专利名称：桥式双模式宽输入降压变换器的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种DC/DC变换器的电路拓扑结构及其应用，特别适合于输入电压等级范围较宽的降压场合，并且是一种具备双模式自动切换功能的变换器。
背景技术：
随着电力电子技术、半导体器件的不断发展，以及开关电源在各行业中的广泛应用，对DC/DC变换器的需求量已经变得越来越大，它在部分行业已经成为衡量经济发展的一个标识。对于传统的降压型BUCK变换器，其属于单级变换器，它的电压传输比不能很高，即不能很好的适用于要求宽输入的场合；其续流二极管所能承受的最大反向电压是由输入 端的最大电压值决定，并且当输入电压越高，开关导通时间越短，二极管在开关导通期间承受越高越短的高电压脉冲，其开关管在关断期间所承受的电压也有输入电压决定。因此，在高压输入场合，由于流过二极管、开关管的平均电流不变，导致其温度急剧上升、能耗增加，从而使整个变换器效率下降，甚至引起永久性损坏。双级级联型BUCK变换器是一种多级变换器，它能有效的改善单级BUCK变换器的一些不足，但由于增加了一倍的电路器件，使的其体积庞大，控制复杂，系统不稳定等。交错并联BUCK变换器也属于一种多级变换器，它由于采取连个交错支路分别工作，有利于系统的散热以及滤波电感值的减小，但其二极管、开关管的电压应力并未减小，且不适用要求宽输入的场合。非隔离三电平BUCK变换器也属于多级变换器，它通过两个串联电容的分压，有效的减小的二极管、开关管的电压应力，但存在的问题依旧是不能适用于要求宽输入场合。以上介绍的都是非隔离型降压变换器。对于隔离型降压变换器，由于有隔离模块的存在，使得变换器的体积和重量大大增加，控制也相对复杂，还要考虑EMC (电磁兼容性)等问题，故在此一般不予考虑。
发明内容
针对现有技术存在的上述不足，本发明的目的在于提供一种桥式双模式宽输入降压变换器，其更好的兼容了减小开关器件(开关管和二极管)电压应力和增大电压传输比的优点，使其更好的适用于输入电压等级范围较宽的场合。实现上述目的，本发明采用如下技术方案一种桥式双模式宽输入降压变换器，其特征在于，包含开关桥, 二极管桥知，两个泵升电容 、Ca，滤波电感i和滤波电;
其中，所述开关桥由4个N沟道增强型MOSFET开关各、各、巧和A组成，第一个开关乓和第三个开关名的串联支路与第二个开关a第四个开关*的串联支路并联；第一个开关乓的源极与第三个开关-的漏极相连，其串联节点记为b ;第二个开关4的源极与第四个开关W屌极相连，其节点记为d ;两个串联支路并联，第一个开关名的漏极与第二个开关的漏极相连，第三个开关4的源极与第四个开关A的源极相连，节点分别记为a、g ;4个MOSFET管的栅极依次连接信号q、Ga、G,和Gt。二极管桥知由4个二极管A、D3、A和马组成，第一个二极管A和第三个二极管4的串联支路与第二个二极管珥和第四个二极管只的串联支路并联；第一个二极管'的阴极与第三个二极管A的阳极相连，其串联节点记为c ;第二个二极管乌的阴极与第四个二极管，的阳极相连，其串联节点记为e ;第一个二极管i的阳极和第三个二极管h的阳极相连节点记为f ;第三个二极管A的阴极和第四个二极管 只的阴极相连并和开关桥
共享一个节点a ;节点a和节点f就是二极管桥H 的两个并联节点；
两个泵生电容C1、C1分别把开关桥 和二极管桥&中的各自桥臂连接起来第一个泵升电容L_i的正端连接于节点b,负端连接于节点c,第二个泵升电谷的正端连接于节点
d,负端连接于节点e ；
滤波电感I和滤波电容I'组成一个低通滤波器，其中，滤波电容两端并联负载等效电阻;由i α、C组成的二端口网络分别接节点a和节点f ；
节点g接输入电源\正端，节点f接输入电源P负端。首先，变换器预先根据输入电源电压波动范围及纹波最小原则计算设定一个电压切换点^ ,即;当输入电压在切换点^上下变动时，变换器可以自动切换工作模式；其次，变换器具有两种工作模式，当^<匕时，即称为高压输入
情况，此时变换器工作与模式一，其电压传输比为D/2 ;当WG时，即称为低压输入
情况，此时变换器工作与模式二，其电压传输比为D W的取值范围为
。相比现有技术，本发明具有如下有益效果
本发明具有模式自主切换的功能。变换器预先根据输入电源电压波动范围(V￡<Vg<Vs)及纹波最小原则计算设定一个电压切换点,当输入电压在切换点Fz附近
波动时，变换器会以「z为标准切换点自动切换工作模式，使变换器工作在最佳状态。本发明采用特有的双模式结构，可以更好的适应输入电压的变化。当输入电压较
大(Fx HrgSFs)时,变换器工作在模式一,此时变换器具有大的电压传输功能，电压传输
比为iV2，泵升电容电压为输入电压的一半，故续流二极管的电压应力较同情况下的BUCK
变换器相比减小了一半；当输入电压较小时，变换器工作在模式二，此时变
换器和BUCK变换器一样，电压传输比为队泵升电容不工作，续流二极管串联来分压且应力为输入电压的一半。
图I是本发明的双桥结构电路图。图2是具有双桥结构双模式的桥式双模式宽输入降压变换器电路原理图。图3是变换器工作于模式一时的各开关模态等效示意图。图4是变换器工作于模式二时的各开关模态等效示意图。图5飞是变换器两种工作模式下主要波形示意图。图I中符号及标示为'S1 A表示四个MOSFET开关器件，它们构成开关桥士
*表示四个二极管器件，它们构成二极管桥表示泵升电容；a、为连接节点；图2中双桥结构的符号和图I中的一致，增加的符号有Jg表不输入电压u表不滤波
电感，C表示滤波电容，它们共同构成低通滤波器；Λ表示负载等效电阻。 附图3 4中各符号同图1、2中保持一致。附图5 6中符号及标不为G1-G4表不开关管各、Si、S1、S、的工作信号； χ表不电感 电流示意波形，Aci表示电感的平均值；Zcr Vm表示泵升电容C1、 的电压示意波形；fsi-fa表示开关管S1、Si、S1、的电压应力示意波形；& ~ vm表示二极管m
A的电压应力示意波形。
具体实施例方式下面结合附图对本发明的实施方式和工作原理做进一步的描述
参见图1，是本发明的双桥结构电路图，图2是具有双桥结构双模式的桥式双模式宽输入降压变换器电路图。其电路拓扑特征为开关桥是由N沟道MOSFET开关名、名串联支路与开关4、串联支路并联构成，其中开关·S 串联中点记为b,开关巧、串联中点记为d，两个支路并联节点分别记为a、g ;二极管桥*^是由二极管A、D1串联支路与二极管串联支路并联构成，其中二极管A、乌串联中点记为c，二极管乌、马串联中点记为
e,二极管A、A和开关桥H 共享一个连接点，它们负端共同连接于点a，而二极管A、乌的正端共同连接点记为f。那么连接点a和f 就是二极管桥Hw的两个并联连接点；两个泵生电容分别把开关桥和二极管桥〃m中的各自桥臂连接起来，具体连接如下泵升电容ci的正端连接于点b,负端连接于点c,泵升电容A的正端连接于点d,负端连接于点e ;滤波电感 和滤波电容C1组成一个低通滤波器，其中，电容两端并联负载等效电阻E。由月、L、C组成的二端口网络分别连接点a和f ;输入电源匕正端接连接点g，负端接连接点f。
本发明特有的双模式工作性质，使其更好的兼容了减小开关器件(开关管和二极管)电压应力和增大电压传输比的优点，使其更好的适用于输入电压等级范围较宽的场合。图3、4是变换器工作于两种模式时的各开关模态等效示意图，在分析之前做以下假设1.变换器所有开关管、二极管、储能元件均为理想元件，且电容电压纹波为零；2.变换器中所有电感元件均处于连续导电模式。下面根据附图3、4叙述本发明的具体工作原理和工作过程例如输入直流电压^rg = W0- 200v ,而输出电压要求稳定在F。= 40v。那么变换器在两种不同模式下电压传输比的取值将有所不同，即A=2C/匕，D2 = KZFf。而在Ff e [100,200] , Fa : 40v的条件下，结合纹波最小原理(电压传输比更趋近与O. 5)，经计算求出电压切换点& =〗20v。故在此例子中，当120vS Pf < 200v时，变换器工作在模式一时较好；当IOOvSFf S120v时,变换器工作在模式二时较好。I.当输入为电压较高时，本发明工作于模式一，其有四种模态，下面结合附图3，对各开关模态的工作进行分析。①开关模态a (对应
时刻，其等效电路见附图3模态(b)、(d))
开关管各、巧、A、巧均闭合，二极管A、A、A、A均工作。泵升电容C1、C5保持电压
不变，电感I通过二极管桥H 向负载放电，其电流线性减小。③开关模态c (对应[Ts，t2]时刻，其等效电路见附图3模态(C))
开关管各、巧闭合，各、巧断开，二极管D1、只工作，DpD1不工作。输入电源&通过泵
升电容q、二极管只支路向负载供电，泵升电容 持续充电。泵升电容^通过二极管a向负载持续放电，电感Z电流线性增大。 开关模态d (对应[t2，2Ts]时刻，其等效电路见附图3模态(b)、(d))
其工作模态和②一致。综上，以电感Z充放电一次作为一个周期Ts,模态a (或模态c)工作的时间与周期1之比则为占空比O。那么在一个周期内，由电感伏秒平衡可得到变换器电压传输关系式Fa = DVt /2 ,计算可得泵升电容C1、Cj两端的电压与变换器工作的占空比D没关系，其平均
至均为4/2，由于泵升电容的原因，开关管和二极管的电压应力也同样被钳位在4/2。可以看出变换器在模式一时具有较高的电压传输比，并且开关管和二极管的电压应力较小。2.当输入为电压较低时，本发明工作于模式二，其也有四种模态，下面结合附图4，对各开关模态的工作进行分析。①开关模态a (对应
时刻，其等效电路见附图4模态(b)、(d))开关管q、名、巧、^;均闭合，二极管a、a、a、a均工作。泵升电容 、q不工作，电这i通过二极管桥《!>向负载放电，其电流线性减小。③开关模态c (对应[Ts，t2]时刻，其等效电路见附图4模态(C))
开关管各、闭合，各、S1断开，二极管D1'H D1不工作。输入电源匕直接向负载供电，泵升电容Q、C3不工作，电感i电流线性增大。④开关模态d (对应[t2，2Ts]时刻，其等效电路见附图4模态(b)、(d))
其工作模态和②一致。综上，和I类似，以电感i充放电一次作为一个周期Ts，模态a (或模态c)工作的时间与周期Ts之比则为占空比队那么在一个周期内，由电感伏秒平衡可得到变换器电压传输关系式八dL，但是由于此模式下，开关管和二极管都是两个串联工作，其电压应力也由此结构而减小一半。可以看出变换器在模式二时和普通BUCK变化器相同，但开关管和·二极管的电压应力较小。图5、6分别是变换器工作与两种模式下的主要波形示意图。由图5看以看出泵升电容C1、Ca两端的电压互相交错，当开关管乓、Si 'S1A均闭合时，其均保持不变。图6看以看出泵升电容C1、C5不工作，其值均为零。本发明利用开关桥和二极管桥Fa双桥结构，采用双工作模式更好地兼容了减小开关器件(开关管和二极管)电压应力和增大电压传输比的优点；并且两种工作模式下，开关管及二极管的电压应力均较小；同时根据纹波最小原则设定切换值，使本发明还具有模式自主切换的功能。综上，本发明能更好地适用于输入电压等级范围较宽的场合。
以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属领域的技术人员来说，还可以再做出适当推演、等同变换、改进等，但在不脱离本发明构造思路的前提下，均应包含在本发明的保护范围内。
权利要求
1.桥式双模式宽输入降压变换器，其特征在于，包含开关桥H ，二极管桥，两个泵升电容 、q，滤波电感I和滤波电容C ; 其中，所述开关桥Hh由4个N沟道增强型MOSFET开关乓、名、S1和*组成，第一个开关芩和第三个开关巧的串联支路与第二个开关3第四个开关4的串联支路并联；第一个开关乓的源极与第三个开关3的漏极相连，其串联节点记为b ;第二个开关各的源极与第四个开关漏极相连，其节点记为d ;两个串联支路并联，第一个开关!的漏极与第二个开关各的漏极相连，第三个开关，的源极与第四个开关4的源极相连，节点分别记为a、g ;4个MOSFET管的栅极依次连接信号q、A、G1和Gt . 二极管桥由4个二极管A、A、乌和只组成，第一个二极管I和第三个二极管I的串联支路与第二个二极管马和第四个二极管只的串联支路并联；第一个二极管A的阴极与第三个二极管4的阳极相连，其串联节点记为c ;第二个二极管乌的阴极与第四个二极管，的阳极相连，其串联节点记为e ;第一个二极管的阳极和第三个二极管A的阳极相连节点记为f ;第三个二极管，的阴极和第四个二极管S的阴极相连并和开关桥共享一个节点a ;节点a和节点f就是二极管桥~的两个并联节点； 两个泵生电容C1、Cj分别把开关桥H 和二极管桥Hb中的各自桥臂连接起来第一个泵升电容^!的正端连接于节点b,负端连接于节点C,第二个泵升电谷3的正端连接于节点d,负端连接于节点e ； 滤波电感I和滤波电容C组成一个低通滤波器，其中，滤波电吝~两端并联负载等效电阻A ,由、I、C组成的二端口网络分别接节点a和节点f ； 节点g接输入电源匕正端，节点f接输入电源^负端。
2.根据权利要求I所述桥式双模式宽输入降压变换器，其特征在于，首先，变换器应预先根据输入电源电压波动范围(G <匕)及纹波最小原则计算设定一个电压切换点h，即V1 <FZ< V11 ;当输入电压在切换点Vx上下变动时，变换器可以自动切换工作模式；其次，变换器具有两种工作模式，当W匕时，即称为高压输入情况，此时变换器工作与模式一，其电压传输比为iV2;当匕SFe S&时，即称为低压输入情况，此时变换器工作与模式二，其电压传输比为D W的取值范围为
。
全文摘要
本发明公开一种新型的桥式双模式宽输入降压变换器，属于DC/DC变换器。该变换器包括一个宽范围输入的电源、一个滤波电感、一个滤波电容、两个泵升电容、一个负载等效电阻、一组MOSFET开关桥和一组二极管桥。本发明具有两种工作模式，当输入电压等级较高时，变换器工作在第一种模式，其电压传输比为D/2；当输入电压等级较低时，变换器工作在第二种模式，其电压传输比为D。变换器在两种不同的模式下，和在相同情况的BUCK变换器相比，输入电压范围较宽，开关管的电压应力减小一半，电流应力不变。综上，此变换器适用于输入电压等级范围较宽的降压场合。
文档编号H02M3/155GK102916582SQ201210471440
公开日2013年2月6日 申请日期2012年11月20日 优先权日2012年11月20日
发明者陆治国, 田海涛, 祝万平, 赵丽丽, 吴春军, 汪渊 申请人:重庆大学