CN102497098A

CN102497098A - 一种多相同步整流buck拓扑电路

Info

Publication number: CN102497098A
Application number: CN2011104303885A
Authority: CN
Inventors: 孙本新; 张永岐
Original assignee: BEIJING EPSOLAR TECHNOLOGY Co Ltd
Current assignee: BEIJING EPSOLAR TECHNOLOGY Co Ltd
Priority date: 2011-12-20
Filing date: 2011-12-20
Publication date: 2012-06-13

Abstract

本发明公开了一种多相同步整流BUCK拓扑电路，包括主控单元和输出滤波电容，每相电路包括电容储能单元、充电功率单元、同步整流单元、驱动电路、续流二极管和电感储能单元；主控单元分别连接各相电路的驱动电路，每相电路的驱动电路与同步整流单元、充电功率单元连接；各相的输入端并联在一起，输出端也并联在一起并连接输出滤波电容。采用了本发明的技术方案，每相BUCK电路单独控制，均流调节自动进行，因而选件较为简单；小电流情况下仍然具有较高的转换效率；同时，一相故障其它各相不受影响，工作状态也更加稳定可靠。

Description

一种多相同步整流BUCK拓扑电路

技术领域

本发明涉及光伏电池技术领域，尤其涉及一种多相同步整流BUCK拓扑电路。

背景技术

现有技术中，通常控制器的电路设计倾向于一体化，电流都通过一路特定的电路流通。这种电路设计在小电流流过时是比较合理的，电流较小容易控制，承受较小发热量的功率管也容易在市场上寻到。但是随着控制器的额定电流增大，这种单一的一路电路设计就显现出了很多的弊端，如图1所示，当控制器额定电流较大时，如果还采用这种方案，必然会导致如下的问题：

首先，功率管Q1的选择会存在一定的障碍。大电流的功率晶体管不容易找到，一般控制器采用场效应晶体管(MOSFET)作为功率开关调节电路电压与电流，大功率的不容易找到则只能采用多个MOSFET并联共同承担电路电流，容易导致均流不一致，驱动损耗也会相应增大。充电时电流是一定的，这个期间只要有其它的MOSFET出现故障，则剩余的MOSFET必须承受这种变化，直接导致了剩余MOSFET平均承担的电流加大，其性能必然受到影响，如果超出其额定值将继续损坏。一天中的日照峰值时间仅为1～2个小时左右，大部分时间控制器需要在充电电流较小时给蓄电池充电。当充电电流逐渐减小时，为了防止电路电流断流，要求MOSFET处于高频工作状态，这样一来其开关损耗会增大，将大大影响电路的转换效率。

其次，电感L1的选择也会存在一定的障碍。电感为了储存大能量进行续流，其体积尺寸及重量将相应增大。当充电电流较小时，其涡流损耗比会很大，导致小电流充电时效率会很低。而且如此大体积和重量的电感将会影响控制器的结构设计，控制器的外形可能会取决于电感的位置和尺寸，受到了一定的限制从而影响外形的美观。

同理，输出滤波电容E2和续流二极管D1的选择也会受到影响，流过大电流时，续流二极管也会存在能量损耗和散热问题。电路输出后纹波电流会很大，输出滤波电容也会相应选取更大容量更大体积的，其滤波时电容本身会消耗相当一部分能量，而且可能会影响滤波效果且增加了成本。功率管的脉宽调节需要高频调制，为了产生高频率的脉冲，对CPU的要求也更高，成本会相应加大，而且CPU可能会长时间处于高频工作状态，功耗会增大。

因此，现有的常规BUCK电路各个部件都有比较大的能量损耗，整个电路的转换效率必然降低。

发明内容

本发明的目的在于提出一种多相同步整流BUCK拓扑电路，能够完成光伏电池最大功率点跟踪，同时能够有效地提高跟踪后电路的转换效率。

为达此目的，本发明采用以下技术方案：

一种多相同步整流BUCK拓扑电路，包括主控单元和输出滤波电容，每相电路包括电容储能单元、充电功率单元、同步整流单元、驱动电路、续流二极管和电感储能单元；主控单元分别连接各相电路的驱动电路，每相电路的驱动电路与同步整流单元、充电功率单元连接；各相的输入端并联在一起，输出端也并联在一起并连接输出滤波电容。

所述同步整流单元为两个功率晶体管反方向串联连接。

采用了本发明的技术方案，每相BUCK电路单独控制，均流调节自动进行，因而选件较为简单。各电路间隔并交替运行，每相BUCK电路叠加后的总输出更加平滑，纹波电流很小，使蓄电池更加平稳的吸收能量。小电流情况下仍然具有较高的转换效率。同时，一相故障其它各相不受影响，工作状态也更加稳定可靠。

附图说明

图1是现有技术中常规BUCK电路的电路图；

图2是本发明具体实施方式中多相同步整流BUCK拓扑电路结构框图；

图3为本发明具体实施方式中基于FLCC控制算法的多相同步整流BUCK拓扑电路图。

具体实施方式

下面结合附图并通过具体实施方式来进一步说明本发明的技术方案。

如图2所示，为本发明实施例提供的多相同步整流BUCK拓扑电路结构框图，其中包括电容储能单元、充电功率单元、同步整流单元、续流二极管、电感储能单元和输出滤波电容，还包括主控单元和驱动电路。主控单元分别连接各相驱动电路，每相的驱动电路与同步整流单元、充电功率单元连接；同步整流单元为两个功率晶体管反方向串联连接，各相的输入端并联在一起，输出端也并联在一起并通过电容滤波。

这里，每相电路均有自己的电容储能单元、充电功率单元、同步整流单元、续流二极管、电感储能单元和驱动电路，各相电路共用一个主控单元和一个输出滤波电容。因而，有多少相的电路，就有多少个电容储能单元、充电功率单元、同步整流单元、续流二极管、电感储能单元和驱动电路。

本发明实施例为多相BUCK拓扑电路并联，一个主控单元统一管理各电路，一个滤波电容进行输出滤波。采用了多相同步整流电路，使功率分散化。有效降低功耗同时极大的提高了产品内部的功率器件的可控性从而极大的提高了产品的可靠性。而且，通过多相同步整流BUCK拓扑电路的应用主控单元可以自动进行均流调节，各相之间互不影响，输出也更为平滑，追踪效率和转换效率有了质的提升。

对于每一相电路工作时，当主控单元发出驱动充电功率单元信号时，驱动电路会打开充电功率单元，充电功率单元MOSFET处于导通状态，此时同步整流单元处于截止状态。电容储能单元释放能量，电感储能单元存储能量，经过输出电容滤波后，给蓄电池充电。当主控单元发出驱动同步整流单元信号时，驱动电路会打开同步整流单元，同步整流单元MOSFET处于导通状态，此时充电功率单元处于截止状态，电感储能单元由同步整流单元构成续流回路。同步整流单元关断时会存在死区时间，续流二极管在电路中的作用就是在死区时间进行续流，加快同步整流单元MOSFET的关断速度。

多相BUCK拓扑电路并联，充电时各电路间隔并交替运行。即前一相电路启动后，下一相电路会有一定的时间间隔(但不是等待前一相停止才启动，是前一相启动后的某一时刻开始启动)，其它各相均按照此规律循环运行。每相都有独立的电容储能单元、驱动电路、充电功率单元、同步整流单元、续流二极管、电感储能单元。但是主控单元只有一个，滤波电容也只有一个。

如图3所示，为本发明具体实施方式中应用于光伏电池最大功率点跟踪控制器上的基于FLCC控制算法的多相同步整流BUCK拓扑电路图，包括电容储能单元1、主控单元2、充电功率单元3、驱动电路4、同步整流单元5、续流二极管6、电感储能单元7和输出滤波电容8。图3中，E1、E2、E3为电容储能单元，Q11、Q21、Q31为充电功率单元，Q12与Q13、Q22与Q23、Q32与Q33为同步整流单元，D1、D2、D3为续流二极管，L1、L2、L3为电感储能单元，E4为滤波电容。

该电路包括3个电容储能单元、3个充电功率单元、3个同步整流单元、3个续流二极管、3个电感储能单元和1个输出滤波电容，还包括1个主控单元和3个驱动电路。主控单元分别连接3个驱动电路。每相的驱动电路与同步整流单元、充电功率单元连接；同步整流单元为两个功率晶体管反方向串联连接。各相的输入端并联在一起，输出端也并联在一起并通过电容滤波。

特别需要指出的是，图3中仅以三相同步整流为例，画出了三相同步整流BUCK拓扑电路，以方便说明，实际应用中，本发明实施提供的方案，可以应用于多相同步整流的方案中。

以下利用第一相BUCK电路的工作过程为例，来说明本发明实施提供的方案的工作原理。同步整流单元MOSFET Q12与MOSFET Q13为反向串联连接。这样同步整流单元导通后相当于短接了续流二极管D1，导通后的同步整流单元MOSFET内阻极小，大大降低了能量损耗。当主控单元发出关闭同步整流单元信号时，同步整流单元MOSFET Q12由于体二极管的存在不能迅速关闭，使关断的控制不可控。这里反向串联了MOSFET Q13，且其体二极管倒置，实现了同步整流单元的高速开关和可控性，消除了共态导通的可能性从而达到提高产品可靠性的目的。所以关断的信号发出后，同步整流单元会立刻响应并可靠迅速地关断。同步整流单元关断时会存在死区时间，续流二极管在电路中的作用就是在死区时间进行续流，加快同步整流单元MOSFET的关断速度。

此时当主控单元再次发出驱动充电功率单元导通的信号后，充电功率单元MOSFET Q11开始导通，电容储能单元L1开始释放能量，续流二极管为快速二极管会立即关断，电感储能单元开始存储能量，经过滤波电容E4滤波后，给蓄电池充电。

主控单元以变化的频率交替导通和关断充电功率单元和同步整流单元，即通过频率的变化使输出电流连续又通过调整交替导通的时间比例实现了输入端最大功率点的跟踪。

其它各相BUCK电路的工作原理同上。

当控制器充电时，第一相BUCK电路启动后，经过T/N(此处的T为所有BUCK电路的启动时间，N代表相数)时间，第二相BUCK电路开始启动，再经过2T/N时间，第三相BUCK电路开始启动，再经过3T/N时间，第四相BUCK电路开始启动，如此实现了N相BUCK电路间隔交替启动和运行。其目的就是使输出更加平滑，使蓄电池平稳的吸收能量，在小功率时同样获得高的转换效率。

综上，本发明技术方案有如下优势：

每相BUCK电路单独控制，均流调节自动进行。选件上不存在任何问题，因为每相流过的电流均为额定电流的1/N(N代表相数)，一般参数的功率晶体管很容易找到，并不需要多个MOSFET并联使用而发生均流不一致现象。而且电感选取也较容易，体积或尺寸是常规单相型BUCK电路的1/N，重量也不会很重。

并联后所采用的各电路间隔并交替运行，每相BUCK电路叠加后的总输出更加平滑，纹波电流会很小，输出滤波电容只需选取容量较小体积较小的即可，这样一来大大降低了滤波电容自身的损耗，滤波效果也非常明显，成本得到进一步控制。减小了波动，使蓄电池更加平稳的吸收能量。

充电电流较大时，各相BUCK电路全部工作，共同承担充电电流。充电电流较小时，控制器将自动选择一相或其中几相BUCK电路工作，因为如果电路全部开启损耗会增大，转换效率低充电效果并不明显。开启一相或其中几相时，损耗会大大降低，从而将大部分能量充到蓄电池中，与常规单相型BUCK电路相比，小电流情况下控制器仍然具有较高的转换效率。

如果充电时其中一相突然出现故障不能正常工作时，其它各相工作状态不受任何影响，并不会发生重新分配电流的情况，即每相保持之前的充电电流不变。使控制器有效可靠的持续工作。

分散开的功率元器件都有单独的散热装置，更利于控制器结构的整体布局，设计灵活多变几乎不会受到任何限制，这样一来控制器的外形设计会更加多变更加美观，散热性能更佳，工作状态也更加稳定可靠。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉该技术的人在本发明所揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。

Claims

1.一种多相同步整流BUCK拓扑电路，其特征在于，包括主控单元和输出滤波电容，每相电路包括电容储能单元、充电功率单元、同步整流单元、驱动电路、续流二极管和电感储能单元；主控单元分别连接各相电路的驱动电路，每相电路的驱动电路与同步整流单元、充电功率单元连接；各相的输入端并联在一起，输出端也并联在一起并连接输出滤波电容。

2.如权利要求1所述的多相同步整流BUCK拓扑电路，其特征在于，所述同步整流单元为两个功率晶体管反方向串联连接。