一种利用输入侧电容实现输出电压箝位的BUCK型直流电源电路的制作方法

本发明属于直流恒压电源技术领域，具体涉及到以BUCK型电路为基本结构，在输入直流电压稳定的前提下，能够实现降压并且能够为负荷提供稳定直流电压的利用输入侧电容实现输出电压箝位的BUCK型直流电源电路。

背景技术：

BUCK型电路由于结构简单、易于控制，因此经常被用作降压型的直流电源主电路(下文提到的直流电源，若无特殊说明，均指采用BUCK电路结构的直流电源)。这种直流电源在合理的控制策略(例如输出电压闭环的PI控制)的控制下，稳态运行过程中输出电压幅值稳定、精度高，但是当负载突变时，由于输出滤波电感和电容中所存储的能量无法满足突变后的负荷需求，必然会导致输出电压上升或下降，在控制器的控制作用下，经过一段时间的动态调节过程后，输出电压幅值才会重新稳定。动态调节过程所持续时间的长短、调解过程中电压幅值变化的大小和振荡次数与主电路的参数、负荷变化的大小、控制器的控制参数等诸多因素有关，这些问题的存在会对电源的输出电能品质带来不利影响，甚至会影响负荷的正常运行。针对如何消除这些不利影响进而提升直流电源输出电压动态品质这一问题，研究人员在硬件的拓扑结构和软件的控制策略等方面提出了很多种改进方案，但是从实用化的角度来看，目前还是缺乏有效的解决措施。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种采用BUCK型电路拓扑结构的直流电源，在输入直流电压稳定的前提下，负荷变化会导致输出电压发生波动，进而产生动态调节过程的利用输入侧电容实现输出电压箝位的BUCK型直流电源电路。

本发明的目的是这样实现的：

本发明所提出的利用输入侧电容实现输出电压箝位的BUCK型直流电源电路，其主要由电容C1、电容C2、电容C3、电容C4、电容C5、电阻R1、电阻R2、电阻R3、二极管D1、二极管D2、二极管D3、单向可控开关K1、双向可控开关K2、电感L1、输入接线端子A、输入接线端子B、输出接线端子C、输出接线端子D等元器件构成。具体连接关系为：输入接线端子A与外部输入电压的正极连接，输入接线端子B与外部输入电压的负极连接；电容C1的正极与输入接线端子A连接，电容C1的负极与输入接线端子B连接；电容C2的正极与输入接线端子A连接；电容C3的正极与电容C2的负极连接；电容C4的正极与电容C3的负极连接，电容C4的负极与输入接线端子B连接；电阻R1、电阻R2、电阻R3依次串联，同时电阻R1与电容C2并联，电阻R2与电容C3并联，电阻R3与电容C4并联；单向可控开关K1的电流流入端与输入接线端子A连接，单向可控开关K1的电流流出端与二极管D1的负极连接；二极管D1的正极在与输入接线端子B连接在一起的同时，也与输出接线端子D连接在一起；电感L1的一端与二极管D1的负极连接，电感L1的另一端与输出接线端子C连接；电容C5的正极与输出接线端子C连接，电容C5的负极与输出接线端子D连接；二极管D2的负极与电容C3的正极连接，为了便于后续说明，该连接点标注为E点，二极管D2的正极与二极管D3的负极连接；二极管D3的正极与与电容C4的正极连接，为了便于后续说明，该连接点标注为F点；双向可控开关K2的一端与二极管D2的正极连接，另一端与输出接线端子C连接。

本发明的有益效果在于：

本发明所提出的利用输入侧电容实现输出电压箝位的BUCK型直流电源电路与现有的BUCK型直流电源电路相比，具有以下优点：

(1)当由于负荷突然增加导致输出电压下降时，如果电压幅值下降超过所允许的输出电压最小值(UN-ε)时，输入侧电容C4会迅速为输出电容C5充电，将输出电压箝位在所允许的输出电压最小值附近，进而抑制住输出电压幅值的大幅度下降，缩短该动态过程的持续时间。

(2)当由于负荷突然减小导致输出电压上升时，如果电压幅值上升超过所允许的输出电压最大值(UN+ε)时，输出电容C5会迅速为输入侧电容C3和电容C4充电，将输出电压箝位在所允许的输出电压最大值附近，进而抑制住输出电压幅值的大幅度上升，缩短该动态过程的持续时间。

(3)当电源电路启动运行时，电源控制器在向单向可控开关K1发出PWM驱动信号的同时，控制双向可控开关K2闭合(或导通)，电容C4通过二极管D3、双向可控开关K2向电容C5快速充电，可以使输出电压Uout迅速上升，进而可以有效缩短输出电压上升所持续的动态调节时间。

附图说明

图1利用输入侧电容实现输出电压箝位的BUCK型直流电源电路图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步描述。

本发明所提出的利用输入侧电容实现输出电压箝位的BUCK型直流电源电路，其输入接线端子A与外部输入电压的正极连接，输入接线端子B与外部输入电压的负极连接，输出接线端子C与负荷的正极连接，输出接线端子D与负荷的负极连接。电路中电阻R1、电阻R2、电阻R3阻值的大小可根据公式(1)来计算

式中

R1、R2、R3——分别为电阻R1、电阻R2、电阻R3阻值，单位为Ω；

Uin——输入电压，即输入接线端子A和输入接线端子B之间的电压幅值，单位为V；

UN——额定输出电压，即输出接线端子C和输出接线端子D之间电压的额定幅值，单位为V；

ε——输出电压所允许的最大幅值误差，单位为V；

ΔUD——二极管D2和二极管D3的正向导通管压降；

UE——电路中E点相对输入接线端子B(或输出接线端子D，在电路中这两处等电位)的电压差值，单位为V；

UF——电路中F点相对输入接线端子B的电压差值，单位为V；

PR——电阻R1、电阻R2、电阻R3所消耗的总功率。

在公式(1)所涉及的各个变量中，输入电压Uin、额定输出电压UN、最大幅值误差ε、电阻所消耗的总功率PR(与电源电路的效率有关)作为电路的基本设计指标，其大小都是已知的，二极管正向导通压降ΔUD作为二极管的基本特性也是已知的，因此可以计算出电阻R1、电阻R2、电阻R3的阻值，并且计算出UE和UF的大小。电路中电容C1、单向可控开关K1、二极管D1、电感L1、电容C5构成了现有的标准BUCK型降压电路(利用IGBT、MOSFET等电力电子器件来替代单向可控开关K1，即构成了现有的标准BUCK型降压电路)，其具体参数的大小、型号的选取、设计方法和工作原理与现有的BUCK型降压电路完全相同。

本发明所提出的利用输入侧电容实现输出电压箝位的BUCK型直流电源电路在稳态运行(即输入电压Uin稳定、负荷大小不变)过程中，电源控制器利用现有的控制策略和控制算法产生PWM驱动信号来控制单向可控开关K1的导通和开断，可以使由电容C1、单向可控开关K1、二极管D1、电感L1、电容C5构成的标准BUCK电路的输出电压Uout等于额定电压UN，或二者的幅值误差在所允许的范围内波动，即UN-ε≤Uout≤UN+ε。在电源电路工作的过程中，双向可控开关K2始终处于闭合状态，稳态运行时由于UN-ε≤Uout≤UN+ε，二极管D2和二极管D3处于非导通状态，电容C5与电容C3和电容C4之间没有能量交换。

假设在某一时刻电源电路的负荷突然增加(即负荷电流变大，负荷等效电阻变小)，负荷突然增加后，单向可控开关K1的开关状态还来不及调节时，在每一个PWM信号的开关周期内，电源电路从输入侧获得的能量(去除自身损耗)小于负荷的需求，电容C5会通过负荷持续放电，补充负荷所需能量的不足，致使输出电压Uout迅速下降。当Uout＜UN-ε时，由于Uout＜UF-ΔUD，二极管D3正向导通，电容C4通过二极管D3、双向可控开关K2向电容C5快速充电(同时也为负荷提供电能)，可抑制或减缓输出电压Uout的下降趋势。通过对电容C4容量的合理选取，在电源控制器对单向可控开关K1的PWM驱动信号进行调节的动态过程中，可以使输出电压的最小值稳定在所允许的输出电压下限(即UN-ε)附近，避免输出电压幅值下降过大情况的出现，进而也可以有效缩短动态调节过程的持续时间。

反之当电源电路的负荷突然减小，单向可控开关K1的开关状态还来不及调节时，在每一个PWM信号的开关周期内，电源电路从输入侧获得的能量(去除自身损耗)大于负荷的需求，多余的能量会充入电容C5中，致使输出电压Uout迅速上升。当Uout＞UN+ε时，由于Uout＞UE+ΔUD，二极管D2正向导通，电容C5通过双向可控开关K2、二极管D2向电容C3和电容C4快速充电，可抑制或减缓输出电压Uout的上升趋势。通过对电容C3和电容C4容量的合理选取，在电源控制器对单向可控开关K1的PWM驱动信号进行调节的动态过程中，可以使输出电压的最大值稳定在所允许的输出电压上限(即UN+ε)附近，避免输出电压幅值上升过多情况的出现，进而也可以有效缩短动态调节过程的持续时间。

当电源电路中要停止工作时，电源控制器封锁单向可控开关K1的PWM驱动信号，使单向可控开关K1处于断开(或截止)状态，同时电源控制器控制双向可控开关K2断开(或截止)。

当电源电路启动运行时，电源控制器在向单向可控开关K1发出PWM驱动信号的同时，控制双向可控开关K2闭合(或导通)，此时由于输出电压Uout为零，二极管D3正向导通，电容C4通过二极管D3、双向可控开关K2向电容C5快速充电(同时也为负荷提供电能)，可以使输出电压Uout迅速上升，直至Uout＞UF-ΔUD，二极管D3截止，再依靠电源控制器控制单向可控开关K1的通断，最终实现Uout＝UN的稳定输出。

当电源电路启动运行时，电源控制器也可以只向单向可控开关K1发出PWM驱动信号，直到电源电路的输出电压稳定后，再控制双向可控开关K2闭合(或导通)。

如果在电源电路的运行过程中，双向可控开关K2一直处于断开(或截止)状态，电源电路仍然能正常工作，但是不具备利用电容C3和电容C4对输出电压进行电压箝位的功能。

实施方法一

单向可控开关K1可选用IGBT、MOSFET等电力电子开关器件；

电容C1、单向可控开关K1、二极管D1、电感L1、电容C5构成了现有的标准BUCK型降压电路，这些器件具体参数的大小、型号的选取可参照现有的BUCK电路设计方法；

电阻R1、电阻R2、电阻R3阻值的大小和功率的选取由公式(1)计算得出；

电容C2、电容C3、电容C4可选用电解质电容，从能量补偿的角度来讲，这些电容的容量越大越好，但是考虑到经济性和实用性，电容容量的大小应根据额定输出电压的幅值、输出电压最大幅值误差、额定输出电流的幅值、电容C5的容量、动态调节指标等因素来综合考虑，参照电容储能公式来合理选取；

二极管D2和二极管D3可选用快速恢复二极管或常规二极管；

双向可控开关K2可选用继电器、接触器等器件；

输入接线端子A、输入接线端子B、输出接线端子C、输出接线端子D可选用现有的各种接线端子或电连接器等器件来实现；

电源电路的控制器、控制电路、控制策略和控制算法与现有的BUCK电源电路的控制器、控制电路、控制策略和控制算法相同。