专利名称：一种Buck-Boost调压式电压平衡变换器的制作方法
技术领域：
本实用新型属于电力电子应用领域，尤其涉及一种Buck-Boost调压式电压平衡变换器。
背景技术：
随着新能源、新材料、信息技术和电力电子技术的长足发展和广泛应用，以及用户对用电需求、电能质量及供电可靠性等要求的不断提高，基于直流的配电网必将得到越来越多的关注。在直流配电网中，采用两根直流线传输电能(即单极直流配电网)往往无法满足各种功率变换器及用电设备对输入电压的要求。例如对于输出电压相同的半桥逆变器与全桥逆变器，半桥逆变器的输入电压约为全桥逆变器的两倍，同时接入单极直流配电网较为不便；家用照明电路所需电压较低，冰箱、空调等家用电器所需的输入电压则相对较高，单极直流配电网亦无法同时满足各种用电设备对输入电压的要求。因此，为了便于各种功 率变换器及用电设备接入直流配电网，提高直流配电网的应用灵活性，同时解决直流电容的均压问题，必须设计独立的电压平衡变换器，将两根直流线配电方式(单极直流配电网)转换为三根线配电方式(双极直流配电网)。
发明内容本实用新型的目的是针对现有技术的不足，提供一种Buck-Boost调压式电压平
衡变换器。本实用新型包括输入电压源、调压开关电路、电压平衡电路、第一状态选择电路、第二状态选择电路。调压开关电路包括第一功率开关管兄、第一功率二极管仏、第二功率开关管&、第二功率二极管久。第一功率开关管兄集电极与第一功率二极管仏阴极、第一状态选择电路中第二电感Z2—端相连接，第一功率开关管兄发射极与第一功率二极管仏阳极、第二功率开关管集电极、第二功率二极管久阴极、第二状态选择电路中第三电感Z3—端相连接，第二功率开关管发射极与第二功率二极管久阳极、输入电压源负极相连接。第一状态选择电路包括第五功率开关管&、第五功率二极管久、第六功率二极管凡、第二电感乙。第五功率开关管S5集电极与第五功率二极管久阴极、第二电感Z2另一端、输入电压源正极相连接；第五功率开关管&发射极与第五功率二极管久阳极、第六功率二极管久阳极相连接；第六功率二极管凡阴极与第二电感4 一端、调压开关电路中第一功率二极管仏阴极相连接。第二状态选择电路包括第六功率开关管&、第七功率二极管外、第八功率二极管凡、第九功率二极管凡、第三电感4。第六功率开关管5；集电极与第七功率二极管外阴极、第三电感乙一端相连接，第六功率开关管5；发射极与第七功率二极管外阳极、第八功率二极管凡阳极相连接，第八功率二极管凡阴极与第三电感乙另一端、第九功率二极管凡阳极相连接，第九功率二极管久阴极与电压平衡电路中第三功率二极管久阴极相连接。[0008]电压平衡电路包括第三功率开关管S3、第三功率二极管久、第四功率开关管&、第四功率二极管仏、第一电感A、第一电容C；、第二电容C2。第三功率开关管S3集电极与第三功率二极管D )阴极、第一电容Cr1 一端相连接，第三功率开关管Sjt发射极与第三功率二极管D,阳极、第一电感Z1—端相连接，第四功率开关管S4集电极与第一电感Z1—端、第四功率二极管A阴极相连接，第四功率开关管A发射极与第四功率二极管仏阳极、第二电容C2 —端、输入电压源负极相连接，第一电感Z1另一端与第一电容Cr1另一端、第二电容G另一端相连接。本实用新型工作流程如下对输入直流电压Kin进行采样，将采样获得的输入直流电压Kin和直流基准电压
Kdcref的差值Λ K与允许差值Λ Lf进行比较，通过比较结果对本实用新型工作状态进行判断和选择(I)若Λ K的绝对值小于允许差值Λ KMf，则判定输入直流电压Kin处于正常范围，此时控制第一状态选择电路与第二状态选择电路，将本实用新型的电路结构转换为正常工作状态，仅电压平衡电路采用固定频率20khz的PWM控制策略，保证第一电容C1和第二电容C2两端电压相等。(2)若Λ K大于Λ KMf，则判定输入直流电压Kin高于电压上限，此时控制第一状态选择电路与第二状态选择电路，将本实用新型的电路结构转换为Buck工作状态，调压开关电路在Buck电路控制策略下工作，保证输出直流电压Kin处于正常范围；电压平衡电路采用固定频率20kHz的PWM控制策略，保证第一电容C1和第二电容C2两端电压相等。(3)若Λ K小于-Λ Kief，则判定输入直流电压Kin低于电压下限，此时控制第一状态选择电路与第二状态选择电路，将本实用新型的电路结构转换为Boost工作状态，调压开关电路在Boost电路控制策略下工作，保证输出直流电压Kin处于正常范围；电压平衡电路采用固定频率20khz的PWM控制策略，保证第一电容C1和第二电容C2两端电压相等。所述的电压上限为直流基准电压Kdraef和允许差值Λ Kef的和；所述的电压下限为直流基准电压Kdraef和允许差值Λ Vref的差。本实用新型的有益效果是一种Buck-Boost调压式电压平衡变换器不仅可以构造一个稳定的输出中线电压，将直流配电网的两根直流线配电方式(单极直流配电网)转换为三根线配电方式(双极直流配电网)，并在直流配电网两极负载不平衡的情况下时刻维持直流分压电容两端电压相等；还可以在变换器输入直流电压大幅波动时，维持输出直流电压稳定，隔离直流配电网中压侧电压波动对低压侧电压的影响，控制原理简单有效，提高了直流配电网的应用灵活性与运行可靠性。
图I是本本实用新型的电路图；图2是本本实用新型控制流程图；图3是本实用新型的电压平衡电路PWM控制原理图；图4是本实用新型Buck工作状态的Buck电路控制原理图；图5是本实用新型Boost工作状态的Boost电路控制原理图；图6是本实用新型正常工作状态的等效电路图；[0023]图7是本实用新型Buck工作状态的等效电路图；图8是本实用新型Boost工作状态的等效电路图；图9是本实用新型正常工作状态的电路模态I示意图；图10是本实用新型正常工作状态的电路模态2示意图；图11是本实用新型正常工作状态 的电路模态3示意图；图12是本实用新型正常工作状态的电路模态4示意图；图13是本实用新型Buck工作状态的电路模态I示意图；图14是本实用新型Buck工作状态的电路模态2示意图；图15是本实用新型Boost工作状态的电路模态I示意图；图16是本实用新型Boost工作状态的电路模态2示意图；图17是本实用新型仿真电路图；图18是本实用新型主要仿真波形图I ;图19是本实用新型主要仿真波形图2。
具体实施方式
以下结合附图对本实用新型作进ー步说明。如图I所示，本实用新型包括输入电压源、调压开关电路、电压平衡电路、第一状态选择电路、第二状态选择电路。调压开关电路包括第一功率开关管兄、第一功率ニ极管仏、第二功率开关管S2、第ニ功率ニ极管久。第一功率开关管兄集电极与第一功率ニ极管仏阴极、第一状态选择电路中第二电感ん一端相连接，第一功率开关管兄发射极与第一功率ニ极管仏阳极、第二功率开关管集电极、第二功率ニ极管久阴极、第二状态选择电路中第三电感Z3—端相连接，第二功率开关管A发射极与第二功率ニ极管久阳极、输入电压源负极相连接。第一状态选择电路包括第五功率开关管&、第五功率ニ极管久、第六功率ニ极管凡、第二电感乙。第五功率开关管S5集电极与第五功率ニ极管久阴极、第二电感Z2另一端、输入电压源正极相连接；第五功率开关管&发射极与第五功率ニ极管久阳极、第六功率ニ极管久阳极相连接；第六功率ニ极管凡阴极与第二电感ん一端、调压开关电路中第一功率ニ极管仏阴极相连接。第二状态选择电路包括第六功率开关管5；、第七功率ニ极管外、第八功率ニ极管凡、第九功率ニ极管凡、第三电感ん。第六功率开关管5；集电极与第七功率ニ极管外阴极、第三电感Z3—端相连接，第六功率开关管5；发射极与第七功率ニ极管外阳极、第八功率ニ极管凡阳极相连接，第八功率ニ极管凡阴极与第三电感Z3另一端、第九功率ニ极管凡阳极相连接，第九功率ニ极管久阴极与电压平衡电路中第三功率ニ极管久阴极相连接。电压平衡电路包括第三功率开关管S3、第三功率ニ极管久、第四功率开关管S4、第四功率ニ极管ガ4、第一电感ん、第一电容C；、第二电容Q。第三功率开关管S3集电极与第三功率ニ极管D )阴极、第一电容Cr1 一端相连接，第三功率开关管Sjt发射极与第三功率ニ极管D,阳极、第一电感Z1—端相连接，第四功率开关管集电极与第一电感Z1—端、第四功率ニ极管ガ4阴极相连接，第四功率开关管&发射极与第四功率ニ极管仏阳极、第二电容G —端、输入电压源负极相连接，第一电感Z1另一端与第一电容Cr1另一端、第二电容G另一端相连接。如图2 17所示，对实用新型的控制原理、工作过程进行说明。如图2所示，将输入直流电压Kin的采样值Kin(k)与直流电压上限与下限进行比较，从而对本实用新型应采取的工作状态进行判断和选择。正常工作状态若KinGO小于电压上限且大于电压下限，则判定输入直流电压Kin处于正常范围，此时控制第一功率开关管兄、第五功率开关管S5及第六功率开关管5；开通，第二功率开关管关断，将变换器的电路结构转换为正常工作状态，如图6所示；取第一电容C1两端电压ん与第二电容G两端电压ら作为反馈信号，利用比例环节调节其控制灵敏度后，输入比较器与三角波进行比较，其输出信号中一路信号直接驱动第三功率开关管&，另一路信号取反后驱动第四功率开关管，如图3所示。当第一负载电阻/ Z1大于第二负载电阻兄2时，第三功率开关管&的导通时间大于第四功率开关管的导通时间，第一电容C1通过第一电感ん转移部分电能至第二电容C2上，使第一电容C1两端电压Ka与第二电容C2两端电压ら相等。此时变换器有两种电路模·态如图9所不，第三功率开关管导通,第四功率开关管S4关断,第三功率ニ极管ガ3与第四功率ニ极管ガ4截止，第一电容C1部分能量通过第三功率开关管A向第一电感Z1转移，第一电感电流ん线性上升，第一电容C1两端电压ら下降；如图10所示，第三功率开关管S3与第四功率开关管&关断，第三功率ニ极管久截止，第四功率ニ极管ガ4导通，第一电感ん中储存的能量通过第四功率ニ极管ガ4向第二电容G传递，第一电感电流izl线性下降，第二电容G两端电压レ上升。当第一负载电阻/ Z1小于第二负载电阻兄2时，控制第三功率开关管S3的导通时间小于第四功率开关管的导通时间,第一电感电流izl为负值，第二电容G通过第一电感Z1转移部分电能至第一电容C1上，使第一电容两端电压Ka与第二电容两端电压ら相等。此时变换器亦有两种电路模态如图11所示，第三功率开关管A关断，第四功率开关管导通，第三功率ニ极管久与第四功率ニ极管ガ4截止，第二电容C2部分能量通过第四功率开关管S4向第一电感Z1转移，-izl线性上升，第二电容C2两端电压レ下降；如图12所示，第三功率开关管A与第四功率开关管A关断，第三功率ニ极管Dj导通,第四功率ニ极管ガ4截止，第一电感ん中储存的能量通过第三功率ニ极管久向第二电容C2传递，~iLl线性下降，第一电容Cr1两端电压Fcl上升。Buck工作状态若Kin(k)大于电压上限，则判定输入直流电压Kin高于直流电压上限，此时控制第五功率开关管S5开通，第二功率开关管S2与第六功率开关管5；关断，将变换器的电路结构转换为Buck工作状态，如图7所示；取变换器输出直流电压Fout作为反馈信号，输入比较器与直流基准电压Kttoef进行比较，其输出信号直接驱动第一功率开关管兄，如图4所示；电压平衡电路仍采用如正常工作状态中所述的PWM控制，其控制原理与工作过程在此不再赘述。在Buck工作状态下，本实用新型有两种电路模态(不讨论电压平衡电路)如图13所示，第一功率开关管兄导通，第二功率ニ极管久截止，第三电感电流iZ3线性上升，输出直流电压Krat上升；如图14所示，第一功率开关管兄关断，第二功率ニ极管久导通，第三电感电流ん线性下降，输出直流电压Kut下降。随着负载电阻的变化，Buck电路若产生半导体开关不连续导通模式，其原理在此不再加以描述。[0049]Boost工作状态若Kin(k)小于电压下限，则判定输入直流电压な低于直流电压下限，此时控制第五功率开关管&关断，第一功率开关管兄与第六功率开关管S&开通，将本实用新型电路结构转换为Boost工作状态，如图8所示；将输出直流电压Ktjut作为反馈信号，利用电压外环控制输出直流电压Kwt等于直流基准电压Kd_f，电压外环的输出信号直接输入比较器与第二电感电流iZ2进行比较构成电流内环，电流内环的输出信号直接驱动第ニ功率开关管A，如图5所示；电压平衡电路仍采用如正常工作状态中所述的PWM控制。在Boost工作状态下，本实用新型有两种电路模态(不讨论电压平衡电路):如图15所示，第二功率开关管A导通，第九功率ニ极管久截止，第二电感电流iZ2线性上升，输出直流电压Krat下降；如图16所示，第二功率开关管S2关断，第九功率ニ极管久导通，第二电感电流ん线性下降，输出直流电压Krat上升。随着负载电阻的变化，Boost电路若产生半导体开关不连续导通模式，其原理在此不再加以描述。 所述的电压上限为直流基准电压Kdrarf和允许差值Λ Vref的和；所述的电压下限为直流基准电压Kdrarf和允许差值Λ Vref的差。如图17 19所示，对实用新型进行仿真。仿真电路图如图17所示，其仿真參数如下采样频率20kHz，输入直流电压Vin为400V直流电源，在25(T400ms叠加40V/50Hz正弦交流电源，第一电感ん、第二电感ん、第三电感Z3分别取50mH、0. 8mH、0. 5mH，第一电容ら第二电容C2分别为1000 μ F，直流基准电压
Kdraef、直流电压允许差值Λ K,ef分别为400V、8V，第一电容C1两端并联第一负载电阻/ Z1，第ニ电容G两端并联第二负载电阻<2。如图18所示，/ Ζ1=100Ω，7 Ζ2=10Ω。由于ル且相差较大，因此第一电感电流ん恒为正值，第一电容Cr1通过第一电感Z1转移部分电能至第二电容G上，使第一电容两端电压ycl与第二电容两端电压ら相等。在输入直流电压Kin发生波动时，本实用新型在正常エ作状态、Buck工作状态以及Boost工作状态间切換，第二电感ん、第三电感ん轮流工作，使输出直流电压Kmt稳定在400V左右，波动幅度不超过直流电压允许差值Λ Vtefa在工作状态切换的过程中，第一电感电流izl基本不受影响。如图19所示，/ Ζ1=10Ω，7 Ζ2=100Ω。由于ル且相差较大，因此第一电感电流ん恒为负值，第二电容G通过第一电感Z1转移部分电能至第一电容Ct1上，使第一电容两端电压ycl与第二电容两端电压ら相等。在输入直流电压Kin发生波动时，本实用新型在正常エ作状态、Buck工作状态以及Boost工作状态间切換，第二电感ん、第三电感ん轮流工作，使输出直流电压Kmt稳定在400V左右，波动幅度不超过直流电压允许差值Λ Vtefa在工作状态切换的过程中，第一电感电流izl基本不受影响。图18、19的仿真结果表明，本实用新型不仅可以将直流配电网的两根直流线配电方式转换为三根线配电方式，保持输出中线电压的稳定，还可以在输入直流电压波动的情况下维持输出直流电压稳定，隔离直流配电网中压侧电压波动对低压侧电压的影响。
权利要求1. 一种Buck-Boost调压式电压平衡变换器，其特征在于包括输入电压源、调压开关电路、电压平衡电路、第一状态选择电路、第二状态选择电路； 调压开关电路包括第一功率开关管&、第一功率二极管仏、第二功率开关管、第二功率二极管久；第一功率开关管兄集电极与第一功率二极管仏阴极、第一状态选择电路中第二电感Z2—端相连接，第一功率开关管兄发射极与第一功率二极管仏阳极、第二功率开关管集电极、第二功率二极管久阴极、第二状态选择电路中第三电感Z3—端相连接，第二功率开关管发射极与第二功率二极管久阳极、输入电压源负极相连接； 第一状态选择电路包括第五功率开关管&、第五功率二极管久、第六功率二极管凡、第二电感Z2;第五功率开关管&集电极与第五功率二极管久阴极、第二电感Z2另一端、输入电压源正极相连接；第五功率开关管&发射极与第五功率二极管久阳极、第六功率二极管凡阳极相连接；第六功率二极管久阴极与第二电感匕一端、调压开关电路中第一功率二极管D1阴极相连接； 第二状态选择电路包括第六功率开关管&、第七功率二极管外、第八功率二极管凡、第九功率二极管久、第三电感乙；第六功率开关管5；集电极与第七功率二极管外阴极、第三电感乙一端相连接，第六功率开关管5；发射极与第七功率二极管外阳极、第八功率二极管Ds阳极相连接，第八功率二极管凡阴极与第三电感乙另一端、第九功率二极管久阳极相连接，第九功率二极管久阴极与电压平衡电路中第三功率二极管久阴极相连接； 电压平衡电路包括第三功率开关管S3、第三功率二极管久、第四功率开关管S4、第四功率二极管仏、第一电感Α、第一电容C；、第二电容C2;第三功率开关管S3集电极与第三功率二极管久阴极、第一电容C1 一端相连接，第三功率开关管A发射极与第三功率二极管久阳极、第一电感Z1—端相连接，第四功率开关管S4集电极与第一电感Z1—端、第四功率二极管仏阴极相连接，第四功率开关管A发射极与第四功率二极管&阳极、第二电容C2—端、输入电压源负极相连接，第一电感Z1另一端与第一电容Ct1另一端、第二电容Ct2另一端相连接。
专利摘要本实用新型公开了一种Buck-Boost调压式电压平衡变换器，现有变换器输入直流电压波动大时输出直流电压不稳。本实用新型包括输入电压源、调压开关电路、电压平衡电路、第一状态选择电路、第二状态选择电路，其中第一功率开关管S1并联二极管D1、第二功率开关管S2并联二极管D2；第三功率开关管S3并联二极管D3、第四功率开关管S4并联二极管D4；第五功率开关管S5并联二极管D5、第六二极管D6以及第二电感L2；第六功率开关管S6并联二极管D7、第八二极管D8、第九二极管D9和第三电感L3；本实用新型在直流配电网两极负载不平衡时仍可维持直流分压电容两端电压相等，且输入直流电压波动大时，输出直流电压稳定。
文档编号H02M3/10GK202455266SQ20122008005
公开日2012年9月26日 申请日期2012年3月6日 优先权日2012年3月6日
发明者江道灼, 郑欢 申请人:浙江大学