CN110061624B - 采用脉宽调制控制的软开关谐振buck变换器 - Google Patents

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Abstract

本专利涉及开关电源领域，特别是涉及一种采用脉宽调制控制的软开关谐振BUCK变换器，变换器在传统BUCK变换器基础上，增加两个二极管与一个谐振电容，采用脉宽调制方式，可实现全部开关器件的软开关。变换器由输入滤波电容、BUCK变换器上管、BUCK变换器下管、BUCK变换器电感及辅助二极管上管、辅助二极管下管、谐振电容、输出滤波电容构成；此变换器可实现BUCK变换器上管、下管的零电压开关；同时，可实现两个辅助二极管的零电流开关。此外，该变换器采用的控制方式为脉宽调制方式，变换器控制简单，无需专用控制器。

Description

采用脉宽调制控制的软开关谐振BUCK变换器
所属技术领域：
本发明涉及开关电源领域。本发明提出了一种采用脉宽调制控制的软开关谐振BUCK变换器，该变换器采用脉宽调制方式，可实现全部开关管的软开关。
背景技术
BUCK变换器是开关电源领域最基础、使用最广泛的功率变换器电路。在电力电子技术学科内，有大量的专利技术与科学文献对BUCK电路的软开关技术进行了分析与讨论，提出了许多解决方案。主流的BUCK变换器软开关实现方法有两种，一种采用多个无源器件组合，利用辅助电感、电容谐振的方式为BUCK的主开关器件提供软开关条件；另一种采用辅助开关管与电感、电容组合，利用辅助开关管与电感、电容谐振的方式为BUCK的主开关器件提供软开关条件。
采用多个无源器件组合的软开关BUCK变换器电路结构复杂，且由于谐振电路的存在，当变换器工作在开关机、过流、短路等瞬态变化过程中，存在软开关条件消失、应力超标等问题，为电路的优化设计、实际产品应用制造了困难。
采用辅助开关管与电感、电容组合的软开关BUCK变换器通常电路结构简洁，电路特性比较稳定；然而，为实现主开关器件的软开关，需要增加辅助开关管，并提供辅助开关管的控制，必须采用特殊的控制器，或增加辅助控制电路，增加了产品设计的工作量，为技术方案的推广制造了困难。
本发明提出了一种全新的电路拓扑，实际为一种谐振BUCK变换器，与传统BUCK变换器相比，需增加两个辅助二极管与一个谐振电容，利用BUCK电感与谐振电容的谐振工作，为BUCK的主开关器件及全部辅助二极管提供了软开关条件，且由于谐振电路仅在BUCK变换器主开关器件开通、关断瞬间工作，变换器可采用传统脉宽调制模式进行控制，控制方式成熟、简单。
本发明提出的一种谐振BUCK变换器，可以实现全范围内全部开关器件的软开关，从而实现电路的高频化和高效率，同时可以显著降低控制的复杂度以及减少功率器件的数量，从而提高开关电源产品的可靠性和鲁棒性。本发明所要描述的变换器电路就是这种采用脉宽调制控制的软开关谐振BUCK变换器。
发明内容
本发明提出一种采用脉宽调制控制的软开关谐振BUCK变换器，其显著特征是基于传统BUCK变换器，通过增加两个辅助二极管与一个谐振电容，在主开关管开通、关断瞬间，利用BUCK电感、谐振电容的谐振工作，使所有的开关管的开通、关断都运行在软开关条件下，可实现开关电源的高频化、高效率；变换器采用传统脉宽调制模式进行控制，控制方案成熟、简单且鲁棒性好。
本发明电路拓扑如图1所示。
采用脉宽调制控制的软开关谐振BUCK变换器包含输入滤波电容C1、BUCK主开关上管S1、BUCK主开关下管S2、BUCK电感L1、辅助二极管上管D1、辅助二极管下管D2、谐振电容Cr、输出滤波电容Co组成；此外，图1中还包含输入电压源Vin、输出负载Rload。
其中，S1的漏极与Vin的正端相连，S1的源极与S2的漏极相连，S2的源极与Vin得负端相连；D1的阴极与Co正端即输出电压正端相连，D1的阳极与D2的阴极相连，D2的阳极与Co的负端即输出电压负端相连，L1的一端与S1、S2中点相连，L1的另一端与D1、D2的中点相连，Cr与D2并联。
同传统BUCK变换器相同，通过控制BUCK变换器的主开关管S1、S2的开通、关断时间，即脉宽调制，可实现变换器输出电压的调整；合理选择L1与Cr的参数，即可实现全部开关器件的软开关。
附图说明
为了更清楚的说明本发明的技术方案，下面将对实施例以及现有技术描述中所使用的附图做简单介绍。显而易见的，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下还可以根据这些附图来获得其他的附图。
图1是本发明实施的功率变换器拓扑
图2是传统BUCK变换器
图3是本发明功率变换器主要工作波形
图4(0)-图4(8)是本发明功率变换器主要工作模态
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、完整的描述，显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，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做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。
如图1所示，采用脉宽调制控制的软开关谐振BUCK变换器包含输入滤波电容C1、BUCK主开关上管S1、BUCK主开关下管S2、BUCK电感L1、辅助二极管上管D1、辅助二极管下管D2、谐振电容Cr、输出滤波电容Co组成；此外，图1中还包含输入电压源Vin、输出负载Rload。
其中，S1的漏极与Vin的正端相连，S1的源极与S2的漏极相连，S2的源极与Vin得负端相连；D1的阴极与Co正端即输出电压正端相连，D1的阳极与D2的阴极相连，D2的阳极与Co的负端即输出电压负端相连，L1的一端与S1、S2中点相连，L1的另一端与D1、D2的中点相连，Cr与D2并联。
如图3所示，采用脉宽调制控制的软开关谐振BUCK变换器工作时每个工作周期由8个模态组成，下面根据图4(0)-图4(8)所示的工作模态加以说明。
模态0：t0时刻前，如图4(0)，BUCK主开关上管S1、辅助二极管上管D1导通，输入电压与输出电压之差作用在电感L1两端，电感电流线性增加。
模态1：t0时刻，如图4(1)，关断BUCK主开关上管S1，由于电感L1电流不能突变，故电感电流对S1寄生电容充电、S2寄生电容放电，与L1相比，S1、S2寄生电容非常小，L1电流在对S1、S2寄生电容冲、放电过程中其电流变化可忽略，故此过程中可认为S1两端电压为线性增加、S2两端电压为线性减小，至t1时刻。
模态2：t1时刻，如图4(2)，S2两端电压减小至零，S2寄生二极管导通，将S2电压钳位在零；当S2寄生二极管导通后，L1电流流过D1、S2，L1两端电压为输出电压，L1在此电压的作用下电流线性下降，至t2时刻下降至零。由于在t1时刻与t2时刻之间S2两端电压始终为零，故在此期间开通S2为零电压开通(Zero-Voltage-Switching,ZVS)。
模态3：t2时刻，如图4(3)，电感L1电流线性下降到零，二极管D1自然关断，为零电流关断(Zero-Current-Switching,ZCS)。输出电压由输出电容Co上的储能维持。D1关断后，Cr上电压仍等于输出电压，由于此时S2处于开通状态，L1与Cr谐振工作，L1电流反向谐振增加，Cr电压谐振下降，至t3时刻下降Cr电压下降至零，辅助二极管D2开通，将Cr电压钳位到零。
模态4：t3时刻，如图4(4)，D2导通，电感L1电流流过D2、S2，考虑到D2、S2上压降较低，忽略D2、S2上压降对L1电感电流的影响，L1电流维持不变，直到t4时刻。
模态5：t4时刻，如图4(5)，关断S2，由于电感L1电流不能突变，故电感电流对S1寄生电容放电、S2寄生电容充电，与L1相比，S1、S2寄生电容非常小，L1电流在对其冲、放电过程中其电流变化可忽略，故此过程中可认为S1两端电压为线性减小、S2两端电压为线性增加，至t5时刻。
模态6：t5时刻，如图4(6)，S1两端电压线性减小至零，S1寄生二极管导通，将S1电压钳位在零。此时L1电流流过D2、S1，L1两端电压等于输入电压，在此电压作用下L1电流线性减小，至t6时刻下降至零。在t5至t6时刻之间，S1两端电压始终为零，此期间开通S1为零电压开通。
模态7：t6时刻，如图4(7)，L1电流线性下降至零，D2自然关断，为零电流关断；D2关断时Cr上电压为零，由于此时S1处于开通状态，L1与Cr在输入电压Vin的激励下谐振工作，L1电流谐振增加，Cr电压谐振升高，至t7时刻Cr电压上升至输出电压，辅助二极管D1开通，将Cr电压钳位到输出电压。
D1导通后，S1、D1同时导通，输入电压与输出电压之差作用在电感L1两端，L1电流线性增加，变换器工作在模态0，进入下一开关周期，此处不再累述。
传统BUCK变换器的主开关下管利用BUCK电感的能量即可实现软开关，故BUCK变换器的软开关实现重点在BUCK变换器的主开关上管；由以上分析可知，本发明提出的采用脉宽调制控制的软开关谐振BUCK变换器，其实现全部开关器件软开关的关键是Cr与L1谐振时L1上产生的反向电流，该反向电流需足够大，使S1在开通前其两端电压放电至零，从而实现S1的零电压开通；同时，电感L1上的反向电流会在模态4下，即t3至t4时刻间产生额外的导通损耗；因此，电感L1上的反向电流不宜过大。由分析可知，在模态5，L1与Cr谐振工作，在谐振工作开始时，电感L1电流为零，电容Cr电压为输出电压Vo，在谐振工作结束时，电容Cr电压为零，即谐振电容Cr上的能量全部转移为电感L1储能。基本电路知识可知，电感L1上反向电流Ix可通过下式进行计算：
的大小仅由输出电压、L1感量、Cr容值决定，故在输出电压已知的条件下，L1、Cr的设计较为简单。
为提高效率、提高开关频率，在高频开关电源中常用到无反向恢复二极管器件，如肖特基二极管或SiC二极管；然而，在本发明提出的采用脉宽调制控制的软开关谐振BUCK变换器中，由于全部二极管器件为零电流关断，无须担心反向恢复造成的损耗，且反向恢复电流可起到与谐振电容Cr相同的作用，即使L1产生反向电流，故采用脉宽调制控制的软开关谐振BUCK变换器在高频应用中可采用一般开关二极管而无须采用无反向恢复的肖特基二极管或SiC二极管。此特性在高压应用时优势尤为明显，因SiC二极管的导通压降较大，通常为1.8V，在高温条件下甚至高达3V，其导通损耗非常大；而常规高速二极管，高温条件下的导通压降为1.2V，故其导通损耗大大降低。同时，由于反向恢复电流的存在，Cr容值可大大减小，部分设计中可以省略，进一步减小了变化器电路的复杂度。

Claims (4)

1.一种软开关谐振BUCK变换器，其特征在于，该变换器由输入滤波电容C1、BUCK主开关上管S1、BUCK主开关下管S2、BUCK电感L1、辅助二极管上管D1、辅助二极管下管D2、谐振电容Cr、输出滤波电容Co组成，其中，S1的漏极与输入电压源Vin的正端相连，S1的源极与S2的漏极相连，S2的源极与Vin得负端相连；D1的阴极与Co正端即输出电压正端相连，D1的阳极与D2的阴极相连，D2的阳极与Co的负端即输出电压负端相连，L1的一端与S1、S2中点相连，L1的另一端与D1、D2的中点相连，Cr与D2并联，其中，电感L1的感量应满足在BUCK主开关上管S1关断后其上电流在输出电压作用下线性下降到零,及电感电流在与Cr谐振到负向最大的时间在S1关断时间内完成，谐振电容Cr的容值满足在利用D1将其上电压钳位在输出电压、储能确定的条件，使L1与Cr谐振工作，产生不受输出负载大小影响、电流值确定的反向电感电流，并利用该反向电感电流实现下一个周期BUCK主开关上管S1的零电压开通。
2.根据权利要求1所述的一种软开关谐振BUCK变换器，其特征在于，在BUCK主开关上管S1、BUCK主开关下管S2开通和关断瞬间，利用谐振电容Cr与BUCK电感L1谐振工作，并利用辅助二极管上管D1、辅助二极管下管D2的钳位，实现BUCK主开关上管S1、BUCK主开关下管S2的零电压开关，实现辅助二极管上管D1、辅助二极管下管D2的零电流开关。
3.根据权利要求1中所述的一种软开关谐振BUCK变换器，其特征在于，采用脉宽调制模式控制，在实现BUCK主开关上管S1、BUCK主开关下管S2的零电压开关，实现辅助二极管上管D1、辅助二极管下管D2的零电流开关的同时实现输出电压调整。
4.根据权利要求1中所述的一种软开关谐振BUCK变换器，其特征在于，利用辅助二极管上管D1、辅助二极管下管D2的寄生电容及反向恢复特性，在没有谐振电容Cr的条件下产生电感L1反向电流，实现BUCK主开关上管S1、BUCK主开关下管S2的零电压开关，实现辅助二极管上管D1、辅助二极管下管D2的零电流开关。
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Denomination of invention: A Soft Switching Resonant Buck Converter Controlled by Pulse Width Modulation

Effective date of registration: 20230814

Granted publication date: 20220701

Pledgee: Bank of Communications Co.,Ltd. Shanghai Zhangjiang Sub branch

Pledgor: Shanghai Yinglian Electronic System Co.,Ltd.

Registration number: Y2023310000459