CN103023322A - 一种软开关的降压式变换电路及其控制策略 - Google Patents
一种软开关的降压式变换电路及其控制策略 Download PDFInfo
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Abstract
本发明涉及软开关领域，特别涉及一种软开关的降压式变换电路及其控制策略，包括软开关电路、控制单元；其中软开关电路包括：输入电源Vin、第一MOS开关管S1、第二MOS开关管S2、第三MOS开关管S3、二极管D、第一电感L1、第二电感L2、第一电容C1、第二电容C2、输入负载R，控制单元用于控制第一MOS开关管S1、第二MOS开关管S2、第三MOS开关管S3的导通与关断，应用该技术方案在同样实现降低开关损耗和提高开关频率的基础上，简化了电路结构，提高了电路的效率，改善了电路实际使用的效果。
Description
技术领域
本发明涉及软开关领域，特别涉及一种软开关的降压式变换电路及其控制策略。
背景技术
传统的PWM变换器中的开关器件主要为硬开关(Hard-Switching),现有的硬开关具有如下缺陷：
1：在开通时，电流上升和电压下降同时进行形成开通损耗，在关断时，电压上升和电流下降同时进行形成关断损耗，由此电压、电流波形的交叠产生了开关损耗(Switching-Loss),开关损耗会随着开关频率的提高而急速增加。
2：当器件关断时，电路的感性元件感应出尖峰电压，开关频率愈高，关断愈快,该感应电压愈高，此电压加在开关器件两端,易造成器件击穿。
3：当开关器件在很高的电压下开通时，储存在开关器件结电容中的能量将以电流形式全部耗散在该器件内。开关频率愈高，开通电流尖峰愈大，从而引起器件过热损坏。另外，二极管由导通变为截止时存在反向恢复期，开关管在此期间内的开通动作，易产生很大的冲击电流，开关频率愈高，该冲击电流愈大，对器件的安全运行造成危害。
4：随着频率提高，电路中的 di/dt和dv/dt增大，从而导致电磁干扰(EMI)增大，影响整流器和周围电子设备的工作。
现代电力电子装置的发展趋势主要趋向于小型化、轻量化、对电路效率和电磁兼容性也有了更高的要求。而硬开关的缺陷大大的制约了现代电力电子装置的发展，由此本领域的技术人员针对解决硬开关的缺陷设计了由复杂电路构成的软开关（Soft-Switching）。
现有的软开关是相对硬开关而言的。软开关是电器回路中用于连通和切断负载的一种方式和装置。软开关技术问世以来，经历了不断的发展和完善，主要可分为零电压开关和零电流开关。随着新型的软开关拓扑仍不断出现，根据其发展的历程可将软开关电路分成准谐振电路、零开关PWM电路和零转换PWM电路。和硬开关工作不同，理想的软关断过程是电流先降到零，电压再缓慢上升到断态值，所以关断损耗近似为零。由于器件关断前电流已下降到零，解决了感性关断问题，理想的软开通过程是电压先降到零，电流在缓慢上升到通态值，所以开通损耗近似为零，器件结电容的电压亦为零，解决了容性开通问题。同时的，开通时，二极管反向恢复过程已经结束，因此二极管方向恢复问题不存在，提高了开关的频率。
在发明人的仔细研究和验证下，发现现有技术具有如下缺陷：
现有的软开关电路为了实现降低开关损耗和提高开关频率的目的，其设计的电路结构都较为复杂，其必须使用繁复的控制策略以实现软开关的效果，由此导致电路的效率处于一种较低的水平，影响了电路的实际使用效果。
发明内容
本发明实施例第一目的在于提供一种软开关的降压式变换电路，应用该技术方案在同样实现降低开关损耗和提高开关频率的基础上，简化了电路结构，提高了电路的效率，改善了电路实际使用的效果。
本发明实施例第二目的在于提供 一种软开关的降压式变换电路的控制策略，应用该技术方案在同样实现降低开关损耗和提高开关频率的基础上，简化了电路结构，提高了电路的效率，改善了电路实际使用的效果。
一种软开关的降压式变换电路，其特征在于：
包括软开关电路、控制单元；
所述的软开关电路包括：输入电源、第一MOS开关管、第二MOS开关管、第三MOS开关管、二极管、第一电感、第二电感、第一电容、第二电容、输入负载以及用于控制所述第一MOS开关管、第二MOS开关管、第三MOS开关管的导通与关断的控制单元；
所述输入电源的正极分别与所述第一MOS开关管的漏极和第二MOS开关管的漏极相连接；
所述第二MOS开关管的源极分别与所述的第一电感的一端和所述的二极管的阴极相连接；
所述二极管的阳极与所述的输入电源的负极相连接；
所述第一电感的另一端与所述的第一MOS开关管的源极相连接；
所述第一MOS开关管的源极与所述的第三MOS开关管的漏极相连接；
所述第三MOS开关管的源极与所述的输入电源的负极相连接；
所述第三MOS开关管的漏极与所述的第一电容的一端相连接；
所述第一电容的另一端与所述的输入电源的负极相连接；
所述第三MOS开关管的漏极与所述的第二电感的一端相连接；
所述第二电感的另一端分别与所述的第二电容的一端和所述的输入负载的一端相连接；
所述第二电容的另一端和所述的输入负载的另一端同时与所述的输入电源的负极相连接。
2、根据权利要求1所述的一种软开关的降压式变换电路，其特征在于：
所述控制单元至少包含有三个输出端，分别为第一输出端、第二输出端、第三输出端；
所述第一输出端与所述的第一MOS开关管的栅极相连接；
所述第二输出端与所述的第二MOS开关管的栅极相连接；
所述第三输出端与所述的第三MOS开关管的栅极相连接。
3、根据权利要求1、2所述的一种软开关的降压式变换电路，其特征在于：
所述第一电感记为L1，其电感值按照以下公式计算得出：
L1=t1*Vin/Io
其中，Vin为输入电源的电压，Io为输入负载输出的电流强度，t1为所述第一电感的电流从零增长到输出电流所用时间。
4、根据权利要求1、2所述的一种软开关的降压式变换电路，其特征在于：
所述第一电容记为C1，其容值按照以下公式计算得出：
C1=Io*t2/Vin
其中，Vin为输入电源的电压，Io为输入负载输出的电流强度，t2为所述第一电容的电压从输入电源的电压下降到零所用的时间。
5、根据权利要求1、2所述的一种软开关的降压式变换电路，其特征在于：
所述的二极管为续流二极管。
6、一种如权利要求1-5所述的软开关的降压式变换电路的控制策略，其特征在于：
步骤为：
A:当第一电感的电流强度为零时，导通第一MOS开关管，同时关断第二MOS开关管和第三MOS开关管；此时第一MOS开关管实现零电流导通；
B:将第一MOS开关管由导通变为关断，第二MOS开关管和第三MOS开关管保持关断；
C:当第一电容的电压达到零时，将第三MOS开关管由关断变为导通，第一MOS开关管和第二MOS开关管保持关断；
D:将第二MOS开关管由关断变为导通， 第一MOS开关管保持关断，第三MOS开关管保持导通；此时第二MOS开关管实现零电流导通；
E:当第一电感的电流强度达到输入负载输出的电流强度时，将第三MOS开关管由导通变为关断，第一MOS开关管保持关断，第二MOS开关管保持导通；此时第三MOS开关管实现了零电流关断，
F:当第一电容的电压达到输入电源的电压时，将第一MOS开关管由关断变为导通，第二MOS开关管随后由导通变为关断，第三MOS开关管保持关断。
由上可见，应用本实施例技术方案，应用了较少的电子元件同样实现了降低开关损耗和提高开关频率，其大大的简化了电路结构，提高了电路的效率，改善了电路实际使用的效果。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明实施例1提供的一种电路结构图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
实施例1：
如图1所示，本实施例公开了一种软开关的降压式变换电路，包括软开关电路、控制单元；其中软开关电路包括：输入电源Vin、第一MOS开关管S1、第二MOS开关管S2、第三MOS开关管S3、二极管D、第一电感L1、第二电感L2、第一电容C1、第二电容C2、输入负载R，控制单元用于控制第一MOS开关管S1、第二MOS开关管S2、第三MOS开关管S3的导通与关断；
输入电源Vin的正极分别与第一MOS开关管S1的漏极和第二MOS开关管S2的漏极相连接；第二MOS开关管S2的源极分别与第一电感L1的一端和二极管D的阴极相连接；二极管D的阳极与输入电源Vin的负极相连接；第一电感L1的另一端与第一MOS开关管S1的源极相连接；第一MOS开关管S1的源极与第三MOS开关管S3的漏极相连接；第三MOS开关管S3的源极与输入电源的负极相连接；第三MOS开关管S3的漏极与第一电容C1的一端相连接；第一电容C1的另一端与输入电源Vin的负极相连接；第三MOS开关管S3的漏极与第二电感L2的一端相连接；第二电感L2的另一端分别与第二电容C2的一端和输入负载R的一端相连接；第二电容C2的另一端和输入负载R的另一端同时与输入电源Vin的负极相连接。
一种如上所述的软开关的降压式变换电路的控制策略，其步骤为：
A:当第一电感的电流强度为零时，导通第一MOS开关管，同时关断第二MOS开关管和第三MOS开关管；
B:将第一MOS开关管由导通变为关断，第二MOS开关管和第三MOS开关管保持关断；
C:当第一电容的电压达到零时，将第三MOS开关管由关断变为导通，第一MOS开关管和第二MOS开关管保持关断；
D:将第二MOS开关管由关断变为导通， 第一MOS开关管保持关断，第三MOS开关管保持导通；
E:当第一电感的电流强度达到输入负载输出的电流强度时，将第三MOS开关管由导通变为关断，第一MOS开关管保持关断，第二MOS开关管保持导通；
F:当第一电容的电压达到输入电源的电压时，将第一MOS开关管由关断变为导通，第二MOS开关管随后由导通变为关断，第三MOS开关管保持关断。
实施例2：
作为优选的一种方案，与实施例1不同的地方在于：控制单元可以至少包含有三个输出端，分别为第一输出端A、第二输出端B、第三输出端C；第一输出端A与第一MOS开关管S1的栅极相连接；第二输出端B与第二MOS开关管S2的栅极相连接；第三输出端C与所述的第三MOS开关管S3的栅极相连接。
实施例3：
作为优选的一种方案，与实施例1不同的地方在于：所述第一电感L1的电感值按照以下公式计算得出：
L1=t1*Vin/Io
其中，Vin为输入电源的电压，Io为输入负载输出的电流强度，t1为所述第一电感的电流从零增长到输出电流所用时间。
实施例4：
作为优选的一种方案，与实施例1不同的地方在于：第一电容C1的容值按照以下公式计算得出：
C1=Io*t2/Vin
其中，Vin为输入电源的电压，Io为输入负载输出的电流强度，t2为所述第一电容的电压从输入电源的电压下降到零所用的时间。
实施例5：作为优选的一种方案，与实施例1不同的地方在于：所述的二极管为续流二极管。
以上所描述的装置实施例仅仅是示意性的，其中所述作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个网络单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部模块来实现本实施例方案的目的。本领域普通技术人员在不付出创造性的劳动的情况下，即可以理解并实施。
通过以上的实施方式的描述，本领域的技术人员可以清楚地了解到各实施方式可借助软件加必需的通用硬件平台的方式来实现，当然也可以通过硬件。基于这样的理解，上述技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品可以存储在计算机可读存储介质中，如ROM/RAM、磁碟、光盘等，包括若干指令用以使得一台计算机设备（可以是个人计算机，服务器，或者网络设备等）执行各个实施例或者实施例的某些部分所述的方法。
以上所述的实施方式，并不构成对该技术方案保护范围的限定。任何在上述实施方式的精神和原则之内所作的修改、等同替换和改进等，均应包含在该技术方案的保护范围之内。
Claims (6)
1.一种软开关的降压式变换电路，其特征在于：
包括软开关电路、控制单元；
所述的软开关电路包括：输入电源、第一MOS开关管、第二MOS开关管、第三MOS开关管、二极管、第一电感、第二电感、第一电容、第二电容、输入负载以及用于控制所述第一MOS开关管、第二MOS开关管、第三MOS开关管的导通与关断的控制单元；
所述输入电源的正极分别与所述第一MOS开关管的漏极和第二MOS开关管的漏极相连接；
所述第二MOS开关管的源极分别与所述的第一电感的一端和所述的二极管的阴极相连接；
所述二极管的阳极与所述的输入电源的负极相连接；
所述第一电感的另一端与所述的第一MOS开关管的源极相连接；
所述第一MOS开关管的源极与所述的第三MOS开关管的漏极相连接；
所述第三MOS开关管的源极与所述的输入电源的负极相连接；
所述第三MOS开关管的漏极与所述的第一电容的一端相连接；
所述第一电容的另一端与所述的输入电源的负极相连接；
所述第三MOS开关管的漏极与所述的第二电感的一端相连接；
所述第二电感的另一端分别与所述的第二电容的一端和所述的输入负载的一端相连接；
所述第二电容的另一端和所述的输入负载的另一端同时与所述的输入电源的负极相连接。
2.根据权利要求1所述的一种软开关的降压式变换电路，其特征在于：
所述控制单元至少包含有三个输出端，分别为第一输出端、第二输出端、第三输出端；
所述第一输出端与所述的第一MOS开关管的栅极相连接；
所述第二输出端与所述的第二MOS开关管的栅极相连接；
所述第三输出端与所述的第三MOS开关管的栅极相连接。
3.根据权利要求1、2所述的一种软开关的降压式变换电路，其特征在于：
所述第一电感记为L1，其电感值按照以下公式计算得出：
L1=t1*Vin/Io
其中，Vin为输入电源的电压，Io为输入负载输出的电流强度，t1为所述第一电感的电流从零增长到输出电流所用时间。
4.根据权利要求1、2所述的一种软开关的降压式变换电路，其特征在于：
所述第一电容记为C1，其容值按照以下公式计算得出：
C1=Io*t2/Vin
其中，Vin为输入电源的电压，Io为输入负载输出的电流强度，t2为所述第一电容的电压从输入电源的电压下降到零所用的时间。
5.根据权利要求1、2所述的一种软开关的降压式变换电路，其特征在于：
所述的二极管为续流二极管。
6.一种如权利要求1-5所述的软开关的降压式变换电路的控制策略，其特征在于：
步骤为：
A:当第一电感的电流强度为零时，导通第一MOS开关管，同时关断第二MOS开关管和第三MOS开关管；
B:将第一MOS开关管由导通变为关断，第二MOS开关管和第三MOS开关管保持关断；
C:当第一电容的电压达到零时，将第三MOS开关管由关断变为导通，第一MOS开关管和第二MOS开关管保持关断；
D:将第二MOS开关管由关断变为导通， 第一MOS开关管保持关断，第三MOS开关管保持导通；
E:当第一电感的电流强度达到输入负载输出的的电流强度时，将第三MOS开关管由导通变为关断，第一MOS开关管保持关断，第二MOS开关管保持导通；
F:当第一电容的电压达到输入电源的电压时，将第一MOS开关管由关断变为导通，第二MOS开关管随后由导通变为关断，第三MOS开关管保持关断。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| C02 | Deemed withdrawal of patent application after publication (patent law 2001) | ||
| WD01 | Invention patent application deemed withdrawn after publication |
Application publication date: 20130403 |