專利名稱：一種低損耗的dc/dc升壓電路的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種升壓電路，尤其是指一種低損耗的DC/DC升壓電路，屬于電學(xué)中的基本電子電路技術(shù)領(lǐng)域。
如

圖1所示，為傳統(tǒng)的BOOST升壓電路，其主要包括開關(guān)裝置Q、輸入電感Lm、呈現(xiàn)反向恢復(fù)的二極管D、輸出電容C，其中開關(guān)裝置為功率開關(guān)Q。它的工作原理主要是通過控制功率開關(guān)Q的開通與關(guān)斷，來控制功率開關(guān)Q的占空比，從而實(shí)現(xiàn)輸出電壓的升壓功能和調(diào)壓功能，其電壓公式為VO＝VIN/d；(d---功率開關(guān)Q的占空比)；當(dāng)Q導(dǎo)通時，電壓VIN加在輸入電感Lm兩端，給Lm充電儲能，Lm電流上升，此時呈現(xiàn)反向恢復(fù)的二極管D反向截止；當(dāng)Q關(guān)斷時，由于Lm電感電流不能突變，呈現(xiàn)反向恢復(fù)的二極管D導(dǎo)通，VIN與電感Lm串聯(lián)，電流經(jīng)呈現(xiàn)反向恢復(fù)的二極管D給輸出電容與負(fù)載供電，電感Lm電流下降。
這種常用的DC/DC升壓電路，雖然工作原理簡單，所用電子器件較少，成本低，但是，同時也存在著如下的問題當(dāng)Q關(guān)斷時，呈現(xiàn)反向恢復(fù)的二極管D導(dǎo)通，流過正向?qū)娏?。?dāng)Q開通時，二極管D承受反向電壓，由于二極管D存在著反向恢復(fù)效應(yīng)，D并不會立刻截止，而會有電流反向流過二極管D，形成反向恢復(fù)電流，反向恢復(fù)電流與電感Lm的電流一起流過功率開關(guān)S，從而增加了Q的開通損耗和D的損耗。
尤其是輸出電壓越高時，高壓二極管的反向恢復(fù)時間更長，上述問題則更加嚴(yán)重。此外，功率開關(guān)Q的開、關(guān)頻率越高，在此電路中因反向恢復(fù)電流而造成的損耗就越大；所以，由于上述問題的存在還限制了電路工作頻率的提高。
為了解決上述問題，在專利號為94191700.2的緩沖器專利中公開了一種電流緩沖器，如圖2所示，采用一個輔助電感Ls與呈現(xiàn)反向恢復(fù)的二極管D串聯(lián)來減少反向恢復(fù)電流。通過一個電容Cs和二個二極管D1、D2能夠使輔助電感貯存的反向恢復(fù)能量轉(zhuǎn)移到輸出電容C上。從而形成了無損耗緩沖器；上述電流緩沖器存在著如下的問題當(dāng)Q關(guān)斷時，由于Lm電感電流不能突變，Lm電流從二極管D1，D2流到輸出電容，為了使電流緩沖器能夠有效工作，在Q關(guān)斷的時間內(nèi)，必須保證D1，D2支路上的電流全部轉(zhuǎn)移到Ls與D串聯(lián)的支路上去，而換流的能量完全由Cs上存儲的能量來提供，由于電容Cs上存貯的能量為(1/2)LsIrr2(Irr為二極管反向恢復(fù)電流)，因此當(dāng)Lm電流較大時，Cs上存儲的能量無法使D1，D2支路上的電流全部轉(zhuǎn)移到Ls與D串聯(lián)的支路上去，在Q開通時，由于D1，D2支路形成反向恢復(fù)電流，造成電流緩沖器沒有完全發(fā)揮作用。
本發(fā)明的電路不僅保持了現(xiàn)有電路的全部優(yōu)點(diǎn)，而且針對上述現(xiàn)有技術(shù)的不足，克服其中存在的問題，研制出一種特別適于輸入電壓范圍在220伏以下的DC/DC升壓電路。
本發(fā)明的另一目的在于提供一種消除在開關(guān)裝置接通過程中產(chǎn)生的電磁干擾現(xiàn)象的低損耗的DC/DC升壓電路。
為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用的技術(shù)方案如下一種低損耗的DC/DC升壓電路，包括第一電容Cb；輸入電感Lm，及沿著一個回路連接的開關(guān)裝置Q，反向恢復(fù)二極管D，輸出電容C，包含電感元件Ls、第一二極管D1和第二二極管D2的電流緩沖器；所述的電流緩沖器還包括連接在輸入電感(Lm)和電感元件Ls之間，用于在開關(guān)裝置Q關(guān)斷后，加速第一二極管D1的電流轉(zhuǎn)移到電感元件Ls和反向恢復(fù)二極管D組成的串連之路，在開關(guān)裝置Q打開后，加快電感元件Ls中的能量完全轉(zhuǎn)移到輸出電容C上的可控電壓源；第二電容Cs和第三二極管D3，所述電容Cs的一端、第三二極管D3的陰極與第二二極管D2的陽極相互連接，所述電容Cs的另一端、第三二極管D3的陽極與地線相連。
所述的可控電壓源是輸入電感Lm的付邊繞組電感L1。
本發(fā)明的一種連接方式如下輸入電感Lm的同名端與付邊繞組電感L1的異名端接于a點(diǎn)，第一二極管D1的陽極與開關(guān)裝置Q的一端接于a點(diǎn)，開關(guān)裝置Q的另一端接地，電感元件Ls的一端與付邊繞組電感L1的同名端接于b點(diǎn)，電感元件Ls的另一端與反向恢復(fù)二極管D的陽極、第一電容Cb的一端接于C點(diǎn)，電容Cb的另一端與第二二極管D2的陽極連接于d點(diǎn)，第一二極管D1、反向恢復(fù)的二極管D、第二二極管D2的陰極連接于輸出電容C的正極。
本發(fā)明的另一種連接方式如下輸入電感Lm的同名端、付邊繞組電感L1的同名端、反向恢復(fù)二極管D的陽極和第一電容Cb的一端共同接于h點(diǎn)，電感元件Ls的一端與付邊繞組電感L1的異名端連接于f點(diǎn)，電感元件Ls的另一端、開關(guān)裝置Q的一端與第一二極管D1的陽極共同接于g點(diǎn)，開關(guān)裝置Q的另一端接地，第二二極管D2的陽極與第一電容Cb的另一端接于d點(diǎn)，第一二極管D1、反向恢復(fù)的二極管D、第二二極管D2的陰極連接于輸出電容C的正極。
所述的第一電容Cb比所述的第二電容Cs大至少200倍。
使用本發(fā)明的有益效果在于采用一個輔助電感與續(xù)流二極管D串聯(lián)來減少反向恢復(fù)電流方法的基礎(chǔ)上，通過增加一個特殊的可控電壓源來提供電流轉(zhuǎn)移能量。當(dāng)Q關(guān)斷后，能有效的實(shí)現(xiàn)使續(xù)流電流全部轉(zhuǎn)移到Ls與D串聯(lián)的支路上去，使電流緩沖器真正發(fā)揮作用；同時將儲存的反向恢復(fù)電流能量轉(zhuǎn)移到輸出電容上，減小了能量損耗，從而提高了整個電路的效率。
同時，當(dāng)本專利用作功率因數(shù)校正電路時，可控電壓源每個開關(guān)周期的儲存能量隨該周期內(nèi)電感電流值大小而改變，電感電流值越大，儲存能量越大。反之一樣，故不會造成相關(guān)電容電壓泵升，減少了續(xù)流二極管的峰值電壓應(yīng)力，具有非常顯著的優(yōu)點(diǎn)。
圖9為圖5所示實(shí)施例2在實(shí)驗(yàn)中運(yùn)用的電路原理圖。
在這種連接方式中，輸入電感Lm與付邊繞組L1等效成一個變壓器。付邊繞組電感L1的電壓正比于輸入電感Lm兩端電壓，當(dāng)開關(guān)裝置Q關(guān)斷時，輸入電感Lm兩端電壓為輸出電壓減輸入電壓，公式如下VLm＝VO-VIN；VL1＝VLm/n(n---電感Lm與L1的匝比)；輸入電感Lm付邊繞組電感L1提供了Ls電流轉(zhuǎn)移所需的能量，同時L1與Cb、Cs、D3組成的儲能電路提供了Ls反向恢復(fù)能量的儲存通路。
為了更有利于我們對電路的分析，可把這個電路的一個開關(guān)工作周期分為8個時間段來分別進(jìn)行分析，其電路工作波形，如圖4所示。
第一階段(t0-t1)開關(guān)Q在t0時刻關(guān)斷，由于輸入電感Lm電流不能突變，a、e兩點(diǎn)間電壓迅速上升，電感Lm兩端電壓VLm由負(fù)變正，當(dāng)Vae等于輸出電壓時，二極管D1導(dǎo)通，電流ILm沿D1流至輸出電容C；隨著VLm由負(fù)變正，VL1極性也由負(fù)變正，Vb＝Va+VL1，通過Ls給Cb、Cs串聯(lián)電容充電，Ls電流開始上升。
由于在Q關(guān)斷前VCb＜0、VCs＞0、VL1＜0，且滿足VCs+VCb＝VL1；Cs《Cb(300倍)即Cb＝300Cs；因此隨Va電壓上升，VCs電壓迅速上升，當(dāng)t1時刻VCs等于輸出電壓，二極管D2導(dǎo)通，VCs被鉗位在Vo。在t1時刻，可以計(jì)算出Ls電流值ILs(t1)＝Uo[(Cb//Cs)/Ls]1/2由于ID1＝ILm-ILs，隨著ILs的上升，ID1開始逐漸下降。
第二階段(t1-t2)t1時刻VCb電壓依然為負(fù)，電壓Vb通過Ls、Cb、D2通路給Cb充電，VCb逐漸上升，Ls電流繼續(xù)上升，在t2時刻VCb等于零，二極管D導(dǎo)通，C點(diǎn)電壓被鉗位在輸出電壓，二極管D2關(guān)斷，Cb、Cs將按照電容值進(jìn)行串聯(lián)分壓。在t2時刻，Ls電流為ILs(t2)＝ILs(t1)+UL1(Cb/Ls)1/2sin[t2/(Cb·Ls)]；
第三階段(t2-t3)t2時刻Ls兩端電壓為VL1，Ls在電壓VL1的作用下線性增長；同時ILm在VLm＝VO-VIN作用下線形下降，當(dāng)ILs＝ILm時，D1斷流，電感電流將全部經(jīng)二極管D流至輸出電容。
第四階段(t3-t4)t3時刻D1斷流，此時電流ILs＝ILm＝IL1，在電壓VO-VIN的作用下，按照I＝(VO-VIN)/(Lm+Ls+L1)的斜率逐漸減小，此時L1是作為電感在工作的。
第五階段(t4-t5)t4時刻主開關(guān)管Q開通，a點(diǎn)電壓下降至零，VLm等于-VIN，Lm電流開始上升；VL1電壓變負(fù)，等于-VIN/n，其作為電感工作時儲存的能量將回饋到Lm繞組；電感Ls在電壓VO-VL1的作用下，電流逐漸減小到零，此時二極管D由于反向恢復(fù)特性的影響不會馬上關(guān)斷，Ls上將流過負(fù)電流，負(fù)電流的大小取決于二極管的反向恢復(fù)時間；隨著ILs的減小，流過Q的電流逐漸增加，Q實(shí)現(xiàn)零電流開通。
第六階段(t5-t6)續(xù)流二極管D在t5時刻截止，反向恢復(fù)現(xiàn)象結(jié)束。此時Ls的儲存能量為(1/2)LsIrr2(Irr為反向恢復(fù)電流最大值)；此時Lm電流在VIN電壓的作用下繼續(xù)上升，Cb與Cs串聯(lián)，沿Cs、Cb、Ls、L1、Q放電，VCs很快等于零，二極管D3導(dǎo)通，放電電流沿D3、Cb、Ls、L1、Q流動，形成諧振通路。在t6時刻，Ls電流下降到0，此時Ls的儲存能量全部轉(zhuǎn)移到Cb上。
此時電容Cb上存儲的能量為ECb＝(1/2)LsIrr2+(1/2)Cs(Vo-VL1)2；Cb上電壓VCb為VCb＝-ECb1/2/Cb；則二極管D上的最大的反壓為Vo-VCb。
第七階段(t6-t7)t6時刻由于Vb電壓高于Vc，因此會通過Ls給Cb、Cs串聯(lián)的電容充電，產(chǎn)生諧振，由于Cs《Cb，因此VCb基本不變，VCs會由于這個諧振的過程產(chǎn)生一系列衰減振蕩，在這個振蕩過程中VCb不會到零，因此一直相當(dāng)于Ls與Cb、Cs串聯(lián)的電容諧振，最終t7時刻VCs電壓穩(wěn)定在VL1-VCb。整個過程中損耗掉的能量為Es＝(3/2)Cs(VL1-VCb)2。當(dāng)Cs很小、VL1與VCb電壓接近時這個損耗可以忽略。
第八階段(t7-t8)t8時刻開始電路進(jìn)入正常BOOST電路的工作過程，直到下一周期開始。
實(shí)施例2如圖5所示，為本發(fā)明DC/DC升壓電路實(shí)施例2的電路原理圖；輸入電感Lm的同名端、付邊繞組電感L1的同名端、反向恢復(fù)二極管D的陽極和第一電容Cb的一端共同接于h點(diǎn)，電感元件Ls的一端與付邊繞組電感L1的異名端連接于f點(diǎn)，電感元件Ls的另一端、開關(guān)裝置Q的一端與第一二極管D1的陽極共同接于g點(diǎn)，開關(guān)裝置Q的另一端接地，第二二極管D2的陽極與第一電容Cb的另一端接于d點(diǎn)，第一二極管D1、反向恢復(fù)的二極管D、第二二極管D2的陰極連接于輸出電容C的正極。
其工作原理具體如下如圖6所示，為本發(fā)明實(shí)施例2在一個開關(guān)周期不同階段的各種波形圖。
第一階段(t0-t1)Q在t0時刻關(guān)斷，此時ILm＝IL1＝ILs，給Q寄生電容Cds充電，Vge升高，當(dāng)Vge＝VO時，D1開通，電流沿Lm、L1、Ls、D1流至輸出電容；同時ILm給Cb、Cs串聯(lián)電容充電，由于第一電容Cb的電容值是第二電容Cs的電容值的500倍，因此VCs迅速升高，同時由于Q開通時(t0時刻)有VCs＞0、VCb＜0，因此ILm可以在t1時刻將Vd充電至VO，電流沿Lm、Cb、D2流至輸出端。
在t1時刻Vhe＝Vo+VCb；Vf＝Vh-VL1；VL1＝VLm/N(N為Lm和L1的變比)。
因此此時Vgf＝VCb-VL1＜0。
第二階段(t1-t2)Lm電流沿Cb、D2及L1、Ls、D1兩條支路流到輸出端。對于Cb、D2支路，電容Cb充電使Vhe電壓升高，當(dāng)t2時刻Vhe＝VO時，二極管D開通，D2截止。對于L1、Ls、D1支路，Ls電流在電壓Vgf的作用下逐漸減小。
第三階段(t2-t3)t2時刻D開通，Vgf＝-VL1，在該電壓的作用下，ILs繼續(xù)減小到零。
第四階段(t3-t4)t3時刻D1自然截止，電流ILm全部通過D流到輸出端。ILm在VO-VIN的作用下逐漸減小。
第五階段(t4-t5)t4時刻Q開通，Vg＝0，ILs在VO-VL1電壓的作用下上升，當(dāng)ILs＝ILm時，Lm電流全部從L1、Ls、Q支路流過。此時D不會馬上關(guān)斷，關(guān)斷的時間由該二極管反向恢復(fù)時間確定。其反向恢復(fù)電流從L1、Ls、Q支路流過，大小取決于VO、Ls電感量以及D的反向恢復(fù)時間。Q開通時其電流從零逐漸增加，實(shí)現(xiàn)零電流開通；同時二極管反向恢復(fù)電流大大減小。
第六階段(t5-t6)續(xù)流二極管D在t5時刻截止，反向恢復(fù)現(xiàn)象結(jié)束。Cb與Cs串聯(lián)，沿Cs、Cb、Ls、L1、Q放電，VCs很快等于零，二極管D3導(dǎo)通，放電電流沿D3、Cb、Ls、L1、Q流動，形成諧振通路；同時L1電壓反向(小于0)。在t6時刻，二極管D反向恢復(fù)電流的能量、Cs上存儲的能量全部轉(zhuǎn)移到Cb上，此時Cb電壓達(dá)到負(fù)的最大值，ILm＝ILs。
第七階段(t6-t7)
t6時刻如果通過設(shè)計(jì)保證VL1＝VCb，則電路直接進(jìn)入第八階段。如果VL1大于VCb，則會存在Lm及Ls與Cb、Cs串聯(lián)的電容諧振的現(xiàn)象，直到滿足VL1＝VCb、ILm＝ILs時為止。由于Cs《Cb，因此諧振過程中只是Cs電壓會出現(xiàn)波動，引起很小的損耗。
第八階段(t7-t8)t8時刻開始電路進(jìn)入正常BOOST電路的工作過程，直到下一周期開始。
實(shí)施例1與實(shí)施例2雖然在連接上稍有不同，但是兩者的工作原理大致是相同的。下面通過具體的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，將本發(fā)明DC/DC升壓電路與現(xiàn)有的Boost升壓電路進(jìn)行比較，通過實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)可以看出本發(fā)明能有效的降低線路中開關(guān)裝置的損耗如圖7所示，為傳統(tǒng)的BOOST升壓電路在實(shí)驗(yàn)中的運(yùn)用電路原理圖。其中，輸入電壓VIN＝90～280VAC、輸出電壓VO＝400VDC；選用的各元器件參數(shù)如下G1為GBPC35-08(35A/800V)整流橋；C1＝C2＝1U/630V；Lm＝460uH；C450V/470uF；Q1、Q2、Q3為IRFP460(500V/20A)MOS管；DAPT30D60BCT快恢復(fù)二極管。
在上述輸入電壓范圍內(nèi)給定不同的輸入電壓，其輸入、輸出功率和總的效率如下表所示(表1)

圖8為施實(shí)例1在運(yùn)用中的電路原理圖，圖9為施實(shí)例2在運(yùn)用中的電路原理圖?？扇我膺x擇上述兩種實(shí)施例中的一種進(jìn)行對比試驗(yàn)。
其中，輸入電壓VIN＝90～280VAC、輸出電壓Vo＝400VDC；選用的各元器件參數(shù)如下G1為GBPC35-08(35A/800V)整流橋；C1＝C2＝1U/630V；Lm＝460uH；Ls＝10uH；NL1∶NLs＝48∶5；Cb＝0.1Uf/630V；Cs＝220PF/1KV；C450V/470uF；Q1、Q2、Q3為IRFP460(500V/20A)MOS管；D、D1、D2APT15D60K快恢復(fù)二極管；D3HER207F快恢復(fù)二極管；同樣，在上述輸入電壓范圍內(nèi)給定不同的輸入電壓，其輸出電壓、輸入、輸出電流及總的效率如下表所示(表2)

通過上面表1和表2實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的比較可以看出，在低壓輸入時，由于流過開關(guān)管的電流較大，發(fā)明電路作用明顯，與通常的BOOST電路相比效率提高約2％；在高壓輸入時，由于工作電流較小，發(fā)明電路效果基本與通常的BOOST電路相當(dāng)?？梢?，如為升壓到相同的輸出電壓時，本發(fā)明較適合于輸入電壓在220伏以下的電路中。
權(quán)利要求
1.一種低損耗的DC/DC升壓電路，包括第一電容(Cb)；輸入電感(Lm)，及沿著一個回路連接的開關(guān)裝置(Q)，反向恢復(fù)二極管(D)，輸出電容(C)，包含電感元件(Ls)、第一二極管(D1)和第二二極管(D2)的電流緩沖器；其特征在于，所述的電流緩沖器還包括可控電壓源，所述的可控電壓源連接在輸入電感(Lm)和電感元件(Ls)之間，用于在開關(guān)裝置(Q)關(guān)斷后，加速第一二極管(D1)的電流轉(zhuǎn)移到由感元件(Ls)和反向恢復(fù)二極管(D)組成的串聯(lián)支路上；在開關(guān)裝置(Q)打開后，加快電感元件(Ls)中的能量完全轉(zhuǎn)移到輸出電容(C)上；第二電容(Cs)和第三二極管(D3)，所述第二電容(Cs)的一端、第三二極管(D3)的陰極與第二二極管(D2)的陽極相互連接于d點(diǎn)，所述電容(Cs)的另一端、第三二極管(D3)的陽極與地線相連。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的低損耗的DC/DC升壓電路，其特征在于，所述的可控電壓源是輸入電感(Lm)的付邊繞組電感(L1)。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的低損耗的DC/DC升壓電路，其特征在于，輸入電感(Lm)的同名端與付邊繞組電感(L1)的異名端接于a點(diǎn)，第一二極管(D1)的陽極與開關(guān)裝置(Q)的一端接于a點(diǎn)，開關(guān)裝置(Q)的另一端接地，電感元件(Ls)的一端與付邊繞組電感(L1)的同名端接于b點(diǎn)，電感元件(Ls)的另一端與反向恢復(fù)二極管(D)的陽極、第一電容(Cb)的一端接于C點(diǎn)，電容(Cb)的另一端與第二二極管(D2)的陽極連接于d點(diǎn)，第一二極管(D1)、反向恢復(fù)的二極管(D)、第二二極管(D2)的陰極連接于輸出電容(C)的正極。
4.根據(jù)權(quán)利要求2所述的低損耗的DC/DC升壓電路，其特征在于，輸入電感(Lm)的同名端、付邊繞組電感(L1)的同名端、反向恢復(fù)二極管(D)的陽極和第一電容(Cb)的一端共同接于h點(diǎn)，電感元件(Ls)的一端與付邊繞組電感(L1)的異名端連接于f點(diǎn)，電感元件(Ls)的另一端、開關(guān)裝置(Q)的一端與第一二極管(D1)的陽極共同接于g點(diǎn)，開關(guān)裝置(Q)的另一端接地，第二二極管(D2)的陽極與第一電容(Cb)的另一端接于d點(diǎn)，第一二極管(D1)、反向恢復(fù)的二極管(D)、第二二極管(D2)的陰極連接于輸出電容(C)的正極。
5.根據(jù)權(quán)利要求1～4中任意一項(xiàng)所述的低損耗的DC/DC升壓電路，其特征在于所述的第一電容(Cb)比所述的第二電容(Cs)大至少200倍。
全文摘要
一種低損耗的DC/DC升壓電路，在現(xiàn)有的電流緩沖器上還包括在輸入電感Lm和電感元件Ls之間，連接一可控電壓源，所述的可控電壓源用于在開關(guān)裝置Q關(guān)斷后，加速第一二極管D1的電流轉(zhuǎn)移到由感元件Ls和反向恢復(fù)二極管D組成的串聯(lián)支路上；在開關(guān)裝置Q打開后，加快電感元件Ls中的能量完全轉(zhuǎn)移到輸出電容C上；第二電容Cs和第三二極管D3，所述第二電容Cs的一端、第三二極管D3的陰極與第二二極管D2的陽極相互連接于d點(diǎn)，所述電容Cs的另一端、第三二極管D3的陽極與地線相連。本升壓電路最大的優(yōu)點(diǎn)是減小了能量損耗，提高了整個電路的效率。
文檔編號H02M3/07GK1457136SQ0311922
公開日2003年11月19日 申請日期2003年3月5日 優(yōu)先權(quán)日2003年3月5日
發(fā)明者袁鑫 申請人:艾默生網(wǎng)絡(luò)能源有限公司