CN115912903A - 一种具有预充电电路的串联电容降压转换器 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种具有预充电电路的串联电容降压转换器，所述转换器包括开关器件单元、串联电容、输出电感开关控制单元以及电容预充电电路等，开关控制单元，用于控制功率转换单元中的开关单元的开通与关断，以实现功率转换；电容预充电电路，包括电容电压检测电路与电容充电电路，电容电压检测电路用于检测串联电容两端电压，电容充电电路用于采用脉宽调制控制方式，通过充电开关器件对串联电容进行预充电，且为了抑制充电开关器件开通时的瞬态大电流，充电开关器件串联限流电阻。

Description

一种具有预充电电路的串联电容降压转换器
技术领域
本发明涉及非隔离降压转换器，具体为一种具有预充电电路的串联电容降压转换器。
背景技术
非隔离降压转换器已经广泛应用于信息通信领域的各个场景，传统的非隔离降压转换电路(buck)的增益为Vout＝Vin×D，其中Vin与Vout分别为输入与输出电压，D为占空比。在一些应用场合，输入电压Vin与输出电压Vout相差较大，此时转换电路的占空比D也会相应变小，会导致转换电路中开关器件和电感的损耗变大，限制了转换器的效率和功率密度。
发明内容
为了解决上述的问题，本发明提出了一种具有预充电电路的串联电容降压转换器。
实现本发明目的的技术方案为：一种具有预充电电路的串联电容降压转换器，包括：
功率转换单元，包括第一半桥单元、第二半桥单元、串联电容以及输出电感，第一高端开关器件单元、串联电容、第一低端开关单元顺序串联连接构成了第一半桥单元，串联电容与第一低端开关单元连接点为第一开关节点，串联电容与第一高端开关单元连接点为串联电容节点；第二高端开关器件单元与第二低端开关单元连接构成了第二半桥单元，第二高端开关器件单元与第二低端开关单元连接点为第二开关节点，第一、二高端开关单元分别与输入正极、串联电容节点相连，第一、二低端开关单元则与输入负极相连；第一、二输出电感的一端分别连接到第一、二开关节点，另一端则连接到输出正极；
开关控制单元，用于控制功率转换单元中的开关单元的开通与关断，以实现功率转换；
电容预充电电路，包括电容电压检测电路与电容充电电路，电容电压检测电路用于检测串联电容两端电压，电容充电电路用于采用脉宽调制控制方式，通过充电开关器件对串联电容进行预充电。
优选地，所述开关控制单元通过提供两组控制信号来控制开关器件单元，每组控制信号包含两路控制信号，每组的两路控制信号为互补关系，其中第一组控制信号的第一路控制信号用于控制第一高端开关器件单元，第二路控制信号用于控制第一低端开关器件单元；第二组控制信号的第一路控制信号用于控制第二高端开关器件单元，第二路控制信号用于控制第二低端开关器件单元，且第二组控制信号中的第一路控制信号与第一组控制信号的第一路控制信号相移180°，第二组控制信号中的第二控制信号与第一组控制信号的第二路控制信号相移180°。
优选地，所述电容电压检测电路包括差分电路、滤波电路以及放大电路，串联电容两端的电压由差分电路采样后，经过滤波、放大处理后提供给电容充电电路。
优选地，所述电容电压检测电路包括第一电阻、第二电阻、第三电阻、运算放大电路以及反馈电阻，所述第一电阻的一端与串联电容的正极连接，另一端与第三电阻的一端以及运算放大电路的输入正端连接，第三电阻的另一端接地，所述第二电阻的一端与串联电容的负极连接，另一端与运算放大电路的输入负端以及反馈电阻的一端连接，反馈电阻的另一端与运算放大器的输出端连接。
所述电容充电电路包括充电开关电路和充电控制电路，所述充电控制电路根据电容电压检测电路提供的信号来输出至少一路控制信号，采用脉宽调制方式来控制充电开关电路中开关单元的开通与关断，使串联电容两端电压值达到目标值。
优选地，所述电容电压检测电路还包括比较器和电压源，比较器的输入正端与运算放大电路的输出端连接，输入负端与电压源的正极连接，电压源的负极接地。
优选地，所述充电控制电路输出的控制信号脉宽保持固定的宽度不变，或者根据串联电容电压信号对脉宽进行调节。
优选地，所述充电开关电路充电的能量来源为电源转换器输入端，且包含至少一个充电开关单元以及限流电阻，限流电阻与充电开关单元为串联连接，用于抑制开关器件开通时的瞬态大电流。
优选地，充电开关电路中的开关单元为单独的充电开关器件，或者为功率转换单元内开关器件在预充电阶段的复用，或者是上述两种情况皆有。
优选地，串联电容两端电压的目标值为电源转换器输入端电压的一半。
本发明与现有技术相比，其显著优点为：本发明可增加电源转换器的占空比，从而提升电源转换器的效率；且将串联电容进行预充电，可有效地避免串联电容充电对功率转换单元的影响。
本发明的其他特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分的从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。本发明的目的和其他优点可通过在所写的说明书、权利要求书、以及附图中所特别指出的结构来实现和获得。
附图说明
附图仅用于示出具体实施例的目的，而并不认为是对本发明的限制，在整个附图中，相同的参考符号表示相同的部件。
图1是根据本发明一示例性实施方式示出的串联电容降压转换器结构示意图。
图2是图1所示串联电容降压转换器对应的时序控制示意图。
图3是根据本发明一示例性实施方式示出的电容预充电电路结构示意图。
图4是根据本发明一示例性实施方式示出的电容电压检测电路结构示意图。
图5是图4所示电容电压检测电路的采样输出电压与电容电压关系示意图。
图6时根据本发明另一示例性实施方式示出的电容电压检测电路结构示意图。
图7是图6所示电容电压检测电路的采样输出电平与电容电压关系示意图。
图8是根据本发明一示例性实施方式示出的充电开关电路结构示意图。
图9是图8所示充电开关电路对应的时序控制示意图。
图10是根据本发明另一示例性实施方式示出的充电开关电路结构示意图。
图11是图10所示充电开关电路对应的时序控制示意图。
具体实施方式
容易理解，依据本发明的技术方案，在不变更本发明的实质精神的情况下，本领域的一般技术人员可以想象出本发明的多种实施方式。因此，以下具体实施方式和附图仅是对本发明的技术方案的示例性说明，而不应当视为本发明的全部或者视为对本发明技术方案的限制或限定。相反，提供这些实施例的目的是为了使本领域的技术人员更透彻地理解本发明。下面结合附图来具体描述本发明的优选实施例，其中，附图构成本申请一部分，并与本发明的实施例一起用于阐释本发明的创新构思。
图1所示为串联电容降压转换器的电路示意图，作为一种实施例，一种具有预充电电路的串联电容降压转换器包括输入端Vin+、Vin-，输入电容Cin，开关器件SWH1、SWL1、SWH2、SWL2，串联电容Cs，输出电感Lout1、Lout2、输出电容Cout，输出端Vout+、Vout-，以及开关控制单元(SWcontrolCircuit)00和电容预充电电路(PrechargeCircuit)01。SWH1、Cs、SWL1串联连接，构成第一半桥单元，具有两节点SCS与SW1；SWH2、SWL2串联连接，构成第二半桥单元，具有节点SW1；第一半桥的SWH1、SWL1分别与输入端Vin+和Vin-连接，第二半桥的SWH2、SWL2则分别与SCS和Vin-连接；输出电感Lout1与Lout2的一端分给接至SW1与SW2，另一端连接在一起共同接至Vout+；输入电容Cin与输出电容Cout分别与输入端和输出端相连接，且输入输出端的负极连接在一起。
此外，开关控制单元00可提供4路PWM信号，用来控制开关器件的开通与关断。图2为4路PWM信号波形示意图，具体为PWMH1、PWML1分别控制SWH1与SWL1，PWMH2、PWML2分别控制SWH2与SWL2；PWML1与PWMH1、PWML2与PWMH2均为互补关系，PWMH2则与PWMH1相移180°。
图3所示为电容预充电电路01的电路示意图，由于串联电容降压转换器的串联电容上承受了Vin/2的电压，使得实际功率转换电路的工作电压降到了输入电压的一半，从而使得D变为原来的一倍，有效解决了上述的问题。此串联电容降压转换器在正常工作前，需将串联电容两端电压预充电至Vin/2，所以需要使用预充电电路，以合适的方式对串联电容进行预充电。
作为一种实施例，所述电容预充电电路01主要包括充电控制电路(ChargecontrolCircuit)010，充电开关电路(PWMswitchCircuit)011和电容电压检测电路012(VcssenseCircuit)。串联电容Cs两端电压经电容电压检测电路012处理后，输出一个电压信号Vsen给充电控制电路，此输出电压信号可为反应电容电压大小的模拟信号，也可为反应电容电压是否达到目标值的电平信号；充电控制电路会根据输入的Vsen信号来输出至少一路PWM信号，PWM信号输出分为两个阶段，在电容电压到达目标值前，充电控制电路发出PWM信号，在电容电压到达目标值或超出目标值时，充电控制电路关闭PWM信号；充电开关电路中的开关器件则根据充电控制电路输出的PWM信号导通或关闭来形成充电通路，将来自转换器输入端的能量转移至串联电容中。本实施例中，预充电电路结构简单，控制灵活方便。
进一步地，充电开关电路中的开关单元为单独的充电开关器件，或者为功率转换单元内开关器件在预充电阶段的复用，或者是上述两种情况皆有。由于功率转换单元开关单元可以复用于充电开关电路，使得只需少数的器件即可实现预充电电路；且采用了PWM控制，可精准控制串联电容的预充电电压，并可抑制产生较大的充电电流。
图4所示为电容电压检测电路的一种可选的实施方式，电容两端电压Vcs经R120、R121、R122采样网络采样后，送至U120运放的输入端，反馈电阻R123连接运放输出与输入负端，构成负反馈电路，运放输出端电压Vsen即可反映电容电压Vcs的大小。若使R120＝R121＝R1，R122＝R123＝R2，则有Vsen＝Vcs×R2/R1，如图5所示，此时Vsen为与Vcs电压大小成正比的模拟电压信号，当Vcs为目标值Vcs_target时，Vsen则为Vsen_target。
图6所示为电容电压检测电路的另一种可选的实施方式，在图4所示电路后增加了比较器U121和电压源V1后，当运放采样输出电压Vsen0小于电压源V1电压时，比较器U121输出信号Vsen为低电平，反之则Vsen输出高电平。如图6所示，当Vcs小于目标值Vcs_target时，Vsen0电压小于Vref，Vsen为低电平，当Vcs大于目标值Vcs_target时，Vsen0电压大于Vref，Vsen为高电平，此时Vsen的电平信号可反映电容电压Vcs是否达到目标值。
为了防止图5电路电容电压Vcs在Vcs_target附近抖动造成的Vsen信号误触发，可加入回差电路来解决此问题，当Vcs大于Vcs_target_H时Vsen为高，当Vcs小于Vcs_target_L时Vsen为低，Vcs_target_H与Vcs_target_L的差值为回差电压，具体电路在此不再赘述。
图8为充电开关电路的一种可选实施方式，输入端Vin+与限流电阻R10、第一充电开关器件SWC10串联连接，然后接入到串联电容Cs一端的SCS节点上，第二充电开关器件SWC11则连接在Cs另一端的SW1节点与Vin-之间。开关器件SWC10与SWC11开通时，充电电流Icharge会通过R10、SWC10、SWC11对电容Cs充电，将来自输入端的能量存入Cs中，使得Vcs电压上升；SWC10与SWC11关断时，充电路径被切断，此时Vcs电压基本保持不变。充电控制电路只需控制好两开关的PWM信号，就可使Vcs电压充至预定目标值。此实施方式中，充电开关器件SWC11与图1降压转换器开关器件SWL1连接方式相同，两者可以合并为一个器件，在预充电阶段受充电开关电路010控制，功率转换阶段受开关控制单元00控制。且预充电阶段控制两开关器件SWC10、SWC11的PWM信号相同，充电控制电路只需输出一路PWM信号。
图9为一种控制图8开关电路的PWM波形示意图，根据输入信号Vsen信号的不同，充电控制电路的控制方法也会有所不同。当充电控制电路的输入信号Vsen为图5所示的模拟电压信号时，控制电路可根据当前的Vsen电压与目标值Vsen_target的误差来输出PWM波形，误差越大输出PWM的占空比越大，在t1时刻，Vsen电压与目标值Vsen_target相等，关闭PWM输出。此控制方法的PWM波形如图9(a)所示，此时控制电路可以采用比例控制或其他的闭环控制方式。充电控制电路的输入信号Vsen为图7所示的电平信号时，可采用开环控制的方式来输出PWM。当Vsen电平为低时，控制电路输出固定占空比的PWM，当t1时刻Vsen电平变高则关闭PWM，此开环控制的PWM波形如图9(b)所示。
图10为充电开关电路的另一种可选实施方式，输入端Vin+与限流电阻R10、辅助电容C10、第一充电开关器件SWC10、输入端Vin-串联连接，其中C10与SWC10的连接节点为SW10；第二充电开关器件SWC11连接在Vin+与SCS节点之间，第三充电开关器件SWC12则连接在SW1节点与SW10节点之间。开关器件SWC10开通、SWC11与SWC12关断时，辅助充电电流Icharge1会通过R10、SWC10对辅助电容C10充电，将来自输入端的能量存入C10中，此时Vcs电压基本保持不变；SWC10关断、SWC11与SWC12开通时，充电电流Icharge2会通过R10、SWC11、SWC12对电容Cs充电，将储存在辅助电容C10中的能量转移至Cs中，使得Vcs电压上升，同样可实现对Cs预充电的目的。在此实施方式中，充电控制电路需输出两路PWM信号来控制SWC10和SWC11、SWC12，且两路PWM信号不能使充电开关器件同时开通。在此实施方式中，充电开关器件SWC11与图1降压转换器开关器件SWH1连接方式相同，两者可以合并为一个器件，在预充电阶段受充电开关电路010控制，功率转换阶段受开关控制单元00控制。
图11为一种控制图10开关电路的PWM波形示意图，PWMC1为主PWM，用来控制SWC10，PWMC2为从PWM，用来控制SWC11与SWC12，PWMC2与PWMC1为互补关系。当PWMC1与PWMC2工作一个周期，可完成能量从输入端到辅助电容C10再到串联电容Cs的转移，从而抬升Vcs电压，当t1时刻Vsen信号到达目标值时，充电控制电路将两路PWM信号关闭。与图9所示波形控制方法相似，PWMC1的占空比可为固定值，也可为受闭环控制的变化值；PWMC2与PWMC1的输出要求为不能同时开通，具体的PWMC2占空比可以与PWMC1互补，也可为一固定值，或者跟随PWMC1的值变化等。
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，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，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。
应当理解，为了精简本发明并帮助本领域的技术人员理解本发明的各个方面，在上面对本发明的示例性实施例的描述中，本发明的各个特征有时在单个实施例中进行描述，或者参照单个图进行描述。但是，不应将本发明解释成示例性实施例中包括的特征均为本专利权利要求的必要技术特征。
本领域技术人员可以理解，实现上述实施例方法的全部或部分流程，可以通过计算机程序来指令相关的硬件来完成，所述的程序可存储于计算机可读存储介质中。其中，所述计算机可读存储介质为磁盘、光盘、只读存储记忆体或随机存储记忆体等。
应当理解，可以对本发明的一个实施例的设备中包括的模块、单元、组件等进行自适应性地改变以把它们设置在与该实施例不同的设备中。可以把实施例的设备包括的不同模块、单元或组件组合成一个模块、单元或组件，也可以把它们分成多个子模块、子单元或子组件。

Claims (10)

1.一种具有预充电电路的串联电容降压转换器，其特征在于，包括：
功率转换单元，包括第一半桥单元、第二半桥单元、串联电容以及输出电感，第一高端开关器件单元、串联电容、第一低端开关单元顺序串联连接构成了第一半桥单元，串联电容与第一低端开关单元连接点为第一开关节点，串联电容与第一高端开关单元连接点为串联电容节点；第二高端开关器件单元与第二低端开关单元连接构成了第二半桥单元，第二高端开关器件单元与第二低端开关单元连接点为第二开关节点，第一、二高端开关单元分别与输入正极、串联电容节点相连，第一、二低端开关单元则与输入负极相连；第一、二输出电感的一端分别连接到第一、二开关节点，另一端则连接到输出正极；
开关控制单元，用于控制功率转换单元中的开关单元的开通与关断，以实现功率转换；
电容预充电电路，包括电容电压检测电路与电容充电电路，电容电压检测电路用于检测串联电容两端电压，电容充电电路用于采用脉宽调制控制方式，通过充电开关器件对串联电容进行预充电。
2.根据权利要求1所述的具有预充电电路的串联电容降压转换器，其特征在于，所述开关控制单元通过提供两组控制信号来控制开关器件单元，每组控制信号包含两路控制信号，每组的两路控制信号为互补关系，其中第一组控制信号的第一路控制信号用于控制第一高端开关器件单元，第二路控制信号用于控制第一低端开关器件单元；第二组控制信号的第一路控制信号用于控制第二高端开关器件单元，第二路控制信号用于控制第二低端开关器件单元，且第二组控制信号中的第一路控制信号与第一组控制信号的第一路控制信号相移180°，第二组控制信号中的第二控制信号与第一组控制信号的第二路控制信号相移180°。
3.根据权利要求1所述的具有预充电电路的串联电容降压转换器，其特征在于，所述电容电压检测电路包括差分电路、滤波电路以及放大电路，串联电容两端的电压由差分电路采样后，经过滤波、放大处理后提供给电容充电电路。
4.根据权利要求1或3所述的具有预充电电路的串联电容降压转换器，其特征在于，所述电容电压检测电路包括第一电阻、第二电阻、第三电阻、运算放大电路以及反馈电阻，所述第一电阻的一端与串联电容的正极连接，另一端与第三电阻的一端以及运算放大电路的输入正端连接，第三电阻的另一端接地，所述第二电阻的一端与串联电容的负极连接，另一端与运算放大电路的输入负端以及反馈电阻的一端连接，反馈电阻的另一端与运算放大器的输出端连接。
5.根据权利要求4所述的具有预充电电路的串联电容降压转换器，其特征在于，所述电容电压检测电路还包括比较器和电压源，比较器的输入正端与运算放大电路的输出端连接，输入负端与电压源的正极连接，电压源的负极接地。
6.根据权利要求1所述的具有预充电电路的串联电容降压转换器，其特征在于，所述电容充电电路包括充电开关电路和充电控制电路，所述充电控制电路根据电容电压检测电路提供的信号来输出至少一路控制信号，采用脉宽调制方式来控制充电开关电路中开关单元的开通与关断，使串联电容两端电压值达到目标值。
7.根据权利要求6所述的具有预充电电路的串联电容降压转换器，其特征在于，所述充电控制电路输出的控制信号脉宽保持固定的宽度不变，或者根据串联电容电压信号对脉宽进行调节。
8.根据权利要求6所述的具有预充电电路的串联电容降压转换器，其特征在于，所述充电开关电路充电的能量来源为电源转换器输入端，且包含至少一个充电开关单元以及限流电阻，限流电阻与充电开关单元为串联连接，用于抑制开关器件开通时的瞬态大电流。
9.根据权利要求5或7所述的具有预充电电路的串联电容降压转换器，其特征在于，充电开关电路中的开关单元为单独的充电开关器件，或者为功率转换单元内开关器件在预充电阶段的复用，或者是上述两种情况皆有。
10.根据权利要求1所述的具有预充电电路的串联电容降压转换器，其特征在于，串联电容两端电压的目标值为电源转换器输入端电压的一半。
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