一種三電平Boost變換器的制造方法
【技術領域】
[0001] 本發明屬于電力電子技術領域,涉及一種三電平Boost變換器。
【背景技術】
[0002] Boost變換器是一種開關直流升壓電路,三電平Boost變換器相比兩電平Boost變 換器,器件的電壓應力降低一半,因此應用范圍很廣,三電平Boost電路最初為典型的PWM硬 開關電路,后來為了提升動態特性、降低磁性元件體積,提高電路效率,逐漸發展出多種軟 開關變形電路;但由于軟開關電路必須增加額外的器件才能實現,導致成本增加、控制難度 增大等問題,因此在實際應用中,PWM控制的硬開關三電平Boost變換器仍然具有很大的應 用價值,但是傳統的三電平Boost變換器控制兩個交錯驅動,通常情況下,開關管的驅動頻 率往往達到數十kHz,多數在20kHz~40kHz,而由于開關管頻率固定不變,導致三電平Boost 變換器的開關損耗大大增加。
【發明內容】
[0003]為了解決上述問題,本發明提出一種三電平Boost變換器,采用合理的結構設計, 在不增加額外的器件的情況下,大大降低硬開關PWM控制Boost電路的損耗。
[0004] 為了達到上述目的,本發明采用的技術方案是,一種三電平Boost變換器,包括電 源Vs,電源Vs的正極連接第一電感L1的一端,第一電感L1的另一端分別連接第一開關管Q1 的漏極和第一二極管D1的正極,第一二極管D1的負極連接第一電容C1的輸入端,第一電容 C1的輸出端分別連接第一開關管Q1的源極和襯底、第二開關管Q2的漏極以及第二電容C2的 輸入端,第二電容C2的輸出端連接第二二極管D2的正極,第二二極管D2的負極分別連接有 第二開關管Q2的源極以及電源Vs的負極;所述第一二極管D1的負極和電源Vs的正極分別連 接至采樣電路的第一輸入端和第二輸入端,采樣電路的輸出端連接至控制器的輸入端,控 制器的輸出端連接至驅動單元的輸入端,驅動單元的第一輸出端和第二輸出端分別連接至 第一開關管Q1的柵極和第二開關管Q2的柵極。
[0005]進一步的,所述第二二極管D2的負極通過第二電感L2接入電源Vs的負極。
[0006] 進一步的,所述電源Vs為鉛酸電池或鋰電池。
[0007]進一步的,所述電感均采用鐵硅鋁材質的磁環。
[0008]本發明的方案中,采樣電路得到輸出電壓Vo、輸出電流Ιο和輸入電源Vs,送入控制 器,根據存儲在控制器中的由具體磁性材料計算所得的Vs與開關管工作頻率的關系,控制 器輸出該Vs時,開關管對應的占空比,控制驅動單元輸出的驅動頻率f;在該驅動頻率f下, 控制器判斷輸出電壓Vo或輸出電流Ιο的值是否和控制器需求的值一致,如果大于需求值, 減小驅動單元輸出的占空比D,如果小于需求值,增加驅動單元輸出的占空比D。
[0009] 硬開關Boost電路的損耗由開關損耗和導通損耗兩部分組成,本發明主要針對以 鉛酸電池、鋰電池等電池作為電源的Boost電路,電池電壓在電路工作過程中會逐漸降低, 本發明的三電平Boost變換器通過合理的結構設計,使電路的開關頻率隨輸入電壓的減小 和逐步降低,通過降低開關頻率大大減小開關損耗,從而實現降低整個電路損耗的目的。
[0010]進一步的,本發明在電路中增加一個第二電感L2,增加第二電感L2后,單個電感的 匝數可以降低,第一電感L1和第二電感L2的總感量相對于傳統電路中的電感有所減少,但 是跌落降低的比例更小,因此可獲得更低的開關頻率f。
【附圖說明】
[0011]圖1是本發明三電平Boost變換器原理圖。
[0012]圖2是本發明實施原理圖中關鍵點波形圖。
[0013]圖3是本發明實際參數舉例中的頻率與輸入電壓關系曲線。
[0014] 圖4是本發明鐵硅鋁磁芯磁場強度與跌落系數的關系曲線。
【具體實施方式】
[0015] 下面結合附圖和【具體實施方式】對本發明進行詳細說明。
[0016] 如圖1所示,本發明包括作為電源Vs的鉛酸電池或鋰電池,電源Vs的正極連接第一 電感L1的一端,第一電感L1的另一端分別連接第一開關管Q1的漏極和第一二極管D1的正 極,第一二極管D1的負極連接第一電容C1的輸入端,第一電容C1的輸出端分別連接第一開 關管Q1的源極、第二開關管Q2的漏極以及第二電容C2的輸入端,第二電容C2的輸出端連接 第二二極管D2的正極,第二二極管D2的負極分別連接有第二開關管Q2的源極以及第二電感 L2的一端,第二電感L2的另一端接入電源Vs的負極;所述第一二極管D1的負極和電源Vs的 正極分別連接至采樣電路的第一輸入端和第二輸入端,采樣電路的輸出端連接至控制器的 輸入端,控制器的輸出端連接至驅動單元的輸入端,驅動單元的第一輸出端和第二輸出端 分別連接至第一開關管Q1的柵極和第二開關管Q2的柵極,圖1中,控制信號Qgl從驅動單元 的第一輸出端連接至第一開關管Q1的柵極,控制信號Qg2從驅動單元的第二輸出端連接至 第二開關管Q2的柵極。
[0017] 如圖2,本發明的實施方案是根據輸入電壓的變化,使開關管的工作頻率在一定范 圍內緩慢減小。由于三電平BOOST電路為升壓電路,因此輸入電壓Vs的上限是輸出電壓Vo; 同時第一開關管和第二開關管交替發波,占空比需小于〇. 5,因此輸入電壓的
以,頻率減小的范圍為
[0018] 電路工作時序如圖2所示:to~t2時刻,周期為Ti;tn+1~tn+3時刻,周期為Tn+1,可以 看出Τη+ι>Τι,即隨著輸入電壓Vs的減小,電路工作的開關頻率下降,輸入電壓Vs與開關頻率 之間的關系為:
[0020] 其中ΔI(Vs)是電感L1上的紋波電流,Don(Vs)是占空比,L(Vs)是電感L1感量隨電 流增大跌落后的實際值。
[0023] 以實際參數舉例:輸出電壓Vo= 650V,輸出功率Po= 12kW,電路效率η= 98%,電源 為三元鋰電池組,電壓范圍為330V~450V;電感電流紋波系數K_L= 0.25;電感初始感量L0 =390uH,采用鐵娃錯材質的磁環,磁路1 = 0.1074m,共38阻。
[0024]L(Vs)函數與電感的材質,繞線匝數也有關系,在上述的實際參數下,電感量的跌 落系數遵循圖4的曲線,橫軸為磁場強度,它與Vs的關系如式1-4;電感量跌落的實際值可以 表不為式1_5。
[0026]L(Vs):=L0 ·NPS60_fall(H(Vs)) (1-5)
[0027] 根據實例參數獲得的頻率與輸入電壓的關系曲線如圖3,可以看出在330V輸入時 的開關頻率為2kHz,420V輸入電壓時開關頻率為30kHz。這就意味著,相比于傳統的固定頻 率為30kHz的三電平Boost電路,本方案在最低輸入電壓時,開關損耗最高降低了15倍; [0028]開關損耗Psw與開關頻率f正相關:
[0029] Psw=kevery*f;
[0030]其中k_ry為每個開關周期的開關損耗,因此本發明降低的開關頻率可以大大降低 三電平Boost變換器的開關損耗。
[0031]此外,由于在磁場強度變大時,電感量跌落系數迅速變大,故本發明在電路中增加 第二電感L2,如圖1所示原理圖,增加第二電感L2后,單個電感的匝數可以降低,兩個電感的 總感量相對于傳統電路中的電感有所減少,但是跌落降低的比例更小,因此可以獲得更低 的開關頻率f。
【主權項】
1. 一種三電平Boost變換器,其特征在于,包括電源Vs,電源Vs的正極連接第一電感LI 的一端,第一電感L1的另一端分別連接第一開關管Q1的漏極和第一二極管D1的正極,第一 二極管D1的負極連接第一電容C1的輸入端,第一電容C1的輸出端分別連接第一開關管Q1的 源極和襯底、第二開關管Q2的漏極以及第二電容C2的輸入端,第二電容C2的輸出端連接第 二二極管D2的正極,第二二極管D2的負極分別連接有第二開關管Q2的源極以及電源Vs的負 極;所述第一二極管D1的負極和電源Vs的正極分別連接至采樣電路的第一輸入端和第二輸 入端,采樣電路的輸出端連接至控制器的輸入端,控制器的輸出端連接至驅動單元的輸入 端,驅動單元的第一輸出端和第二輸出端分別連接至第一開關管Q1的柵極和第二開關管Q2 的柵極。2. 根據權利要求1所述的一種三電平Boost變換器,其特征在于,所述第二二極管D2的 負極通過第二電感L2接入電源Vs的負極。3. 根據權利要求1所述的一種三電平Boost變換器,其特征在于,所述電源Vs為鉛酸電 池或鋰電池。4. 根據權利要求1所述的一種三電平Boost變換器,其特征在于,所述電感均采用鐵硅 鋁材質的磁環。
【專利摘要】本發明公開了一種三電平Boost變換器,其第一二極管D1的負極和電源Vs的正極分別連接至采樣電路的第一輸入端和第二輸入端,采樣電路的輸出端連接至控制器的輸入端,控制器的輸出端連接至驅動單元的輸入端,驅動單元的第一輸出端和第二輸出端分別連接至第一開關管Q1的柵極和第二開關管Q2的柵極,本發明的三電平Boost變換器采用合理的結構設計,在不增加額外的器件的情況下,大大降低硬開關PWM控制Boost電路的損耗。
【IPC分類】H02M3/158
【公開號】CN105450026
【申請號】CN201511024273
【發明人】袁慶民
【申請人】西安特銳德智能充電科技有限公司
【公開日】2016年3月30日
【申請日】2015年12月30日