CN109756117B - 一种高压输入降压变换电路 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种高压输入降压变换电路，包括：开关模块，用于控制是否加载输入电压；倒流模块，用于在开关模块关断后，为电路提供倒流通道；储能模块，用于负载能量的储存和传递；电压截断及续流模块，用于截断开关模块输出及为储能模块提供续流通道；稳压滤波模块，用于对输出电压进行稳压和滤波；释能模块，用于为倒流模块提供能量释放通道；本发明能有效避免转换电路的震荡问题，提高电路的可靠性，避免负载对输入开关占空比的影响，提高了电路的稳定性。

Description

一种高压输入降压变换电路

技术领域

本发明涉及电力电子领域，尤其涉及一种高压输入降压变换电路。

背景技术

随着电子电气***往小型化、轻量化方向快速发展，为减小供电电缆体积和重量，高压供电方案的应用越来越广泛。机载设备供电电压高达270V，而负载设备工作电压通常在28V以内，此时需要将高压输入高效可靠的变换成较低的中间母线电压或低压输出，同时满足稳定控制和EMI性能。

现有的降压变换电路采用二极管续流，但当负载较轻或空载时，电感电流将进入断续模式，由于滤波电感和寄生电容的谐振会使开关节点产生正弦衰减的振荡，不利于电路稳定控制和EMI处理。也有采用同步整流降压变换，虽然使电感电流有正、反向流动通道，但当电感电流处于连续模式时，由于主开关管和同步整流管之间存在死区时间，电感电流将从同步整流管的体二极管进行续流，而MOSFET体二极管的反向恢复性能较差，当主开关管导通时，将导致同步整流管产生较大的关断损耗，降低了器件的可靠性。

发明内容

鉴于以上现有技术存在的问题，本发明提出一种高压输入降压变换电路，主要解决电路稳定控制和开关管可靠性问题。

为了实现上述目的及其他目的，本发明采用的技术方案如下。

一种高压输入降压变换电路，包括：

开关模块，用于控制是否加载输入电压；

倒流模块，用于在开关模块关断后，为电路提供倒流通道；

储能模块，用于负载能量的储存和传递；

电压截断及续流模块，用于截断开关模块输出及为储能模块提供续流通道；

稳压滤波模块，用于对输出电压进行稳压和滤波；

释能模块，用于为倒流模块提供能量释放通道；

所述开关模块的输出端连接于电压截断及续流模块、倒流模块和储能模块的一端；所述储能模块的另一端连接稳压滤波模块的一端和负载；所述电压截断及续流模块、倒流模块和稳压滤波模块的另一端接地；所述倒流模块包括第二MOS管和第二二极管，所述第二MOS管的漏极与第二二极管的负极连接，所述第二二极管的正极连接开关模块的输出端；所述第二MOS管的源极接地；所述释能模块并接在所述第二二极管上。

可选地，所述开关模块包括第一MOS管，所述第一MOS管的漏极连接电路电压输入端，源极作为开关模块的输出端；所述第一MOS管的漏极与源极间的耐压值大于电路最大输入电压。防止高压击穿，保证电路正常工作。

可选地，所述电压截断及续流模块包括第一二极管，所述第一二极管的负极与开关模块的输出端连接；所述第一二极管的正极接地；所述第一二极管反向耐压值大于电路最大输入电压。所述第一二极管包括快恢复二极管或碳化硅二极管，能够承受输入端高压，能快速截断开关模块输入电压，同时为储能模块提供续流通路，保障电路正常运行。

可选地，所述倒流模块包括第二MOS管和第二二极管，所述第二MOS管的漏极与第二二极管的负极连接，所述第二二极管的正极连接开关模块的输出端；所述第二MOS管的源极接地。所述第二二极管包括肖特基二极管或快恢复二极管；第二MOS管和第二二极管组成倒流支路，保证电感电流具有反向流动通道。

可选地，所述第二MOS管的漏极与源极间耐压值大于最大电路输入电压。保障第二MOS管高压下正常工作。

可选地，所述第二二极管的反向耐压值大于10V。

可选地，所述储能模块包括电感，所述电感的过流能力和电感值满足最大负载及纹波电流限制。

可选地，所述稳压滤波模块包括第一电容，所述第一电容的容值满足输出电压纹波要求，耐压值大于最大电路输出电压。

可选地，所述释能模块包括第二电容，所述第二电容的一端连接开关模块的输出端，所述第二电容的另一端连接第二二极管的负极；所述第二电容的容值大于所述第二MOS管的漏极与源极间结电容的十倍，所述第二电容的耐压值大于10V。所述释能模块为第二MOS管漏源间结电容储存的能量提供释放通路，使能量流向负载，防止能量经由第二MOS管开关状态切换进行内部消耗，影响器件的可靠性和电路转换效率。

如上所述，本发明一种高压输入降压变换电路，具有以下有益效果。

1)本发明电路采用一个二极管作为电感电流的续流通路。利用快恢复或碳化硅高压二极管作为续流通道，可以实现主开关管开通时的快速反向阻断，使得电路更具可靠性。

2)本发明电路解决了开关节点电压在电感电流断续模式下振荡的问题。利用低压二极管+高压MOS管组成倒流支路，保证电感电流具有反向流动通道，开关节点电压在主开关管关断期间始终被钳位到地电位0V。

3)本发明电路解决了开关管漏极和源极两端结电容储存能量的有效利用问题。通过在倒流支路二极管两端并联电容，为开关管结电容储存的能量提供向负载释放的通道，避免该能量在开关管导通时直接损耗在倒流模块的开关管上，提高了器件可靠性和电路变换效率。

4)本发明解决了现有二极管续流方案在断续模式下开关模块占空比随负载变化的问题。倒流支路保证电感电流有反向流动通道，因此不论负载如何变换，主开关占空比始终等于输出电压与输入电压之比，利于反馈环路的稳定控制。

附图说明

图1为本发明一种高压输入降压变换电路的电路图。

图2为本发明一种高压输入降压变换电路储能模块电流连续模式的时序图。

图3为本发明一种高压输入降压变换电路储能模块电流断续模式的时序图。

具体实施方式

以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。需说明的是，在不冲突的情况下，以下实施例及实施例中的特征可以相互组合。

需要说明的是，以下实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本发明的基本构想，遂图式中仅显示与本发明中有关的组件而非按照实际实施时的组件数目、形状及尺寸绘制，其实际实施时各组件的型态、数量及比例可为一种随意的改变，且其组件布局型态也可能更为复杂。

请参阅图1，本发明提供一种高压输入降压变换电路，包括：

开关模块，用于控制是否加载输入电压；

倒流模块，用于在开关模块关断后，为电路提供倒流通道；

储能模块，用于负载能量的储存和传递；

电压截断及续流模块，用于截断开关模块输出及为储能模块提供续流通道；

稳压滤波模块，用于对输出电压进行稳压和滤波；

释能模块，用于为倒流模块提供能量释放通道；

所述开关模块的输出端连接于电压截断及续流模块、倒流模块和储能模块的一端；所述储能模块的另一端连接稳压滤波模块的一端和负载；所述电压截断及续流模块、倒流模块和稳压滤波模块的另一端接地；所述倒流模块包括第二MOS管和第二二极管，所述第二MOS管的漏极与第二二极管的负极连接，所述第二二极管的正极连接开关模块的输出端；所述第二MOS管的源极接地；所述释能模块并接在所述第二二极管上。

在一实施例中，所述开关模块包括主开关第一MOS管Q1，所述第一MOS管Q1的漏极连接输入电压，第一MOS管的源极作为开关模块输出端，所述输出端作为开关模块的输出节点SW。在另一实施例中，所述第一MOS管Q1漏极与源极间的耐压值大于电路最大输入电压。

所述电压截断及续流模块包括第一二极管D1，所述第一二极管D1的正极接地，所述第一二极管D1的负极连接开关模块的输出端，所述第一二极管D1包括快恢复二极管、碳化硅二极管或其它可以实现相同功能的元器件。所述第一二极管D1主要用于开关模块关断时快速截断输入电压，并为电路提供续流通道。在另一实施例中，所述第一二极管D1的反向耐压值大于电路输入电压的最大值。

所述倒流模块包括第二MOS管Q2和第二二极管D2，所述第二二极管D2的负极连接第二MOS管Q2的漏极，所述第二MOS管Q2的源极接地；所述第二二极管D2的正极连接开关模块的输出端。所述倒流模块为电路提供反向电流通道，同时将SW节点电位始终钳位到地0V。所述第二二极管D2包括肖特基二极管、快恢复二极管或其它可以实现相同功能的元器件。在另一实施例中，所述第二二极管D2的反向耐压值大于10V，所述第二MOS管Q2的漏极与源极间的耐压值大于电路输入电压的最大值。

所述释能模块包括第二电容C2，所述第二电容C2与第二二极管D2并联，所述释能模块为第二MOS管Q2漏极与源极间结电容储存的能量提供释放通道，将能量导向负载，防止倒流模块导通时，能量直接损耗在MOS管Q2上，影响器件可靠性以及电路的转换效率。在另一实施例中，所述第二电容C2的容值大于所述第二MOS管Q2的漏极与源极间结电容容值的十倍，所述第二电容C2的耐压值大于10V。

所述储能模块包括电感L1，所述电感L1一端连接开关模块的输出端，另一端连接负载；在另一实施例中，所述电感L1的过流能力和电感值满足最大负载及纹波电流限制。

所述稳压滤波模块包括第一电容C1，所述第一电容C1用于滤波，保障电路输出电压的稳定性。在另一实施例中，所述第一电容C1的容值满足输出电压纹波要求，耐压值大于最大电路输出电压。

所述第一MOS管Q1和第二MOS管Q2互补导通，在一实施例中，可以通过设置安全死区时间，以确保第一MOS管Q1和第二MOS管Q2不同时导通，在第一MOS管Q1和第二MOS管Q2死区时间内，第二MOS管Q2漏极与源极间的结电容所储存的能量依次流经第二电容C2、电感L1和第一二极管D1向负载释放。

参阅图2，当负载电流较大时，此时电感L1的电流处于连续模式，当第一MOS管Q1导通时，输入电压通过第一MOS管Q1、电感L1和第一电容C1向负载提供能量，同时电感L1电流持续上升，SW节点的电压等于输入电压。当第一MOS管Q1关断时，电感L1向负载释放能量，此时电感L1的电流开始持续下降，由于电感L1电流大于0A，电流由电感L1通过第一电容C1流经第一二极管D1。在此过程中，尽管第二MOS管Q2在第一MOS管Q1关断期间一直处于导通状态，所述倒流模块所处倒流支路无电流流过，SW节点的电压被第一二极管D1钳位到地0V。

参阅图3，当负载电流较小时，此时电感L1的电流处于断续模式。当第一MOS管Q1导通时，输入电压通过第一MOS管Q1、电感L1和第一电容C1向负载提供能量，同时电感L1电流持续上升，SW节点电压等于输入电压。当第一MOS管Q1关断时，电感L1向负载释放能量，此时电感L1电流开始持续下降。当电感L1电流大于0A时，电流由电感L1通过第一电容C1流经第一二极管D1，SW节点的电压被第一二极管D1钳位到地0V，倒流支路无电流流过；当电感L1电流下降到0A以后，输出电压通过电感L1反向流经倒流模块的第二二极管D2和第二MOS管Q2，SW节点电压被由第二二极管D2和第二MOS管Q2组成的倒流模块钳位至0V。因此，在开关模块关断期间，SW节点电位始终被钳位到地0V。

综上所述，本发明一种高压输入降压变换电路，能有效避免转换电路的震荡问题，提高电路的可靠性，避免负载对输入开关占空比的影响，提高了电路的稳定性。所以，本发明有效克服了现有技术中的种种缺点而具高度产业利用价值。

上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，举凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本发明的权利要求所涵盖。

Claims (8)

1.一种高压输入降压变换电路，其特征在于，包括：

开关模块，用于控制是否加载输入电压；

倒流模块，用于在开关模块关断后，为电路提供倒流通道；

储能模块，用于负载能量的储存和传递；

电压截断及续流模块，用于截断开关模块输出及为储能模块提供续流通道；

稳压滤波模块，用于对输出电压进行稳压和滤波；

释能模块，用于为倒流模块提供能量释放通道；

所述开关模块的输出端连接于电压截断及续流模块、倒流模块和储能模块的一端；所述储能模块的另一端连接稳压滤波模块的一端和负载；所述电压截断及续流模块、倒流模块和稳压滤波模块的另一端接地；所述倒流模块包括第二MOS管和第二二极管，所述第二MOS管的漏极与第二二极管的负极连接，所述第二二极管的正极连接开关模块的输出端；所述第二MOS管的源极接地；所述释能模块并接在所述第二二极管上。

2.根据权利要求1所述的高压输入降压变换电路，其特征在于，所述开关模块包括第一MOS管，所述第一MOS管的漏极连接电路电压输入端，源极作为开关模块的输出端；所述第一MOS管的漏极与源极间的耐压值大于电路最大输入电压。

3.根据权利要求1所述的高压输入降压变换电路，其特征在于，所述电压截断及续流模块包括第一二极管，所述第一二极管的负极与开关模块的输出端连接；所述第一二极管的正极接地；所述第一二极管反向耐压值大于电路最大输入电压。

4.根据权利要求1所述的高压输入降压变换电路，其特征在于，所述第二MOS管的漏极与源极间耐压值大于最大电路输入电压。

5.根据权利要求1所述的高压输入降压变换电路，其特征在于，所述第二二极管的反向耐压值大于10V。

6.根据权利要求1所述的高压输入降压变换电路，其特征在于，所述储能模块包括电感，所述电感的过流能力和电感值满足最大负载及纹波电流限制。

7.根据权利要求1所述的高压输入降压变换电路，其特征在于，所述稳压滤波模块包括第一电容，所述第一电容的耐压值大于最大电路输出电压。

8.根据权利要求1所述的高压输入降压变换电路，其特征在于，所述释能模块包括第二电容，所述第二电容的一端连接开关模块的输出端，所述第二电容的另一端连接第二二极管的负极；所述第二电容的容值大于所述第二MOS管的漏极与源极间结电容的十倍，所述第二电容的耐压值大于10V。

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