CN102299632A - 一种Buck-Boost直流变换器 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种Buck-Boost直流变换器，包括前级Buck变换器、后级Boost变换器，前级Buck变换器为不控全桥或不控半桥变换器，后级Boost变换器为工作在电流断续模式的Boost变换器。本发明用不控全桥做为直流变换器前级不仅可以实现与输入电压的电气隔离，而且可以利用变压器变比关系将宽输入电压降低至合适的变化范围。利用Boost变换器工作于断续状态实现前级不控全桥在设计范围内工作于ZCS状态，与输入电压、负载条件无关，同时，Boost变换器的开关管动作时刻由前级不控全桥的控制信号决定。

Description

一种Buck-Boost直流变换器
技术领域
本发明涉及是一种高效率电能变换装置，特别是一种应用于中、小功率直流变换器。
背景技术
以计算机为主导的各种终端设备、通信设备等电子设备中大量采用不同的控制IC芯片，因此具备多路输出电压等级的开关变换器成为一种趋势。为了进一步减小开关变换器的体积，开关电源高频化趋势越来越明显。然而，开关速度提高后，器件的损耗急剧上升，不仅带来EMI及热应力等问题，还会降低变换器本身的可靠性。为了要提高开关频率及减少开关损耗， ZVS、ZCS的软开关技术已成为开关电源的主流技术，并大幅提高了开关电源的工作效率。实现传统的软开关技术需要增加额外的谐振电感或谐振电容，但是这种方法不仅会增加变换器的体积和复杂性，且功率器件的应力也急剧上升。为了实现对开关变换器的高效率、高可靠性和低EMI，就必然对传统硬开关技术进行创新，同时也要满足多路输出的需要。
不控全桥（d=50%）做为前级变换器以其高效率、高功率密度、提供电气隔离等诸多优点广泛应用于级联变换器架构中。工作在电流断续Boost变换器其主开关管工作在ZCS状态，具有效率高、EMI低的优点。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是针对有电气隔离要求的多路输出场合，提出了低EMI、高功率密度、高效率的Buck-Boost直流变换器。
本发明为解决上述技术问题采用以下技术方案：
一种Buck-Boost直流变换器，包括前级Buck变换器、后级Boost变换器，所述前级Buck变换器为不控全桥或不控半桥变换器，所述后级Boost变换器为工作在电流断续模式的Boost变换器。
进一步的，本发明的Buck-Boost直流变换器，所述前级Buck变换器包括输入电源、全桥电路、隔离变压器，第一至第二同步整流管；所述后极Boost变换器包括输入电感、开关管、整流二极管、输出滤波电容、负载；其中：
所述输入电源的两端分别连接全桥电路的两端，所述隔离变压器的原边绕组的两端分别连接全桥电路的两个桥臂的中点，所述隔离变压器的副边绕组的一端与第一同步整流管的源极连接，所述隔离变压器的副边绕组的另一端与第二同步整流管的源极连接，所述第一同步整流管的漏极分别与第二同步整流管的漏极、输入电感的一端连接；
所述输入电感的另一端分别与开关管的漏极、整流二极管的阳极连接，整流二极管的阴极分别与输出滤波电容的一端、负载的一端连接，所述输出滤波电容的另一端、负载的另一端、开关管的源极分别与隔离变压器副边绕组的中点连接。
做为本发明的另一种形式的Buck-Boost直流变换器，所述前级Buck变换器由输入电源、半桥电路、电容支路、隔离变压器，第一至第二同步整流管，所述电容支路由两个相互串联的电容组成；所述后极Boost变换器包括输入电感、开关管、整流二极管、输出滤波电容、负载；其中：
所述输入电源的两端分别连接半桥电路、电容支路的两端，所述隔离变压器的原边绕组的两端分别连接半桥电路的桥臂中点、电容支路的中点，所述隔离变压器的副边绕组的一端与第一同步整流管的源极连接，所述隔离变压器的副边绕组的另一端与第二同步整流管的源极连接，所述第一同步整流管的漏极分别与第二同步整流管的漏极、输入电感的一端连接；
所述输入电感的另一端分别与开关管的漏极、整流二极管的阳极连接，整流二极管的阴极分别与输出滤波电容的一端、负载的一端连接，所述输出滤波电容的另一端、负载的另一端、开关管的源极分别与隔离变压器副边绕组的中点连接。
进一步的，本发明的Buck-Boost直流变换器，所述后级Boost变换器的数量为N个，N为自然数。
本发明采用以上技术方案与现有技术相比，具有以下技术效果：
本发明的一种Buck-Boost直流变换器，具有磁性元件少、功率开关管的电流应力及热应力低的优点，同时断续模式下的Boost变换器的主开关管工作时刻由前级不控全桥的控制信号给出，不控全桥功率开关管的ZCS实现条件不依赖于输入电压和负载电流等外部变量，有利于变换器实现高功率密度、高效率。
附图说明
图1是本发明的变换器示意图。
图2是本发明的优选实例的变换器一种工作情况下的主要波形示意图。
图3是不控半桥替代不控全桥形成的变换器示意图。
图4是本发明的优选实例的变换器应用于多路输出状态下的示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的技术方案做进一步的详细说明：
如图1所示，本发明的Buck-Boost直流变换器，前级为由输入电源Vin，开关管Q1-Q4，隔离变压器TX1，同步整流管Q5-Q6构成的不控全桥。不控全桥的占空比为近似50%，桥臂的上下管之间插入死区以防止共通。Boost变换器由输入电感L1，开关管Q7，整流二极管D1，输出滤波电容C1，负载R1构成。不控全桥的输出电感和Boost变换器的输入电感共用L1，减少了磁性元件的使用，提升变换器的功率密度。
如图2所示,其给出了本发明的优选实例的变换器一种工作情况下的时序和主要波形示意图。图2从上至下波形分别为：不控全桥中开关管Q1、Q4、Q5的驱动波形；不控全桥中开关管Q2、Q3、Q6的驱动波形；后级Boost主开关管所用的同步信号；Boost主开关管Q7的驱动波形；隔离变压器原边电流ip；Boost变换器输入电感L1电流波形。由图2可知，ZCS不控全桥叠加断续Boost变换器在一个开关周期内可分为6种开关模式，分别为 [t0，t1]、[t1，t2]、[t2，t3]、[t3，t4]、[t4，t5]、[t5，t6]，其中[t0，t3]为前半周期，[t3，t6]为后半周期。以下简要介绍各工作模态时变换器的工作原理。
[t0，t1]模态：
不控全桥中开关管Q1、Q4、Q5导通，隔离变压器激磁电流线性增加。同时，将不控全桥开关管动作的上升沿时刻提供给Boost变换器闭环控制器做为同步信号，此时Boost变换器的开关管Q7同步导通，输入电感iL1储存能量电流线性上升。变压器中原边电流ip由激磁电感电流和输入电感iL1折算到原边电流两部分叠加组成。由图2可知，t0时刻，在变压器原边中仅有很小的激磁电流流过，因此不控全桥的开关管Q1和Q4和整流管Q5可近似认为为ZCS开通。
[t1，t2]模态：
Boost变换器的输出电压达到期望的Vout，Boost变换器的主开关管Q7关闭。输入电感iL1储存能量通过功率二极管D1释放到输出端，电感电流iL1在输入电压和输出电压的共同作用下线性下降。变压器中原边电流ip由激磁电感电流和输入电感iL1折算到原边电流两部分叠加组成。我们通过选择合适的电感值大小保证在该模态结束时电感电流下降为0，保证在t2时刻不控全桥的主开关管始终处于ZCS关闭状态。由图2可知，在t2时刻变压器原边中仅有激磁电流流过，因此不控全桥的开关管Q1和Q4和整流管Q5可近似认为为ZCS关闭。
[t2，t3]模态：
不控全桥中开关管全部关闭，隔离变压器原边电流在激磁电感和开关管结电容谐振影响下下降，因这段死区时间较短，原边电流也可近似认为不变化。此时，Boost输入电感电流iL1已经为0，整流二极管D1可认为ZCS关断，负载端能量由电容C1提供。由于在该模态结束时，原边变压器中仅流过很小的激磁电流，保证在后半开关周期内不控全桥工作在ZCS开通状态。
后半周期[t3，t6]的开关工作模态和前半周期[t0，t3]是相同的，不再分析。
由以上分析可知，我们通过设定Boost变换器的主开关管工作时刻由前级不控全桥的控制信号给定，保证Boost变换器的工作模态和不控全桥同步，同时通过选择合适的参数将Boost变换器始终处于断续模式下工作。因此不仅Boost变换器的整流二极管D1可实现ZCS关断，而且可以保证不控全桥的主开关管Q1-Q4和同步整流开关管Q5-Q6始终处于ZCS开通和关闭状态。通过这样的设计，就可以极大的降低变换器中所有功率开关管和二极管的开关损耗，提高了变换器的效率。
本发明的优选实例的具体参数如下：输入电压为36VDC-75VDC；输出电压27VDC；输出电流3A；变压器匝比为3：1；输出滤波电感L1为5μH；输出滤波电容C1为200μF；不控全桥主开关管和同步整流开关管均为IPB108N15N3G，其控制芯片为UC28025, 设定的开关频率为100kHz，死区时间为500nS；Boost变换器的主开关管为，整流二极管为STPS40SM100C，其控制芯片为UC3842，由原理可知接受到的同步信号为200kHz。
如图3所示，本发明的另一种变换器的结构示意图。与图1所示的前级采用不控全桥不同，图3的前级采用的是不控半桥。其中不控半桥的开关管工作于ZCS状态，Boost变换器工作在电流断续模式，和图1所示的工作原理完全一致。
如图4所示, 其给出了本发明的优选实例的变换器在多路输出架构中的拓展应用。理论上，可通过在不控全桥的整流管后拓展任意多路输出电压以满足不同电压等级的需求。和图1所示的工作原理完全一致，后级多路输出的Boost变换器开关管的工作时刻由前级不控全桥控制芯片给出实现同步，因此可以同样实现不控全桥开关管Q1-Q4和同步整流管Q5-Q6的ZCS开通和关闭。

Claims (4)

1.一种Buck-Boost直流变换器，包括前级Buck变换器、后级Boost变换器，其特征在于：所述前级Buck变换器为不控全桥或不控半桥变换器，所述后级Boost变换器为工作在电流断续模式的Boost变换器。
2.根据权利要求1所述的Buck-Boost直流变换器，其特征在于：所述前级Buck变换器包括输入电源、全桥电路、隔离变压器，第一至第二同步整流管；所述后极Boost变换器包括输入电感、开关管、整流二极管、输出滤波电容、负载；其中：
所述输入电源的两端分别连接全桥电路的两端，所述隔离变压器的原边绕组的两端分别连接全桥电路的两个桥臂的中点，所述隔离变压器的副边绕组的一端与第一同步整流管的源极连接，所述隔离变压器的副边绕组的另一端与第二同步整流管的源极连接，所述第一同步整流管的漏极分别与第二同步整流管的漏极、输入电感的一端连接；
所述输入电感的另一端分别与开关管的漏极、整流二极管的阳极连接，整流二极管的阴极分别与输出滤波电容的一端、负载的一端连接，所述输出滤波电容的另一端、负载的另一端、开关管的源极分别与隔离变压器副边绕组的中点连接。
3.根据权利要求1所述的Buck-Boost直流变换器，其特征在于：所述前级Buck变换器由输入电源、半桥电路、电容支路、隔离变压器，第一至第二同步整流管，所述电容支路由两个相互串联的电容组成；所述后极Boost变换器包括输入电感、开关管、整流二极管、输出滤波电容、负载；其中：
所述输入电源的两端分别连接半桥电路、电容支路的两端，所述隔离变压器的原边绕组的两端分别连接半桥电路的桥臂中点、电容支路的中点，所述隔离变压器的副边绕组的一端与第一同步整流管的源极连接，所述隔离变压器的副边绕组的另一端与第二同步整流管的源极连接，所述第一同步整流管的漏极分别与第二同步整流管的漏极、输入电感的一端连接；
所述输入电感的另一端分别与开关管的漏极、整流二极管的阳极连接，整流二极管的阴极分别与输出滤波电容的一端、负载的一端连接，所述输出滤波电容的另一端、负载的另一端、开关管的源极分别与隔离变压器副边绕组的中点连接。
4.根据权利要求1-3所述的Buck-Boost直流变换器，其特征在于：所述后级Boost变换器的数量为N个，N为自然数。
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