CN115694167A - 一种多模式电压变换电路及其控制 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种多模式电压变换电路及其控制，所述多模式电压变换电路包括主电路单元、主控制单元、输入电压检测、输出电压检测、继电器驱动电路。其中，主控制单元，根据输入电压、输出电压以及第一电压参考值判断主电路应切换的工作模式，同时计算出占空比；主电路单元，根据主控制单元的输出信号将输出电压变换到预设的第二电压参考值；继电器驱动电路，用于驱动主电路单元中的继电器。与传统工作模式单一的DC‑DC变换器相比，本发明的多模式电压变换电路可以变换电路结构，有三种不同的工作模式及三种电压变换比，并且实现输出与输入电压极性相反的电压，可将输出电压分为连续的三个电压区间。

Description

一种多模式电压变换电路及其控制

技术领域

本发明涉及电压变换技术领域，具体涉及一种多模式电压变换电路及其控制。

背景技术

随着传统能源日益紧张的趋势，风电、光电等新能源发电形式越来越受到重视，同时，直流微电网与交流微电网相比，不用考虑系统相位控制和频率等方面的问题，同时可以方便的接入分布式可再生能源发电。但是直流微电网中，新能源供电存在波动性和间歇性，同时输出端口的电压等级及极性也不是固定的，因此每个设备都需要一个单独的DC-DC变换器与直流母线连接，导致直流微电网的复杂程度与成本增加。

因此设计一种可以直接连接直流母线以及多个负载设备的多模式电压变换电路，用于应对输入电压波动以及兼容不同的电压等级的负载设备，是本领域人员亟需解决的关键问题。

发明内容

本发明的内容是针对以上问题，提出一种多模式电压变换电路，应对输入电压波动的同时，可以实现两种极性的输出，既能实现升压也能实现降压，拥有较宽的输出电压范围，解决传统变换器因拓扑结构固定导致输出电压工况单一的问题。

本发明一方面提供了一种多模式电压变换电路，如图1所示，图1为本申请一个实施例中提供的多模式电压变换电路的结构及拓扑示意图。其中主电路单元，用于根据主控制单元输出的控制信号选择多模式电压变换电路的主电路工作模式，同时用于根据开关信号控制开关管动作，将输出电压V_out变换到预设的第二电压参考值V_ref2；

其中，通过控制主电路单元中第一开关管S₁、第二开关管S₂、第一继电器K₁、第二继电器K₂、第三继电器K₃的通断，从而改变主电路单元的工作模式；

输入电压检测，输入端与主电路单元的直流输入电源V_in的正极连接，输出端与第二比较器CMP2的正输入端连接，用于检测直流输入电源V_in的电压并传输给主控制单元；

输出电压检测，输入端与主电路单元的负载R_L的第一端连接，输出端与绝对值电路Abs的输入端、第二比较器CMP2的负输入端、第三比较器CMP3的正输入端连接，用于检测负载R_L的电压并传输给主控制单元；

主控制单元，绝对值电路Abs的输入端、第二比较器CMP2的负输入端以及第三比较器CMP3的正输入端与输出电压V_out连接；第二比较器CMP2的正输入端与输入电压V_in连接；第三比较器CMP3的负输入端与第一电压参考值V_ref1连接；第一加法器SUM1的正输入端与第二电压参考值V_ref2连接；第一开关管S₁驱动电路的输出端与主电路单元中第一开关管S₁的第三端连接；第二开关管S₂驱动电路的输出端与主电路单元中第二开关管S₂的第三端连接；异或门XOR的输出端与继电器驱动电路的第一输入端连接；第三非门INV3的输出端与继电器驱动电路的第二输入端连接；第四非门INV4的输出端与继电器驱动电路的第三输入端连接；用于根据主电路单元的输入电压V_in和输出电压V_out、第一电压参考值V_ref1及第二电压参考值V_ref2判断主电路应选择的工作模式，并输出信号给继电器驱动电路，以及计算出使主电路单元的输出电压V_out回到预设值的占空比D，生成占空比为D的PWM波并传输给开关管驱动电路；

继电器驱动电路，第一输入端与主控制单元的异或门XOR的输出端连接；第二输入端与主控制单元的第三非门INV3的输出端连接；第三输入端与主控制单元的第四非门INV4的输出端连接；用于将主控制单元输出端的信号进行电流放大，达到足以驱动第一继电器K₁、第二继电器K₂、第三继电器K₃的电流强度。

在其中一个实施例中，所述的主电路单元包括直流输入电源V_in、第一开关管S₁、第二开关管S₂、第一电感L₁、第二电感L₂、第三电感L₃、第一电容C₁、第二电容C₂、第一二极管D₁、第二二极管D₂、第三二极管D₃、第四二极管D₄、第一继电器K₁、第二继电器K₂、第三继电器K₃及负载R_L；

所述直流输入电源V_in的正极与所述第一开关管S₁的第一端连接；所述第一开关管S₁的第二端与所述第一继电器K₁的公共端连接；所述第一继电器K₁的常开端与所述第一二极管D₁的阳极端、所述第一电感L₁的第一端、所述第三继电器K₃的常闭端连接；所述第一继电器K₁的常闭端与所述第四二极管D₄的阴极端、所述第三电感L₃的第一端连接；所述第一二极管D₁的阴极端与所述第二二极管D₂的阴极端、所述第二电感L₂的第一端连接；所述第一电感L₁的第二端与所述第二二极管D₂的阳极端、第一电容C₁的第一端连接；所述第二电感L₂的第二端与所述第一电容C₁的第二端、所述第二开关管S₂的第一端、所述第二继电器K₂的常开端连接；所述第二继电器K₂的公共端与所述第三二极管D₃的阳极端连接；所述第二继电器K₂的常闭端与所述第三继电器K₃的常开端、所述第二电容C₂的第一端、所述负载R_L的第一端、所述第三电感L₃的第二端连接；所述第三继电器K₃的公共端与所述第三二极管D₃的阴极端连接；所述第二开关管S₂的第二端与所述第四二极管D₄的阳极端、所述直流输入电源V_in的负极、所述第二电容C₂的第二端、所述负载R_L的第二端连接；

在其中一个实施例中，所述的多模式电压变换电路的主电路单元，其特征在于，通过控制主电路单元中第一开关管S₁、第二开关管S₂、第一继电器K₁、第二继电器K₂、第三继电器K₃的通断，从而改变主电路单元的工作模式，主电路单元的工作模式分别有模式1、模式2以及模式3，所对应的继电器信号端状态、开关管通断状态以及电压变换比M如下：

工作模式1，如图4所示，图4为本申请一个实施例中提供的多模式电压变换电路在工作模式1的拓扑示意图。对应所述的第一继电器K₁的信号端为高电平、所述的第二继电器K₂的信号端为高电平、所述的第三继电器K₃的信号端为高电平，即所述的第一继电器K₁的常开端闭合、所述的第二继电器K₂的常开端闭合、所述的第三继电器K₃的常开端闭合，同时所述的第一开关管S₁保持常闭状态，所述的第二开关管S₂保持高频开关状态，此时的电压变换比M＝1/(1-D)²；

工作模式2，如图5所示，图5为本申请一个实施例中提供的多模式电压变换电路在工作模式2的拓扑示意图。对应所述的第一继电器K₁的信号端为低电平、所述的第二继电器K₂的信号端为低电平、所述的第三继电器K₃的信号端为低电平，即所述的第一继电器K₁的常闭端闭合、所述的第二继电器K₂的常闭端闭合、所述的第三继电器K₃的常闭端闭合，同时所述的第一开关管S₁保持高频开关状态，此时的电压变换比M＝D；

工作模式3，如图6所示，图6为本申请一个实施例中提供的多模式电压变换电路在工作模式3的拓扑示意图。对应所述的第一继电器K₁的信号端为高电平、所述的第二继电器K₂的信号端为低电平、所述的第三继电器K₃的信号端为低电平，即所述的第一继电器K₁的常开端闭合、所述的第二继电器K₂的常闭端闭合、所述的第三继电器K₃的常闭端闭合，同时所述的第二开关管S₂保持常闭状态，所述的第一开关管S₁保持高频开关状态，此时的电压变换比M＝(D²-2D)/(1-D)²。

在其中一个实施例中，所述的主控制单元包括绝对值电路Abs、第一加法器SUM1、第二加法器SUM2、第三加法器SUM3、第一比较器CMP1、第二比较器CMP2、第三比较器CMP3、PI控制器、三角波电压源、第一非门INV1、第二非门INV2、第三非门INV3、第四非门INV4、异或门XOR、第一限幅器LIM1、第二限幅器LIM2、第一开关管S₁驱动电路、第二开关管S₂驱动电路、第一电压参考值V_ref1、第二电压参考值V_ref2；

所述绝对值电路Abs的输入端与所述输出电压V_out连接；所述绝对值电路Abs的输出端与所述第一加法器SUM1的负输入端连接；所述第一加法器SUM1的正输入端与所述第二电压参考值V_ref2连接；所述第一加法器SUM1的输出端与所述PI控制器的输入端连接；所述PI控制器的输出端与所述第一比较器CMP1的正输入端连接；所述三角波电压源与所述第一比较器CMP1的负输入端连接；所述第一比较器CMP1的输出端与所述第二加法器SUM2的第一正输入端、所述第三加法器SUM3的第一正输入端连接；所述第二加法器SUM2的第二正输入端与所述第一非门INV1的输出端连接；所述第三加法器SUM3的第二正输入端与所述第二非门INV2的输出端连接；所述第一非门INV1的输入端与所述第二比较器CMP2的输出端连接；所述第二非门INV2的输入端与所述第三比较器CMP3的输出端连接；所述第二加法器SUM2的输出端与所述第一限幅器LIM1的输入端连接；所述第三加法器SUM3的输出端与所述第二限幅器LIM2的输入端连接；所述第一限幅器LIM1的输出端与所述第一开关管S₁驱动电路的输入端连接；所述第二限幅器LIM2的输出端与所述第二开关管S₂驱动电路的输入端连接；所述第一开关管S₁驱动电路的输出端与所述主电路单元中第一开关管S₁的第三端连接；所述第二开关管S₂驱动电路的输出端与所述主电路单元中第二开关管S₂的第三端连接；所述第二比较器CMP2的正输入端与所述输入电压V_in连接；所述第二比较器CMP2的负输入端与所述输出电压V_out连接；所述第三比较器CMP3的正输入端与所述输出电压V_out连接；所述第三比较器CMP3的负输入端与所述第一电压参考值V_ref1连接；所述第二比较器CMP2的输出端与所述异或门XOR的第一输入端、所述第三非门INV3的输入端、所述第四非门INV4的输入端连接；所述第三比较器CMP3的输出端与所述异或门XOR的第二输入端连接。

在其中一个实施例中，通过所述输入电压V_in、所述输出电压V_out、所述第一电压参考值V_ref1，可将输出电压分为三个连续的电压区间，如图2所示，图2为本申请一个实施例中提供的多模式电压变换电路在不同输出电压时的工作模式、继电器及开关管通断状态示意图，主控制单元通过所述第二比较器CMP2、所述第三比较器CMP3判断主电路单元应工作在哪个模式，再通过第一非门INV1、第二非门INV2、第三非门INV3、第四非门INV4、异或门XOR得出第一开关管S₁、第二开关管S₂、第一继电器K₁、第二继电器K₂、第三继电器K₃线圈应该给定的信号；具体如下：

若输出电压V_out大于输入电压V_in以及第一电压参考值V_ref1，则第二比较器CMP2输出0、所述第三比较器CMP3输出1；此时主电路应该工作在模式1，第一非门INV1输出1、第二非门INV2输出0、第三非门INV3输出1、第四非门INV4输出1、异或门XOR输出1；第一继电器K₁线圈通电、第二继电器K₂线圈通电、第三继电器K₃线圈通电；第一开关管S₁常闭、第二开关管S₂高频开关、第一继电器K₁常开端闭合、第二继电器K₂常开端闭合、第三继电器K₃常开端闭合，主电路切换到工作模式1；

若输入电压V_in大于输出电压V_out，同时输出电压V_out大于第一电压参考值V_ref1，则第二比较器CMP2输出1、所述第三比较器CMP3输出1；此时主电路应该工作在模式2，第一非门INV1输出0、第二非门INV2输出0、第三非门INV3输出0、第四非门INV4输出0、异或门XOR输出0；第一继电器K₁线圈断电、第二继电器K₂线圈断电、第三继电器K₃线圈断电；第一开关管S₁高频开关、第一继电器K₁常闭端闭合、第二继电器K₂常闭端闭合、第三继电器K₃常闭端闭合，主电路切换到工作模式2；

若输入电压V_in大于输出电压V_out，同时第一电压参考值V_ref1大于输出电压V_out，，则第二比较器CMP2输出1、所述第三比较器CMP3输出0；此时主电路应该工作在模式3，第一非门INV1输出0、第二非门INV2输出1、第三非门INV3输出0、第四非门INV4输出0、异或门XOR输出1；第一继电器K₁线圈通电、第二继电器K₂线圈断电、第三继电器K₃线圈断电；第一开关管S₁高频开关、第二开关管S₂常闭、第一继电器K₁常开端闭合、第二继电器K₂常闭端闭合、第三继电器K₃常闭端闭合，主电路切换到工作模式3。

在其中一个实施例中，所述的第一电压参考值V_ref1应设为0，从而将输出电压分为三个连续的电压区间，第二电压参考值V_ref2的具体值应根据实际输出电压工况设定。

在其中一个实施例中，所述继电器驱动电路包括第一三极管Q₁、第二三极管Q₂、第三三极管Q₃、第一电阻R₁、第二电阻R₂、第三电阻R₃、第四电阻R₄、第五电阻R₅、第六电阻R₆、第五二极管D_K1、第六二极管D_K2、第七二极管D_K3；

所述第二电阻R₂的第一端与所述主控制单元的异或门XOR的输出端连接；所述第二电阻R₂的第二端与所述第一电阻R₁的第一端、所述第一三极管Q₁的基极连接；所述第一电阻R₁的第二端与所述第一三极管Q₁的发射极及地连接；所述第一三极管Q₁的集电极与第五二极管D_K1的阴极、第一继电器K₁线圈的第一端连接；所述第五二极管D_K1的阳极与第一继电器K₁线圈的第二端、正12V电压连接；

所述第四电阻R₄的第一端与所述主控制单元的第三非门INV3的输出端连接；所述第四电阻R₄的第二端与所述第三电阻R₃的第一端、所述第二三极管Q₂的基极连接；所述第三电阻R₃的第二端与所述第二三极管Q₂的发射极及地连接；所述第二三极管Q₂的集电极与第六二极管D_K2的阴极、第二继电器K₂线圈的第一端连接；所述第六二极管D_K2的阳极与第二继电器K₂线圈的第二端、正12V电压连接；

所述第六电阻R₆的第一端与所述主控制单元的第四非门INV4的输出端连接；所述第六电阻R₆的第二端与所述第五电阻R₅的第一端、所述第三三极管Q₃的基极连接；所述第五电阻R₅的第二端与所述第三三极管Q₃的发射极及地连接；所述第三三极管Q₃的集电极与第七二极管D_K3的阴极、第三继电器K₃线圈的第一端连接；所述第七二极管D_K3的阳极与第三继电器K₃线圈的第二端、正12V电压连接。

本发明第二方面提供了一种多模式电压变换电路的控制方法，用于控制前述任一实施例所述的多模式电压变换电路；如图3所示，图3为本申请第二实施例中提供的多模式电压变换电路控制方法的流程图。所述的多模式电压变换电路的控制方法包括：

步骤S₁：检测输入电压V_in和输出电压V_out；

步骤S₂：主控制单元的绝对值电路Abs对输出电压V_out求绝对值，并与第二电压参考值V_ref2通过第一加法器SUM1比较输出差值，经过PI控制器调节后与三角载波比较输出PWM波；

步骤S₃：主控制单元的第二比较器CMP2和第三比较器CMP3根据输入电压V_in、输出电压V_out及第一电压参考值V_ref1判断主电路单元应该工作的模式并输出信号；

步骤S₄₁：继电器驱动电路根据异或门XOR、第三非门INV3、第四非门INV4输出信号使第一继电器K₁、第二继电器K₂、第三继电器K₃线圈通断电；

步骤S₄₂：第二比较器CMP2经过第一非门INV1输出信号和PWM波叠加经过第一限幅器LIM1，再通过开关管驱动电路驱动第一开关管S₁通断；

步骤S₄₃：第三比较器CMP3经过第二非门INV2输出信号和PWM波叠加经过第二限幅器LIM2，再通过开关管驱动电路驱动第二开关管S₂通断；

步骤S₅：主电路单元工作模式切换完毕；

步骤S₆：保持高频开关状态的开关管根据PWM信号开通关断，将主电路的输出电压V_out变换为第二电压参考值V_ref2；

所述的多模式电压变换电路的控制方法，其特征在于，步骤S₂，经过PI控制器调节后与三角载波比较输出的PWM波的幅值与步骤S₄₂的第一非门INV1及步骤S₄₃的第二非门INV2输出的高电平信号幅值、步骤S₄₂的第一限幅器LIM1及步骤S₄₃的第二限幅器LIM2的限幅电平相同。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下文对现有技术和实施例中所需要使用的附图作简单的介绍，下述附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来说，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本申请一个实施例中提供的多模式电压变换电路的结构及拓扑示意图；

图2为本申请一个实施例中提供的多模式电压变换电路在不同输出电压时的工作模式、继电器及开关管通断状态示意图；

图3为本申请第二实施例中提供的多模式电压变换电路控制方法的流程图；

图4为本申请一个实施例中提供的多模式电压变换电路在工作模式1的拓扑示意图；

图5为本申请一个实施例中提供的多模式电压变换电路在工作模式2的拓扑示意图；

图6为本申请一个实施例中提供的多模式电压变换电路在工作模式3的拓扑示意图；

图7为本申请一个实施例中提供的多模式电压变换电路三种工作模式的增益曲线图；

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整的描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本申请的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本申请的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在于限制本申请。

可以理解，本申请所使用的术语“第一”、“第二”等可在本文中用于描述各种元件，但这些元件不受这些术语限制。这些术语仅用于将第一个元件与另一个元件区分。

需要说明的是，当一个元件被认为是“连接”另一个元件时,它可以是直接连接到另一个元件，或者通过居中元件连接另一个元件。此外，以下实施例中的“连接”，如果被连接的对象之间具有电信号或数据的传递。则应理解为“电连接”、“通信连接”等。

在此使用时，单数形式的“一”、“一个”和“所述/该”也可以包括复数形式，除非上下文清楚指出另外的方式。还应当理解的是，术语“包括/包含”或“具有”等指定所陈述的特征、整体、步骤、操作、组件、部分或它们的组合的存在，但是不排除存在或添加一个或更多个其他特征、整体、步骤、操作、组件、部分或它们的组合的可能性。

在本发明提供的一个实施例中，如图1所示，提供了一种多模式电压变换电路，包括主电路单元、输入电压检测、输出电压检测、主控制单元、继电器驱动电路。

其中主电路单元，直流输入电源V_in的正极与输入电压检测的输入端连接，负载R_L的第一端与输出电压检测的输入端连接；输入电压检测，输入端与主电路单元的直流输入电源V_in的正极连接，输出端与主控制单元的第二比较器CMP2的正输入端连接；输出电压检测，输入端与主电路单元的负载R_L的第一端连接，输出端与主控制单元的绝对值电路Abs的输入端、第二比较器CMP2的负输入端连接以及第三比较器CMP3的正输入端连接；主控制单元，绝对值电路Abs的输入端、第二比较器CMP2的负输入端以及第三比较器CMP3的正输入端与输出电压V_out连接，第二比较器CMP2的正输入端与输入电压V_in连接，第三比较器CMP3的负输入端与第一电压参考值V_ref1连接，第一加法器SUM1的正输入端与第二电压参考值V_ref2连接，三角波电压源与第一比较器CMP1的负输入端连接，第一开关管S₁驱动电路的输出端与主电路单元中第一开关管S₁的第三端连接，第二开关管S₂驱动电路的输出端与主电路单元中第二开关管S₂的第三端连接，异或门XOR的输出端与继电器驱动电路的第二电阻R₂的第一端连接，第三非门INV3的输出端与继电器驱动电路的第四电阻R₄的第一端连接，第四非门INV4的输出端与继电器驱动电路的第六电阻R₆的第一端连接；继电器驱动电路，第二电阻R₂的第一端的第一端与主控制单元的异或门XOR的输出端连接，第四电阻R₄的第一端与主控制单元的第三非门INV3的输出端连接，第六电阻R₆的第一端与主控制单元的第四非门INV4的输出端连接；

所述主电路单元包括直流输入电源V_in、第一开关管S₁、第二开关管S₂、第一电感L₁、第二电感L₂、第三电感L₃、第一电容C₁、第二电容C₂、第一二极管D₁、第二二极管D₂、第三二极管D₃、第四二极管D₄、第一继电器K₁、第二继电器K₂、第三继电器K₃及负载R_L；

所述直流输入电源V_in的正极与所述第一开关管S₁的第一端连接；所述第一开关管S₁的第二端与所述第一继电器K₁的公共端连接；所述第一继电器K₁的常开端与所述第一二极管D₁的阳极端、所述第一电感L₁的第一端、所述第三继电器K₃的常闭端连接；所述第一继电器K₁的常闭端与所述第四二极管D₄的阴极端、所述第三电感L₃的第一端连接；所述第一二极管D₁的阴极端与所述第二二极管D₂的阴极端、所述第二电感L₂的第一端连接；所述第一电感L₁的第二端与所述第二二极管D₂的阳极端、第一电容C₁的第一端连接；所述第二电感L₂的第二端与所述第一电容C₁的第二端、所述第二开关管S₂的第一端、所述第二继电器K₂的常开端连接；所述第二继电器K₂的公共端与所述第三二极管D₃的阳极端连接；所述第二继电器K₂的常闭端与所述第三继电器K₃的常开端、所述第二电容C₂的第一端、所述负载R_L的第一端、所述第三电感L₃的第二端连接；所述第三继电器K₃的公共端与所述第三二极管D₃的阴极端连接；所述第二开关管S₂的第二端与所述第四二极管D₄的阳极端、所述直流输入电源V_in的负极、所述第二电容C₂的第二端、所述负载R_L的第二端连接；

所述主控制单元包括绝对值电路Abs、第一加法器SUM1、第二加法器SUM2、第三加法器SUM3、第一比较器CMP1、第二比较器CMP2、第三比较器CMP3、PI控制器、三角波电压源、第一非门INV1、第二非门INV2、第三非门INV3、第四非门INV4、异或门XOR、第一限幅器LIM1、第二限幅器LIM2、第一开关管S₁驱动电路、第二开关管S₂驱动电路、第一电压参考值V_ref1、第二电压参考值V_ref2；

所述绝对值电路Abs的输入端与所述输出电压V_out连接；所述绝对值电路Abs的输出端与所述第一加法器SUM1的负输入端连接；所述第一加法器SUM1的正输入端与所述第二电压参考值V_ref2连接；所述第一加法器SUM1的输出端与所述PI控制器的输入端连接；所述PI控制器的输出端与所述第一比较器CMP1的正输入端连接；所述三角波电压源与所述第一比较器CMP1的负输入端连接；所述第一比较器CMP1的输出端与所述第二加法器SUM2的第一正输入端、所述第三加法器SUM3的第一正输入端连接；所述第二加法器SUM2的第二正输入端与所述第一非门INV1的输出端连接；所述第三加法器SUM3的第二正输入端与所述第二非门INV2的输出端连接；所述第一非门INV1的输入端与所述第二比较器CMP2的输出端连接；所述第二非门INV2的输入端与所述第三比较器CMP3的输出端连接；所述第二加法器SUM2的输出端与所述第一限幅器LIM1的输入端连接；所述第三加法器SUM3的输出端与所述第二限幅器LIM2的输入端连接；所述第一限幅器LIM1的输出端与所述第一开关管S₁驱动电路的输入端连接；所述第二限幅器LIM2的输出端与所述第二开关管S₂驱动电路的输入端连接；所述第一开关管S₁驱动电路的输出端与所述主电路单元中第一开关管S₁的第三端连接；所述第二开关管S₂驱动电路的输出端与所述主电路单元中第二开关管S₂的第三端连接；所述第二比较器CMP2的正输入端与所述输入电压V_in连接；所述第二比较器CMP2的负输入端与所述输出电压V_out连接；所述第三比较器CMP3的正输入端与所述输出电压V_out连接；所述第三比较器CMP3的负输入端与所述第一电压参考值V_ref1连接；所述第二比较器CMP2的输出端与所述异或门XOR的第一输入端、所述第三非门INV3的输入端、所述第四非门INV4的输入端连接；所述第三比较器CMP3的输出端与所述异或门XOR的第二输入端连接。

所述继电器驱动电路包括第一三极管Q₁、第二三极管Q₂、第三三极管Q₃、第一电阻R₁、第二电阻R₂、第三电阻R₃、第四电阻R₄、第五电阻R₅、第六电阻R₆、第五二极管D_K1、第六二极管D_K2、第七二极管D_K3；

所述第二电阻R₂的第一端与所述主控制单元的异或门XOR的输出端连接；所述第二电阻R₂的第二端与所述第一电阻R₁的第一端、所述第一三极管Q₁的基极连接；所述第一电阻R₁的第二端与所述第一三极管Q₁的发射极及地连接；所述第一三极管Q₁的集电极与第五二极管D_K1的阴极、第一继电器K₁线圈的第一端连接；所述第五二极管D_K1的阳极与第一继电器K₁线圈的第二端、正12V电压连接；

所述第四电阻R₄的第一端与所述主控制单元的第三非门INV3的输出端连接；所述第四电阻R₄的第二端与所述第三电阻R₃的第一端、所述第二三极管Q₂的基极连接；所述第三电阻R₃的第二端与所述第二三极管Q₂的发射极及地连接；所述第二三极管Q₂的集电极与第六二极管D_K2的阴极、第二继电器K₂线圈的第一端连接；所述第六二极管D_K2的阳极与第二继电器K₂线圈的第二端、正12V电压连接；

所述第六电阻R₆的第一端与所述主控制单元的第四非门INV4的输出端连接；所述第六电阻R₆的第二端与所述第五电阻R₅的第一端、所述第三三极管Q₃的基极连接；所述第五电阻R₅的第二端与所述第三三极管Q₃的发射极及地连接；所述第三三极管Q₃的集电极与第七二极管D_K3的阴极、第三继电器K₃线圈的第一端连接；所述第七二极管D_K3的阳极与第三继电器K₃线圈的第二端、正12V电压连接。

若输出电压V_out大于输入电压V_in以及第一电压参考值V_ref1，则第二比较器CMP2输出0、所述第三比较器CMP3输出1；此时主电路应该工作在模式1，第一非门INV1输出1、第二非门INV2输出0、第三非门INV3输出1、第四非门INV4输出1、异或门XOR输出1；第一继电器K₁线圈通电、第二继电器K₂线圈通电、第三继电器K₃线圈通电；第一开关管S₁常闭、第二开关管S₂高频开关、第一继电器K₁常开端闭合、第二继电器K₂常开端闭合、第三继电器K₃常开端闭合，主电路单元切换到工作模式1；如图4所示。

主电路模块工作在模式1时有两个模态，当主电路模块工作在模式1的模态1时，第一开关管S₁导通，第二开关管S₂导通，第一二极管D₁导通，第二二极管D₂和第三二极管D₃截止，直流输入电源V_in和第一电容C₁共同给第一电感L₁充电，直流输入电源V_in单独给第二电感L₂充电，第二电容C₂给负载供电；当主电路模块工作在模式1的模态2时，第一开关管S₁导通，第二开关管S₂关断，第一二极管D₁截止，第二二极管D₂和第三二极管D₃导通，第二电感L₂经第二二极管D₂向第一电容C₁释放能量，第一电容C₁储能，直流输入电源V_in和第一电感L₁经第三二极管D₃向输出端释放能量，第二电容C₂储能。

对模式1的两个模态进行分析，可得第一电感L₁和第二电感L₂的状态变量V_L1、V_L2为：

根据电感的伏秒平衡定理，从上式可以得出：

若输入电压V_in大于输出电压V_out，同时输出电压V_out大于第一电压参考值V_ref1，则第二比较器CMP2输出1、所述第三比较器CMP3输出1；此时主电路应该工作在模式2，第一非门INV1输出0、第二非门INV2输出0、第三非门INV3输出0、第四非门INV4输出0、异或门XOR输出0；第一继电器K₁线圈断电、第二继电器K₂线圈断电、第三继电器K₃线圈断电；第一开关管S₁高频开关、第一继电器K₁常闭端闭合、第二继电器K₂常闭端闭合、第三继电器K₃常闭端闭合，主电路单元切换到工作模式2；如图5所示。

主电路模块工作在模式2时有两个模态，当主电路模块工作在模式2的模态1时，第一开关管S₁导通，第四二极管D₄截止，直流输入电源V_in给第三电感L₃充电，并向输出端释放能量；当主电路模块工作在模式2的模态2时，第一开关管S₁关断，第四二极管D₄导通，第三电感L₃向输出端释放能量。

对模式2的两个模态进行分析，可得第三电感L₃的状态变量V_L3为：

根据电感的伏秒平衡定理，从上式可以得出：

若输入电压V_in大于输出电压V_out，同时第一电压参考值V_ref1大于输出电压V_out，则第二比较器CMP2输出1、所述第三比较器CMP3输出0；此时主电路应该工作在模式3，第一非门INV1输出0、第二非门INV2输出1、第三非门INV3输出0、第四非门INV4输出0、异或门XOR输出1；第一继电器K₁线圈通电、第二继电器K₂线圈断电、第三继电器K₃线圈断电；第一开关管S₁高频开关、第二开关管S₂常闭、第一继电器K₁常开端闭合、第二继电器K₂常闭端闭合、第三继电器K₃常闭端闭合，主电路单元切换到工作模式3；如图6所示。

主电路模块工作在模式3时有两个模态，当主电路模块工作在模式3的模态1时，第一开关管S₁导通，第二开关管S₂导通，第一二极管D₁导通，第二二极管D₂和第三二极管D₃截止，直流输入电源V_in和第一电容C₁共同给第一电感L₁充电，直流输入电源V_in单独给第二电感L₂充电，第二电容C₂给负载供电；当主电路模块工作在模式3的模态2时，第一开关管S₁关断，第二开关管S₂导通，第一开关管S₁截止，第二二极管D₂和第三二极管D₃导通，第二电感L₂经第二二极管D₂向第一电容C₁释放能量，第一电容C₁储能，第一电感L₁经第三二极管D₃向输出端释放能量，第二电容C₂储能。

对模式3的两个模态进行分析，可得第一电感L₁和第二电感L₂的状态变量V_L1、V_L2为：

根据电感的伏秒平衡定理，从上式可以得出：

多模式电压变换电路三种工作模式的电压增益曲线图如图7所示。

Claims (7)

1.一种多模式电压变换电路，其特征在于，包括：

主电路单元，用于根据主控制单元输出的控制信号选择多模式电压变换电路的工作模式；

所述主电路单元包括直流输入电源V_in、第一开关管S₁、第二开关管S₂、第一电感L₁、第二电感L₂、第三电感L₃、第一电容C₁、第二电容C₂、第一二极管D₁、第二二极管D₂、第三二极管D₃、第四二极管D₄、第一继电器K₁、第二继电器K₂、第三继电器K₃及负载R_L；

所述直流输入电源V_in的正极与所述第一开关管S₁的第一端连接；所述第一开关管S₁的第二端与所述第一继电器K₁的公共端连接；所述第一继电器K₁的常开端与所述第一二极管D₁的阳极端、所述第一电感L₁的第一端、所述第三继电器K₃的常闭端连接；所述第一继电器K₁的常闭端与所述第四二极管D₄的阴极端、所述第三电感L₃的第一端连接；所述第一二极管D₁的阴极端与所述第二二极管D₂的阴极端、所述第二电感L₂的第一端连接；所述第一电感L₁的第二端与所述第二二极管D₂的阳极端、第一电容C₁的第一端连接；所述第二电感L₂的第二端与所述第一电容C₁的第二端、所述第二开关管S₂的第一端、所述第二继电器K₂的常开端连接；所述第二继电器K₂的公共端与所述第三二极管D₃的阳极端连接；所述第二继电器K₂的常闭端与所述第三继电器K₃的常开端、所述第二电容C₂的第一端、所述负载R_L的第一端、所述第三电感L₃的第二端连接；所述第三继电器K₃的公共端与所述第三二极管D₃的阴极端连接；所述第二开关管S₂的第二端与所述第四二极管D₄的阳极端、所述直流输入电源V_in的负极、所述第二电容C₂的第二端、所述负载R_L的第二端连接；

其中，通过控制主电路单元中第一开关管S₁、第二开关管S₂、第一继电器K₁、第二继电器K₂、第三继电器K₃的通断，从而改变主电路单元的工作模式；

输入电压检测，输入端与主电路单元的直流输入电源V_in的正极连接，输出端与第二比较器CMP2的正输入端连接，用于检测直流输入电源V_in的电压并传输给主控制单元；

输出电压检测，输入端与主电路单元的负载R_L的第一端连接，输出端与绝对值电路Abs的输入端、第二比较器CMP2的负输入端、第三比较器CMP3的正输入端连接，用于检测负载R_L的电压并传输给主控制单元；

主控制单元，绝对值电路Abs的输入端、第二比较器CMP2的负输入端以及第三比较器CMP3的正输入端与输出电压V_out连接；第二比较器CMP2的正输入端与输入电压V_in连接；第三比较器CMP3的负输入端与第一电压参考值V_ref1连接；第一加法器SUM1的正输入端与第二电压参考值V_ref2连接；第一开关管S₁驱动电路的输出端与主电路单元中第一开关管S₁的第三端连接；第二开关管S₂驱动电路的输出端与主电路单元中第二开关管S₂的第三端连接；异或门XOR的输出端与继电器驱动电路的第一输入端连接；第三非门INV3的输出端与继电器驱动电路的第二输入端连接；第四非门INV4的输出端与继电器驱动电路的第三输入端连接；用于根据主电路单元的输入电压V_in和输出电压V_out、第一电压参考值V_ref1及第二电压参考值V_ref2判断主电路应选择的工作模式，并输出信号给继电器驱动电路，以及计算出使主电路单元的输出电压V_out回到预设值的占空比D，生成占空比为D的PWM波并传输给开关管驱动电路；

继电器驱动电路，第一输入端与主控制单元的异或门XOR的输出端连接；第二输入端与主控制单元的第三非门INV3的输出端连接；第三输入端与主控制单元的第四非门INV4的输出端连接；用于将主控制单元输出端的信号进行电流放大，达到足以驱动第一继电器K₁、第二继电器K₂、第三继电器K₃的电流强度。

2.根据权利要求1所述的多模式电压变换电路，其特征在于，通过控制主电路单元中第一开关管S₁、第二开关管S₂、第一继电器K₁、第二继电器K₂、第三继电器K₃的通断，从而改变主电路单元的工作模式，主电路单元的工作模式分别有模式1、模式2以及模式3，所对应的继电器信号端状态、开关管通断状态以及电压变换比M如下：

工作模式1，对应所述的第一继电器K₁的信号端为高电平、所述的第二继电器K₂的信号端为高电平、所述的第三继电器K₃的信号端为高电平，即所述的第一继电器K₁的常开端闭合、所述的第二继电器K₂的常开端闭合、所述的第三继电器K₃的常开端闭合，同时所述的第一开关管S₁保持常闭状态，所述的第二开关管S₂保持高频开关状态，此时的电压变换比M＝1/(1-D)²；

工作模式2，对应所述的第一继电器K₁的信号端为低电平、所述的第二继电器K₂的信号端为低电平、所述的第三继电器K₃的信号端为低电平，即所述的第一继电器K₁的常闭端闭合、所述的第二继电器K₂的常闭端闭合、所述的第三继电器K₃的常闭端闭合，同时所述的第一开关管S₁保持高频开关状态，此时的电压变换比M＝D；

工作模式3，对应所述的第一继电器K₁的信号端为高电平、所述的第二继电器K₂的信号端为低电平、所述的第三继电器K₃的信号端为低电平，即所述的第一继电器K₁的常开端闭合、所述的第二继电器K₂的常闭端闭合、所述的第三继电器K₃的常闭端闭合，同时所述的第二开关管S₂保持常闭状态，所述的第一开关管S₁保持高频开关状态，此时的电压变换比M＝(D²-2D)/(1-D)²。

3.根据权利要求1所述的多模式电压变换电路，其特征在于，所述主控制单元包括绝对值电路Abs、第一加法器SUM1、第二加法器SUM2、第三加法器SUM3、第一比较器CMP1、第二比较器CMP2、第三比较器CMP3、PI控制器、三角波电压源、第一非门INV1、第二非门INV2、第三非门INV3、第四非门INV4、异或门XOR、第一限幅器LIM1、第二限幅器LIM2、第一开关管S₁驱动电路、第二开关管S₂驱动电路、第一电压参考值V_ref1、第二电压参考值V_ref2；

所述绝对值电路Abs的输入端与所述输出电压V_out连接；所述绝对值电路Abs的输出端与所述第一加法器SUM1的负输入端连接；所述第一加法器SUM1的正输入端与所述第二电压参考值V_ref2连接；所述第一加法器SUM1的输出端与所述PI控制器的输入端连接；所述PI控制器的输出端与所述第一比较器CMP1的正输入端连接；所述三角波电压源与所述第一比较器CMP1的负输入端连接；所述第一比较器CMP1的输出端与所述第二加法器SUM2的第一正输入端、所述第三加法器SUM3的第一正输入端连接；所述第二加法器SUM2的第二正输入端与所述第一非门INV1的输出端连接；所述第三加法器SUM3的第二正输入端与所述第二非门INV2的输出端连接；所述第一非门INV1的输入端与所述第二比较器CMP2的输出端连接；所述第二非门INV2的输入端与所述第三比较器CMP3的输出端连接；所述第二加法器SUM2的输出端与所述第一限幅器LIM1的输入端连接；所述第三加法器SUM3的输出端与所述第二限幅器LIM2的输入端连接；所述第一限幅器LIM1的输出端与所述第一开关管S₁驱动电路的输入端连接；所述第二限幅器LIM2的输出端与所述第二开关管S₂驱动电路的输入端连接；所述第一开关管S₁驱动电路的输出端与所述主电路单元中第一开关管S₁的第三端连接；所述第二开关管S₂驱动电路的输出端与所述主电路单元中第二开关管S₂的第三端连接；所述第二比较器CMP2的正输入端与所述输入电压V_in连接；所述第二比较器CMP2的负输入端与所述输出电压V_out连接；所述第三比较器CMP3的正输入端与所述输出电压V_out连接；所述第三比较器CMP3的负输入端与所述第一电压参考值V_ref1连接；所述第二比较器CMP2的输出端与所述异或门XOR的第一输入端、所述第三非门INV3的输入端、所述第四非门INV4的输入端连接；所述第三比较器CMP3的输出端与所述异或门XOR的第二输入端连接。

4.根据权利要求1所述的多模式电压变换电路，其特征在于，通过所述输入电压V_in、所述输出电压V_out、所述第一电压参考值V_ref1，可将输出电压分为三个连续的电压区间，主控制单元通过所述第二比较器CMP2、所述第三比较器CMP3判断主电路单元应工作在哪个模式，再通过第一非门INV1、第二非门INV2、第三非门INV3、第四非门INV4、异或门XOR得出第一开关管S₁、第二开关管S₂、第一继电器K₁、第二继电器K₂、第三继电器K₃线圈应该给定的信号；具体如下：

若输出电压V_out大于输入电压V_in以及第一电压参考值V_ref1，则第二比较器CMP2输出0、所述第三比较器CMP3输出1；此时主电路应该工作在模式1，第一非门INV1输出1、第二非门INV2输出0、第三非门INV3输出1、第四非门INV4输出1、异或门XOR输出1；第一继电器K₁线圈通电、第二继电器K₂线圈通电、第三继电器K₃线圈通电；第一开关管S₁常闭、第二开关管S₂高频开关、第一继电器K₁常开端闭合、第二继电器K₂常开端闭合、第三继电器K₃常开端闭合，主电路切换到工作模式1；

若输入电压V_in大于输出电压V_out，同时输出电压V_out大于第一电压参考值V_ref1，则第二比较器CMP2输出1、所述第三比较器CMP3输出1；此时主电路应该工作在模式2，第一非门INV1输出0、第二非门INV2输出0、第三非门INV3输出0、第四非门INV4输出0、异或门XOR输出0；第一继电器K₁线圈断电、第二继电器K₂线圈断电、第三继电器K₃线圈断电；第一开关管S₁高频开关、第一继电器K₁常闭端闭合、第二继电器K₂常闭端闭合、第三继电器K₃常闭端闭合，主电路切换到工作模式2；

若输入电压V_in大于输出电压V_out，同时第一电压参考值V_ref1大于输出电压V_out，则第二比较器CMP2输出1、所述第三比较器CMP3输出0；此时主电路应该工作在模式3，第一非门INV1输出0、第二非门INV2输出1、第三非门INV3输出0、第四非门INV4输出0、异或门XOR输出1；第一继电器K₁线圈通电、第二继电器K₂线圈断电、第三继电器K₃线圈断电；第一开关管S₁高频开关、第二开关管S₂常闭、第一继电器K₁常开端闭合、第二继电器K₂常闭端闭合、第三继电器K₃常闭端闭合，主电路切换到工作模式3。

5.根据权利要求3所述的多模式电压变换电路，其特征在于，所述的第一电压参考值V_ref1应设为0，从而将输出电压分为三个连续的电压区间，第二电压参考值V_ref2的具体值应根据实际输出电压工况设定。

6.根据权利要求1所述的多模式电压变换电路，其特征在于，所述继电器驱动电路包括第一三极管Q₁、第二三极管Q₂、第三三极管Q₃、第一电阻R₁、第二电阻R₂、第三电阻R₃、第四电阻R₄、第五电阻R₅、第六电阻R₆、第五二极管D_K1、第六二极管D_K2、第七二极管D_K3；

所述第二电阻R₂的第一端与所述主控制单元的异或门XOR的输出端连接；所述第二电阻R₂的第二端与所述第一电阻R₁的第一端、所述第一三极管Q₁的基极连接；所述第一电阻R₁的第二端与所述第一三极管Q₁的发射极及地连接；所述第一三极管Q₁的集电极与第五二极管D_K1的阴极、第一继电器K₁线圈的第一端连接；所述第五二极管D_K1的阳极与第一继电器K₁线圈的第二端、正12V电压连接；

所述第四电阻R₄的第一端与所述主控制单元的第三非门INV3的输出端连接；所述第四电阻R₄的第二端与所述第三电阻R₃的第一端、所述第二三极管Q₂的基极连接；所述第三电阻R₃的第二端与所述第二三极管Q₂的发射极及地连接；所述第二三极管Q₂的集电极与第六二极管D_K2的阴极、第二继电器K₂线圈的第一端连接；所述第六二极管D_K2的阳极与第二继电器K₂线圈的第二端、正12V电压连接；

所述第六电阻R₆的第一端与所述主控制单元的第四非门INV4的输出端连接；所述第六电阻R₆的第二端与所述第五电阻R₅的第一端、所述第三三极管Q₃的基极连接；所述第五电阻R₅的第二端与所述第三三极管Q₃的发射极及地连接；所述第三三极管Q₃的集电极与第七二极管D_K3的阴极、第三继电器K₃线圈的第一端连接；所述第七二极管D_K3的阳极与第三继电器K₃线圈的第二端、正12V电压连接。

7.一种多模式电压变换电路的控制方法，其特征在于，用于控制权利要求1-6任一项所述的多模式电压变换电路；所述的多模式电压变换电路的控制方法包括：

步骤S₁：检测输入电压V_in和输出电压V_out；

步骤S₂：主控制单元的绝对值电路Abs对输出电压V_out求绝对值，并与第二电压参考值V_ref2通过第一加法器SUM1比较输出差值，经过PI控制器调节后与三角载波比较输出PWM波；

步骤S₃：主控制单元的第二比较器CMP2和第三比较器CMP3根据输入电压V_in、输出电压V_out及第一电压参考值V_ref1判断主电路单元应该工作的模式并输出信号；

步骤S₄₁：继电器驱动电路根据异或门XOR、第三非门INV3、第四非门INV4输出信号使第一继电器K₁、第二继电器K₂、第三继电器K₃线圈通断电；

步骤S₄₂：第二比较器CMP2经过第一非门INV1输出信号和PWM波叠加经过第一限幅器LIM1，再通过开关管驱动电路驱动第一开关管S₁通断；

步骤S₄₃：第三比较器CMP3经过第二非门INV2输出信号和PWM波叠加经过第二限幅器LIM2，再通过开关管驱动电路驱动第二开关管S₂通断；

步骤S₅：主电路单元工作模式切换完毕；

步骤S₆：保持高频开关状态的开关管根据PWM信号开通关断，将主电路的输出电压V_out变换为第二电压参考值V_ref2；

根据上述的多模式电压变换电路的控制方法，其特征在于，步骤S₂，经过PI控制器调节后与三角载波比较输出的PWM波的幅值与步骤S₄₂的第一非门INV1及步骤S₄₃的第二非门INV2输出的高电平信号幅值、步骤S₄₂的第一限幅器LIM1及步骤S₄₃的第二限幅器LIM2的限幅电平相同。

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