CN110661418B - 一种基于软开关的Buck电路 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于软开关的Buck电路，包括：由第一开关管，主电感，主电容以及第一二极管构成的Buck电路主体；包括第二电感以及与第二电感串联的第二二极管的电感支路，第二二极管限制电流仅从电感支路的第一端流向第二端；阴极与电感支路的第一端连接，阳极与电感支路的第二端连接的第三二极管；第二电容；第二电容的第一端与第一开关管的第二端连接时，第二电容的第二端与电感支路的第一端连接；电感支路的第一端与第一开关管的第二端连接时，第二电容的第一端与电感支路的第二端连接。应用本申请的方案，实现了软开关，降低了开关损耗，有利于提高电路效率，并且方案的实施难度低，电路构成简单，也有利于保障电路的稳定性。

Description

一种基于软开关的Buck电路

技术领域

本发明涉及电力电子技术领域，特别是涉及一种基于软开关的Buck电路。

背景技术

Buck电路是在进行电压等级的转换时，特别是在电源模块中，进行广泛应用的一种电路。并且随着电源技术的不断发展，高效率的Buck电路已经成为了一种趋势。对于采用硬开关的Buck电路而言，开关损耗较大，特别是在开关频率较大的场合中，更容易降低电路的效率。因此，实现Buck电路的软开关，提高电路的效率是重要的发展方向。

此外，传统方案中的部分Buck电路在实现软开关时，电路构成较为复杂。通常需要设置一个或多个可控开关器件，并按照相应策略控制各器件的通断从而实现软开关，使得电路的控制流程更加复杂，也不利于提高电路的稳定性以及集成化。

综上所述，如何实现Buck电路的软开关，从而提高电路效率，降低开关损耗，并且降低方案的实施难度，保障电路的稳定性，是目前本领域技术人员急需解决的技术问题。

发明内容

本发明的目的是提供一种基于软开关的Buck电路，以提高电路效率，降低开关损耗，并且降低方案的实施难度，保障电路的稳定性。

为解决上述技术问题，本发明提供如下技术方案：

一种基于软开关的Buck电路，包括：

由第一开关管，主电感，主电容以及第一二极管构成的Buck电路主体；

包括第二电感以及与所述第二电感串联的第二二极管的电感支路，所述第二二极管限制电流仅从所述电感支路的第一端流向所述电感支路的第二端；

阴极与所述电感支路的第一端连接，阳极与所述电感支路的第二端连接的第三二极管；

第二电容；

所述第二电容的第一端与所述第一开关管的第二端连接时，所述第二电容的第二端与所述电感支路的第一端连接，所述电感支路的第二端分别与所述第一二极管的阳极以及所述主电容的第二端连接；

所述电感支路的第一端与所述第一开关管的第二端连接时，所述第二电容的第一端与所述电感支路的第二端连接，所述第二电容的第二端分别与所述第一二极管的阳极以及所述主电容的第二端连接。

优选的，还包括：

第一端与所述第一开关管的第二端连接，第二端与所述第一二极管的阴极连接的第三电感。

优选的，还包括：

第一端与所述第一二极管的阴极连接，第二端与第一电阻的第一端连接的第三电容；

第二端与所述第一二极管的阳极连接的所述第一电阻。

优选的，还包括：

第一端与所述第三电感的第一端连接，第二端与第四二极管的阴极连接的第二电阻；

阳极与所述第三电容的第二端连接的所述第四二极管。

优选的，还包括，与所述第一二极管并联的一个或多个二极管。

优选的，所述第一开关管为IGBT管或者为MOS管。

优选的，各个二极管均为快恢复二极管。

优选的，还包括：

第一端与所述第一开关管的第一端连接，并作为基于软开关的Buck电路的正向输入端，第二端作为基于软开关的Buck电路的负向输入端的滤波电容。

本申请的方案中，在Buck电路主体之外设置了软开关支路，具体的，软开关支路包括电感支路，第三二极管以及第二电容，电感支路则包括第二电感以及与所述第二电感串联的第二二极管。当第一开关管关断时，由于本申请设置了第二电容，电容电压不能突变，因此在第一开关管关断的时刻，第一开关管两端的电位相同，即实现了第一开关管的零电压关断。因此也就有利于提高电路的效率。并且，由于第二电感与第二电容串联，第一开关管从关断转为导通时，不会产生较大的涌浪电流。第二二极管和第三二极管的设置，则可以避免第二电容与第二电感之间出现谐振，影响电路稳定性的情况，也有利于第二电感的快速释能。此外，本申请的方案中，设置的软开关支路中的各个器件均不是可控器件，即本申请的方案不会使得电路的控制流程复杂化，便于方案的实施，同时软开关支路的电路构成也非常简单，器件数量低，也就有利于提高电路的稳定性以及便于集成化。

因此，本申请的方案实现了软开关，降低了开关损耗，从而有利于提高电路效率，并且方案的实施难度低，电路构成简单，也有利于保障电路的稳定性。

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，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明中一种基于软开关的Buck电路的结构示意图；

图2为本发明具体实施方式中的另一种基于软开关的Buck电路的结构示意图；

图3为本发明具体实施方式中的又一种基于软开关的Buck电路的结构示意图。

具体实施方式

本发明的核心是提供一种基于软开关的Buck电路，实现了软开关，降低了开关损耗，从而有利于提高电路效率，并且方案的实施难度低，电路构成简单，也有利于保障电路的稳定性。

为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步的详细说明。显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，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。

请参考图1，图1为本发明中一种基于软开关的Buck电路的结构示意图，该基于软开关的Buck电路包括：

由第一开关管Q1，主电感L1，主电容C1以及第一二极管D1构成的Buck电路主体。

Buck电路主体也即最基本的Buck电路，第一开关管Q1的第一端作为Buck电路的正向输入端，第一开关管Q1的第二端分别与第一二极管D1的阴极以及主电感L1的第一端连接，主电感L1的第二端与主电容C1的第一端连接，且主电感L1与主电容C1的连接端作为Buck电路的正向输出端。主电容C1的第二端则与第一二极管D1的阳极连接并作为Buck电路的负向输出端。

一个周期内，当主电容C1的充电电荷高于放电电荷时，主电容C1的电压便会升高，直至达到充放电平衡，相应的，当一个周期内主电容C1的放电电荷高于充电电荷时，主电容C1的电压会逐渐下降直至达到充放电平衡。第一开关管Q1的控制端与相应控制器连接，当第一开关管Q1导通时，主电感L1的电流增加，主电感L1储能；相应的，当第一开关管Q1关断时，通过第一二极管D1构成放电回路，主电感L1的电流减小，主电感L1释能。

本申请在Buck电路主体之外还设置了软开关支路，软开关支路包括电感支路，第三二极管D3以及第二电容C2。

电感支路则包括第二电感L2以及与第二电感L2串联的第二二极管D2，第二二极管D2限制电流仅从电感支路的第一端流向电感支路的第二端。也就是说，第二二极管D2的阳极更加靠近电感支路的第一端，第二二极管D2的阴极则更加靠近电感支路的第二端。

图1的实施方式中，第二二极管D2的阳极作为电感支路的第一端，而第二二极管D2的阴极与第二电感L2的第一端连接，第二电感L2的第二端则作为电感支路的第二端。在其他实施方式中，也可以将图1的中的第二电感L2和第二二极管D2进行位置的互换，即将第二二极管D2的阴极作为电感支路的第二端。同理，图2的实施方式中，也可以将图2的第二电感L2和第二二极管D2进行位置的互换。

第三二极管D3的阴极与电感支路的第一端连接，阳极与电感支路的第二端连接。

可以如图1的实施方式中，选取第二电容C2的第一端作为软开关支路的第一端。此时，第二电容C2的第一端与第一开关管Q1的第二端连接时，第二电容C2的第二端与电感支路的第一端连接，电感支路的第二端分别与第一二极管D1的阳极以及主电容C1的第二端连接。

也可以如图2的实施方式中，选取电感支路的第一端作为软开关支路的第一端。此时，电感支路的第一端与第一开关管Q1的第二端连接时，第二电容C2的第一端与电感支路的第二端连接，第二电容C2的第二端分别与第一二极管D1的阳极以及主电容C1的第二端连接。

当第一开关管Q1闭合时，主电感L1和第二电感L2开始储能，具体的，第二电感L2的电流从0开始逐渐增大，第二电容C2的电压也会逐渐升高，直到第二电容C2的电压等于Buck电路的输入端电压Vin。

在第一开关管Q1从闭合变为关断的时刻，由于第二电容C2的电压不能突变，因此该时刻第二电容C2的电压仍然为Vin，也就使得第一开关管Q1实现了零电压关断。

在第一开关管Q1关断之后，第二电容C2会放电，电压从Vin逐渐降低。并且需要说明的是，在第一开关管Q1关断初期，第二电容C2先放电，主电感L1的电流增大，当第二电容C2放电结束时，再由主电感L1放电，使得主电感L1电流逐渐降低。

由于本申请设置了第二电容C2，为了避免第一开关管Q1导通时导致较大的浪涌电流的出现，本申请在第二电容C2所在支路上设置了与第二电容C2串联的电感，即第二电感L2。进一步的，在设置了第二电感L2之后，为了避免第二电感L2与第二电容C2之间的振荡情况，设置了第二二极管D2以及第三二极管D3以避免该振荡情况的出现。此外，由于设置了第二二极管D2以及第三二极管D3，也有利于方便第二电感L2的快速释能。

应用本发明实施例所提供的技术方案，在Buck电路主体之外设置了软开关支路，具体的，软开关支路包括电感支路，第三二极管D3以及第二电容C2，电感支路则包括第二电感L2以及与第二电感L2串联的第二二极管D2。当第一开关管Q1关断时，由于本申请设置了第二电容C2，电容电压不能突变，因此在第一开关管Q1关断的时刻，第一开关管Q1两端的电位相同，即实现了第一开关管Q1的零电压关断。因此也就有利于提高电路的效率。并且，由于第二电感L2与第二电容C2串联，第一开关管Q1从关断转为导通时，不会产生较大的涌浪电流。第二二极管D2和第三二极管D3的设置，则可以避免第二电容C2与第二电感L2之间出现谐振，影响电路稳定性的情况，也有利于第二电感L2的快速释能。此外，本申请的方案中，设置的软开关支路中的各个器件均不是可控器件，即本申请的方案不会使得电路的控制流程复杂化，便于方案的实施，同时软开关支路的电路构成也非常简单，器件数量低，也就有利于提高电路的稳定性以及便于集成化。

因此，本申请的方案实现了软开关，降低了开关损耗，从而有利于提高电路效率，并且方案的实施难度低，电路构成简单，也有利于保障电路的稳定性。

在本发明的一种具体实施方式中，可参阅图3，还可以包括：

第一端与第一开关管Q1的第二端连接，第二端与第一二极管D1的阴极连接的第三电感L3。

该种实施方式中，考虑到第一二极管D1关断时可能存在反向恢复的情况，因此设置了与第一二极管D1串联的第三电感L3。此外，第三电感L3的设置，也有利于在将第一开关管Q1从关断状态切换为闭合状态时，实现第一开关管Q1的低电压开通，降低其开通时的开关损耗。

进一步地，在图3中还包括：

第一端与第三电感L3的第一端连接，第二端与第四二极管D4的阴极连接的第二电阻R2；

阳极与第三电容C3的第二端连接的第四二极管D4。

设置了第三电感L3之后，虽然可以抑制第一二极管D1关断时存在的反向恢复的情况，但是也会限制第一二极管D1在开通时的电流增长速率，因此该种实施方式中，进一步地在第三电感L3的两端并联了由第二电阻R2和第四二极管D4构成的换成吸收网络，可以避免第三电感L3导致的第一二极管D1无法及时续流的情况。

在本发明的一种具体实施方式中，还可以包括：

第一端与第一二极管D1的阴极连接，第二端与第一电阻R1的第一端连接的第三电容C3；

第二端与第一二极管D1的阳极连接的第一电阻R1。

该种实施方式中，考虑到第一二极管D1关断时可能出现电压振荡的情况，因此将第三电容C3与第一电阻R1串联，串联之后并联在第一二极管D1的两端，有利于避免第一二极管D1关断时的电压振荡。

在本发明的一种具体实施方式中，第一开关管Q1可以选取为IGBT管或者为MOS管，通常，在开关频率较高的场合中，可以选取为MOS管，而在大电流的场合中，可以选取IGBT管。例如图3的实施方式中便是选取具有内置反并联二极管的MOS管作为第一开关管管Q1。此外，在部分场合中，可以设置一个或多个二极管与第一二极管D1并联，从而增大电路的可承载电流，提高方案的应用范围。

本申请的各个二极管则可以均选取为快恢复二极管，快恢复二极管具有更好的开关特性，反向恢复时间短，特别是在开关电源中，非常适用快恢复二极管的方案。

当然，本申请的各个实施例中，各器件的具体类型及型号也均可以根据实际需要进行设定和调整。

在本发明的一种具体实施方式中，可以还包括：

第一端与第一开关管Q1的第一端连接，并作为基于软开关的BUCK电路的正向输入端，第二端作为基于软开关的BUCK电路的负向输入端的滤波电容。

滤波电容的设置有利于提高电流的稳定性，并且有利于抑制直流母线的寄生电感导致的浪涌电压。

还需要说明的是，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。

本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的技术方案及其核心思想。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以对本发明进行若干改进和修饰，这些改进和修饰也落入本发明权利要求的保护范围内。

Claims (8)

1.一种基于软开关的Buck电路，其特征在于，包括：

由第一开关管，主电感，主电容以及第一二极管构成的Buck电路主体；第一开关管的第一端作为Buck电路的正向输入端，第一开关管的第二端分别与第一二极管的阴极以及主电感的第一端连接，主电感的第二端与主电容的第一端连接，主电容的第二端与第一二极管的阳极连接；

包括第二电感以及与所述第二电感串联的第二二极管的电感支路，所述第二二极管限制电流仅从所述电感支路的第一端流向所述电感支路的第二端；阴极与所述电感支路的第一端连接，阳极与所述电感支路的第二端连接的第三二极管；第二电容；

当所述第二电容的第一端与所述第一开关管的第二端连接时，所述第二电容的第二端与所述电感支路的第一端连接，所述电感支路的第二端分别与所述第一二极管的阳极以及所述主电容的第二端连接；当所述电感支路的第一端与所述第一开关管的第二端连接时，所述第二电容的第一端与所述电感支路的第二端连接，所述第二电容的第二端分别与所述第一二极管的阳极以及所述主电容的第二端连接。

2.根据权利要求1所述的基于软开关的Buck电路，其特征在于，还包括：

第一端与所述第一开关管的第二端连接，第二端与所述第一二极管的阴极连接的第三电感。

3.根据权利要求2所述的基于软开关的Buck电路，其特征在于，还包括：

第一端与所述第一二极管的阴极连接，第二端与第一电阻的第一端连接的第三电容；

第二端与所述第一二极管的阳极连接的所述第一电阻。

4.根据权利要求3所述的基于软开关的Buck电路，其特征在于，还包括：

第一端与所述第三电感的第一端连接，第二端与第四二极管的阴极连接的第二电阻；

阳极与所述第三电容的第二端连接的所述第四二极管。

5.根据权利要求1所述的基于软开关的Buck电路，其特征在于，还包括，与所述第一二极管并联的一个或多个二极管。

6.根据权利要求1所述的基于软开关的Buck电路，其特征在于，所述第一开关管为IGBT管或者为MOS管。

7.根据权利要求1所述的基于软开关的Buck电路，各个二极管均为快恢复二极管。

8.根据权利要求1所述的基于软开关的Buck电路，还包括：

第一端与所述第一开关管的第一端连接，并作为基于软开关的Buck电路的正向输入端，第二端作为基于软开关的Buck电路的负向输入端的滤波电容。

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