CN208739029U - 一种电压叠加式升压电路 - Google Patents
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Abstract
一种电压叠加式升压电路，可解决传统升压电路开关损耗较大效率不高的技术问题。包括隔离型DC‑DC变换器，还包括叠加电压通道，所述隔离型DC‑DC变换器的输入电源电压先经过输入滤波电路抑制高频分量后送给功率开关管，所述功率开关管通过控制驱动电路进行斩波操作，后经变压器进行隔离和电压变换，最后经整流电路和输出滤波电路输出稳定的直流电压；所述隔离型DC‑DC变换器控制驱动电路通过接地开关控制其工作状态；其中，输入电源电压经过输入滤波电路后还通过叠加电压通道接入所述隔离型DC‑DC变换器的变压器次级的抽头。本实用新型电路损耗小，器件所受电流应力小，功率密度高，特别适合应用于升压比不高的大功率场合。
Description
技术领域
本实用新型涉及升压电路领域，具体涉及一种电压叠加式升压电路。
背景技术
升压电路通过一定的电路结构和控制可以使输出电压高于输入电压，作为一种基础的功能电路，升压电路广泛应用于航空、航天、船舶、武器装备及消费电子等领域。目前可以实现升压功能的电路方案主要分为隔离和非隔离两类，非隔离方案主要为Boost、Cuk、Sepic电路等，隔离方案主要为正激、反激、推挽、半桥、全桥变换器等。但是由于开关损耗的存在，上述电源难以获的97％以上的高效率。另一方面，由于升压电路器件承受较大的电压电流应力，造成电路成本的增加或可靠性的降低。此外，变压器的体积也随着变换器功率的增加而增大，整个电路的体积也会增大，使用不便。
实用新型内容
本实用新型提出的一种电压叠加式升压电路，可解决传统升压电路开关损耗较大效率不高的技术问题。
为实现上述目的，本实用新型采用了以下技术方案：
一种电压叠加式升压电路，包括隔离型DC-DC变换器，还包括叠加电压通道，所述隔离型DC-DC变换器的输入电源电压先经过输入滤波电路抑制高频分量后送给功率开关管，所述功率开关管通过控制驱动电路进行斩波操作，后经变压器进行隔离和电压变换，最后经整流电路和输出滤波电路输出稳定的直流电压；所述隔离型DC-DC变换器控制驱动电路通过接地开关控制其工作状态；
其中，输入电源电压经过输入滤波电路后还通过叠加电压通道接入所述隔离型DC-DC变换器的变压器次级的抽头。
进一步的，所述叠加电压通道为导线。
进一步的，所述叠加电压通道采用低压差稳压器，具体包括将经过输入滤波电路后的输入电压通过第一电阻、第二电阻进行分压，检测到的输入电压信号送至运算放大器，所述运算放大器输出接至低压差稳压器的电压控制端，接地开关接至低压差稳压器及DC-DC变换器的使能端控制其关闭，所述低压差稳压器的输出端接入所述隔离型DC-DC变换器的变压器次级的抽头。
进一步的，所述叠加电压通道采用同步Buck变换器，将经过输入滤波电路后的输入电压接入所述同步Buck变换器的输入端，所述同步Buck变换器的输出端接入所述隔离型DC-DC变换器的变压器次级的抽头，接地开关接至所述同步Buck变换器及DC-DC变换器的使能端控制其关闭。
进一步的，所述隔离型DC-DC变换器为单管正激式直流变换器，其中，输入电源电压经输入滤波电容后通过开关管进行斩波操作，当开关管开通时，变压器向负载传递能量，通过整流电路和滤波电路输出直流电压，其中输入滤波电容和输出滤波电容分别接地。
进一步的，所述隔离型DC-DC变换器为单管反激式直流变换器，其中，输入电源电压经过输入滤波电容后通过开关管进行斩波操作，开关管开通时，变压器存储能量，开关管关断时，变压器向次级传递能量，通过整流电路和滤波电路输出直流电压，输入滤波电容和输出滤波电容分别接地。
进一步的，所述隔离型DC-DC变换器为推挽直流变换器，其中，输入电源电压经过输入滤波电容后，第一开关管和第二开关管轮流交替导通进行斩波操作，变压器始终向次级传递能量，通过整流电路和滤波电路输出直流电压，输入滤波电容和输出滤波电容分别接地，且第一开关管、第二开关管源级共地。
进一步的，所述隔离型DC-DC变换器为半桥式直流变换器，其中，输入电源电压经过第一输入滤波电容和第二输入滤波电容后通过第一开关管、第二开关管进行斩波操作，第一滤波电容和第二滤波电容同时用作均分输入电压，能量通过变压器进行传递，通过整流电路和滤波电路输出直流电压，输入滤波电容和输出滤波电容分别接地。
进一步的，所述隔离型DC-DC变换器为全桥式直流变换器，其中，输入电源电压经过输入滤波电容后通过第一开关管、第二开关管、第三开关管及第四开关管进行斩波操作，能量通过变压器进行传递，通过整流电路和滤波电路输出直流电压，输入滤波电容和输出滤波电容分别接地。
进一步的，所述隔离型DC-DC变换器为半桥LLC直流变换器，其中，经过输入滤波电容后的输入电压通过第一开关管、第二开关管进行斩波操作，能量由接于第二开关管的两端的变压器进行传递，通过整流电路和滤波电路输出直流电压，输入滤波电容和输出滤波电容分别接地，所述半桥LLC直流变换器的初级变压器绕组中串接谐振电容，还包括变压器的初级漏感及励磁电感，所述谐振电容、初级漏感及励磁电感三者组成的谐振单元实现初次级软开关。
优选的，所述隔离型DC-DC变换器为全桥LLC直流变换器，包括经过输入滤波电容后的输入电压通过四个开关管进行斩波操作，能量由跨接于两桥臂间的变压器进行传递，通过整流电路和滤波电路输出直流电压，输入滤波电容和输出滤波电容分别接地，所述全桥LLC直流变换器的初级变压器绕组中串接谐振电容，还包括变压器的初级漏感及励磁电感，所述谐振电容、初级漏感及励磁电感三者组成的谐振单元实现初次级软开关。
由上述技术方案可知，本实用新型公开了一种高效率电压叠加式升压电路，包括隔离型DC-DC变换器与叠加电压通道，通过叠加电压通道将隔离型DC-DC电路变压器次级参考零电平抬升至输入电压以实现电路的升压输出功能。本电路损耗小，器件所受电流应力小，功率密度高，特别适合应用于升压比不高的大功率场合。
附图说明
图1是本实用新型的电路原理图；
图2是本实用新型叠加电压通道为直接连接示意图；
图3是本实用新型叠加电压通道为低压差稳压器示意图；
图4是本实用新型叠加电压通道为同步Buck变换器示意图；
图5是本实用新型隔离型DC-DC变换器为单管正激式直流变换器示意图；
图6是本实用新型隔离型DC-DC变换器为单管反激式直流变换器示意图；
图7是本实用新型隔离型DC-DC变换器为推挽直流变换器示意图；
图8是本实用新型隔离型DC-DC变换器为半桥式直流变换器示意图；
图9是本实用新型隔离型DC-DC变换器为全桥式直流变换器示意图；
图10是本实用新型隔离型DC-DC变换器为半桥LLC直流变换器示意图；
图11是本实用新型隔离型DC-DC变换器为全桥LLC直流变换器示意图。
具体实施方式
为使本实用新型实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。
为解决传统升压电路的问题，本实用新型实施例提出一种高效率电压叠加式升压电路，该电路可在相同的功率变换下减少功率器件的开关损耗，降低器件所承受的电流应力，减小电路体积，实现高效的升压变换。
如图1所示，本实施例所述的电压叠加式升压电路，由隔离型DC-DC变换器与叠加电压通道组成。隔离型DC-DC变换器的输入直流电源先经过输入滤波电路抑制高频分量后送给功率开关管，开关管通过控制驱动器进行斩波操作，后经变压器进行隔离和电压变换，最后经整流和滤波电路输出稳定的直流电压，开关K可控制变换器进行关闭。输入电压通过电压叠加通道接入隔离型DC-DC变换器变压器次级的抽头，实现电压的叠加，总的输出电压等于输入电压Vin加上隔离型DC-DC的输出电压Vo’，即Vout＝Vin+Vo’，从而实现电路的升压输出。
叠加电压通道的输出电压为Vin，则只考虑隔离型DC-DC变换器的输出电压为Vo'＝Vout-Vin，设升压电路输出电流为Iout，则隔离型DC-DC变换器和叠加电压通道的传输功率分别为P1＝(Vout-Vin)×Iout和P2＝Vin×Iout，则该升压电路的输入功率为
其中，η1和η2分别为隔离型DC-DC变换器和叠加电压通道的能量传输效率。
所以，该升压电路的总变换效率为
由于通过叠加电压通道传输的功率几乎无损耗，因此η2≈1，可得
由上式可知，该升压电路仅利用隔离型DC-DC变换器传输功率P1的损耗量ΔP1即实现了对功率P1+P2的升压变换，因此整个电路可以获得较高的运行效率。
同时，由于总的传输功率一部分直接通过输入电压提供，减小了隔离型DC-DC变换器的传输功率，因此器件所承受的电流应力大大减小，变压器磁芯和线圈体积也相应减小，有利于电路元器件的选型和功率密度的提高。
为了实现所述电压叠加式升压电路，下面将详细阐述叠加电压通道部分和隔离型DC-DC变换器部分的实现方法。
1.叠加电压通道实现方法
叠加电压通道与隔离型DC-DC变换器变压器次级绕组抽头连接以抬升电路的输出电压，是该叠加式升压电路实现高效率转换的关键部分，因此首先需保证此通道为非常高效率的功率变换。在此基础上，为了最大限度发挥叠加电压通道低损耗功率传输的优势，该通道的输出电压应尽可能接近输入电压Vin。
图2表示叠加电压通道为直接连接方法，即将输入电压通过导线直接接至变压器次级抽头处，此方法无需增加器件，且可实现极少损耗的功率传输。
为了进一步对叠加电压通道的通断及输出的电流电压进行控制，拓展出以下两种实现方法。
图3为叠加电压通道采用低压差稳压器的方法，由于低压差稳压器LDO的效率约等于输出电压与输入电压的比值，因此LDO在输出电压接近输入电压的工作状态下具有非常高的变换效率，本方法基于LDO的此特性进行设计。R1、R2检测输入电压，通过U1实现LDO输出电压始终跟随Vin变化，使LDO始终保持在低压差的高效率工作状态，开关K控制LDO及DC-DC变换器的关闭。
具体包括将输入电压Vin通过电阻R1、R2进行分压，检测到的输入电压信号送至运放U1，U1输出接至LDO电压控制端，实现LDO输出电压始终跟随Vin变化，使LDO始终保持在低压差的高效率工作状态，开关K接至LDO及DC-DC变换器的使能端控制其关闭。
图4为叠加电压通道采用同步Buck变换器，将其设置为大占空比的工作模式，使其输出电压接近Vin，开关K控制同步Buck及DC-DC变换器的关闭。同步Buck变换器可具有高达99％的转换效率，此方法可对叠加电压通道的输出功率进行分配，并且可实时调节输出电压。
2.隔离型DC-DC变换器实现方法
根据不同的应用场景，隔离型DC-DC变换器可在单管正激式直流变换器、单管反激式直流变换器、推挽直流变换器、半桥式直流变换器、全桥式直流变换器、半桥LLC直流变换器和全桥LLC直流变换器中任选其一。
图5为隔离型DC-DC变换器为单管正激式直流变换器，其叠加输出电压Vout＝(D×Vin)/n+Vin(D为导通占空比，n为变压器匝比，Vin为电源输入电压，Vout为升压电路的输出电压，下同)，叠加电压通道输出端接于变压器次级绕组低压侧。单管正激式直流变换器主要应用于低压大电流场合。
具体包括经过输入滤波电容Ci后的输入电压Vin通过开关管Q进行斩波操作，当开关管Q开通时，变压器T向负载传递能量，通过整流电路D1、D2和滤波电路L、Co后输出直流电压Vout，输入滤波电容Ci和输出滤波电容Co分别接地。
图6为隔离型DC-DC变换器为单管反激式直流变换器，其输出电压Vout＝[Vin×D/(1-D)]/n+Vin，叠加电压通道输出端接于变压器次级绕组低压侧。单管反激式直流变换器主要应用于高压小电流输出等场合。
具体包括经过输入滤波电容Ci后的输入电压Vin通过开关管Q进行斩波操作，开关管Q开通时，变压器T存储能量，开关管Q关断时，变压器T向次级传递能量，通过整流电路D和滤波电路Co输出直流电压Vout，输入滤波电容Ci和输出滤波电容Co分别接地。
图7为隔离型DC-DC变换器为推挽直流变换器，其输出电压Vout＝(2×D×Vin)/n+Vin，叠加电压通道输出端接于变压器次级绕组中心抽头处。推挽变换器比较适合应用于中功率场合。
具体包括输入电压Vin经过输入滤波电容Ci后，开关管Q1和Q2轮流交替导通进行斩波操作，变压器T始终向次级传递能量，通过整流电路D1、D2和滤波电路L、Co输出直流电压Vout，输入滤波电容Ci和输出滤波电容Co分别接地，且Q1、Q2源级共地。
图8为隔离型DC-DC变换器为半桥式直流变换器，其输出电压Vout＝(D×Vin)/n+Vin，叠加电压通道输出端接于变压器次级绕组中心抽头处。半桥式直流变换器主要应用于高输入电压及大功率场合。
具体包括经过输入滤波电容C1和C2后的输入电压Vin通过开关管Q1、Q2进行斩波操作，C1和C2同时用作均分Vin，能量通过变压器T进行传递，通过整流电路D1、D2和滤波电路L、Co输出直流电压Vout，输入滤波电容C2和输出滤波电容Co分别接地。
图9为隔离型DC-DC变换器为全桥式直流变换器，其输出电压Vout＝2×(D×Vin)/n+Vin，叠加电压通道输出端接于变压器次级绕组中心抽头处。全桥式直流变换器主要应用于大功率输出等场合。
具体包括经过输入滤波电容Ci后的输入电压Vin通过开关管Q1～Q4进行斩波操作，能量通过变压器T进行传递，通过整流电路D1、D2和滤波电路L、Co输出直流电压Vout，输入滤波电容Ci和输出滤波电容Co分别接地。
图10为隔离型DC-DC变换器为半桥LLC直流变换器，其输出电压Vout＝(D×Vin)/n+Vin，叠加电压通道输出端接于变压器次级绕组中心抽头处。LLC变换器主要应用于软开关变换。
具体包括经过输入滤波电容Ci后的输入电压Vin通过开关管Q1、Q2进行斩波操作，能量由接于Q2两端的变压器T进行传递，通过整流电路D1、D2和滤波电容Co输出直流电压Vout，输入滤波电容Ci和输出滤波电容Co分别接地。其初级变压器绕组中串接谐振电容Cr，Lr和Lm分别为变压器的初级漏感及励磁电感，通过Cr、Lr和Lm三者组成的谐振单元实现初次级软开关。
图11为隔离型DC-DC变换器为全桥LLC直流变换器，其输出电压Vout＝2×(D×Vin)/n+Vin，叠加电压通道输出端接于变压器次级绕组中心抽头处。
包括经过输入滤波电容Ci后的输入电压Vin通过开关管Q1～Q4进行斩波操作，能量由跨接于两桥臂间的变压器T进行传递，通过整流电路D1、D2和滤波电容Co输出直流电压Vout，输入滤波电容Ci和输出滤波电容Co分别接地。其初级变压器绕组中串接谐振电容Cr，Lr和Lm分别为变压器的初级漏感及励磁电感，通过Cr、Lr和Lm三者组成的谐振单元实现初次级软开关。
以上实施例仅用以说明本实用新型的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本实用新型进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本实用新型各实施例技术方案的精神和范围。
Claims (10)
1.一种电压叠加式升压电路，包括隔离型DC-DC变换器，其特征在于：还包括叠加电压通道，所述隔离型DC-DC变换器的输入电源电压先经过输入滤波电路抑制高频分量后送给功率开关管，所述功率开关管通过控制驱动电路进行斩波操作，后经变压器进行隔离和电压变换，最后经整流电路和输出滤波电路输出稳定的直流电压；所述隔离型DC-DC变换器控制驱动电路通过接地开关控制其工作状态；
其中，输入电源电压经过输入滤波电路后还通过叠加电压通道接入所述隔离型DC-DC变换器的变压器次级的抽头。
2.根据权利要求1所述的电压叠加式升压电路，其特征在于：所述叠加电压通道为导线。
3.根据权利要求1所述的电压叠加式升压电路，其特征在于：所述叠加电压通道采用低压差稳压器，具体包括将经过输入滤波电路后的输入电压通过第一电阻、第二电阻进行分压，检测到的输入电压信号送至运算放大器，所述运算放大器输出接至低压差稳压器的电压控制端，接地开关接至低压差稳压器及DC-DC变换器的使能端控制其关闭，所述低压差稳压器的输出端接入所述隔离型DC-DC变换器的变压器次级的抽头。
4.根据权利要求1所述的电压叠加式升压电路，其特征在于：所述叠加电压通道采用同步Buck变换器，将经过输入滤波电路后的输入电压接入所述同步Buck变换器的输入端，所述同步Buck变换器的输出端接入所述隔离型DC-DC变换器的变压器次级的抽头，接地开关接至所述同步Buck变换器及DC-DC变换器的使能端控制其关闭。
5.根据权利要求1所述的电压叠加式升压电路，其特征在于：所述隔离型DC-DC变换器为单管正激式直流变换器，其中，输入电源电压经输入滤波电容后通过开关管进行斩波操作，当开关管开通时，变压器向负载传递能量，通过整流电路和滤波电路输出直流电压，其中输入滤波电容和输出滤波电容分别接地。
6.根据权利要求1所述的电压叠加式升压电路，其特征在于：所述隔离型DC-DC变换器为单管反激式直流变换器，其中，输入电源电压经过输入滤波电容后通过开关管进行斩波操作，开关管开通时，变压器存储能量，开关管关断时，变压器向次级传递能量，通过整流电路和滤波电路输出直流电压，输入滤波电容和输出滤波电容分别接地。
7.根据权利要求1所述的电压叠加式升压电路，其特征在于：所述隔离型DC-DC变换器为推挽直流变换器，其中，输入电源电压经过输入滤波电容后，第一开关管和第二开关管轮流交替导通进行斩波操作，变压器始终向次级传递能量，通过整流电路和滤波电路输出直流电压，输入滤波电容和输出滤波电容分别接地，且第一开关管、第二开关管源级共地。
8.根据权利要求1所述的电压叠加式升压电路，其特征在于：所述隔离型DC-DC变换器为半桥式直流变换器，其中，输入电源电压经过第一输入滤波电容和第二输入滤波电容后通过第一开关管、第二开关管进行斩波操作，第一滤波电容和第二滤波电容同时用作均分输入电压，能量通过变压器进行传递，通过整流电路和滤波电路输出直流电压，输入滤波电容和输出滤波电容分别接地。
9.根据权利要求1所述的电压叠加式升压电路，其特征在于：所述隔离型DC-DC变换器为全桥式直流变换器，其中，输入电源电压经过输入滤波电容后通过第一开关管、第二开关管、第三开关管及第四开关管进行斩波操作，能量通过变压器进行传递，通过整流电路和滤波电路输出直流电压，输入滤波电容和输出滤波电容分别接地。
10.根据权利要求1所述的电压叠加式升压电路，其特征在于：所述隔离型DC-DC变换器为半桥LLC直流变换器，其中，经过输入滤波电容后的输入电压通过第一开关管、第二开关管进行斩波操作，能量由接于第二开关管的两端的变压器进行传递，通过整流电路和滤波电路输出直流电压，输入滤波电容和输出滤波电容分别接地，所述半桥LLC直流变换器的初级变压器绕组中串接谐振电容，还包括变压器的初级漏感及励磁电感，所述谐振电容、初级漏感及励磁电感三者组成的谐振单元实现初次级软开关。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| GR01 | Patent grant | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| AV01 | Patent right actively abandoned |
Granted publication date: 20190412 Effective date of abandoning: 20231124 |
|
| AV01 | Patent right actively abandoned |
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| AV01 | Patent right actively abandoned | ||
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