專利名稱：一種三電平降壓式變換電路的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實用新型屬于降壓式變換電路，特別涉及一種三電平降壓式變換電路。
背景技術(shù)：
降壓式變換電路(Buck變換電路)是電能變換器中常用的一種。常用的兩電平降 壓式變換電路的每個開關(guān)管需要承受輸入直流側(cè)的全部電壓，在低電壓小容量的應(yīng)用場合 下，它具有結(jié)構(gòu)簡單，控制容易的優(yōu)點。但是，在電壓較高的場合下，考慮到成本和技術(shù)的限 制，會出現(xiàn)單個開關(guān)管不能承受輸入側(cè)高電壓的情況。兩電平降壓式變換電路的高頻開關(guān)器件處于關(guān)斷狀態(tài)時兩端壓差大，使它具有如 下的缺點在高頻開關(guān)關(guān)斷時，電壓變化率dv/dt高，會產(chǎn)生很大的尖峰電壓，容易擊穿器 件；高頻開關(guān)器件承受很大的電壓應(yīng)力，使電路器件的參數(shù)要求較嚴格，增加電路成本；開 關(guān)損耗大，降低了降壓式變換電路的效率；開關(guān)電壓過高使開關(guān)器件對附近電子設(shè)備的電 磁干擾變大。常用的兩電平降壓式變換電路結(jié)構(gòu)如圖1所示，圖中輸入電源1的電壓為Ui, 所述電路通過高頻開關(guān)元件的通斷進行斬波，其中高頻開關(guān)2可采用IGBT或者M0SFET，也 可以采用其他電力電子開關(guān)器件。設(shè)高頻開關(guān)2的開關(guān)周期為T，把開關(guān)周期T分成第一 時間段、和第二時間段t2兩段，高頻開關(guān)2在第一時間段、內(nèi)導(dǎo)通，在第二時間段t2內(nèi)關(guān) 斷。當t e、(即當前時間在第一時間段內(nèi))時，高頻開關(guān)2導(dǎo)通，輸入電源1向負載6供 電，濾波電容5充電，流過電感3的電流k按照指數(shù)曲線上升；當t e t2時，高頻開關(guān)2關(guān) 斷，流過電感3的電流經(jīng)二極管4續(xù)流，k按照指數(shù)曲線下降，電容5放電。如電感3較大 則電流I連續(xù)，電感3越大電流k脈動越小。若電容5很大，輸出電壓U?？梢哉J為是恒值， 這時，在一個開關(guān)周期T之內(nèi)，電感存儲的能量為(Ui-U。) iLti;其中u。為輸出電壓，Ui為輸 入電壓，iL為流過電感3的電流，、為第一時間段；電感3釋放的能量為u。ij2，其中U。為 輸出電壓，iL為流過電感3的電流，t2為第二時間段，根據(jù)能量守恒定律，有(Ui-U0) I^1 = u。iLt2整理得uo = -J^U1 = t^ui = au,唭中Uo為輸出電壓，ι為流過電感3的電流，t2為第二時間段，、為第一時間段，T為開關(guān)周期，Ui為輸入電壓，α為占空比。其中，第一時間段、、第二時間段、分別為高頻開關(guān)2的導(dǎo)通時間和關(guān)斷時間，α =t/r稱為占空比或?qū)ū?。由于圖1所示電路中，高頻開關(guān)2要承受全部輸入電壓Ui， 使它具有上述兩電平降壓式變換電路的缺點，因此有必要提出一種使開關(guān)器件承受的電壓 應(yīng)力較低的新型電路。多電平變換電路是解決這個問題的重要手段之一。綜合考慮成本和 可實現(xiàn)性，多電平變換電路中又以三電平變換電路應(yīng)用最廣泛。三電平降壓式變換電路可 以克服開關(guān)器件承受的電壓應(yīng)力高的缺點，其常用的解決方案是采用均壓電容和箝位二極 管進行中性點箝位，但是這種技術(shù)方案均壓電容參數(shù)要求嚴格，且結(jié)構(gòu)復(fù)雜。
實用新型內(nèi)容本實用新型的首要目的在于克服上述現(xiàn)有技術(shù)的缺點與不足，提供一種結(jié)構(gòu)簡 單、合理，既可以降低開關(guān)器件的電壓應(yīng)力，又可以減少濾波元件的容量的三電平降壓式變 換電路。為達上述目的，本實用新型采用如下的技術(shù)方案一種三電平降壓式變換電路，包括依次連接的續(xù)流二極管、濾波電路和負載，還包 括輸入電源、切換電路和第一開關(guān)，所述輸入電源與切換電路連接，所述切換電路分別與第 一開關(guān)的一端、續(xù)流二極管的陽極連接，所述第一開關(guān)的另一端與續(xù)流二極管的陰極連接。所述輸入電源為兩個，分別為第一輸入電源和第二輸入電源，所述第一輸入電源、 第二輸入電源分別與切換電路連接。所述切換電路包括第二開關(guān)、第一二極管和第二二極管，所述第二開關(guān)的一端與 第一輸入電源的負極連接，其另一端與第二輸入電源的正極連接；所述第一二極管的陽極 與續(xù)流二極管的陽極、第二輸入電源負極連接，其陰極與第一輸入電源的負極連接；所述第 二二極管的陽極與第二輸入電源的正極連接，其陰極與所述第一開關(guān)的一端、第一輸入電 源正極連接。所述第一開關(guān)和第二開關(guān)均為高頻開關(guān)。所述第一二極管和第二二極管均為快速恢復(fù)二極管。所述濾波電路包括依次連接的濾波電容和電感，所述濾波電容的負極與續(xù)流二極 管的陽極連接，其正極與電感連接，電感的另一端與續(xù)流二極管的陰極連接；所述負載并聯(lián) 在濾波電容的兩端。由上述電路實現(xiàn)的三電平降壓式變換過程通過控制第一開關(guān)和第二開關(guān)的通 斷，以使負載的輸出電壓得到三個穩(wěn)定的電平(電壓值)，所述電平包括第一電平、第二電 平和第三電平，具體為在一個開關(guān)周期內(nèi)，包括三個時間段，分別為第一時間段、第二時間 段和第三時間段；在第一時間段內(nèi)，第一開關(guān)和第二開關(guān)均為導(dǎo)通狀態(tài)，第一二極管和第 二二極管反向偏置而截止，續(xù)流二極管反向偏置而截止，第一輸入電源和第二輸入電源通 過串聯(lián)經(jīng)第一開關(guān)、電感、濾波電容向負載供電，電感的電流指數(shù)上升至第一飽和電流，負 載兩端的輸出電壓通過濾波電容充電逐漸到達第一電平，此時，第一開關(guān)兩端的電壓和第 二開關(guān)兩端的電壓均為零；在第二時間段內(nèi)，第一開關(guān)為導(dǎo)通狀態(tài)、第二開關(guān)為關(guān)斷狀態(tài)， 第一二極管和第二二極管正向偏置而導(dǎo)通，續(xù)流二極管反向偏置而截止，第一輸入電源和 第二輸入電源通過并聯(lián)經(jīng)第一開關(guān)、電感、濾波電容向負載供電，電感的電流指數(shù)下降至第 二飽和電流，負載兩端的輸出電壓通過濾波電容放電逐漸到達第二電平，此時，第一開關(guān)兩 端的電壓為零，第二開關(guān)兩端的電壓等于第二電平；在第三時間段內(nèi)，第一開關(guān)和第二開關(guān) 均為關(guān)斷狀態(tài)，第一二極管和第二二極管反向偏置而截止，續(xù)流二極管正向偏置而導(dǎo)通，第 一輸入電源和第二輸入電源均斷開，濾波電容向負載供電，且通過電感、續(xù)流二極管進行續(xù) 流，電感的電流指數(shù)下降，負載兩端的輸出電壓通過濾波電容放電逐漸到達零值，此時，第 一開關(guān)兩端的電壓、第二開關(guān)兩端的電壓都等于第二電平。本實用新型原理切換電路由一個高頻開關(guān)(第二開關(guān))和兩個快速恢復(fù)二極管 (第一二極管和第二二極管)組成，該切換電路通過控制第二開關(guān)的通斷來得到兩個電平 當?shù)诙_關(guān)導(dǎo)通時，第一二極管和第二二極管因反向偏置而截止，此時兩個輸入電源串聯(lián)，負載兩端的輸出電壓為第一電平；當?shù)诙_關(guān)關(guān)斷時，第一二極管和第二二極管因正向偏 置而導(dǎo)通，此時兩個輸入電源并聯(lián)，負載兩端的輸出電壓為第二電平。在切換電路與續(xù)流二 極管之間接入第一開關(guān)，該第一開關(guān)導(dǎo)通時，可以把電源的能量傳輸?shù)截撦d；該第一開關(guān)關(guān) 斷時，電源的能量不能傳輸?shù)截撦d，這時所述電路產(chǎn)生了第三電平，即零電平，負載兩端的 電壓為零。在負載兩端并聯(lián)一個濾波電容，再在該并聯(lián)電路上串聯(lián)一個電感，然后再在該并 串聯(lián)電路兩端反并聯(lián)一個續(xù)流二極管，用于電源不向負載供電時形成續(xù)流回路。與現(xiàn)有技術(shù)相比，本實用新型具有如下優(yōu)點和有益效果本實用新型不需采用常 用三電平降壓式變換電路的均壓電容和二極管箝位電路，而是用輸入電壓的串并聯(lián)切換產(chǎn) 生三個電平值(電壓值)，既可以降低開關(guān)器件的電壓應(yīng)力，又可以減少濾波元件的容量。 本實用新型取消了均壓電容和二極管箝位電路，并使各開關(guān)的電壓應(yīng)力減少到現(xiàn)有技術(shù)電 路的1/2 ；電路中的濾波電容的耐壓減少到現(xiàn)有技術(shù)電路的1/2 ；此外，輸出電壓和電流因 為中間電平的存在而變得平緩，本實用新型的濾波電容和電感容量可以減少到現(xiàn)有技術(shù)電 路的1/2。
圖1是現(xiàn)有技術(shù)的結(jié)構(gòu)示意圖。圖2是本實用新型電路的結(jié)構(gòu)示意圖。圖3是圖2所示電路在第一時間段內(nèi)的等效電路結(jié)構(gòu)示意圖。圖4是圖2所示電路在第二時間段內(nèi)的等效電路結(jié)構(gòu)示意圖。圖5是圖2所示電路在第三時間段內(nèi)的等效電路結(jié)構(gòu)示意圖。圖6是圖2所示第一開關(guān)在一個開關(guān)周期內(nèi)的通斷狀態(tài)。圖7是圖2所示第二開關(guān)在一個開關(guān)周期內(nèi)的通斷狀態(tài)。圖8是圖2所示濾波電感的電流在一個開關(guān)周期內(nèi)的波形。圖9是圖2所示負載的輸出電壓在一個開關(guān)周期內(nèi)的波形。圖10是圖2所示第一開關(guān)兩端電壓波形。圖11是圖2所示第二開關(guān)兩端電壓波形。
具體實施方式
下面結(jié)合實施例及附圖對本實用新型作進一步詳細的描述，但本實用新型的實施 方式不限于此。實施例如圖2所示，本三電平降壓式變換電路，包括依次連接的續(xù)流二極管15、濾波電路 和負載17，還包括輸入電源、切換電路和第一開關(guān)13，所述輸入電源與切換電路連接，所述 切換電路分別與第一開關(guān)13的一端、續(xù)流二極管15的陽極連接，所述第一開關(guān)13的另一 端與續(xù)流二極管15的陰極連接。所述輸入電源為兩個，分別為第一輸入電源8和第二輸入電源9，所述第一輸入電 源8、第二輸入電源9分別與切換電路連接。所述切換電路包括第二開關(guān)10、第一二極管11和第二二極管12，所述第二開關(guān)10 的一端與第一輸入電源8的負極連接，其另一端與第二輸入電源9的正極連接；所述第一二極管11的陽極與續(xù)流二極管15的陽極、第二輸入電源9的負極連接，其陰極與第一輸入電 源8的負極連接；所述第二二極管12的陽極與第二輸入電源9的正極連接，其陰極與所述 第一開關(guān)13的一端、第一輸入電源8的正極連接。所述第一開關(guān)13和第二開關(guān)10均為高頻開關(guān)。所述第一二極管11和第二二極管12均為快速恢復(fù)二極管。所述濾波電路包括依次連接的濾波電容16和電感14，所述濾波電容16的負極與 續(xù)流二極管15的陽極連接，其正極與電感14連接，電感14的另一端與續(xù)流二極管15的陰 極連接；所述負載17并聯(lián)在濾波電容16的兩端。由上述電路實現(xiàn)的三電平降壓式變換過程通過控制第一開關(guān)13和第二開關(guān)10 的通斷，以使負載17的輸出電壓得到三個穩(wěn)定的電平(電壓值)，所述電平包括第一電平 沈、第二電平27和第三電平，具體為在一個開關(guān)周期21內(nèi)，包括三個時間段，分別為第一 時間段18、第二時間段19和第三時間段20 ；如圖6和圖7所示，在第一時間段18內(nèi)，第一 開關(guān)13為導(dǎo)通狀態(tài)22，第二開關(guān)10為導(dǎo)通狀態(tài)四，第一二極管11和第二二極管12反向 偏置而截止，續(xù)流二極管15反向偏置而截止，第一輸入電源8和第二輸入電源9通過串聯(lián) 經(jīng)第一開關(guān)13、電感14、濾波電容16向負載17供電，如圖8所示，電感14的電流指數(shù)上升 至第一飽和電流24，如圖9所示，負載17兩端的輸出電壓通過濾波電容16充電逐漸到達第 一電平沈，此時，如圖10和圖11所示，第一開關(guān)13兩端的電壓和第二開關(guān)10兩端的電壓 均為零；在第二時間段19內(nèi)，如圖6和圖7所示，第一開關(guān)13處于導(dǎo)通狀態(tài)23、第二開關(guān) 10處于關(guān)斷狀態(tài)30，第一二極管11和第二二極管12正向偏置而導(dǎo)通，續(xù)流二極管15反向 偏置而截止，第一輸入電源8和第二輸入電源9通過并聯(lián)經(jīng)第一開關(guān)13、電感14、濾波電容 16向負載17供電，如圖8所示，電感14的電流指數(shù)下降至第二飽和電流25，如圖9所示，負 載17兩端的輸出電壓通過濾波電容16放電逐漸到達第二電平27，此時，如圖10和圖11所 示，第一開關(guān)13兩端的電壓為零，第二開關(guān)10兩端的電壓等于第二電平33;在第三時間段 20內(nèi)，如圖6和圖7所示，第一開關(guān)13為關(guān)斷狀態(tài)觀，第二開關(guān)10為關(guān)斷狀態(tài)31，第一二 極管11和第二二極管12反向偏置而截止，續(xù)流二極管15正向偏置而導(dǎo)通，第一輸入電源 8和第二輸入電源9均斷開，濾波電容16向負載17供電，且通過電感14、續(xù)流二極管15進 行續(xù)流，如圖8所示，電感14的電流指數(shù)下降，如圖9所示，負載17兩端的輸出電壓通過濾 波電容16放電逐漸到達第三電平，所述第三電平為零值，此時，如圖10和圖11所示，第一 開關(guān)13兩端的電壓等于第二電平32，第二開關(guān)10兩端的電壓等于第二電平34。以上三個時間段是電感14和濾波電容16較小時的工作情況，當電感14和濾波電 容16很大，則流過電感14的電流込和負載17兩端的輸出電壓U。波動很小，可以看作恒值。 在第一時間段、內(nèi)電感14存儲的能量為(Ui-U。) It1，其中U0為輸出電壓，Ui為第一輸入電 源8和第二輸入電源9的電壓之和(令第一輸入電源8和第二輸入電源9的電壓相等，均 為Ui/2)，iL為流過電感14的電流，、為第一時間段18 ；在第二時間段t2內(nèi)電感14釋放的 能量為(u。_Ui/2) ，其中U。為輸出電壓，Ui為第一輸入電源8和第二輸入電源9的電壓 之和，k為流過電感14的電流，t2為第二時間段19 ；在第三時間段、內(nèi)電感14釋放的能 量為Ut^t3，其中U。為輸出電壓，k為流過電感14的電流，t3為第三時間段20。根據(jù)能量 守恒定律，得(Ui-U0) 土山=(u0-Ui/2) iLt2+u。iLt3[0041]整理得
權(quán)利要求1.一種三電平降壓式變換電路，包括依次連接的續(xù)流二極管、濾波電路和負載，其特征 在于還包括輸入電源、切換電路和第一開關(guān)，所述輸入電源與切換電路連接，所述切換電 路分別與第一開關(guān)的一端、續(xù)流二極管的陽極連接，所述第一開關(guān)的另一端與續(xù)流二極管 的陰極連接。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的三電平降壓式變換電路，其特征在于所述輸入電源為兩個， 分別為第一輸入電源和第二輸入電源，所述第一輸入電源、第二輸入電源分別與切換電路 連接。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的三電平降壓式變換電路，其特征在于所述切換電路包括第 二開關(guān)、第一二極管和第二二極管，所述第二開關(guān)的一端與第一輸入電源的負極連接，其另 一端與第二輸入電源的正極連接；所述第一二極管的陽極與續(xù)流二極管的陽極、第二輸入 電源負極連接，其陰極與第一輸入電源的負極連接；所述第二二極管的陽極與第二輸入電 源的正極連接，其陰極與所述第一開關(guān)的一端、第一輸入電源正極連接。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的三電平降壓式變換電路，其特征在于所述第一開關(guān)和第二 開關(guān)均為高頻開關(guān)。
5.根據(jù)權(quán)利要求3所述的三電平降壓式變換電路，其特征在于所述第一二極管和第 二二極管均為快速恢復(fù)二極管。
6.根據(jù)權(quán)利要求3所述的三電平降壓式變換電路，其特征在于所述濾波電路包括依 次連接的濾波電容和電感，所述濾波電容的負極與續(xù)流二極管的陽極連接，其正極與電感 連接，電感的另一端與續(xù)流二極管的陰極連接；所述負載并聯(lián)在濾波電容的兩端。
專利摘要本實用新型提供了一種三電平降壓式變換電路，包括依次連接的續(xù)流二極管、濾波電路和負載，還包括輸入電源、切換電路和第一開關(guān)，所述輸入電源與切換電路連接，所述切換電路分別與第一開關(guān)的一端、續(xù)流二極管的陽極連接，所述第一開關(guān)的另一端與續(xù)流二極管的陰極連接。所述輸入電源為兩個，分別為第一輸入電源和第二輸入電源，所述第一輸入電源、第二輸入電源分別與切換電路連接。本實用新型不需采用常用三電平降壓式變換電路的均壓電容和二極管箝位電路，而是用輸入電壓的串并聯(lián)切換產(chǎn)生三個電平，既可以降低開關(guān)器件的電壓應(yīng)力，又可以減少濾波元件的容量。
文檔編號H02M3/155GK201839203SQ20102059040
公開日2011年5月18日 申請日期2010年10月29日 優(yōu)先權(quán)日2010年10月29日
發(fā)明者王孝洪, 田聯(lián)房, 賴文焯 申請人:華南理工大學(xué)