非隔离型双开关降压电路及直流-直流变换器的制作方法

文档序号：18701625发布日期：2019-09-17 22:59阅读：263来源：国知局

本发明涉及电子技术领域，更具体的说，涉及一种非隔离型双开关降压电路及直流-直流变换器。

背景技术：

直流-直流变换器是中压汇聚网中匹配电压等级、接入直流设备、实现功率控制的关键设备。直流-直流变换器包括降压电路(buck)。

传统buck电路一般采取以下方式进行降压：通过电感对能量进行储存与释放，控制储存时间，达到降压的目的；通过耦合电感，在原有电路降压比基础上加入了耦合电感的匝数比这一控制变量，达到近一步降压的目的；通过加入变压器，组成隔离式降压电路，达到降压、电气离的目的；通过线性稳压器进行降压。

然而，上述的传统降压电路(buck)在应用上都存在一定的问题：采用电感的降压电路，在高降压比情况下，即开关管占空比趋于零时，存在着的开关器件利用率低、器件电压和电流应力大、dv/dt大导致的emi严重、整体电路损耗过大、抗输入电压扰动能力差、以及动态性能差等问题；采用耦合电感或者变压器的降压电路，由于磁芯、骨架的加入，存在电路体积过大，由于电路漏感的存在导致器件应力增大，且容易引起电磁干扰等相关问题；采用线性稳压器的降压电路，在高降比要求情况下，损耗过大，器件发热严重。

技术实现要素：

本发明实施例实施例要解决的技术问题在于，针对上述双开关非隔离多降压技术方案在高降比应用情况下开关器件利用率过低、电路漏感等问题，提供一种非隔离型双开关降压电路及直流-直流变换器。

本发明实施例实施例解决上述技术问题的技术方案是，提供一种非隔离型双开关降压电路，包括正输入端、正输出端、负输入端、负输出端、第一开关管、第一电感、第一二极管以及滤波单元，所述降压电路还包括分压单元和放电支路，其中：所述第一开关管、第一电感、分压单元串联连接在所述正输入端和正输出端之间；所述第一二极管的阳极连接到所述负输入端、阴极连接到所述第一开关管和第一电感的连接点；所述分压单元包括至少一个储能电容，且所述第一电感和所述储能电容在所述第一开关管导通时储能，在所述第一开关管断开时通过所述放电支路放电。

在本发明实施例所述的非隔离型双开关降压电路中，所述放电支路包括第二开关管，所述第二开关管的一端连接到所述负输入端、另一端连接到所述第一电感和分压单元的连接点，且所述第二开关管在所述第一开关管导通时断开、在所述第一开关管断开时导通。

在本发明实施例所述的非隔离型双开关降压电路中，所述降压电路还包括控制单元，所述控制单元的输出端分别连接到所述第一开关管和第二开关管的控制端，并输出使所述第一开关管和第二开关管导通状态相反的脉冲宽度调制信号。

在本发明实施例所述的非隔离型双开关降压电路中，所述分压单元包括第一储能电容，且所述第一储能电容的第一端分别连接到所述第一电感的输出端与所述第二开关管的阴极，所述第一储能电容的第二端连接到所述滤波单元。

在本发明实施例所述的非隔离型双开关降压电路中，所述分压单元包括第二储能电容、第三储能电容、第二二极管、第三二极管以及第四二极管；所述第二储能电容、第二二极管以及第三储能电容串联连接，所述第二储能电容的第一端连接到所述第一电感，所述第三储能电容的第二端连接到所述滤波单元，且所述第二二极管的阳极与所述第二储能电容的第二端连接、阴极与所述第三储能电容的第一端连接，所述第三二极管的阴极连接到所述第二储能电容的第一端、阳极连接到所述第三储能电容的第一端，所述第四二极管的阴极连接到所述第二储能电容的第二端、阳极连接到所述滤波单元。

在本发明实施例所述的非隔离型双开关降压电路中，所述分压单元包括n个储能电容，以及m个二极管，其中，所述n为大于或等于3的正整数，m＝3×n-3；所述n个储能电容以相邻储能电容间具有一个二极管的方式依次后串联连接；除了第一端直接连接到所述第一电感的储能电容外，其余的每一储能电容的第一端经由一个二极管连接到所述第一电感；除了第二端直接连接到所述滤波单元的储能电容外，所述滤波单元分别通过一个二极管连接到其余的每一储能电容的第二端。

在本发明实施例所述的非隔离型双开关降压电路中，所述降压电路还包括第二电感、第五二极管，所述分压单元的输出端经由所述第五二极管连接到所述正输出端，所述第二电感的第一端连接到所述分压单元和所述第五二极管的连接点、所述第二电感的第二端连接到所述负输入端。

在本发明实施例所述的非隔离型双开关降压电路中，所述降压电路还包括第三电感、第六二极管，所述分压单元的输出端经由所述第三电感连接到所述正输出端，所述第六二极管的阴极连接到所述分压单元和所述第三电感的连接点、所述第六二极管的阳极连接到所述负输入端。

在本发明实施例所述的非隔离型双开关降压电路中，所述滤波单元包括滤波电容，且所述滤波电容的第一端连接到所述正输出端、第二端连接到所述负输出端。

本发明实施例还提供了一种直流-直流变换器，所述直流-直流变换器包括上述的任一实施例中的非隔离型双开关降压电路。

本发明实施例的非隔离型双开关降压电路及直流-直流变换器，通过在降压电路中引入电容分压单元，无需耦合电感或变压器，避免了损耗过大以及引入磁性元件产生的电磁干扰、电路漏感等问题，改善了传统降压电路开关管占空比大小限制的问题，提高了开关器件利用率，实现了多级降压效果。同时，通过增加分压电容以及二极管的数量，进一步引入多级分压单元，实现由开关管占空比大小连续控制输出电压的功能，具有多种不同降压效果，可根据实际应用场合进行选择，拓宽了降压电路的应用范围。

附图说明

图1是本发明实施例的非隔离型双开关降压电路拓扑图；

图2是本发明实施例的一分压型非隔离型双开关降压电路的工作波形图；

图3是本发明实施例的一分压型非隔离型双开关降压电路拓扑图；

图4是本发明实施例的一分压型非隔离型双开关降压电路第一工作模态图；

图5是本发明实施例的一分压型非隔离型双开关降压电路第二工作模态图

图6是本发明实施例的二分压型非隔离型双开关降压电路拓扑图；

图7是本发明实施例的二分压型非隔离型双开关降压电路第一工作模态图；

图8是本发明实施例的二分压型非隔离型双开关降压电路第二工作模态图；

图9是本发明实施例的n分压型非隔离型双开关降压电路拓扑图；

图10是本发明另一实施例的一分压型非隔离型双开关降压电路拓扑图；

图11是本发明另一实施例的二分压型非隔离型双开关降压电路拓扑图；

图12是本发明另一实施例的n分压型非隔离型双开关降压电路拓扑图。

具体实施方式

为了使本发明实施例的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明实施例进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明实施例，并不用于限定本发明实施例。

本发明实施例的非隔离型双开关降压电路可应用于高降压应用场景，如图1所示，本实施例的非隔离型双开关降压电路包括正输入端vin+、正输出端vo+、负输入端vin-、负输出端vo-、第一开关管s1、第一电感l1、第一二极管d1以及滤波单元，所述降压电路还包括分压单元1和放电支路，其中：所述第一开关管s1、第一电感l1、分压单元1串联连接在所述正输入端vin+和正输出端vo+之间；所述第一二极管d1的阳极连接到所述负输入端vin-、阴极连接到所述第一开关管s1和第一电感l1的连接点；所述分压单元1包括至少一个储能电容，所述放电支路在所述第一开关管s1断开时为所述第一电感l1和储能电容放电。所述滤波单元包括滤波电容c0，且所述滤波电容c0的第一端连接到所述正输出端vo+、第二端连接到所述负输出端vo-。

上述非隔离型双开关降压电路，通过在传统降压电路的基础上，引入电容分压单元，无需耦合电感或变压器，即可在提供高降压比的同时实现降压效果，从而避免开关器件利用率过低、电路漏感等问题。

在本发明的一个实施例中，上述放电支路具体可包括第二开关管s2，该第二开关管s2的阳极连接到所述负输入端vin-、阴极连接到所述第一电感l1和分压单元1的连接点，且所述第二开关管s2与第一开关管s1的导通状态相反，即，第一开关管s1和第二开关管s2的驱动信号为互补信号，具体电路工作波形图如图2所示。图中，vgs1为第一开关管s1的控制信号，vgs2为第二开关管s2的控制信号，且vgs1与vgs2的波形互补，即第一开关管s1导通时第二开关管s2断开，第一开关管s1断开时第二开关管s2导通。

上述第一开关管s1和第二开关管s2可通过脉冲宽度调制信号实现通断控制，即降压电路还包括控制单元，该控制单元的输出端分别连接到所述第一开关管s1和第二开关管s2的控制端，且该控制单元输出使所述第一开关管s1和第二开关管s2导通状态相反的脉冲宽度调制信号，以控制第一开关管s1和第二开关管s2的开通和关断。

上述降压电路还可包括第二电感lo、第五二极管d2，所述分压单元1的输出端经由所述第五二极管d2连接到所述正输出端vo+，所述第二电感lo的第一端连接到所述分压单元1和所述第五二极管d2的连接点、所述第二电感lo的第二端连接到所述负输入端vo-。通过控制第一开关管s1和第二开关管s2的工作状态，第二电感lo、第五二极管d2实现储能电容的充电或放电。

如图3所示，本发明的实施例提供了一种一分压型非隔离型双开关降压电路，其中一分压单元11包括第一储能电容c1，且所述第一储能电容c1的第一端分别连接到所述第一电感l1的输出端与所述第二开关管s2的阴极，所述第一储能电容c1的第二端连接到所述滤波单元。具体地，通过在一分压型非隔离型双开关降压电路拓扑中引入第一储能电容c1，其中当第一开关管s1导通，第二开关管s2关断时，一分压型非隔离型双开关降压电路的第一工作模态如图4所示，输入端的电能通过第一开关管s1，第一电感l1、第一储能电容c1和第五二极管d2向输出端传递，第二电感lo通过第五二极管d2续流，电流下降。当第一开关管s1关断，第二开关管s2导通时，一分压型非隔离型双开关降压电路的第二工作模态如图5所示，第一电感l1通过第二开关管s2续流，第一储能电容c1通过第二开关管s2和第二电感lo进行放电，第二电感lo电流上升。一分压型非隔离型双开关降压电路的增益计算公式如下：