CN100355194C - 一种开关电源变换器的拓扑结构 - Google Patents

Abstract

一种开关电源变换器的拓扑结构，包括电源、变换器及负载，电源的两端与开关电源变换器或开关电源隔离变换器的输入并联，变换器的输出与电源串联后共同与负载并联。本发明将开关电源变换器的输出电压和电源电压相串联并同时驱动负载，由于电源直接给负载提供了部分功率需求，所以减轻了对开关电源变换器的功率需求。还由于可将电源电压和开关电源隔离变换器输出电压相串联后作为开关电源隔离变换器的输入电压，所以在电源电压较低时***仍能正常输出功率。

Description

一种开关电源变换器的拓扑结构

技术领域

本发明属于电力、电子、能源、交通及环境保护领域的变换器，特别涉及一种开关电源变换器的拓扑结构。

背景技术

目前就基本的PWM变换器主回路拓扑结构而言，有Buck、Boost、Buck-Boost、Cuk等多种变换器。在此基础上演变出的开关型稳压电源(DC/DC变换器)的电路结构有多种：

(1)按驱动方式分，有自励式和他励式；

(2)按DC/DC变换器的工作方式分：①单端正励式和反励式、推挽式、半桥式、全桥式等；②降压型、升压型和升降压型等；

(3)按电路组成分，有谐振型和非谐振型；

(4)按控制方式分：①脉冲宽度调制(PWM)式；②脉冲频率调制(PFM)式；③PWM与PFM混合式；

(5)按电源是否隔离和反馈控制信号耦合方式分，有隔离式、非隔离式和变压器耦合式、光电耦合式等。

以上这些方式的组合可构成多种方式的开关型稳压电源。

这些常规DC/DC变换器的一个共同特征是：以电池或电容器等等作为能量源，这些能量源接到常规DC/DC电源的(能量)输入端，常规DC/DC电源的(能量)输出端接负载。常规DC/DC电源通常将其输出电压作为电压反馈源，即它的反馈电压一般取自于常规DC/DC电源输出端的电压。

目前的储能电容器的能量密度已经提高到了很高的水平，但在放电时，电容器中尽管仍存有很多能量，它的电压还是会随着所存电荷量的减少而不断降低，现有的常规DC/DC电源为解决这一问题提供了一条技术通路。但是，现有的常规DC/DC电源用于这一目的时还存在着如下问题：

(1)功率需求大，因此DC/DC电源的体积大、成本高、效率低、散热矛盾突出；

(2)当电容器端电压较低时效率低，甚至难以工作；

(3)在用于驱动直流电动机时，人们通常用直流斩波器即Buck变换器来兼顾启动和调速的需求，但电容器的端电压会不断降低，为此又需要用到升压变换器，这就在很大程度上限制了储能电容器取代蓄电池的可行性。

发明内容

本发明的目的在于提供一种简单、高效，而且能够使储能电容器代替蓄电池的开关电源变换器的拓扑结构。

为达到上述目的，本发明采用的技术方案是：电源的两端与开关电源变换器或开关电源隔离变换器的输入并联，变换器的输出与电源串联后共同与负载并联。

本发明的另一特点是：变换器的输出与负载还通过二极管相并联，电源的负极与负载之间还连接有开关；电源还与启动电源和二极管的串联电路相串联，启动电源和二极管又与变换器的输出相并联；电源与变换器的输出串联后，分别与负载及变换器的输入并联；电源与变换器的输入之间还通过二极管并联，变换器输入的正极与变换器输出的正极还连接有开关；开关电源变换器包括第一电容器以及与第一电容器的负极相连接的带中心抽头的电感器，第一电容器的正极分别通过第一二极管和第二二极管与电感器的两端相连接，电感器的一端还通过第三二极管与电源的负极相连接，电感器的另一端通过第一开关管与电源的负极相连接；开关电源变换器的第三二极管上还并联有第二开关管，第一开关管上还并联二极管；开关电源隔离变换器的第一电容器的负极还通过第一变压器与第一开关管相连接，第一变压器原边线圈的一端与第一电容器的负极相连接，第一变压器原边线圈的另一端通过第一开关管与电源的负极相连，第一变压器的副边线圈的同名端通过第五二极管和第二电容器与第一变压器的副边线圈的另一端相连，第一电容器的正极通过第六二极管与第五二极管的阴极相连；开关电源隔离变换器的输出电压加在第一电容器上，第一电容器与电源串联后与负载并联，开关电源隔离变换器的第一电容器的负极与第二变压器的原边线圈的中心抽头相连接，第一电容器的负极还与第二变压器的副边线圈的中心抽头相连接，第二变压器的原边线圈的两端分别通过第一开关管和第二开关管与电源的负极相连，第二变压器的副边线圈的第一绕组的同名端通过第三电容器和第七二极管与第二变压器的副边线圈的中心抽头相连，第二变压器的副边线圈的第二绕组的同名端即副边线圈的中心抽头通过第八二极管和第四电容器与第二变压器的副边线圈的第二绕组的另一端相连接，第一电容器的正极通过第九二极管与第七二极管的阴极相连，第一电容器的正极还通过第十二极管与第八二极管的阴极相连。

本发明将开关电源变换器的输出电压和电源电压相串联并同时驱动负载，由于电源直接给负载提供了部分功率需求，所以减轻了对开关电源变换器的功率需求。

还由于可将电源电压和开关电源隔离变换器输出电压相串联后作为开关电源隔离变换器的输入电压，所以在电源电压较低时***仍能正常输出功率。

附图说明

图1是本发明的整体结构框图；

图2是本发明实施例1的拓扑结构图；

图3是本发明实施例2的整体结构框图；

图4是本发明实施例3的整体结构框图；

图5是本发明实施例4的拓扑结构图；

图6是本发明实施例5的拓扑结构图；

图7是本发明实施例6的拓扑结构图；

图8是本发明实施例7的拓扑结构图；

图9是本发明实施例8的拓扑结构图；

图10是本发明实施例9的拓扑结构图；

具体实施方式

下面结合附图对本发明的结构原理和工作原理作进一步详细说明。

参见图1，本发明包括电源1，电源1的两端与开关电源变换器或开关电源隔离变换器3的输入并联，变换器3的输出与电源1串联后共同与负载2并联，电源1直接给负载2提供部分功率需求，另一部分功率需求由变换器3提供。

实施例1：参见图2，电源1的两端与开关电源变换器3的输入并联，开关电源变换器3包括第一电容器15以及与第一电容器15的负极相连接的带中心抽头的加气隙电感器10，第一电容器15的正极分别通过二极管12、13与电感器10的两端相连接，电感器10的一端还通过二极管14与电源1的负极相连接，电感器10的另一端通过第一开关管11与电源1的负极相连接，开关电源变换器3的输出与负载2之间还连接有二极管4，电源1的负极与负载2之间还连接有开关5。当第一开关管11导通时，二极管12导通，二极管13、14截止，电感器10通过二极管12向第一电容器15充电并在电感器10的磁芯中储存能量，在开关5断开的条件下，由第一电容器15向负载提供能量，在开关5闭合的条件下，电源1直接给负载2提供部分功率需求，另一部分功率需求由开关电源变换器3的输出端即第一电容器15供电。当第一开关管11截止时，二极管13、14导通，二极管12截止，电感器10释放储藏的能量，并通过二极管13向第一电容器15充电，在开关5断开的条件下，通过二极管14向电源1回收能量，负载2由开关电源变换器3的输出端即第一电容器15供电，在开关5闭合的条件下，电感器10还通过二极管14和第一电容器15向负载2供电并通过二极管14向电源1充电。

实施例2：参见图3，电源1与开关电源隔离变换器3的输出串联后共同与开关电源隔离变换器3的输入并联，开关电源隔离变换器3的输出与电源1串联后还共同与负载2并联，电源1还与相互串联的启动电源6、二极管7相串联，启动电源6和二极管7又与开关电源隔离变换器3的输出相并联，在电源1端电压不变的条件下，C、D间电压高，则A、B间电压也高；反之，C、D间电压低，则A、B间电压也低(通过控制IC进行脉宽调制时的极短时间内可认为电源1的端电压保持不变，即便电源1是储能电容器)，所以若想A、B间电压稳定，反馈电压应取A、B间的电压，此电压既是开关电源隔离变换器3的输入电压，也是负载2的端电压，需要说明的是，对电源1进行升压并驱动负载2并不是毫无限制的，例如，电源1的端电压为2V并假设它可以给出任意大的电流，设开关电源隔离变换器3的能量转换效率是80％，那么A、B间电压的最高极限是10V。本实施例适用于电源1电压较低的情况，启动电源6和电源1同时向开关电源变换器3输入能量，启动后开关电源变换器3的输出电压大于启动电源6的端电压，此时二极管7截止，电源1作为唯一的能量源通过开关电源变换器3升压后同时向负载2供电，此时电源1直接给负载提供了部分功率需求。图中的箭头为电流方向。

实施例3：参见图4，电源1的两端通过二极管8与开关电源隔离变换器3的输入并联，开关电源隔离变换器3的输出与电源1串联后共同与负载2并联，开关电源隔离变换器3输入端的正极与开关电源隔离变换器3输出端的正极还连接有开关9。若电源1是储能电容器，且开始时其端电压较高，这时将开关9断开；当电源1的端电压较低时，使开关9闭合。当开关9断开时，二极管8导通，电源1直接给负载2提供部分功率需求，另一部分功率需求由开关电源隔离变换器3提供；当开关9闭合时，二极管8截止，电源1与开关电源隔离变换器3的输出串联后共同向负载2供电，并共同向开关电源隔离变换器3的输入端供电。

实施例4，参见图5，在二极管14上还并联有第二开关管16，第一开关管11上还并联有二极管17，且电源1的负极直接与负载2相连，负载2不再通过二极管4与第一电容器15的负极相连，其它连接关系同实施例1。当第二开关管16导通时第一开关管11截止，二极管12、14、17截止，二极管13导通，通过二极管13向第一电容器15供电并在电感器10的磁芯中储存能量；当第二开关管16截止时，第一开关管11仍未导通，此时二极管12、17导通，二极管13、14截止，电感器10释放能量并通过二极管12向第一电容器15供电，电源1通过二极管17回收能量，经过一个时间周期后第一开关管11导通，此时第二开关管16截止，且二极管13、14、17截止，二极管12导通，通过二极管12向第一电容器15供电并在电感器10的磁芯中储存能量；当第一开关管11断开时，第二开关管16仍未导通，此时二极管12、17截止，二极管13、14导通，电感器10释放能量并通过二极管13向第一电容器15供电，电源1通过二极管14回收能量。

实施例5，参见图6，本实施例的开关电源变换器3为一常规的CUK变换器18，电源1与开关电源变换器3的输出串联后共同向负载2供电。本实施例的优点在于：在用于电动自行车等上面的条件下，在启动时可以先使开关管不工作，右边的电感可以起到限制启动电流的作用，避免直流电机及它所驱动的机械装置受到过应力冲击，调速的控制电压并不需要隔离，即只要调节PWM控制IC电路中滑动电阻的阻值即可。

实施例6，参见图7，本实施例中电源1与常规的CUK变换器18的输出串联后再与开关电源变换器3的输出相串联，并共同向负载2供电，常规的CUK变换器18中的第三开关管19的基极与开关电源变换器3中的第一开关管11的基极相连，常规的CUK变换器18中的第三开关管19的发射极与开关电源变换器3中的第一开关管11的发射极及二极管14相连。

实施例7：参见图8，本实施例中电源1与开关电源隔离变换器3的输出即第一电容器15串联后与负载2并联，开关电源隔离变换器3的第一电容器15的负极与第一变压器20的原边线圈L1的一端相连接，L1的另一端通过第一开关管11与电源1的负极相连，第一变压器20的副边线圈L2的同名端通过二极管22和第二电容器21与L2的另一端相连，第一电容器15的正极通过二极管23与二极管22的阴极相连。当第一开关管11导通时，第一变压器20通过副边线圈和二极管22向第二电容器21中储存能量，并同时在第一变压器20的磁芯中储存能量，此时二极管23截止，二极管22导通。当第一开关管11断开时，二极管22截止，二极管23导通，L2与第二电容器21成串联关系，并向第一电容器15充电，此时电源1、L2和第二电容器21也成串联关系并同时向负载2供电。与通常的开关电源隔离变换器相比，当L2与L1匝比相同时，能获得更高的电压增益。

实施例8：参见图9，由于实施例7中开关电源隔离变换器3是隔离变换器，根据实施例2和实施例3，还应有相对应的拓扑结构，本实施例中图9给出和实施例3相对应的拓扑结构，其工作原理参见实施例7和实施例3。

实施例9：参见图10，本实施例中电源1与开关电源隔离变换器3的输出即第一电容器15串联后与负载2并联，开关电源隔离变换器3的第一电容器15的负极与第二变压器24的原边线圈L3的中心抽头相连接，第一电容器15的负极还与第二变压器24的副边线圈L4的中心抽头相连接，L3的两端分别通过第一开关管11和第二开关管16与电源1的负极相连，第二变压器24的副边线圈的第一绕组L41的同名端通过第三电容器25和二极管26与第二变压器24的副边线圈L4的中心抽头相连，第二变压器24的副边线圈的第二绕组L42的同名端即副边线圈L4的中心抽头通过第八二极管27和第四电容器28与第二变压器24的副边线圈的第二绕组L42的另一端相连接，第一电容器15的正极通过二极管29与二极管26的输入端相连，第一电容器15的正极还通过二极管30与二极管27的输入端相连。当第一开关管11导通时，第二开关管16截止，第二变压器24通过第二绕组L42和第八二极管27向第四电容器28中储存能量并在变压器磁芯中储存能量，第二变压器24通过第一绕组L41和第三电容器25、第九二极管29向第一电容器15充电，第一绕组L41、第三电容器25、第九二极管29还和电源1串联并共同向负载2供电，此时，第七二极管26、第十级管30截止，第八二极管27、第九二极管29导通；当第一开关管11截止时，第二开关管16仍未导通，此时，第七二极管26、第十二极管30导通，第八二极管27、第九二极管29截止，第二变压器24通过第二绕组L42和第四电容器28、第十二极管30向第一电容器15充电，第二绕组L42、第四电容器28、第十二极管30还和电源1串联并共同向负载2供电，第一绕组L41通过第七二极管26向第三电容器25充电；经过一个时间周期后，第二开关管16导通，此时第一开关管11截止，且第七二极管26、第十二极管30导通，第八二极管27、第九二极管29截止，此时，第二变压器24通过第二绕组L42和第四电容器28、第十二极管30继续向第一电容器15充电，第二绕组L42、第四电容器28、第十二极管30还和电源1串联并共同继续向负载2供电，第一绕组L41通过第七二极管26继续向第三电容器25充电；当第一开关管16截止时，第一开关管11仍未导通，此时，第八二极管27、第九二极管29导通，第七二极管26、第十二极管30截止，第二变压器24通过第一绕组L41和第三电容器25、第九二极管29向第一电容器15充电，第一绕组L41、第三电容器25、第九二极管29还和电源1串联并共同向负载2供电，第二绕组L42通过第八二极管27向第四电容器28充电。

本发明的电源可以是电池、电容器等等能量源。其优点在于：(1)根据电路的拓扑结构，开关管的驱动电路可以很简单；(2)与常规的变换器相比较，在负载所需功率为一确定值时，由于电源直接给负载提供了部分功率，因而变换器的输出功率需求自然就小，这就解决了常规变换器所遇到的功率需求大，开关电源变换器的体积大、成本高、效率低、散热矛盾突出的问题。

还由于可将电源电压和开关电源隔离变换器输出电压相串联后作为开关电源隔离变换器的输入电压，所以在电源电压较低时***仍能正常输出功率。

Claims (8)

1、一种开关电源变换器的拓扑结构，其特征在于：电源[1]的两端与开关电源变换器或开关电源隔离变换器[3]的输入并联，变换器[3]的输出与电源[1]串联后共同与负载[2]并联。

2、根据权利要求1所述的开关电源变换器的拓扑结构，其特征在于：所说的变换器[3]的输出与负载[2]还通过二极管[4]相并联，电源[1]的负极与负载[2]之间还连接有开关[5]。

3、根据权利要求1所述的开关电源变换器的拓扑结构，其特征在于：所说的电源[1]还与启动电源[6]和二极管[7]的串联电路相串联，启动电源[6]和二极管[7]又与变换器[3]的输出相并联；电源[1]与变换器[3]的输出串联后，分别与负载[2]及变换器[3]的输入并联。

4、根据权利要求1所述的开关电源变换器的拓扑结构，其特征在于：所说的电源[1]与变换器[3]的输入之间还通过二极管[8]并联，变换器[3]输入的正极与变换器[3]输出的正极还连接有开关[9]。

5、根据权利要求1所述的开关电源变换器的拓扑结构，其特征在于：所说的开关电源变换器[3]包括第一电容器[15]以及与第一电容器[15]的负极相连接的带中心抽头的电感器[10]，第一电容器[15]的正极分别通过第一二极管[12]和第二二极管[13]与电感器[10]的两端相连接，电感器[10]的一端还通过第三二极管[14]与电源[1]的负极相连接，电感器[10]的另一端通过第一开关管[11]与电源[1]的负极相连接。

6、根据权利要求5所述的开关电源变换器的拓扑结构，其特征在于：所说的开关电源变换器[3]的第三二极管[14]上还并联有第二开关管[16]，第一开关管[11]上还并联二极管[17]。

7、根据权利要求1所述的开关电源变换器的拓扑结构，其特征在于：所说的开关电源隔离变换器[3]的第一电容器[15]的负极还通过第一变压器[20]与第一开关管[11]相连接，第一变压器[20]原边线圈[L1]的一端与第一电容器[15]的负极相连接，第一变压器[20]原边线圈[L1]的另一端通过第一开关管[11]与电源[1]的负极相连，第一变压器[20]的副边线圈[L2]的同名端通过第五二极管[22]和第二电容器[21]与第一变压器[20]的副边线圈[L2]的另一端相连，第一电容器[15]的正极通过第六二极管[23]与第五二极管[22]的阴极相连。

8、根据权利要求1所述的开关电源变换器的拓扑结构，其特征在于：所说的开关电源隔离变换器[3]的输出电压加在第一电容器[15]上，第一电容器[15]与电源[1]串联后与负载[2]并联，开关电源隔离变换器[3]的第一电容器[15]的负极与第二变压器[24]的原边线圈[L3]的中心抽头相连接，第一电容器[15]的负极还与第二变压器[24]的副边线圈[L4]的中心抽头相连接，第二变压器[24]的原边线圈[L3]的两端分别通过第一开关管[11]和第二开关管[16]与电源[1]的负极相连，第二变压器[24]的副边线圈的第一绕组[L41]的同名端通过第三电容器[25]和第七二极管[26]与第二变压器[24]的副边线圈[L4]的中心抽头相连，第二变压器[24]的副边线圈的第二绕组[L42]的同名端即副边线圈[L4]的中心抽头通过第八二极管[27]和第四电容器[28]与第二变压器[24]的副边线圈的第二绕组[L42]的另一端相连接，第一电容器[15]的正极通过第九二极管[29]与第七二极管[26]的阴极相连，第一电容器[15]的正极还通过第十二极管[30]与第八二极管[27]的阴极相连。

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