CN204633600U - 一种新型交错并联升降压斩波电路拓扑结构 - Google Patents

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宋江峰
王筱剑
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Abstract

本实用新型涉及了一种新型交错并联升降压斩波电路拓扑结构，包括电源Us、第一电容C1、第一电感L1、第一开关管S1、第二电容C2、第二开关管S2、第一开关管的体二极管D1、第二开关管的体二极管D2、第二电感L2、第三开关管S3、第四开关管S4、第三开关管的体二极管D3、第四开关管的体二极管D4、开关电容Cf以及负载RL，其中，第一电容C1并联在电源Us两端，第一电感L1与第二电容C2、第二开关管S2、开关电容Cf串联后并联在第一电容C1上；第一开关管S1漏极接在第一电感L1与第二电容C2之间，源极接在电源Us负极；第二电感L2与第三开关管S3串联，第二电感一端与电源正极相连；第三开关管S3的集电极接在第二电容C2与第二开关管S2之间；第四开关管S4漏极接在第二电感L2与第三开关管S3之间，源极接在电源Us负极。该结构可以降低开关管在工作过程中所承受的电压应力，电路可以工作于更高的电压场合，延长使用寿命、降低成本，减小体积、提高系统可靠性。

Description

一种新型交错并联升降压斩波电路拓扑结构
技术领域
本实用新型属于升降压斩波电路，具体涉及一种新型交错并联升降压斩波电路拓扑结构。
背景技术
顾名思义，升降压斩波电路既有升压功能也有降压功能，根据输入电压的变化及时调整开关管的状态，维持输出的稳定。Buck-Boost电路、Cuk电路、Sepic电路、Zeta电路是四种最常见的升降压斩波电路拓扑结构。在电路拓扑结构中开关管都要承受着相对较高的电压应力，其中Buck-Boost电路中开关管承受2Us(Us为输入电压，下同)的电压应力，其它三种升降压斩波电路拓扑中开关管承受Us+Uo(Uo为输出电压，下同)的电压应力；因此这些电路拓扑在高压场合的使用就受到了一定的限制，或者要采用更高电压等级的开关管，这必然会造成产品成本的增加。
近年来，大功率电源系统的广泛使用使得交错并联技术得到了快速的发展。交错并联技术因其具有低电流纹波、易于电磁干扰(EMI)设计、动态响应快等特点而常被应用于一些电流较大的场合。从诸多文献来看，传统的交错并联升降压斩波电路虽然具有结构简单，可靠性强的特点，但该电路存在以下缺点：①开关管电压应力为Us，当Us较高时不利于开关管的选取；②各模块电感电流不能自动均流，需进行均流处理；③在一些输入输出电压变换比大的场合，开关管需要工作在极端占空比状态，不利于电路效率的提高，且限制了开关管工作频率的提升。
实用新型内容
有鉴于此，本实用新型提供了一种新型交错并联升降压斩波电路拓扑结构，其可以降低开关管在工作过程中所承受的电压应力，电路可以工作于更高的电压场合，延长使用寿命，降低成本，减小体积，提高系统可靠性。
本实用新型是通过以下技术方案实现的：本实用新型交错并联升降压斩波电路拓扑结构，包括电源Us、第一电容C1、第一电感L1、第一开关管S1、 第二电容C2、第二开关管S2、第一开关管的体二极管D1、第二开关管的体二极管D2、第二电感L2、第三开关管S3、第四开关管S4、第三开关管的体二极管D3、第四开关管的体二极管D4、开关电容Cf以及负载RL，其中，第一电容C1并联在电源Us两端，第一电感L1与第二电容C2、第二开关管S2、开关电容Cf串联后并联在第一电容C1上；第一开关管S1漏极接在第一电感L1与第二电容C2之间，源极接在电源Us负极；第二电感L2与第三开关管S3串联，第二电感一端与电源正极相连；第三开关管S3的集电极接在第二电容C2与第二开关管S2之间；第四开关管S4漏极接在第二电感L2与第三开关管S3之间，源极接在电源Us负极。
本实用新型的有益效果有以下几点：第一点，电压变换比高。新型的交错并联升降压斩波电路无论是工作于Boost模式还是Buck模式，其电压变换比都得到了提高，因而适用于要求大变换比的场合如储能系统，电动车驱动等。第二点，具有与传统交错并联升降压斩波电路输入输出电流纹波小的特点。由于新型变换器的结构与交错并联结构类似，因而也具备输入输出电流纹波小的特点。第三点，开关元器件电压应力低。新型拓扑的元器件电压应力得到了大幅度地降低，因而有利于减小开关损耗。第四点，由于开关电容Cf的存在，新型升降压斩波电路不管是工作于Boost模式还是Buck模式它都有自动均衡各相电感电流的功能。
附图说明
图1是本实用新型提供的一种新型交错并联升降压斩波电路拓扑结构示意图。
图2是本实用新型交错并联升降压斩波电路拓扑结构工作于Boost模式时的等效模态图。
图3是本实用新型交错并联升降压斩波电路拓扑结构工作于Buck模式时的等效模态图。
具体实施方式
结合附图，对优选实施例作详细描述。
图1是本实用新型提供的一种新型交错并联升降压斩波电路拓扑结构 示意图。电路结构中包括电源Us、第一电容C1、第一电感L1、第一开关管S1、第二电容C2、第二开关管S2、第一二开关管的体二极管D1D2、第二电感L2、第三电开关管S3、第四开关管S4、第三四开关管的体二极管D3D4、开关电容Cf以及负载RL，其中，第一电容C1并联在电源Us两端，第一电感L1与第二电容C2、第二开关管S2、开关电容Cf串联后并联在第一电容C1上；第一开关管S1漏极接在第一电感L1与第二电容C2之间，源极接在电源Us负极；第二电感L2与第三开关管S3串联，电感一端与电源正极相连；第三开关管S3的集电极接在第二电容C2与第二开关管S2之间；第四开关管S4漏极接在第二电感L2与第三开关管S3之间，源极接在电源Us负极。
上述连接关系上开关管是按照MOSFET的管脚名称进行说明的，若是其他类型的开关管，则管脚需要进行相应的更改。
开关管可以是IGBT、IPM、MOSFET等智能可控开关器件中一种，二极管可以是单独的二极管模块，也可以是IGBT等开关器件内部集成的二极管器件。
以储能系统为例，新型交错并联升降压斩波电路应用于储能系统中时，Us为蓄电池端，负载为直流母线端，如图1所示。此时新型交错并联升降压斩波电路主要工作于两种工作模式，即Boost模式和Buck模式。
当电路工作于Boost模式时，其主要作用是为储能系统右侧的直流母线端提供能量，以维持直流母线电压的稳定，此时，开关管S1、S4及开关管S2、S3的体二极管处于工作状态。
当电路工作于Buck模式时，其目的是将直流母线侧多余的能量回馈给蓄电池侧为蓄电池充电，从而达到能量双向流动的目的，此时，开关管S2、S3及开关管S1、S4的体二极管处于工作状态。
Boost模式。
当新型交错并联升降压斩波电路工作于Boost模式时，假定电路工作于连续导通模式(Continuous Conduction Mode，CCM)下，开关管S1和S4采用移相控制策略，S1的占空比为d1，S4的占空比为d2，且0.5<d1＝d2＝d<1(为实现新型交错并联升降压斩波电路的大变换比，各相电感电流自动均流的功能，变换器工作于Boost模式时开关稳态工作的占空比宜为0.5<d<1，与此类似，Buck模 式开关工作的占空比宜为0<d<0.5)。则在一个开关周期内，电路工作于Boost模式时它有4个工作模态，各模态的等效电路如图2所示。
模态1：如图2(a)所示，S4、D2导通，S1、D3关断，电感L1及开关电容Cf对负载供电，电源对电感L2充电，此时L2的电流iL2不断增大，电感L1的电流iL1和开关电容电压Ucf下降。
模态2：如图2(b)所示，S1、S4导通，D2、D3关断，电源对电感L1、L2充电，电感电流iL1、iL2不断增大，此时Cf处于电压保持状态，Ucf保持不变。
模态3：如图2(c)所示，S1、D3处于导通状态，S3、D2关断，电源对电感L1充电，电感电流iL1继续增大，电感L2对开关电容Cf充电，Ucf上升，电感电流iL2下降。
模态4：与模态2相同。
Buck模式。
当新型交错并联升降压斩波电路工作于Buck模式时，能量将由直流母线侧(对应于负载端)回馈到蓄电池侧(对应于Us端)，此时主要控制的是S2和S3这两个开关管。假定电路工作于CCM模式下，开关管S2和S3采用的是移相控制策略，其占空比分别为d1、d2(0<d1＝d2＝d<0.5)，因而在一个开关周期内，电路的4个工作模态，各模态的等效电路如图3所示。
模态1：如图3(a)所示，S2、D3导通，S3、D1关断，电源对开关电容Cf和电感L1充电，开关电容Cf上的电压Ucf上升，电感电流iL1线性增大。电感L2通过二极管D4为蓄电池充电，电流iL2不断减小。
模态2：如图3(b)所示，S2、S3处于关断状态，此时，电感L1、L2分别通过D1、D4续流为蓄电池充电，开关电容处于电压保持状态其电压Ucf保持不变。
模态3：如图3(c)所示，S3、D1导通，S2、D4关断，开关电容Cf开始对电感L2充电，L2中的电流iL2不断增大，电压Ucf减小。此时电感L1通过D1续流为蓄电池充电。
模态4：与模态2相同。

Claims (1)

1.一种新型交错并联升降压斩波电路拓扑结构，其特征在于，包括电源Us、第一电容C1、第一电感L1、第一开关管S1、第二电容C2、第二开关管S2、第一开关管的体二极管D1、第二开关管的体二极管D2、第二电感L2、第三开关管S3、第四开关管S4、第三开关管的体二极管D3、第四开关管的体二极管D4、开关电容Cf以及负载RL，其中，第一电容C1并联在电源Us两端，第一电感L1与第二电容C2、第二开关管S2、开关电容Cf串联后并联在第一电容C1上；第一开关管S1漏极接在第一电感L1与第二电容C2之间，源极接在电源Us负极；第二电感L2与第三开关管S3串联，第二电感一端与电源正极相连；第三开关管S3的集电极接在第二电容C2与第二开关管S2之间；第四开关管S4漏极接在第二电感L2与第三开关管S3之间，源极接在电源Us负极。
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