CN214315046U - 一种高集成非隔离正负压输出多端口变换器电路 - Google Patents
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Abstract
本实用新型涉及变换器控制领域,特别涉及一种高集成非隔离正负压输出多端口变换器电路。该电路包括输出负压的第一端口电路,输出正负压的第二端口电路、第三端口电路,第一端口电路包括端口U 1 ,开关管S 1 、开关管S 2 、电感L 1 、电容C 1 、电容C 0 ,第二端口电路包括端口U 2 、电感L 2 、电容C 2 ,端口U 1 分别连接电感L 1 、电容C 1 ,电感L 1 的另一端分别连接开关管S 1 、电容C 0 ,电容C 0 的另一端分别连接开关管S 2 、电感L 2 ,电感L 2 的另一端分别连接电容C 2 、端口U 2 ,电容C 1 、电容C 2 、开关管S 1 、开关管S 2 的另一端分别接地,第三端口电路并联在电容C 0 的两端。对比于传统产生正负压输出的隔离实现形式,或两个拓扑实现正压和负压输出,该变换器具有明显的高度集成特性。
Description
技术领域
本实用新型涉及变换器控制领域,特别涉及一种高集成非隔离正负压输出多端口变换器电路。
背景技术
多数高精密运放需要正负供电,以往的正负供电往往采用隔离模块电源/变换器或者两个正压和负压芯片/电路实现,隔离模块电源/变换器方案变压器会增加体积和损耗,两个正压和负压芯片/电路实现方式需要独立的外部参数。
实用新型内容
本实用新型提供一种高集成非隔离正负压输出多端口变换器电路,旨在实现一个变换器根据需求输出多个正负压。
本实用新型提供一种高集成非隔离正负压输出多端口变换器电路,包括输出负压的第一端口电路,输出正负压的第二端口电路、第三端口电路,所述第一端口电路包括端口U1,开关管S1、开关管S2、电感L1、电容C1、电容C0,所述第二端口电路包括端口U2、电感L2、电容C2,所述端口U1分别连接电感L1、电容C1,所述电感L1的另一端分别连接开关管S1、电容C0,所述电容C0的另一端分别连接开关管S2、电感L2,所述电感L2的另一端分别连接电容C2、端口U2,所述电容C1、电容C2、开关管S1、开关管S2的另一端分别接地,所述第三端口电路并联在电容C0的两端。
作为本实用新型的进一步改进,该电路还包括多个第三端口电路,所述多个第三端口电路均并联在电容C0的两端。
作为本实用新型的进一步改进,所述第三端口电路包括端口U3、开关管S3、开关管S4、电感L3、电容C3,所述端口U3分别连接电感L3、电容C3,所述电感L3的另一端分别连接开关管S3、开关管S4,所述开关管S3、开关管S4的另一端分别连接在电容C0的两端,所述电容C3的另一端接地。
作为本实用新型的进一步改进,所述第一端口电路中的开关管S1、开关管S2组成第一互补管,所述第三端口电路中的开关管S3、开关管S4组成第三互补管,所述第一互补管、第三互补管全部或部分替换为MOSFET管、IGBT管、二极管中的一种或多种。
作为本实用新型的进一步改进,所述第一互补管、第三互补管均全部替换为MOSFET管后,包括场效应管Q1、场效应管Q2、场效应管Q3、场效应管Q4、所述场效应管Q1的漏极分别连接场效应管Q3的漏极、电感L1、电容C0,所述场效应管Q2的漏极分别连接场效应管Q4的源极、电容C0的另一端、电感L2,所述场效应管Q3的源极分别连接场效应管Q4的漏极、电感L3,所述场效应管Q1的源极、场效应管Q2的源极分别接地。
作为本实用新型的进一步改进,所述场效应管Q2替换为二极管D1,所述二极管D1的正极分别连接场效应管Q4的源极、电容C0的另一端、电感L2,所述二极管D1的负极接地。
作为本实用新型的进一步改进,所述电感L1和电感L2替换为同一磁芯上的绕组L1和绕组L2,所述绕组L1和绕组L2由电感L1和电感L2耦合构成,所述绕组L1的同名端连接端口U1、其异名端连接电容C0,所述绕组L2的同名端连接端口U2、其异名端连接电容C0的另一端。
作为本实用新型的进一步改进,所述电容C0替换为阻尼网络电路,所述阻尼网络电路包括电容C0、电容Cd、电阻Rd,所述电容Cd和电阻Rd串联后并联在电容C0的两端。
本实用新型的有益效果是:对相比于传统产生正负压输出的隔离实现形式,或两个拓扑实现正压输出和负压输出,该变换器具有明显的高度集成特性。其该电路易于扩展,扩展的端口也具有可输出正负压的特性;而且可通过同步管,实现部分/任意端口的能量双向流动;通过耦合电感实现“零纹波”。
附图说明
图1是本实用新型一种高集成非隔离正负压输出多端口变换器电路的基本拓扑图;
图2是本实用新型中基本拓扑电路的第一变换电路;
图3是本实用新型中基本拓扑电路的多端口扩展电路;
图4是本实用新型的基本拓扑电路中开关管全部替换为同步管的电路;
图5是本实用新型的基本拓扑电路中开关管部分替换为同步管的电路;
图6是本实用新型的基本拓扑电路中耦合电感形式的电路图;
图7是本实用新型的基本拓扑电路中变换器的参考方向图;
图8是变换器参考方向图中参考方向为正方向时各个关键器件的电压或电流波形图;
图9是变换器参考方向图中参考方向为负方向时各个关键器件的电压或电流波形图;
图10是本实用新型的基本拓扑电路中在[t1,t2]区间内电路电流流向图;
图11是本实用新型的基本拓扑电路中在[t2,t3]区间内电路电流流向图;
图12是本实用新型的基本拓扑电路中在[t3,t4]区间内电路电流流向图;
图13是本实用新型的基本拓扑电路中在[t4,t5]区间内电路电流流向图。
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。
实施例一:
如图1所示,本实用新型的一种高集成非隔离正负压输出多端口变换器电路,其基本拓扑图包括输出负压的第一端口电路,输出正负压的第二端口电路、第三端口电路,第一端口电路包括端口U1,开关管S1、开关管S2、电感L1、电容C1、电容C0,第二端口电路包括端口U2、电感L2、电容C2,端口U1分别连接电感L1、电容C1,电感L1的另一端分别连接开关管S1、电容C0,电容C0的另一端分别连接开关管S2、电感L2,电感L2的另一端分别连接电容C2、端口U2,电容C1、电容C2、开关管S1、开关管S2的另一端分别接地,第三端口电路并联在电容C0的两端。第三端口电路包括端口U3、开关管S3、开关管S4、电感L3、电容C3,端口U3分别连接电感L3、电容C3,电感L3的另一端分别连接开关管S3、开关管S4,开关管S3、开关管S4的另一端分别连接在电容C0的两端,电容C3的另一端接地。
基本拓扑图为三个端口,一个端口输出负压,另一个输出端口可输出正负压,且正负压可连续变化/调节;该电路由Cuk电路衍生得到,作为一种扩展形式,该基本拓扑中电容C0可变为包含阻尼网络(C0、Cd、Rd)的形式,如图2所示,电容C0替换为阻尼网络电路,阻尼网络电路包括电容C0、电容Cd、电阻Rd,电容Cd和电阻Rd串联后并联在电容C0的两端。
实施例二:
在实施例一的基础上,该基本拓扑可通过电容C0两侧进行扩展,即多个第三端口电路均并联在电容C0的两端。如图3所示,可以扩展为四端口等多端口,即增加了第四端口电路,该第四端口电路包括开关管S5、开关管S6、电感L4、电容C4、端口U4,端口U4分别连接电感L4、电容C4、电感L4的另一端分别连接开关管S5、开关管S6,电容C4的另一端接地,开关管S5和开关管S6的另一端分别并联在电容C0的两端,同样的开关管S5和开关管S6的另一端也可以替换为并联在阻尼网络电路的两端。扩展的端口不局限于第四端口电路,可以增加第五端口电路、第六端口电路甚至更多,根据需要来增加或减少端口电路数量。扩展的端口具有可以输出正负压的特点,使该变换器具有易于扩展的特性。
实施例三:
在实施例一、二的基础上,第一端口电路中的开关管S1、开关管S2组成第一互补管,第三端口电路中的开关管S3、开关管S4组成第三互补管,第一互补管、第三互补管全部或部分替换为MOSFET管、IGBT管、二极管中的一种或多种。开关管Si可采用MOSFET、IGBT或二极管,当开关通过MOSFET实现或者并联二极管的开关实现时,在轻载条件下,可实现部分功率管的软开关,进一步提升效率。
以基本拓扑图为例,若拓扑中开关管S1和开关管S2、开关管S3和开关管S4等互补管均采用同步管,其实现形式如图4,第一互补管、第三互补管均全部替换为MOSFET管后,包括场效应管Q1、场效应管Q2、场效应管Q3、场效应管Q4、场效应管Q1的漏极分别连接场效应管Q3的漏极、电感L1、电容C0,场效应管Q2的漏极分别连接场效应管Q4的源极、电容C0的另一端、电感L2,场效应管Q3的源极分别连接场效应管Q4的源极、电感L3,场效应管Q1的源极、场效应管Q2的漏极分别接地。则可实现任意端口能量双向流动,这说明所提变换器具有可实现部分/任意端口的能量双向流动的特性。
若基本拓扑图中开关管S1和开关管S2、开关管S3和开关管S4等互补管全部不采用或部分采用同步管,例如图5所示,场效应管Q2替换为二极管D1,二极管D1的正极分别连接场效应管Q4的源极、电容C0的另一端、电感L2,二极管D1的负极接地。则只有采用同步管的端口可实现端口能量双向流动,其他端口则只能单向流动这说明所提变换器具有可实现部分/任意端口的能量双向流动的特性。
同样的,图4、图5电路中的电容C0替换为阻尼网络电路,来作为另外的扩展形式。
实施例四:
在实施例一、二、三的基础上,如图6所示,该电路中电感L1和电感L2替换为同一磁芯上的绕组L1和绕组L2,绕组L1和绕组L2由电感L1和电感L2耦合构成,绕组L1的同名端连接端口U1、其异名端连接电容C0,绕组L2的同名端连接端口U2、其异名端连接电容C0的另一端。基本拓扑可通过电感L1和电感L2的耦合实现U1端口和U2端口电流的抵消,原因是两端的电压变化情况一致,及当电感量和磁芯一致时,一个周期内对应产生的磁感应强度一致。进而实现“零纹波”输出,同时减小滤波器的体积。理论上,是可以实现完全的纹波抵消的,但是由于互感的耦合系数不可能等于1,或者说由于漏感的存在,因此实际上的纹波无法实现完全的零纹波。显然,耦合系数越高,电流纹波越小。
对于该高集成非隔离正负压输出多端口变换器电路的端口电压关系为:
假设,①以图7所示的电压、电流方向为参考正方向;②电容、电感均为理想器件;③开关管Si的占空比为Di。
则端口电压有关系:
同时有:
从公式(1)可见,端口U2的输出电压与Cuk电路的端口电压一样,端口U2端口电压与D1和D3有关,可通过调节D3的值调整其电压输出,当D3<D1时,U3的输出与U1输入为反相,当D3>D2时,U3的输出与U1输入为同相,当D3=D1时,U3的输出理论上为0。
例如U1输入电压为48V时,输出±5V,则D2=5/53=0.094,D3=10/53=0.189,可使U2输出-5V,U3输出﹢5V。
本高集成非隔离正负压输出多端口变换器电路的工作模态分析:
如图4,以三端口变换开关管S1至S4为MOSFET为例,更改为场效应管Q1至场效应管Q4,则是变换器/电路/拓扑工作原理:
(一)U3端口输出正压举例:
场效应管Q1和场效应管Q3的时序并不影响变换器的输入输出电压变比,在此以场效应管Q1超前于场效应管Q3为例,如图8所示,给出了以图7标出的参考方向为正方向的各个关键器件的电压或电流波形。图8中,场效应管Q3滞后于场效应管Q1,且DQ1<DQ3,红色框内为放大的纹波波形,t1到t5之间为一个开关周期的时间。
(二)U3端口输出负压举例:
场效应管Q1和场效应管Q3的时序并不影响变换器的输入输出电压变比,在此以场效应管Q1超前与场效应管Q3为例,如图9所示,给出了以图7标出的参考方向为负方向的各个关键器件的电压或电流波形。图9中,场效应管Q3滞后于场效应管Q1,且DQ1>DQ3,红色框内为放大的纹波波形。
以图9(U3端口输出负压)为例,分析每个模态的电流流向及储能元件的充放电情况。在给出的例子中,电感L1和电感L2的电流有小于零的情况(由负载大小决定),因此用实线“——”表示在此区间内电流方向恒为此方向,横点线“—·”线表示一个区间内先出现的电流情况,用虚线“--”表示此区间内后出现的电流情况,如图10至图13中给出是[t1,t5]一个周期时间内的电流方向及变化,需要注意的是,不同区间电流方向改变的时间不同。
[t1,t2]区间,场效应管Q1和场效应管Q4导通,场效应管Q2和场效应管Q3关断。电路情况如图10,电感L1两端承受电压为U1,电感L1电流以U1/L1的斜率逐渐增加,电感储能。电感L2两端承受电压为U2+UC0,因为电容C0两端电压稳态值为U1-U2因此UC0=U1-U2,所以电感L2电流以U1/L2的斜率逐渐增加,电感储能。电感L3两端承受电压为U3+UC0,电感L3电流以(U3+U1-U2)/L3的斜率变化,在图9给出的例子中U3+U1-U2>0,因此电感L3电流逐渐增加。
[t2,t3]区间,场效应管Q1和场效应管Q3导通,场效应管Q2和场效应管Q4关断。电路情况如图11,由于场效应管Q1和场效应管Q2的开关状态没有变化,因此电感L1和电感L2电流变化趋势不变。电感L3由于场效应管Q4的关断,电感L3被迫通过场效应管Q3续流,两端承受电压为U3,电感L3电流以U3/L3的斜率逐渐减小(当DQ3>DQ1时斜率逐渐增加)。
[t3,t4]区间,场效应管Q2和场效应管Q3导通,场效应管Q1和场效应管Q4关断。电路情况如图12,电感L1两端承受电压为U1-UC0=U2,电感L1电流以U2/L1的斜率逐渐减小(U2为负数),将电感L1中的能量转移到电容C0中。电感L2两端承受电压为U2,电感L2电流以U2/L2的斜率逐渐减小。电感L3两端承受电压为U3-UC0,电感L3电流以(U3-U1+U2)/L3的斜率逐渐减小。
[t4,t5]区间,场效应管Q2和场效应管Q4导通,场效应管Q1和场效应管Q3关断。电路情况如图13,电感L1两端承受电压为U1-UC0=U2,电感L1电流以U2/L1的斜率逐渐减小,将电感L1中的能量转移到电容C0中。电感L2两端承受U2电压,电容C2放电,电感电流以U2/L2的斜率逐渐减小。电感L3两端承受U3电压,电容C3放电,电感电流以U3/L3的斜率逐渐减小。
(三)电感L1与电感L2采用耦合电感:
电感L1与电感L2采用耦合电感形式的电路如图6所示,耦合电感带来的“零纹波”优势与耦合电感的Cuk电路工作一致。
以上内容是结合具体的优选实施方式对本实用新型所作的进一步详细说明,不能认定本实用新型的具体实施只局限于这些说明。对于本实用新型所属技术领域的普通技术人员来说,在不脱离本实用新型构思的前提下,还可以做出若干简单推演或替换,都应当视为属于本实用新型的保护范围。
Claims (8)
1.一种高集成非隔离正负压输出多端口变换器电路,其特征在于,包括输出负压的第一端口电路,输出正负压的第二端口电路、第三端口电路,所述第一端口电路包括端口U 1 ,开关管S 1 、开关管S 2 、电感L 1 、电容C 1 、电容C 0 ,所述第二端口电路包括端口U 2 、电感L 2 、电容C 2 ,所述端口U 1 分别连接电感L 1 、电容C 1 ,所述电感L 1 的另一端分别连接开关管S 1 、电容C 0 ,所述电容C 0 的另一端分别连接开关管S 2 、电感L 2 ,所述电感L 2 的另一端分别连接电容C 2 、端口U 2 ,所述电容C 1 、电容C 2 、开关管S 1 、开关管S 2 的另一端分别接地,所述第三端口电路并联在电容C 0 的两端。
2.根据权利要求1所述的高集成非隔离正负压输出多端口变换器电路,其特征在于,包括多个第三端口电路,所述多个第三端口电路均并联在电容C 0 的两端。
3.根据权利要求1所述的高集成非隔离正负压输出多端口变换器电路,其特征在于,所述第三端口电路包括端口U 3 、开关管S 3 、开关管S 4 、电感L 3 、电容C 3 ,所述端口U 3 分别连接电感L 3 、电容C 3 ,所述电感L 3 的另一端分别连接开关管S 3 、开关管S 4 ,所述开关管S 3 、开关管S 4 的另一端分别连接在电容C 0 的两端,所述电容C 3 的另一端接地。
4.根据权利要求3所述的高集成非隔离正负压输出多端口变换器电路,其特征在于,所述第一端口电路中的开关管S 1 、开关管S 2 组成第一互补管,所述第三端口电路中的开关管S 3 、开关管S 4 组成第三互补管,所述第一互补管、第三互补管全部或部分替换为MOSFET管、IGBT管、二极管中的一种或多种。
5.根据权利要求4所述的高集成非隔离正负压输出多端口变换器电路,其特征在于,所述第一互补管、第三互补管均全部替换为MOSFET管后,包括场效应管Q 1、场效应管Q 2 、场效应管Q 3 、场效应管Q 4 、所述场效应管Q 1 的漏极分别连接场效应管Q 3 的漏极、电感L 1 、电容C0,所述场效应管Q 2 的漏极分别连接场效应管Q 4 的源极、电容C 0 的另一端、电感L 2 ,所述场效应管Q 3 的源极分别连接场效应管Q 4 的漏极、电感L 3 ,所述场效应管Q 1 的源极、场效应管Q 2 的源极分别接地。
6.根据权利要求5所述的高集成非隔离正负压输出多端口变换器电路,其特征在于,所述场效应管Q 2 替换为二极管D 1 ,所述二极管D 1 的正极分别连接场效应管Q 4 的源极、电容C 0 的另一端、电感L 2 ,所述二极管D 1 的负极接地。
7.根据权利要求1所述的高集成非隔离正负压输出多端口变换器电路,其特征在于,所述电感L 1 和电感L 2 替换为同一磁芯上的绕组L 1 和绕组L 2 ,所述绕组L 1 和绕组L 2 由电感L 1 和电感L 2 耦合构成,所述绕组L 1 的同名端连接端口U 1 、其异名端连接电容C 0 ,所述绕组L 2 的同名端连接端口U 2 、其异名端连接电容C 0 的另一端。
8.根据权利要求1至7任一项所述的高集成非隔离正负压输出多端口变换器电路,其特征在于,所述电容C 0 替换为阻尼网络电路,所述阻尼网络电路包括电容C 0 、电容C d 、电阻R d ,所述电容C d 和电阻R d 串联后并联在电容C 0 的两端。
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CN202023146670.4U CN214315046U (zh) | 2020-12-23 | 2020-12-23 | 一种高集成非隔离正负压输出多端口变换器电路 |
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CN112737290A (zh) * | 2020-12-23 | 2021-04-30 | 深圳市航天新源科技有限公司 | 一种高集成非隔离正负压输出多端口变换器电路 |
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