一種三電平Boost變換器的制造方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于電力電子技術(shù)領(lǐng)域，涉及一種三電平Boost變換器。
【背景技術(shù)】
[0002] Boost變換器是一種開關(guān)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(yīng)力降低一半，因此應(yīng)用范圍很廣，三電平Boost電路最初為典型的PWM硬 開關(guān)電路，后來為了提升動態(tài)特性、降低磁性元件體積，提高電路效率，逐漸發(fā)展出多種軟 開關(guān)變形電路;但由于軟開關(guān)電路必須增加額外的器件才能實現(xiàn)，導(dǎo)致成本增加、控制難度 增大等問題，因此在實際應(yīng)用中，PWM控制的硬開關(guān)三電平Boost變換器仍然具有很大的應(yīng) 用價值，但是傳統(tǒng)的三電平Boost變換器控制兩個交錯驅(qū)動，通常情況下，開關(guān)管的驅(qū)動頻 率往往達(dá)到數(shù)十kHz，多數(shù)在20kHz~40kHz，而由于開關(guān)管頻率固定不變，導(dǎo)致三電平Boost 變換器的開關(guān)損耗大大增加。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0003]為了解決上述問題，本發(fā)明提出一種三電平Boost變換器，采用合理的結(jié)構(gòu)設(shè)計， 在不增加額外的器件的情況下，大大降低硬開關(guān)PWM控制Boost電路的損耗。
[0004] 為了達(dá)到上述目的，本發(fā)明采用的技術(shù)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(guān)管Q1 的漏極和第一二極管D1的正極，第一二極管D1的負(fù)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(guān)管Q1的源極和襯底、第二開關(guān)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(fù)極分別連接有 第二開關(guān)管Q2的源極以及電源Vs的負(fù)極;所述第一二極管D1的負(fù)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(qū)動單元的輸入端，驅(qū)動單元的第一輸出端和第二輸出端分別連接至 第一開關(guān)管Q1的柵極和第二開關(guān)管Q2的柵極。
[0005]進(jìn)一步的，所述第二二極管D2的負(fù)極通過第二電感L2接入電源Vs的負(fù)極。
[0006] 進(jìn)一步的，所述電源Vs為鉛酸電池或鋰電池。
[0007]進(jìn)一步的，所述電感均采用鐵硅鋁材質(zhì)的磁環(huán)。
[0008]本發(fā)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(jù)存儲在控制器中的由具體磁性材料計算所得的Vs與開關(guān)管工作頻率的關(guān)系，控制 器輸出該Vs時，開關(guān)管對應(yīng)的占空比，控制驅(qū)動單元輸出的驅(qū)動頻率f;在該驅(qū)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(qū)動單元輸出的占空比D，如果小于需求值，增加驅(qū)動單元輸出的占空比D。
[0009] 硬開關(guān)Boost電路的損耗由開關(guān)損耗和導(dǎo)通損耗兩部分組成，本發(fā)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(fā)明的三電平Boost變換器通過合理的結(jié)構(gòu)設(shè)計，使電路的開關(guān)頻率隨輸入電壓的減小 和逐步降低，通過降低開關(guān)頻率大大減小開關(guān)損耗，從而實現(xiàn)降低整個電路損耗的目的。
[0010]進(jìn)一步的，本發(fā)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(shù)可以降低，第一電感L1和第二電感L2的總感量相對于傳統(tǒng)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(guān)頻率f。
【附圖說明】
[0011]圖1是本發(fā)明三電平Boost變換器原理圖。
[0012]圖2是本發(fā)明實施原理圖中關(guān)鍵點波形圖。
[0013]圖3是本發(fā)明實際參數(shù)舉例中的頻率與輸入電壓關(guān)系曲線。
[0014] 圖4是本發(fā)明鐵硅鋁磁芯磁場強度與跌落系數(shù)的關(guān)系曲線。
【具體實施方式】
[0015] 下面結(jié)合附圖和【具體實施方式】對本發(fā)明進(jìn)行詳細(xì)說明。
[0016] 如圖1所示，本發(fā)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(guān)管Q1的漏極和第一二極管D1的正 極，第一二極管D1的負(fù)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(guān)管Q1的源極、第二開關(guān)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(fù)極分別連接有第二開關(guān)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(fù)極;所述第一二極管D1的負(fù)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(qū)動單元的輸入端，驅(qū)動單元的第一輸出端和第二輸出端 分別連接至第一開關(guān)管Q1的柵極和第二開關(guān)管Q2的柵極，圖1中，控制信號Qgl從驅(qū)動單元 的第一輸出端連接至第一開關(guān)管Q1的柵極，控制信號Qg2從驅(qū)動單元的第二輸出端連接至 第二開關(guān)管Q2的柵極。
[0017] 如圖2,本發(fā)明的實施方案是根據(jù)輸入電壓的變化，使開關(guān)管的工作頻率在一定范 圍內(nèi)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(guān)管和第二開關(guān)管交替發(fā)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(guān)頻率下降，輸入電壓Vs與開關(guān)頻率 之間的關(guān)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(shù)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(shù)K_L= 0.25;電感初始感量L0 =390uH，采用鐵娃錯材質(zhì)的磁環(huán)，磁路1 = 0.1074m，共38阻。
[0024]L(Vs)函數(shù)與電感的材質(zhì)，繞線匝數(shù)也有關(guān)系，在上述的實際參數(shù)下，電感量的跌 落系數(shù)遵循圖4的曲線，橫軸為磁場強度，它與Vs的關(guān)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(jù)實例參數(shù)獲得的頻率與輸入電壓的關(guān)系曲線如圖3,可以看出在330V輸入時 的開關(guān)頻率為2kHz，420V輸入電壓時開關(guān)頻率為30kHz。這就意味著，相比于傳統(tǒng)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(guān)損耗最高降低了15倍； [0028]開關(guān)損耗Psw與開關(guān)頻率f正相關(guān)：
[0029] Psw=kevery*f；
[0030]其中k_ry為每個開關(guān)周期的開關(guān)損耗，因此本發(fā)明降低的開關(guān)頻率可以大大降低 三電平Boost變換器的開關(guān)損耗。
[0031]此外，由于在磁場強度變大時，電感量跌落系數(shù)迅速變大，故本發(fā)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(shù)可以降低，兩個電感的 總感量相對于傳統(tǒng)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(guān)頻率f。
【主權(quán)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(guān)管Q1的漏極和第一二極管D1的正極，第一 二極管D1的負(fù)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(guān)管Q1的 源極和襯底、第二開關(guān)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(fù)極分別連接有第二開關(guān)管Q2的源極以及電源Vs的負(fù) 極;所述第一二極管D1的負(fù)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(qū)動單元的輸入 端，驅(qū)動單元的第一輸出端和第二輸出端分別連接至第一開關(guān)管Q1的柵極和第二開關(guān)管Q2 的柵極。2. 根據(jù)權(quán)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(fù)極通過第二電感L2接入電源Vs的負(fù)極。3. 根據(jù)權(quán)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(jù)權(quán)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(zhì)的磁環(huán)。
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種三電平Boost變換器，其第一二極管D1的負(fù)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(qū)動單元的輸入端，驅(qū)動單元的第一輸出端和第二輸出端分別連接至第一開關(guān)管Q1的柵極和第二開關(guān)管Q2的柵極，本發(fā)明的三電平Boost變換器采用合理的結(jié)構(gòu)設(shè)計，在不增加額外的器件的情況下，大大降低硬開關(guān)PWM控制Boost電路的損耗。
【IPC分類】H02M3/158
【公開號】CN105450026
【申請?zhí)枴緾N201511024273
【發(fā)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