專利名稱：一種升降壓斬波電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于升降壓斬波電路，具微及一種升降壓斬波電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。 背景駄
顧名思義，升降壓斬波電路既有升壓功能也有降壓功能，根據(jù)輸入電壓的
變化及時調(diào)整開關(guān)管的狀態(tài)，維持輸出的穩(wěn)定。Buck-Boost電路、Cuk電路、 Sepic電路、Zeta電路是四種最常見的升降壓斬波電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。在電路拓?fù)?結(jié)構(gòu)中開關(guān)管都要承受著相對較高的電壓應(yīng)力，其中Buck-Boost電路中開關(guān) 管承受2Us (Us為輸入電壓，下同)的電壓應(yīng)力，其它三種升降壓斬波電路 拓?fù)渲虚_關(guān)管承受Us+Uo (Uo為輸出電壓，下同)的電壓應(yīng)力；因此這些電 路拓?fù)湓诟邏簣龊系膉頓就受到了一定柳艮制，或者要采用更高電壓等級的開 關(guān)管，這必然會造,品成本的增加。
現(xiàn)有技術(shù)中，Buck電路的輸入輸出電壓之間存在著Uo-Usx"的關(guān)系(其中 為開關(guān)管導(dǎo)通占空比，os"i)，因而Buck電路只具有降壓功能，沒有升壓 功能；而Boost電路的輸入輸出電壓之間存在著u。 = Us /(" a)的關(guān)系，只能實 現(xiàn)升壓功能不能實現(xiàn)降壓功能。為了實現(xiàn)升降壓斬波的功會^就必須將Buck電 路與Boost電路綜合起財能實現(xiàn)相應(yīng)的功能，而綜合不僅僅是電路結(jié)構(gòu)的組 合，還包含對組合電路的演化；前面提到的Buck-Boost等四種基本的升降壓 斬波電路就是在Buck電路與Boost電路結(jié)合的基礎(chǔ)上演變過來的。在有些文 獻(xiàn)中提到了另外一種升降壓斬波電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，具體電路如圖1所示。該主電
3路中，電容C1、 C2、 C3是串聯(lián)連接的，Cl的一端與電源Us的正極相連，另 一端與輸出電壓U。的負(fù)極相連；而C3的一端與電源Us的負(fù)極相連，另一端與 輸出電壓U。的正極相連。該電路中電容C1、 C3所承受的平均電壓為輸入輸出 電壓之和的一半，即為(Us+Uo)/2。電容所需承受的電壓應(yīng)力較高，要么提 高電容的額定工作電壓，要么通過電容的串并M降低對電壓應(yīng)力的要求。同 一電容，承受高的電壓應(yīng)力，對電容的使用壽命，系統(tǒng)的可靠性均帶來不利影 響，在高壓大功率場合尤其明顯。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是為了解決現(xiàn)有技術(shù)存在的問題而提供一種升降壓斬波電 路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，其可以降低開關(guān)管在工作過程中戶萬承受的電壓應(yīng)力，電路可以工 作于更高的電壓場合，延長fOT壽命、降低成本，減小體積、提高系統(tǒng)可靠性。
本發(fā)明的目的;OT1下述技術(shù)方案實J見的
本發(fā)明升降壓斬波電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu),包括電源Us、第一開關(guān)管V1、第二開關(guān) 管V2、電感L、第一二極管D1、第二二極管D2、第一電容Q、第二電容C2、 第三電容C3以及負(fù)載RL:其中第一開關(guān)管VI與電感L及第二開關(guān)管V2串聯(lián) 后并聯(lián)在電源Us上，第一二極管Dl與第二電容C2及第二二極管D2串聯(lián)后并 聯(lián)在電感L兩端，第一電容Cl并聯(lián)在第一開關(guān)管VI與電感L及第二二極管 D2組成的支路上，第三電容C3并聯(lián)在第二開關(guān)管V2與電感L及第一二極管 Dl組成的支路上，負(fù)載RL并聯(lián)在第二電容C2上。
本發(fā)明提供的升降壓斬波電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)本質(zhì)上相當(dāng)于兩相DC/ DC直流變 換器，兩個開關(guān)管驅(qū)動脈沖的占空比大小是一樣的，只是在相位上相差半個周 肌當(dāng)開關(guān)管的導(dǎo)通占空比不大于0. 5時,兩個開關(guān)管不存在同時導(dǎo)通的情況，電路工作于降壓模式，Us 、 VI、 L、 D2、 C2、 C3組成一個Buck電路，Us 、 V2、 L、 Dl、 C2、 Cl組成另一個Buck電路。當(dāng)開關(guān)管的驅(qū)動脈沖導(dǎo)通占空比大于 0.5時，Us 、 VI、 L、 V2組成一個Boost電路，當(dāng)VI、 V2輪流作為Boost電 路的主開關(guān)管。該電路開關(guān)管所承受的電壓(Us + Uo) / 2 ，僅為現(xiàn)有技術(shù)四種 拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中的一半左右。由于采用兩個開關(guān)管，并且兩個開關(guān)是交替導(dǎo)通和關(guān) 斷的，提高了系統(tǒng)的開關(guān)頻率，降低了儲能電感的體積和容量，減少了輸出電 壓的脈動。同時對主電路上的電容連接方式進(jìn)行改進(jìn)，降低了對電容電壓應(yīng)力 的要求，電容Cl、 C3所承受的電壓僅為(Us -Uo)/2 ，所以其相對于圖1所示 的升降壓斬波電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)在電容所需承受的電壓應(yīng)力方面更具有優(yōu)勢。降低
了對電容電壓應(yīng)力的要求，在輸入輸出電壓比較高的場合，電容上所承受的電 壓應(yīng)力相差很大，承受低的電壓應(yīng)力，可以提高電容的使用壽命，提高系統(tǒng)的 可靠性。在高壓大功^^合這方面的優(yōu)勢就更加明顯。 下面結(jié)合附圖進(jìn)一步說明本發(fā)明的技術(shù)方案，


圖1是現(xiàn)有的升降壓斬波電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)示意圖。
圖2是本發(fā)明的升降壓斬波電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)示意圖。
圖3是本發(fā)明的升降壓斬波電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)工作于降壓模式時的流程圖。
圖4是本發(fā)明的升降壓斬波電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)工作于升壓模式時的流程圖。
圖5是本發(fā)明的升降壓斬波電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)應(yīng)用之一的電路圖。
圖6是本發(fā)明的升降壓斬波電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)應(yīng)用之二的電路圖。
具體實肺式圖2給出了本發(fā)明的一個實施例的電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)示意圖。電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中 包括電源Us、開關(guān)管V1、開關(guān)管V2、電感L、 二極管D1、 二極管D2、電容 Cl、電容C2、電容C3以及負(fù)載RL;具體連接關(guān)系為開關(guān)管VI的c極連接 到電源Us的正極，開關(guān)管VI的e極連接到電感L的一端；電感L的另一端連 接到開關(guān)管V2的c極，開關(guān)管V2的e極連接到電源Us的負(fù)極；二極管Dl的 陰極連接到開關(guān)管VI的e極，陽極連接到電容C2的一端(當(dāng)C2使用電解電 容時，二極管D1的陽極應(yīng)連接到電容C2的負(fù)極)，電容C2的另一端(對電解 電容而言就是電容C2的正極)連接到二極管D2的陰極，二極管D2的陽極連 接到開關(guān)管V2的c極；電容Cl的一職接到開關(guān)管VI的c極，另一端連接 到二極管D2的陰極；電容C3的一端連接到開關(guān)管V2的e極，另一端連接到 二極管D1的陽極；負(fù)載正輸入端連接到二極管D2的陰極，負(fù)輸入端連接到二 極管D1的陽極。
上,接關(guān)系上開關(guān)管是按照IGBT的管腳名稱進(jìn)行說明的，若是其他類 型的開關(guān)管，貝揩腳需要進(jìn)行相應(yīng)的更改。
開關(guān)管可以是IGBT、 IPM、 M0SFET等智能可控開關(guān)器件中一種，二極管 可以是單獨(dú)的二極管模塊，也可以是IGBT等開關(guān)器件內(nèi)部集成的二極管器件。
工作原理
本電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中實際包含著兩個DC/DC變換電路。兩個開關(guān)管的驅(qū)動信 號的占空比大小是一樣的，相位上相差半個周期，改變開關(guān)管驅(qū)動信號導(dǎo)通占 空比，就可以改變輸出電壓，輸入輸出電壓之間存在以下關(guān)系
l —a
其中"為開關(guān)管導(dǎo)通占空比。當(dāng)"《0.5時，電路工作在降壓斬波模式，
6當(dāng)"> 0.5時，電路工作在升壓模式。為了便于理解，電路拓?fù)湟卜殖山祲?模式和升壓模式來闡述。
當(dāng)"^ 0.5時，電路工作于降壓模式，具體工作過程為
> V2截止V1導(dǎo)通電源Us通過Vl、 L、 D2、 C2對電容C3進(jìn)行充電；Cl通 過V1、 L、 D2回路進(jìn)行放電；C2通過C2、 RL回路為RL提供能量，以維持RL 正常輸出。
> VI由導(dǎo)通轉(zhuǎn)為截止(V2保持截止)由于L上的電流不能突變，L將通過 Dl、 L、 D2、 RL回路把能量傳遞給負(fù)載RL以及對電容C2充電；同時L3SM; Us、 C3、 Dl、 L、 D2、 C1回路對C1、 C3反向充電。
> V2由截止轉(zhuǎn)為導(dǎo)通(Vl保持截止)Us通過V2、 L、 Dl、 C2對電容C1進(jìn) 行充電；C3通過D1、 L、 V2回路進(jìn)行放電；C2通過C2、 RL回路為RL提供能 量，以維持RL正常輸出。
> V2由導(dǎo)通轉(zhuǎn)為截止(VI保持截止)由于L上的電流不能突變，L將通過 Dl、 L、 D2、 RL回M能量傳遞給負(fù)載RL以艦電容C2充電；同時L艦過 Cl、 Us、 C3、 Dl、 L、 D2回路對C1、 C3反向充電。
> VI由截止轉(zhuǎn)為導(dǎo)通(V2保持截止)，實際上又回到了工作過程的第一步。 當(dāng)"> 0.5時，電路工作于升壓模式，具體工作過程為
> VI、 V2同時導(dǎo)通，電源Us直接加在L上，L儲存會瞳；Us通過Us、 Cl、 RL、 C3回路對C1、 C3進(jìn)行充電；C2通過C2、 RL回路為RL提供能量，以維持 RL正常輸出。
> V1由導(dǎo)通轉(zhuǎn)為截止(V2保持導(dǎo)通)，因L電流不能突變，L將對C2進(jìn)行充 電；Us通過Us、 Cl、 C2、 Dl、 L、 V2回路對C1進(jìn)行充電；C3通過D1、 L、 V2、 C3回路放電。> VI由截止轉(zhuǎn)為導(dǎo)通(V2保持導(dǎo)通)，L儲存能量；Us通過Us、 Cl、 RL、 C3 回路對C1、 C3進(jìn)行充電；C2通過C2、 RL回路為RL提供能量，以維持RL正 常輸出。
> V2由導(dǎo)通轉(zhuǎn)為截止(VI保持導(dǎo)通)，因L電流不能突變，L將對C2進(jìn)行充 電；Us通過Us、 VI、 L、 D2、 C2、 C3回路對C3進(jìn)行充電；C1通過V1、 L、 D2、 Cl回路方文電。
> V2由截止轉(zhuǎn)為導(dǎo)通(Vl保持導(dǎo)通)，返回到V1、 V2同時導(dǎo)通狀態(tài)。
在穩(wěn)態(tài)時，Cl、 C2、 C3電容上的電壓之和等于輸入電壓Us，電容C1、 C3 所承受的平均電壓是(Us-U。)/2。當(dāng)輸入電壓高于所期望的輸出電壓時，電路 工作于降壓斬波模式，VI、 V2驅(qū)動脈沖導(dǎo)通占空比小于0.5;當(dāng)輸入電壓低于 所期望的輸出電壓時，電路工作于升壓模式，VI、 V2驅(qū)動脈沖導(dǎo)通占空比大 于0.5，有兩個開關(guān)管同時導(dǎo)通的情況。當(dāng)輸入電壓發(fā)生變化時，根據(jù)輸入電 壓調(diào)整V1、 V2驅(qū)動脈沖占空比，達(dá)到維持穩(wěn)定輸出的結(jié)果。
當(dāng)電路達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)后，根據(jù)基爾霍夫電壓定律有 Us = UC1 +UC2 +UC3
而Uc,Uc3 、 uC2=u0 ，進(jìn)而得到
UC1 =UC3 =(Us-U0)/2 當(dāng)V1導(dǎo)通、V2截止時，V2所承受的電壓為
U V2 = Us _ U C1 = Us - (Us - U o )/ 2 = (Us + U 0 )/ 2 同理，當(dāng)V2導(dǎo)通、Vl截止時，Vl所承受的電壓為
UV1 = Us — UC3 = Us — (Us — U0)/2 = (Us + U。)/2當(dāng)電路達(dá)至!j穩(wěn)、定狀態(tài)后，根 據(jù)基爾霍夫電壓定律有而UcUc3 、 UC2=U。，進(jìn)而得到
<formula>formula see original document page 9</formula>當(dāng)V1導(dǎo)通、V2截止時，V2所承受的電壓為
<formula>formula see original document page 9</formula>
同理，當(dāng)V2導(dǎo)通、Vl截止時，Vl所承受的電壓為<formula>formula see original document page 9</formula>
應(yīng)用實例1
本發(fā)明的應(yīng)用之一，如圖5所示，在升降壓斬波電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，
增加了輸入濾波電路(L1與C4組成LC濾波)、軟啟動電路(防反二極管V3、 充電電阻R1、短,觸器KM1組成)、開關(guān)管，電路以及輸入輸出電壓參數(shù) 檢測電路(電流傳感器SC1、 SC2，電壓傳麟SV1、 SV2)。工作原理Ll與 C4組成的濾波電路對輸入電源進(jìn)行^T波，輸入電源經(jīng)過防反二極管V3、充電 電阻R1對電容充電，當(dāng)充電完成后，KM1閉和將防反二極管V3、充電電阻支 路短接，然后新型升降壓斬波電路開始工作。 應(yīng)用實例2
本發(fā)明的應(yīng)用之二，如圖6所示，它是在圖5所示電路的基礎(chǔ)上，用"雙 管的IGBT"取代"開關(guān)管及與其連接的二極管"，雙管IGBT中的一個開關(guān)管 作為主開關(guān)管，另外一個作為二極管用。
權(quán)利要求
1、一種升降壓斬波電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，包括電源Us、第一開關(guān)管V1、第二開關(guān)管V2、電感L、第一二極管D1、第二二極管D2、第一電容C1、第二電容C2、第三電容C3以及負(fù)載RL其中第一開關(guān)管V1與電感L及第二開關(guān)管V2串聯(lián)后并聯(lián)在電源Us上，第一二極管D1與第二電容C2及第二二極管D2串聯(lián)后并聯(lián)在電感L兩端，第一電容C1并聯(lián)在第一開關(guān)管V1與電感L及第二二極管D2組成的支路上，第三電容C3并聯(lián)在第二開關(guān)管V2與電感L及第一二極管D1組成的支路上，負(fù)載RL并聯(lián)在第二電容C2上。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種升降壓斬波電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，其第一開關(guān)管V1與電感L及第二開關(guān)管V2串聯(lián)后并聯(lián)在電源Us上，第一二極管D1與第二電容C2及第二二極管D2串聯(lián)后并聯(lián)在電感L兩端，第一電容C1并聯(lián)在第一開關(guān)管V1與電感L及第二二極管D2組成的支路上，第三電容C3并聯(lián)在第二開關(guān)管V2與電感L及第一二極管D1組成的支路上，負(fù)載RL并聯(lián)在第二電容C2上。本發(fā)明中開關(guān)管V1、V2所承受的電壓應(yīng)力較小僅為(Us+Uo)/2，電容C1、C3所承受的平均電壓是(Us-Uo)/2，降低了對電容電壓應(yīng)力的要求，因此本發(fā)明可以適應(yīng)更高的電壓場合，延長使用壽命、降低成本。
文檔編號H02M3/145GK101674014SQ20091004440
公開日2010年3月17日 申請日期2009年9月25日 優(yōu)先權(quán)日2009年9月25日
發(fā)明者劉旭君, 強(qiáng) 吳, 林文彪 申請人:株洲南車時代電氣股份有限公司