CN109560701A - 一种零电流零电压软开关Buck变换器 - Google Patents

一种零电流零电压软开关Buck变换器 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种零电流零电压软开关Buck变换器，将两个缓冲电容Cr1和Cr2，一个小电感Lr和一个辅助续流二极管D2引入传统buck变换器中。两个缓冲电容分别并联到主开关管S1和主续流二极管D1。小电感Lr耦合到主电感，二极管D2接到耦合电感的中间。本发明可以实现主开关管S1的零电流软开关开启和零电压软开关关断。同时可以实现主续流二极管D1的零电流关断和辅助续流二极管D2的零电流开关。由于二极管D1和D2的零电流关断，二极管的反向恢复问题得到了解决。本发明可以实现buck变换器在全负载范围内的较高效率，适合与各负载范围的DC‑DC降压应用。

Description

一种零电流零电压软开关Buck变换器
技术领域
本发明属于电力电子技术领域，涉及DC-DC直流变换器以及软开关导通技术，具体地，涉及一种零电流零电压软开关Buck变换器。
背景技术
作为一种基本的降压DC-DC拓扑，buck变换器广泛应用于汽车、电力、可再生能源、消费电子等工业和日常生活中。随着对许多应用场合对直流变换器轻便型的强烈需求，为了减小buck变换器的电感体积，控制频率越来越高，由此产生的无法忽视的开关损耗问题。
传统的软开关技术主要有两种：一种通过添加辅助开关来实现主开关管的软开关运行，但辅助开关同样有开关损耗的问题，而且辅助开关的导通内阻同样会带来额外的损耗；另一种是通过添加无源辅助网络的方式来实现主开关管的软开关运行，但现有的辅助网络较为复杂，且过多的辅助二极管会带来二极管损耗。
目前没有发现同本发明类似技术的说明或报道，也尚未收集到国内外类似的资料。
发明内容
针对现有技术中存在的上述不足，本发明的目的是提供一种零电流零电压软开关Buck变换器。本发明通过耦合电感和辅助二极管，实现主开关管的零电流零电压软开关运行，同时解决了主二极管和辅助二极管的反向回复问题。由于辅助二极管和主二极管并行续流，因此，本发明不存在额外的二极管损耗。
本发明是通过以下技术方案实现的。
一种零电流零电压软开关Buck变换器，如图1所示。包括主开关管S1、二极管D1、续流电感L和输出电容C；还包括缓冲电容Cr1和Cr2、电感Lr和二极管D2。其中：缓冲电容Cr1和Cr2分别并联到主开关管S1和二极管D1；电感Lr的电感值远小于续流电感L的电感值，且与续流电感L同向耦合，组成耦合电感；电感Lr和续流电感L所组成的耦合电感的一端连接到主开关管S1和二极管D1之间，耦合电感的另一端输出电容C连接到一起；二极管D2的阴极连接到电感Lr和续流电感L之间，二极管D2的阳极连接到地。
优选地，所述耦合电感同向耦合，耦合电感的电感值M大于电感Lr的电感值。
优选地，包括如下任意一种或任意多种运行模式：
-模式1，主开关管S1关断，缓冲电容Cr1开始充电，同时缓冲电容Cr2开始放电；缓冲电容Cr1的放电过程减缓了主开关管S1的电压VS1的上升速度，为主开关管S1提供了零电压关断状态；同时续流电感L中的电流iL和电感Lr中的电流ir开始下降，二极管D2维持关断状态；
-模式2：缓冲电容Cr1和Cr2的充放电过程结束，二极管D1和D2导通，二极管D2中电流i2开始上升，电流iL和ir继续下降；由于电感Lr的电感值小于续流电感L，因此电流ir下降的速度比电流iL快；
-模式3：当电流ir下降到0，电流i2在此时刻等于iL，i2开始下降，iL继续下降；电流ir维持在0，为主开关管S1提供零电流开启；在模式3下，由于电感Lr的存在，电压VS1下降，同时电感Lr和缓冲电容Cr1之间的振荡导致电压VS1、电流ir、电流i2和电流iL出现振荡；
-模式4：主开关管S1开启，电流ir从0开始上升，由于电感Lr的存在，电流ir上升速度缓慢，获得了主开关管S1的零电流开启；同时电流iL开始上升，电流i2继续下降；
-模式5：二极管D2关断，此时电流i2下降到0，电流ir等于电流iL，且电流ir和电流iL具有相同的上升速率。
工作流程：当主开关管S1关断时，由于缓冲电容Cr1和Cr2的存在，主开关管S1的电压VS1不能突变，从而缓慢上升，这样就减小了主开关管S1的电压和电流的重合面积，降低了损耗，实现了主开关管S1的零电压关断。由于耦合电感的电感值M大于电感Lr的电感值，电感Lr中的电流ir会在主开关管S1开启之前降低为0，并保持为0，当主开关管S1开启时，由于电感Lr的存在，主开关管S1中的电流iS1缓慢上升，这同样减小了主开关管S1的电压和电流的重合面积，降低了损耗，实现了主开关管S1的零电流开启。
与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：
本发明提供的零电流零电压软开关Buck变换器，通过引入耦合电感来实现开关器件的软开关运行，结构简单，所有开关器件(开关管和二极管)均运行在软开关条件下，解决了二极管的反向恢复问题，且没有额外的二极管损耗，适合于轻载和中载的降压应用场合。
附图说明
通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：
图1是本发明一种零电流零电压软开关Buck变换器的电路结构图。
图2是本发明一种零电流零电压软开关Buck变换器的主要元器件和电路的关键电压和电流波形。
图3是本发明一种零电流零电压软开关Buck变换器的主要运行模式图；其中，(a)为模式1，(b)为模式2，(c)为模式3，(d)为模式4，(e)为模式5。
具体实施方式
下面对本发明的实施例作详细说明：本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。
实施例
本实施例提供了一种零电流零电压软开关Buck变换器，如图1所示。包括一个主开关管S1、一个二极管D1、一个续流电感L和一个输出电容C；还包括两个缓冲电容Cr1和Cr2、一个小电感Lr和一个二极管D2。两个缓冲电容Cr1和Cr2分别并联到主开关管S1和二极管D1；小电感Lr远小于续流电感L，且与续流电感L同向耦合，同时其耦合电感值M大于小电感Lr的电感值；小电感Lr和续流电感L所组成的耦合电感一端分别连接到主开关管S1和二极管D1之间，另一端与输出电容C连接到一起，二极管D2的阴极连接到小电感Lr和续流电感L之间；二极管D2的阳极连接到地。耦合电感同向耦合。
还包括一个直流电源vin，直流电源vin设置于主开关管S1和二极管D1端。
下面结合附图对本实施例的工作模式进一步详细说明。
本实施例提供的一种零电流零电压软开关Buck变换器，拓扑结构如图1所示。本实施例在一个开关周期内一共有五个运行模式，各运行模式的关键波形如图2所示，每个运行模式的等效电路如图3(a)～(e)所示。
在图2和图3(a)～(e)中，T为开关周期，T＝1/f，f为控制频率，D为控制占空比，VGS1为主开关管S1的PWM驱动信号。图3(a)～(e)中的箭头标示了电流实际流动方向。详细的运行模式分析如下：
模式1[如图3(a)所示]：在t0时刻，主开关管S1关断。缓冲电容Cr1开始充电，同时缓冲电容Cr2开始放电。缓冲电容Cr1的放电过程减缓了主开关管S1的电压VS1的上升速度。这为主开关管S1提供了零电压关断状态。同时续流电感L中的电流iL和小电感Lr中的电流ir开始下降。二极管D2维持关断状态。
模式2[如图3(b)所示]：缓冲电容Cr1和Cr2的充放电过程在t1结束。二极管D1和D2导通，电流i2开始上升。电流iL和ir继续下降。因为小电感Lr的电感值小于续流电感L的电感值，所以电流ir下降的速度比iL快。
模式3[如图3(c)所示]：在t2时刻，电流ir下降到0，电流i2此时等于iL。电流i2开始下降，电流iL继续下降。在t3时刻(模式4)之前，电流ir维持在0。这将为主开关管S1提供零电流开启。在此模式下，电压VS1将会由于耦合电感中的小电感Lr存在而下降一些，同时小电感Lr和缓冲电容Cr1之间的振荡会导致电压VS1、电流ir、电流i2和电流iL出现小幅振荡。
模式4[如图3(d)所示]：在t3时刻，主开关管S1开启。电流ir从0开始上升，由于小电感Lr存在，电流ir上升速度比较缓慢。这样获得了主开关管S1的零电流开启。同时电流iL开始上升，电流i2继续下降。
模式5[如图3(e)所示]：二极管D2在t4时刻关断。此时电流i2下降到0。电流ir等于电流iL，且具有相同的上升速率。此模式类似于传统buck变换器。
本实施例提供的零电流零电压软开关Buck变换器，当主开关管S1关断时，由于缓冲电容Cr1和Cr2的存在，主开关管S1的电压VS1不能突变，从而缓慢上升，这样就减小了主开关管S1的电压和电流的重合面积，降低了损耗，实现了主开关管S1的零电压关断。由于耦合电感的电感值M大于电感Lr的电感值，电感Lr中的电流ir会在主开关管S1开启之前降低为0，并保持为0，当主开关管S1开启时，由于电感Lr的存在，主开关管S1中的电流iS1缓慢上升，这同样减小了主开关管S1的电压和电流的重合面积，降低了损耗，实现了主开关管S1的零电流开启。
本实施例提供的零电流零电压软开关Buck变换器，将两个缓冲电容Cr1和Cr2，一个耦合小电感Lr和一个辅助续流二极管D2引入传统buck变换器。两个缓冲电容分别并联到主开关管S1和主续流二极管D1。小电感耦合到主电感，辅助二极管接到耦合电感的中间。本发明可以实现主开关管S1的零电流软开关开启和零电压软开关关断。同时可以实现主续流二极管D1的零电流关断和辅助二极管D2的零电流开关。由于二极管D1和D2的零电流关断，二极管的反向恢复问题得到了解决。本实施例可以实现buck变换器在全负载范围内的较高效率，适合与各负载范围的DC-DC降压应用。
上述实施例仅对本发明的技术方案进行描述而非限制，本领域技术人员可以在权利要求范围内对方案进行修改或替换，这并不影响本发明的实质内容，而是都涵盖在本发明的权利要求范围中。

Claims (3)

1.一种零电流零电压软开关Buck变换器，包括主开关管S1、二极管D1、续流电感L和输出电容C；其特征在于，还包括缓冲电容Cr1和Cr2、电感Lr和二极管D2；其中：
缓冲电容Cr1和Cr2分别并联到主开关管S1和二极管D1；电感Lr的电感值远小于续流电感L的电感值，且与续流电感L同向耦合，组成耦合电感；耦合电感的一端连接到主开关管S1和二极管D1之间，耦合电感的另一端与输出电容C连接到一起；二极管D2的阴极连接到电感Lr和续流电感L之间，二极管D2的阳极连接到地。
2.根据权利要求1所述的零电流零电压软开关Buck变换器，其特征在于，所述耦合电感同向耦合，耦合电感的电感值M大于电感Lr的电感值。
3.根据权利要求1所述的零电流零电压软开关Buck变换器，其特征在于，包括如下任意一种或任意多种运行模式：
-模式1，主开关管S1关断，缓冲电容Cr1开始充电，同时缓冲电容Cr2开始放电；缓冲电容Cr1的放电过程减缓了主开关管S1的电压VS1的上升速度，为主开关管S1提供了零电压关断状态；同时续流电感L中的电流iL和电感Lr中的电流ir开始下降，二极管D2维持关断状态；
-模式2：缓冲电容Cr1和Cr2的充放电过程结束，二极管D1和D2导通，二极管D2中电流i2开始上升，电流iL和ir继续下降；由于电感Lr的电感值小于续流电感L，因此电流ir下降的速度比电流iL快；
-模式3：当电流ir下降到0，电流i2在此时刻等于iL，i2开始下降，iL继续下降；电流ir维持在0，为主开关管S1提供零电流开启；在模式3下，由于电感Lr的存在，电压VS1下降，同时电感Lr和缓冲电容Cr1之间的振荡导致电压VS1、电流ir、电流i2和电流iL出现振荡；
-模式4：主开关管S1开启，电流ir从0开始上升，由于电感Lr的存在，电流ir上升速度缓慢，获得了主开关管S1的零电流开启；同时电流iL开始上升，电流i2继续下降；
-模式5：二极管D2关断，此时电流i2下降到0，电流ir等于电流iL，且
电流ir和电流iL具有相同的上升速率。
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