CN103647452A - 一种单管软开关buck变换器 - Google Patents

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Abstract

一种单管软开关BUCK变换器，属于电子技术领域。本发明将耦合变压器和谐振电容作为BUCK主开关管的软开关辅助电路，耦合变压器为1:1的设计，且初级与次级的电感量都是Lr，耦合变压器的初级串接在BUCK主回路中，且同名端为电流流入方向；耦合变压器的次级异名端通过一个快恢复二极管接输出滤波电容的正端，耦合变压器的次级同名端接地；谐振电容Cr并联在续流二极管的两端。本发明能够达到零电流导通，零电压关断的目的。相比传统的软开关BUCK具有以下优点：省去辅助开关管，主开关管电压应力小，操作简单，开关损耗小，效率高等优点。特别适合于输入电压恒定，需要降压操作的应用场合。

Description

一种单管软开关BUCK变换器
技术领域
本发明属于电子技术领域，涉及DC-DC功率变换器，尤其是一种单管软开关BUCK变换器。
技术背景
在大功率感应加热电源中，传统的调压调功方式为调节可控整流晶闸管导通角来调节逆变侧的母线电压进而进行调功。在电力半导体飞快发展的今天，IGBT已经越来越多地被应用于工业领域，IGBT具有体积小，耐电压高，易于开关等优点，但是也具有拖尾电流的缺点，这导致了它的关断损耗比较大，因此不宜在较高的频率下使用。
各种功率变换器，如开关电源，功率因子校正，都需要使用开关器件。开关器件工作在硬开关状态下会产生严重的开关损耗，限制了工作频率和效率的提高，同时还会产生较高的di/dt，du/dt，从而产生大的电磁干扰。为了克服硬开关的缺点，软开关技术被广泛应用。
传统的软开关电路主要是添加辅助开关管和一些电感电容等辅助元件实现软开关，这种软开关在控制上较难实现，增加的二极管的导通损耗也较大，因此很难在大功率上面使用。为了解决上述问题，准谐振软开关（单管软开关）被提出，但是传统的准谐振软开关对BUCK电路的开关占空比有一定要求，且同时增加了开关管的电压应力，对设备元件的要求很苛刻，这也增加了设备的成本。因此软开关至今尚未很好地普及。
发明内容
本发明的目的是提供一种单管软开关BUCK变换器，通过在BUCK电路中串入耦合变压器，并在反并联二极管旁边并接谐振电容，来实现软开关的目的，具有零电流导通，零电压关断的特点。
本发明技术方案如下：
一种单管软开关BUCK变换器，如图1所示，包括一个直流电源Uin、一个输入滤波电容Cin、一个IGBT开关管Q、一个续流二极管D2、一个输出滤波电容C和一个输出电感L，还包括一个耦合变压器Tr、一个快恢复二极管D1和一个谐振电容Cr；直流电源Uin的负极接地，直流电源Uin的正极接耦合变压器Tr的初级同名端pp，耦合变压器Tr的初级异名端pm接IGBT开关管Q的集电极，IGBT开关管Q的发射极通过输出电感L接输出滤波电容C的正极，滤波电容C的负极接地；输入滤波电容Cin的正极接直流电源Uin的正极，其负极接地；耦合变压器Tr的次级同名端sp接地，耦合变压器Tr的次级异名端sm接快恢复二极管D1的正极，快恢复二极管D1的负极接输出滤波电容C的正极；续流二极管D2的正极接IGBT开关管Q的发射极，其负极接地；谐振电容Cr并联于续流二极管D2的两端；负载R连接在输出滤波电容C的两端。所述耦合变压器Tr是变比为1:1的变压器，且初级电感和次级电感相等。
工作流程分析：当IGBT开关管Q导通时，由于耦合变压器的Tr的次级同名端sp感应出正电压，而由于快恢复二极管D1的存在，使得耦合变压器的Tr的次级侧没有电流流过，因此耦合变压器的Tr的初级相当于一个电感（设电感量为Lr），此时IGBT开关管Q的电流线性上升，上升的斜率即为：
Figure BDA0000431019280000021
因此IGBT开关管Q实现了零电流的开通；当IGBT开关管Q关断时，谐振电容Cr储存的电荷释放给输出电感L。因此Cr两端的电压UCr缓慢下降，由于IGBT开关管Q两端电压
Figure BDA0000431019280000023
，其中UF为耦合变压器的Tr的初级异名端电压，
Figure BDA0000431019280000024
为谐振电容Cr正极电压，因此UQ由零开始缓慢上升，上升的斜率为
Figure BDA0000431019280000022
其中i是IGBT开关管Q关断瞬间流过输出电感L的电流，因此实现了开关管的零电压导通。IGBT开关管Q关断时刻起，耦合变压器的Tr的初级电感Lr在磁芯内存储的能量通过与次级异名端sm串联的快恢复二极管D1释放到输出滤波电容C上。
本发明提供的单管软开关BUCK变换器，通过在BUCK电路中串入耦合变压器，并在反并联二极管旁边并接谐振电容，来实现软开关的目的，具有零电流导通，零电压关断的特点；同时电路结构简单，易于实现。相比传统的软开关BUCK具有以下优点：省去辅助开关管，主开关管电压应力小，操作简单，开关损耗小，效率高等优点。特别适合于输入电压恒定，需要降压操作的应用场合。
附图说明
图1为本发明提供的单管软开关BUCK变换器电路结构图。
图2为本发明提供的单管软开关BUCK变换器中IGBT开关管Q的电压电流波形仿真图。
具体实施方式
一种单管软开关BUCK变换器，如图1所示，包括一个直流电源Uin、一个输入滤波电容Cin、一个IGBT开关管Q、一个续流二极管D2、一个输出滤波电容C和一个输出电感L，还包括一个耦合变压器Tr、一个快恢复二极管D1和一个谐振电容Cr；直流电源Uin的负极接地，直流电源Uin的正极接耦合变压器Tr的初级同名端pp，耦合变压器Tr的初级异名端pm接IGBT开关管Q的集电极，IGBT开关管Q的发射极通过输出电感L接输出滤波电容C的正极，滤波电容C的负极接地；输入滤波电容Cin的正极接直流电源Uin的正极，其负极接地；耦合变压器Tr的次级同名端sp接地，耦合变压器Tr的次级异名端sm接快恢复二极管D1的正极，快恢复二极管D1的负极接输出滤波电容C的正极；续流二极管D2的正极接IGBT开关管Q的发射极，其负极接地；谐振电容Cr并联于续流二极管D2的两端；负载R连接在输出滤波电容C的两端。所述耦合变压器Tr是变比为1:1的变压器，且初级电感和次级电感相等。所述IGBT开关管Q是具有反并联二极管的IGBT开关管。
本发明提供的单管软开关BUCK变换器，通过将耦合变压器Tr和谐振电容Cr接入到传统的BUCK电路中，耦合变压器Tr的初、次级电感量Lr和谐振电容Cr的关系由BUCK电路的最小导通时间DminT和最大导通时间DmaxT决定，并满足
Figure BDA0000431019280000031
关系。当IGBT开关管Q导通时，IGBT开关管两端电压UQ为零，处于导通状态的续流二极管D2将异名端pm端口接到地电位，因此电源Uin经过IGBT开关管Q对耦合变压器Tr的初级电感Lr充电，根据电感电流不能突变的原则，通过IGBT开关管Q的电流由零逐渐增大，因此开关管Q实现了零电压导通。经过导通时间DT后，IGBT开关管被关断，关断时谐振电容Cr放电给IGBT开关管Q提供零电压关断环境，IGBT开关管Q的电压从零按照一定的斜率升高到Uin+Uo大小。在关断的瞬间耦合变压器Tr的初级电感内部存储的能量通过次级线圈产生感应电压，这个电压经快恢复二极管D1释放到输出端口，在次级线圈放电的过程中，耦合变压器Tr会在初级感应出一个与次级输出电压相同的反射电压UF，这个电压与输入电压一起叠加到开关管上面。因此在变压器次级放电期间，开关承受电压为UQ=Uin+Uo。
用Saber 2012软件对上述单管软开关BUCK变换器进行仿真，仿真参数如下：Uin=100V，Cin=1000μF，Lr=120μH，L=1600μH，Ci=0.3μF，C=1000μF，R=8Ω。仿真结果如图2所示。从仿真结果中的开关管的电压电流波形可以得出，开关管工作于软开关状态。

Claims (2)

1.一种单管软开关BUCK变换器，包括一个直流电源Uin、一个输入滤波电容Cin、一个IGBT开关管Q、一个续流二极管D2、一个输出滤波电容C和一个输出电感L，还包括一个耦合变压器Tr、一个快恢复二极管D1和一个谐振电容Cr；直流电源Uin的负极接地，直流电源Uin的正极接耦合变压器Tr的初级同名端pp，耦合变压器Tr的初级异名端pm接IGBT开关管Q的集电极，IGBT开关管Q的发射极通过输出电感L接输出滤波电容C的正极，滤波电容C的负极接地；输入滤波电容Cin的正极接直流电源Uin的正极，其负极接地；耦合变压器Tr的次级同名端sp接地，耦合变压器Tr的次级异名端sm接快恢复二极管D1的正极，快恢复二极管D1的负极接输出滤波电容C的正极；续流二极管D2的正极接IGBT开关管Q的发射极，其负极接地；谐振电容Cr并联于续流二极管D2的两端；负载R连接在输出滤波电容C的两端；所述耦合变压器Tr是变比为1:1的变压器，且初级电感和次级电感相等。 
2.根据权利要求1所述的单管软开关BUCK变换器，其特征在于，耦合变压器Tr的初、次级电感量Lr和谐振电容Cr的关系由BUCK电路的最小导通时间DminT和最大导通时间DmaxT决定，并满足
Figure FDA0000431019270000011
关系。 
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