一种宽输出范围的双向升降压电路和测试电源的制作方法

1.本实用新型涉及大功率测试电源领域，特别涉及一种宽输出范围的双向升降压电路和测试电源，可用于大功率交直流输出测试电源领域。


背景技术：

2.在直流测试电源中，需要其后级直流输出电压范围宽，在现有技术中，输出高压时往往需要使用高压开关管或者使用两套独立输入直流母线的电路进行串联，不仅增加测试成本，也影响系统效率。使用高压开关管由于器件自身特性，开关频率低，造成系统动态特性差，而且损耗大；使用两套独立母线电源电路串联，虽然也采用低压开关管，但是由于需要独立直流母线，前级需要两套整流电路来提供独立母线，增加使用成本。
3.本文提出的方案采用低压开关管，共用直流母线(前级只需要一套整流电路)，不仅能够降低成本，实现宽范围的电压输出，而且提高了系统使用效率。


技术实现要素：

4.本实用新型为了解决现有技术在测试电源输出高压时，需要使用高压开关管或者使用开关管串联方式，造成系统输出效率较低、硬件成本较高的技术问题，提出了一种宽输出范围的双向升降压电路和测试电源，采用共用输入直流母线，在不使用更高耐压开关管的情况下，有效提高了电压输出范围。
5.本实用新型的技术解决方案是：
6.一种宽输出范围的双向升降压电路，其特殊之处在于：包括第一单元电路和第二单元电路；
7.所述第一单元电路为双向buck/boost电路，包括接在直流母线输入端与地之间的第一电容c1、第一开关管v1、第二开关管v2、第一电感l1以及连接在输出电源高端与地之间的第二电容c2；所述第一开关管v1的栅极接外部驱动信号pwm1，其漏极与直流母线输入端连接，其源极与第二开关管v2的漏极及第一电感l1的一端连接；所述第一电感l1的另一端与输出电源高端连接；所述第二开关管v2的源极接地，其栅极接外部驱动信号pwm2；
8.所述第二单元电路为双向buck
‑
boost电路，包括接在直流母线输入端与地之间的第三电容c3、第三开关管v3、第四开关管v4、第二电感l2，以及连接在地与输出电源低端之间的第四电容c4；所述第三开关管v3的栅极接外部驱动信号pwm3，漏极与直流母线输入端连接，源极与第四开关管v4的漏极及第二电感l2的一端连接；所述第二电感l2的另一端接地；所述第四开关管v4的源极与输出电源低端连接，栅极接外部驱动信号pwm4。
9.进一步地，所述第一开关管v1、第二开关管v2、第三开关管v3及第四开关管v4承受最大电压均不超过输入电压。
10.进一步地，所述第一开关管v1、第二开关管v2、第三开关管v3及第四开关管v4均为igbt或mosfet。
11.同时，本实用新型还提供了一种宽输出范围测试电源，包括电压反馈控制电路、电
流反馈控制电路、pwm生成电路及双向升降压电路；
12.所述电压反馈控制电路包括第一电压采样处理单元、第一电压环及第二电压采样处理单元、第二电压环；所述电流反馈控制电路包括电流采样处理单元、第一电流环和第二电流环；
13.所述第一电压采样处理单元的输入端连接输出电源高端，其输出端连接第一电压环的一个输入端；所述第一电压环的另一个输入端连接参考电压vref，其输出端连接第一电流环的一个输入端；所述第二电压采样处理单元的输入端连接输出电源低端，其输出端连接第二电压环的一个输入端；所述第二电压环的另一个输入端连接参考电压vref，其输出端连接第二电流环的一个输入端；
14.所述电流采样处理单元的采样端串接在输出电源高端，其输出端分别连接第一电流环及第二电流环的另一输入端；
15.所述pwm生成电路包括第一pwm生成单元和第二pwm生成单元；所述第一pwm生成单元的输入端连接第一电流环的输出端，其输出端包括驱动信号pwm1和pwm2；所述第二pwm生成单元的输入端连接第二电流环的输出端，其输出端包括驱动信号pwm3和pwm4；
16.所述双向升降压电路包括共直流母线输入端的第一单元电路和第二单元电路；所述第一单元电路为双向buck/boost电路，其输入端与驱动信号pwm1和pwm2分别连接，输出端与输出电源高端连接；所述第二单元电路为双向buck
‑
boost电路，其输入端与驱动信号pwm3和pwm4分别连接，输出端输出电源低端连接。
17.进一步地，所述第一单元电路包括连接在直流母线输入端与地之间的第一电容c1、第一开关管v1、第二开关管v2、第一电感l1，以及连接在输出电源高端与地之间的第二电容c2；所述第一开关管v1的栅极连接驱动信号pwm1，漏极与直流母线输入端连接，源极与第二开关管v2的漏极及第一电感l1的一端连接；第一电感l1的另一端与输出电源高端连接；所述第二开关管v2的源极接地，栅极连接驱动信号pwm2；
18.所述第二单元电路包括接在直流母线输入端与地之间的第三电容c3、第三开关管v3、第四开关管v4、第二电感l2，以及连接在地与输出电源低端之间的第四电容c4；所述第三开关管v3的栅极连接驱动信号pwm3，漏极与直流母线输入端连接，源极与第四开关管v4的漏极及第二电感l2的一端连接；所述第二电感l2的另一端接地；所述第四开关管v4的源极与输出电源低端连接，栅极连接驱动信号pwm4。
19.进一步地，所述第一开关管v1、第二开关管v2、第三开关管v3及第四开关管v4承受最大电压均不大于直流母线输入端电压。
20.进一步地，所述第一开关管v1、第二开关管v2、第三开关管v3及第四开关管v4均为igbt或mosfet。
21.本实用新型与现有技术相比，其有益效果如下：
22.1)、本实用新型一种测试电源的宽输出范围的双向升降压电路，采用共用输入直流母线，所采用的第一单元电路为双向buck/boost电路，第二单元电路为双向buck
‑
boost电路，在不使用更高耐压开关管的情况下，实现高输出电压。有效提高了电压输出范围，提升了电路的利用率，降低了系统硬件的尺寸及成本。
23.2)、本实用新型测试电源的宽输出范围的双向升降压电路，共用直流母线且后级电路串联控制，不仅提高了输出电压范围，而且控制上可以进行错相控制，提高电路等效开
关频率，能够提升系统的动态特性并且降低输出纹波电压。
附图说明
24.图1为本实用新型宽输出范围的双向升降压电路拓扑结构；
25.图2为本实用新型宽输出范围的双向升降压电路中第一开关管v1和第二开关管v2驱动信号关系示意图；
26.图3为本实用新型宽输出范围的双向升降压电路中第三开关管v3和第四开关管v4驱动信号关系示意图；
27.图4为本实用新型宽输出范围测试电源的系统控制框图。
具体实施方式
28.下面结合附图，对本实用新型的具体实施方式进行详细描述。
29.本发明提出的宽输出范围的双向升降压电路，如图1所示，电路采用双向buck/boost电路和buck
‑
boost电路组合而成，二者共用输入直流母线；由于buck
‑
boost电路输出电压相对输入为负极性，因此能够在不增加开关管耐压的情况下实现大范围升压输出，其输出电压为vo1 vo2；第一单元电路包括连接在直流母线输入端与地之间的第一电容c1、第一开关管v1、第二开关管v2、第一电感l1，以及连接在输出电源高端与地之间的第二电容c2；所述第一电容c1的正极接直流母线输入端，其负极接地；第一开关管v1的栅极连接驱动信号pwm1，漏极与直流母线输入端连接，源极与第二开关管v2的漏极连接，其源极同时与第一电感l1的一端连接，第一电感l1的另一端与输出电源高端连接；所述第二开关管v2的源极接地，栅极连接驱动信号pwm2；所述第二电容c2的正极接输出电源高端，其负极接地；
30.第二单元电路包括接在直流母线输入端与地之间的第三电容c3、第三开关管v3、第四开关管v4、第二电感l2，以及连接在地与输出电源低端之间的第四电容c4；所述第三电容c3的正极接直流母线输入端，其负极接地；第三开关管v3的栅极连接驱动信号pwm3，漏极与直流母线输入端连接，源极与第四开关管v4的漏极连接，其源极同时与第二电感l2的一端连接；所述第二电感l2的另一端接地；所述第四开关管v4的源极与输出电源低端连接，栅极连接驱动信号pwm4；所述第四电容c4的正极接地，其负极接输出电源低端。
31.电路工作原理：
32.1)双向buck/boost电路控制
33.如图2所示，双向buck/boost电路在正向输出时工作在buck模式，此时为降压输出；在能量回馈到输入时工作在boost模式，开关管v1和v2驱动信号反向(有死区)，开关管v1和v2承受的电压最大不超过输入电压(不考虑开关管开通关断尖峰电压)。
34.1.1)、正向输出时其工作在buck模式时，其输出电压为(不考虑管压降)：
35.vo1＝vin*d1
36.‑‑‑
vo1为buck/boost电路输出电压幅值；vin为输入直流母线电压；
37.‑‑‑
d1为开关管v1的占空比。
38.1.2)、工作在boost模式时，此时能量由输出流向输入侧，此时直流输入母线电压为：
39.vin＝vo1/d2
40.‑‑‑
d2为开关管v2的占空比。
41.2)双向buck
‑
boost电路控制
42.如图3所示，双向buck
‑
boost电路两个开关管v3和v4驱动信号反向(有死区)，可以看出双向buck
‑
boost电路在能量正向或反向(回馈)流动时，电路均为buck
‑
boost模式。开关管v3和v4最大承受电压不超过不超过输入电压和输出电压其中的最大值(不考虑开关管开通关断尖峰电压)，由于系统控制vo1和vo2输出幅值相同，因此正向工作时输出电压小于输入电压，所以v3和v4承受最大电压不超过输入电压；
43.2.1)、在正向输出时，输出电压为：
44.vo2＝
‑
vin*d3/(1
‑
d3)
45.‑‑‑
vo2为buck
‑
boost电路输出电压幅值；vin为输入直流母线电压；
46.‑‑‑
d3为开关管v3的占空比；
47.输出极性相对于输入电压为负；
48.2.2)、当能量回馈时，双向buck
‑
boost电路输入电压变为：
49.vin＝
‑
vo2*d4/(1
‑
d4)
50.‑
d4为开关管v4的占空比。
51.基于上述双向升降压电路，本发明提出的宽输出范围测试电源，包括电压反馈控制电路、电流反馈控制电路、pwm生成电路及上述双向升降压电路；
52.电压反馈控制电路包括第一电压采样处理单元、第一电压环及第二电压采样处理单元、第二电压环；电流反馈控制电路包括电流采样处理单元、第一电流环和第二电流环；
53.第一电压采样处理单元的输入端连接输出电源高端，其输出端连接第一电压环的一个输入端；第一电压环的另一个输入端连接参考电压vref，其输出端连接第一电流环的一个输入端；第二电压采样处理单元的输入端连接输出电源低端，其输出端连接第二电压环的一个输入端；第二电压环的另一个输入端连接参考电压vref，其输出端连接第二电流环的一个输入端；
54.所述电流采样处理单元的采样端串接在输出电源高端，其输出端分别连接第一电流环及第二电流环的另一输入端；
55.pwm生成电路包括第一pwm生成单元和第二pwm生成单元；所述第一pwm生成单元的输入端连接第一电流环的输出端，其输出端包括驱动信号pwm1和pwm2；第二pwm生成单元的输入端连接第二电流环的输出端，其输出端包括驱动信号pwm3和pwm4。
56.双向升降压电路包括共直流母线输入端的第一单元电路和第二单元电路；第一单元电路为双向buck/boost电路，其输入端与驱动信号pwm1和pwm2分别连接，输出端与输出电源高端连接；第二单元电路为双向buck
‑
boost电路，其输入端与驱动信号pwm3和pwm4分别连接，输出端输出电源低端连接。
57.该测试电源的系统控制框图如图4所示，双向升降压电路中buck/boost和buck
‑
boost电路采用独立的电压和电流环进行控制，电压幅值指令相同，以保证输出电压幅值相同，因此总输出电压为2vo1；电流采用同一电流进行反馈计算。
58.测试电源的系统控制过程如下：
59.vref为输出电压给定信号，由于上下两路输出电压幅值相同，因此电压给定信号分别送往buck/boost和buck
‑
boost电路各自电压环，作为电压给定；
60.两个电路的电压环分别和各自电压采样进行调节后，输出量送往各自的电流环；二者电流环的电流反馈为同一信号；
61.各自电流环输出进入pwm信号产生电路，产生的pwm信号分别控制各自的开关管，使输出电压满足各自要求。
62.系统总输出电压为2vo1，而v1～v4承受的最大电压均不超过最大输入直流母线电压(不考虑开关管动作时产生的电压尖峰)，因此本发明宽输出范围测试电源在不使用更高耐压开关管的情况下实现高输出电压，不仅能够提高电压的输出范围，并且降低了硬件成本。
63.以上公开的仅为本实用新型的具体实施例，但是，本实用新型实施例并非局限于此，任何本领域的技术人员能思之的变化都应落入本实用新型的保护范围。