CN101951147A - 一种有源交错并联零电压软开关电路 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种有源交错并联零电压软开关电路，与现有技术中的交错并联Boost电路相比，增加了耦合电感和吸收电路；耦合电感的漏感限制了输出二极管关断电流的下降率，从而抑制输出二极管的反向恢复，很大程度减小了输出二极管反向恢复电流引起的损耗。而增加的第三开关管和第四开关管作为有源辅助开关以及第一吸收电容和第二吸收电容组成的辅助吸收电路吸收并无损地转移了漏感的能量，从而消除第一开关管和第二开关管上的电压尖峰。在整个开关周期内，第一开关管和第二开关管的主开关管以及辅助开关均是零电压开关，因此，减小了开关损耗，提高了整机的工作效率。

Description

一种有源交错并联零电压软开关电路

技术领域

本发明涉及电源变换器技术领域，特别涉及一种有源交错并联零电压软开关电路。

背景技术

20世纪60年代开始得到发展和应用的DC/DC的PWM功率变换技术是一种硬开关技术，所谓硬开关是指功率开关管开通或关断时，其上的电压或电流不等于零，即强迫器件在电压不为零或电流不为零时关断。因此，应用硬开关技术的PWM功率变换器，其开关频率不宜太高，否则会造成开关损耗太大，PWM功率变换器的效率降低。

但是，提供开关频率是开关变换技术的重要发展方向之一，高频化可以使开关变换器中的变压器、电感和电容的体积及重量大大减小，从而可以提高开关变换器的功率密度。

因此，20世纪70年代以来，国内外电力电子界和电源技术界开始研究开发高频软开关技术，所谓软开关是指功率开关管开通或关断时，其上的电压或电流等于零，即零电压开关或零电流开关。软开关技术是利用谐振原理，当开关管中的电流自然过零时，关断开关管；或者，当开关管中的电压自然过零时，管断开关管。这样可以使开关管的开关损耗为零。

现有技术中的DC/DC升压变换器一般均采用Boost电路，因为这种电路结构简单，调试方便。但是当要求升压比很高时，Boost电路就不是很理想了。由Boost电路的原理可知，其电压增益为：

D₀＝1-D。理论上只要开关管的占空比D很大，输出电压增益就会很高；但是实际上因为电路有内阻，因此，电压增益为：

其中，r₀为电路的内阻，R₀为输出负载电阻。因此，实际电路中普通的Boost电路的电压增益不会太高。

在太阳能和燃料电池中以及其他对升压比要求很高的场合，由于输入电流很大，普通的单管Boost电路就不是很理想了。交错并联Boost电路可以增大系统容量，参见图1，该图为现有技术中交错并联Boost电路的结构图。

其中，第一开关管S1和第二开关管S2为主开关管，两者的工作时序相差180度，即S1和S2交替互补导通。当S1导通时，第一电感L1储能，第一二极管Do1截止，第一电容Co为负载供电，第二电感L2上的能量叠加输入电压Vin通过第二二极管Do2给负载供电同时给Co充电。当S1关断时，L1上的能量叠加Vin通过Do1为负载供电，同时也给Co充电。S2的关断和导通的原理与S1相同，在此不再赘述。

但是，S1和S2工作在硬开关状态，Do1和Do2也工作在硬开关状态，这样它们承受的电压应力和电流应力比较高，容易损坏，由于工作在硬开关状态因此，整机的效率也比较低。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种有源交错并联零电压软开关电路，能够工作在软开关状态，降低整机的损耗，提高效率。

本发明提供一种有源交错并联零电压软开关电路，包括：第一组耦合电感、第二组耦合电感、第一开关管、第二开关管、第三开关管、第四开关管；

第一组耦合电感包括第一绕组、第二绕组和第三绕组；第二组耦合电感包括第四绕组、第五绕组和第六绕组；

第一绕组的异名端连接输入电压的正端，同名端连接第二绕组的异名端；

第二绕组的同名端连接第六绕组的同名端，第六绕组的异名端通过第一二极管连接输出端；

第四绕组的异名端连接输入电压的正端，同名端连接第五绕组的异名端；

第五绕组的同名端连接第三绕组的同名端，第三绕组的异名端通过第二二极管连接输出端；

第一绕组的同名端通过第一开关管接地；第二绕组的异名端依次通过第三开关管和第一箝位电容接地；

第四绕组的同名端通过第二开关管接地；第五绕组的异名端依次通过第四开关管和第二箝位电容接地；

输出端通过并联的电阻和第一电容接地。

优选地，所述第二绕组的匝数、第三绕组的匝数和第五绕组的匝数均相同。

优选地，所述第一绕组的匝数和第四绕组的匝数相同。

优选地，所述第一箝位电容和第二箝位电容的容值相同。

优选地，所述第一开关管的两端并联第一吸收电容；所述第二开关管的两端并联第二吸收电容。

优选地，所述第一吸收电容和第二吸收电容的容值相同。

优选地，所述第一绕组和第四绕组的等效漏感相同。

优选地，所述第一开关管和第二开关管均反向并联一个二极管。

优选地，所述第三开关管和第四开关管均反向并联一个二极管。

与现有技术相比，本发明具有以下优点：

本发明提供的有源交错并联零电压软开关电路，与现有技术中的交错并联Boost电路相比，增加了耦合电感和吸收电路；其中，耦合电感的漏感限制了输出二极管关断电流的下降率，从而抑制输出二极管的反向恢复，很大程度减小了输出二极管反向恢复电流引起的损耗。而增加的第三开关管和第四开关管作为有源辅助开关以及第一吸收电容和第二吸收电容组成的辅助吸收电路吸收并无损地转移了漏感的能量，从而消除第一开关管和第二开关管上的电压尖峰。在整个开关周期内，第一开关管和第二开关管的主开关管以及辅助开关均是零电压开关，因此，减小了开关损耗，提高了整机的工作效率。

附图说明

图1是现有技术中交错并联Boost电路的结构图；

图2是本发明提供的有源交错并联零电压软开关电路的电路图；

图3是本发明提供的电路对应的各个电压和电流的波形图。

具体实施方式

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图对本发明的具体实施方式做详细的说明。

参见图2，该图为本发明提供的有源交错并联零电压软开关电路的电路图。

本发明提供的有源交错并联零电压软开关电路，包括：第一组耦合电感、第二组耦合电感、第一开关管S1、第二开关管S2、第三开关管Sc1、第四开关管Sc2；

第一组耦合电感包括第一绕组L1a、第二绕组L1b和第三绕组L1c；第二组耦合电感包括第四绕组L2a、第五绕组L2b和第六绕组L2c；

需要说明的是，第一组耦合电感可以为同一个电感，只是分为三个的绕组。第二组耦合电感也可以为同一个电感，分为三个绕组。如图2所示，第一组耦合电感的同名端用图表示，第二组耦合电感的同名端用星表示。

第一绕组L1a的异名端连接输入电压Vin的正端，同名端连接第二绕组L1b的异名端；

第二绕组L1b的同名端连接第六绕组L2c的同名端，第六绕组L2c的异名端通过第一二极管Do1连接输出端；

第四绕组L2a的异名端连接输入电压的正端，同名端连接第五绕组L2b的异名端；

第五绕组L2b的同名端连接第三绕组L1c的同名端，第三绕组L1c的异名端通过第二二极管Do2连接输出端；

第一绕组L1a的同名端通过第一开关管S1接地；第二绕组L1b的异名端依次通过第三开关管Sc1和第一箝位电容Cc1接地；

第四绕组L2a的同名端通过第二开关管S2接地；第五绕组L2b的异名端依次通过第四开关管Sc2和第二箝位电容Cc2接地；

输出端Vout通过并联的电阻Ro和第一电容Co接地。

本实施例中优选地，第一开关管S1、第二开关管S2、第三开关管Sc1和第四开关管Sc2均为NMOS管。其中，第一开关管S1的漏极连接第一绕组L1a的同名端，源极接地；第三开关管Sc1的漏极连接第一开关管S1的漏极，源极通过第一箝位电容Cc1接地。第二开关管S2的漏极连接第四绕组L2a的同名端，源极接地；第四开关管Sc2的漏极连接第二开关管S2的漏极，源极通过第二箝位电容Cc2接地。

本实施例优选所述第二绕组L1b的匝数、第三绕组L1c的匝数和第五绕组L2b的匝数均相同。所述第一绕组L1a的匝数和第四绕组L2a的匝数相同。

所述第一箝位电容Cc1和第二箝位电容Cc2的容值相同。

所述第一开关管S1的两端并联第一吸收电容Cs1；所述第二开关管S2的两端并联第二吸收电容Cs2。

所述第一吸收电容Cs1和第二吸收电容Cs2的容值相同。

所述第一绕组L1a和第四绕组L2a的励磁电感相同。

本发明实施例提供的有源交错并联零电压软开关电路，与现有技术中的交错并联Boost电路相比，增加了耦合电感和吸收电路；其中，耦合电感的漏感限制了输出二极管(Do1和Do2)关断电流的下降率，从而抑制输出二极管的反向恢复，很大程度减小了输出二极管反向恢复电流引起的损耗。而增加的第三开关管和第四开关管作为有源辅助开关以及第一吸收电容和第二吸收电容组成的辅助吸收电路吸收并无损地转移了漏感的能量，从而消除第一开关管和第二开关管上的电压尖峰。在整个开关周期内，第一开关管和第二开关管以及有源辅助开关均是零电压开关，因此，在开通和关断期间减小了开关损耗，提高了整机的工作效率。

下面结合图3详细介绍本发明提供的电路的工作原理。

参见图3，该图为本发明提供的电路对应的各个电压和电流的波形图。

图中L_Lk1和L_Lk2分别是第一绕组L1a和第二绕组L1b的等效漏感，Is1和Is2分别是第一开关管S1和第二开关管S2的电流，V_ds1和V_ds2分别是第一开关管S1和第二开关管S2的漏极和源极之间的电压，I_Sc1和I_Sc2分别是第三开关管Sc1和第四开关管Sc2的电流，V_dsc1和V_dsc2分别是第三开关管Sc1和第四开关管Sc2的漏极和源极之间的电压，V_cc1和V_cc2分别是第一吸收电容Cs1和第二吸收电容Cs2上的电压。I_do1和I_do2分别是第三开关管Sc1和第四开关管Sc2中流过的电流。

为了便于分析，首先假定输出电压Vout为常量，第一电容Co上的电压近似认为是一个恒压源；励磁电感L_1a＝L_2a＝L_m；等效漏感L_Lk1＝L_Lk2＝L_Lk；其中，L_Lk1和L_Lk2分别是第一绕组L1a和第四绕组L2a的等效漏感；C_c1＝C_c2＝Co；C_s1＝C_s2＝C_s；主开关管(S1和S2)和有源辅助开关(Sc1和Sc2)由理想开关反并二极管组成，一个开关周期内共有16个工作模态，由于电路结构的对称性，这里只分析其中8个模态。电路的静态工作波形如图3所示。

具体工作过程分析如下：

1)工作模态1(t0-t1)：S1和S2导通，Sc1和Sc2关断，Do1和Do2反向关断，励磁电感L_1a＝L_2a上电流的上升。

2)工作模态2(t1-t2)：t1时刻，S2关断，由于外并电容Cs2的作用，S2实现零电压关断。S2上的电压线性上升。

3)工作模态3(t2-t3)：t2时刻，S2上的电压上升到Cc2上电压，Sc2的反并二极管导通。励磁电感L2a上的电流对Cc2充电，S2上的电压继续线性增加，由于Cc2＞＞Cs2，S2上电压上升率可近似为：

4)工作模态4(t3-t4)：t3时刻，Cc2上的电压上升到一定值，使得Do2正向导通。整个电路开始向负载传递能量，漏感L_Lk2上的能量开始向C_c2转移。流过S1上的电流为励磁电感L_1a上电流和Do2上的电流折回到L_1a之和。励磁电感L_1a上的电流变化率和流过S1的电流分别为：

i_S1(t)＝i_L1a(t)+i_Do2(t)·N。

5)工作模态5(t4-t5)：t4时刻，辅助管Sc2开通，由于Sc2的反并二极管已导通，因此Sc2零电压开通。Sc2的导通并不影响主开关管工作。本工作模态的等效电路与工作模态4的类似。Cc2上的电流由于L_Lk2和C_c2的谐振而改变方向，直接向负载传递能量。

6)工作模态6(t5-t6)：t5时刻，Sc2关断，由于Cs2的作用，Sc2零电压关断，Cc2退出工作，L_Lk2和主开关管上的并联电容Cs2形成新的谐振电路。Cs2上的能量逐渐被抽走。

7)工作模态7(t6-t7)：t6时刻，Cs2上的能量全部被转移到漏感L_Lk2上，S2的反并二极管导通。然后，S2的门极信号给出，由于S2的电压已经降到零，S2零电压导通。漏感L_Lk2上电流和Do2上的电流的变化率分别为： $\frac{{\mathrm{di}}_{\mathrm{Lk}2}}{\mathrm{dt}}=\frac{V_{\mathrm{out}}}{N\·L_{\mathrm{Lk}2}},\frac{{\mathrm{di}}_{\mathrm{Do}2}}{\mathrm{dt}}=-\frac{V_{\mathrm{out}}}{N^2\·L_{\mathrm{Lk}2}}.$

8)工作模态8(t7-t8)：输出二极管Do2上的电流随着漏感L_Lk2上电流上升而下降。t8时刻，漏感L_Lk2上电流等于励磁电感上的电流，Do2上的电流下降到零，Do2关断。输入电压对励磁电感和漏感充电。

由于电路的对称性，接下来的工作模态与前面分析类似。

以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制。虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然而并非用以限定本发明。任何熟悉本领域的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围情况下，都可利用上述揭示的方法和技术内容对本发明技术方案做出许多可能的变动和修饰，或修改为等同变化的等效实施例。因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所做的任何简单修改、等同变化及修饰，均仍属于本发明技术方案保护的范围内。

Claims (9)

1.一种有源交错并联零电压软开关电路，其特征在于，包括：第一组耦合电感、第二组耦合电感、第一开关管、第二开关管、第三开关管、第四开关管；

第一组耦合电感包括第一绕组、第二绕组和第三绕组；第二组耦合电感包括第四绕组、第五绕组和第六绕组；

第一绕组的异名端连接输入电压的正端，同名端连接第二绕组的异名端；

第二绕组的同名端连接第六绕组的同名端，第六绕组的异名端通过第一二极管连接输出端；

第四绕组的异名端连接输入电压的正端，同名端连接第五绕组的异名端；

第五绕组的同名端连接第三绕组的同名端，第三绕组的异名端通过第二二极管连接输出端；

第一绕组的同名端通过第一开关管接地；第二绕组的异名端依次通过第三开关管和第一箝位电容接地；

第四绕组的同名端通过第二开关管接地；第五绕组的异名端依次通过第四开关管和第二箝位电容接地；

输出端通过并联的电阻和第一电容接地。

2.根据权利要求1所述的有源交错并联零电压软开关电路，其特征在于，所述第二绕组的匝数、第三绕组的匝数和第五绕组的匝数均相同。

3.根据权利要求1所述的有源交错并联零电压软开关电路，其特征在于，所述第一绕组的匝数和第四绕组的匝数相同。

4.根据权利要求1所述的有源交错并联零电压软开关电路，其特征在于，所述第一箝位电容和第二箝位电容的容值相同。

5.根据权利要求1所述的有源交错并联零电压软开关电路，其特征在于，所述第一开关管的两端并联第一吸收电容；所述第二开关管的两端并联第二吸收电容。

6.根据权利要求5所述的有源交错并联零电压软开关电路，其特征在于，所述第一吸收电容和第二吸收电容的容值相同。

7.根据权利要求1所述的有源交错并联零电压软开关电路，其特征在于，所述第一绕组和第四绕组的等效漏感相同。

8.根据权利要求1所述的有源交错并联零电压软开关电路，其特征在于，所述第一开关管和第二开关管均反向并联一个二极管。

9.根据权利要求1所述的有源交错并联零电压软开关电路，其特征在于，所述第三开关管和第四开关管均反向并联一个二极管。

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