CN213305280U

CN213305280U - 一种基于开关电容的高降压变比整流器

Info

Publication number: CN213305280U
Application number: CN202022393051.9U
Authority: CN
Inventors: 颜景斌; 李学东; 刘清岚
Original assignee: Harbin University of Science and Technology
Current assignee: Harbin University of Science and Technology
Priority date: 2020-10-26
Filing date: 2020-10-26
Publication date: 2021-05-28
Anticipated expiration: 2030-10-26

Abstract

一种基于开关电容的高降压变比整流器，包括三相交流电源，滤波电路，Delta型接法整流电路，开关电容电路和降压斩波电路。三相交流电经过滤波电路滤波之后，流入Delta型接法整流电路整流得到直流电压，直流电压通过开关电容集成的buck电路获得高降压变比的直流电压。本实用新型和传统的三相整流器相比，该拓扑结构直流链路电流可由更多开关共享，能够减少传导损耗。具有输入端电流谐波率低，输出端能够实现高边比的降压功能的优点。

Description

一种基于开关电容的高降压变比整流器

技术领域

本实用新型涉及三相电能变换领域，具体涉及一种基于开关电容的高降压变比整流器。

背景技术

在基本的DC-DC变换器中，传统的buck电路不能提供一个大变比的降压效果，满足不了许多现代应用的要求。今天的集成电路从不足5V的电源中获取能量，未来微处理器的供电电压将会从3.5V降到1V甚至更低，以减少现代高功耗CPU的功耗损失。为了提供如此高的电压转换比，基本变流器必须在极限占空比下工作，在降压变流器中小于0.1。极端占空比会损害效率，并对瞬态响应造成障碍。此外，为了产生如此极端的占空比，控制电路必须包含一个非常快，昂贵的比较器。在高开关频率下，由于升压变流器中的二极管(自驱动晶体管)或降压变流器中的有源晶体管的极短的传导时间，极端的占空比甚至可能导致故障。这种情况下使用变压器只会增加成本、体积和损失。此外，较大的变压器匝数比会增大主元件的电压应力，对效率造成严重的影响。传统的三相CSR直流链路的电流通过四个设备串联，导致了高的传导损耗。虽然可以通过增加自由二极管(Df)来降低自由二极管状态下的导通损耗，但效率并没有得到很大的提高，尤其是在调制指数较高的情况下。

发明内容

有鉴于此，本实用新型的目的是提供一种基于开关电容的高边比整流电路能实现高边比降压功能的同时，减小器件应力，降低电路损耗，提高电路效率。

本实用新型采取的技术方案为：

一种基于开关电容的高降压变比整流器，包括三相交流电源，滤波电路，Delta型接法整流电路，开关电容集成的buck电路；三相交流电源与滤波电路模块相连，滤波电路与整流电路以Delta型接法相连，整流电路与开关电容集成的buck电路相连。所述三相交流电源包括a相电源，b相电源和c相电源；所述滤波电路包括滤波电感L1，滤波电容C1，滤波电感L2，滤波电容C2，滤波电感L3，滤波电容C3；所述的整流电路包括二极管D1a、二极管D_1b、二极管D_2a、二极管D_2b、二极管D_3a、二极管D_3b、二极管D_4a、二极管D_4b、二极管D_5a、二极管D_5b、二极管D_6a、二极管D_6b、开关S1、开关S2、开关S3、开关S4、开关S5、开关S6、续流二极管D_f、电感L4、电感L5和电容C6。所述的开关电容集成的buck电路包括电感L6、电感L7、二极管D7、二极管D8、二极管D9、二极管D10、电容C4、电容C5、电容C7、功率MOSFET管S7以及负载阻抗R_L。

所述的三相交流电源是对称的三相电流源，其中a相电源相角超前b相电源120°，b相电源超前c相电源120°。

所述的滤波电路中的滤波电感L1一端与a相电源连接，另一端与滤波电容C1一端连接；滤波电感L2一端与b相电源连接，另一端与电容滤波C2一端连接；滤波电感L3一端与c相电源连接，另一端与滤波电容C3一端连接，滤波电容C1、滤波电容C2、和滤波电容C3的另一端相连。

所述的Delta型接法整流电路中，二极管D_1a的阴极与二极管D_1b的阴极、开关管S1的集电极相连，二极管D_1a的阳极与a相电源和D_4a的阴极相连，D_4a的阳极与D_4b的阴极和开关管S4的发射极相连，D_4b的阴极与D_1b的阳极和b相电源相连；二极管D_3a的阴极与二极管D_3b的阴极、开关管S3的集电极相连，二极管D_3a的阳极与b相电源和D_6a的阴极相连，D_6a的阳极与D_6b的阴极和开关管S6的发射极相连，D_6b的阴极与D_3b的阳极和c相电源相连；二极管D_5a的阴极与二极管D_5b的阴极、开关管S5的集电极相连，二极管D_5a的阳极与c相电源和D_2a的阴极相连，D_2a的阳极与D_2b的阴极和开关管S2的发射极相连，D_2b的阴极与D_5b的阳极和a相电源相连；开关S1、开关S3、开关S5和二极管Df的阴极以及电感L4的一端相连；开关S4、开关S6、开关S2和二极管Df的阳极以及电感L5的一端相连；电感L4和电感L5的另一端分别与电容C6的两端相连。

所述的开关电容集成的buck电路中，二极管D8的阳极与二极管D9的阴极和电容C4的一端相连；二极管的阴极与二极管D7的阳极以及电容C5的一端相连；电感L6的一端与C4的另一端、功率MOSFET管的源极、二极管D7的阴极相连；电感L6的另一端与电感L4、电容C6的一端相连；电容C5的另一端与二极管D9的阳极、电感L5的另一端、电容C6的另一端、二极管D10的阳极、电容C7、负载阻抗R_L的一端相连；功率MOSFET管的栅极与二极管D10的阴极、电感L7的一端相连；电感L7的另一端与电容C7的另一端、负载阻抗R_L的另一端相连。

本实用新型一种基于开关电容的高降压变比整流器，具有如下优点：

整流器的输入端为三角形连接，直流链路的电流可以被更多的开关共享以减少传到损耗，整流电路与基于开关电容的buck电路相连，在实现高效整流的同时又能以相同占空比获得高边比的降压效果。

附图说明：

图1是本实用新型的具体实施电路图；

图2是开关电容集成的buck电路开关导通阶段（0≤t≤DT_s）；

图3是开关电容集成的buck电路开关关断阶段（DT_s≤t≤T_s）；

图4是整流器第12扇区的等效电路；

图5是整流器第12扇区的开关导通状态[(S1,S5）,(S4,S6)]。

具体实施方式：

图1为一种基于开关电容的高降压变比整流器，它包括三相交流电源，滤波电路，Delta型接法整流电路，开关电容集成的buck电路；三相交流电源与滤波电路模块相连，滤波电路与整流电路以Delta型接法相连，整流电路与开关电容集成的buck电路相连。所述三相交流电源包括a相电源，b相电源和c相电源；所述滤波电路包括滤波电感L1，滤波电容C1，滤波电感L2，滤波电容C2，滤波电感L3，滤波电容C3；所述的整流电路包括二极管D1a、二极管D_1b、二极管D_2a、二极管D_2b、二极管D_3a、二极管D_3b、二极管D_4a、二极管D_4b、二极管D_5a、二极管D_5b、二极管D_6a、二极管D_6b、开关S1、开关S2、开关S3、开关S4、开关S5、开关S6、续流二极管D_f、电感L4、电感L5和电容C6。所述的开关电容集成的buck电路包括电感L6、电感L7、二极管D7、二极管D8、二极管D9、二极管D10、电容C4、电容C5、电容C7、功率MOSFET管S7以及负载阻抗R_L。

所述的开关电容集成的buck电路中，二极管D8的阳极与二极管D9的阴极和电容C4的一端相连；二极管的阴极与二极管D7的阳极以及电容C5的一端相连；电感L6的一端与C4的另一端、功率MOSFET管的源极、二极管D7的阴极相连；电感L6的另一端与电感L4、电容C6的一端相连；电容C5的另一端与二极管D9的阳极、电感L5的另一端、电容C6的另一端、二极管D10的阳极、电容C7、负载阻抗R_L的一端相连；功率MOSFET管的栅极与二极管D10的阴极、电感L7的一端相连；电感L7的另一端与电容C7的另一端、负载阻抗R_L的另一端相连，电容C4与电容C5具有相同的电容量。

图2所示是开关电容集成的buck电路开关导通时候的电路图，此时：

（V_in -V_c）D+（V_in-2Vc）（1-D）= 0

V_c=V_in/（2-D）

图3所示是开关电容集成的buck电路开关关断时候的电路图，此时：

（V_c– V _out）D+（-V _out）（1-D）=0

V_out=DV

即：

V_out=[D/(2-D)] V_in

图4所示是整流电路第12扇区的等效电路图，在图4中，当V_a> V_c≥ V_b时，根据输入交流电压的关系，每个支路中的二极管桥将较高的相电压箝位到两个较高二极管的公共阴极，同时将较低的相电压箝位到两个较低二极管的公共阳极。因为V_a> V_b二极管D_1b被阻断，D_1a导通，同样，该扇区中的D_4a关闭，D_4b导通。

图5所示是整流电路第12扇区开关导通状态[(S1,S5）,(S4,S6)]，电流方向也在图中标出。在这种状态下，S1和S5都导通以共享a相的电流，S4和S6都导通以共享b相的电流。

以上所述仅是本实用新型的优选实施方式，但并非用以限定本实用新型，对于熟悉本领域的技术人员在不脱离本实用新型的精神和范围内都可以做各种改动和修饰，因此，本实用新型的保护范围应该以权利要求书所界定的为准。

Claims

1.一种基于开关电容的高降压变比整流器，其特征是：它包括三相交流电源，滤波电路，Delta型接法整流电路，开关电容集成的buck电路；三相交流电源与滤波电路模块相连，滤波电路与整流电路以Delta型接法相连，整流电路与开关电容集成的buck电路相连，所述三相交流电源包括a相电源，b相电源和c相电源；所述滤波电路包括滤波电感L1，滤波电容C1，滤波电感L2，滤波电容C2，滤波电感L3，滤波电容C3；所述的整流电路包括二极管D1a、二极管D_1b、二极管D_2a、二极管D_2b、二极管D_3a、二极管D_3b、二极管D_4a、二极管D_4b、二极管D_5a、二极管D_5b、二极管D_6a、二极管D_6b、开关S1、开关S2、开关S3、开关S4、开关S5、开关S6、续流二极管D_f、电感L4、电感L5和电容C6，所述的开关电容集成的buck电路包括电感L6、电感L7、二极管D7、二极管D8、二极管D9、二极管D10、电容C4、电容C5、电容C7、功率MOSFET管S7以及负载阻抗R_L。

2.如权利要求1所述的一种基于开关电容的高降压变比整流器，其特征是：所述的三相交流电源是对称的三相电流源，其中a相电源相角超前b相电源120°，b相电源超前c相电源120°。

3.如权利要求1所述的一种基于开关电容的高降压变比整流器，其特征是：所述的滤波电路中的滤波电感L1一端与a相电源连接，另一端与滤波电容C1一端连接；滤波电感L2一端与b相电源连接，另一端与电容滤波C2一端连接；滤波电感L3一端与c相电源连接，另一端与滤波电容C3一端连接，滤波电容C1、滤波电容C2、和滤波电容C3的另一端相连。

4.如权利要求1所述的一种基于开关电容的高降压变比整流器，其特征是：所述的Delta型接法整流电路中，二极管D_1a的阴极与二极管D_1b的阴极、开关管S1的集电极相连，二极管D_1a的阳极与a相电源和D_4a的阴极相连，D_4a的阳极与D_4b的阴极和开关管S4的发射极相连，D_4b的阴极与D_1b的阳极和b相电源相连；二极管D_3a的阴极与二极管D_3b的阴极、开关管S3的集电极相连，二极管D_3a的阳极与b相电源和D_6a的阴极相连，D_6a的阳极与D_6b的阴极和开关管S6的发射极相连，D_6b的阴极与D_3b的阳极和c相电源相连；二极管D_5a的阴极与二极管D_5b的阴极、开关管S5的集电极相连，二极管D_5a的阳极与c相电源和D_2a的阴极相连，D_2a的阳极与D_2b的阴极和开关管S2的发射极相连，D_2b的阴极与D_5b的阳极和a相电源相连；开关S1、开关S3、开关S5和二极管Df的阴极以及电感L4的一端相连；开关S4、开关S6、开关S2和二极管Df的阳极以及电感L5的一端相连；电感L4和电感L5的另一端分别与电容C6的两端相连。

5.如权利要求1所述的一种基于开关电容的高降压变比整流器，其特征是：所述的开关电容集成的buck电路中，二极管D8的阳极与二极管D9的阴极和电容C4的一端相连；二极管的阴极与二极管D7的阳极以及电容C5的一端相连；电感L6的一端与C4的另一端、功率MOSFET管的源极、二极管D7的阴极相连；电感L6的另一端与电感L4、电容C6的一端相连；电容C5的另一端与二极管D9的阳极、电感L5的另一端、电容C6的另一端、二极管D10的阳极、电容C7、负载阻抗R_L的一端相连；功率MOSFET管的栅极与二极管D10的阴极、电感L7的一端相连；电感L7的另一端与电容C7的另一端、负载阻抗R_L的另一端相连，电容C4与电容C5具有相同的电容量。