CN101778520B - 零电压准方波buck变换器的软开关控制方法及其电路 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种零电压准方波BUCK变换器的软开关控制方法及其电路，其特征在于通过采集辅助开关管Q2的漏源电流检测辅助开关管Q2导通期间输出滤波电感L0的反向电流，由滤波电感L0的反向电流大小控制辅助开关管Q2的关断时刻，通过所设定的死区时间使主开关管Q1能在较宽的输出电压和负载电流变化范围内实现零电压软开关，辅助管也为零电压通断。本发明控制的变换器具有软开关范围广、开关损耗小、效率高等优点，特别适用于输入电压恒定、需要降压的应用场合。

Description

零电压准方波BUCK变换器的软开关控制方法及其电路

技术领域

本发明涉及一种零电压准方波BUCK变换器的软开关控制方法及其电路。

背景技术

金属卤化物(MH)灯在高频条件下工作时容易发生声共振现象，声共振发生时会引起灯电弧不稳、灯光闪烁，甚至熄灭，严重影响照明效果，甚至会使灯管炸裂及破坏电子镇流器。目前，解决声共振的方法主要有：选频运行、超高频点灯、频率调制法、直流点灯法、高频方波点灯法、低频方波驱动等等。其中低频方波点灯法是比较切实可行的方法。

低频方波电子镇流器由PFC级、DC/DC级和DC/AC级三级电路组成。PFC级用于进行功率因数校正，输出恒定电压并保证在宽输入电压范围内灯的正常启动和工作；DC/DC级采用Buck变换器，用于对MH灯进行能量控制，使其输出电压和电流的特性与灯的负载特性相匹配；DC/AC级则采用低频全桥逆变器用于产生低频方波，抑制声共振。对于大功率MH灯，Buck变换器的功率损耗占电子镇流器总体损耗的主要部分，因此减少Buck变换器功率损耗是提高电子镇流器效率和电路可靠性的关键。采用软开关技术则是减少功率变换器开关损耗的有效措施。

零电压准方波Buck变换器电感电流从正到负变化，开关管实现零电压通断，开关损耗小，效率高。虽然输出电感电流纹波较大，但完全可以满足低频方波电子镇流器对高频纹波的要求(通常高频纹波小于5％即可避免声共振发生)，所以零电压准方波Buck变换器是可用作低频方波电子镇流器的较有前途的电路拓扑。但是由于零电压准方波Buck变换器主开关管的软开关条件与输入输出电压、负载范围有关，而金卤灯从启动到稳态灯电压、灯电流变化范围大，不同的灯工作电压也不同，因此如何使Buck变换器在宽输出电压和负载电流下实现软开关是急需解决的问题。

发明内容

本发明的目的是提供一种零电压准方波BUCK变换器的软开关控制方法，该方法通过控制辅助开关管关断时刻的漏源电流和主、辅开关管的死区时间使主开关管能在较宽的输出电压和负载电流变化范围内实现零电压软开关，辅助管也为零电压通断。

该方法是这样实现的，一种零电压准方波BUCK变换器的软开关控制方法，包括由主开关管Q1、辅助开关管Q2、电感L0和电容C0组成的零电压准方波Buck变换器，其特征在于由所述的电感L0的反向电流大小控制辅助开关管Q2的关断时刻，通过所设定的死区时间使主开关管Q1能在较宽的输出电压和负载电流变化范围内实现零电压软开关，辅助开关管Q2也为零电压通断，其具体实现包括以下步骤：

(1)、提供一比较器U1，将所采集的电感L0反向电流i_L0与基准电流Iref进行比较；

(2)、将经比较器U1比较后输出的信号送给一三态RS触发器U7的复位端，以产生辅助管Q2的关断信号；

(3)、提供一误差放大器U2，对所述零电压准方波Buck变换器的输出反馈电压kV₀与基准电压Vref进行误差放大后与所述电感L0的正向电流i_L0通过比较器U3进行比较，产生主开关管Q1的关断信号。

本发明的另一目的是提供一种零电压准方波BUCK变换器的软开关控制电路，其能使零电压准方波BUCK变换器在负载电压或电流变化时也能实现软开关控制。

该电路是这样设计的：一种零电压准方波BUCK变换器的软开关控制电路，包括由主开关管Q1、辅助开关管Q2、电感L0和电容C0组成的零电压准方波Buck变换器，其特征在于：所述的辅助开关管Q2的源极与比较器U1的同相端相连；所述比较器U1的输出端与RS触发器U7的复位端相连；所述RS触发器U7的输出端经由反相器U6、电阻R5、电容C5和整形电路U5组成的窄脉冲形成电路后接到RS触发器U8的置位端产生主开关管Q1的开通信号；所述RS触发器U8的输出端经由反相器U11、电阻R4、电容C4和整形电路U10组成的窄脉冲形成电路后接到RS触发器U7的置位端产生辅助开关管Q2的开通信号；RS触发器U7和RS触发器U8的输出端经驱动器U9后接至主开关管Q1和辅助开关管Q2的栅极；所述的驱动器U9内可设定死区时间；所述Buck变换器的输出反馈电压kV₀送入一误差放大器U2的反相端，所述的误差放大器U2的输出端与一比较器U3的反相端连接，所述比较器U3的同相端采集所述电感L0的正向电流i_L0，所述比较器U3的输出端经由电阻R3、电容C3和整形电路U4组成的窄脉冲形成电路后接到RS触发器U8的复位端。

由本发明控制的变换器具有软开关范围广、开关损耗小、效率高等优点，特别适用于输入电压恒定、需要降压的应用场合。

附图说明

图1是Buck变换器连接本发明控制电路的结构示意图。

图2是零电压准方波Buck变换器主要工作波形图。

图3是本发明控制电路示意图。

图4是本发明控制电路中各关键点的波形示意图。

具体实施方式

下面结合附图及实施例子对本发明做进一步说明。

如图1和图2所示，主开关管Q1、辅助开关管Q2、电感L0和电容C0组成零电压准方波Buck变换器，主开关管Q1和辅助开关管Q2互补导通，分别由u_g1、u_g2互补驱动，u_g1和u_g2中间设有一定的死区时间以防止主、辅开关管共态导通和实现主开关管和辅助开关管的零电压软开关。下面结合图1和图2对该死区时间做进一步说明：

(1)(t₁～t₃)死区时间：t₁时刻主开关管Q1关断，电感L0通过电阻R0、电容C0与电容C1、电容C2发生谐振，电容C2电压由V_in逐渐减小，电容C1电压由零逐渐增加，直到t₂时电容C2两端电压下降到零，辅助开关管Q2体内二极管D2导通，将辅助开关管Q2的漏源电压箝位在零电压状态，辅助开关管Q2实现零电压导通。

(2)(t₄～t₆)死区时间：t₄时辅助开关管Q2关断，电感L0与电容C1、电容C2发生谐振，此时电感L0电流i_L0＝I_L0min，且方向为负，该电流既对电容C1反向充电，同时对电容C2充电。电容C1电压逐渐减小，电容C2电压逐渐增加。直到t₅时电容C1两端电压下降到零时，主开关管Q1体内二极管D1导通，将主开关管Q1的漏源电压箝位在零电压状态，主开关管Q1实现零电压导通。

主开关管Q1要实现零电压软开关，Q2关断瞬间电感电流必须为反向，即i_L0＝I_L0min＜0，如图2所示。从辅助开关管Q2关断(t＝t₄)到主开关管Q1开通(t＝t₆)这一段死区时间内输出电感L0与电容C1、C2发生谐振有：

$\left\{\begin{array}{c}{u}_{c2}+L_0\frac{{\mathrm{di}}_{L0}}{\mathrm{dt}}=V_0\\ C_1\frac{{\mathrm{du}}_{c1}}{\mathrm{dt}}-C_2\frac{{\mathrm{du}}_{c2}}{\mathrm{dt}}\\ u_{c1}+u_{c2}=V_{\mathrm{in}}\end{array},=i_{L0}\right.$

初始条件：在t＝t₄时，u_c1＝V_in，u_c2＝0，i_L0＝I_L0min，则死区时间内主开关管Q1漏源电压和电感电流分别为

$\left\{\begin{array}{c}{u}_{c1}=V_{\mathrm{in}}-V_0-\sqrt{V_0^2+I_{L0\min }^2{Z}^2}\sin [\mathrm{\ω}(t-t_4)-\mathrm{\α}]\\ i_{L0}=\sqrt{I_{L0\min }^2+{\left(\frac{V_0}{Z}\right)}^2}\cos [\mathrm{\ω}(t-t_4)-\mathrm{\α}]\end{array}\right.$

式中 $\mathrm{\ω}=\frac{1}{\sqrt{2L_0(C_1+C_2)}},$ $Z=\sqrt{\frac{L_0}{2(C_1+C_2)}},$ $\mathrm{\α}={\tan }^{-1}\frac{V_0}{I_{L0\min }Z}.$

假设Q2关断后经过ΔT₁时间主开关管Q1漏源电压u_c1＝0，则此时对应的电感电流为

$i_{L0}=\sqrt{I_{L0\min }^2+{\left(\frac{V_0}{Z}\right)}^2}\cos [\mathrm{\ω\Δ}{T}_1-\mathrm{\α}]$

$=\sqrt{I_{L0\min }^2+\frac{V_{\mathrm{in}}(2V_0-V_{\mathrm{in}})}{Z^2}}$

由于谐振电感为输出滤波电感，L₀较大， $Z=\sqrt{\frac{L_0}{2C}}>>V_{\mathrm{in}},$ 则有i_L0≈I_L0min，可认为从辅助开关管Q2关断到主开关管Q1漏源电压从V_in降到零这一段时间(ΔT₁)内电感电流近似不变，有

要实现主开关管零电压软开关，必须使ΔT₁≤t_d(t_d为死区时间)。由于V_in为前级PFC的输出电压，保持不变，若死区时间固定，则ΔT₁仅与I_L0min有关。

若输出电流为I0，则图2中电感电流最小值为

$I_{L0\min }=\frac{1-D}{2L_0}{V}_{0}T-I_0$

可见，I_L0min大小随输入电压、输出电压和负载电流大小变化。因此主开关管软开关条件与这些因素有关。要在较宽的输出电压和负载电流下实现主开关管零电压软开关，必须在每个开关周期辅助开关管Q2关断时刻使|i_L0|≥|I_L0min|。

同样的，从主开关管Q1关断起，辅助开关管Q2漏源电压从V_in下降到零的这一段时间内有

式中电感电流最大值I_L0max为

$I_{L0\max }=\frac{1-D}{2L_0}{V}_{0}T+I_0$

由于主开关管Q1关断瞬间电感电流i_L0处于最大值，且I_L0max＞I_L0min，则ΔT₂＜ΔT₁，所以辅助开关管Q2比主开关管Q1更易于实现零电压软开关。

根据上述的特点，本发明提供一种零电压准方波BUCK变换器的软开关控制方法，包括由主开关管Q1、辅助开关管Q2、电感L0和电容CO组成的零电压准方波Buck变换器，其特征在于由所述的电感L0的反向电流大小控制辅助开关管Q2的关断时刻，通过所设定的死区时间使主开关管Q1能在较宽的输出电压和负载电流变化范围内实现零电压软开关，辅助开关管Q2也为零电压通断，其具体实现包括以下步骤：

(1)、提供一比较器U1，将所采集的电感L0反向电流i_L0与基准电流Iref进行比较；

(2)、将经比较器U1比较后输出的信号送给一三态RS触发器U7的复位端，以产生辅助管Q2的关断信号；

(3)、提供一误差放大器U2，对所述零电压准方波Buck变换器的输出反馈电压kV₀与基准电压Vref进行误差放大后与所述电感L0的正向电流i_L0通过比较器U3进行比较，产生主开关管Q1的关断信号。

具体的说：主开关管Q1和辅助开关管Q2的关断时刻由输出电感L0的电流决定，当主开关管Q1导通期间电感正向电流增加到误差输出信号Verr时，主开关管Q1关断，当辅助开关管Q2导通期间电感反向电流增加到基准电流Iref时，辅助开关管Q2关断。

如图1和图3所示，本实施例子中所述的电感L0的正向电流是通过采集取样电阻Rz两端电压获取，电感L0的反向电流则是通过采集与辅助开关管Q2源极串联的取样电阻Rs两端电压获得。所述Buck变换器的输出反馈电压kV₀由输出电压经电阻R1和电阻R2分压得到，与误差放大器U2的反相端相连，基准电压Vref与误差放大器U2的同相端相连，误差放大器U2的输出端(输出误差信号Verr)则与比较器U3的反相端相联接，比较器U3的同相端与取样电阻Rz的一端相连，由取样电阻Rz采集的电感L0的正向电流与误差放大器U2输出的误差信号Verr进行比较后经由电阻R3、电容C3和整形电路U4组成的窄脉冲形成电路后送到RS触发器U8的复位端，产生主开关管Q1的关断信号。

比较器U1的同相端与取样电阻Rs的一端相连，由取样电阻Rs采集的电感L0的反向电流与比较器U1反相端的电流基准信号Iref进行比较，比较器U1的输出端接到RS触发器U7的复位端，产生辅助开关管的关断信号。

RS触发器U7的输出端经由反相器U6、电阻R5、电容C5和整形电路U5组成的窄脉冲形成电路后接到RS触发器U8的置位端产生主开关管Q1的开通信号。RS触发器U8的输出端经由反相器U11、电阻R4、电容C4和整形电路U10组成的窄脉冲形成电路后接到RS触发器U7的置位端产生辅助开关管Q2的开通信号。RS触发器U7和RS触发器U8的输出端经驱动器U9后接至主开关管Q1和辅助开关管Q2的栅极用于控制主辅开关管通断。所述驱动器U9内可设定死区时间。

所述输出反馈电压kV₀与基准电压Vref进行误差放大使输出电压稳定，输出电感L0的反向电流与电流基准信号Iref比较控制辅助开关管Q2的关断时刻，为主开关管Q1的软开关创造条件。控制电路中各关键点的波形如图4所示，其中G1、G2分别为主开关管Q1和辅助开关管Q2的驱动波形，Verr为反馈电压kV₀与基准电压Vref经过误差放大器U1放大后的输出误差信号，U7:R和U7:S分别为RS触发器U7的复位端和置位端，U8:R和U8:S分别为RS触发器U8的复位端和置位端。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，凡依本发明申请专利范围所做的均等变化与修饰，皆应属本发明的涵盖范围。

Claims (2)

1.一种零电压准方波BUCK变换器的软开关控制方法，包括由主开关管Q1、辅助开关管Q2、电感L0和电容C0组成的零电压准方波Buck变换器，其特征在于由所述的电感L0的反向电流大小控制辅助开关管Q2的关断时刻，通过所设定的死区时间使主开关管Q1能在较宽的输出电压和负载电流变化范围内实现零电压软开关，辅助开关管Q2也为零电压通断，其具体实现包括以下步骤：

（1）、提供一比较器U1，将所采集的电感L0反向电流与基准电流Iref进行比较；

（2）、将经比较器U1比较后输出的信号送给一三态RS触发器U7的复位端，以产生辅助开关管Q2的关断信号；

（3）、提供一误差放大器U2，对所述零电压准方波Buck变换器的输出反馈电压 与基准电压Vref进行误差放大后与所述电感L0的正向电流通过比较器U3进行比较，产生主开关管Q1的关断信号；

所述的电感L0的反向电流是通过采集与辅助开关管Q2源极串联的取样电阻Rs两端电压得到的；

所述步骤（3）比较器U3比较后的输出信号经由电阻R3、电容C3和整形电路U4组成的窄脉冲形成电路后接到RS触发器U8的复位端产生主开关管Q1的关断信号。

2.一种零电压准方波BUCK变换器的软开关控制电路，包括由主开关管Q1、辅助开关管Q2、电感L0和电容C0组成的零电压准方波Buck变换器，其特征在于：所述的辅助开关管Q2的源极与比较器U1的同相端相连；所述比较器U1的输出端与RS触发器U7的复位端相连；所述RS触发器U7的输出端经由反相器U6、电阻R5、电容C5和整形电路U5组成的窄脉冲形成电路后接到RS触发器U8的置位端产生主开关管Q1的开通信号；所述RS触发器U8的输出端经由反相器U11、电阻R4、电容C4和整形电路U10组成的窄脉冲形成电路后接到RS触发器U7的置位端产生辅助开关管Q2的开通信号；RS触发器U7和RS触发器U8的输出端经驱动器U9后接至主开关管Q1和辅助开关管Q2的栅极；所述的驱动器U9内可设定死区时间；所述Buck变换器的输出反馈电压

送入一误差放大器U2的反相端，所述的误差放大器U2的输出端与一比较器U3的反相端连接，所述比较器U3的同相端采集所述电感L0的正向电流，所述比较器U3的输出端经由电阻R3、电容C3和整形电路U4组成的窄脉冲形成电路后接到RS触发器U8的复位端。

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