一种降压型直流变换电路、变压器以及变换方法
【专利摘要】本发明提供一种降压型直流变换电路、变压器以及变换方法，所述降压型直流变换电路包括：储能续流单元，用于对输入电压进行储能和续流；供电单元，通过储能为外部负载供电；充电单元，用于对所述储能续流单元和所述供电单元进行充电以使所述储能续流单元和所述供电单元进行储能；续流单元，用于使所述储能续流单元向所述充电单元进行续流且在所述储能续流单元进行续流时停止为供电单元充电以降低为所述外部负载供电的输出电压。本发明中滤波电感向输入电源续流，而不是向输出端电解电容续流，同样高占空比时，输出直流电压更低，适合高压输入?低压输出的降压型DC?DC变换器应用场合。
【专利说明】
一种降压型直流变换电路、变压器以及变换方法
技术领域
[0001]本发明涉及电力电子变换技术领域，特别是涉及直流变换电路技术领域，具体为一种降压型直流变换电路、变压器以及变换方法。
【背景技术】
[0002]对于传统的降压型DC-DC变换器，只有一只工作在开关状态的功率器件。当功率器件触发导通时，输入电源为滤波电感充电和电解电容供电，同时电解电容为负载供电。当功率器件不触发关断时，滤波电感的感升电压与输入电压一起为电解电容供电，滤波电感续流，同时电解电容为负载供电。按照这种电路拓扑和调制策略，在电流连续导电模式时，输出电压与输入电压之比等于占空比。当输出电压较低时，占空比也较低。此时功率器件会出现导通不完整情况，刚刚导通就关断，使得功率器件发热较重，降低功率器件的使用寿命。
[0003]高压输入-低电压输出的应用场合包括地铁机车工作电源以及各种分布式电源。为了适应高压输入-低电压输出的应用，需要改进传统的降压型DC-DC变换器拓扑和调制算法。一般而言，电路拓扑改变意味着调制算法的改变。经过对高压输入-低压输出的降压型DC-DC变换器领域现有技术以及相关技术的检索，发现主要有以下代表性文献:
[0004]田国涛.可实现宽范围电压输出的PWM平方型变换器电源的研究.华南理工大学，硕士学位论文，2004年;伍健.等离子切割高性能电源系统的研究.南京航空航天大学，硕士学位论文，2010年。前者提出一种宽范围电压输出的PffM平方型变换拓扑，后者提出一种采用降压变压器和单级BUCK DC-DC变换器的电源拓扑。对降压型DC-DC变换器领域的现有技术以及相关技术分析后发现，比较缺乏适应高压输入-低压输出DC-DC变换器拓扑。目前阶段需要推出适应高压输入-低压输出DC-DC变换器拓扑，并且结构简单，功能齐全和成本低廉。
【发明内容】
[0005]鉴于以上所述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种降压型直流变换电路、变压器以及变换方法，用于解决现有技术中的直流变换电路缺乏高压输入，低压输出的的问题。
[0006]为实现上述目的，本发明提供一种降压型直流变换电路，所述降压型直流变换电路包括:储能续流单元，用于对输入电压进行储能和续流;供电单元，与所述储能续流单元相连，通过储能为外部负载供电；充电单元，分别与输入电源，所述储能续流单元以及所述供电单元相连，用于对所述储能续流单元和所述供电单元进行充电以使所述储能续流单元和所述供电单元进行储能;续流单元，用于使所述储能续流单元向所述充电单元进行续流且在所述储能续流单元进行续流时停止为供电单元充电以降低为所述外部负载供电的输出电压。
[0007]于本发明的一实施例中，所述储能续流单元包括电感;所述供电单元包括第一电容。
[0008]于本发明的一实施例中，所述充电单元包括第一场效晶体管，第二场效晶体管，第二电容和第三电容;所述第二电容和所述第三电容串联后与输入电源相连，其中，所述第二电容的负极与所述第三电容的正极相连;所述第三电容的负极形成输入端负极;所述第二电容的正极与所述第一场效晶体管的源极相连并形成输入端正极，同时所述第二电容的正极与所述电感的第一端相连;所述第三电容的正极与所述第一场效应管的漏极以及所述电感的第二端相连;所述电感的第一端还与所述第二场效晶体管的源极相连;所述第二场效晶体管的漏极与所述第一电容的正极相连并形成输出端正极;所述第一电容的负极形成输出端负极。
[0009]于本发明的一实施例中，所述充电单元在充电时，所述第一场效晶体管的所述第二场效晶体管均为导通状态;所述第二电容和第三电容串联叠加后的电压施加于所述电感的第一端和所述第一电容的正极;所述第三电容的电压施加于所述电感的第二端;所述电感和所述第一电容充电储能，所述电感的感生电压方向为第二端到第一端。
[0010]于本发明的一实施例中，所述续流单元包括第一二极管，第二二极管，所述第一场效晶体管，所述第二场效晶体管以及所述第二电容;所述第一二极管连接于所述第二电容的正极与所述电感的第一端之间的线路上;所述第二二极管连接于所述第三电容的正极与所述电感的第二端之间的线路上。
[0011]于本发明的一实施例中，所述续流单元在续流时，所述第一场效晶体管的所述第二场效晶体管均为关断状态;所述续电单元的续流路径为:电流由所述电感的第一端依次经所述第一二极管流，所述第二电容，所述第二二极管流回所述电感的第二端。
[0012]于本发明的一实施例中，所述电感为滤波电感。
[0013]于本发明的一实施例中，所述第一电容、所述第二电容以及所述第三电容均为电解电容。
[0014]于本发明的一实施例中，所述第一场效晶体管和所述第二场效晶体管均反并联一个二极管。
[0015]为实现上述目的，本发明还提供一种降压型直流变换器，所述降压型直流变换器包括如上所述的降压型直流变换电路。
[0016]为实现上述目的，本发明还提供一种降压型直流变换方法，应用于包括电感，电容，充电单元和续流单元的降压型直流变换电路，所述降压型直流变换方法包括:通过所述充电单元对所述电感和所述电容进行充电以使所述电感和所述电容进行储能，降低输出电压，并由所述电容通过储能为外部负载供电；通过续流单元使所述电感向所述充电单元进行续流且在所述电感进行续流时停止为所述第一电容充电以降低为所述外部负载供电的输出电压。
[0017]如上所述，本发明的一种降压型直流变换电路、变压器以及变换方法，具有以下有益效果:
[0018]1、本发明中滤波电感向输入电源续流，而不是向输出端电解电容续流，同样高占空比时，输出直流电压更低，适合高压输入-低压输出的降压型DC-DC变换器应用场合。
[0019]2、本发明能够实现从输入端到输出端降压变换，在占空比较大情况下可以深度降压，防止输出电压较低时占空比过小造成无效驱动和开关损耗过大的问题。
[0020]3、本发明充分复用每个元器件的功能，具有电路结构简单，使用器件数量少，控制容易，功率电路成本较低的优点。
【附图说明】
[0021]图1显示为本发明的降压型直流变换电路的原理框图。
[0022]图2显示为本发明的降压型直流变换电路的结构示意图。
[0023]元件标号说明
[0024]100 降压型直流变换电路
[0025]101 储能续流单元
[0026]102 供电单元
[0027]103充电单元
[0028]104 续流单元
【具体实施方式】
[0029]以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的【具体实施方式】加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。
[0030]本实施例的目的在于提供提供一种降压型直流变换电路、变压器以及变换方法，用于解决现有技术中的直流变换电路缺乏高压输入，低压输出的的问题。以下将详细阐述本实施例的一种降压型直流变换电路、变压器以及变换方法的原理及实施方式，使本领域技术人员不需要创造性劳动即可理解本实施例的一种降压型直流变换电路、变压器以及变换方法。
[0031]本实施例提供一种降压型直流变换电路，尤其是一种滤波电感储能向电源续流的降压型DC-DC变换电路，为从左到右为降压型单向DC-DC变换电路，在一个开关周期之中，存在充电过程和续流过程，可应用在分布直流发电领域。具体地，如图1所示，所述降压型直流变换电路100包括:储能续流单元101，供电单元102，充电单元103以及续流单元104。于本实施例中，所述储能续流单元1I用于对输入电压进行储能和续流。其中，所述储能续流单元101为滤波电感。所述供电单元102与所述储能续流单元101相连，通过储能为外部负载供电。充电单元103用以完成从输入端到输出端(对输出端电容)的充电过程，续流单元104用以完成储能续流单元101的续流过程，在功率器件不工作时，输出端电压低于输入端电压。
[0032]于本实施例中，所述充电单元103分别与输入电源(例如输入电压400V、输出电压24V、额定变换功率为2.5kW)，所述储能续流单元101以及所述供电单元102相连，用于对所述储能续流单元1I和所述供电单元102进行充电以使所述储能续流单元1I和所述供电单元102进行储能。
[0033]如图2所示，于本实施例中，所述储能续流单元101包括电感LI;所述供电单元102包括第一电容El。所述充电单元103包括第一场效晶体管SI，第二场效晶体管S2，第二电容E2和第三电容E3。所述第一场效晶体管SI和所述第二场效晶体管S2均反并联一个二极管。所述第一场效晶体管SI反并联二极管FWDl，所述第二场效晶体管S2反并联二极管FWD2。
[0034]具体地，所述第二电容E2和所述第三电容E3串联后与输入电源(Uo+UO相连，其中，所述第二电容E2的负极与所述第三电容E3的正极相连;所述第三电容E3的负极形成输入端负极NI;所述第二电容E2的正极与所述第一场效晶体管SI的源极相连并形成输入端正极Pl，同时所述第二电容E2的正极与所述电感LI的第一端相连;所述第三电容E3的正极与所述第一场效应管SI的漏极以及所述电感LI的第二端相连;所述电感LI的第一端还与所述第二场效晶体管S2的源极相连;所述第二场效晶体管S2的漏极与所述第一电容El的正极相连并形成输出端正极P2;所述第一电容El的负极形成输出端负极N2。
[0035]其中，于本实施例中，所述第一电容E1、所述第二电容E2以及所述第三电容E3均为电解电容。
[0036]于本发明的一实施例中，所述充电单元103在充电时，所述第一场效晶体管SI的所述第二场效晶体管S2均为导通状态;所述第二电容E2和第三电容E3串联叠加后的电压施加于所述电感LI的第一端和所述第一电容El的正极;所述第三电容E3的电压施加于所述电感LI的第二端;所述电感LI和所述第一电容El充电储能，所述电感LI的感生电压方向为第二端到第一端。
[0037]具体地，于所述充电单元103中，第一场效晶体管SI与第二场效晶体管S2同时触发导通，第二电容E2与第三电容E3的端电压串联叠加后，作为输入电压施加到滤波电感LI的第一端，同时第三电容E3的端电压作为输出直流电压施加到滤波电感的第二端，此时滤波电感电流上升，斜率为(U0+U1-U2)/L，U0+U1为输入电压，U2为输出电压，滤波电感的感升电压方向为左正右负，其中，L为滤波电感的感值，滤波电感储存能量，同时为第一电容El充电，第一电容El充电后为负载供电。
[0038]于本实施例中，所述续流单元104用于使所述电感LI向所述充电单元103进行续流且在所述电感LI进行续流时停止为所述第一电容El充电以降低为所述外部负载供电的输出电压。
[0039]具体地，如图2所示，于本实施例中，所述续流单元104包括第一二极管Dl，第二二极管D2，所述第一场效晶体管SI，所述第二场效晶体管S2以及所述第二电容E2;所述第一二极管Dl连接于所述第二电容E2的正极与所述电感LI的第一端之间的线路上;所述第二二极管D2连接于所述第三电容E3的正极与所述电感LI的第二端之间的线路上。
[0040]于本发明的一实施例中，所述续流单元104在续流时，所述第一场效晶体管SI的所述第二场效晶体管S2均为关断状态;滤波电感进入续流状态，电流呈现下降趋势，感升电压方向为左负右正，所述续电单元的续流路径为:电流由所述电感LI的第一端依次经所述第一二极管Dl流，所述第二电容E2，所述第二二极管D2流回所述电感LI的第二端。
[0041]可以看出，在一个开关周期之中，只有在充电过程，为负载供电的第一电容El才获得能量，能量来自输入电源。在续流过程，滤波电感的储能会部分或全部转移到第二电容E2，因此可以得出结论，在相同的占空比时，本实施例的输出电压低于传统降压型DC-DC变换电路。本发明能够实现从输入端到输出端降压变换，在占空比较大情况下可以深度降压，防止输出电压较低时占空比过小造成无效驱动和开关损耗过大的问题。
[0042]本实施例中，参数可参考选取如下:滤波电感(LI):500μΗ，插件，在板安装；电解电容^142):450￥，220(^?，插件；电解电容“3):47￥，680(^?，插件；功率二极管(01、02):600V，20A/100°C，反向恢复时间小于25ns;功率M0SFET(S1 与FWD1、S2与FWD2):500V，20A/100°C，恢复时间小于25ns。
[0043]本实施例还提供一种降压型直流变换器，所述降压型直流变换器包括如上所述的降压型直流变换电路100。上述已经对所述降压型直流变换电路100进行了详细描述，在此不再赘述。
[0044]本实施例还提供一种降压型直流变换方法，应用于包括电感101，电容，充电单元103和续流单元104的上述降压型直流变换电路100，所述降压型直流变换方法包括如下步骤:
[0045]步骤SI，通过所述充电单元103对所述电感101和所述电容进行充电以使所述电感101和所述电容进行储能，降低输出电压，并由所述电容通过储能为外部负载供电。
[0046]所述充电单元103包括第一场效晶体管SI，第二场效晶体管S2，第二电容E2和第三电容E3。所述第一场效晶体管SI和所述第二场效晶体管S2均反并联一个二极管。
[0047]于所述充电单元103中，第一场效晶体管SI与第二场效晶体管S2同时触发导通，第二电容E2与第三电容E3的端电压串联叠加后，作为输入电压施加到滤波电感101的第一端，同时第三电容E3的端电压作为输出直流电压施加到滤波电感的第二端，此时滤波电感电流上升，斜率为(U0+U1-U2) /L，感升电压方向为左正右负，其中，L为滤波电感的感值，滤波电感储存能量，同时为第一电容El充电，第一电容El充电为负载供电。
[0048]步骤S2，通过续流单元104使所述电感101向所述充电单元103进行续流且在所述电感101进行续流时停止为所述第一电容El充电以降低为所述外部负载供电的输出电压。
[0049]所述续流单元104包括第一二极管Dl，第二二极管D2，所述第一场效晶体管SI，所述第二场效晶体管S2以及所述第二电容E2;所述第一二极管Dl连接于所述第二电容E2的阳极与所述电感101的第一端之间的线路上;所述第二二极管D2连接于所述第三电容的正极与所述电感101的第二端之间的线路上。
[0050]于本发明的一实施例中，所述续流单元104在续流时，所述第一场效晶体管SI的所述第二场效晶体管S2均为关断状态;滤波电感进入续流状态，电流呈现下降趋势，感升电压方向为左负右正，所述续电单元的续流路径为:电流由所述电感101的第一端依次经所述第一二极管Dl流，所述第二电容E2，所述第二二极管D2流回所述电感101的第二端。
[0051]可以看出，在一个开关周期之中，只有在充电过程，为负载供电的第一电容El才获得能量，能量来自输入电源。在续流过程，滤波电感的储能会部分或全部转移到第二电容E2，因此可以得出结论，在相同的占空比时，本实施例的输出电压低于传统降压型DC-DC变换电路。
[0052]综上所述，本发明中滤波电感向输入电源续流，而不是向输出端电解电容续流，同样高占空比时，输出直流电压更低，适合高压输入-低压输出的降压型DC-DC变换器应用场合;本发明能够实现从输入端到输出端降压变换，在占空比较大情况下可以深度降压，防止输出电压较低时占空比过小造成无效驱动和开关损耗过大的问题;本发明充分复用每个元器件的功能，具有电路结构简单，使用器件数量少，控制容易，功率电路成本较低的优点。所以，本发明有效克服了现有技术中的种种缺点而具高度产业利用价值。
[0053]上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，举凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本发明的权利要求所涵盖。
【主权项】
1.一种降压型直流变换电路，其特征在于:所述降压型直流变换电路包括: 储能续流单元，用于对输入电压进行储能和续流； 供电单元，与所述储能续流单元相连，通过储能为外部负载供电； 充电单元，分别与输入电源，所述储能续流单元以及所述供电单元相连，用于对所述储能续流单元和所述供电单元进行充电以使所述储能续流单元和所述供电单元进行储能； 续流单元，用于使所述储能续流单元向所述充电单元进行续流且在所述储能续流单元进行续流时停止为供电单元充电以降低为所述外部负载供电的输出电压。2.根据权利要求1所述的降压型直流变换电路，其特征在于:所述储能续流单元包括电感;所述供电单元包括第一电容。3.根据权利要求2所述的降压型直流变换电路，其特征在于:所述充电单元包括第一场效晶体管，第二场效晶体管，第二电容和第三电容;所述第二电容和所述第三电容串联后与输入电源相连，其中，所述第二电容的负极与所述第三电容的正极相连;所述第三电容的负极形成输入端负极;所述第二电容的正极与所述第一场效晶体管的源极相连并形成输入端正极，同时所述第二电容的正极与所述电感的第一端相连;所述第三电容的正极与所述第一场效应管的漏极以及所述电感的第二端相连;所述电感的第一端还与所述第二场效晶体管的源极相连;所述第二场效晶体管的漏极与所述第一电容的正极相连并形成输出端正极;所述第一电容的负极形成输出端负极。4.根据权利要求3所述的降压型直流变换电路，其特征在于:所述充电单元在充电时，所述第一场效晶体管的所述第二场效晶体管均为导通状态;所述第二电容和第三电容串联叠加后的电压施加于所述电感的第一端和所述第一电容的正极;所述第三电容的电压施加于所述电感的第二端;所述电感和所述第一电容充电储能，所述电感的感生电压方向为第二端到第一端。5.根据权利要求3所述的降压型直流变换电路，其特征在于:所述续流单元包括第一二极管，第二二极管，所述第一场效晶体管，所述第二场效晶体管以及所述第二电容;所述第一二极管连接于所述第二电容的正极与所述电感的第一端之间的线路上;所述第二二极管连接于所述第三电容的正极与所述电感的第二端之间的线路上。6.根据权利要求5所述的降压型直流变换电路，其特征在于:所述续流单元在续流时，所述第一场效晶体管的所述第二场效晶体管均为关断状态;所述续电单元的续流路径为:电流由所述电感的第一端依次经所述第一二极管流，所述第二电容，所述第二二极管流回所述电感的第二端。7.根据权利要求2?6任一权利要求所述的降压型直流变换电路，其特征在于:所述电感为滤波电感。8.根据权利要求3?6任一权利要求所述的降压型直流变换电路，其特征在于:所述第一电容、所述第二电容以及所述第三电容均为电解电容。9.根据权利要求3?6任一权利要求所述的降压型直流变换电路，其特征在于:所述第一场效晶体管和所述第二场效晶体管均反并联一个二极管。10.—种降压型直流变换器，其特征在于:所述降压型直流变换器包括如权利要求1至权利要求9任一权利要求所述的降压型直流变换电路。11.一种降压型直流变换方法，其特征在于:应用于包括电感，电容，充电单元和续流单元的降压型直流变换电路，所述降压型直流变换方法包括: 通过所述充电单元对所述电感和所述电容进行充电以使所述电感和所述电容进行储能，降低输出电压，并由所述电容通过储能为外部负载供电； 通过续流单元使所述电感向所述充电单元进行续流且在所述电感进行续流时停止为所述第一电容充电以降低为所述外部负载供电的输出电压。
【文档编号】H02M3/155GK106026641SQ201610493499
【公开日】2016年10月12日
【申请日】2016年6月29日
【发明人】沈丹峰, 申云松, 房喜明
【申请人】儒竞艾默生环境优化技术（上海）有限公司