一种基于两级级联电压转换的升降压电源电路及方法与流程

本发明涉及电源领域技术领域，尤其涉及一种基于两级级联电压转换的升降压电源电路及方法。

背景技术：

近年来，电力电子器件的不断升级、控制技术的不断发展及各种新电路拓扑的发明使得电力电子变换器的成本大幅降低并且适用场合也得到了深度拓展。经典的buck、boost及隔离型的桥式电路、反激、正激变换器等能够满足大部分系统下的正常应用。但是在一些比较特殊的场合，通常的单级功率变换器无法满足性能指标。比如一些需要高功率因数电源的场合，通常都是boostpfc+flyback电路级联组成。如今，在越来越多的场合，使用单一的电力电子变换器来满足各种要求已经显得十分困难，因此对级联式变换器的研究显得尤为重要。

技术实现要素：

为克服现有技术的不足，本发明提供一种基于两级级联电压转换的升降压电源电路及方法。

为了实现上述发明目的，本发明采用了如下技术方案：

一种基于两级级联电压转换的升降压电源电路，包括直流输入电压vin，输入电压信号地gnd，输出直流电压vout,输出电压信号地sgnd，电阻器r1、r2，电容器c1～c6，电感器l1、l2，mos管q1～q8，单片机u1，mos驱动器u2～u8，变压器t1～t4；

直流输入电压vin接电阻器r1、电容器c1、c3和mos管q1的一端；电阻器r1另一端接电阻器r2、电容器c1、c2、变压器t1初级一端；mos管q1的另一端接电感器l1和mos管q2的一端；电感器l1另一端接变压器t1初级另一端；电阻器r2、电容器c2、c3和mos管q2另一端接输入电压信号地gnd；

变压器t1次级一端接mos管q3一端；变压器t1次级另一端接mos管q4一端；变压器t1次级中心抽头一端接mos管q5、电容器c4、c5一端；mos管q5另一端接电感器l2和mos管q6的一端；电感器l2的另一端接mos管q7、q8的一端；mos管q7另一端接电容器c6；mos管q3、q4、q6、q8、电容器c4、c5、c6的另一端接输出电压信号地sgnd。

一种基于两级级联电压转换的升降压电源方法，采用llc+buck-boost两级级联，半桥llc电路为开环工作，buck-boost电路为闭环工作，其步骤如下：

1)、制作半桥llc谐振变换器，由开关管q1、q2组成的半桥桥臂与均值电容c1、c2相连构成开关电路，谐振电容cr通过谐振电感lr与励磁电感lm连接构成谐振回路，变压器次级通过整流二极管d3、d4与滤波电容co相连。

llc谐振变换器采取的是的调频控制方式，即开关管q1和q2的导通占空比都约为50％，交替工作；为防止开关管q1和q2的同时导通，在两个开关管的驱动信号之间加入设置的死区时间；

2)、制作buck-boost变换器电路拓扑结构，极性反转型变换器电路buck-boost具有buck降压和boost升压的双重作用；由开关管vt1一端与储能电感l1、整流二极管vd1的一端连接，整流二极管vd1的另一端与滤波电容、负载的一端相连；开关管vt1控制端与pwm控制驱动电路相连；储能电感l1的另一端与滤波电容、负载的另一端相连；

3)、半桥谐振电路llc变换器电路+buck-boost的两级级联的工作方式：

前级llc半桥谐振拓扑工作，在开关管q1导通时，电流经过q1、谐振电感l1、变压器t1、谐振电容c1、c2，给谐振电感l1和谐振电容c1、c2进行充电，此时开关管q4导通，通过将变压器t1初级的能量通过开关管q4给c4、c5进行充电。

如果变压器输出电压高于输出直流电压vout，则电路工作于buck模式，此时q7呈常闭状态，q8呈常开状态，当开关管q5导通续流管q6断开时，电流通过开关管q5、电感l2和开关管q7形成回路，向电感充电储能的同时给电容c6充电提供能量；当开关管q5关断续流管q6导通时，电流通过续流管q6、电感l2、开关管q7、电容c6形成回路，电感l2、电容c6释放其储存的能量。

如果变压器输出电压低于输出直流电压vout，则电路工作于boost模式，此时q5呈常闭状态，q6呈常开状态，当开关管q8导通续流管q7断开时，电流通过开关管q5、电感l2和开关管q7体二极管形成回路，向电感充电储能的同时给电容c6充电提供能量；当开关管q8关断续流管q7导通时，电流通过电感l2、续流管q7、电容c6形成回路，电感l2、电容c6释放其储存的能量。

在下半个周期q1关断，谐振电感l1电流不能突变，经过变压器t1谐振电容c2与开关管q2的体二极管构成回路进行放电，直到谐振电感l1电流为0，半桥开关管q2导通，由于开关管q2的体二极管正处于导通状态，所以开关管q2为零电压开启；谐振电容c1、c2中储存的能量经过变压器t1、谐振电感l1、开关管q2构成回路，此时开关管q3开通，通过将变压器t1初级的能量经开关管q3给c4、c5进行充电；buck-boost电路工作方式同前半周期一样，至此，llc半桥谐振电路+buck-boost电路完成了一个完整的开关周期，在以后的每一个开关周期内将重复上一次开关周期的动作。

其中llc半桥谐振电路采用了全波整流，输出纹波为半桥开关频率的2倍，则buck-boost电路的开关频率是llc半桥谐振电路开关频率的二倍，使得控制器在llc半桥谐振开关管q1、q2的占空比都为小于50％的固定占空比。

由于采用上述技术方案，本发明具有以下的有益效果：

一种基于两级级联电压转换的升降压电源及方法，旨在解决宽范围输入电压情况下电路效率低、mosfet等功率器件较难选型等问题。两级级联变换器结构的前级变换器通常被称为源变换器，后级变换器通常被称为负载变换器。级联后的系统可以弥补单一变换器的不足，进而提高系统的性能。

附图说明

图1是两级级联变换器结构的电路方框图。

图2是两级级联变换器结构的电路工作框图。

图3是半桥llc谐振变换器拓扑结构电路图。

图4是buck-boost变换器拓扑结构的电路图。

图5是两级级联电压转换的升降压电源电路原理图。

图6是单片机连接的两级级联变换器结构电路方框图。

具体实施方式

下面结合附图对本专利进一步解释说明。但本专利的保护范围不限于具体的实施方式。

如图1、2、3、4、5、6所示，一种基于两级级联电压转换的升降压电源电路，包括直流输入电压vin，输入电压信号地gnd，输出直流电压vout,输出电压信号地sgnd，电阻器r1、r2，电容器c1～c6，电感器l1、l2，mos管q1～q8，单片机u1，mos驱动器u2～u8，变压器t1～t4。其中单片机u1采用的型号为dspic33fj16gs502。

直流输入电压vin接电阻器r1、电容器c1、c3和mos管q1的一端；电阻器r1另一端接电阻器r2、电容器c1、c2、变压器t1初级一端；mos管q1的另一端接电感器l1和mos管q2的一端；电感器l1另一端接变压器t1初级另一端；电阻器r2、电容器c2、c3和mos管q2另一端接输入电压信号地gnd；

变压器t1次级一端接mos管q3一端；变压器t1次级另一端接mos管q4一端；变压器t1次级中心抽头一端接mos管q5、电容器c4、c5一端；mos管q5另一端接电感器l2和mos管q6的一端；电感器l2的另一端接mos管q7、q8的一端；mos管q7另一端接电容器c6；mos管q3、q4、q6、q8、电容器c4、c5、c6的另一端接输出电压信号地sgnd。

本专利旨在解决宽范围输入电压情况下电路效率低、mosfet等功率器件较难选型等问题。两级级联变换器结构如图1所示。前级变换器通常被称为源变换器，后级变换器通常被称为负载变换器。级联后的系统可以弥补单一变换器的不足，进而提高系统的性能。

所采用的llc+buck-boost两级级联，是半桥llc电路开环工作，buck-boost电路闭环工作，可实现高达95％的效率。电路工作如图2所示。

半桥llc谐振变换器结构如图3所示。组成半桥llc谐振变换器的主要器件有：两个开关管q1、q2及体二极管d1、d2寄生电容c1、c2，谐振电容cr、lr、励磁电感lm，副边采用中心抽头结构的变压器，次级整流二极管(实际为同步整流mos管)，滤波电容co等器件。

不同于传统pwm变换器的控制方式，llc谐振变换器采取的是的调频控制方式，即开关管q1和q2的导通占空比都约为50％，交替工作。但为防止它们同时导通，在两个开关管的驱动信号之间加入一定的死区时间。

buck-boost变换器电路拓扑如图4所示。极性反转型(buck-boost)变换器电路由开关管vt1、储能电感l1、整(续)流二极管vd1及滤波电容c1等元器件组成。buck-boost电路具有buck降压和boost升压的双重作用。

前级llc半桥谐振拓扑工作，在开关管q1导通时，电流经过q1、谐振电感l1、变压器t1、谐振电容c1、c2，给谐振电感l1和谐振电容c1、c2进行充电，此时开关管q4导通，通过将变压器t1初级的能量通过开关管q4给c4、c5进行充电。

如果变压器输出电压高于输出直流电压vout，则电路工作于buck模式，此时q7呈常闭状态，q8呈常开状态，当开关管q5导通续流管q6断开时，电流通过开关管q5、电感l2和开关管q7形成回路，向电感充电储能的同时给电容c6充电提供能量；当开关管q5关断续流管q6导通时，电流通过续流管q6、电感l2、开关管q7、电容c6形成回路，电感l2、电容c6释放其储存的能量。

如果变压器输出电压低于输出直流电压vout，则电路工作于boost模式，此时q5呈常闭状态，q6呈常开状态，当开关管q8导通续流管q7断开时，电流通过开关管q5、电感l2和开关管q7体二极管形成回路，向电感充电储能的同时给电容c6充电提供能量；当开关管q8关断续流管q7导通时，电流通过电感l2、续流管q7、电容c6形成回路，电感l2、电容c6释放其储存的能量。

在下半个周期q1关断，谐振电感l1电流不能突变，经过变压器t1谐振电容c2与开关管q2的体二极管构成回路进行放电，直到谐振电感l1电流为0，半桥开关管q2导通，由于开关管q2的体二极管正处于导通状态，所以开关管q2为零电压开启；谐振电容c1、c2中储存的能量经过变压器t1、谐振电感l1、开关管q2构成回路，此时开关管q3开通，通过将变压器t1初级的能量经开关管q3给c4、c5进行充电；buck-boost电路工作方式同前半周期一样，至此，llc半桥谐振电路+buck-boost电路完成了一个完整的开关周期，在以后的每一个开关周期内将重复上一次开关周期的动作。

其中llc半桥谐振电路采用了全波整流，所以其输出纹波为半桥开关频率的2倍。而buck-boost电路的开关频率设计为llc半桥谐振电路开关频率的二倍，使得控制器的设计变得简单，在llc半桥谐振开关管q1、q2的占空比都设计为略小于50％的固定占空比，大大提高了其效率。