CN115882733B - 一种全桥开关电源和推免式开关电源复合的拓扑电路 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种全桥开关电源和推免式开关电源复合的拓扑电路，属于电源电路技术领域，它包括电池组、逆变电路、整流滤波电路、变压器T和超级电容；逆变电路与所述电池组并联，逆变电路与变压器T的初级绕组连接，变压器T的次级绕组与整流滤波电路连接，整流滤波电路的输出端连接负载；超级电容的正负极分别与变压器T的初级绕组和电池组的负极连接；电池组、逆变电路和变压器T构成全桥式开关电源，电池组、超级电容和逆变器中的MOS管构成推免式开关电源。本发明通过添加少量的电路元件，实现了两种电路拓扑结构自由切换，使得能够在宽泛的输入需求下，选择合适的隔离型电源初级结构，提高电压利用率，让电路始终保持较高的工作效率。

Description

一种全桥开关电源和推免式开关电源复合的拓扑电路

技术领域

本发明涉及电源电路技术领域，尤其涉及一种全桥开关电源和推免式开关电源复合的拓扑电路。

背景技术

目前，开关电源正朝着小型化、高效化、智能化发展，传统的开关电源分为隔离型和非隔离型开关电源；非隔离型电源是指输入和输出之间没有通过变压器T进行电气隔离，有直接的电流回路，输入和输出之间是共地的。其结构简单，成本低，效率高，安全性能差，接触负载就有触电的危险。而隔离型电源输入和输出之间是绝缘的高阻态，每个模块单独供电，防止一个模块因受高压放电或其他原因导致损坏后殃及其他模块。在工业控制设备中，有时候要求两个系统之间的电源地线隔离，如隔离地线噪声、隔离高共模电压等，采用带变压器T的直流变换器，将两个电源之间隔开，使他们相互独立，从而实现以上目的。在高频交流下完成电压转换的隔离型电源，能够有效减小变压器T体积，实现小型化。尽管如此，隔离型电源依旧存在转换效率较低，设计复杂度较大的问题。

在较高功率变换器中最为常用的全桥式开关电源结构，由于两组开关器件轮流交替工作，相当于两个开关电源同时输出功率，其输出功率约等于单一开关电源输 出功率的两倍。因此，全桥式变压器T开关电源输出功率很大，工作效率很高，经桥式整流或全波整流后，其输出电压的电压脉动系数Sv和电流脉动系数Si都很小，仅需要一个很小值的储能滤波电容或储能滤波电感，就可以得到一个电压纹波和电流纹波都很小的输出电压。而当输入电压较低时，全桥式变压器T开关电源对电源利用率低、工作效率低的缺点就会显现，因为2组开关器件互相串联，两个开关器件接通时总的电压降要比单个开关器件 接通时的电压降大一倍。而推挽式电源恰恰是所有开关电源中电压利用率最高的开关电源。

另一方面，推挽式电源有两组初级线圈，对小功率输出的推挽式开关电源是个缺点，但在大功率输出下却是开关电源的优点。同时，推挽式电源由于开关器件耐压值的限制，导致其更适合用于低电压的场景，他在输入电压很低的情况下，依然能维持很大的输出功率。因此，对推挽式开关电源而言，其最佳的工作场景是低压大功率。而这又正好是全桥型电源表现不佳的地方。

需要说明的是，在上述背景技术部分公开的信息只用于加强对本公开的背景的理解，因此可以包括不构成对本领域普通技术人员已知的现有技术的信息。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的缺点，提供了一种全桥开关电源和推免式开关电源复合的拓扑电路，解决了现有技术中单电源拓扑结构应用范围窄、电压利用率不高，而传统多电源电路成本高，电路结构冗杂的问题。

本发明的目的通过以下技术方案来实现：一种全桥开关电源和推免式开关电源复合的拓扑电路，它包括电池组、逆变电路、整流滤波电路、变压器T和超级电容SC；

所述逆变电路由多个MOS管组成，逆变电路与所述电池组并联，所述逆变电路与变压器T的初级绕组连接，变压器T的次级绕组与所述整流滤波电路连接，整流滤波电路的输出端连接负载；所述超级电容SC的正负极分别与变压器T的初级绕组和电池组的负极连接；

所述电池组、逆变电路和变压器T构成全桥式开关电源，所述电池组、超级电容SC和逆变器中的MOS管构成推免式开关电源，通过调节逆变电路中多个MOS管的导通/关断状态来对超级电容SC进行充电，以及实现全桥式开关电源和推免式开关电路的自由切换。

所述逆变电路包括第一MOS管、第二MOS管、第三MOS管、第四MOS管、第五MOS管和第六MOS管；

所述电池组的正极与第一MOS管的漏极和第三MOS管的漏极连接，第一MOS管的源极与第二MOS管的源极和所述变压器T次级绕组第一绕组的阳极连接，第五MOS管的源极与电池组的负极和第四MOS管的源极连接，第二MOS管的漏极与第五MOS管的漏极连接，第三MOS管的源极与第六MOS管的源极连接，第六MOS管的漏极与变压器T初级绕组第二绕组的阴极和第四MOS管的漏极连接；

所述变压器T初级绕组第一绕组的阴极与变压器T初级绕组第二绕组的阳极连接。

所述电池组、超级电容SC、第二MOS管、第四MOS管和第五MOS管构成推免式开关电源；所述超级电容SC的正极连接变压器T初级绕组第一绕组的阴极连接，超级电容SC的负极与电池组的负极、第四MOS管的源极和第五MOS管的源极连接。

所述整流滤波电容包括第一二极管、第二二极管、第三二极管、第四二极管、第一储能电感和第一储能电容；

所述第一二极管的阳极与变压器T次级绕组的阳极和第四二极管的阴极连接，第一二极管的阴极与第二二极管的阴极和第一滤波电感的阳极连接，第二二极管的阳极与变压器T次级绕组的阴极和第三二极管的阴极连接，第三二极管的阳极与第四二极管的阳极、第一滤波电容的阴极和输出负载的一端连接，第一滤波电感的阴极与第一滤波电容的阳极和输出负载的另一端连接。

所述电池组包括单个电池或者由多个单体电池串联与并联组成，所述超级电容SC包括单个超级电容或者由多个超级电容串联与并联组成，所述电池组的额定电压高于所述超级电容的额定电压。

所述拓扑电路包括工作区间1、工作区间2和工作区间3三种工作区间，所述工作区间1为全桥式开关电源对超级电容SC进行充电工作，所述工作区间2为全桥式开关电源自身进行工作，所述工作区间3为推免式开关电源自身进行工作。

所述拓扑电路工作在工作区间1时，包括工作模态Ⅰ和工作模态Ⅱ两种工作模态；

处于工作模态Ⅰ时，第一MOS管和第四MOS管导通，变压器T初级绕组第一绕组正向激励，向超级电容SC充电；

处于工作模态Ⅱ时，第二MOS管、第五MOS管、第三MOS管和第六MOS管导通，变压器T初级绕组第二绕组反向激励，向超级电容SC充电。

所述拓扑电路工作在工作区间2时，包括工作模态Ⅰ、工作模态Ⅱ、工作模态Ⅲ和工作模态Ⅳ四种工作模态；

处于工作模态Ⅰ时，第一MOS管和第四MOS管导通，变压器T初级绕组第一绕组第二绕组正向激励，一部分电流继续流向超级电容SC给超级电容SC充电；

处于工作模态Ⅱ时，第一MOS管、第二MOS管、第三MOS管、第四MOS管、第五MOS管和第六MOS管全部关断，此时由第一储能电感和第一滤波电容向负载输出电流；

处于工作模态Ⅲ时，第二MOS管、第五MOS管、第三MOS管和第六MOS管导通，变压器T初级绕组第一绕组第二绕组反向激励，一部分电流流向超级电容SC为其充电，第一二极管和第三二极管正向导通，想负载输出电流，同时第一储能电感和第一滤波电容储存能量；

处于工作模态Ⅳ时，第一MOS管、第二MOS管、第三MOS管、第四MOS管、第五MOS管和第六MOS管全部关断，此时由第一储能电感和第一滤波电容向负载输出电流。

所述拓扑电路工作在工作区间3时，包括工作模态Ⅰ、工作模态Ⅱ、工作模态Ⅲ和工作模态Ⅳ四种工作模态；

处于工作模态Ⅰ时，第二MOS管和第五MOS管导通，变压器T初级绕组第一绕组反向激励，超级电容SC放电，第一二极管和第三二极管正向导通，向负载输出电流，同时第一储能电感和第一滤波电容存储能量；

处于工作模态Ⅱ时，第一MOS管、第二MOS管、第三MOS管、第四MOS管、第五MOS管和第六MOS管全部关断，此时由第一储能电感和第一滤波电容向负载输出电流；

处于工作模态Ⅲ时，第四MOS管导通，变压器T初级绕组第二绕组正向激励，超级电容SC放电，第二二极管和第四二极管正向导通，向负载输出电流，同时第一储能电感和第一滤波电容储存能量；

处于工作模态Ⅳ时，第一MOS管、第二MOS管、第三MOS管、第四MOS管、第五MOS管和第六MOS管全部关断，此时由第一储能电感和第一滤波电容向负载输出电流。

本发明具有以下优点：一种全桥开关电源和推免式开关电源复合的拓扑电路，通过添加少量的电路元件，实现了两种电路拓扑结构自由切换，使得能够在宽泛的输入需求下，选择合适的隔离型电源初级结构，提高电压利用率，让电路始终保持较高的工作效率；在推挽级开关电源回路采用了双MOS管背靠背的结构，以保证电路工作在全桥输出下时电流不会回灌，同时大幅降低了对每个MOS管额定电流值的需求，以满足推挽级结构下低电压大电流大功率的输出要求。

附图说明

图1 为本发明的电路结构示意图；

图2 为工作在工作区间1时工作模态Ⅰ的电路结构示意图；

图3 为工作在工作区间1时工作模态Ⅱ的电路结构示意图；

图4 为工作在工作区间2时工作模态Ⅰ的电路结构示意图；

图5 为工作在工作区间2时工作模态Ⅱ的电路结构示意图；

图6 为工作在工作区间2时工作模态Ⅲ的电路结构示意图；

图7 为工作在工作区间2时工作模态Ⅳ的电路结构示意图；

图8 为工作在工作区间3时工作模态Ⅰ的电路结构示意图；

图9 为工作在工作区间3时工作模态Ⅱ的电路结构示意图；

图10为工作在工作区间3时工作模态Ⅲ的电路结构示意图；

图11为工作在工作区间3时工作模态Ⅳ的电路结构示意图。

实施方式

为使本申请实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本申请实施例中附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本申请实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。因此，以下结合附图中提供的本申请的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本申请的保护范围，而是仅仅表示本申请的选定实施例。基于本申请的实施例，本领域技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。下面结合附图对本发明做进一步的描述。

如图1所示，本发明具体涉及一种全桥开关电源和推免式开关电源复合的拓扑电路，包括第一MOS管S1、第二MOS管S2、第三MOS管S3、第四MOS管S4、第五MOS管S5、第六MOS管S6、第一二极管D1、第二二极管D2、第三二极管D3、第四二极管D4、第一储能电感L1、第一稳压电容C1、电池组Vin、超级电容SC以及变压器T。

其中第一MOS管S1、第二MOS管S2、第三MOS管S3、第四MOS管S4、第五MOS管S5、第六MOS管S6、电池组、超级电容、变压器T的初级绕组组成高压输出初级电路，第二MOS管S2、第三MOS管S3、第五MOS管S5、第六MOS管S6、超级电容、变压器T的初级绕组组成低压输出初级电路；所述电池组的正极与第一MOS管S1漏极、第三MOS管S3漏极相连接，第一MOS管S1源极与第五MOS管S5源极、变压器T1初级绕组第一绕组的阳极相连接，第二MOS管S2的源极与电池组的负极、第四MOS管S4的源极相连接，第二MOS管S2的漏极与第五MOS管S5的漏极相连接，第三MOS管S3的源极与第六MOS管S6的源极相连接，第六MOS管S6的漏极与变压器T初级绕组第二绕组的阴极、第四MOS管S4的漏极相连接，超级电容SC的正负极分别与变压器T初级绕组第一绕组的负极、电池组的负极相连接，变压器T初级绕组第一绕组的负极与变压器T初级绕组第二绕组的正极相连接。

第一二极管D1的阳极与变压器T次级绕组的阳极、第四二极管D4的阴极、第一滤波电感L1阳极相连接，第二二极管D2的阳极与变压器T次级绕组的阴极、第三二极管D3的阴极相连接，第三二极管D3的阳极与第四二极管D4的阳极、第一滤波电容C1的阴极、输出负载的阴极相连接，第一滤波电感L1的阴极与第一滤波电容C1的阳极、输出负载的阳极相连接。

其中，电池组为单个电池或者多个单体电池串联与并联组成，超级电容SC为单个超级电容或者由多个超级电容串联与并联组成，电池组的额定电压高于超级电容的额定电压。

本发明在工作区间1时：全桥式开关电路对超级电容进行充电工作，第一MOS管S1、第二MOS管S2、第三MOS管S3、第四MOS管S4调制工作，此阶段共包含2个工作模态：

其中，工作模态Ⅰ：如图2所示，第一MOS管S1导通，第四MOS管S4导通。原边第一绕组正向激励，向超级电容SC充电。

工作模态Ⅱ：如图3所示，第二MOS管S2、第五MOS管S5、第三MOS管S3、第六MOS管S6导通，原边（变压器T初级绕组）第二绕组反向激励，向超级电容充电。至电压稳态（电源电压一半）的87.5%左右。此时电流全部流向超级电容。

本发明在工作区间2时，全桥式开关电源工作，第一MOS管S1、第二MOS管S2、第三MOS管S3、第四MOS管S4、第五MOS管S5、第六MOS管S6调制工作，此阶段共包含4个工作模态。

工作模态Ⅰ：如图4所示，第一MOS管S1、第四MOS管S4导通，变压器T初级绕组第一绕组和第二绕组正向激励，少部分电流继续流向超级电容，为超级电容充电，此时流向电容的电流推导如下：

流经变压器T初级绕组第一绕组的电流为：，

其中，t为时间变量，t0为电荷进入变压器初级绕组第一绕组的时间，t1为电荷离开变压器初级绕组第一绕组的时间，L_t为初级绕组的电感，V_c(t)为超级电容电压值。U_in为电池组Vin的电压值，V_o(t)为输出电压，n为次级绕组与初级绕组比值，nV_o（t）表示负载电压通过变压器T反馈到初级绕组上的电压值。 l ₁为续流电感的电感值。

流经变压器T初级绕组第二绕组的电流为：，

其中t2为电荷进入变压器初级绕组第二绕组的时间，t3为电荷离开变压器初级绕组第二绕组的时间，t3-t2的时间等于t1-t0的时间。

流入超级电容的电流为：，

当超级电容处于稳态时，2V_c(t)≈U_in ,i_c≈0。

同理在工作区间2下的工作模态Ⅲ时，流出超级电容的电流也可以忽略，此时由电池组单独给负载供电，超级电容的不工作。副边第一二极管D1、第三二极管D3正向导通，向负载输出电流，同时第一续流电感L1，第一滤波电容C1储存能量。

工作模态Ⅱ：如图5所示，第一MOS管S1、第二MOS管S2、第三MOS管S3、第四MOS管S4、第五MOS管S5、第六MOS管S6全部关断，由第一储能电感L1和第一滤波电容C1继续向负载输出。

工作模态Ⅲ：如图6所示，第二MOS管S2、第五MOS管S5、第三MOS管S3、第六MOS管S6导通，变压器T初级绕组第一绕组和第二绕组反向激励，少部分电流流向超级电容，为超级电容充电，副边第一二极管D1、第三二极管D3正向导通，向负载输出电流，同时第一储能电感L1，第一滤波电容C1储存能量。

工作模态Ⅳ：如图7所示，第一MOS管S1、第二MOS管S2、第三MOS管S3、第四MOS管S4、第五MOS管S5、第六MOS管S6全部关断，由续流电感L1和滤波电容C1继续向负载输出。

本发明在工作区间3时：推免式开关电源工作，第二MOS管S2、第三MOS管S3、第五MOS管S5、第六MOS管S6调制工作，此阶段共包含4个工作模态：

工作模态Ⅰ：如图8所示，第二MOS管S2、第五MOS管S5导通，变压器T初级绕组第一绕组反向激励，超级电容放电，副边第一二极管D1、第三二极管D3正向导通，向负载输出电流，同时第一储能电感L1，第一滤波电容C1储存能量。

工作模态Ⅱ：如图9所示，第一MOS管S1、第二MOS管S2、第三MOS管S3、第四MOS管S4、第五MOS管S5、第六MOS管S6全部关断，由第一储能电感L1和第一滤波电容C1继续向负载输出。

工作模态Ⅲ：如图10所示，第四MOS管S4导通，变压器T初级绕组第二绕组正向激励，超级电容放电，副边第二二极管D2、第四二极管D4正向导通，向负载输出电流，同时第一续流电感L1，第一滤波电容C1储存能量。

工作模态Ⅳ：如图11所示，第一MOS管S1、第二MOS管S2、第三MOS管S3、第四MOS管S4、第五MOS管S5、第六MOS管S6全部关断，由续流电感L1和滤波电容C1继续向负载输出。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当理解本发明并非局限于本文所披露的形式，不应看作是对其他实施例的排除，而可用于各种其他组合、修改和环境，并能够在本文所述构想范围内，通过上述教导或相关领域的技术或知识进行改动。而本领域人员所进行的改动和变化不脱离本发明的精神和范围，则都应在本发明所附权利要求的保护范围内。

Claims (7)

1.一种全桥开关电源和推免式开关电源复合的拓扑电路，其特征在于：它包括电池组、逆变电路、整流滤波电路、变压器T和超级电容SC；

所述逆变电路由多个MOS管组成，逆变电路与所述电池组并联，所述逆变电路与变压器T的初级绕组连接，变压器T的次级绕组与所述整流滤波电路连接，整流滤波电路的输出端连接负载；所述超级电容SC的正负极分别与变压器T的初级绕组和电池组的负极连接；

所述电池组、逆变电路和变压器T构成全桥式开关电源，所述电池组、超级电容SC和逆变器中的MOS管构成推免式开关电源，通过调节逆变电路中多个MOS管的导通/关断状态来对超级电容SC进行充电，以及实现全桥式开关电源和推免式开关电路的自由切换；

所述逆变电路包括第一MOS管、第二MOS管、第三MOS管、第四MOS管、第五MOS管和第六MOS管；

所述电池组的正极与第一MOS管的漏极和第三MOS管的漏极连接，第一MOS管的源极与第二MOS管的源极和所述变压器T次级绕组第一绕组的阳极连接，第五MOS管的源极与电池组的负极和第四MOS管的源极连接，第二MOS管的漏极与第五MOS管的漏极连接，第三MOS管的源极与第六MOS管的源极连接，第六MOS管的漏极与变压器T初级绕组第二绕组的阴极和第四MOS管的漏极连接；

所述变压器T初级绕组第一绕组的阴极与变压器T初级绕组第二绕组的阳极连接；

所述电池组、超级电容SC、第二MOS管、第四MOS管和第五MOS管构成推免式开关电源；所述超级电容SC的正极连接变压器T初级绕组第一绕组的阴极连接，超级电容SC的负极与电池组的负极、第四MOS管的源极和第五MOS管的源极连接。

2.根据权利要求1所述的一种全桥开关电源和推免式开关电源复合的拓扑电路，其特征在于：所述整流滤波电路包括第一二极管、第二二极管、第三二极管、第四二极管、第一储能电感和第一储能电容；

所述第一二极管的阳极与变压器T次级绕组的阳极和第四二极管的阴极连接，第一二极管的阴极与第二二极管的阴极和第一滤波电感的阳极连接，第二二极管的阳极与变压器T次级绕组的阴极和第三二极管的阴极连接，第三二极管的阳极与第四二极管的阳极、第一滤波电容的阴极和输出负载的一端连接，第一滤波电感的阴极与第一滤波电容的阳极和输出负载的另一端连接。

3.根据权利要求1所述的一种全桥开关电源和推免式开关电源复合的拓扑电路，其特征在于：所述电池组包括单个电池或者由多个单体电池串联与并联组成，所述超级电容SC包括单个超级电容或者由多个超级电容串联与并联组成，所述电池组的额定电压高于所述超级电容的额定电压。

4.根据权利要求1所述的一种全桥开关电源和推免式开关电源复合的拓扑电路，其特征在于：所述拓扑电路包括工作区间1、工作区间2和工作区间3三种工作区间，所述工作区间1为全桥式开关电源对超级电容SC进行充电工作，所述工作区间2为全桥式开关电源自身进行工作，所述工作区间3为推免式开关电源自身进行工作。

5.根据权利要求4所述的一种全桥开关电源和推免式开关电源复合的拓扑电路，其特征在于：所述拓扑电路工作在工作区间1时，包括工作模态Ⅰ和工作模态Ⅱ两种工作模态；

处于工作模态Ⅰ时，第一MOS管和第四MOS管导通，变压器T初级绕组第一绕组正向激励，向超级电容SC充电；

处于工作模态Ⅱ时，第二MOS管、第五MOS管、第三MOS管和第六MOS管导通，变压器T初级绕组第二绕组反向激励，向超级电容SC充电。

6.根据权利要求4所述的一种全桥开关电源和推免式开关电源复合的拓扑电路，其特征在于：所述拓扑电路工作在工作区间2时，包括工作模态Ⅰ、工作模态Ⅱ、工作模态Ⅲ和工作模态Ⅳ四种工作模态；

处于工作模态Ⅰ时，第一MOS管和第四MOS管导通，变压器T初级绕组第一绕组第二绕组正向激励，一部分电流继续流向超级电容SC给超级电容SC充电；

处于工作模态Ⅱ时，第一MOS管、第二MOS管、第三MOS管、第四MOS管、第五MOS管和第六MOS管全部关断，此时由第一储能电感和第一滤波电容向负载输出电流；

处于工作模态Ⅲ时，第二MOS管、第五MOS管、第三MOS管和第六MOS管导通，变压器T初级绕组第一绕组第二绕组反向激励，一部分电流流向超级电容SC为其充电，第一二极管和第三二极管正向导通，想负载输出电流，同时第一储能电感和第一滤波电容储存能量；

处于工作模态Ⅳ时，第一MOS管、第二MOS管、第三MOS管、第四MOS管、第五MOS管和第六MOS管全部关断，此时由第一储能电感和第一滤波电容向负载输出电流。

7.根据权利要求4所述的一种全桥开关电源和推免式开关电源复合的拓扑电路，其特征在于：所述拓扑电路工作在工作区间3时，包括工作模态Ⅰ、工作模态Ⅱ、工作模态Ⅲ和工作模态Ⅳ四种工作模态；

处于工作模态Ⅰ时，第二MOS管和第五MOS管导通，变压器T初级绕组第一绕组反向激励，超级电容SC放电，第一二极管和第三二极管正向导通，向负载输出电流，同时第一储能电感和第一滤波电容存储能量；

处于工作模态Ⅱ时，第一MOS管、第二MOS管、第三MOS管、第四MOS管、第五MOS管和第六MOS管全部关断，此时由第一储能电感和第一滤波电容向负载输出电流；

处于工作模态Ⅲ时，第四MOS管导通，变压器T初级绕组第二绕组正向激励，超级电容SC放电，第二二极管和第四二极管正向导通，向负载输出电流，同时第一储能电感和第一滤波电容储存能量；

处于工作模态Ⅳ时，第一MOS管、第二MOS管、第三MOS管、第四MOS管、第五MOS管和第六MOS管全部关断，此时由第一储能电感和第一滤波电容向负载输出电流。

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