電容分壓型直流降壓技術(shù)的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明屬于電氣工程及其自動(dòng)化【技術(shù)領(lǐng)域】，涉及到一種直流降壓技術(shù)。電容分壓型直流降壓技術(shù)是通過串聯(lián)電容對(duì)高壓側(cè)直流進(jìn)行分壓，使用開關(guān)依次與串聯(lián)電容中的一個(gè)或幾個(gè)電容兩端相連，讓電容的電荷向輸出端的儲(chǔ)能元件轉(zhuǎn)移，調(diào)節(jié)開關(guān)的通斷速度可以控制低電壓側(cè)輸出電壓的大小；本發(fā)明可以減小直流降壓電路的儲(chǔ)能電感，為直流降壓裝置的小型化提供技術(shù)支持。
【專利說明】電容分壓型直流降壓技術(shù)

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及到一種直流降壓技術(shù)。電容分壓型直流降壓技術(shù)是通過串聯(lián)電容對(duì)高壓側(cè)直流進(jìn)行分壓，使用開關(guān)依次與串聯(lián)電容中的一個(gè)或幾個(gè)電容兩端相連，讓電容的電荷向輸出端的儲(chǔ)能元件轉(zhuǎn)移，調(diào)節(jié)開關(guān)的通斷速度可以控制低電壓側(cè)輸出電壓的大?。槐景l(fā)明可以減小直流降壓電路的儲(chǔ)能電感，為直流降壓裝置的小型化提供技術(shù)支持。本發(fā)明屬于電氣工程及其自動(dòng)化【技術(shù)領(lǐng)域】。

【背景技術(shù)】
[0002]直流降壓在工業(yè)生產(chǎn)中具有廣泛的應(yīng)用。在現(xiàn)在的直流降壓電路中，主要是Buck電路、Cuk電路、Sepic電路、Zeta電路等基本結(jié)構(gòu)，在這幾種電路中，都是通過電力電子開關(guān)的通斷，把高電壓側(cè)直流電壓或電流在時(shí)間上切成段，即通常所說的斬波，高電壓側(cè)電壓或電流通過可以調(diào)節(jié)的斷續(xù)方波對(duì)儲(chǔ)能元件充電；儲(chǔ)能元件再通過低電壓回路放電。在直流降壓電路中，為了實(shí)現(xiàn)輸入和輸出的功率平衡，當(dāng)輸出電壓比輸入電壓低時(shí)，必然要求輸出電流比輸入電流大，而這個(gè)電流的增加必然需要儲(chǔ)能電感和續(xù)流元件，使得當(dāng)高電壓側(cè)電壓或電流對(duì)低電壓側(cè)電路無放電時(shí)段內(nèi)在低電壓側(cè)回路能形成電流，從而使低電壓側(cè)回路電流增生。所以，在上述的降壓電路及其變化形式中，儲(chǔ)能電感和續(xù)流二極管是不可或缺的元件。
[0003]除了直接的直流降壓電路外，還有通過把直流先變?yōu)楦哳l交流，進(jìn)行高頻變壓器降壓，再進(jìn)行整流獲得低電壓直流的間接直流降壓電路，在間接直流降壓電路中，需要使用高頻變壓器。
[0004]在現(xiàn)在的直流降壓電路中，需要使用儲(chǔ)能電感或變壓器。如果要減小儲(chǔ)能電感或變壓器的體積，就要提高電力電子開關(guān)的頻率；而提高了電力電子開關(guān)的頻率，儲(chǔ)能電感或變壓器以及電力電子開關(guān)本身的損耗都會(huì)增加，即整個(gè)直流降壓電路的轉(zhuǎn)換效率會(huì)降低。所以，減小體積和提高效率是現(xiàn)在直流降壓電路難以調(diào)和的矛盾。
[0005]在現(xiàn)有直流降壓電路特征分析的基礎(chǔ)上，本發(fā)明提出一種電容分壓型直流降壓技術(shù)，通過在高電壓側(cè)接入串聯(lián)電容支路，使用開關(guān)依次把串聯(lián)電容支路中一個(gè)或幾個(gè)電容與低電壓側(cè)電路相連接，從而讓各個(gè)電容依次對(duì)低電壓側(cè)電路放電，形成低電壓側(cè)的電壓和電流，調(diào)節(jié)開關(guān)的轉(zhuǎn)換速度即可控制低電壓側(cè)電壓的大小。在電容分壓型直流降壓電路中，儲(chǔ)能電感可以大幅度減小，從而為直流降壓電路的減小體積和提聞效率提供技術(shù)支持，具有顯著的經(jīng)濟(jì)效益。
[0006]


【發(fā)明內(nèi)容】

在高電壓側(cè)接入串聯(lián)電容支路，使用開關(guān)依次把串聯(lián)電容支路中的一個(gè)或幾個(gè)電容與低電壓側(cè)電路相連接，從而讓各個(gè)電容依次對(duì)低電壓側(cè)電路放電，通過控制開關(guān)轉(zhuǎn)換的速度調(diào)節(jié)直流輸出電壓的大小，形成電容分壓型直流電壓電路。電容分壓型直流降壓電路可以大幅度減小儲(chǔ)能電感，從而減小直流降壓裝置的體積，提高直流降壓裝置的效率。
[0007]為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明的技術(shù)解決方案是: 如圖1所示，使用C3、Cn、C4、C5電容形成串聯(lián)支路，串聯(lián)電容支路兩端分別與高電壓側(cè)的正負(fù)極連接。串聯(lián)電容的個(gè)數(shù)根據(jù)需要而變化，在很大程度上取決于期望分壓的高低和分壓級(jí)差的大小，如果希望分壓越低或分壓的級(jí)差越小，則要求串聯(lián)的電容個(gè)數(shù)越多，反之則可以使用較少數(shù)量的電容串聯(lián)；串聯(lián)電容的數(shù)量至少為兩個(gè)，否則這種電容分壓型直流降壓電路將失去意義。串聯(lián)的電容量值應(yīng)該一致，即量值的差異不應(yīng)該過大；如果串聯(lián)的各個(gè)電容量值不一致，會(huì)使電容分壓不均，雖然電路也能工作，但會(huì)增加控制的復(fù)雜程度或影響直流輸出的電壓品質(zhì)。
[0008]轉(zhuǎn)換開關(guān)K的多支路端與串聯(lián)電容支路中的各個(gè)電容兩端對(duì)應(yīng)相連，單支路端與低電壓回路的輸入端相連。
[0009]在圖1中，當(dāng)轉(zhuǎn)換開關(guān)K切換到最下端的位置時(shí)，使電容C3與低電壓回路相連接。如果C3的電壓比C20的電壓高，則電容C3通過電感LI向電容C20充電，電容C3上的電荷向電容C20上轉(zhuǎn)移，電容C3兩端的電荷減少，兩端的電壓降低；當(dāng)電容C3的電壓和C20相等時(shí)，則電感LI上的電流達(dá)到最大值；然后電感LI的電流逐漸減小，釋放能量，電容C3的電荷繼續(xù)減少，電壓繼續(xù)降低；當(dāng)電感LI上的電流降為零時(shí)，如果保持轉(zhuǎn)換開關(guān)K的狀態(tài)不變，則電容C20會(huì)向電容C3反充電，經(jīng)過振蕩后，電容C3和C20的電壓相等；當(dāng)電感LI上的電流降為零時(shí)，如果使轉(zhuǎn)換開關(guān)K切換到下一個(gè)位置，則下一個(gè)被接入低電壓回路的電容開始放電。轉(zhuǎn)換開關(guān)K依次切換時(shí)，串聯(lián)電容支路的各個(gè)電容依次對(duì)低電壓回路放電，放電過程與電容C3放電過程相同。
[0010]在電容C3向電容C20充電過程中，電容C3上的電壓降低，則整個(gè)串聯(lián)電容支路的端電壓也會(huì)降低，交流電源經(jīng)過整流后向整個(gè)串聯(lián)電容支路充電；所以，當(dāng)電容C3的電壓降低時(shí)，串聯(lián)電容支路的其它電容的電壓升高，電荷也相應(yīng)增多。同理，串聯(lián)電容支路中其它電容的放電會(huì)使電容C3充電。
[0011]在電容C3向電容C20充電過程中，是電容C3的電荷電容C20進(jìn)行轉(zhuǎn)移，電容C20的電壓會(huì)升高，為了使電容C3在每次放電過程中電容C20的電壓變化幅度不能太大，需要電容C3的值要小于電容C20的值。同理，串聯(lián)電容支路的其它電容的值也需要小于電容C20，使電容C20的電壓變化幅度不能太大。
[0012]如果電源向串聯(lián)電容支路充電量為q，則在串聯(lián)電容支路中的每個(gè)電容上都感應(yīng)出電量為q的電荷。如果串聯(lián)電容支路中的每個(gè)電容都可以把電量為q的電荷釋放到低電壓回路中去，則在串聯(lián)電容支路中有η個(gè)電容串聯(lián)，在低電壓回路上就可以獲得η倍的電荷量注入。也就是說，低電壓回路電流的增加是通過串聯(lián)電容支路中各個(gè)電容感應(yīng)出電荷，再分別抽取這些電荷來實(shí)現(xiàn)的。
[0013]在圖1中，電感LI與其兩端連接的電容一起構(gòu)成振蕩電路，為開關(guān)的軟通斷創(chuàng)造條件。以電感LI兩端連接的是電容C3和C20為例，當(dāng)電感上的電流為零時(shí)，開關(guān)K切換到最下端的位置，這是電容C3通過電感LI對(duì)電容C20放電，電感LI上的電流從零開始上升，實(shí)現(xiàn)開關(guān)的零電流導(dǎo)通；在電容C3向電容C20放電的過程中，電容C3的電壓下降，電感LI上的電流上升，當(dāng)電容C3上的電壓與C20上的電壓相等時(shí)，電感LI上的電流達(dá)到最大值；然后電容C3上的電壓繼續(xù)下降，而電感LI上的電流則由最大值逐漸減小,最后減小為零；當(dāng)電感LI上的電流減小到零時(shí)，使開關(guān)K切換，實(shí)現(xiàn)零電流關(guān)斷；串聯(lián)電容支路中的其它電容通過電感LI向電容C20放電時(shí)開關(guān)K同樣可以實(shí)現(xiàn)零電流開通和零電流關(guān)斷,從而實(shí)現(xiàn)開關(guān)的軟通斷，降低開關(guān)損耗。在振蕩過程中為了防止串聯(lián)電容支路中的相關(guān)電容出現(xiàn)負(fù)電壓，增加如圖1所示的續(xù)流二極管D5。
[0014]在工程中，為了減小裝置的體積，需要減小電感的量值；在由電容和電感構(gòu)成的振蕩電路中，電感越小，電感中電流的變化率越大；所以，為了限制電感中的電流的最大值，需要縮短電流上升和下降的時(shí)間，也即需要提高電感上電壓和電流的頻率。但是，在電容分壓型直流降壓電路中，由于作用在電感兩端的電壓大幅度降低，電感上的電流的變化率也大幅度降低；也即電感上的電壓和電流的頻率可以大幅度降低。和不經(jīng)過電容分壓的直流降壓電路相比，如果在相同的電感量值條件下，電感上的電壓和電流頻率降低，減少了電感上的功率損耗，如果在相同的電壓和電流工作頻率下，則可以減小電感量值，使裝置的體積縮小,重量減輕。
[0015]串聯(lián)電容支路中電容越大，則放電時(shí)間越長，所需要的限流電感也越大，而開關(guān)切換的頻率也越低。為了減小電感量，需要減小串聯(lián)電容支路中的電容，則開關(guān)切換的頻率變高。當(dāng)串聯(lián)電容支路的電容變小而開關(guān)頻率變高時(shí)，電源的工頻電壓變化跟不上串聯(lián)電容支路兩端電壓的變化，會(huì)使串聯(lián)電容支路兩端的電壓波動(dòng)加大，為了抑制串聯(lián)電容支路兩端電壓的這種變化，在串聯(lián)電容支路旁并聯(lián)一個(gè)較大的電容Cl ;如果是對(duì)電源電壓的變化不敏感，則電容Cl可以不用。
[0016]本發(fā)明具有如下優(yōu)點(diǎn):
1、能減小電感量值，有利于減小直流降壓系統(tǒng)的體積；
2、能夠?qū)崿F(xiàn)開關(guān)的軟開通和軟關(guān)斷，有利于減小開關(guān)損耗；
3、能夠降低開關(guān)的頻率，有利于減小電感上的功率損耗。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0017]圖1是電容分壓型直流降壓技術(shù)原理圖，在圖1中:
AC—交流電源；
D1?D4—整流二極管；
Cl一濾波電容；
C3?C5、Cn—分壓電容；
K一多路轉(zhuǎn)換開關(guān)；
D5—續(xù)流二級(jí)管；
LI一諧振電感；
C20—儲(chǔ)能電容；
C21—濾波電容；
L2—濾波電感；
圖2是電容分壓型直流降壓技術(shù)實(shí)現(xiàn)方案之一，在圖2中:
AC—交流電源；
D6?D9—整流二極管；
C6—濾波電容；
C7?C9、Cn—分壓電容；
IGBTf IGBT6、IGBTm, IGBTn—絕緣柵雙極型晶體管電力電子開關(guān)器件； DlO—續(xù)流二級(jí)管；
L3一諧振電感；
C30—儲(chǔ)能電容；
C31—濾波電容；
L4一濾波電感；
U—控制與驅(qū)動(dòng)電路。

【具體實(shí)施方式】
[0018]圖2為電容分壓型直流降壓技術(shù)的【具體實(shí)施方式】，進(jìn)一步說明
【發(fā)明內(nèi)容】
。需要說明的是，圖2只是【具體實(shí)施方式】之一，本發(fā)明還有其它的【具體實(shí)施方式】。
[0019]在圖2中，使用IGBT構(gòu)成開關(guān)組來實(shí)現(xiàn)圖1中的開關(guān)K的功能，而IGBT的控制和驅(qū)動(dòng)根據(jù)需要使用相應(yīng)的軟硬件構(gòu)建。
[0020]在圖2中，電源通過整流電路給電容C6和串聯(lián)電容支路供電。當(dāng)串聯(lián)電容支路充滿電后，通過控制信號(hào)使開關(guān)組的開關(guān)依次導(dǎo)通和關(guān)斷，使串聯(lián)電容支路中的各個(gè)電容依次對(duì)低電壓回路放電，從而實(shí)現(xiàn)電能從高電壓側(cè)向低電壓側(cè)傳輸?shù)墓δ?。以電容C7向低電壓側(cè)回路放電為例，當(dāng)電容C7充滿電后，通過控制信號(hào)使IGBTl和IGBT2電力電子開關(guān)導(dǎo)通，由于電容C7兩端的電壓比電容C30兩端的電壓高，則電容C7通過電感L3向電容C30放電；由于電感L3的存在，IGBTl和IGBT2上的電流從零開始上升，實(shí)現(xiàn)IGBTl和IGBT2的零電流開通。當(dāng)電容C7通過電感L3向電容C30放電時(shí)，電容和電感形成諧振電路，電感上的電流先由零增加，當(dāng)電容C7兩端的電壓與電容C30兩端的電壓相等時(shí)，電感上的電流達(dá)到最大值，然后電感上的電流逐漸減小，直到變?yōu)榱?；?dāng)電感上的電流變?yōu)榱銜r(shí)，IGBTl和IGBT2開始承受反向電壓而關(guān)斷，從而實(shí)現(xiàn)IGBTl和IGBT2的軟關(guān)斷。在電容C7的放電過程中，電容C7兩端的電壓降低，而串聯(lián)電容支路中的其它電容的電壓相應(yīng)升高。串聯(lián)電容支路中的其它電容對(duì)低電壓回路放電時(shí)的過程與上述過程相同。
[0021]在圖2中，開關(guān)組可以由分立元件構(gòu)成，也可以通過集成的方式把相應(yīng)開關(guān)封裝在一個(gè)芯片中，從而實(shí)現(xiàn)開關(guān)組的小型化。
【權(quán)利要求】
1.電容分壓型直流降壓技術(shù)，其特征在于:通過串聯(lián)電容對(duì)高壓側(cè)電壓進(jìn)行分壓，使用開關(guān)讓串聯(lián)電容支路中一個(gè)或幾個(gè)電容與低壓側(cè)電路輪流連接并向低壓側(cè)回路釋放電荷。
2.電容分壓型直流降壓技術(shù)，其特征在于:串聯(lián)電容支路(C3、C4、C5、Cn)、開關(guān)(K)、電感(LI)、儲(chǔ)能電容(C20)、二極管(D5)按照?qǐng)D1的所示的連接方式構(gòu)成電容分壓型直流降壓電路。
3.按照權(quán)利要求2所述電容分壓型直流降壓技術(shù)，其特征在于:串聯(lián)電容支路(C3、C4、C5.Cn)中的電容值小于儲(chǔ)能電容(C20)的值，使串聯(lián)電容支路(C3、C4、C5、Cn)中的電容通過電感(LI)對(duì)儲(chǔ)能電容(C20)放電時(shí)不引起儲(chǔ)能電容(C20)電壓的大幅度的變化。
4.按照權(quán)利要求1、2所述電容分壓型直流降壓技術(shù)，其特征在于:主回路中的電容與電感在沒有輔助電路的條件下形成諧振，為開關(guān)的零電流關(guān)斷提供條件。
【文檔編號(hào)】H02M3/06GK104052263SQ201410144638
【公開日】2014年9月17日 申請(qǐng)日期:2014年4月11日 優(yōu)先權(quán)日:2014年4月11日
【發(fā)明者】張雪原, 張婷, 蔣秀潔, 張江林, 何西鳳, 王萬崗 申請(qǐng)人:張雪原, 張婷, 蔣秀潔, 張江林, 何西鳳, 王萬崗