一种三电平开关电源系统技术方案

本实用新型专利技术公开了一种三电平开关电源系统，包括依次相连的BOOST变换器、谐振变换器和整流电路；所述第一开关管与所述第二开关管串联，所述第二开关管的源极所述第二二极管的阴极相连，所述第二二极管的阳极与所述谐振变换器相连，所述第二二极管设于所述负极母线上，所述第一电容的一端与所述第一二极管的阴极相连。仅需要一个电感的条件下，三电平BOOST变压器采用交错驱动，电感电流的纹波大幅减小，可有效减少电感损耗，有效抑制母线电容上的纹波电压和纹波电流，并且由BOOST变换器、谐振变换器和整流电路组成功率半导体器件耐压等级减半的高效、低成本和高可靠性的开关电源。

A Three-level Switching Power Supply System

【技术实现步骤摘要】
一种三电平开关电源系统
本技术涉及电子电力变换
，尤其涉及高压输入低压输出DC/DC车载开关电源。
技术介绍
车载DC/DC变换器，作为电动汽动力系统中很重要的一部分，它的主要作用是为动力转向系统，空调以及其他辅助设备提供所需的电力。它的功能是将动力电池的高压电转换为低压给车载设备供电。参照图1，常用的两级DC/DC变换设计方案为“BOOST变换器+LLC变换器”，但存有以下缺点：(1)纹波电流大，要减小输入端和母线上的纹波电压，则输入电容和母线电容需要选用容量较大的电解电容来进行滤波，而电解电容本身具有体积大、高温下寿命短、温度特性差、耐电流纹波能力弱等不可克服的缺点。另外车载DC/DC产品需要在-40℃环境下指标不下降，当前能适用-40℃的高压电解电容不属于常规器件，难以生产；(2)电流纹波大导致Boost电感损耗大，增加散热压力；此外电流纹波大也会增加滤波电容数量，增加成本与尺寸。(3)功率管平台电压高，因输入电压最高已达750V，功率器件平台电压考虑80％降额则开关管需要选择1kV以上的功率半导体器件，当前700V以上的功率半导体器件性能，无论是开关特性、导通电阻、成本还是可替代性均比650V/600V功率半导体器件差得多。参照图2，常用的两级DC/DC变换设计方案还有“交错并联Boost变换器+交错并联LLC变换器”，该方案每一级的电流纹波都相对较小，因此输入电容和BUS电容不需要很大的容量来抑制纹波电压，但存有以下缺点：(1)LLC交错并联均流度极度依赖谐振腔参数，硬件参数的一致性差异会导致LLC不均流；(2)功率半导体器件电压等级高；(3)Boost电感损耗大。
技术实现思路
本技术所要解决的技术问题是：提供一种功率半导体器件耐压等级减半的三电平开关电源系统。为了解决上述技术问题，本技术采用的技术方案为：一种三电平开关电源系统，包括依次相连的BOOST变换器、谐振变换器和整流电路，所述BOOST变换器包括电感、第一开关管、第二开关管、第一二极管、第二二极管、第一电容、第二电容、正极母线和负极母线；所述正极母线上设有电感，所述电感与所述第一二极管的阳极相连，所述第一二极管的阴极与所述谐振变换器相连，所述第一开关管的漏极与所述第一二极管的阳极相连，所述第一开关管与所述第二开关管串联，所述第二开关管的源极所述第二二极管的阴极相连，所述第二二极管的阳极与所述谐振变换器相连，所述第二二极管设于所述负极母线上，所述第一电容的一端与所述第一二极管的阴极相连，所述第一电容的另一端与所述第一开关管的源极相连，所述第二电容的一端与所述第一电容的另一端相连，所述第二电容的另一端与所述第二二极管的阳极相连。进一步的，所述谐振变换器为LLC谐振变换器。进一步的，所述谐振变换器包括第一谐振变换器和第二谐振变换器，所述第一谐振变换器的输入端连接在所述第一电容的两端，所述第二谐振变换器的输入端连接在所述第二电容的两端。进一步的，所述整流电路包括第一整流电路和第二整流电路，所述第一整流电路的输入端与所述第一谐振变换器的输出端相连，所述第二整流电路的输入端与所述第二谐振变换器的输出端相连，所述第一整流电路和所述第二整流电路的输出端串联。进一步的，还包括第三电容，所述第三电容的一端与正极母线相连，所述第三电容的另一端与负极母线相连。进一步的，所述第一电容、第二电容和第三电容均为薄膜电容、MLCC电容、超级电容、钽电容或铌电容。本技术的有益效果在于：仅需要一个电感的条件下，三电平BOOST变压器采用交错驱动，电感电流的纹波大幅减小，可有效减少电感损耗，有效抑制母线电容上的纹波电压和纹波电流，并且由BOOST变换器、谐振变换器和整流电路组成功率半导体器件耐压等级减半的高效、低成本和高可靠性的开关电源。附图说明图1为现有的DC/DC变换设计方案；图2为现有的另一种DC/DC变换设计方案；图3为本技术的三电平BOOST开关电源实施例一的电路图；图4为现有BOOST与本技术的电感电流纹波波形对比示意图；图5为本技术的电感电流纹波与现有BOOST电感电流纹波比值随电压变化示意图；图6为本技术的BOOST电感磁芯损耗比值随电压变化示意图；图7为现有Boost和本技术Boost的母线电容纹波电压波形对比示意图；图8为250V输入，27.5V/120A输出时第一电容上的纹波电压波形示意图；图9为250V输入，27.5V/120A输出时第一电容、第二电容上的纹波电流波形示意图。标号说明：L、电感；Q1、第一开关管；Q2、第二开关管；D1、第一二极管；D2、第二二极管；C1、第一电容；C2、第二电容；C3、第三电容。具体实施方式为详细说明本技术的
技术实现思路
、所实现目的及效果，以下结合实施方式并配合附图予以说明。本技术最关键的构思在于：仅需要一个电感的条件下，三电平BOOST变压器采用交错驱动，电感电流的纹波大幅减小，有效抑制母线电容上的纹波电压和纹波电流。请参照图1至图9，一种三电平开关电源系统，包括依次相连的BOOST变换器、谐振变换器和整流电路，所述BOOST变换器包括电感L、第一开关管Q1、第二开关管Q2、第一二极管D1、第二二极管D2、第一电容C1、第二电容C2、正极母线和负极母线；所述正极母线上设有电感L，所述电感与所述第一二极管D1的阳极相连，所述第一二极管D1的阴极与所述谐振变换器相连，所述第一开关管Q1的漏极与所述第一二极管D1的阳极相连，所述第一开关管Q1与所述第二开关管Q2串联，所述第二开关管Q2的源极所述第二二极管D2的阴极相连，所述第二二极管D2的阳极与所述谐振变换器相连，所述第二二极管D2设于所述负极母线上，所述第一电容C1的一端与所述第一二极管D1的阴极相连，所述第一电容C1的另一端与所述第一开关管Q1的源极相连，所述第二电容C2的一端与所述第一电容C1的另一端相连，所述第二电容C2的另一端与所述第二二极管D2的阳极相连。本技术的工作原理简述如下：第一开关管与第二开关管的驱动相位相差180°，形成交错控制方式，通过控制第一开关管和第二开关管的开通占空比，进而控制第一电容和第二电容的电压，使两个电容的电压相等。从上述描述可知，本技术的有益效果在于：仅需要一个电感的条件下，三电平BOOST变压器采用交错驱动，电感电流的纹波大幅减小，可有效减少电感损耗，有效抑制母线电容上的纹波电压和纹波电流，并且由BOOST变换器、谐振变换器和整流电路组成功率半导体器件耐压等级减半的高效、低成本和高可靠性的开关电源。进一步的，所述谐振变换器为LLC谐振变换器。由上述描述可知，LLC谐振换换器的开关损耗小，适合应用于高频化。进一步的，所述谐振变换器包括第一谐振变换器和第二谐振变换器，所述第一谐振变换器的输入端连接在所述第一电容C1的两端，所述第二谐振变换器的输入端连接在所述第二电容C2的两端。进一步的，所述整流电路包括第一整流电路和第二整流电路，所述第一整流电路的输入端与所述第一谐振变换器的输出端相连，所述第二整流电路的输入端与所述第二谐振变换器的输出端相连，所述第一整流电路和所述第二整流电路的输出端串联。由上述描述可知，串联的第一整流电路和第二整流电路可减少电子元器件的使本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种三电平开关电源系统，其特征在于：包括依次相连的BOOST变换器、谐振变换器和整流电路，所述BOOST变换器包括电感、第一开关管、第二开关管、第一二极管、第二二极管、第一电容、第二电容、正极母线和负极母线；所述正极母线上设有电感，所述电感与所述第一二极管的阳极相连，所述第一二极管的阴极与所述谐振变换器相连，所述第一开关管的漏极与所述第一二极管的阳极相连，所述第一开关管与所述第二开关管串联，所述第二开关管的源极所述第二二极管的阴极相连，所述第二二极管的阳极与所述谐振变换器相连，所述第二二极管设于所述负极母线上，所述第一电容的一端与所述第一二极管的阴极相连，所述第一电容的另一端与所述第一开关管的源极相连，所述第二电容的一端与所述第一电容的另一端相连，所述第二电容的另一端与所述第二二极管的阳极相连。

【技术特征摘要】
1.一种三电平开关电源系统，其特征在于：包括依次相连的BOOST变换器、谐振变换器和整流电路，所述BOOST变换器包括电感、第一开关管、第二开关管、第一二极管、第二二极管、第一电容、第二电容、正极母线和负极母线；所述正极母线上设有电感，所述电感与所述第一二极管的阳极相连，所述第一二极管的阴极与所述谐振变换器相连，所述第一开关管的漏极与所述第一二极管的阳极相连，所述第一开关管与所述第二开关管串联，所述第二开关管的源极所述第二二极管的阴极相连，所述第二二极管的阳极与所述谐振变换器相连，所述第二二极管设于所述负极母线上，所述第一电容的一端与所述第一二极管的阴极相连，所述第一电容的另一端与所述第一开关管的源极相连，所述第二电容的一端与所述第一电容的另一端相连，所述第二电容的另一端与所述第二二极管的阳极相连。2.根据权利要求1所述的三电平开关电源系统，其特征在于：所述谐振变换器...

【专利技术属性】
技术研发人员：罗瑞杰，何伟军，吕有根，
申请(专利权)人：深圳市英可瑞科技股份有限公司，
类型：新型
国别省市：广东,44