升降压型输出电压平衡电路的制作方法
【专利摘要】本发明是一种升降压型输出电压平衡电路及其控制方法，其电路特征在于：它包括输入直流电压源Uin、降压电路、升压平衡桥式电路，它可以通过输出电压控制器、输出电压平衡控制器和PWM发生器进行的控制。本发明不但实现升降压之目的，而且在输出端构造一根中线实现输出电压平衡，将一个大范围变化的输入直流电压变换成恒定的输出直流电压，并且利用中线将输出直流电压换成两个大小相等、极性相反的直流电压，以解决电解电容串联均压问题，以满足后级变换器对输入电压平衡或后级用电设备对不同输入电压的要求。
【专利说明】升降压型输出电压平衡电路
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种电能变换装置中的直流非隔离变换装置，特别是一种升降压型输出电压平衡电路。
【背景技术】
[0002]在新能源发电系统中，自然环境的变化会引起风力发电、太阳能发电等输出电压会有很大的变化；在车载供电系统中，由于车速变化范围很宽，车载发电机的输出电压也随着车速变化而变化。在上述供发电系统中，输出电压有时会很高，而有时会很低，而无法满足负载对输入电压的要求。因此，升降压型变换电路被广泛地应用于其中。但是，传统的非隔离升降压变换电路的输出电压只有一种规格直流电压，无法同时满足各种后级各种功率变换器或用电设备对输入电压的要求:有的要求输入电压高，而有的要求输入电压低，有的还要求输入电压要平衡等。例如，半桥(包括三电平半桥)结构变换器需要输入端电压平衡(输入端直流分压电容要均压)，否则，半桥变换器输出电压、电流波形就会发生畸变或无法很好地实现功率器件三电平状态，影响功率器件安全。如果传统的非隔离升降压变换电路的输出电压较高，通常采用电解电容串联；但是由于串联电解电容不可能做到阻抗特性完全一致，所以串联电容会出现不均压显现，这严重缩短电解电容寿命。
【发明内容】
[0003]本发明所要解决的技术问题是针对传统升降压变换器输出端只有一种直流电压而无法同时满足后级变换器或用电设备对输入电压平衡的要求的不足，提供一种结构更为合理、控制简单，并在输出端 构造一根中线将高压直流输出变换成两个大小相等的直流电压，以解决输出高压时电解电容串联均压问题以及满足后级变换器或用电设备对输入电压平衡的要求的升降压型输出电 压平衡电路。
[0004]本发明所要解决的技术问题是通过以下的技术方案来实现的。本发明是一种升降压型输出电压平衡电路及其控制方法，其电路特点是，
该电路包括输入直流电压源Uin、降压电路、升压平衡桥式电路；
所述的降压电路包括第一开关管S1、第一续流二极管D1、第一电感L1和第二电感L2，第一开关管S1的集电极与输入电压源Uin正端相连接,第一开关管S1的发射极分别与第一续流二极管D1的阴极和第一电感L1的一端相连接，第一续流二极管D1的阳极分别与第二电感L2的一端和输入电压源Uin负端相连接；
所述的升压平衡桥式电路包括第二续流二极管D2、第二开关管S2、第三开关管S3、第三续流二极管D3、第一滤波电容C1和第二滤波电容C2，第二续流二极管D2的阴极与第一滤波电容C1的一端相连接，第二续流二极管D2的阳极分别与第一电感L1另一端和第二开关管S2的集电极相连接，第二开关管S2的发射极分别与第三开关管S3集电极、第一滤波电容C1的另一端、第二滤波电容C2的一端以及中线Ln相连接，第三开关管S3发射极分别与第二电感1^2的另一端和第三续流二极管D3的阴极相连接，第三续流二极管D3的阳极与第二滤波电容C2的另一端相连接。
[0005]本发明所述的升降压型输出电压平衡电路可以通过输出电压控制器、输出电压平衡控制器和PWM发生器进行的控制；
所述的输出电压控制器包括电压环调节器I和电流环调节器，其中输出电压U。(U0=U0Utl+U0Ut2)参考值Uref和输出电压U。的差值经电压环调节器I得到控制信号U61，控制信号Uel作为电流环调节器中的第一电感L1电流iu反馈信号参考值和第一电感L1电流iu反馈信号的差值经电流环调节器得到控制信号Ue2 ；U0Utl为第一滤波电容C1上电压，Uout2为第二滤波电容C2上电压；
所述的输出电压平衡控制器为电压环调节器11，第二滤波电容C2上电压Uout2的参考值Uref/2和第二滤波电容C2上电压Uout2的差值经电压环调节器II得到控制信号Ue3,并分别与控制信号Ue2的作和和差运算分别得到控制信号Ue4和Ue5 ；
所述的PWM发生器包括比较器1、比较器I1、比较器III以及三角波Uy控制信号Ue2送入比较器I生成第一开关管S1的驱动信号Ugsl，控制信号Ue4送入比较器II生成第二开关管S2的驱动信号Ugs2，控制信号Ue5送入比较器III生成第三开关管S3的驱动信号Ugs3。
[0006]与现有技术相比，本发明升降压型输出电压平衡电路及其控制方法不但能够实现传统的升降压变换器升降压功能，而且能够在输出端构造一根中线形成一个稳定的、电压等于输出电压一半的中线电压。它不但实现升降压以及解决输入电压变化范围宽的问题，而且能够解决输出端串联电解电容均压问题，满足后级变换器或用电设备对输入电压平衡要求。
【专利附图】
【附图说明】
[0007]图1为本发明升降压型输出电压平衡电路的一种电路框图；
图2为本发明升降压型输出电压平衡电路的控制框图；
图3为本发明升降压型输出电压平衡电路的负载R2U1时主要波形图；
图4是本发明升降压型输出电压平衡电路的负载R2U1时模态1、模态7等效电路图； 图5为本发明升降压型输出电压平衡电路的负载R2U1时模态2、模态6等效电路图； 图6为本发明升降压型输出电压平衡电路的负载R2U1时模态3、模态5等效电路图； 图7为本发明升降压型输出电压平衡电路的负载R2U1时模态4等效电路图；
图8为本发明升降压型输出电压平衡电路的负载R1M2时主要波形图；
图9为本发明升降压型输出电压平衡电路在输入电压为300V负载R1SR2时输入输出电压、电感电流和驱动仿真图；
图10是本发明升降压型输出电压平衡电路在输入电压为300V负载R2SR1时输入输出电压、电感电流和驱动仿真图；
图11为本发明升降压型输出电压平衡电路在输入电压为800V负载R1SR2时输入输出电压、电感电流和驱动仿真图；
图12是本发明升降压型输出电压平衡电路在输入电压为800V负载R2SR1时输入输出电压、电感电流和驱动仿真图；
图13为本发明升降压型输出电压平衡电路在输入电压为1200V负载R1SR2时输入输出电压、电感电流和驱动仿真图； 图14是本发明升降压型输出电压平衡电路在输入电压为1200V负载R2SR1时输入输出电压、电感电流和驱动仿真图。
[0008]图1-14中的符号及元件名称说明如下:
Uin:直流输入电压源，L1, L2:第一电感、第二电感，iu、iL2:第一电感L1电流、第二电感L2电流，51、32、53:第一开关管、第二开关管、第三开关管，01、02、03:第一续流二极管、第二续流二极管、第三续流二极管，C1, C2:第一滤波电容、第二滤波电容，Ln:输出中线，Uoutl, Uout2:第一滤波电容C1上电压、第二滤波电容C2上电压，U0:第一滤波电容C1和第二滤波电容C2上电压之和，Uref:输出电压U。参考值，Uref/2:第二滤波电容C2上电压Uout2参考值，
Uel:电压环调节器I输出控制信号，U62:电流环调节器输出控制信号，U63:电压环调节器II输出控制信号，U64:电流环调节器输出控制信号加上电压环调节器II输出控制信号Ue3，6Ue5:电流环调节器输出控制信号减去电压环调节器II输出控制信号Ue3, Utr:三角波，Ugsl> Ugs2、Ugs3:第一开关管S1驱动信号、第二开关管S2驱动信号、第三开关管S3驱动信号，Ri> R2:第一滤波电容C1上负载、第二滤波电容C2上负载。
【具体实施方式】
[0009]以下参照附图，进一步描述本发明的具体技术方案，以便于本领域的技术人员进一步地理解本发明，而不构成对其权利的限制。
[0010]实施例1，参照图1-2，一种升降压型输出电压平衡电路，它包括输入直流电压源uinl、降压电路2、升压平衡桥式电路3 ;
所述的降压电路2包括第一开关管S1、第一续流二极管D1、第一电感L1和第二电感L2,第一开关管S1的集电极与输入电压源Uin I正端相连接，第一开关管S1的发射极分别与第一续流二极管D1的阴极和第一电感L1的一端相连接，第一续流二极管D1的阳极分别与第二电感L2的一端和输入电压源Uin负端相连接；
所述的升压平衡桥式电路3包括第二续流二极管D2、第二开关管S2、第三开关管S3、第三续流二极管D3、第一滤波电容C1和第二滤波电容C2，第二续流二极管D2的阴极与第一滤波电容C1的一端相连接，第二续流二极管D2的阳极分别与第一电感L1另一端和第二开关管S2的集电极相连接，第二开关管S2的发射极分别与第三开关管S3集电极、第一滤波电容C1的另一端、第二滤波电容(:2的一端以及中线Ln相连接，第三开关管S3发射极分别与第二电感L2的另一端和第三续流二极管D3的阴极相连接，第三续流二极管D3的阳极与第二滤波电容C2的另一端相连接。
[0011]实施例2，实施例1所述的升降压型输出电压平衡电路可以通过输出电压控制器4、输出电压平衡控制器5和P丽发生器6进行的控制；
所述的输出电压控制器4包括电压环调节器I和电流环调节器，其中输出电压U。(U0=U0Utl+U0Ut2)参考值Uref和输出电压U。的差值经电压环调节器I得到控制信号U61，控制信号Uel作为电流环调节器中的第一电感L1电流iu反馈信号参考值和第一电感L1电流iu反馈信号的差值经电流环调节器得到控制信号Ue2 ；U0Utl为第一滤波电容C1上电压，Uout2为第二滤波电容C2上电压；
所述的输出电压平衡控制器5为电压环调节器11，第二滤波电容C2上电压Uout2的参考值Uref/2和第二滤波电容C2上电压Uout2的差值经电压环调节器II得到控制信号Ue3，并分别与控制信号Ue2的作和和差运算分别得到控制信号Ue4和Ue5 ；
所述的PWM发生器6包括比较器1、比较器I1、比较器III以及三角波Utr,控制信号Ue2送入比较器I生成第一开关管S1的驱动信号Ugsl，控制信号Ue4送入比较器II生成第二开关管S2的驱动信号Ugs2，控制信号Ue5送入比较器III生成第三开关管S3的驱动信号Ugs3。
[0012]根据以上可以得出:当第二滤波电容C2上负载R2小于第一滤波电容C1上负载R1时，第二开关管S2导通时间大于第一开关管S1导通时间,第三开关管S3导通时间小于第一开关管S1导通时间；反之，第二开关管S2导通时间小于第一开关管S1导通时间，第三开关管S3导通时间大于第一开关管S1导通时间。
[0013]实施例3，参照图3-7，本实施例仅给出本发明升降压型输出电压平衡电路以第二滤波电容C2上负载R2小于第一滤波电容C1上负载R1来详细说明本发明升降压型输出电压平衡电路的工作原理。第二滤波电容C2上负载R2大于第一滤波电容C1上负载R1情况在此忽略。具体描述如下:
模态1: O < ? < (第一开 关管S1、第二开关管S2和第三开关管S3同时导通,见图4)。
[0014]在该时间段内，第一开关管S1、第二开关管S2和第三开关管S3同时导通，加在第一电感L1和第二电感L2上的电压为输入直流电压Uin，在该电压作用下电感电流iu和込线性增加，直到h时刻关断第三开关管S3为止。负载R1和R2分别由第一滤波电容C1和第二滤波电容C2供电。第一续流二极管D1、第二续流二极管D2和第三续流二极管D3截至。
[0015]模态2: t,< t < t2 (第一开关管S1、第二开关管S2导通，第三开关管S3截止，见图5)
在G时刻关断第三开关管S3,由于电感电流不能突变，所以第一电感L1和第二电感L2电流iu、^通过第一开关管S1、第二开关管S2、第三续流二极管D3进行续流。电感电流iu、^在电压(Uwt2- Uin)作用线性下降(Utjut2〈 Uin)或继续线性上升(Utjut2 > Uin)，并对第二滤波电容C2和其上负载R2供电；负载R1继续由第一滤波电容C1供电。
[0016]模态3: t2< t < t,(第一开关管S1、第三开关管S3截止，第二开关管S2导通，见图6)
在t2时刻关断第一开关管S1，第一电感L1和第二电感L2电流iu、iL2将通过第二开关管S2、第三续流二极管D3、第一续流二极管D1继续续流。电感电流iu、iL2在电压(Utjut2)作用下线性下降，并向第二滤波电容C2和其上负载R2供电；负载R1继续由第一滤波电容(^供电。
[0017]模态4:(第一开关管S1、第二开关管S2、第三开关管S3截至，见图7) 在?3时刻关断第二开关管S2,第一电感L1和第二电感L2电流iu、iL2将通过第一续
流二极管D1、第二续流二极管D2和第三续流二极管D3继续续流。电感电流iu、iL2在电压U0 (U0=U0Utl+U0Ut2)作用下线性下降，并向第一滤波电容C1和第二滤波电容C2充电和向负载R1和R2供电。
[0018]模态5: t,< t < t5 (第一开关管S1、第三开关管S3截至，第二开关管S2导通，见图6)
在U时刻开通第二开关管S2,电路进入模态3状态。
[0019]模态6: ?5 < ? < ?6 (第一开关管S1、第二开关管S2导通，第三开关管S3截至，见图5)
在?5时刻开通第一开关管S1,电路进入模态2状态。
[0020]模态7: t6 < t < t7 (第一开关管S1、第二开关管S2、第三开关管S3导通,见图4) 在U时刻开通第三开关管S3,电路进入模态I状态。从此进入下一个周期。
[0021]实施例4，参照图9-14，用实施例1和实施例2所述的一种升降压式电压平衡电路及其控制方法进行原理性仿真验证。
[0022]输入电压Uin以某型号车载发电系统输出电压300— 1200V为例，要求输出电压U。控制在800V ( ±400V，即Utjutl=Uwt2=^OV)以满足后级三相半桥逆变器输入电压和输出中线的要求。仿真参数如下:开关频率为40kHz，第一电感L1电感量和第二电感L2电感量分别为150 μ H，第一滤波电容C1和第二滤波电容C2分别为2200 μ F。
[0023]图9、图10分别给出了输入电压Uin=300V时负载R1=25 Ω、R2=15 Ω以及负载Ι^=15Ω、R2=25Q仿真结果；图10、图12分别给出了输入电压Uin=800V时负载R1=25 Ω、R2=15Q以及负载R1=ISQ、R2=25Q仿真结果；图13、图14分别给出了输入电压Uin=1200V时负载1^=25 Ω、R2=15 Ω以及负载R1=15 Ω、R2=25 Ω仿真结果。
[0024]从图9至图14可以看出:在输入电压300—1200V范围内和不同负载时输出电压U0控制在800V ( ±400V，即Utjutl=Utjut2=^OV)很好的满足要求。同时也可以看出:当负载R1> R2时第二开关管S2驱动信号Ugs2宽度大于第一开关管S1驱动信号Ugsl宽度，而第三开关管S3的驱动信号Ugs3宽度小于第一开关管S1驱动信号Ugsl宽度；反之，第二开关管S2驱动信号Ugs2宽度小于第一开关管S1驱动信号Ugsl宽度，而第三开关管S3的驱动信号Ugs3宽度大于第一开关管S1驱动信号Ugsl宽度。
[0025]仿真结果表明:本发明升降压型输出电压平衡电路及其控制方法能够很好地实现升降压和输出电压平衡之目的。
【权利要求】
1.一种升降压型输出电压平衡电路，其特征在于:它 该电路包括可变输入直流电压源Uin (I)、降压电路(2)和升压平衡桥式电路(3)； 所述的降压电路(2)包括第一开关管S1、第一续流二极管D1、第一电感L1和第二电感L2，第一开关管S1的集电极与输入电压源Uin (I)正端相连接，第一开关管S1的发射极分别与第一续流二极管D1的阴极和第一电感L1的一端相连接，第一续流二极管D1的阳极分别与第二电感L2的一端和输入电压源Uin (I)负端相连接； 所述的升压平衡桥式电路(3)包括第二续流二极管D2、第二开关管S2、第三开关管S3、第三续流二极管D3、第一滤波电容C1和第二滤波电容C2，第二续流二极管D2的阴极与第一滤波电容仏的一端相连接，第二续流二极管D2的阳极分别与第一电感L1的另一端和第二开关管S2的集电极相连接，第二开关管S2的发射极分别与第三开关管S3集电极、第一滤波电容C1的另一端、第二滤波电容C2的一端以及中线Ln相连接，第三开关管S3发射极分别与第二电感L2的另一端和第三续流二极管D3的阴极相连接，第三续流二极管D3的阳极与第二滤波电容C2的另一端相连接。
2.根据权利要求1所述的升降压型输出电压平衡电路，其特征在于: 该电路通过输出电压控制器(4)、输出电压平衡控制器(5)和PWM发生器(6)进行的控制； 所述的输出电压控制器(4)包括电压环调节器I和电流环调节器，其中输出电压U。参考值Uref和输出电压U。的差值经电压环调节器I得到控制信号Uel，控制信号Uel作为电流环调节器中的第一电感L1电流iu反馈`信号参考值和第一电感L1电流iu反馈信号的差值经电流环调节器得到控制信号Ue2 ；U0Utl为第一滤波电容C1上电压，Uout2为第二滤波电容C2上电压，u0=u0Utl+u0Ut2 ； 所述的输出电压平衡控制器(5 )为电压环调节器11，第二滤波电容C2上电压Uout2的参考值Uref/2和第二滤波电容C2上电压Uout2的差值经电压环调节器II得到控制信号Ue3,并分别与控制信号Ue2的作和和差运算分别得到控制信号Ue4和Ue5 ； 所述的PWM发生器(6)包括比较器1、比较器I1、比较器III以及三角波Uy控制信号Ue2送入比较器I生成第一开关管S1的驱动信号Ugsl，控制信号Ue4送入比较器II生成第二开关管S2的驱动信号Ugs2，控制信号Ue5送入比较器III生成第三开关管S3的驱动信号ugs3。
【文档编号】H02M3/156GK103490632SQ201310469276
【公开日】2014年1月1日 申请日期:2013年10月10日 优先权日:2013年10月10日
【发明者】张先进, 宋永献 申请人:淮海工学院