CN209283094U - 一种升降压电路 - Google Patents
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Abstract
本实用新型公开了一种升降压电路，与现有的四管BUCK‑BOOST升降压电路不同之处在于在第一开关器件的源极与第二开关器件的漏极之间，和/或在第三开关器件的漏极与第四开关器件的源极之间串联电感，从而使得电路在不同模式下的匝比有所不同，当为BUCK模式时，相同输入输出电压比值条件下，第一开关器件的占空比在匝比大于1时比匝比等于1时大，并且/或者当为BOOST模式时，第三开关器件的占空比在匝比大于1时比匝比等于1时小，从而实现了该电路不仅可以实现输出电压小于、等于或大于输入电压的电源应用，还可以实现输出和输入为大变比的电源应用。
Description
技术领域
本实用新型涉及开关电源变换器电路，特别涉及具备升压降压两种工作模式的升降压电路。
背景技术
在太阳能，风能、燃料电池等应用领域，和宽电压范围输入的领域，需要采用具有升降压特性的直流变换器。由于功率变换器的输入电压范围宽，现有技术所提供的同时具有升压和降压的电路无法在高或低输入电压及一定占空比范围内的情况下实现高的升降压比率，即使可以用其他拓扑实现，但是增加了系统的复杂性、稳定性和原材料成本。
现有四开关BUCK-BOOST升降压电路如图1所示，包含4个开关器件S1至S4、一个电感 L、一个输入电容C1和一个输出电容C2。
图1中的开关器件S1、开关器件S2和电感L组成降压(BUCK)变换器，其中的开关器件 S2采用MOS管替代二极管能实现同步整流；开关器件S3、开关器件S4和电感L组成升压(BOOST) 变换器，其中的开关器件S4采用MOS管替代二极管能实现同步整流。该变换器S1和S3作为主控开关器件，可以实现能量从输入至输出传递，S4和S2作为主控开关器件，可以实现能量从输出至输入传递，所以能量能双向流动，可以实现双向电源变换的应用。
图1电路两种模式工作原理分析如下：
BUCK模式下，输出电压小于输入电压。在每个开关周期时间t内，S4常开，S3长关，S1和S2轮流开通，输入输出电压比值和S1的开通占空比D1存在关系，在开关频率固定的情况下，随着D1的减小，众所周知，开关器件的开通和关断都是需要时间的，当D1减小到一定值时，也就是小于开关器件开通需要的时间时，开关器件S1就不能正常开通了，电源也不能正常工作了。
BOOST模式下，输出电压大于输入电压。在每个开关周期时间t内，S1常开，S2长关，S3和S4轮流开通，输入输出电压比值和S3的开通占空比D3存在关系，当D3增大到一定值时，也就是1-D3小于开关器件关断需要的时间时，开关器件S3就不能正常关断了，电源也不能正常工作了。
从上述分析可知，传统的四管BUCK-BOOST升降压电路可以实现输出电压VOUT小于、等于或大于输入电压VIN的电源应用，还可以实现双向功率变换的电源应用。但在输入和输出为大变比应用环境下开关器件的损耗变大，电源系统效率变低，甚至无法实现电压变换功能。
现有的耦合电感类拓扑如图2和图3所示，均包含2个开关器件S1和S2、2个电感类器件L1和L2、一个输入电容C1和一个输出电容C2，两个电感类器件通过磁芯耦合在一起。
图2所示为降压耦合电感类拓扑，针对图2，定义匝比λ＝(n1+n2)/n1，其输入输出电压比值和S1的开通占空比D和匝比λ存在关系,根据公式可得，相同增益M，匝比λ增大，占空比D也增大，匝比λ为1就是普通BUCK的输入输出电压比值和占空比D的关系式。该电路优点是相同输入输出电压比值条件下，匝比λ变大，占空比D也变大，解决了普通4开关 BUCK-BOOST电路随着D1的减小导致开关器件不能正常开通的问题，但缺点是不能同时实现升压功能。
图3所示为升压耦合电感类拓扑，针对图3，定义匝比λ＝(n1+n2)/n1，其输入输出电压比值和S2的开通占空比D和匝比λ存在关系,根据公式可得，相同增益M，匝比λ增大，占空比D减小，匝比λ为1就是普通BOOST的输入输出电压比值和占空比D的关系式。该电路优点是相同输入输出电压比值条件下，匝比λ变大，占空比D减小，解决了普通4开关 BUCK-BOOST电路随着D3的增大导致开关器件不能正常关断的问题。但缺点是不能同时实现降压功能。
通过上述分析可知，图2所示降压耦合电感类拓扑可以解决输出小于输入条件下大变比需求的问题；图3所示升压耦合电感类拓扑可以解决输出大于输入条件下大变比需求的问题。但两种耦合电感类拓扑都无法同时实现输出电压小于、等于或大于输入电压的电源应用。
综上所述，现有四开关BUCK-BOOST的缺点是无法实现输出和输入为大变比的功能；现有耦合电感类拓扑的缺点是无法同时实现输出电压小于、等于或大于输入电压的电源应用。
实用新型内容
鉴于上述电路所存在的技术缺陷，本实用新型要解决的技术问题是提出一种升降压电路，不仅可以实现输出电压小于、等于或大于输入电压的电源应用，还可以实现输出和输入为大变比的电源应用。
为了解决上述技术问题，本申请的实用新型构思为：在图1现有的四管BUCK-BOOST升降压电路的基础之上进行改进，在其第一开关器件的源极与第二开关器件的漏极之间，以及第三开关器件的漏极与第四开关器件的源极之间串联电感，从而使得电路在不同模式下的匝比有所不同，当为BUCK模式时，相同输入输出电压比值条件下，第一开关器件的占空比在匝比大于1时比匝比等于1时大，并且当为BOOST模式时，第三开关器件的占空比在匝比大于1 时比匝比等于1时小，从而实现了该电路不仅可以实现输出电压小于、等于或大于输入电压的电源应用，还可以实现输出和输入为大变比的电源应用；如果电路主要工作在BUCK模式下，则可以选择至在其第一开关器件的源极与第二开关器件的漏极之间串联电感，同样地，如果电路主要工作在BOOST下，则可以选择在第三开关器件的漏极与第四开关器件的源极之间串联电感。
针对上述实用新型构思，本申请采用以下技术方案：
方案一，在第一开关器件的源极与第二开关器件的漏极之间串联电感，具体如下：
一种升降压电路，其特征在于：包括输入电源正、输出电源正、电源负、第一开关器件 S1、第二开关器件S2、第三开关器件S3、第四开关器件S4、第一耦合电感器件L1、第二耦合电感器件L2、第一电容器件C1和第二电容器件C2；其中，第一开关器件S1的导通电流流入端连接输入电源正和第一电容C1的端口一，第一开关器件S1的导通电流流出端连接第一耦合电感器件L1的端口一，第二开关器件S2的导通电流流入端连接第一耦合电感器件L1的端口二和第二耦合电感器件L2的端口一，第二开关器件S2的导通电流流出端连接电源负，第三开关器件S3的导通电流流入端连接第二耦合电感器件L2的端口二，第三开关器件S3的导通电流流出端连接电源负，第四开关器件S4的导通电流流入端连接第二耦合电感器件L2的端口二，第四开关器件S4的导通电流流出端连接输出电源正和第二电容器件C2的端口一，第一电容器件C1和第二电容器件C2的端口二连接电源负。
优选地，所述第一耦合电感器件L1和第二耦合电感器件L2通过共用一个磁芯而相互耦合在一起。
优选地，所述第一耦合电感器件L1和第二耦合电感器件L2的匝数是可调整的。
方案二，在第三开关器件的漏极与第四开关器件的源极之间串联电感，具体如下：
一种升降压电路，其特征在于：包括输入电源正、输出电源正、电源负、第一开关器件 S1、第二开关器件S2、第三开关器件S3、第四开关器件S4、第二耦合电感器件L2、第三耦合电感器件L3、第一电容器件C1和第二电容器件C2；其中，第一开关器件S1的导通电流流入端连接输入电源正和第一电容C1的端口一，第一开关器件S1的导通电流流出端连接第二耦合电感器件L2的端口一，第二开关器件S2的导通电流流入端连接第二耦合电感器件L2的端口一，第二开关器件S2的导通电流流出端连接电源负，第三开关器件S3的导通电流流入端连接第二耦合电感器件L2的端口二和第三耦合电感器件L3的端口一，第三开关器件S3的导通电流流出端连接电源负，第四开关器件S4的导通电流流入端连接第三耦合电感器件L3的端口二，第四开关器件S4的导通电流流出端连接输出电源正和第二电容器件C2的端口一，第一电容器件C1和第二电容器件C2的端口二连接电源负。
优选地，所述第二耦合电感器件L2和第三耦合电感器件L3通过共用一个磁芯而相互耦合在一起。
优选地，所述第二耦合电感器件L2和第三耦合电感器件L3的匝数是可调整的。
方案三，在第一开关器件的源极与第二开关器件的漏极之间，以及第三开关器件的漏极与第四开关器件的源极之间均串联电感，具体如下：
一种升降压电路，其特征在于：包括输入电源正、输出电源正、电源负、第一开关器件 S1、第二开关器件S2、第三开关器件S3、第四开关器件S4、第一耦合电感器件L1、第二耦合电感器件L2、第三耦合电感器件L3、第一电容器件C1和第二电容器件C2；其中，第一开关器件S1的导通电流流入端连接输入电源正和第一电容C1的端口一，第一开关器件S1的导通电流流出端连接第一耦合电感器件L1的端口一，第二开关器件S2的导通电流流入端连接第一耦合电感器件L1的端口二和第二耦合电感器件L2的端口一，第二开关器件S2的导通电流流出端连接电源负，第三开关器件S3的导通电流流入端连接第二耦合电感器件L2的端口二和第三耦合电感器件L3的端口一，第三开关器件S3的导通电流流出端连接电源负，第四开关器件S4的导通电流流入端连接第三耦合电感器件L3的端口二，第四开关器件S4的导通电流流出端连接输出电源正和第二电容器件C2的端口一，第一电容器件C1和第二电容器件C2的端口二连接电源负。
优选地，所述第一耦合电感器件L1、第二耦合电感器件L2和第三耦合电感器件L3通过共用一个磁芯而相互耦合在一起。
优选地，所述第一耦合电感器件L1、第二耦合电感器件L2和第三耦合电感器件L3的匝数是可调整的。
作为上述三种技术方案的具体选择：
优选地，所述的第一开关器件S1、第二开关器件S2、第三开关器件S3和第四开关器件 S4均为MOS管；或者所述的第一开关器件S1和第三开关器件S3为MOS管，第二开关器件S2和第四开关器件S4择一或均为二极管。
术语解释：
开关器件的控制端：控制开关导通与截止的端口，如对于MOS管，指的是MOS管的栅极；对于三极管，指的是三极管的基极。
开关器件的导通电流流入端：开关导通后，电流流入的端口，如对于MOS管，指的是MOS 管的漏极，无论N沟道、P沟道、增强型还是耗尽型MOS管，在导通时，电流都是由电压高的漏极流向电压低的源极；对于三极管，指的是三极管的集电极，在导通时，电流是由电压高的集电极流向电压低的发射极；对于二极管，指的是二极管的阳极。
开关器件的导通电流流出端：开关导通后，电流流出的端口，如对于MOS管，指的是MOS 管的源极；对于三极管，指的是三极管的发射极；对于二极管，指的是二极管的阴极。
本实用新型的工作原理将在具体实施方式中进行详细阐述，与现有技术相比，本实用新型具有如下的有益效果：
本实用新型升降压电路，能够实现宽输入电压范围升降压变换，拓宽了传统升降压电路的适用范围。
附图说明
图1为传统的4开关BUCK-BOOST电路原理图；
图2为现有的双向耦合电感BUCK电路的原理框图之一；
图3为现有的双向耦合电感BOOST电路的原理框图之二；
图4为本实用新型第一实施例原理图；
图5为本实用新型BUCK模式下输出和输入比值、匝比和占空比的关系曲线图；
图6为本实用新型BOOST模式下输出和输入比值、匝比和占空比的关系曲线图；
图7为本实用新型第二实施例原理图；
图8为本实用新型第三实施例原理图；
图9为本实用新型第四实施例原理图；
图10为本实用新型第五实施例原理图。
具体实施方式
为了更好地理解本实用新型相对于现有技术所做出的改进，下面结合具体的实施例进行详细说明。
第一实施例
图4示出了本实用新型第一实施例的原理图。包括输入电源正、输出电源正、电源负、第一开关器件S1、第二开关器件S2、第三开关器件S3、第四开关器件S4第一耦合电感器件 L1、第二耦合电感器件L2、第三耦合电感器件L3、第一电容器件C1和第二电容器件C2；其中，第一开关器件S1的漏极连接输入电源正和第一电容C1的端口一，第一开关器件S1的源极连接第一耦合电感器件L1的端口一，第二开关器件S2的漏极连接第一耦合电感器件L1的端口二和第二耦合电感器件L2的端口一，第二开关器件S2的源极连接电源负，第三开关器件S3的源极连接第二耦合电感器件L2的端口二和第三耦合电感器件L3的端口一，第三开关器件S3的源极连接电源负，第四开关器件S4的漏极连接第三耦合电感器件L3的端口二，第四开关器件S4的源极连接输出电源正和第二电容器件C2的端口一，第一电容器件C1和第二电容器件C2的端口二连接电源负。
本实施例第一耦合电感器件L1、第二耦合电感器件L2和第三耦合电感器件L3通过共用一个磁芯而相互耦合在一起，从而实现三个耦合电感器件电压和电流之间的互相转换。
本实施例第一耦合电感器件L1、第二耦合电感器件L2和第三耦合电感器件L3的匝数是可调整的，从而实现匝比的设计。
本实施例的具体工作过程是这样的，根据输入、输出电压大小关系，本升降压电路可以有BUCK和BOOST两种工作模式，所述开关器件S1和S3的占空比记为D1和D3，BUCK模式下匝比记为λ1＝(n1+n2+n3)/n3，BOOST模式下匝比记为λ2＝(n1+n2+n3)/n2，输入电压记为Vin，输出电压记为Vo。
当输出电压小于输入电压，即工作在BUCK模式。在每个开关周期时间内，所述开关器件 S2断开，所述开关器件S4直通，所述开关器件S1和所述开关器件S3交替导通，其输入输出电压比值和S1的开通占空比D1和匝比λ存在关系附图5为输入输出电压比值Vo/Vin、S1的开通占空比D1和匝比λ1之间的关系曲线图。从图5可以看出，相同输入输出电压比值条件下，所述开关器件S1的占空比D1在匝比λ1大于1时比λ1等于1时大，解决了普通四开关BUCK-BOOST电路在输入输出大变比时随着D1的减小导致开关器件不能正常开通的问题，
当输出电压大于输入电压，即工作在BOOST模式下，在每个开关周期时间t内，所述开关器件S3断开，所述开关器件S1直通，所述开关器件S2和所述开关器件S4交替导通, 输入输出电压比值和所述开关器件S2的开通占空比D2存在关系附图6为输入输出电压比值、所述开关器件S3的开通占空比D3和匝比λ2之间的关系曲线图。从图6可以看出，相同输入输出电压比值条件下，所述开关器件S3的占空比D3在匝比λ2大于1时比λ2等于1时小，解决了普通四开关BUCK-BOOST电路在输入输出大变比时随着D3的增加导致开关器件不能正常关断的问题。
通过上述分析可知，本实施例能实现实用新型目的。
第二实施例
如图7所示为本实用新型第二实施例原理图，其与第一实施例不同之处在于在第一实施例的基础上，通过将所述第二开关管S2改为二极管如图7所示来实现高增益BUCK-BOOST电源应用。
其有益效果是，比第一实施例少了一个可控开关器件，电源成本大大降低。
第二实施例的具体工作原理，本技术领域的普通技术人员可以根据第一实施例的工作过程及原理进行简单的推导即可得出，此处不详述。
第三实施例
如图8所示为本实用新型第二实施例原理图，其与第一实施例不同之处在于在第一实施例的基础上，通过将所述第四开关管S4改为二极管如图8所示来实现高增益BUCK-BOOST电源应用。
其有益效果是，比第一实施例少了一个可控开关器件，电源成本大大降低。
第三实施例的具体工作原理，本技术领域的普通技术人员可以根据第一实施例的工作过程及原理进行简单的推导即可得出，此处不详述。
第四实施例
如图9所示为本实用新型第二实施例原理图，其与第一实施例不同之处在于在第一实施例的基础上，通过将所述第三电感L3去掉，实现高增益BUCK-BOOST电源应用。
其有益效果是，BOOST模式输入输出为正常增益，实现正常变比，BUCK模式输入输出为高增益，实现大变比。
根据不同应用也可以将所述开关管S2和所述开关管S4改成二极管，其有益效果是降低了整机成本，和简化了控制。
第四实施例的具体工作原理，本技术领域的普通技术人员可以根据第一实施例的工作过程及原理进行简单的推导即可得出，此处不详述。
第五实施例
如图10所示为本实用新型第二实施例原理图，其与第一实施例不同之处在于，在第一实施例的基础上，通过将所述第一电感L1去掉，所示实现高增益BUCK-BOOST电源应用。
其有益效果是，BUCK模式输入输出为正常增益，实现正常变比，BOOST模式输入输出为高增益，实现大变比。
根据不同应用也可以将所述开关管S2和所述开关管S4改成二极管，其有益效果是降低了整机成本，和简化了控制。
第五实施例的具体工作原理，本技术领域的普通技术人员可以根据第一实施例的工作过程及原理进行简单的推导即可得出，此处不详述。
上述实施方式不应视为对本实用新型的限制，本实用新型的保护范围应当以权利要求所限定的范围为准。对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本实用新型的精神和范围内，还可以做出若干改进和润饰，如根据应用场合的不同，所述开关管可以是MOSFET、BJT 和IGBT等开关器件；根据电路原理和设计需要，通过器件的简单串并联等手段对电路的微调，这些改进和润饰也应视为本实用新型的保护范围。
Claims (12)
1.一种升降压电路，其特征在于：包括输入电源正、输出电源正、电源负、第一开关器件S1、第二开关器件S2、第三开关器件S3、第四开关器件S4、第一耦合电感器件L1、第二耦合电感器件L2、第一电容器件C1和第二电容器件C2；其中，第一开关器件S1的导通电流流入端连接输入电源正和第一电容C1的端口一，第一开关器件S1的导通电流流出端连接第一耦合电感器件L1的端口一，第二开关器件S2的导通电流流入端连接第一耦合电感器件L1的端口二和第二耦合电感器件L2的端口一，第二开关器件S2的导通电流流出端连接电源负，第三开关器件S3的导通电流流入端连接第二耦合电感器件L2的端口二，第三开关器件S3的导通电流流出端连接电源负，第四开关器件S4的导通电流流入端连接第二耦合电感器件L2的端口二，第四开关器件S4的导通电流流出端连接输出电源正和第二电容器件C2的端口一，第一电容器件C1和第二电容器件C2的端口二连接电源负。
2.根据权利要求1所述的升降压电路，其特征在于：所述第一耦合电感器件L1和第二耦合电感器件L2通过共用一个磁芯而相互耦合在一起。
3.根据权利要求1所述的升降压电路，其特征在于：所述第一耦合电感器件L1和第二耦合电感器件L2的匝数是可调整的。
4.根据权利要求1至3任一项所述的升降压电路，其特征在于：所述的第一开关器件S1、第二开关器件S2、第三开关器件S3和第四开关器件S4均为MOS管；或者所述的第一开关器件S1和第三开关器件S3为MOS管，第二开关器件S2和第四开关器件S4择一或均为二极管。
5.一种升降压电路，其特征在于：包括输入电源正、输出电源正、电源负、第一开关器件S1、第二开关器件S2、第三开关器件S3、第四开关器件S4、第二耦合电感器件L2、第三耦合电感器件L3、第一电容器件C1和第二电容器件C2；其中，第一开关器件S1的导通电流流入端连接输入电源正和第一电容C1的端口一，第一开关器件S1的导通电流流出端连接第二耦合电感器件L2的端口一，第二开关器件S2的导通电流流入端连接第二耦合电感器件L2的端口一，第二开关器件S2的导通电流流出端连接电源负，第三开关器件S3的导通电流流入端连接第二耦合电感器件L2的端口二和第三耦合电感器件L3的端口一，第三开关器件S3的导通电流流出端连接电源负，第四开关器件S4的导通电流流入端连接第三耦合电感器件L3的端口二，第四开关器件S4的导通电流流出端连接输出电源正和第二电容器件C2的端口一，第一电容器件C1和第二电容器件C2的端口二连接电源负。
6.根据权利要求5所述的升降压电路，其特征在于：所述第二耦合电感器件L2和第三耦合电感器件L3通过共用一个磁芯而相互耦合在一起。
7.根据权利要求5所述的升降压电路，其特征在于：所述第二耦合电感器件L2和第三耦合电感器件L3的匝数是可调整的。
8.根据权利要求5至7任一项所述的升降压电路，其特征在于：所述的第一开关器件S1、第二开关器件S2、第三开关器件S3和第四开关器件S4均为MOS管；或者所述的第一开关器件S1和第三开关器件S3为MOS管，第二开关器件S2和第四开关器件S4择一或均为二极管。
9.一种升降压电路，其特征在于：包括输入电源正、输出电源正、电源负、第一开关器件S1、第二开关器件S2、第三开关器件S3、第四开关器件S4、第一耦合电感器件L1、第二耦合电感器件L2、第三耦合电感器件L3、第一电容器件C1和第二电容器件C2；其中，第一开关器件S1的导通电流流入端连接输入电源正和第一电容C1的端口一，第一开关器件S1的导通电流流出端连接第一耦合电感器件L1的端口一，第二开关器件S2的导通电流流入端连接第一耦合电感器件L1的端口二和第二耦合电感器件L2的端口一，第二开关器件S2的导通电流流出端连接电源负，第三开关器件S3的导通电流流入端连接第二耦合电感器件L2的端口二和第三耦合电感器件L3的端口一，第三开关器件S3的导通电流流出端连接电源负，第四开关器件S4的导通电流流入端连接第三耦合电感器件L3的端口二，第四开关器件S4的导通电流流出端连接输出电源正和第二电容器件C2的端口一，第一电容器件C1和第二电容器件C2的端口二连接电源负。
10.根据权利要求9所述的升降压电路，其特征在于：所述第一耦合电感器件L1、第二耦合电感器件L2和第三耦合电感器件L3通过共用一个磁芯而相互耦合在一起。
11.根据权利要求9所述的升降压电路，其特征在于：所述第一耦合电感器件L1、第二耦合电感器件L2和第三耦合电感器件L3的匝数是可调整的。
12.根据权利要求9至11任一项所述的升降压电路，其特征在于：所述的第一开关器件S1、第二开关器件S2、第三开关器件S3和第四开关器件S4均为MOS管；或者所述的第一开关器件S1和第三开关器件S3为MOS管，第二开关器件S2和第四开关器件S4择一或均为二极管。
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