CN107453606A - 一种三电平Boost电路 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种三电平Boost电路，在两个MOS管至少有一个导通的过程中，实现对输入电容的均压。在不需要复杂控制的前提下采取耦合电感与简单的均压连接实现了对输入电容、输出电容、MOS管、整流二极管的自动均压控制，采用常规器件满足了高压场合的应用需求。

Description

一种三电平Boost电路

技术领域

本发明涉及开关电源技术领域，尤其涉及一种自均压三电平Boost电路。

背景技术

Boost变换器作为一种开关直流升压电路在电力电子领域应用广泛，但随着应用场合电压的大幅度提升，采用普通MOS管、二极管的两电平Boost电路已经不能够满足应用需求。如光伏电源领域，电压变化范围为100～1000V，而普通MOS管、二极管的常见电压规格为600V、650V，远低于1000V。我们很容易买到1200V电压规格以上的IGBT，但受限于拖尾电流，IGBT允许的开关频率较低(10～30kHz)；我们也很容易找到额定电压数千伏以上的电力二极管，但反向恢复电流大，多用于1kHz以下的开关频率。新型的碳化硅MOS管、二极管电压规格通常能达到1200V，二极管没有反向恢复电流，可应用开关频率很高，但作为新型器件，一是售价很高，二是很难购买。

三电平Boost变换器与两电平Boost变换器相比，器件电压应力减半，因而可以采用常规器件满足高压(100～1000V)应用场合的要求。但是调制策略、电路本身参数差异与驱动延迟的不一致可能造成中点电压不平衡的问题，因而需要特定的均压控制方案。图2所示电路及控制框图为目前常用的控制方案，采样电压Vo与Vo2得到控制参量d与Δd，从而产生d1与d2，得到PWM1与PWM2，对输出电容Co1与Co2上的电压Vo1与Vo2进行均压控制，利用输出电容电压对MOS管与续流二极管的电压进行均压。由于Boost电路右半平面零点的影响，环路速度较慢，通过采样反馈控制的均压动态性能不好。

发明内容

本发明提供一种自均压的三电平Boost电路，在不需要复杂控制的前提下采取耦合电感与简单的均压连接实现了对输入电容、输出电容、MOS管、整流二极管的自动均压控制，采用常规器件满足了高压场合的应用需求。

本发明是通过以下技术方案来实现的：一种三电平Boost电路，包括输入电容Cin1、输入电容Cin2、输出电容Co1、输出电容Co2、MOS管TR1、MOS管TR2、整流管D1、整流管D2；输入电容Cin1与输入电容Cin2串联，输入电容Cin1的一端连接输入正，另一端连接输入电容Cin2的一端，输入电容Cin2的另一端连接输入负；MOS管TR1和MOS管TR2串联，MOS管TR1的源极连接MOS管TR2的漏极，MOS管TR1的漏极连接整流管D1的阳极；MOS管TR2的源极连接整流管D2的阴极，MOS管TR1的栅极和MOS管TR2的栅极连接外部驱动电路；整流管D1的阴极连接输出正，整流管D2的阳极连接输出负；还包括耦合电感L1、耦合电感L2和均压连接；所述耦合电感L1的一端与输入正相连，耦合电感L1的另一端与MOS管TR1的漏极相连；耦合电感L2的一端与输入负相连，耦合电感L2的另一端与MOS管TR2的源极相连；所述的均压连接为将输入电容Cin1与输入电容Cin2的串联节点A、MOS管TR1与MOS管TR2的串联节点B、输出电容Co1与输出电容Co2的串联节点C相连接。

优选地，外部驱动电路产生驱动信号，驱动所述的MOS管TR1和MOS管TR2同时开关，控制输出电压稳定。特别地，MOS管TR1与TR2的驱动信号间允许传输延迟、开关持续时间也允许存在一定的差异；

优选地，所述偶合电感L1和输入正相连的那端与偶合电感L2和TR2源极相连的那端互为同名端。

优选地，所述的耦合电感L1和耦合电感L2并绕在同一磁芯上，并且偶合电感L1与偶合电感L2的圈数相同。

优选地，所述外部驱动电路为磁隔离驱动电路。

本发明的工作原理如下：在MOS管TR1、MOS管TR2只有一个导通或两个同时导通的过程中，耦合电感L1与偶合电感L2作为变压器工作，通过钳位实现对输入电容电压的均压；在两MOS管同时关断期间，耦合电感L1与偶合电感L2串联作为一个电感工作，给输出电容和负载提供能量，输入电容电压与耦合电感电压一起实现对输出电容电压的钳位均压；输出电容电压在两个MOS管开通、两个整流管截断期间实现对两个整流二极管反向电压Vd的钳位均压，在两个MOS管关断、两个整流管正向导通期间实现对MOS管漏极与源极之间的电压Vds的钳位均压。

与现有技术相比，本发明所述三电平Boost电路具有如下有益效果：

(1)均压连接实现简单；

(2)在主功率开关管的开关过程中实现自动均压，无需额外器件，动态性能好；

(3)控制电路简单，成本低。

附图说明

图1为现有技术中的两电平Boost电路原理图；

图2为现有技术中三电平Boost电路及常用均压控制方案框图；

图3为本发明具体实施例的电路原理图；

图4-1为本发明具体实施例在t0～t1时的工作状态图；

图4-2为本发明具体实施例在t1～t2时的工作状态图；

图4-3为本发明具体实施例在t2～t3时的工作状态图；

图4-4为本发明具体实施例在t3～t4时的工作状态图；

图5为本发明具体实施例的关键波形。

具体实施方式

实施例一

为了更清楚地表述此发明，下面结合附图对本发明进行进一步的说明。

一种三电平Boost电路，包括输入电容Cin1、输入电容Cin2、输出电容Co1、输出电容Co2、MOS管TR1、MOS管TR2、整流管D1、整流管D2；输入电容Cin1与输入电容Cin2串联，输入电容Cin1的一端连接输入正，另一端连接输入电容Cin2的一端，输入电容Cin2的另一端连接输入负；MOS管TR1和MOS管TR2串联，MOS管TR1的源极连接MOS管TR2的漏极，MOS管TR1的漏极连接整流管D1的阳极；MOS管TR2的源极连接整流管D2的阴极，MOS管TR1的栅极和MOS管TR2的栅极连接外部驱动电路；整流管D1的阴极连接输出正，整流管D2的阳极连接输出负；还包括耦合电感L1、耦合电感L2和均压连接；所述的耦合电感L1的一端与输入正相连，耦合电感L1的另一端与MOS管TR1的漏极相连；耦合电感L2的一端与输入负相连，耦合电感L2的另一端与MOS管TR2的源极相连；所述的均压连接为将输入电容Cin1与输入电容Cin2的串联节点A、MOS管TR1与MOS管TR2的串联节点B、输出电容Co1与输出电容Co2的串联节点C相连接。

外部驱动电路产生驱动信号，驱动所述的MOS管TR1和MOS管TR2同时开关，控制输出电压稳定。

偶合电感L1和输入正相连的那端与偶合电感L2和TR2源极相连的那端互为同名端。

所述的耦合电感L1和耦合电感L2并绕在同一磁芯上，并且所述的偶合电感L1与偶合电感L2的圈数相同。

所述外部驱动电路为磁隔离驱动电路。

图3示出了本发明具体实施例的电路原理图，图4-1～图4-4为本发明具体实施例在不同模式下的工作状态，参照图5电感完全耦合时的工作波形对本发明的均压工作原理说明如下：

1)对于两绕组圈数相等、磁通完全耦合的情况，耦合系数k＝1，设定L1＝L2＝L，互感VL1＝VL2。

t0～t1：MOS管TR1导通，MOS管TR2关断，MOS管TR1漏源极电压Vds_TR1＝0V，电感L1电压等于输入电容Cin1电压，即VL1＝Vin1；MOS管TR2漏源极电压等于输入电容Cin2电压减去电感L2电压，即Vds_TR2＝Vin2-VL2，可得Vds_TR2＝Vin2-Vin1；

t1～t2：MOS管TR1、TR2同时处于导通状态，Vds_TR1＝0V，Vds_TR2＝0V整流管D1、D2反向截止，此时VD1＝Vo1，VD2＝Vo2，电感L1电压等于输入电容Cin1电压，电感L2电压等于输入电容Cin2电压，即VL1＝Vin1，VL2＝Vin2；由于完全耦合的两个电感电压相等，即VL1＝VL2，从而可得Vin1＝Vin2，即输入电容均压；

t2～t3：MOS管TR1关断，MOS管TR2仍然导通；t3时刻电感L1中电流减小到零，由于磁通不能突变，通过磁通耦合，电感L2上电流增加同样的量；由于MOS管TR2仍然导通，L2中电流继续增加；

t3～t4：MOS管TR1与TR2同时处于关断状态，整流管D1、D2正向导通，MOS管TR1与TR2漏源极电压分别被Co1、Co2电容电压钳位，即Vds_TR1＝Vo1，Vds_TR2＝Vo2；t3时刻，MOS管TR2关断，通过磁通耦合，线圈L2中磁通减少、L1中磁通增加，直到L1与L2中磁通相等，因而L1与L2中电流相等，L1与L2串联作为电感工作，电感电流为iL，均压连接上电流ij＝0；电流变化规律为电感电流线性减小；输出电容Co1电压为Vo1＝Vin1-VL1，输出电容Co2电压为Vo2＝Vin2-VL2；由于Vin2＝Vin1，VL1＝VL2，从而有即输出电容均压、MOS管TR1与TR2漏源极电压均压、整流管D1与D2反向截止电压均压。

t4时刻开启另一个周期。

2)对于两绕组圈数相等、磁通耦合系数k<1的情况做定性分析，设定L1＝L2＝L，互感在任何状态下都有以下关系式：

耦合电感电压：

MOS管TR1与TR2漏源极电压：

整流管D1、D2电压：VD1＝Vo1-Vds_TR1，VD2＝Vo2-Vds_TR2。

当只有一个MOS管如TR1导通时，则另一个MOS管的电压为 由于Vds_TR2≧0V，也就是说Vin2≧kVin1，输入电容均压误差小于1-k。

当MOS管TR1、TR2同时导通时，整流管D1、D2同时反向截止，Vin2＝VL2，Vin1＝VL1，VD1＝Vo1，VD2＝Vo2；

当MOS管TR1、TR2同时关断时，整流管D1、D2同时导通，Vds_TR1＝0V，Vds_TR2＝0V，Vo1＝Vin1-VL1，Vo2＝Vin2-VL2；

随着时间的推进，会越来越接近从而使VL2与VL1接近相等；耦合系数越接近1，VL2与VL1接近相等的速度越快，从而促使Vin2越快接近Vin1，Vo2越快接近Vo1；

值得说明的是当MOS管TRx(x＝1,2)，从导通状态进入关断时，Lx(x＝1,2)中不能耦合给另一电感的磁通(L-M)·iLx相当于具有初始电流的漏感，将使对应的整流管Dx(x＝1,2)导通而将能量传递给对应的输出电容Cox(x＝1,2)。

下表分别给出了k＝1与k＝0.95时该发明的均压效果，均压效果与电感耦合系数密切相关，均压误差小于电感非耦合部分所占比例(1-k)。在同一磁芯上并绕的两个绕组，其耦合系数很容易控制在0.98以上，因而本发明所述电路的均压效果会很好。

特别地，由于均压过程发生在MOS管开通的过程中，因而即使三电平Boost电路工作在断续模式下也不影响电路的均压特性。

反馈控制电路采样输出电压产生控制信号，经驱动电路控制TR1与TR2的开关来控制输出电压；

优选地，所述驱动电路为磁隔离驱动电路。

以上公开的仅为本发明的一个具体实施例，但是本发明并非局限于此，任何本领域的技术人员在未脱离本发明的核心思想的前提下对本发明进行的若干修饰均应该落在本发明权利要求的保护范围之类。

Claims (3)

1.一种三电平Boost电路，包括输入电容Cin1、输入电容Cin2、输出电容Co1、输出电容Co2、MOS管TR1、MOS管TR2、整流管D1、整流管D2；输入电容Cin1与输入电容Cin2串联，输入电容Cin1的一端连接输入正，另一端连接输入电容Cin2的一端，输入电容Cin2的另一端连接输入负；MOS管TR1和MOS管TR2串联，MOS管TR1的源极连接MOS管TR2的漏极，MOS管TR1的漏极连接整流管D1的阳极；MOS管TR2的源极连接整流管D2的阴极，MOS管TR1的栅极和MOS管TR2的栅极连接外部驱动电路；整流管D1的阴极连接输出正，整流管D2的阳极连接输出负；

其特征在于：还包括耦合电感L1、耦合电感L2和均压连接；耦合电感L1的一端与输入正相连，耦合电感L1的另一端与MOS管TR1的漏极相连；耦合电感L2的一端与输入负相连，耦合电感L2的另一端与MOS管TR2的源极相连；所述的均压连接为将输入电容Cin1与输入电容Cin2的串联节点A、MOS管TR1与MOS管TR2的串联节点B、输出电容Co1与输出电容Co2的串联节点C相连接。

2.根据权利要求1所述的一种三电平Boost电路，其特征在于：外部驱动电路产生驱动信号，驱动所述的MOS管TR1和MOS管TR2同时开关，控制输出电压稳定；

MOS管TR1与MOS管TR2的驱动信号间允许传输延迟、开关持续时间也允许存在差异。

3.根据权利要求2所述的一种三电平Boost电路，其特征在于：所述偶合电感L1和输入正相连的那端与偶合电感L2和TR2源极相连的那端互为同名端。