端接开关S1的源极，储能电感Lm的另一端接直流电源Vin的负极。
当n＝2时，电容C1的负极连接开关S1的源极，电容C1的正极分别与电感L1一端和二极管D1的阴极连接，电感L1另一端与负载R1的一端连接，负载R1的另一端与直流电源Vin的负极连接，二极管D1的阳极分别与电容C2的阴极和负载R2的一端连接，负载R2的另一端与电感L2的一端连接，电感L2的另一端与开关S1的源极连接。
当n＞2时，电容C1的正极与电感L1一端连接，电感L1另一端与负载R1的一端连接，负载R1的另一端与直流电源Vin的负极连接，
电容C2j-1(j＝1、2、...、n-1)的负极接开关S1的源极，电容C2j-1的正极连接二极管Dj的阴极，二极管Dj的阳极连接电容C2j的负极，电容C2j的正极连接直流电源Vin的负极，
电容C2p(p＝1、2、...、n-2)的负极连接负载Rp+1的一端，负载Rp+1的另一端与电感p+1的一端连接，电感Lp+1的另一端与二极管Dp+1的阴极连接，
电感Ln的一端与开关S1的源极连接，电感Ln的另一端与负载Rn的一端连接，负载Rn的另一端与电容C2n-1的负极连接。
为了简化分析，假设
(1)所有开关管，二极管，电容，电感都是理想的器件。
(2)电容Ck(k＝1、2、...、2n-2)的电压纹波可以忽略不计。
(3)电感Li(i＝1、2、...、n)工作在CCM(电感电流连续)模式。
如图2所示，该变换器可以分为两个工作模态。
模态1：开关S1开通，二极管Dj(j＝1、2、...、n-1)全部承受反向电压断开，Li储存能量。
模态2：开关S1断开，二极管Dj(j＝1、2、...、n-1)全部承受正向电压导通，Li释放能量。LEDi由Li单独(或者Li和滤波电容Coi一起)提供能量。
当开关S1开通时，根据电路工作模态1中的基尔霍夫电压定律可以得到每路输出电压的表达式：
Figure BDA0003679113140000041
当开关S1断开时，根据电路工作模态2中的基尔霍夫电压定律可以得到每路输出电压的表达式：
Figure BDA0003679113140000042
根据开关S1开通和关断两种不同模态时的基尔霍夫电压定律，可以得到储能电感Lm两端的电压VLm公式如下：
Figure BDA0003679113140000051
根据储能电感Lm的磁通平衡，可以得到：
VLm(on)DTs+VLm(off)(1-D)Ts＝0 (4)
根据电感Li(i＝1、2、...、n)的磁通平衡，可以得到：
VLi(on)DTs+VLi(off)(1-D)Ts＝0 (5)
将公式(3)、(4)、(5)代入(1)式和(2)式可以得到：
Figure BDA0003679113140000052
Figure BDA0003679113140000053
根据公式(5)可以得到：
Figure BDA0003679113140000054
将公式(8)代入公式(7)然后和公式(6)联立可以得到该变换器的电压增益公式：
Figure BDA0003679113140000055
化简可得：
Figure BDA0003679113140000056
可以看到，该变换器不仅可以升压输出也可以降压输出。这说明了该变换器具有较宽的应用场合。
当开关S1开通时，电容Ck(k＝1、2、...、2n-2)充电，可以得到：
Figure BDA0003679113140000061
当开关S1断开时，电容Ck(k＝1、2、...、2n-2)放电，可以得到：
Figure BDA0003679113140000062
结合平衡电容的电荷平衡公式：
QCkch＝QCkdis (13)
联立公式(10)、(11)、(12)，可以得到：
ILED1＝ILED2＝...＝ILEDn (14)
因此，利用电容的电荷平衡机制，该变换器每条输出支路电流的都可以自动达到均衡。
按照图3所示的Buck-Boost型单开关三路恒流输出变换器在Psim平台搭建了仿真，如图4所示为Buck-Boost型单开关三路恒流输出变换器仿真主要波形。仿真主要参数设置如下:直流电源电压Vin＝100V，开关频率fs＝100kHz，占空比D＝0.7，储能电感Lm＝500uH，电感Li(i＝1、2、...、n)＝10mH，电容C1、C2、C3、C4＝2uF，滤波电容Co1、Co2、Co3、Co4＝2uF，负载等效阻抗R1、R2、R3分别取200Ω、300Ω、250Ω。
其中，图4(a)是开关管、二极管电压波形图，图4(b)是电容C1、C2、C3、C4电压波形图，图4(c)是加了滤波电容Co1、Co2、Co3条件下的输出电流波形图，图4(d)是不加滤波电容Co1、Co2、Co3条件下的输出电流波形图，同时也是电感L1、L2、L3电流波形图
基于以上分析和仿真，该Buck-Boost型单开关多路恒流输出变换器具有以下优势：
1、仅使用一个有源开关和(n-1)个二极管就可以实现n路恒流输出，具有极少的半导体器件数量，可以有效降低成本。
2、该变换器既可以升压输出又可以降压输出，具有较宽的应用场合。
3、该变换器可以仅使用电感Li(i＝1、2、...、n)进行滤波，无需滤波电容。这不仅减少了电容数量，还可以消除电解电容对该变换器寿命的影响。
因此该变换器非常适合于LED驱动。
以上公开的仅为本发明的优选实施方式，但本发明并非局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以所述权利要求的保护范围以及在不脱离本发明原理前提下所作的若干改进和都应落在本发明的保护范围内。

Claims (2)

1.一种Buck-Boost型单开关多路恒流输出变换器，包括直流电源Vin，其特征在于，还包括开关S1和储能电感Lm.
开关S1的漏极接直流电源Vin的正极。储能电感Lm的一端接开关S1的源极，储能电感Lm的另一端接直流电源Vin的负极，n为输出支路总数，n大于等于2；
当n＝2时，电容C1的负极连接开关S1的源极，电容C1的正极分别与电感L1一端和二极管D1的阴极连接，电感L1另一端与负载R1的一端连接，负载R1的另一端与直流电源Vin的负极连接，二极管D1的阳极分别与电容C2的阴极和负载R2的一端连接，负载R2的另一端与电感L2的一端连接，电感L2的另一端与开关S1的源极连接，
当n＞2时，电容C1的正极与电感L1一端连接，电感L1另一端与负载R1的一端连接，负载R1的另一端与直流电源Vin的负极连接，
电容C2j-1的负极接开关S1的源极，电容C2j-1的正极连接二极管Dj的阴极，二极管Dj的阳极连接电容C2j的负极，电容C2j的正极连接直流电源Vin的负极，j＝1、2、...、n-1，
电容C2p的负极连接负载Rp+1的一端，负载Rp+1的另一端与电感p+1的一端连接，电感Lp+1的另一端与二极管Dp+1的阴极连接，p＝1、2、...、n-2，
电感Ln的一端与开关S1的源极连接，电感Ln的另一端与负载Rn的一端连接，负载Rn的另一端与电容C2n-1的负极连接。
2.根据权利要求1所述一种Buck-Boost型单开关多路恒流输出变换器，其特征在于，所述负载Ri为LEDi或者LEDi并联滤波电容Coi，i＝1、2、...、n。
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Cited By (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN115566903A (zh) * 2022-12-06 2023-01-03 湖北工业大学 一种buck半桥软开关多路均流LED输出变换器
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