一种升压变换器及其控制方法技术

本发明专利技术公开了一种升压变换器及其控制方法，升压变换器包括输入电源正、输出电压正、电源公共地、开关管Q1、开关管Q2、开关管Q3、开关管Q4、电感器L1，电容器C1和电容器C2；开关管Q4的源极和电容器C1的一端连接到输入电源正，开关管Q4的漏极和开关管Q3的源极连接到电感器L1的一端，开关管Q2的源极和开关管Q1的漏极连接到电感器L1的另一端，开关管Q2的漏极和开关管Q3的漏极连接到电容器C2的一端为输出电压正，开关管Q1的源极和电容器C1的另一端连接到电容器C2的另一端为电源公共地，本发明专利技术在输出输入电压之比较大的条件下将电感器L1的励磁过程分为两个阶段，使电感器L1快速励磁，在输出输入电压大比值的条件下实现升压变换器高频工作，大电流输出。

【技术实现步骤摘要】
一种升压变换器及其控制方法
本专利技术涉及开关电源，特别涉及升压变换器及其控制方法。
技术介绍
图1为具有同步整流功能的传统升压电路，电路工作在连续模式(CCM，ContinuousConductionMode)时，MOS管Q1为硬开关，MOS管Q2存在反向恢复问题，导致损耗大；电路工作在断续模式(DCM，DiscontinuousConductionMode)只是解决了MOS管Q2反向恢复问题，MOS管Q1依然为硬开关；电路工作在强制连续模式(FCCM，ForcedContinuousConductionMode)可以实现MOS管Q1的ZVS开通同时避免MOS管Q2的反向恢复，电感器L1的电流波形如图2中虚线所示，当开关频率不变，负载电流从Io1减小到Io2时负向电流就会变大，如图2中实线所示，导致损耗增加较大，通行的办法就是如图3所示升高开关频率来维持负向电流基本不变，但是负载电流进一步减小开关频率就会越来越高导致过高的开关损耗，驱动损耗，磁芯损耗等，使总损耗不降反升。输入电压变化也存在负载电流变化时损耗增加的问题，所以在较大的输入电压范围和负载范围下效率和ZVS(ZeroVoltageSwitch，零电压开关)不能实现折中优化，导致综合效率偏低的问题。图4为申请号为13/794,588，专利技术名称为《APPARATUSANDMETHODSFORCONTROLOFDISCONTINUOUSMODEPOWERCONVERTERS》的美国专利摘要附图，该专利的专利技术构思是在电感240两端并联单向开关232对电感的反向电流进行钳位，在较大输入电压范围和负载范围下实现主MOS管Q1的ZVS开通。但是输出输入电压之比值大于3时，MOS管Q1的导通时间太长和MOS管Q2的续流时间太小，大电流输出时Q1的导通时间增加较多，使升压电路难以高频化，较大的峰值电感电流使得导通损耗较大，效率降低，所以高频化，大电流和高效率难以在升压电路中实现折中。
技术实现思路
鉴于现有升压电路及其改进型专利电路和控制方式的技术缺陷，本专利技术要解决的技术问题是提出一种升压变换器及其控制方式，在较大的输入电压范围和负载范围下实现效率和所有MOS管ZVS开通的折中优化，解决在输出输入电压之比值大于3时，开关频率降低，导通损耗增加较大，难以实现高频化，大电流输出和高效率工作之间难以折中等问题。为了实现上述专利技术目的，本专利技术采用以下技术方案：一种升压变换器，包括输入电源正、输出电压正、电源公共地、开关管Q1、开关管Q2、开关管Q3、开关管Q4、电感器L1，电容器C1和电容器C2；开关管Q4的源极和电容器C1的一端连接到输入电源正，开关管Q4的漏极和开关管Q3的源极连接到电感器L1的一端，开关管Q2的源极和开关管Q1的漏极连接到电感器L1的另一端，开关管Q2的漏极和开关管Q3的漏极连接到电容器C2的一端为输出电压正，开关管Q1的源极和电容器C1的另一端连接到电容器C2的另一端为电源公共地。优选地，输出输入电压之比大于3。优选地，所述的开关管Q1、开关管Q2、开关管Q3和开关管Q4择一或者全部为MOS管、三极管或者IGBT。优选地，所述的开关管Q2和开关管Q4择一或者全部为单向导通器件，单向导通器件的阴极为开关管的漏极，单向导通器件的阳极为开关管的源极。优选地，所述的单向导通器件为二极管，二极管的阴极为单向导通器件的阴极，二极管的阳极为单向导通器件的阳极。本专利技术还提供上述升压变换器的控制方法，其特征在于：变换器工作的各循环周期依次包括四个阶段，通过开关管Q1、开关管Q2、开关管Q3和开关管Q4周期性的导通和截止，使得各阶段电感器L1两端的电压大小如下：第一阶段电感器L1两端的电压为Vo并持续一段时间T1；第二阶段电感器L1两端的电压为Vin并持续一段时间T2；第三阶段电感器L1两端的电压为Vo-Vin并持续一段时间T3；第四阶段电感器L1两端被短路电压为0并持续一段时间T4。优选地，时间T1、时间T2、时间T3和时间T4的长度可调。进一步地，当负载电流降低到第一设定值时，时间T1、时间T2和时间T3减小，时间T4变长，总的开关周期维持在误差范围之内变化。进一步地，当负载电流进一步降低到第二设定值时，时间T1减小为零，关闭开关管Q2，开关管Q3和开关管Q4的驱动。进一步地，当负载电流再进一步降低到第三设定值时，电路周期或非周期性的使所有开关管在一个或多个周期内处于关断状态。优选地，时间T4的长度随负载的增加、输入电压的降低或负载的增加和输入电压的降低而减小，直至减少至零。优选地，时间T1、时间T2、时间T3和时间T4至少其中一个之后跟随一个能量循环间隔，在此能量循环间隔内，电感器L1的电流给对应开关管的输出电容进行充电或放电。上述升压变换器可实现双向变换，输入和输出互换，得到降压输出，实现正向升压，反向降压功能，反向降压时四个阶段的顺序和正向升压时四个阶段的顺序刚好相反。具体地，将上述升压变换器的输入电源正和输出电压正互换后的控制方法，其特征在于：变换器工作的各循环周期依次包括四个阶段，通过开关管Q1、开关管Q2、开关管Q3和开关管Q4周期性的导通和截止，使得各阶段电感器L1两端的电压大小如下：第一阶段电感器L1两端被短路电压为0并持续一段时间T1’；第二阶段电感器L1两端的电压为Vo-Vin并持续一段时间T2’；第三阶段电感器L1两端的电压为Vin并持续一段时间T3’；第四阶段电感器L1两端的电压为Vo并持续一段时间T4’。术语含义说明：单向导通器件是指电流仅能从阳极流向阴极，而不能从阴极流向阳极的器件；开关管的栅极：对于MOS管指的是栅极、对于三极管指的是基极、对于IGBT指的是栅极，其它开关管依据本领域的技术人员的知识可以自行对应，不再一一列举；开关管的漏极：对于MOS管指的是漏极、对于三极管指的是集电极、对于IGBT指的是漏极，其它开关管依据本领域的技术人员的知识可以自行对应，不再一一列举；开关管的源极：对于MOS管指的是源极、对于三极管指的是发射极、对于IGBT指的是源极，其它开关管依据本领域的技术人员的知识可以自行对应，不再一一列举。本专利技术的工作原理将在具体实施例进行详细阐述，在此不重复，与现有技术相比，本专利技术具有如下有益效果：1)在全输入电压范围、全负载范围内实现了开关管Q1，开关管Q2，开关管Q3和开关管Q4的ZVS开通，且电感器L1的负向电流小，实现了综合效率高；2)在相同输出功率下电感器L1的电流IL存在两个斜率不同的励磁阶段，使电感电流的有效值降低，导通损耗减小，输出纹波降低，效率提高，容易实现大电流输出；3)输出输入电压之比较大时，开关管Q3的导通大大缩短了开关管Q1的导通时间，实现了高频化，而高频化使电感感值和电容容值降低，从而减小了电源尺寸，降低了成本。附图说明本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种升压变换器，其特征在于：包括输入电源正、输出电压正、电源公共地、开关管Q1、开关管Q2、开关管Q3、开关管Q4、电感器L1，电容器C1和电容器C2；开关管Q4的源极和电容器C1的一端连接到输入电源正，开关管Q4的漏极和开关管Q3的源极连接到电感器L1的一端，开关管Q2的源极和开关管Q1的漏极连接到电感器L1的另一端，开关管Q2的漏极和开关管Q3的漏极连接到电容器C2的一端为输出电压正，开关管Q1的源极和电容器C1的另一端连接到电容器C2的另一端为电源公共地。/n

【技术特征摘要】
1.一种升压变换器，其特征在于：包括输入电源正、输出电压正、电源公共地、开关管Q1、开关管Q2、开关管Q3、开关管Q4、电感器L1，电容器C1和电容器C2；开关管Q4的源极和电容器C1的一端连接到输入电源正，开关管Q4的漏极和开关管Q3的源极连接到电感器L1的一端，开关管Q2的源极和开关管Q1的漏极连接到电感器L1的另一端，开关管Q2的漏极和开关管Q3的漏极连接到电容器C2的一端为输出电压正，开关管Q1的源极和电容器C1的另一端连接到电容器C2的另一端为电源公共地。


2.根据权利要求1所述的升压变换器，其特征在于：输出输入电压之比大于3。


3.根据权利要求1所述的升压变换器，其特征在于：开关管Q1、开关管Q2、开关管Q3和开关管Q4择一或者全部为MOS管、三极管或者IGBT。


4.根据权利要求1所述的升压变换器，其特征在于：开关管Q2和开关管Q4择一或者全部为单向导通器件，单向导通器件的阴极为开关管的漏极，单向导通器件的阳极为开关管的源极。


5.根据权利要求4所述的升压变换器，其特征在于：单向导通器件为二极管，二极管的阴极为单向导通器件的阴极，二极管的阳极为单向导通器件的阳极。


6.一种权利要求1至5任一项所述升压变换器的控制方法，其特征在于：
变换器工作的各循环周期依次包括四个阶段，通过开关管Q1、开关管Q2、开关管Q3和开关管Q4周期性的导通和截止，使得各阶段电感器L1两端的电压大小如下：
第一阶段电感器L1两端的电压为Vo并持续一段时间T1；
第二阶段电感器L1两端的电压为Vin并持续一段时间T2；
第三阶段电感器L1两端的电压为Vo-Vin并持续一段时间T3；
第四阶段电感器L1两端被短路电压为0并持续一段时间T4...

【专利技术属性】
技术研发人员：卢鹏飞，尹向阳，
申请(专利权)人：广州金升阳科技有限公司，
类型：发明
国别省市：广东;44