CN212115161U - 适于宽电压输入范围的dcdc变换器 - Google Patents
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Abstract
本实用新型涉及一种适于宽电压输入范围的DCDC变换器，包括第一BUCK‑BOOST单元和第二BUCK‑BOOST单元，所述第一BUCK‑BOOST单元和第二BUCK‑BOOST单元的输入均连接在该DCDC变换器的电压输入端，其输出分别连接在变压器初级线圈的一端上；所述第一BUCK‑BOOST单元和第二BUCK‑BOOST单元的驱动信号错开半个驱动周期，使得对于所述变压器初级线圈形成一个全桥拓扑，为所述变压器初级线圈提供交变电压或电流。实施本实用新型的适于宽电压输入范围的DCDC变换器，具有以下有益效果：其结构较为简单、输入电压范围较宽。
Description
技术领域
本实用新型涉及电力电子学领域，更具体地说，涉及一种适于宽电压输入范围的DCDC变换器。
背景技术
高压DC/DC变换器因工作电压高，导致开关损耗很大，制约效率的提升。同时，在高压应用场合，需要实现软开关工作，降低开通和关断损耗，提升工作频率，降低体积和重量。现有移相全桥和LLC电路，虽然可以实现高压软开关。但是LLC电路主要适用于窄范围输入场合，而移相全桥电路前桥臂容易实现软开关，滞后桥臂不容易实现。对于较宽输入的场合，两种电路均不适用。而一些现有的宽范围电路虽然可以解决宽范围输入的问题，但是结构复杂，同时也只能实现前级电路的部分软开关化，并没有实现全部开关管的软开关。因此，现有的DC/DC变换器存在结构较为复杂、输入电压范围较窄的缺陷。
实用新型内容
本实用新型要解决的技术问题在于，针对现有技术的上述结构较为复杂、输入电压范围较窄的缺陷，提供一种结构较为简单、输入电压范围较宽的适于宽电压输入范围的DCDC变换器。
本实用新型解决其技术问题所采用的技术方案是：构造一种适于宽电压输入范围的DCDC变换器，包括第一BUCK-BOOST单元和第二BUCK-BOOST单元，所述第一BUCK-BOOST单元和第二BUCK-BOOST单元的输入均连接在该DCDC变换器的电压输入端，其输出分别连接在变压器初级线圈的一端上；所述第一BUCK-BOOST单元和第二BUCK-BOOST单元的驱动信号错开半个驱动周期，使得所述第一BUCK-BOOST单元、所述第二BUCK-BOOST单元中和所述变压器初级线圈的连接部分对于所述变压器初级线圈形成一个全桥拓扑，为所述变压器初级线圈提供交变电压或电流。
更进一步地，所述第一BUCK-BOOST单元包括第一桥臂和第三桥臂，所述第一桥臂和第三桥臂的中点通过第一电感连接，所述第一BUCK-BOOST单元通过所述第一桥臂的两端取得输入直流电压，经过所述第一桥臂和第三桥臂的转换后由所述第三桥臂的中点输出；所述第二BUCK-BOOST单元包括第二桥臂和第四桥臂，所述第二桥臂和第四桥臂的中点通过第二电感连接，所述第二BUCK-BOOST单元通过所述第二桥臂的两端取得输入直流电压，经过所述第二桥臂和第四桥臂的转换后由所述第四桥臂的中点输出。
更进一步地，所述第一桥臂、第二桥臂、第三桥臂和第四桥臂均分别包括两个开关端串接的受控开关器件，所述两个开关端串接的连接点是该桥臂的中点，未相互连接的两个开关端为该桥臂的两端；每个桥臂中的每个开关器件的控制端具有不同的开关控制信号。
更进一步地，所述全桥拓扑包括全桥LLC谐振电路。
更进一步地，所述第一BUCK-BOOST单元的输出端通过第一电容连接在所述变压器初级线圈的一端，所述第二BUCK-BOOST单元的输出端通过第三电感连接在所述变压器初级线圈的另一端；所述第三桥臂和第四桥臂的开关器件控制信号使得所述第三桥臂和第四桥臂与所述变压器的初级线圈构成一个全桥LLC谐振电路，为所述变压器初级线圈提供交变的电流；所述第三桥臂和第四桥臂的端点并接在一起，且其中一个并接的端点连接在所述变压器初级一侧的等电位上；所述并接后的第三桥臂和第四桥臂的两个端点之间还并接有第二电容。
更进一步地，所述第一BUCK-BOOST单元和第二BUCK-BOOST单元均采用定频调相控制；所述定频调相控制中，所有开关器件的开关频率均为设定的频率，且第一BUCK-BOOST单元和第二BUCK-BOOST单元的驱动信号错开半个驱动信号的周期。
更进一步地，所述第一BUCK-BOOST单元的驱动信号包括第一BUCK驱动信号和第一BOOST驱动信号，分别用于对所述第一BUCK-BOOST单元中的BUCK和BOOST部分的开关器件进行驱动；所述第二BUCK-BOOST单元的驱动信号包括第二BUCK驱动信号和第二BOOST驱动信号，分别用于对所述第二BUCK-BOOST单元中的BUCK和BOOST部分的开关器件进行驱动。
更进一步地，所述第一BOOST驱动信号由控制单元提供，所述第一BUCK驱动信号由该第一BUCK-BOOST单元的输出电压取得其占空比，由输入电压的相位角取得其相位角，进而形成该驱动信号；所述第二BOOST驱动信号由控制单元提供，所述第二BUCK驱动信号由该第二BUCK-BOOST单元的输出电压取得其占空比，由输入电压的相位角取得其相位角，进而形成该驱动信号。
更进一步地，所述第一BOOST驱动信号作用于所述第三桥臂，所述第一BUCK驱动信号作用于所述第一桥臂；所述第二BOOST驱动信号作用于所述第四桥臂，所述第二BUCK驱动信号作用于所述第二桥臂。
更进一步地，所述第一BOOST驱动信号和所述第二BOOST驱动信号均为0.5；所述第一BUCK驱动信号和所述第二BUCK驱动信号的占空比为DTS或1-DTS，其中，DTS是通过对该BUCK-BOOST单元的输出电压进行检测而得到的第一桥臂或第二桥臂的上开关器件的占空比。
实施本实用新型的适于宽电压输入范围的DCDC变换器，具有以下有益效果：由于采用两个BUCK-BOOST单元的错开并联的连接，使得对于输入电压来讲，是输入到两个BUCK-BOOST拓扑中，所以其输入范围可以变化比较大；同时，按照上述连接后的两个BUCK-BOOST单元，对于变压器的初级线圈而言，又构成了一个全桥电路，将交变电流施加到该线圈上，所以，整体上来看，节省了单独的全桥结构的开关管，所以其结构较为简单。因此，其结构较为简单、输入电压范围较宽。
附图说明
图1是本实用新型适于宽电压输入范围的DCDC变换器实施例中的DCDC变换器的电路图；
图2是所述实施例中各开关器件的工作波形图；
图3是所述实施例中第一BUCK-BOOST单元的驱动波形和电流波形对应关系图。
具体实施方式
下面将结合附图对本实用新型实施例作进一步说明。
如图1所示，在本实用新型的种适于宽电压输入范围的DCDC变换器实施例中，该DCDC变换器包括第一BUCK-BOOST单元(包括图1中的Q1、Q2、Q9和Q10)和第二BUCK-BOOST单元(包括图1中的Q3、Q4、Q11和Q12)，所述第一BUCK-BOOST单元和第二BUCK-BOOST单元的输入均连接在该DCDC变换器的电压输入端(电压输入端在图1中标记为+Vi和-Vi)，其输出分别连接在变压器Tr的初级线圈的一端上；请参见图2，所述第一BUCK-BOOST单元和第二BUCK-BOOST单元的驱动信号错开半个驱动周期(即一个驱动信号的相位较另一个驱动信号的相位提前或滞后180度)，使得所述第一BUCK-BOOST单元、所述第二BUCK-BOOST单元中和所述变压器初级线圈的连接部分对于所述变压器初级线圈形成一个全桥拓扑，为所述变压器初级线圈提供交变电压或电流。这种设置对于输入电压端而言，其连接的是BUCK-BOOST电路，这使得即使输入电压出现较大的波动，都能够通过上述BUCK-BOOST电路，使得施加到上述变压器初级线圈上述的电压或电流符合设定的要求，从而使得该DCDC变换器对输入电压并不敏感，能够用于多种场合或较为恶劣的环境。与此同时，通过上述BUCK-BOOST单元或电路的驱动波形的控制，使得在实现在较宽范围内调节的输入电压的基础上，与上述变压器初级线圈连接的开关器件的开关动作对于上述变压器初级线圈而言，构成了一个全桥的开关驱动拓扑，从而在大幅度提高输入电压的可变化范围的基础上，实现了较为简单的驱动结构。
在本实施例中，如图1所示，所述第一BUCK-BOOST单元包括第一桥臂(由图1中的Q1和Q2构成)和第三桥臂(由图1中的Q9和Q10构成)，所述第一桥臂和第三桥臂的中点通过第一电感L2连接，所述第一BUCK-BOOST单元通过所述第一桥臂的两端取得输入直流电压，经过所述第一桥臂和第三桥臂的转换后由所述第三桥臂的中点输出，并电连接到上述变压器初级线圈的一端；所述第二BUCK-BOOST单元包括第二桥臂(由图1中的Q3和Q4构成)和第四桥臂(由图1中的Q11和Q12构成)，所述第二桥臂和第四桥臂的中点通过第二电感L1连接，所述第二BUCK-BOOST单元通过所述第二桥臂的两端取得输入直流电压，经过所述第二桥臂和第四桥臂的转换后由所述第四桥臂的中点输出，并电连接到上述变压器初级线圈的另一端。具体来讲，如图1所示，所述第一桥臂、第二桥臂、第三桥臂和第四桥臂均分别包括两个开关端串接的受控开关器件，所述两个开关端的连接点(即两个开关器件的串联连接点)是该桥臂的中点，未连接的两个开关端为该桥臂的两端；每个桥臂中的每个开关器件的控制端具有不同的开关控制信号。图2示出了这些开关器件(开关管)在一种情况下的具体波形。
在本实施例中，为了进一步改善该DCDC变换器的性能，实现所有开关器件的软开关，所述全桥拓扑包括全桥LLC谐振电路。具体来讲，就是所述第一BUCK-BOOST单元的输出端通过第一电容Cr连接在所述变压器初级线圈的一端，所述第二BUCK-BOOST单元的输出端通过第三电感Lr连接在所述变压器初级线圈的另一端；而所述第三桥臂和第四桥臂的开关器件控制信号使得所述第三桥臂和第四桥臂与所述变压器的初级线圈构成一个全桥LLC谐振电路，为所述变压器初级线圈提供交变的电流；其中，所述第三桥臂和第四桥臂的端点并接在一起，且其中一个并接的端点连接在所述变压器初级一侧的等电位上；所述并接后的第三桥臂和第四桥臂的两个端点之间还并接有第二电容Cbus。
对于整个变换器的驱动信号而言，所述第一BUCK-BOOST单元和第二BUCK-BOOST单元均采用定频调相控制；所述定频调相控制中，所有开关器件的开关频率均为设定的频率，且第一BUCK-BOOST单元和第二BUCK-BOOST单元的驱动信号错开半个驱动信号的周期。所述第一BUCK-BOOST单元的驱动信号包括第一BUCK驱动信号和第一BOOST驱动信号，分别用于对所述第一BUCK-BOOST单元中的BUCK和BOOST部分的开关器件进行驱动；所述第二BUCK-BOOST单元的驱动信号包括第二BUCK驱动信号和第二BOOST驱动信号，分别用于对所述第二BUCK-BOOST单元中的BUCK和BOOST部分的开关器件进行驱动。
其中，所述第一BOOST驱动信号(即图2中Q9和Q10的驱动波形或驱动信号)由控制单元提供(值得一提的是，这样的驱动信号的产生，对于现有的DCDC电源的控制单元来讲，是能够轻易实现的，只需要事先设定即可)，而所述第一BUCK驱动信号(即图2中Q1和Q2的驱动波形或驱动信号)由该第一BUCK-BOOST单元的输出电压取得其占空比，由输入电压的相位角取得其相位角，进而形成该驱动信号；所述第二BOOST驱动信号(即图2中Q11和Q12的驱动波形或驱动信号)由控制单元提供，所述第二BUCK驱动信号(即图2中Q3和Q4的驱动波形或驱动信号)由该第二BUCK-BOOST单元的输出电压取得其占空比，由输入电压的相位角取得其相位角，进而形成该驱动信号。
如前所述，所述第一BOOST驱动信号作用于所述第三桥臂，所述第一BUCK驱动信号作用于所述第一桥臂；所述第二BOOST驱动信号作用于所述第四桥臂，所述第二BUCK驱动信号作用于所述第二桥臂。所述第一BOOST驱动信号和所述第二BOOST驱动信号均为0.5；所述第一BUCK驱动信号和所述第二BUCK驱动信号的占空比为DTS或1-DTS，其中，DTS是通过对该BUCK-BOOST单元的输出电压进行检测而得到的第一桥臂或第二桥臂的上开关器件的占空比。在本实施例中，上述上开关器件是指在该桥臂(即第一桥臂或第二桥臂)中与输入电源的正端连接开关器件，具体到图1中而言，就是指其中的Q1和Q3；即DTS是指分别通过检测其对应的输出电压而得到的Q1和Q3的占空比；而1-DTS则是该桥臂上的下开关器件的驱动信号占空比(即图1中的Q2和Q4驱动信号的占空比)。以Q1,Q2,Q9,Q10形成的第一BUCK-BOOST单元为例，说明上述DTS的取得过程或原理。请参见图3，由于Q9,Q10工作在固定50％占空比下，Q1和Q2工作在互补状态下，其中Q1的占空比定义为DQ1，导通时间DQ1Ts。整个驱动错开180度。对于上述第一BUCK-BOOST单元而言，一个开关周期的数学关系，根据电感两端电压的伏秒平衡可以得到：
Vi(t1-t0)＝(Vo-Vi)(t2-t1)+Vo(t3-t2)
经整理可得：
Vi(t2-t0)＝Vo(t3-t1)
t2-t0为Q1的导通时间，t3-t1为固定50％的导通时间。
其中，M就是输出电压和输入电压的比值，即电压增益。因此，实际工作时，上述DTS，也就是DQ1经输出电压闭环反馈的增益即可得到。第二BUCK-BOOST单元和上述第一BUCK-BOOST单元大致一致，也是通过其自己的电路的电压增益而得到上述DTS值。
从另一个角度来看，本实用新型所采用的交错并联Buck-Boost LLC级联变换器电路，其前级由两个Buck电路交错并联组成，其中Q1、Q2和L2组成其中的一个Buck电路，Q3、Q4和L1组成另一个Buck电路；其后级由全桥LLC谐振电路组成，其中移相全桥的前桥臂由Q9和Q10组成，并在B点通过L2与Q1和Q2组成的Buck电路形成一个Buck-Boost电路。而后桥臂由Q11和Q12组成，同时在A点通过L2与Q3和Q4组成的Buck电路形成另一个Buck-Boost电路。两个Buck-Boost电路通过与上述全桥LLC谐振变换器共用全桥开关管并联在一起，并通过变压器T1、同步整流电路输出。
上述电路中，所用的控制方法为定频调相控制。以Q1、Q2、Q9和Q10构成的Buck-Boost电路(即第一BUCK-BOOST单元)为例，首先，保持所有开关管的开关频率不变，令Q9和Q10的占空比DS9和DS10分别为50％，通过输出电压反馈得到Q1的占空比DS1，以及Q2的占空比1-DS1，再通过检测输入电压得到对应的相位角δi。以Q3、Q4、Q11和Q12构成的Buck-Boost电路(即第二BUCK-BOOST单元)的控制方式和上述相同，但以Q1、Q2、Q9和Q10构成的Buck-Boost电路控制的基础之上错开半个周期，从而达到交错并联控制的目的。具体的工作波形图如图2所示。以第一BUCK-BOOST单元为例，其开关管导通的顺序为Q1→Q10→Q9→Q2→Q1，则第二BUCK-BOOST单元中开关管的导通顺序为Q3→Q12→Q11→Q4→Q1。
通过上述说明可以清楚看出，在本实施例中，交错并联Buck-Boost LLC级联变换器电路将两个Buck-Boost电路和一个全桥LLC谐振变换器结合到一起，使得需要16个开关管实现的电路仅通过8个开关管就可实现，减少了一倍的开关元件和驱动电路。同时通过上述开关器件实施上述控制方法，使得该交错并联Buck-Boost LLC级联变换器在大功率应用场合下实现了宽范围的输入/输出，并且在全工作范围内，使得各个开关管实现ZVS(过零开关)，大大地减少了开关损耗，提高了变换器的整体效率和功率密度。即在宽范围高压大功率变换器的所有开关管的软开关实现，降低开关损耗，提高功率密度。另外软开关的实现，能够提升开关工作频率，进一步降低变换器的体积和重量。因此，不管是从BUCK-BOOST单元的角度，还是从前后级的BUCK和全桥的角度来看，本实施例中的单元电路、单元电路之间的连接关系、谐振拓扑和驱动信号之间的有机的结合，使得其实现了在适用于较大范围的输入电压变化的基础上实现了开关器件的减少和全开关器件的软开关，进而使得整个变换器在高频高电压的情况下的性能提升。
以上所述实施例仅表达了本实用新型的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本实用新型专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本实用新型构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本实用新型的保护范围。因此，本实用新型专利的保护范围应以所附权利要求为准。
Claims (10)
1.一种适于宽电压输入范围的DCDC变换器，其特征在于，包括第一BUCK-BOOST单元和第二BUCK-BOOST单元，所述第一BUCK-BOOST单元和第二BUCK-BOOST单元的输入均连接在该DCDC变换器的电压输入端，其输出分别连接在变压器初级线圈的一端上；所述第一BUCK-BOOST单元和第二BUCK-BOOST单元的驱动信号错开半个驱动周期，使得所述第一BUCK-BOOST单元、所述第二BUCK-BOOST单元中和所述变压器初级线圈的连接部分对于所述变压器初级线圈形成一个全桥拓扑，为所述变压器初级线圈提供交变电压或电流。
2.根据权利要求1所述的适于宽电压输入范围的DCDC变换器，其特征在于，所述第一BUCK-BOOST单元包括第一桥臂和第三桥臂，所述第一桥臂和第三桥臂的中点通过第一电感连接，所述第一BUCK-BOOST单元通过所述第一桥臂的两端取得输入直流电压，经过所述第一桥臂和第三桥臂的转换后由所述第三桥臂的中点输出；所述第二BUCK-BOOST单元包括第二桥臂和第四桥臂，所述第二桥臂和第四桥臂的中点通过第二电感连接，所述第二BUCK-BOOST单元通过所述第二桥臂的两端取得输入直流电压，经过所述第二桥臂和第四桥臂的转换后由所述第四桥臂的中点输出。
3.根据权利要求2所述的适于宽电压输入范围的DCDC变换器，其特征在于，所述第一桥臂、第二桥臂、第三桥臂和第四桥臂均分别包括两个开关端串接的受控开关器件，所述两个开关端串接的连接点是该桥臂的中点，未相互连接的两个开关端为该桥臂的两端；每个开关器件的控制端具有不同的开关控制信号。
4.根据权利要求3所述的适于宽电压输入范围的DCDC变换器，其特征在于，所述全桥拓扑包括全桥LLC谐振电路。
5.根据权利要求4所述的适于宽电压输入范围的DCDC变换器，其特征在于，所述第一BUCK-BOOST单元的输出端通过第一电容连接在所述变压器初级线圈的一端，所述第二BUCK-BOOST单元的输出端通过第三电感连接在所述变压器初级线圈的另一端；所述第三桥臂和第四桥臂的开关器件控制信号使得所述第三桥臂和第四桥臂与所述变压器的初级线圈构成一个全桥LLC谐振电路，为所述变压器初级线圈提供交变的电流；所述第三桥臂和第四桥臂的端点并接在一起，且其中一个并接的端点连接在所述变压器初级一侧的等电位上；所述并接后的第三桥臂和第四桥臂的两个端点之间还并接有第二电容。
6.根据权利要求5所述的适于宽电压输入范围的DCDC变换器，其特征在于，所述第一BUCK-BOOST单元和第二BUCK-BOOST单元均采用定频调相控制；所述定频调相控制中，所有开关器件的开关频率均为设定的频率。
7.根据权利要求6所述的适于宽电压输入范围的DCDC变换器，其特征在于，所述第一BUCK-BOOST单元的驱动信号包括第一BUCK驱动信号和第一BOOST驱动信号，分别用于对所述第一BUCK-BOOST单元中的BUCK和BOOST部分的开关器件进行驱动；所述第二BUCK-BOOST单元的驱动信号包括第二BUCK驱动信号和第二BOOST驱动信号，分别用于对所述第二BUCK-BOOST单元中的BUCK和BOOST部分的开关器件进行驱动。
8.根据权利要求7所述的适于宽电压输入范围的DCDC变换器，其特征在于，所述第一BOOST驱动信号由控制单元提供，所述第一BUCK驱动信号由该第一BUCK-BOOST单元的输出电压取得其占空比，由输入电压的相位角取得其相位角，进而形成该驱动信号；所述第二BOOST驱动信号由控制单元提供，所述第二BUCK驱动信号由该第二BUCK-BOOST单元的输出电压取得其占空比，由输入电压的相位角取得其相位角，进而形成该驱动信号。
9.根据权利要求8所述的适于宽电压输入范围的DCDC变换器，其特征在于，所述第一BOOST驱动信号作用于所述第三桥臂，所述第一BUCK驱动信号作用于所述第一桥臂；所述第二BOOST驱动信号作用于所述第四桥臂，所述第二BUCK驱动信号作用于所述第二桥臂。
10.根据权利要求8所述的适于宽电压输入范围的DCDC变换器，其特征在于，所述第一BOOST驱动信号和所述第二BOOST驱动信号均为0.5；所述第一BUCK驱动信号和所述第二BUCK驱动信号的占空比为DTS或1-DTS，其中，DTS是通过对该BUCK-BOOST单元的输出电压进行检测而得到的第一桥臂或第二桥臂的上开关器件的占空比。
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| CN202020681679.6U CN212115161U (zh) | 2020-04-27 | 2020-04-27 | 适于宽电压输入范围的dcdc变换器 |
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| CN202020681679.6U CN212115161U (zh) | 2020-04-27 | 2020-04-27 | 适于宽电压输入范围的dcdc变换器 |
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| CN (1) | CN212115161U (zh) |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN114244138A (zh) * | 2021-12-23 | 2022-03-25 | 国网安徽省电力有限公司电力科学研究院 | 一种波动环境下的换流器的控制***及方法 |
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2020
- 2020-04-27 CN CN202020681679.6U patent/CN212115161U/zh active Active
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| CN114244138A (zh) * | 2021-12-23 | 2022-03-25 | 国网安徽省电力有限公司电力科学研究院 | 一种波动环境下的换流器的控制***及方法 |
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