IPOP三电平Buck变换器、级联系统及其控制方法技术方案

技术编号:15447996 阅读:278 留言:0更新日期:2017-05-29 22:44
本发明专利技术公开了一种IPOP三电平Buck变换器、级联系统及其控制方法,其中变换器包括开关管Q

IPOP three level Buck converter, cascade system and control method thereof

The invention discloses a IPOP three level Buck converter, a cascade system and a control method thereof, wherein the converter comprises a switch tube Q

【技术实现步骤摘要】
IPOP三电平Buck变换器、级联系统及其控制方法
本专利技术涉及一种三电平Buck变换器,特别是涉及一种IPOP(InputparallelOutputparallel,输入并联输出并联)三电平Buck变换器、级联系统及其控制方法,属于电力电子变换器

技术介绍
随着电力电子技术的飞速发展,人们对于高性能和高可靠性的电子产品的需求越来越强烈。传统的Buck变换器适用作大功率的降压变换器,但是对于超大功率应用场合,需采用承担功率更高的开关管,且容易过热发生事故。传统的三电平Buck变换器则有效地缓解了这个问题,适用于高电压低电流的大功率场合,但是对于大电流的应用场合,也易造成开关管的损坏。目前,对于电子产品的研发仍按照客户要求定制,开发时间较长,不利于产品可靠性和性能的提高。因此,电力电子系统集成、模块化技术是当今研究热点。目前,针对高电压高电流的应用场合的解决方法有如下方法:(1)提高电子元器件的参数要求。这方法通过提高元器件的耐压和最大通过电流值来满足要求,但大大增加了研发成本。(2)DC-DC变换器串并联组合系统。组合系统采用标准化的变换器模块,有效地减少了研发成本,缩短了开发周期,减小了单个开关管承担的功率,降低了设计难度。如图1所示为传统的三电平Buck变换器,其仍存在电感体积大、不能实现高功率密度的不足。
技术实现思路
本专利技术的主要目的在于,克服现有技术中的不足,提供一种IPOP三电平Buck变换器、级联系统及其控制方法,可有效地减小开关管所需承受的功率,满足应用要求。为了达到上述目的,本专利技术所采用的技术方案是:一种IPOP三电平Buck变换器,其特征在于:包括开关管Q1、开关管Q2、开关管Q3和开关管Q4共4个开关管,二极管D1和二极管D2共2个二极管,电感L1、电感L2和电感L3共3个电感,以及电容C1、电容C2、电容C3和电容C4共4个电容;所述电容C1的一端、开关管Q1的漏极和开关管Q3的漏极均与位于输入端的电压源的正极相连,所述电容C1的另一端分别与电容C2的一端、电感L1的一端相连,所述电容C2的另一端、二极管D1的正极、二极管D2的正极和电容C4的一端均与位于输入端的电压源的负极相连,所述电感L1的另一端分别与开关管Q1的源极、开关管Q2的漏极和开关管Q4的源极相连,所述开关管Q2的源极分别与二极管D1的负极、电感L3的一端相连,所述开关管Q4的漏极分别与开关管Q3的源极、电容C3的一端相连,所述电容C3的另一端分别与二极管D2的负极、电感L2的一端相连,所述电感L2的另一端分别与电感L3的另一端、电容C4的另一端相连,所述电容C4的两端用于接入负载。进一步地:所述开关管Q1、开关管Q2、开关管Q3和开关管Q4均为MOSFET管。进一步地:具有4种工作模态,分别为,模态1:开关管Q2和开关管Q3均开通,开关管Q1和开关管Q4均关断,电容C2经开关管Q2给电感L3和负载输出能量,电容C1经开关管Q3给电感L2和负载输出能量,电容C3为处于充电状态的飞跨电容;模态2:开关管Q4导通,开关管Q1、开关管Q2和开关管Q3均关断,电感L2和电感L3给负载输出能量,电容C3为通过开关管Q4向电容C2放电的飞跨电容;模态3:开关管Q3导通,开关管Q1、开关管Q2和开关管Q4均关断,电容C1给电感L2和负载输出能量,电感L3给负载输出能量,电容C3为处于充电状态的飞跨电容;模态4:开关管Q2和开关管Q4均导通,开关管Q1和开关管Q3均关断,电压源经开关管Q2给电感L3和负载输出能量,电感L2通过二极管D2对负载输出能量,电容C3为通过开关管Q4、二极管D2对电容C2放电的飞跨电容。进一步地:当占空比d大于0.5时,该IPOP三电平Buck变换器在一个开关周期内的工作过程依次为模态1、模态4、模态3、模态4;当占空比d小于0.5时,该IPOP三电平Buck变换器在一个开关周期内的工作过程依次为模态4、模态2、模态4、模态3。本专利技术还提供一种级联系统,包括N个前述的IPOP三电平Buck变换器,以及位于输入端的电压源和位于输出端的负载;所述N个IPOP三电平Buck变换器的首尾顺次相连,并保持每个IPOP三电平Buck变换器的首端均与电压源相连、尾端均与负载相连;其中,N为大于等于2的自然数。本专利技术还提供一种级联系统的控制方法,包括以下步骤:1)构建前述的级联系统,在N个并联的IPOP三电平Buck变换器中指定一个IPOP三电平Buck变换器为主模块,剩余的N-1个并联的IPOP三电平Buck变换器均指定为从模块;2)主模块的电流基准信号由位于输入端的电压运算放大器的基准电压Vref和反馈输出电压Vo做差得到,将主模块的电流基准信号经放大后与主模块的反馈电流比较,从而产生电压控制信号;3)从模块的电压运算放大器以跟随器的方式接入,主模块的电压误差信号输入到各从模块的电压运算放大器的输入端,使得从模块的输出电流与主模块的误差电压成正比,从而实现无论负载如何变化,主模块和各从模块的输出电流均相等。与现有技术相比,本专利技术具有的有益效果是:1、本专利技术提供的IPOP三电平Buck变换器,通过开关管Q1和开关管Q2串联,然后与开关管Q3和电容C3的串联电路并联,再于开关管Q1和开关管Q3的源极之间串联上开关管Q4;不仅具有减小开关管承受电压,减小滤波电感的优点;而且通过合理地控制开关管的导通顺序,可有效地减小开关管所需承受的电压及最大电流,从而适用于高电压大电流的应用场合。2、本专利技术提供的级联系统,可实现变换器的模块化,适用于标准化模块、标准化通讯等应用场合。3、本专利技术提供的级联系统的控制方法,采用指定主从法,基于交错控制,使得输出电压、电流的纹波大大减小,有利于进一步提高变换器的性能和可靠度。上述内容仅是本专利技术技术方案的概述,为了更清楚的了解本专利技术的技术手段,下面结合附图对本专利技术作进一步的描述。附图说明图1为传统的三电平Buck变换器的电路示意图;图2为本专利技术的IPOP三电平Buck变换器的电路示意图;图3为本专利技术的IPOP三电平Buck变换器的工作模态示意图;图3(a)为本专利技术的IPOP三电平Buck变换器工作于模态1的示意图;图3(b)为本专利技术的IPOP三电平Buck变换器工作于模态2的示意图;图3(c)为本专利技术的IPOP三电平Buck变换器工作于模态3的示意图;图3(d)为本专利技术的IPOP三电平Buck变换器工作于模态4的示意图;图4为本专利技术的级联系统的电路示意图;图5为本专利技术的级联系统的控制框图。具体实施方式下面结合说明书附图,对本专利技术作进一步的说明。本专利技术提供一种IPOP三电平Buck变换器,如图2所示,包括开关管Q1、开关管Q2、开关管Q3和开关管Q4共4个开关管,二极管D1和二极管D2共2个二极管,电感L1、电感L2和电感L3共3个电感,以及电容C1、电容C2、电容C3和电容C4共4个电容;其中电容C3为飞跨电容,所述开关管Q1、开关管Q2、开关管Q3和开关管Q4均为MOSFET管。所述电容C1的一端、开关管Q1的漏极和开关管Q3的漏极均与位于输入端的电压源Vin的正极相连,所述电容C1的另一端分别与电容C2的一端、电感L1的一端相连,所述电容C2的另一端、二极管D1的正极、二本文档来自技高网...
IPOP三电平Buck变换器、级联系统及其控制方法

【技术保护点】
一种IPOP三电平Buck变换器,其特征在于:包括开关管Q

【技术特征摘要】
1.一种IPOP三电平Buck变换器,其特征在于:包括开关管Q1、开关管Q2、开关管Q3和开关管Q4共4个开关管,二极管D1和二极管D2共2个二极管,电感L1、电感L2和电感L3共3个电感,以及电容C1、电容C2、电容C3和电容C4共4个电容;所述电容C1的一端、开关管Q1的漏极和开关管Q3的漏极均与位于输入端的电压源的正极相连,所述电容C1的另一端分别与电容C2的一端、电感L1的一端相连,所述电容C2的另一端、二极管D1的正极、二极管D2的正极和电容C4的一端均与位于输入端的电压源的负极相连,所述电感L1的另一端分别与开关管Q1的源极、开关管Q2的漏极和开关管Q4的源极相连,所述开关管Q2的源极分别与二极管D1的负极、电感L3的一端相连,所述开关管Q4的漏极分别与开关管Q3的源极、电容C3的一端相连,所述电容C3的另一端分别与二极管D2的负极、电感L2的一端相连,所述电感L2的另一端分别与电感L3的另一端、电容C4的另一端相连,所述电容C4的两端用于接入负载。2.根据权利要求1所述的IPOP三电平Buck变换器,其特征在于:所述开关管Q1、开关管Q2、开关管Q3和开关管Q4均为MOSFET管。3.根据权利要求1所述的IPOP三电平Buck变换器,其特征在于:具有4种工作模态,分别为,模态1:开关管Q2和开关管Q3均开通,开关管Q1和开关管Q4均关断,电容C2经开关管Q2给电感L3和负载输出能量,电容C1经开关管Q3给电感L2和负载输出能量,电容C3为处于充电状态的飞跨电容;模态2:开关管Q4导通,开关管Q1、开关管Q2和开关管Q3均关断,电感L2和电感L3给负载输出能量,电容C3为通过开关管Q4向电容C2放电的飞跨电容;模态3:开关管Q3导通,开关管Q1、开关管Q2和开关管Q4均关断,电容C1...

【专利技术属性】
技术研发人员:傅强史旭李倩俞今佳宗丽莉盛伟周凡
申请(专利权)人:河海大学常州校区
类型:发明
国别省市:江苏,32

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