CN105871201A - Dc-dc变换器及其控制方法 - Google Patents

Abstract

本申请公开了一种DC‑DC变换器及其控制方法，变换器包括：第一端口、第二端口、第三端口、第一开关、第二开关、第三开关、第一电容、第二电容、第三电容、第一电感、第二电感，以及开关控制器，第一开关及第二开关均为有源开关管，第三开关具有输入端及输出端。这样，仅使用了三个开关器件、两个电感和三个电容，输入输出共地，拓扑简单可靠，成本较低；三个端口功率可以任意流入流出，实现了任意方向能量传递；所有开关器件可以在任意功率流动方向，从空载到满载可实现全部开关管软开关，提高了变换器效率；另外，还可以得到可升降压，并高度对称且共地的正负双输出。

Description

DC-DC变换器及其控制方法

技术领域

本申请涉及电源技术领域，尤其涉及一种DC-DC变换器及其控制方法。

背景技术

随着电力电子技术的高速发展，开关电源在各种电气设备中均有着广泛的应用。目前，很多应用场合都需要能够实现升降压，且能输出正负输出电压的开关电源，比如：逆变器、Class-D音频放大器、超声波医疗图像系统、±15V或±5V辅助供电电源等。

传统提供正负电压输出的方式是利用具有电气隔离特性的正激(Forward)电路或者反激(Flyback)电路，共用变压器磁芯进行多输出绕组绕制变压器，从而得到了隔离的正负电压多输出变换器。但这种方式有着很大的缺点，变压器的设计大为复杂化，且各绕组间的交叉调整对变换器的性能有着很大影响。隔离变压器的使用增加了变压器的铜损和铁损，降低了变换器的效率。正激和反激需要额外的辅助电路来消除开关管的电压尖峰，增加了变换器复杂度，降低了变换器效率。

有些提供正负电压输出的场合，也有使用两个非隔离开关变换器的方案，两个变换器分别输出正压和负压，消除了各输出间的交叉调整，省去了变压器，提高了变换器效率。但这种方式需要两套控制器和两套主功率电路，器件较多，成本较高。

发明内容

本申请旨在至少在一定程度上解决上述技术问题之一。

本申请提供一种DC-DC变换器，包括：

第一端口、第二端口、第三端口、第一开关、第二开关、第三开关、第一电容、第二电容、第三电容、第一电感、第二电感，以及开关控制器，所述第一开关及所述第二开关均为：包括控制端、输入端及输出端的有源开关管，所述第三开关具有输入端及输出端；

所述第一端口的正极连接到所述第一开关的输出端，负极分别连接到所述第一电感及地；

所述第二端口的正极分别连接到所述第二电感及所述第二电容，负极分别连接到所述第二电容的与所述第二端口的正极相对的一端及地；

所述第三端口的正极分别连接到所述第三电容及所述第二开关的输入端，负极分别连接到所述第三电容的与所述第三端口的正极相对的一端及地；

所述开关控制器的第一输出端连接到所述第一开关的控制端，第二输出端连接到所述第二开关的控制端；

所述第一开关的输入端分别连接到所述第一电容、所述第二开关的输出端及所述第一电感的与所述第一端口的负极相对的一端；

所述第三开关的输入端接地，输出端分别连接到所述第一电容的与所述第一开关的输入端相对的一端，及所述第二电感的与所述第二端口的正极相对的一端；

所述开关控制器通过第一输出端向所述第一开关输出的第一驱动信号与所述开关控制器通过第二输出端向所述第二开关输出的第二驱动信号在忽略死区的情况下互补；

所述第一端口、所述第二端口及所述第三端口中的任一个或任两个作为DC-DC变换器的输入端口，其余的作为DC-DC变换器的输出端口。

进一步的，所述第三开关为二极管。

进一步的，所述第三开关也为：包括控制端、输入端及输出端的有源开关管，

所述开关控制器的第三输出端连接到所述第三开关的控制端，

所述开关控制器通过第三输出端向所述第三开关输出的第三驱动信号与所述第二驱动信号相同。

进一步的，

所述第一端口的正极还连接到所述开关控制器的第一反馈端；

所述第二端口的正极还连接到所述开关控制器的第二反馈端；

所述第三端口的正极还连接到所述开关控制器的第三反馈端。

进一步的，所述有源开关管为场效应管或晶体三极管。

进一步的，所述第二电容与所述第三电容规格相同。

进一步的，所述DC-DC变换器应用于：逆变器、Class-D音频放大器、超声波医疗图像系统，或，±15V/±5V辅助供电电源。

本申请还提供一种DC-DC变换器的控制方法，所述DC-DC变换器的控制方法基于如上述的DC-DC变换器，所述DC-DC变换器的控制方法包括：所述开关控制器通过第一输出端向所述第一开关输出第一驱动信号，所述开关控制器通过第二输出端向所述第二开关输出第二驱动信号，所述第一驱动信号与所述第二驱动信号在忽略死区的情况下互补。

进一步的，当所述第三开关也为：包括控制端、输入端及输出端的有源开关管，所述开关控制器的第三输出端连接到所述第三开关的控制端，

所述DC-DC变换器的控制方法还包括：

所述开关控制器通过第三输出端向所述第三开关输出第三驱动信号，所述第三驱动信号与所述第二驱动信号相同。

本申请的有益效果是：

通过提供一种DC-DC变换器及其控制方法，变换器包括：第一端口、第二端口、第三端口、第一开关、第二开关、第三开关、第一电容、第二电容、第三电容、第一电感、第二电感，以及开关控制器，第一开关及第二开关均为有源开关管，第三开关具有输入端及输出端；第一端口的正极连接到第一开关的输出端，负极分别连接到第一电感及地；第二端口的正极分别连接到第二电感及第二电容，负极分别连接到第二电容的与第二端口的正极相对的一端及地；第三端口的正极分别连接到第三电容及第二开关的输入端，负极分别连接到第三电容的与第三端口的正极相对的一端及地；开关控制器的第一输出端连接到第一开关的控制端，第二输出端连接到第二开关的控制端；第一开关的输入端分别连接到第一电容、第二开关的输出端及第一电感的与第一端口的负极相对的一端；第三开关的输入端接地，输出端分别连接到所述第一电容的与所述第一开关的输入端相对的一端，及所述第二电感的与所述第二端口的正极相对的一端；开关控制器通过第一输出端向第一开关输出的第一驱动信号与开关控制器通过第二输出端向第二开关输出的第二驱动信号在忽略死区的情况下互补；第一端口、第二端口及第三端口中的任一个或任两个作为DC-DC变换器的输入端口，其余的作为DC-DC变换器的输出端口。这样，仅使用了三个开关器件、两个电感和三个电容，输入输出共地，拓扑简单可靠，成本较低；三个端口功率可以任意流入流出，实现了任意方向能量传递；所有开关器件可以在任意功率流动方向，从空载到满载可实现全部开关管软开关，提高了变换器效率；另外，还可以得到可升降压，并高度对称且共地的正负双输出。

附图说明

图1为本申请实施例一的DC-DC变换器的结构示意图。

图2为本申请实施例一中第一驱动信号、第二驱动信号及第三驱动信号对应关系示意图。

图3为本申请实施例一中第一开关漏源电压和流入漏极的电流的仿真波形。

图4为本申请实施例一中第二开关漏源电压和流入漏极的电流的仿真波形。

图5为本申请实施例一中第三开关漏源电压和流入漏极的电流的仿真波形。

图6为本申请实施例一中第一端口的输入电压、第二端口的输出电压及第三端口的输出电压的仿真波形。

图7为本申请实施例二的DC-DC变换器的结构示意图。

具体实施方式

下面详细描述本申请的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本申请，而不能理解为对本申请的限制。

在本申请的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本申请和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本申请的限制。

此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本申请的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。

在本申请中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本申请中的具体含义。

在本申请中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征之“上”或之“下”可以包括第一和第二特征直接接触，也可以包括第一和第二特征不是直接接触而是通过它们之间的另外的特征接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”包括第一特征在第二特征正上方和斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”包括第一特征在第二特征正下方和斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。

下面通过具体实施方式结合附图对本申请作进一步详细说明。

实施例一：

本实施例提供了一种开关电源，主要为：直流-直流(DC-DC)变换器。在具体应用时，DC-DC变换器可应用于：逆变器、Class-D音频放大器、超声波医疗图像系统，或，±15V/±5V辅助供电电源等。

上述DC-DC变换器主要包括如图1所示的结构：

第一端口101、第二端口102、第三端口103、第一开关S1、第二开关S2、第三开关S3、第一电容C1、第二电容C2、第三电容C3、第一电感L1、第二电感L2，以及开关控制器104，第一开关S1、第二开关S2及第三开关S3均为：包括控制端(栅极，G)、输入端(源极，S)及输出端(漏极，D)的有源开关管，在本实施例中，有源开关管采用场效应管；

第一端口101的正极连接到第一开关S1的输出端D，负极分别连接到第一电感L1及地；

第二端口102的正极分别连接到第二电感L2及第二电容C2，负极分别连接到第二电容C2的与第二端口102的正极相对的一端及地；

第三端口103的正极分别连接到第三电容C3及第二开关S2的输入端S，负极分别连接到第三电容C3的与第三端口103的正极相对的一端及地；

开关控制器104的第一输出端连接到第一开关S1的控制端G，第二输出端连接到第二开关S2的控制端G，第三输出端连接到第三开关S3的控制端G；

第一开关S1的输入端S分别连接到第一电容C1、第二开关S2的输出端D及第一电感L1的与第一端口101的负极相对的一端；

第三开关S3的输入端S接地，输出端D分别连接到第一电容C1的与第一开关S1的输入端S相对的一端，及第二电感L2的与第二端口102的正极相对的一端；

如图2所示，开关控制器104通过第一输出端向第一开关S1输出的第一驱动信号K1与开关控制器104通过第二输出端向第二开关S2输出的第二驱动信号K2在忽略死区的情况下互补；开关控制器104通过第三输出端向第三开关S3输出的第三驱动信号K3与第二驱动信号K2相同。

第一端口101的正极还连接到开关控制器104的第一反馈端；

第二端口102的正极还连接到开关控制器104的第二反馈端；

第三端口103的正极还连接到开关控制器104的第三反馈端。

第二电容C2与第三电容C3规格相同。

第一端口101、第二端口102及第三端口103中的任一个或任两个作为DC-DC变换器的输入端口，其余的作为DC-DC变换器的输出端口。DC-DC变换器的输出端口通过反馈电路(例如，第一端口101的正极连接到开关控制器104的第一反馈端的电路，第二端口102的正极连接到开关控制器104的第二反馈端的电路，第三端口103的正极连接到开关控制器104的第三反馈端的电路)来与开关控制器104相连，通过反馈电路来控制第一开关S1、第二开关S2及第三开关S3的导通或关断时间，以调节DC-DC变换器的输出端口的电压。

在具体应用时：

当第一端口101作为DC-DC变换器的输入端口、输入电压较低、输入电流较大，而第二端口102、第三端口103作为DC-DC变换器的输出端口，且第二端口102负载较重的场合下，第三开关S3采用有源开关管，并与第二开关S2的驱动信号保持一致，作为同步整流管使用，使第二端口102、第三端口103的输出保持高度一致，即可提供一组高度对称的正负双输出开关电源。

第一电容C1、第二电容C2、第三电容C3均选取较大电容，三个电容电压均可看做恒值。通过合理的死区时间设置和第一电感L1及第二电感L2的取值，可实现：

(1)当第一开关S1关断，第二开关S2、第三开关S3导通时，第一电感L1给第三电容C3充电并向第三端口103传递能量，第二电感L2先向第二电容C2、第二端口102传递能量，在一段时间之后第二电感L2能量释放完毕，第二电容C2向第二电感L2充电并向第二端口102传递能量。当第二开关S2、第三开关S3关断瞬间，第一开关S1尚未导通的死区时间t3-t4内，由于在第一电感L1、第二电感L2上的电流在第一电感L1与第一开关S1的接点A处，从第一开关S1的源极S流向漏极D(第一电感L1、第二电感L2上的电流续流)，通过合理的死区时间t3-t4设置和第一电感L1、第二电感L2的取值，在死区时间t3-t4内第一开关S1中的等效二极管导通，实现了第一开关S1的零电压(Zero VoltageSwitching，ZVS)导通，如图3所示。

(2)当第一开关S1导通，第二开关S2、第三开关S3关断时，第一端口101给第一电感L1充电，同时经第一电容C1给第二电感L2充电，并向第二端口102传递能量，第三电容C3向第三端口103传递能量。当第一开关S1关断瞬间，第二开关S2、第三开关S3尚未导通的死区时间t1-t2内，第二电感L2上的电流从第一电容C1与第三开关S3的接点B流向第二端口102，第一电感L1上的电流从第一电感L1与第一开关S1的接点A处流向地或者以相反方向流动但电流值小于第二电感L2上的电流值(第一电感L1、第二电感L2上的电流续流)，通过合理的死区时间t1-t2设置和第一电感L1、第二电感L2的取值，在死区时间t1-t2内第二开关S2中的等效二极管、第三开关S3中的等效二极管均导通，实现第二开关S2、第三开关S3的ZVS导通，如图4-5所示。

上述第(1)、(2)点是以第一端口101作为输入端口，第二端口102及第三端口103作为输出端口时的ZVS导通情况，采用其他的输入输出端口的ZVS导通情况可类似推导，此处不再赘述。

通过第一电感L1、第二电感L2的伏秒平衡，第二端口102的输出电压、第三端口103的输出电压与第一端口101的输入电压的关系如下，如图6所示：

$\begin{array}{cc}\frac{V_{C2}}{V_{in}}=\frac{D}{1-D}& \frac{V_{C3}}{V_{in}}=-\frac{D}{1-D}\end{array}$

其中V_in为第一端口101的输入电压，V_C2为第二端口102的输出电压，V_C3为第三端口103的输出电压，D为第一开关S1的导通占空比。

在第一端口101作为DC-DC变换器的输入端口，第二端口102及第三端口103为DC-DC变换器的输出端口时，轻载情况下，全部开关管S1-S3均易实现ZVS导通，在重载情况下，第一开关S1较难实现ZVS导通，但可以通过合理设计第一电感L1、第二电感L2参数以及DC-DC变换器的输出功率，从而得到从空载到满载均为软开关的DC-DC变换器。

第二端口102与第三端口103电压幅值相同，极性相反；第二端口102、第三端口103相对于第一端口101可以进行升降压，第一端口101、第二端口102极性相同。当第一开关S1、第二开关S2为有源开关管，第三开关S3为有源开关管，配合第一开关S1、第二开关S2及第三开关S3的驱动信号，可以实现任意功率流动方向时全部开关器件的ZVS导通。

经过仿真测试，本实施例能够实现三个端口101-103间任意功率流动方向，且全部开关管实现ZVS导通；经过实验测试，当将第一端口101设为DC-DC变换器的输入端口，第二端口102、第三端口103设为DC-DC变换器的输出端口时，DC-DC变换器实现了第二端口102、第三端口103电压高度一致，且相对于第一端口101电压可进行升降压，全部开关管实现了软开关。该实施例的DC-DC变换器可广泛用于电力电子设备中的一些有高效、正负电源需求的场合。

这样，仅使用了三个开关器件、两个电感和三个电容，输入输出共地，拓扑简单可靠，成本较低；三个端口功率可以任意流入流出，实现了任意方向能量传递；所有开关器件可以在任意功率流动方向，从空载到满载可实现全部开关管软开关，提高了变换器效率；另外，还可以得到可升降压，并高度对称且共地的正负双输出。

实施例二：

本实施例与其他实施例区别主要在于：

本实施例中，有源开关管可采用晶体三极管来代替场效应管。

实施例三：

本实施例与其他实施例区别主要在于：

如图7所示，本实施例中，第三开关S3采用二极管来代替场效应管。而由于二极管基本只有输入端和输出端，那么所构建的DC-DC变换器结构会与实施例一不同，但工作原理类似。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施方式”、“一些实施方式”、“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本申请的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。

以上内容是结合具体的实施方式对本申请所作的进一步详细说明，不能认定本申请的具体实施只局限于这些说明。对于本申请所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本申请构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换。

Claims (9)

1.一种DC-DC变换器，其特征在于，包括：

第一端口、第二端口、第三端口、第一开关、第二开关、第三开关、第一电容、第二电容、第三电容、第一电感、第二电感，以及开关控制器，所述第一开关及所述第二开关均为：包括控制端、输入端及输出端的有源开关管，所述第三开关具有输入端及输出端；

所述第一端口的正极连接到所述第一开关的输出端，负极分别连接到所述第一电感及地；

所述第二端口的正极分别连接到所述第二电感及所述第二电容，负极分别连接到所述第二电容的与所述第二端口的正极相对的一端及地；

所述第三端口的正极分别连接到所述第三电容及所述第二开关的输入端，负极分别连接到所述第三电容的与所述第三端口的正极相对的一端及地；

所述开关控制器的第一输出端连接到所述第一开关的控制端，第二输出端连接到所述第二开关的控制端；

所述第一开关的输入端分别连接到所述第一电容、所述第二开关的输出端及所述第一电感的与所述第一端口的负极相对的一端；

所述第三开关的输入端接地，输出端分别连接到所述第一电容的与所述第一开关的输入端相对的一端，及所述第二电感的与所述第二端口的正极相对的一端；

所述开关控制器通过第一输出端向所述第一开关输出的第一驱动信号与所述开关控制器通过第二输出端向所述第二开关输出的第二驱动信号在忽略死区的情况下互补；

所述第一端口、所述第二端口及所述第三端口中的任一个或任两个作为DC-DC变换器的输入端口，其余的作为DC-DC变换器的输出端口。

2.如权利要求1所述的DC-DC变换器，其特征在于，所述第三开关为二极管。

3.如权利要求1所述的DC-DC变换器，其特征在于，所述第三开关也为：包括控制端、输入端及输出端的有源开关管，

所述开关控制器的第三输出端连接到所述第三开关的控制端，

所述开关控制器通过第三输出端向所述第三开关输出的第三驱动信号与所述第二驱动信号相同。

4.如权利要求1所述的DC-DC变换器，其特征在于，

所述第一端口的正极还连接到所述开关控制器的第一反馈端；

所述第二端口的正极还连接到所述开关控制器的第二反馈端；

所述第三端口的正极还连接到所述开关控制器的第三反馈端。

5.如权利要求3所述的DC-DC变换器，其特征在于，所述有源开关管为场效应管或晶体三极管。

6.如权利要求1所述的DC-DC变换器，其特征在于，所述第二电容与所述第三电容规格相同。

7.如权利要求1所述的DC-DC变换器，其特征在于，所述DC-DC变换器应用于：逆变器、Class-D音频放大器、超声波医疗图像系统，或，±15V/±5V辅助供电电源。

8.一种DC-DC变换器的控制方法，其特征在于，所述DC-DC变换器的控制方法基于如权利要求1-7中任一项所述的DC-DC变换器，所述DC-DC变换器的控制方法包括：所述开关控制器通过第一输出端向所述第一开关输出第一驱动信号，所述开关控制器通过第二输出端向所述第二开关输出第二驱动信号，所述第一驱动信号与所述第二驱动信号在忽略死区的情况下互补。

9.如权利要求8所述的DC-DC变换器的控制方法，其特征在于，当所述第三开关也为：包括控制端、输入端及输出端的有源开关管，所述开关控制器的第三输出端连接到所述第三开关的控制端，

所述DC-DC变换器的控制方法还包括：

所述开关控制器通过第三输出端向所述第三开关输出第三驱动信号，所述第三驱动信号与所述第二驱动信号相同。