一种三电平降压式变换电路及方法技术

本发明专利技术提供了一种三电平降压式变换电路及方法，该电路包括依次连接的续流二极管、滤波电路和负载，还包括输入电源、切换电路和第一开关，所述输入电源与切换电路连接，所述切换电路分别与第一开关的一端、续流二极管的阳极连接，所述第一开关的另一端与续流二极管的阴极连接。所述输入电源为两个，分别为第一输入电源和第二输入电源，所述第一输入电源、第二输入电源分别与切换电路连接。本发明专利技术不需采用常用三电平降压式变换电路的均压电容和二极管箝位电路，而是用输入电压的串并联切换产生三个电平，既可以降低开关器件的电压应力，又可以减少滤波元件的容量。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于降压式变换电路，特别涉及。
技术介绍
降压式变换电路(Buck变换电路)是电能变换器中常用的一种。常用的两电平降 压式变换电路的每个开关管需要承受输入直流侧的全部电压，在低电压小容量的应用场合 下，它具有结构简单，控制容易的优点。但是，在电压较高的场合下，考虑到成本和技术的限 制，会出现单个开关管不能承受输入侧高电压的情况。两电平降压式变换电路的高频开关器件处于关断状态时两端压差大，使它具有如 下的缺点在高频开关关断时，电压变化率dv/dt高，会产生很大的尖峰电压，容易击穿器 件；高频开关器件承受很大的电压应力，使电路器件的参数要求较严格，增加电路成本；开 关损耗大，降低了降压式变换电路的效率；开关电压过高使开关器件对附近电子设备的电 磁干扰变大。常用的两电平降压式变换电路结构如图1所示，图中输入电源1的电压为Ui, 所述电路通过高频开关元件的通断进行斩波，其中高频开关2可采用IGBT或者M0SFET，也 可以采用其他电力电子开关器件。设高频开关2的开关周期为T，把开关周期T分成第一 时间段、和第二时间段t2两段，高频开关2在第一时间段、内导通，在第二时间段t2内关 断。当t e、(即当前时间在第一时间段内)时，高频开关2导通，输入电源1向负载6供 电，滤波电容5充电，流过电感3的电流k按照指数曲线上升；当t e t2时，高频开关2关 断，流过电感3的电流经二极管4续流，k按照指数曲线下降，电容5放电。如电感3较大 则电流I连续，电感3越大电流k脉动越小。若电容5很大，输出电压U。可以认为是恒值， 这时，在一个开关周期T之内，电感存储的能量为(Ui_U。) iLti;其中u。为输出电压，Ui为输 入电压，iL为流过电感3的电流，、为第一时间段；电感3释放的能量为Ht2，其中U。为 输出电压，iL为流过电感3的电流，t2为第二时间段，根据能量守恒定律，有(Ui-U0) I^1 = u。iLt2整理得uo = ^-W1 二 l^u, = au,唭中u。为输出电压，iL为流过电感3的电流，t2为第二时间段，、为第一时间段，T为开关周期，Ui为输入电压，α为占空比。其中，第一时间段、、第二时间段、分别为高频开关2的导通时间和关断时间，α =t/r称为占空比或导通比。由于图1所示电路中，高频开关2要承受全部输入电压Ui， 使它具有上述两电平降压式变换电路的缺点，因此有必要提出一种使开关器件承受的电压 应力较低的新型电路。多电平变换电路是解决这个问题的重要手段之一。综合考虑成本和 可实现性，多电平变换电路中又以三电平变换电路应用最广泛。三电平降压式变换电路可 以克服开关器件承受的电压应力高的缺点，其常用的解决方案是采用均压电容和箝位二极 管进行中性点箝位，但是这种技术方案均压电容参数要求严格，且结构复杂。
技术实现思路
本专利技术的首要目的在于克服上述现有技术的缺点与不足，提供一种结构简单、合 理，既可以降低开关器件的电压应力，又可以减少滤波元件的容量的三电平降压式变换电路。本专利技术的另一目的还在于提供由上述电路实现的三电平降压式变换方法。为达上述目的，本专利技术采用如下的技术方案一种三电平降压式变换电路，包括依次连接的续流二极管、滤波电路和负载，还包 括输入电源、切换电路和第一开关，所述输入电源与切换电路连接，所述切换电路分别与第 一开关的一端、续流二极管的阳极连接，所述第一开关的另一端与续流二极管的阴极连接。所述输入电源为两个，分别为第一输入电源和第二输入电源，所述第一输入电源、 第二输入电源分别与切换电路连接。所述切换电路包括第二开关、第一二极管和第二二极管，所述第二开关的一端与 第一输入电源的负极连接，其另一端与第二输入电源的正极连接；所述第一二极管的阳极 与续流二极管的阳极、第二输入电源负极连接，其阴极与第一输入电源的负极连接；所述第 二二极管的阳极与第二输入电源的正极连接，其阴极与所述第一开关的一端、第一输入电 源正极连接。所述第一开关和第二开关均为高频开关。所述第一二极管和第二二极管均为快速恢复二极管。所述滤波电路包括依次连接的滤波电容和电感，所述滤波电容的负极与续流二极 管的阳极连接，其正极与电感连接，电感的另一端与续流二极管的阴极连接；所述负载并联 在滤波电容的两端。由上述电路实现的三电平降压式变换方法通过控制第一开关和第二开关的通 断，以使负载的输出电压得到三个稳定的电平(电压值)，所述电平包括第一电平、第二电 平和第三电平，具体为在一个开关周期内，包括三个时间段，分别为第一时间段、第二时间 段和第三时间段；在第一时间段内，第一开关和第二开关均为导通状态，第一二极管和第 二二极管反向偏置而截止，续流二极管反向偏置而截止，第一输入电源和第二输入电源通 过串联经第一开关、电感、滤波电容向负载供电，电感的电流指数上升至第一饱和电流，负 载两端的输出电压通过滤波电容充电逐渐到达第一电平，此时，第一开关两端的电压和第 二开关两端的电压均为零；在第二时间段内，第一开关为导通状态、第二开关为关断状态， 第一二极管和第二二极管正向偏置而导通，续流二极管反向偏置而截止，第一输入电源和 第二输入电源通过并联经第一开关、电感、滤波电容向负载供电，电感的电流指数下降至第 二饱和电流，负载两端的输出电压通过滤波电容放电逐渐到达第二电平，此时，第一开关两 端的电压为零，第二开关两端的电压等于第二电平；在第三时间段内，第一开关和第二开关 均为关断状态，第一二极管和第二二极管反向偏置而截止，续流二极管正向偏置而导通，第 一输入电源和第二输入电源均断开，滤波电容向负载供电，且通过电感、续流二极管进行续 流，电感的电流指数下降，负载两端的输出电压通过滤波电容放电逐渐到达零值，此时，第 一开关两端的电压、第二开关两端的电压都等于第二电平。本专利技术原理切换电路由一个高频开关(第二开关)和两个快速恢复二极管(第 一二极管和第二二极管)组成，该切换电路通过控制第二开关的通断来得到两个电平当第二开关导通时，第一二极管和第二二极管因反向偏置而截止，此时两个输入电源串联，负 载两端的输出电压为第一电平；当第二开关关断时，第一二极管和第二二极管因正向偏置 而导通，此时两个输入电源并联，负载两端的输出电压为第二电平。在切换电路与续流二极 管之间接入第一开关，该第一开关导通时，可以把电源的能量传输到负载；该第一开关关断 时，电源的能量不能传输到负载，这时所述电路产生了第三电平，即零电平，负载两端的电 压为零。在负载两端并联一个滤波电容，再在该并联电路上串联一个电感，然后再在该并串 联电路两端反并联一个续流二极管，用于电源不向负载供电时形成续流回路。与现有技术相比，本专利技术具有如下优点和有益效果本专利技术不需采用常用三电平 降压式变换电路的均压电容和二极管箝位电路，而是用输入电压的串并联切换产生三个电 平值(电压值)，既可以降低开关器件的电压应力，又可以减少滤波元件的容量。本专利技术取 消了均压电容和二极管箝位电路，并使各开关的电压应力减少到现有技术电路的1/2 ；电 路中的滤波电容的耐压减少到现有技术电路的1/2 ；此外，输出电压和电流因为中间电平 的存在而变得平缓，本专利技术的滤波电容和电感容量可以减少到现有技术电路的1/2。附图说明图1是现有技术本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种三电平降压式变换电路，包括依次连接的续流二极管、滤波电路和负载，其特征在于：还包括输入电源、切换电路和第一开关，所述输入电源与切换电路连接，所述切换电路分别与第一开关的一端、续流二极管的阳极连接，所述第一开关的另一端与续流二极管的阴极连接。

【技术特征摘要】
1.一种三电平降压式变换电路，包括依次连接的续流二极管、滤波电路和负载，其特征 在于还包括输入电源、切换电路和第一开关，所述输入电源与切换电路连接，所述切换电 路分别与第一开关的一端、续流二极管的阳极连接，所述第一开关的另一端与续流二极管 的阴极连接。2.根据权利要求1所述的三电平降压式变换电路，其特征在于所述输入电源为两个， 分别为第一输入电源和第二输入电源，所述第一输入电源、第二输入电源分别与切换电路 连接。3.根据权利要求2所述的三电平降压式变换电路，其特征在于所述切换电路包括第 二开关、第一二极管和第二二极管，所述第二开关的一端与第一输入电源的负极连接，其另 一端与第二输入电源的正极连接；所述第一二极管的阳极与续流二极管的阳极、第二输入 电源负极连接，其阴极与第一输入电源的负极连接；所述第二二极管的阳极与第二输入电 源的正极连接，其阴极与所述第一开关的一端、第一输入电源正极连接。4.根据权利要求3所述的三电平降压式变换电路，其特征在于所述第一开关和第二 开关均为高频开关。5.根据权利要求3所述的三电平降压式变换电路，其特征在于所述第一二极管和第 二二极管均为快速恢复二极管。6.根据权利要求3所述的三电平降压式变换电路，其特征在于所述滤波电路包括依 次连接的滤波电容和电感，所述滤波电容的负极与续流二极管的阳极连接，其正极与电感 连接，电感的另一端与续流二极管的阴极连接；所述负载并联在滤波电容的两端。7.由权利要求3 6任一项所述...

【专利技术属性】
技术研发人员：王孝洪，赖文焯，田联房，
申请(专利权)人：华南理工大学，
类型：发明
国别省市：81[中国|广州]