CN210327388U

CN210327388U - 直流降压电路

Info

Publication number: CN210327388U
Application number: CN201921274070.0U
Authority: CN
Inventors: 柳林; 骆传旺
Original assignee: Suzhou Huichuan United Power System Co Ltd
Current assignee: Suzhou Huichuan United Power System Co Ltd
Priority date: 2019-08-07
Filing date: 2019-08-07
Publication date: 2020-04-14
Anticipated expiration: 2029-08-07

Abstract

本实用新型实施例提供了一种直流降压电路，所述直流降压电路包括直流输入端、直流输出端、斩波单元、变压器、同步整流单元、续流开关管、励磁开关管、升压电感以及控制单元，所述控制单元分别连接到所述斩波单元、同步整流单元、续流开关管、励磁开关管的控制端，且所述控制单元在所述直流输入端的电压大于或等于预设电压时输出第一组控制信号、在所述直流输入端的电压小于预设电压时输出第二组控制信号。本实用新型实施例可在减小整机体积的前提下，实现宽输入电压下的输出，降低了电路的成本。

Description

直流降压电路

技术领域

本实用新型实施例涉及电力电子设备领域，更具体地说，涉及一种直流降压电路。

背景技术

Buck(降压)电路是一种将直流高压转换为直流低压的电路，随着电力电子技术的不断发展，低成本、高效率、宽输入宽输出成为其发展的方向。传统的具有Buck电路的全桥式变换器，受到占空比的限制，在输入电压很低时，很难保证稳定高效地输出额定的电压。

为了实现较宽的输入输出电压，目前的Buck电路常采用两级方案，前级采用升压(Boost)方案，后级采用谐振变换器或者移相全桥方案。如图1所示，是目前常见的Buck电路的示意图。在该电路中，前级由升压电感Lb、开关管Q1，功率二极管D1组成升压电路，将输入电压升高到特定值。后级由谐振电感Lr、谐振电容Cr、变压器T组成LC电路，最后经同步整流电路整流后输出需要的直流电压。

由于采用两级结构，上述Buck电路所需器件较多，并导致整机体积较大、效率降低。

实用新型内容

本实用新型实施例针对上述Buck电路为保证稳定高效地输出额定的电压而需采用较多器件，并导致整机体积较大、效率降低的问题，提供一种直流降压电路。

本实用新型实施例解决上述技术问题的技术方案是，提供一种直流降压电路，包括直流输入端、直流输出端、斩波单元、变压器、同步整流单元、续流开关管、励磁开关管、升压电感以及控制单元，其中：所述直流输入端经由所述斩波单元连接到所述变压器的原边绕组；所述同步整流单元包括并联连接的第一桥臂和第二桥臂，所述变压器的副边绕组的首端连接到所述第一桥臂的上桥臂和下桥臂的连接点，所述变压器的副边绕组的末端连接到所述第二桥臂的上桥臂和下桥臂的连接点，所述变压器副边绕组的中心抽头经由所述升压电感和续流开关管连接到所述直流输出端的正输出端子；所述励磁开关管的一端连接到所述升压电感和续流开关管的连接点，且所述励磁开关管的另一端连接到所述同步整流单元的负输出端子；所述控制单元分别连接到所述斩波单元、同步整流单元、续流开关管、励磁开关管的控制端，且所述控制单元在所述直流输入端的电压大于或等于预设电压时输出第一组控制信号、在所述直流输入端的电压小于预设电压时输出第二组控制信号。

优选地，所述斩波单元包括第一开关管、第二开关管、第三开关管和第四开关管，且所述第一开关管、第二开关管串联连接在所述直流输入端的正输入端子和负输入端子之间、所述第三开关管和第四开关管串联连接在直流输入端的正输入端子和负输入端子之间；所述第一开关管和所述第二开关管的连接点连接到所述变压器的原边绕组的首端、所述第三开关管和所述第四开关管的连接点连接到所述变压器的原边绕组的末端；

所述第一桥臂的上桥臂由第五开关管构成，所述第一桥臂的下桥臂由第六开关管构成，所述第二桥臂的上桥臂由第七开关管构成，所述第二桥臂的下桥臂由第八开关管构成；

所述第一组控制信号包括：向所述第一开关管、第四开关管和第五开关管的控制端输出的第一调制信号，向所述第二开关管、第三开关管和第七开关管的控制端输出的第二调制信号，向所述第六开关管的控制端输出的第三调制信号，向所述第八开关管的控制端输出的第四调制信号，向所述续流开关管的控制端输出的第五调制信号，以及向所述励磁开关管的控制端输出的第六调制信号；所述第一调制信号与第二调制信号具有相同的波形并间隔180度，所述第三调制信号与第一调制信号互补，所述第四调制信号与第二调制信号互补，所述第五调制信号为导通信号，所述第六调制信号为断开信号。

所述第二组控制信号包括：向所述第一开关管、第四开关管和第五开关管的控制端输出的第七调制信号，向所述第二开关管、第三开关管和第七开关管的控制端输出的第八调制信号，向所述第六开关管的控制端输出的第九调制信号，向所述第八开关管的控制端输出的第十调制信号，向所述续流开关管的控制端输出的第十一调制信号，以及向所述励磁开关管的控制端输出的第十二调制信号；所述第七调制信号与第八调制信号具有相同的波形并间隔180度，所述第九调制信号与第七调制信号互补，所述第十调制信号与第八调制信号互补，所述第十一调制信号和第十二调制信号互补。

优选地，所述第十一调制信号的频率是第七调制信号的频率的两倍。

优选地，所述直流降压电路包括第一滤波电容，且所述第一滤波电容串联连接在所述直流输入端的正输入端子和负输入端子之间。

优选地，所述直流降压电路包括第二滤波电容，且所述第二滤波电容串联连接在所述直流输出端的正输出端子和负输出端子之间。

优选地，所述直流降压电路包括隔直电容，且所述隔直电容串联连接在所述斩波单元的负输出端子和所述变压器的原边绕组的末端之间。

优选地，所述直流降压电路包括钳位电容，且所述钳位电容的一端连接到所述同步整流单元的正输出端子、另一端接地。

本实用新型实施例的直流降压电路，通过检测直流输入端电压，并根据直流输入端电压向斩波单元、同步整流单元、续流开关管、励磁开关管输出第一组控制信号或第二组控制信号，在减小整机体积的前提下，可以实现宽输入电压下的输出，降低了电路的成本。

附图说明

图1是现有采用两级方案的Buck电路的示意图；

图2是本实用新型实施例提供的直流降压电路的示意图；

图3是本实用新型实施例提供的直流降压电路中第一组控制信号的波形示意图；

图4是本实用新型实施例提供的直流降压电路中第二组控制信号的波形示意图。

具体实施方式

为了使本实用新型的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本实用新型进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本实用新型，并不用于限定本实用新型。

如图2所示，是本实用新型实施例提供的直流降压电路的示意图，该直流降压电路可应用于电力电子设备，实现直流电压转换。本实施例的直流降压电路包括直流输入端、直流输出端、斩波单元21、变压器Tr、同步整流单元22、续流开关管Qs9、励磁开关管Qs10、升压电感Lm以及控制单元。该直流降压电路可通过直流输入端连接直流电源Vdc，例如蓄电池；且该直流降压电路可通过直流输出端连接负载R。上述变压器Tr的副边绕组具有中心抽头。上述续流开关管Qs9和励磁开关管Qs10具体可采用三极管、金属-氧化物半导体场效应晶体管、绝缘栅双极型晶体管等。

在本实施例中，直流输入端经由斩波单元21连接到变压器Tr的原边绕组；同步整流单元22包括并联连接的第一桥臂和第二桥臂，变压器Tr的副边绕组的首端连接到第一桥臂的上桥臂和下桥臂的连接点，变压器Tr的副边绕组的末端连接到第二桥臂的上桥臂和下桥臂的连接点，且变压器Tr的副边绕组的中心抽头经由升压电感Lm和续流开关管Qs9连接到直流输出端(正输出端子)；励磁开关管Qs10的一端连接到升压电感Lm和续流开关管Qs9的连接点，且该励磁开关管Qs10的另一端连接到同步整流单元22的负输出端子(即第一桥臂的下桥臂)。

控制单元可包括逻辑控制芯片和驱动芯片，其中逻辑控制芯片可采样获取直流输入端Vdc的电压，并向驱动芯片输出逻辑控制信号，驱动芯片具有多个输出引脚，且该多个输出引脚分别连接到斩波单元21、同步整流单元22、续流开关管Qs9、励磁开关管Qs10的控制端。上述控制单元在直流输入端Vdc的电压大于或等于预设电压时输出第一组控制信号、在直流输入端Vdc的电压小于预设电压时输出第二组控制信号。特别地，上述控制单元可自动对直流输入端的电压进行采样，并依据采样结果自动选择第一组控制信号或第二组控制信号。当然，在实际应用中，也可根据直流降压电路的应用场合，通过跳线、切换开关等方式手动选择第一组控制信号或第二组控制信号。

上述直流降压电路根据直流输入端电压向斩波单元21、同步整流单元22、续流开关管、励磁开关管输出第一组控制信号或第二组控制信号，无需振荡元件即可实现宽输入电压下的输出，从而减小了整机体积，降低了电路的成本。

在本实用新型的一个实施例中，上述斩波单元包括连接成全桥结构的第一开关管Qs1、第二开关管Qs2、第三开关管Qs3和第四开关管Qs4，上述第一开关管Qs1、第二开关管Qs2、第三开关管Qs3和第四开关管Qs4具体可采用三极管、金属-氧化物半导体场效应晶体管、绝缘栅双极型晶体管等。具体地，第一开关管Qs1和第二开关管Qs2串联连接在直流输入端的正输入端子和负输入端子之间，第三开关管Qs3和第四开关管Qs4串联连接在直流输入端的正输入端子和负输入端子之间。上述第一开关管Qs1和第二开关管Qs2的连接点连接到所述变压器的原边绕组的首端，第三开关管Qs3和第四开关管Qs4的连接点连接到变压器Tr的原边绕组的末端。

上述同步整流单元22的第一桥臂的上桥臂可由第五开关管Qs5构成，且该第一桥臂的下桥臂可由第六开关管Qs6构成；同步整流单元22的第二桥臂的上桥臂由第七开关管Qs7构成，该第二桥臂的下桥臂由第八开关管Qs8构成。类似地，上述第五开关管Qs5、第六开关管Qs6、第七开关管Qs7和第八开关管Qs8具体可采用三极管、金属-氧化物半导体场效应晶体管、绝缘栅双极型晶体管等。

结合图3，在直流输入端Vdc的电压大于或等于预设电压时，控制单元向斩波单元21、同步整流单元22、续流开关管Qs9、励磁开关管Qs10输出的第一组控制信号包括：向第一开关管Qs1、第四开关管Qs4和第五开关管Qs5的控制端输出的第一调制信号，向第二开关管Qs2、第三开关管Qs3和第七开关管Qs7的控制端输出的第二调制信号，向第六开关管Qs6的控制端输出的第三调制信号，向第八开关管Qs8的控制端输出的第四调制信号，向续流开关管Qs9的控制端输出的第五调制信号，以及向励磁开关管Qs10的控制端输出的第六调制信号；并且，上述第一调制信号与第二调制信号具有相同的波形并间隔180度(即第一调制信号与第二调制信号的相位差为180°)，第三调制信号与第一调制信号互补，第四调制信号与第二调制信号互补，第五调制信号为导通信号，第六调制信号为断开信号。

在上述第一组控制信号控制下，第一开关管Qs1、第二开关管Qs2、第三开关管Qs3和第四开关管Qs4对直流输入端的电压进行斩波处理，并将经过斩波处理后的电压输送到变压器Tr的原边绕组；第六开关管Qs6和第八开关管Qs8用于对变压器Tr的副边绕组输出的电压进行同步整流；第五开关管Qs5、第七开关管Qs7用于钳位尖峰电压；续流开关管Qs9恒导通，励磁开关管Qs10恒断开。这样，变压器Tr的副边侧的电流流通路径为：变压器Tr的中心抽头->升压电感Lm->续流开关管Qs9->负载R->第六开关管Qs6和第八开关管Qs8->变压器Tr的副边绕组。流经升压电感Lm的电流与输出电流(即流经续流开关管Qs9的电流)相等。

结合图4，在直流输入端Vdc的电压小于预设电压时，控制单元向斩波单元21、同步整流单元22、续流开关管Qs9、励磁开关管Qs10输出的第二组控制信号包括：向第一开关管Qs1、第四开关管Qs4和第五开关管Qs5的控制端输出的第七调制信号，向第二开关管Qs2、第三开关管Qs3和第七开关管Qs7的控制端输出的第八调制信号，向第六开关管Qs6的控制端输出的第九调制信号，向第八开关管Qs8的控制端输出的第十调制信号，向续流开关管Qs9的控制端输出的第十一调制信号，以及向励磁开关管Qs10的控制端输出的第十二调制信号；并且，上述第七调制信号与第八调制信号具有相同的波形并间隔180度(第七调制信号与第八调制信号的相位差为180°)，第九调制信号与第七调制信号互补，第十调制信号与第八调制信号互补，第十一调制信号和第十二调制信号互补。特别地，为实现较好的控制精度，第十一调制信号的频率是第七调制信号的频率的两倍。

在上述第二组控制信号控制下，第一开关管Qs1、第二开关管Qs2、第三开关管Qs3和第四开关管Qs4对直流输入端的电压进行斩波处理，并将经过斩波处理后的电压输送到变压器Tr的原边绕组；第五开关管Qs5、第六开关管Qs6、第七开关管Qs7和第八开关管Qs8用于对变压器Tr的副边绕组输出的电压进行同步整流；并且，在励磁开关管Qs10导通周期内，变压器Tr的副边侧的电流流通路径为：变压器Tr副边绕组的中心抽头->升压电感Lm->续流开关管Qs9->第六开关管Qs6和第八开关管Qs8->变压器绕组；在励磁开关管Qs10断开周期内，变压器Tr的副边侧的电流流通路径为：变压器Tr的中心抽头->升压电感Lm->续流开关管Qs9->负载R->第六开关管Qs6和第八开关管Qs8->变压器Tr的副边绕组。

此时，变压器Tr的副边绕组的输出电压需要经过升压，续流开关管Qs9和励磁开关管Qs10的开关管周期性的开关，其频率是斩波单元21中各个开关管的开关周期的两倍，即每一对原边开关管导通时，励磁开关管Qs10都须开通一次；续流开关管Qs9和励磁开关管Qs10互补开通，续流开关管Qs9一方面为升压电感Lm提供续流通路，另一方面为负载R提供电流。通过续流开关管Qs9和励磁开关管Qs10的交替导通，与升压电感Lm一起实现了变压器Tr副边侧的升压，且在该阶段，升压电感电流和输出电流不同。

此外，上述直流降压电路还可包括第一滤波电容C1，该第一滤波电容C1串联连接在直流输入端的正输入端子和负输入端子之间，并可吸收直流输入端的输入电压的杂波。

上述直流降压电路还可包括第二滤波电容C2，该第二滤波电容C2串联连接在直流输出端的正输出端子和负输出端子之间，并可吸收直流输出端的输出电压的杂波。

上述直流降压电路还可包括隔直电容C3，该隔直电容C3串联连接在斩波单元21的负输出端子和变压器Tr的原边绕组的末端之间，实现斩波单元21和变压器Tr之间的直流隔离。

上述直流降压电路还可包括钳位电容C4，该钳位电容C4的一端连接到同步整流单元22的正输出端子、另一端接地，以钳位同步整流单元22的输出电压。

以上所述实施例仅用以说明本申请的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本申请进行了详细的说明，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申请各实施例技术方案的精神和范围，均应包含在本申请的保护范围之内。

Claims

1.一种直流降压电路，其特征在于，包括直流输入端、直流输出端、斩波单元、变压器、同步整流单元、续流开关管、励磁开关管、升压电感以及控制单元，其中：所述直流输入端经由所述斩波单元连接到所述变压器的原边绕组；所述同步整流单元包括并联连接的第一桥臂和第二桥臂，所述变压器的副边绕组的首端连接到所述第一桥臂的上桥臂和下桥臂的连接点，所述变压器的副边绕组的末端连接到所述第二桥臂的上桥臂和下桥臂的连接点，所述变压器副边绕组的中心抽头经由所述升压电感和续流开关管连接到所述直流输出端的正输出端子；所述励磁开关管的一端连接到所述升压电感和续流开关管的连接点，且所述励磁开关管的另一端连接到所述同步整流单元的负输出端子；所述控制单元分别连接到所述斩波单元、同步整流单元、续流开关管、励磁开关管的控制端，且所述控制单元在所述直流输入端的电压大于或等于预设电压时输出第一组控制信号、在所述直流输入端的电压小于预设电压时输出第二组控制信号。

2.根据权利要求1所述的直流降压电路，其特征在于，所述斩波单元包括第一开关管、第二开关管、第三开关管和第四开关管，且所述第一开关管、第二开关管串联连接在所述直流输入端的正输入端子和负输入端子之间、所述第三开关管和第四开关管串联连接在直流输入端的正输入端子和负输入端子之间；所述第一开关管和所述第二开关管的连接点连接到所述变压器的原边绕组的首端、所述第三开关管和所述第四开关管的连接点连接到所述变压器的原边绕组的末端；

3.根据权利要求1所述的直流降压电路，其特征在于，所述斩波单元包括第一开关管、第二开关管、第三开关管和第四开关管，且所述第一开关管、第二开关管串联连接在所述直流输入端的正输入端子和负输入端子之间、所述第三开关管和第四开关管串联连接在直流输入端的正输入端子和负输入端子之间；所述第一开关管和所述第二开关管的连接点连接到所述变压器的原边绕组的首端、所述第三开关管和所述第四开关管的连接点连接到所述变压器的原边绕组的末端；

4.根据权利要求3所述的直流降压电路，其特征在于，所述第十一调制信号的频率是第七调制信号的频率的两倍。

5.根据权利要求1所述的直流降压电路，其特征在于，所述直流降压电路包括第一滤波电容，且所述第一滤波电容串联连接在所述直流输入端的正输入端子和负输入端子之间。

6.根据权利要求1所述的直流降压电路，其特征在于，所述直流降压电路包括第二滤波电容，且所述第二滤波电容串联连接在所述直流输出端的正输出端子和负输出端子之间。

7.根据权利要求1所述的直流降压电路，其特征在于，所述直流降压电路包括隔直电容，且所述隔直电容串联连接在所述斩波单元的负输出端子和所述变压器的原边绕组的末端之间。

8.根据权利要求1所述的直流降压电路，其特征在于，所述直流降压电路包括钳位电容，且所述钳位电容的一端连接到所述同步整流单元的正输出端子、另一端接地。