CN103414340B - 零电流软开关变换器 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种零电流软开关变换器，涉及电力电子电路拓扑设计领域。包括开关管、功率二极管、电压源和电流源电感的基本电路，还包括软开关辅助单元，软开关辅助单元包含谐振电感、谐振电容和辅助开关管；开关管和辅助开关管为携带反并联二极管或具有反并联二极管特性的可关断功率开关器件；谐振电感的一端a连接到开关管和功率二极管的连接点上，谐振电感的另一端b连接到电流源电感上；谐振电容与辅助开关管构成串联支路，串联支路的一端与谐振电感端点b连接，串联支路的另一端c连接到电压源的负极N、正极P或中间点M。本发明使得软开关变换器谐振电流幅值能自动跟随负载电流变化，进而使得软开关变换器损耗进一步降低，效率进一步提高。

Description

零电流软开关变换器

技术领域

本发明涉及电力电子电路拓扑设计领域，具体涉及一种零电流软开关变换器。

背景技术

零电流开关(ZCS)是指流过开关器件电流为零时关断该器件、器件串联电感的电流为零时开通该器件；零电压开关(ZVS)是指开关器件承受电压为零时开通该器件、器件并联电容的电压为零时关断该器件；

目前，现有的ZCS变换器和ZVS变换器在软开关工作时，谐振电容电压大小不随负载电流改变，因而软开关的谐振电流幅值几乎不会随着负载电流的变化而变化。

这使得现有的ZCS和ZVS软开关变换器工作在轻载或空载时，软开关的谐振电流幅值依然维持在设计值，这表明，软开关变换器轻载工作时实际开关损耗几乎与满载时相当，不会随着负载电流减小而降低。这使得软开关变换器轻载工作时工作效率往往比硬开关变换器还低。

发明内容

（一）解决的技术问题

针对现有技术的不足，本发明提供一种零电流软开关变换器，克服现有各种ZCS和ZVS变换器软开关工作时谐振电流不随负载电流单调变化的不足，解决谐振电流幅值自动跟随负载电流变化的问题。

（二）技术方案

为实现以上目的，本发明通过以下技术方案予以实现：

一种零电流软开关变换器，包括有开关管S、功率二极管D、电流源电感L和电压源的基本电路，还包括软开关辅助单元；

所述软开关辅助单元包含谐振电感L_r、谐振电容C_r和辅助开关管S_A；

其中，所述开关管S和所述辅助开关管S_A为携带反并联二极管或具有反并联二极管特性的可关断功率开关器件；

所述谐振电感L_r的一端点a连接到所述开关管S和所述功率二极管D的连接点上，或连接到两个所述开关管S串联构成的桥臂中点上；所述谐振电感L_r的另一端点b连接到所述电流源电感L上；所述谐振电容C_r与所述辅助开关管S_A构成串联支路，所述串联支路的一端与所述谐振电感L_r端点b连接，所述串联支路的另一端点c连接到开关管S和功率二极管D两端或所述桥臂两端电压源的负极点N上、或正极点P上、或正负极点之间的分压点M上。

优选的，所述软开关辅助单元上的所述谐振电容C_r和所述辅助开关管S_A构成的串联支路，由所述谐振电容C_r的一端连接所述谐振电感L_r的端点b上，由所述谐振电容C_r的另一端连接到所述辅助开关管S_A一端上，所述辅助开关管S_A的另一端作为c端点；或者由所述辅助开关管S_A的一端连接所述谐振电感L_r的端点b，由所述辅助开关管S_A的另一端连接到所述谐振电容C_r一端上，所述谐振电容C_r的另一端作为c端点；所述开关管S和辅助开关管S_A为IGBT管或MOSFET管。

优选的，所述软开关辅助单元的谐振电感L_r与所述基本电路的电流源电感L可以相互耦合。

优选的，所述基本电路为Buck变换器，包括电流源电感L和输入电压源V_in，

所述谐振电感L_r的一端a连接到所述开关管S和所述功率二极管D的连接点上，所述谐振电感L_r的另一端点b连接到所述电流源电感L上；所述谐振电容C_r与所述辅助开关管S_A构成串联支路，所述串联支路的一端与所述谐振电感L_r端点b连接，所述串联支路的另一端点c连接到电压源V_in的负极点N上、或正极点P上、或正负极点之间的分压点M上。

优选的，所述基本电路为Boost变换器，包括电流源电感L和输出电压源V_o，

所述谐振电感L_r的一端a连接到所述开关管S和所述功率二极管D的连接点上，所述谐振电感L_r的另一端点b连接到所述电流源电感L上；所述谐振电容C_r与所述辅助开关管S_A构成串联支路，所述串联支路的一端与所述谐振电感L_r端点b连接，所述串联支路的另一端c连接到电压源V_o的负极点N上、或正极点P上、或正负极点之间的分压点M上。

优选的，所述基本电路为Buck-Boost变换器，包括电流源电感L和电输入V_in和输出压源V_o，

所述谐振电感L_r的一端a连接到所述开关管S和所述功率二极管D的连接点上，所述谐振电感L_r的另一端点b连接到所述电流源电感L上；所述谐振电容C_r与所述辅助开关管S_A构成串联支路，所述串联支路的一端与所述谐振电感L_r端点b连接，所述串联支路的另一端c连接到输出电压源V_o的负极点N上、或输入电压源V_in正极点P上、或两个电压源的连接点M上。

优选的，所述基本电路为Cuk变换器，包括输入电流源电感L₁和输出电流源电感L₂以及连接在开关管S和功率二极管D之间的电压源电容，

所述谐振电感L_r的一端a连接到所述开关管S和所述功率二极管D的连接点上，所述谐振电感L_r的另一端点b连接到所述电流源电感L₁或L₂上；所述谐振电容C_r与所述辅助开关管S_A构成串联支路，所述串联支路的一端与所述谐振电感L_r端点b连接，所述串联支路的另一端c连接到能量缓冲电压源电容的负极点N上、或正极点P上、或正负极点之间的分压点M上。

优选的，所述基本电路为桥臂电路，包含上桥臂开关管S₁和下桥臂开关管S₂，电流源电感L，桥臂两端的电压源V_d；

所述谐振电感L_r的一端a连接到所述开关管S₁和S₂的连接点上，所述谐振电感L_r的另一端点b连接到所述电流源电感L上；所述谐振电容C_r与所述辅助开关管S_A构成串联支路，所述串联支路的一端与所述谐振电感L_r端点b连接，所述串联支路的另一端c连接到电压源V_d的负极点N上、或正极点P上、或正负极点之间的中点M上。

优选的，所述基本电路为桥臂电路，包括第一软开关辅助单元和第二软开关辅助单元，两个所述软开关辅助单元共用谐振电感L_r，所述第一软开关辅助单元包括辅助谐振电容C_r1和开关管S_A1；所述第二软开关辅助单元包括辅助谐振电容C_r2和开关管S_A2；

所述第一软开关辅助单元和所述第二软开关辅助单元共用的谐振电感L_r的一端a₁和a₂连接到所述开关管S₁和S₂的连接点上，所述谐振电感L_r的另一端点b₁和b₂连接到所述电流源电感L上；

所述谐振电容C_r1与所述辅助开关管S_A1构成第一串联支路，所述第一串联支路的一端与所述谐振电感L_r端点b₁连接，所述第一串联支路的另一端c₁连接到电压源V_d的正极点P上、或负极点N上、或正负极之间的中点M上；

所述谐振电容C_r2与所述辅助开关管S_A2构成第二串联支路，所述第二串联支路的一端与所述谐振电感L_r端点b₂连接，所述第一串联支路的另一端c₂连接到电压源V_d的负极点N上、或正极点P上、或正负极之间的中点M上。

优选的，所述基本电路为桥臂电路，包括第一软开关辅助单元和第二软开关辅助单元，两个所述软开关辅助单元共用谐振电感L_r和谐振电容C_r，所述第一软开关辅助单元包括辅助开关管S_A1，所述第二软开关辅助单元包括辅助开关管S_A2；

两个所述软开关辅助单元共用谐振电感L_r的一端a₁和a₂连接到所述开关管S₁和S₂的连接点上，另一端点b₁和b₂连接到所述电流源电感L上；

所述谐振电容C_r与所述辅助开关管S_A1构成第一串联支路，所述第一串联支路的一端与所述谐振电感L_r端点b₁连接，所述第一串联支路的另一端c₁连接到电压源V_d的正极点P上、或负极点N上、或正负极之间的中点M上；

所述谐振电容C_r与所述辅助开关管S_A2构成第二串联支路，所述第二串联支路的一端与所述谐振电感L_r端点b₂连接，所述第一串联支路的另一端c₂连接到电压源V_d的负极点N上、或正极点P上、或正负极之间的中点M上。

（三）有益效果

本发明通过提供一种零电流软开关变换器，通过在基本电路中添加包含谐振电感L_r、谐振电容C_r和辅助开关管S_A的软开关辅助单元，使得软开关变换器谐振电流幅值能自动跟随负载电流变化，进而使得软开关变换器损耗进一步降低，工作效率进一步提高，特别是轻载工况。

本发明可以使得负载电流超过软开关设计值时也能实现零电流关断，解决了过载不能实现软开关的问题；在基本电路稳态工作时，谐振电感串联在电流源电感回路上，相当于加强了电流源电感的作用效果。

本发明的谐振电感可以与基本电路的电流源电感耦合，故可以直接采用基本电路电流源电感的一部分替代，这样能进一步节省辅助元件个数和提高磁芯利用率。

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。

图1(a)为本发明实施例的一种零电流软开关变换器电路原理图；

图1(b)～(f)为本发明图1(a)实施例的一种零电流软开关变换器电路原理图的5种变形；

图2(a)～(h)为图1（a）在一个开关周期内的8种工作模式；

图2(i)为图1（a）在一个开关周期内的主要工作波形图；

图3(a)为本发明实施例的软开关辅助单元示意图；

图3(b)为本发明实施例的辅助开关管S_A的实现举例示意图；

图4(a)为本发明实施例的Boost变换器软开关辅助单元的连接示意图；

图4(b)为本发明实施例的Buck-boost变换器软开关辅助单元的连接示意图；

图4(c)～(d)为本发明实施例的Cuk变换器软开关辅助单元的两种连接示意图；

图5为本发明实施例的桥臂电路中一个软开关辅助单元的连接示意图；

图6(a)～(b)为本发明实施例的桥臂电路中两个软开关辅助单元共用谐振电感的两种连接示意图；

图7(a)～(b)为本发明实施例的桥臂电路中两个软开关辅助单元共用谐振电感和谐振电容的两种连接示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例，对于本发明所提出的一种零电流软开关变换器进行详细说明。

实施例1：

如图1(a)所示，本发明实施例提供了一种零电流软开关变换器，包括有开关管、功率二极管、电流源电感和输入电压源的基本电路，还包括软开关辅助单元，

如图3(a)所示，所述软开关辅助单元包含谐振电感L_r、谐振电容C_r和辅助开关管S_A；

其中，所述开关管和所述辅助开关管S_A为携带反并联二极管的IGFBT或MOSFET等具有反并联二极管功能的可关断功率开关器件；

所述谐振电感L_r的一端a连接到所述开关管和所述功率二极管的连接点上，或连接到两个所述开关管串联构成的桥臂中点上；所述谐振电感L_r的另一端b连接到所述电流源电感上；所述谐振电容C_r与所述辅助开关管S_A构成串联支路，所述串联支路的一端与所述谐振电感L_r端点b连接，所述串联支路的另一端c连接到开关管S和功率二极管D两端或所述桥臂两端电压源的负极点N上、或正极点P上、或正负极点之间的分压点M上。

优选的，所述软开关辅助单元上的谐振电容C_r和辅助开关管S_A的位置可以互换：

即由所述谐振电容C_r的一端连接所述谐振电感L_r的端点b上，由所述谐振电容C_r的另一端连接到所述辅助开关管S_A一端上，所述辅助开关管S_A的另一端作为c端点；或者由所述辅助开关管S_A的一端连接所述谐振电感L_r的端点b，由所述辅助开关管S_A的另一端连接到所述谐振电容C_r一端上，所述谐振电容C_r的另一端作为c端点；

优选的，如图3(b)所示，所述开关管S和辅助开关管S_A为具有反并联二极管的IGBT管或MOSFET管等具有反并联二极管功能的可关断开关器件。

优选的，所述谐振电感与所述电流源电感可以相互耦合，即软开关辅助单元中的谐振电感L_r与该基本电路的电流源电感L可以采用耦合工作。

优选的，所述桥臂中两个开关管S₁和S₂采用所述一个软开关辅助单元控制，实现零电流开关；或采用所述两个软开关辅助单元控制，实现零电流开关。

本发明实施例通过提供一种零电流软开关变换器，通过在基本电路中添加包含谐振电感L_r、谐振电容C_r和辅助开关管S_A的软开关辅助单元，使得软开关变换器谐振电流幅值能自动跟随负载电流变化，开关管和辅助开关管均实现零电流开通和零电流关断，功率二极管实现零电流关断；进而使得软开关变换器损耗进一步降低，效率进一步提高。

本发明的谐振电感可以与电流源电感耦合使用，也可以直接采用基本电路电流源电感的部分绕组作为软开关辅助单元的谐振电感绕组。

本发明实施例中的软开关辅助单元应用的各种变换器中的连接方式略有不同，但工作原理是一样的，下面就以Buck变换器为例，按照图1（a）电路连接方式进行工作原理的说明。

一个开关周期内，共有8种工作模式，分别如图2(a)～图2(h)所示；一个开关周期内的主要波形示意图，如图2(i)所示。

分述如下：

输入电压为V_in，因为电感值较大，所以流过电感L的电流I在开通和关断过程的短时间内可以看作不变。

模式1：如图2(a)所示，[t₀，t₁]阶段。开关管S导通，辅助开关管S_A关断。基本电路工作在开关管导通稳态。谐振电感电流等于电流源电感电流，线性充电上升；谐振电容电压维持不变。在t₁时刻，

谐振电感电流：

i_Lr(t)=I₁(1)

谐振电容电压：

v_Cr(t)=v_Cr(t₁)(2)

模式2：如图2(b)所示，[t₁，t₂]阶段。t₁时刻辅助开关管S_A导通，谐振电感、谐振电容发生谐振，此阶段主开关管电流值与谐振电感电流值相等。主开关管S与辅助开关管S_A在主开关管电流反向流动期间的任意时刻关断，实现零电流关断。此后电流流过主开关管S的反并联二极管，t₂时刻，反并联二极管关断，该阶段结束。

谐振电感电流：

$i_{\mathrm{Lr}}\left(t\right)=I_1+\frac{V_{\mathrm{in}}-v_{\mathrm{Cr}}\left(t_1\right)}{Z_r}\sin \left[{\mathrm{\ω}}_0(t-t_1)\right]---\left(3\right)$

谐振电容电压：

v_Cr(t)=V_in+[v_Cr(t₁)-V_in]cos[w₀(t-t₁)](4)

$v_{\mathrm{Cr}}\left(t_2\right)=V_{\mathrm{in}}-\sqrt{{[V_{\mathrm{in}}-v_{\mathrm{Cr}}\left(t_1\right)]}^2-{\left(I_1{Z}_r\right)}^2}---\left(5\right)$

其中， ${\mathrm{\ω}}_0=\frac{1}{\sqrt{L_r{C}_r}},$ $Z_r=\sqrt{\frac{L_r}{C_r}}.$

模式3：如图2(c)所示，[t₂，t₃]阶段。谐振电容恒流放电，t₃时刻谐振电容电压值降为0，功率二极管D准备导通，该阶段结束。

谐振电感电流：

i_Lr(t)=₀(6)

谐振电容电压：

$v_{\mathrm{Cr}}\left(t\right)=-\frac{I_1}{C_r}(t-t_2)+v_{\mathrm{Cr}}\left(t_2\right)---\left(7\right)$

v_Cr(t₃)=0(8)

模式4：如图2(d)所示，[t₃，t₄]阶段。辅助开关管S_A的反并联二极管仍然导通，功率二极管开始导通，谐振电感、谐振电容发生谐振。t₄时刻功率二极管D的电流值等于电流源电感L的电流值I₁，辅助开关管S_A的反并联二极管零电流自然关断，该阶段结束。

谐振电感电流：

i_Lr(t)=I₁-I₁cos[w₀(t-t₃)](9)

谐振电容电压：

v_Cr(t)=-I₁Z_rsin[w₀(t-t₃)](10)

在t₄时刻，

i_Lr(t₄)=I₁，v_Cr(t₄)=-I₁Z_r(11)

模式5：如图2(e)所示，[t₄，t₅]阶段。开关管S关断，辅助开关管S_A关断。电路处于功率二极管续流导通稳态。谐振电感的电流等于电流源电感电流，线性放电下降；谐振电容的电压维持不变。在t₅时刻，

谐振电感电流：

i_Lr(t)=I₅(12)

谐振电容电压：

v_Cr(t)=-I₁Z_r(13)

显然，I₅<I₁。

模式6：如图2(f)所示，[t₅，t₆]阶段。t₅时刻辅助开关管S_A导通，谐振电感、谐振电容发生谐振，t₆时刻，谐振电感电流值降为0，功率二极管D零电流自然关断，该阶段结束。

谐振电感电流：

i_Lr(t)=I₅+I₁sin[w₀(t-t₅)](14)

谐振电容电压：

v_Cr(t)=-I₁Z_rcos[w₀(t-t₅)](15)

在t₆时刻，

$i_{\mathrm{Lr}}\left(t_6\right)=0,v_{\mathrm{Cr}}\left(t_6\right)=Z_r\sqrt{I_1^2-I_5^2}---\left(16\right)$

显然，v_Cr(t₆)>0。

模式7：如图2(g)所示，[t₆，t₇]阶段。谐振电容恒流放电。在此阶段谐振电容电压降为0之前的任意时刻t₇导通开关管S，该模态结束。由于谐振电感的电流为0，因此开关管S零电流开通。

谐振电感电流：

i_Lr(t)=0(17)

谐振电容电压：

$v_{\mathrm{Cr}}\left(t\right)=-\frac{I_5}{C_r}(t-t_6)+v_{\mathrm{Cr}}\left(t_6\right)---\left(18\right)$

在t₇时刻，

$v_{\mathrm{Cr}}\left(t_7\right)=-\frac{I_5}{C_r}(t_7-t_6)+v_{\mathrm{Cr}}\left(t_6\right)---\left(19\right)$

模式8：如图2(h)所示，[t₇，t₈]阶段。辅助开关管S_A的反并联二极管仍然导通，谐振电感、谐振电容发生谐振，t₈时刻谐振电感电流值等于电流源电感L的电流值I₅，辅助开关管S_A的反并联二极管自然关断，该阶段结束。

谐振电感电流：

$i_{\mathrm{Lr}}\left(t\right)=I_5+\frac{V_{\mathrm{in}}-v_{\mathrm{Cr}}\left(t_7\right)}{Z_r}\sin \left[{\mathrm{\&omega;}}_0(t-t_7)\right]-I_5\cos \left[{\mathrm{\&omega;}}_0(t-t_7)\right]---\left(20\right)$

谐振电容电压：

v_Cr(t)=V_in-I₅Z_rsin[w₀(t-t₇)]+[v_Cr(t₇)-V_in]cos[w₀(t-t₇)](21)

$v_{\mathrm{Cr}}\left(t_8\right)=V_{\mathrm{in}}-\sqrt{{\left(I_5{Z}_r\right)}^2+{[V_{\mathrm{in}}-v_{\mathrm{Cr}}\left(t_7\right)]}^2}---\left(22\right)$

S_A的反并联二极管自然关断后，谐振电容电压不变，因此：

$v_{\mathrm{Cr}}\left(t_1\right)=v_{\mathrm{Cr}}\left(t_8\right)=V_{\mathrm{in}}-\sqrt{{\left(I_5{Z}_r\right)}^2+{[V_{\mathrm{in}}-v_{\mathrm{Cr}}\left(t_7\right)}^2}---\left(23\right)$

下面分析谐振电流幅值自动跟随负载电流变化。

从开关工作的8个模式可知，公式(3)是开关管关断过程的谐振电流公式，公式(14)是开关管开通过程的谐振电流公式。由于vCr(t7)很小，为便于分析，近似看做为0代入公式(23)，再代入公式(3)，得到开关管关断过程振电流公式为：

$i_s\left(t\right)=i_{\mathrm{Lr}}\left(t\right)=I_1+\sqrt{I_5^2+\frac{V_{\mathrm{in}}^2}{Z_r^2}}\sin \left[{\mathrm{\&omega;}}_0(t-t_1)\right]---\left(24\right)$

由公式(14)和(24)可知，软开关的谐振电流幅值是负载电流的函数，且随着负载电流的降低而降低，解决了谐振电流幅值自动跟随负载电流变化的问题，并提高了软开关变换器轻载时的效率。

另外，由公式(14)和(24)可知，谐振电感的电流幅值一定大于负载电流，即流过开关管S的电流最小值一定小于或等于0。这说明不管负载电流如何变化，都能够保证开关管S零电流开通和关断。克服了现有ZCS和ZVS软开关变换器，负载超过额定值后开关管电流不能谐振到零的缺点。

以上对图1（a）工作原理的分析，整个流程可以概括为：开关管S导通状态时，功率二极管截止，电流源电感电流上升；开通辅助开关管S_A后,软开关辅助单元谐振工作，当谐振电感电流流过开关管S降为零或流过其反并联二极管时关断开关管S，实现开关管S的零电流关断,此时电流由辅助开关管S_A的反并联二极管逐渐转移到功率二极管D中续流；开关管S关断状态时，电流流经功率二极管D续流，电流源电感电流下降；开通辅助开关管S_A后，软开关辅助单元谐振工作，当功率二极管和谐振电感的电流为零时开通开关管S，实现功率二极管的零电流关断和开关管S的零电流开通，电流由辅助开关管S_A的反并联二极管逐渐转移到开关管S中。

实施例2：

如图1（a）～（c）所示，所述基本电路为Buck变换器，包括电流源电感L，输入电压源V_in，所述谐振电感L_r的一端a连接到所述开关管S和所述功率二极管D的连接点上，所述谐振电感L_r的另一端点b连接到所述电流源电感上；所述谐振电容C_r一端与所述谐振电感L_r端点b连接，所述谐振电容C_r与所述辅助开关管S_A连接构成串联支路，所述辅助开关管S_A的另一端c连接到电压源V_in的负极点N上、或正极点P上、或正负极点之间的分压点M上。

如图1（d）～（f）所示，作为本实施例的变形，所述软开关辅助单元中的辅助开关管S_A和谐振电容互换了位置：所述辅助开关管S_A一端与所述谐振电感L_r端点b连接，所述辅助开关管S_A与所述谐振电容C_r连接构成串联支路，所述谐振电容C_r的另一端c连接到电压源V_in的负极点N上、或正极点P上、或正负极点之间的分压点M上。

实施例3

如4（a）所示，所述基本电路为Boost变换器，包括电流源电感L和输出电压源V_o，

所述谐振电感L_r的一端a连接到所述开关管S和所述功率二极管D的连接点上，所述谐振电感L_r的另一端点b连接到所述电流源电感L上；所述谐振电容C_r与所述辅助开关管S_A构成串联支路，所述串联支路的一端与所述谐振电感L_r端点b连接，所述串联支路的另一端c连接到电压源V_o的负极点N上、或正极点P上、或正负极点之间的分压点M上。

图4（a）所述，为本实施例的一种拓扑结构图；如同实施例2一样，当基本电路为Boost变换器时，通过连接关系的改变，也还有多种变形的拓扑结构。

实施例4

如图4（b）所述，所述基本电路为Buck-Boost变换器，包括电流源电感L和电输入V_in和输出压源V_o，所述谐振电感L_r的一端a连接到所述开关管S和所述功率二极管D的连接点上，所述谐振电感L_r的另一端点b连接到所述电流源电感L上；所述谐振电容C_r与所述辅助开关管S_A构成串联支路，所述串联支路的一端与所述谐振电感L_r端点b连接，所述串联支路的另一端c连接到输出电压源V_o的负极点N上、或输入电压源V_in正极点P上、或两个电压源的连接点M上。

图4（b）所示，为本实施例的一种拓扑结构图；如同实施例2一样，当基本电路为Buck-Boost变换器时，通过连接关系的改变，也还有多种变形的拓扑结构。

实施例5

如图4（c）～（d）所示，所述基本电路为Cuk变换器，包括输入电流源电感L₁和输出电流源电感L₂以及连接在开关管S和功率二极管D之间的电压源电容，

所述谐振电感L_r的一端a连接到所述开关管S和所述功率二极管D的连接点上，所述谐振电感L_r的另一端点b连接到所述电流源电感L₁或L₂上；所述谐振电容C_r与所述辅助开关管S_A构成串联支路，所述串联支路的一端与所述谐振电感L_r端点b连接，所述串联支路的另一端c连接到能量缓冲电压源电容的负极点N上、或正极点P上、或正负极点之间的分压点M上。

图4（c）～（d）所示，为本实施例的两种拓扑结构图；如同实施例2一样，当基本电路为Cuk变换器时，通过连接关系的改变，也还有多种变形的拓扑结构。

实施例6

桥臂电路，是指由两个带反并联二极管的开关管串联组成桥臂，上桥臂开关管为S₁，下桥臂开关管为S₂，桥臂两端连接电压源V_d，桥臂中点输入或输出电流。一个桥臂、两个桥臂、三个桥臂和多个桥臂电路可以分别构成半桥变换器、单相全桥变换器、三相变换器和多相变换器，这里的变换器包括DC/AC变换器即逆变器、AC/DC变换器即整流器、DC/DC变换器、AC/AC变换器。本发明实施例以半桥逆变器为例进行展示。

如图5所示，所述基本电路为桥臂电路，包含上桥臂开关管S₁和下桥臂开关管S₂，电流源电感L，桥臂两端的电压源V_d；

所述谐振电感L_r的一端a连接到所述开关管S₁和S₂的连接点上，所述谐振电感L_r的另一端点b连接到所述电流源电感L上；所述谐振电容C_r与所述辅助开关管S_A构成串联支路，所述串联支路的一端与所述谐振电感L_r端点b连接，所述串联支路的另一端c连接到电压源V_d的负极点N上、或正极点P上、或正负极点之间的中点M上。

图5所示，为本实施例的一种拓扑结构图；如同实施例2一样，当基本电路为桥臂电路时，通过连接关系的改变，也还有多种变形的拓扑结构。

实施例7

本发明实施例以半桥逆变器为例进行展示。

如图6（a）～（b）所示，所述基本电路为桥臂电路，包括第一软开关辅助单元和第二软开关辅助单元，两个所述软开关辅助单元共用谐振电感L_r，所述第一软开关辅助单元包括辅助谐振电容C_r1和开关管S_A1；所述第二软开关辅助单元包括辅助谐振电容C_r2和开关管S_A2；

所述第一软开关辅助单元和所述第二软开关辅助单元共用的谐振电感L_r的一端a₁和a₂连接到所述开关管S₁和S₂的连接点上，所述谐振电感L_r的另一端点b₁和b₂连接到所述电流源电感L上；

所述谐振电容C_r1与所述辅助开关管S_A1构成第一串联支路，所述第一串联支路的一端与所述谐振电感L_r端点b₁连接，所述第一串联支路的另一端c₁连接到电压源V_d的正极点P上、或负极点N上、或正负极之间、或正负极之间的中点M上；

所述谐振电容C_r2与所述辅助开关管S_A2构成第二串联支路，所述第二串联支路的一端与所述谐振电感L_r端点b₂连接，所述第一串联支路的另一端c₂连接到电压源V_d的负极点N上、或正极点P上、或正负极之间的中点M上。

图6（a）～（b）所示，为本实施例的两种拓扑结构图；如同实施例2一样，当基本电路为桥臂电路时，通过连接关系的改变，也还有多种变形的拓扑结构。

实施例8

本发明实施例以半桥逆变器为例进行展示。

如图7（a）～（b）所示，所述基本电路为桥臂电路，包括第一软开关辅助单元和第二软开关辅助单元，两个所述软开关辅助单元共用谐振电感L_r和谐振电容C_r，所述第一软开关辅助单元包括辅助开关管S_A1，所述第二软开关辅助单元包括辅助开关管S_A2；

两个所述软开关辅助单元共用谐振电感L_r的一端a₁和a₂连接到所述开关管S₁和S₂的连接点上，另一端点b₁和b₂连接到所述电流源电感L上；

所述谐振电容C_r与所述辅助开关管S_A1构成第一串联支路，所述第一串联支路的一端与所述谐振电感L_r端点b₁连接，所述第一串联支路的另一端c₁连接到电压源V_d的正极点P上、或负极点N上、或正负极之间的中点M上；

所述谐振电容C_r与所述辅助开关管S_A2构成第二串联支路，所述第二串联支路的一端与所述谐振电感L_r端点b₂连接，所述第一串联支路的另一端c₂连接到电压源V_d的负极点N上、或正极点P上、或正负极之间的中点M上。

图7（a）～（b）所示，为本实施例的两种拓扑结构图；如同实施例2一样，当基本电路为桥臂电路时，通过连接关系的改变，也还有多种变形的拓扑结构。

通过以上实施例的分析，本发明实施例通过在基本电路中添加包含谐振电感L_r、谐振电容C_r和辅助开关管S_A的软开关辅助单元，使得软开关变换器谐振电流幅值能自动跟随负载电流变化，进而使得软开关变换器损耗进一步降低，工作效率进一步提高，特别是轻载工况。

本发明可以使得负载电流超过软开关设计值时也能实现零电流关断，解决了过载不能实现软开关的问题；在基本电路稳态工作时，谐振电感串联在电流源电感回路上，相当于加强了电流源电感的作用效果。

本发明的谐振电感可以与基本电路的电流源电感耦合，故可以直接采用基本电路电流源电感的一部分替代，这样能进一步节省辅助元件个数和提高磁芯利用率。

需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。

以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (9)

1.一种零电流软开关变换器，包括有开关管(S)、功率二极管(D)、电流源电感(L)和电压源的基本电路，其特征在于，还包括软开关辅助单元；

所述软开关辅助单元包含谐振电感(L_r)、谐振电容(C_r)和辅助开关管(S_A)；

其中，所述开关管(S)和所述辅助开关管(S_A)为携带反并联二极管或具有反并联二极管特性的可关断功率开关器件；

所述谐振电感(L_r)的一端点a连接到所述开关管(S)和所述功率二极管(D)的连接点上，或连接到两个所述开关管(S)串联构成的桥臂中点上；所述谐振电感(L_r)的另一端点b连接到所述电流源电感(L)上；所述谐振电容(C_r)与所述辅助开关管(S_A)构成串联支路，所述串联支路的一端与所述谐振电感(L_r)端点b连接，所述串联支路的另一端点c连接到开关管(S)和功率二极管(D)两端或所述桥臂两端电压源的负极点N上、或正极点P上、或正负极点之间的分压点M上；

其中，所述软开关辅助单元的谐振电感(L_r)与所述基本电路的电流源电感(L)可以相互耦合。

2.如权利要求1所述的一种零电流软开关变换器，其特征在于，所述软开关辅助单元上的所述谐振电容(C_r)和所述辅助开关管(S_A)构成的串联支路，由所述谐振电容(C_r)的一端连接所述谐振电感(L_r)的端点b上，由所述谐振电容(C_r)的另一端连接到所述辅助开关管(S_A)一端上，所述辅助开关管(S_A)的另一端作为c端点；或者由所述辅助开关管(S_A)的一端连接所述谐振电感(L_r)的端点b，由所述辅助开关管(S_A)的另一端连接到所述谐振电容(C_r)一端上，所述谐振电容(C_r)的另一端作为c端点。

3.如权利要求1或2所述的一种零电流软开关变换器，其特征在于，所述基本电路为Buck变换器，包括电流源电感(L)和输入电压源(V_in)，

所述谐振电感(L_r)的一端a连接到所述开关管(S)和所述功率二极管(D)的连接点上，所述谐振电感(L_r)的另一端点b连接到所述电流源电感(L)上；所述谐振电容(C_r)与所述辅助开关管(S_A)构成串联支路，所述串联支路的一端与所述谐振电感(L_r)端点b连接，所述串联支路的另一端点c连接到电压源(V_in)的负极点N上、或正极点P上、或正负极点之间的分压点M上。

4.如权利要求1或2所述的一种零电流软开关变换器，其特征在于，所述基本电路为Boost变换器，包括电流源电感(L)和输出电压源(V_o)，

所述谐振电感(L_r)的一端a连接到所述开关管(S)和所述功率二极管(D)的连接点上，所述谐振电感(L_r)的另一端点b连接到所述电流源电感(L)上；所述谐振电容(C_r)与所述辅助开关管(S_A)构成串联支路，所述串联支路的一端与所述谐振电感(L_r)端点b连接，所述串联支路的另一端c连接到电压源(V_o)的负极点N上、或正极点P上、或正负极点之间的分压点M上。

5.如权利要求1或2所述的一种零电流软开关变换器，其特征在于，所述基本电路为Buck-Boost变换器，包括电流源电感(L)和电输入(V_in)和输出压源(V_o)，

所述谐振电感(L_r)的一端a连接到所述开关管(S)和所述功率二极管(D)的连接点上，所述谐振电感(L_r)的另一端点b连接到所述电流源电感(L)上；所述谐振电容(C_r)与所述辅助开关管(S_A)构成串联支路，所述串联支路的一端与所述谐振电感(L_r)端点b连接，所述串联支路的另一端c连接到输出电压源(V_o)的负极点N上、或输入电压源(V_in)正极点P上、或两个电压源的连接点M上。

6.如权利要求1或2所述的一种零电流软开关变换器，其特征在于，所述基本电路为Cuk变换器，包括输入电流源电感(L₁)和输出电流源电感(L₂)以及连接在开关管(S)和功率二极管(D)之间的电压源电容，

所述谐振电感(L_r)的一端a连接到所述开关管(S)和所述功率二极管(D)的连接点上，所述谐振电感(L_r)的另一端点b连接到所述电流源电感(L₁)或(L₂)上；所述谐振电容(C_r)与所述辅助开关管(S_A)构成串联支路，所述串联支路的一端与所述谐振电感(L_r)端点b连接，所述串联支路的另一端c连接到能量缓冲电压源电容的负极点N上、或正极点P上、或正负极点之间的分压点M上。

7.如权利要求1或2所述的一种零电流软开关变换器，其特征在于，所述基本电路为桥臂电路，包含上桥臂开关管(S₁)和下桥臂开关管(S₂)，电流源电感(L)，桥臂两端的电压源(V_d)；

所述谐振电感(L_r)的一端a连接到所述开关管(S₁)和(S₂)的连接点上，所述谐振电感(L_r)的另一端点b连接到所述电流源电感(L)上；所述谐振电容(C_r)与所述辅助开关管(S_A)构成串联支路，所述串联支路的一端与所述谐振电感(L_r)端点b连接，所述串联支路的另一端c连接到电压源(V_d)的负极点N上、或正极点P上、或正负极点之间的中点M上。

8.如权利要求1或2所述的一种零电流软开关变换器，其特征在于，所述基本电路为桥臂电路，包括第一软开关辅助单元和第二软开关辅助单元，两个所述软开关辅助单元共用谐振电感(L_r)，所述第一软开关辅助单元包括辅助谐振电容(C_r1)和开关管(S_A1)；所述第二软开关辅助单元包括辅助谐振电容(C_r2)和开关管(S_A2)；

所述第一软开关辅助单元和所述第二软开关辅助单元共用的谐振电感(L_r)的一端a₁和a₂连接到所述开关管(S₁)和(S₂)的连接点上，所述谐振电感(L_r)的另一端点b₁和b₂连接到所述电流源电感(L)上；

所述谐振电容(C_r1)与所述辅助开关管(S_A1)构成第一串联支路，所述第一串联支路的一端与所述谐振电感(L_r)端点b₁连接，所述第一串联支路的另一端c₁连接到电压源(V_d)的正极点P上、或负极点N上、或正负极之间的中点M上；

所述谐振电容(C_r2)与所述辅助开关管(S_A2)构成第二串联支路，所述第二串联支路的一端与所述谐振电感(L_r)端点b₂连接，所述第一串联支路的另一端c₂连接到电压源(V_d)的负极点N上、或正极点P上、或正负极之间的中点M上。

9.如权利要求1或2所述的一种零电流软开关变换器，其特征在于，所述基本电路为桥臂电路，包括第一软开关辅助单元和第二软开关辅助单元，两个所述软开关辅助单元共用谐振电感(L_r)和谐振电容(C_r)，所述第一软开关辅助单元包括辅助开关管(S_A1)，所述第二软开关辅助单元包括辅助开关管(S_A2)；

两个所述软开关辅助单元共用谐振电感(L_r)的一端a₁和a₂连接到所述开关管(S₁)和(S₂)的连接点上，另一端点b₁和b₂连接到所述电流源电感(L)上；

所述谐振电容(C_r)与所述辅助开关管(S_A1)构成第一串联支路，所述第一串联支路的一端与所述谐振电感(L_r)端点b₁连接，所述第一串联支路的另一端c₁连接到电压源(V_d)的正极点P上、或负极点N上、或正负极之间的中点M上；

所述谐振电容(C_r)与所述辅助开关管(S_A2)构成第二串联支路，所述第二串联支路的一端与所述谐振电感(L_r)端点b₂连接，所述第一串联支路的另一端c₂连接到电压源(V_d)的负极点N上、或正极点P上、或正负极之间的中点M上。