TWI492510B - High Efficiency Buck - Boost Converter and Its Control - Google Patents

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Description

高效率的升降壓轉換器及其控制方法
本發明涉及電力電子技術，更具體地說，涉及一種高效率的升降壓轉換器及其控制方法。
在電源電壓或電池供電應用於不穩定的場合，如車載，電源的輸入端電壓可能高於或低於或接近於其輸出端電壓，為了給負載提供穩定的供電，傳統的解決方案有單級功率轉換和兩級功率轉換兩種，如圖1(a)-(e)所示為現有技術中常用的幾種功率轉換方式的電路圖，但這幾種功率轉換的導通損耗卻都較大，無法進一步提高電源效率。
如圖1(a)和圖1(b)所示，分別為由電感L1、開關電晶體Q1、電容C1、電感L2、開關電晶體Q2和輸出電容Co組成的SEPIC功率轉換電路和ZETA功率轉換電路，其在工作過程中的導通損耗Pcond 為公式(1)：
其中，Iin 表示輸入電流，Iout 表示輸出電流，RL1 表示電感L1的等效阻抗，RL2 表示電感L2的等效阻抗， RQ1 表示開關電晶體Q1的導通電阻，RQ2 表示開關電晶體Q2的導通電阻，D表示開關電晶體Q1的占空比。
從公式(1)中可以看出這兩種功率轉換電路的導通損耗與(Iin +Iout )2 成正比，而開關電晶體Q1和Q2的耐壓為Vin +Vout ，Vin 為所述SEPIC(或ZETA)功率轉換電路的輸入電壓，Vout 為所述SEPIC(或ZETA)功率轉換電路的輸出電壓，所以不適合高效率轉換。
如圖1(c)所示為由隔離式變壓器T、開關電晶體Q1、開關電晶體Q2和輸出電容Co組成的同步整流反激式功率轉換電路，其在工作過程中的導通損耗Pcond 為公式(2)：
需要說明的是，圖1(a)-(e)相同作用的元件用相同的符號表示，公式(2)中和公式(1)中相同的字元表示相同的含義，不重複闡述，以下公式中的內容均相同。
其中，RLP 表示變壓器T的一次側繞組的等效阻抗，RLS 表示變壓器T的二次側繞組的等效阻抗，並且，為方便計算，這裏開關電晶體Q1與開關電晶體Q2為相同的開關電晶體，則RQ1 =RQ2 ；變壓器T的一次側繞組和二次側繞組的匝數為相等，則RLP =RLS ，一次側繞組和二次側 繞組的電流為：，將上述各式子代入公 式(2)中得，
從公式(3)中可以看出這種兩級反激式功率轉換電路的導通損耗也和(Iin +Iout )2 成正比，因此，其導通損耗也必然較大。
如圖1(d)所示為由開關電晶體Q1、Q2、Q3、Q4和電感L1組成的Buck-Boost電路，當輸入電壓大於輸出電壓時，電路工作於降壓Buck工作模式，其在工作過程中的導通損耗為公式(4)：Pcond =Iout 2 [RQ4 +RL1 +D1 RQ1 +(1-D1 )RQ2 ] (4)
其中，D1為開關電晶體Q1的占空比；當輸入電壓小於輸出電壓時，電路工作於升壓Boost工作模式時，其在工作過程中的導通損耗為公式(5)：Pcond =Iin 2 [RL1 +RQ1 +D2 RQ3 +(1-D2 )RQ4 ] (5)
其中，D2為開關電晶體Q2的占空比；從公式(4)和公式(5)中可以看出，其工作過程中的導通損耗和兩個開關電晶體的等效阻抗和成正比，因此，其導通損耗較大。
如圖1(e)所示為由開關電晶體Q1、Q2、Q3、Q4和電感L1組成的Boost-Buck電路，其在工作過程中的導通損耗為公式(6)：Pcond =Iin 2 [RL1 +D1 RQ1 +(1-D1 )RQ2 ]+Iout 2 [RL2 +D2 RQ3 +(1-D2 )RQ4 ] (6)
從公式(6)中看出，這種Boost-Buck的功率轉換電路的導通損耗比圖1(d)所示為Buck-Boost的功率轉換電路的導通損耗更大，其導通損耗不但與兩個開關電晶體的 等效阻抗和成正比，還包括兩個電感的阻抗損耗。
因此，綜上所述，現有技術中的功率轉換電路導通損耗均較大，其電源的效率無法得到突破和提高，有待於提出一種不但能實現升降壓並且損耗小效率高的功率轉換電路。
有鑒於此，本發明提供了一種高效率的升降壓轉換器，其不但可以方便地實現升壓或降壓，為負載提供穩定地輸出電壓，並且其在工作過程中的導通損耗小，電源效率高。
為實現上述目的，本發明提供如下技術方案：依據本發明的一種高效率的升降壓轉換器的控制方法，包括一第一電感和第二電感，所述第一電感的第一端接所述升降壓轉換器的輸入端，一第一開關和一第二開關串聯連接在所述升降壓轉換器的輸入端和接地端之間；所述第二電感的第一端接在所述第一開關和第二開關的公共連接點，其第二端接所述升降壓轉換器的輸出端；一第三開關接在所述第一電感的第二端和接地端之間；一第四開關接在所述第一電感的第二端和所述升降壓轉換器的輸出端之間；包括以下步驟：接收所述升降壓轉換器的輸入端電壓 和輸出端電壓，並根據所述輸入端電壓和所述輸出端電壓的大小來控制所述第一開關、第二開關、第三開關和第四開關的開關動作，以使所述升降壓轉換器工作於升壓模式或降壓模式。
進一步的，還包括以下步驟：當檢測到所述升降壓轉換器的輸入端電壓大於其輸出端電壓時，控制所述第三開關和第四開關維持關斷，並且控制所述第一開關和第二開關的開關動作以使所述升降壓轉換器工作於降壓模式；當檢測到所述升降壓轉換器的輸入端電壓小於其輸出端電壓時，控制所述第一開關和第二開關維持關斷，並且控制所述第三開關和第四開關的開關動作以使所述升降壓轉換器工作於升壓模式。
較佳的，所述第一電感和第二電感為單獨的兩個電感或是藉由耦合的方式耦合在一起。
進一步的，當所述升降壓轉換器工作於升壓模式時，所述第一開關具有反向阻斷能力；當所述升降壓轉換器工作於降壓模式時，所述第四開關具有反向阻斷能力。
依據本發明的一種高效率的升降壓轉換器，包括一第一電感和第二電感，所述第一電感的第一端接所述升降壓轉換器的輸入端，一第一開關和一第二開關串聯連接在所述升降壓轉換器的輸入端和接地端之間；所述第二電感的第一端接在所述第一開關和第二開關 的公共連接點，其第二端接所述升降壓轉換器的輸出端；一第三開關接在所述第一電感的第二端和接地端之間；一第四開關接在所述第一電感的第二端和所述升降壓轉換器的輸出端之間；一控制電路，接收所述升降壓轉換器的輸入端電壓和輸出端電壓，並根據所述輸入端電壓和所述輸出端電壓的大小來控制所述第一開關、第二開關、第三開關和第四開關的開關動作，以使所述升降壓轉換器工作於升壓模式或降壓模式。
藉由上述的技術方案可知，本發明方案提出了一種升壓和降壓的並聯電路架構，其根據轉換器的輸入端電壓和輸出端電壓的大小關係來選擇控制主電路工作於升壓模式或降壓模式或交替工作於升壓和降壓模式或同時工作於升壓和降壓模式，與現有技術相比，其電路集成度高成本低並且導通損耗大大降低。
201‧‧‧控制電路
C1‧‧‧電容
Co‧‧‧輸出電容
L1‧‧‧電感
L2‧‧‧電感
L11 ‧‧‧第一電感
L22 ‧‧‧第二電感
Q1‧‧‧開關電晶體
Q2‧‧‧開關電晶體
Q3‧‧‧開關電晶體
Q4‧‧‧開關電晶體
Q11 ‧‧‧第一開關
Q22 ‧‧‧第二開關
Q33 ‧‧‧第三開關
Q44 ‧‧‧第四開關
T‧‧‧隔離式變壓器
圖1(a)-(e)所示為現有技術中功率轉換電路的電路圖；圖2所示為依據本發明的一種高效率的升降壓轉換器的一實施例電路方塊圖；圖3所示為依據本發明的一種高效率的升降壓轉換器的另一實施例電路方塊圖。
以下結合圖式對本發明的幾個較佳實施例進行詳細描述，但本發明並不僅僅限於這些實施例。本發明涵蓋任何在本發明的精髓和範圍上做的替代、修改、等效方法以及方案。為了使公眾對本發明有徹底的瞭解，在以下本發明較佳實施例中詳細說明了具體的細節，而對本領域技術人員來說沒有這些細節的描述也可以完全理解本發明。
參考圖2，所示為依據本發明的一種高效率的升降壓轉換器的一實施例電路方塊圖；所述升降壓轉換器包括一第一電感L11 和第二電感L22 ，所述第一電感L11 的第一端接所述升降壓轉換器的輸入端，一第一開關Q11 和一第二開關Q22 串聯連接在所述升降壓轉換器的輸入端和接地端之間；所述第二電感L22 的第一端接在所述第一開關Q11 和第二開關Q22 的公共連接點，其第二端接所述升降壓轉換器的輸出端；一第三開關Q33 接在所述第一電感L11 的第二端和接地端之間；一第四開關Q44 接在所述第一電感L11 的第二端和所述升降壓轉換器的輸出端之間。圖2中電容Co為輸出電容。
進一步的，所述升降壓轉換器還包括控制電路201，其接收所述升降壓轉換器的輸入端電壓Vin 和輸出端電壓Vout ，並根據所述輸入端電壓Vin 和所述輸出端電壓Vout 的大小來控制所述第一開關Q11 、第二開關Q22 、第三開關Q33 和第四開關Q44 的開關動作，以使所述升降壓轉換 器工作於升壓模式或降壓模式。
具體地，所述控制電路201控制所述升降壓轉換器的工作模式包括以下步驟：
第一步驟：當所述控制電路201檢測到所述升降壓轉換器的輸入端電壓Vin 大於其輸出端電壓Vout 時，所述控制電路201控制所述第三開關Q33 和第四開關Q44 維持關斷，並且藉由控制所述第一開關Q11 和第二開關Q22 的開關動作以使所述升降壓轉換器工作於降壓模式。在降壓工作模式過程中，所述第四開關Q44 具有反向阻斷能力，以防止輸出端能量返回至輸入端。
第二步驟：當所述控制電路201檢測到所述升降壓轉換器的輸入端電壓Vin 小於其輸出端電壓Vout 時，或者是，在輸入端電壓Vin 減小的過程中，第一開關Q11 的占空比已達到100%，並且控制電路201檢測到第一開關Q11 的平均電流開始變負時，所述控制電路201控制所述第一開關Q11 和第二開關Q22 完全關斷，並且藉由控制所述第三開關Q33 和第四開關Q44 的開關動作以使所述升降壓轉換器工作於升壓模式。需要說明的是，在升壓工作模式過程中，所述第一開關Q11 具有反向阻斷能力，以防止輸出端能量返回至輸入端。
進一步的，本發明實施例中所述控制電路201控制所述升降壓轉換器的工作模式還包括以下步驟：當所述控制電路201檢測到所述升降壓轉換器的輸入端電壓Vin 接近於輸出端電壓Vout 時，所述控制電路201 控制所述第一開關Q11 、第二開關Q22 、第三開關Q33 和第四開關Q44 的開關動作以使所述升降壓轉換器交替工作於升壓和降壓模式或者是同時工作於升壓和降壓模式，以維持輸出電壓恆定；其中，所述第一開關Q11 、第二開關Q22 和第一電感L11 形成一降壓功率轉換電路；所述第三開關Q33 、第四開關Q44 和第二電感L22 形成一升壓功率轉換電路，其可為輸出端提供一部分能量。
在上述第一步驟中，即所述控制電路控制所述轉換器工作於降壓模式時，其在工作過程中的導通損耗Pcond 為公式(7)：Pcond =Iout 2 [RL22 +D1 RQ11 +(1-D1 )RQ22 ] (7)
其中，Iout 表示所述轉換器的輸出電流，RL22 表示所述第二電感L22 的等效阻抗，RQ11 表示所述第一開關Q11 的導通電阻，RQ22 表示所述第二開關Q22 的導通電阻，D1表示所述第一開關Q11 的占空比。
在上述第二步驟中，即所述控制電路控制所述轉換器工作於升壓模式時，其在工作過程中的導通損耗Pcond 為公式(8)：Pcond =Iin 2 [RL11 +D2 RQ33 +(1-D2 )RQ44 ] (8)
其中，Iin 表示所述轉換器的輸入電流，RL11 表示第一電感L11 的等效阻抗，RQ33 表示第三開關Q33 的導通電阻，RQ44 表示第四開關Q44 的導通電阻，D2表示第三開關Q33 的占空比。
從公式(7)和公式(8)中可以看出，本發明實施例 公開的高效率的升降壓轉換器其導通損耗相對於上述現有技術中的各功率轉換電路都大大降低，有效提高了電源的工作效率。
需要補充說明的是，本發明的升降壓轉換器也可應用於負載發生瞬態變化的場合，在所述變換器的輸出端負載發生瞬態變化時，由於輸出電壓的瞬態變化，控制電路可控制原先不工作的功率轉換電路根據情況來輔助工作中的功率轉換電路以取得更好的瞬態輸出回應。
參考圖3，所示為依據本發明的一種高效率的升降壓轉換器的另一實施例電路方塊圖；本實施例的電路主體架構與上一實施例相同，所不同的是，本實施例中的第一電感L11 和第二電感L22 藉由耦合的方式耦合在一起，這樣可以減少PCB面積和元件的個數，進一步提高集成度節省了成本。
本發明還公開了一種高效率的升降壓轉換器的控制方法，包括一第一電感和第二電感，所述第一電感的第一端接所述升降壓轉換器的輸入端，一第一開關和一第二開關串聯連接在所述升降壓轉換器的輸入端和接地端之間；所述第二電感的第一端接在所述第一開關和第二開關的公共連接點，其第二端接所述升降壓轉換器的輸出端；一第三開關接在所述第一電感的第二端和接地端之間；一第四開關接在所述第一電感的第二端和所述升降壓轉換器的輸出端之間；包括以下步驟：接收所述升降壓轉換器的輸入端電壓 和輸出端電壓，並根據所述輸入端電壓和所述輸出端電壓的大小來控制所述第一開關、第二開關、第三開關和第四開關的開關動作，以使所述升降壓轉換器工作於升壓模式或降壓模式。
進一步，還包括以下步驟：當檢測到所述升降壓轉換器的輸入端電壓大於其輸出端電壓時，控制所述第三開關和第四開關維持關斷，並且控制所述第一開關和第二開關的開關動作以使所述升降壓轉換器工作於降壓模式；當檢測到所述升降壓轉換器的輸入端電壓小於其輸出端電壓時，控制所述第一開關和第二開關維持關斷，並且控制所述第三開關和第四開關的開關動作以使所述升降壓轉換器工作於升壓模式。
進一步的，還包括以下步驟：當檢測到所述升降壓轉換器的輸入端電壓接近於其輸出端電壓時，控制所述第一開關、第二開關、第三開關和第四開關的開關動作以使所述升降壓轉換器交替工作於升壓和降壓模式或是同時工作於升壓和降壓模式，以維持輸出電壓恆定。
綜上所述，依照本發明所公開的一種高效率的升降壓轉換器及其控制方法，藉由一並聯的功率轉換電路結構，其根據輸入端電壓和輸出端電壓的大小既可以實現升壓功率轉換也可實現降壓功率轉換，或者交替(或同時)工作於升壓和降壓模式以滿足輸出端電壓要求，所述轉換器只需一個控制電路，電路集成度高，成本低，並且，在工作過程中，所述轉換器的導通損耗比現有技術中的功率轉換電 路的導通損耗都要降低很多，有效提高了工作效率。
以上對依據本發明的較佳實施例的高效率的升降壓轉換器及其控制方法進行了詳盡描述，本領域普通技術人員據此可以推知其他技術或者結構以及電路佈局、元件等均可應用於所述實施例。
依照本發明的實施例如上文所述，這些實施例並沒有詳盡敍述所有的細節，也不限制該發明僅為所述的具體實施例。顯然，根據以上描述，可作很多的修改和變化。本說明書選取並具體描述這些實施例，是為了更好地解釋本發明的原理和實際應用，從而使所屬技術領域技術人員能很好地利用本發明以及在本發明基礎上的修改使用。本發明僅受申請專利範圍及其全部範圍和等效物的限制。
201‧‧‧控制電路
Co‧‧‧輸出電容
L11 ‧‧‧第一電感
L22 ‧‧‧第二電感
Q11 ‧‧‧第一開關
Q22 ‧‧‧第二開關
Q33 ‧‧‧第三開關
Q44 ‧‧‧第四開關
Vin ‧‧‧輸入端電壓
Vout ‧‧‧輸出端電壓

Claims (8)

  1. 一種高效率的升降壓轉換器的控制方法，包括一第一電感和第二電感，該第一電感的第一端接該升降壓轉換器的輸入端，一第一開關和一第二開關串聯連接在該升降壓轉換器的輸入端和接地端之間；該第二電感的第一端接在該第一開關和第二開關的公共連接點，其第二端接該升降壓轉換器的輸出端；一第三開關接在該第一電感的第二端和接地端之間；一第四開關接在該第一電感的第二端和該升降壓轉換器的輸出端之間；包括以下步驟：接收該升降壓轉換器的輸入端電壓和輸出端電壓，並根據該輸入端電壓和該輸出端電壓的大小來控制該第一開關、第二開關、第三開關和第四開關的開關動作，以使該升降壓轉換器工作於升壓模式或降壓模式。
  2. 根據申請專利範圍第1項的升降壓轉換器的控制方法，其中，進一步包括以下步驟：當檢測到該升降壓轉換器的輸入端電壓大於其輸出端電壓時，控制該第三開關和第四開關維持關斷，並且控制該第一開關和第二開關的開關動作以使該升降壓轉換器工作於降壓模式；當檢測到該升降壓轉換器的輸入端電壓小於其輸出端電壓時，控制該第一開關和第二開關維持關斷，並且控制該第三開關和第四開關的開關動作以使該升降壓轉換器工 作於升壓模式。
  3. 根據申請專利範圍第1項的升降壓轉換器的控制方法，其中，該第一電感和第二電感為單獨的兩個電感或是藉由耦合的方式耦合在一起。
  4. 根據申請專利範圍第1項的升降壓轉換器的控制方法，其中，當該升降壓轉換器工作於升壓模式時，該第一開關具有反向阻斷能力；當該升降壓轉換器工作於降壓模式時，該第四開關具有反向阻斷能力。
  5. 一種高效率的升降壓轉換器，其特徵在於，包括一第一電感和第二電感，該第一電感的第一端接該升降壓轉換器的輸入端，一第一開關和一第二開關串聯連接在該升降壓轉換器的輸入端和接地端之間；該第二電感的第一端接在該第一開關和第二開關的公共連接點，其第二端接該升降壓轉換器的輸出端；一第三開關接在該第一電感的第二端和接地端之間；一第四開關接在該第一電感的第二端和該升降壓轉換器的輸出端之間；一控制電路，接收該升降壓轉換器的輸入端電壓和輸出端電壓，並根據該輸入端電壓和該輸出端電壓的大小來控制該第一開關、第二開關、第三開關和第四開關的開關動作，以使該升降壓轉換器工作於升壓模式或降壓模式。
  6. 根據申請專利範圍第5項的升降壓轉換器，其中， 當該控制電路檢測到該升降壓轉換器的輸入端電壓大於其輸出端電壓時，該控制電路控制該第三開關和第四開關維持關斷，並且控制該第一開關和第二開關的開關動作以使該升降壓轉換器工作於降壓模式；當該控制電路檢測到該升降壓轉換器的輸入端電壓小於其輸出端電壓時，該控制電路控制該第一開關和第二開關維持關斷，並且控制該第三開關和第四開關的開關動作以使該升降壓轉換器工作於升壓模式。
  7. 根據申請專利範圍第5項的升降壓轉換器，其中，該第一電感和第二電感為單獨的兩個電感或是藉由耦合的方式耦合在一起。
  8. 根據申請專利範圍第5項的升降壓轉換器，其中，當該升降壓轉換器工作於升壓模式時，該第一開關具有反向阻斷能力；當該升降壓轉換器工作於降壓模式時，該第四開關具有反向阻斷能力。
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