CN110829838A - 一种零电压软开关双向Buck/Boost变换器 - Google Patents

一种零电压软开关双向Buck/Boost变换器 Download PDF

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Abstract

本发明属于电气技术领域，公开了一种零电压软开关双向Buck/Boost变换器。该双向Buck/Boost变换器通过将传统双向Buck/Boost变换器的高压侧滤波电容用两个串联分压电容代替，并在两分压电容公共点和两开关管公共点之间加上一个辅助电感，使得双向Buck/Boost变换器中所有开关管零电压开通，减小开关损耗，提高系统效率。

Description

一种零电压软开关双向Buck/Boost变换器
技术领域
本发明涉及电气技术领域，具体涉及一种零电压软开关双向Buck/Boost变换器。
背景技术
随着电力电子技术的不断发展，双向DC/DC变换器在新能源、航天航空、交通、通讯、工业控制等领域得到了广泛应用。双向DC/DC变换器的拓扑繁多，按有无隔离功能可分为非隔离型和隔离型两类。非隔离型双向DC/DC变换器有双向Buck/Boost变换器、双向Buck-Boost变换器、双向Cuk变换器、双向Zeta-Sepic变换器等。其中，双向Buck/Boost变换器是在单管Buck或Boost变换器基础上构成的，即将原变换器中的二极管用开关管替换。其具有拓扑结构简单，控制策略与驱动电路易于实现，所需器件少等优点，因此得到广泛应用。
为了提高传统双向Buck/Boost变换器的功率密度，需要提升系统的开关频率，以降低其体积和重量。然而，随着开关频率的上升，开关损耗也急剧增大，系统效率明显降低。因此，如何减小双向Buck/Boost变换器的开关损耗以提高系统效率，成为双向Buck/Boost变换器亟需解决的问题。
发明内容
有鉴于此，本发明提供了一种零电压软开关双向Buck/Boost变换器，该变换器中所有开关管均可实现零电压开通，减小开关损耗，提高系统的效率。
为实现上述目的，本发明的目的在于提供如下技术方案：
本发明公开一种零电压软开关双向Buck/Boost变换器，包括：
第一电容、第二电容、第三电容、第一电感、第二电感、第一开关管和第二开关管；
所述第一开关管和所述第二开关管均为N沟道MOS管；
所述第一电感的第一端与所述第一电容的第二端及所述第二电容的第一端连接，所述第一电感的第二端与所述第一开关管的源极、所述第二开关管的漏极及所述第二电感的第一端连接；
所述第一电容的第一端与所述第一开关管的漏极连接；
所述第二电感的第二端与所述第三电容的第一端连接；
所述第二开关管的源极与所述第二电容的第二端及所述第三电容的第二端连接；
所述第一电容的第一端作为所述双向Buck/Boost变换器高压侧的正极，所述第二电容的第二端作为所述双向Buck/Boost变换器高压侧的负极；
所述第三电容的第一端作为所述双向Buck/Boost变换器低压侧的正极，所述第三电容的第二端作为所述双向Buck/Boost变换器低压侧的负极；
所述第一开关管和所述第二开关管互补导通；
所述第一电感和所述第二电感均工作于电流连续模式；
所述第一电感的电感值
Figure BDA0002250631140000011
其中，D为第一开关管S1的占空比，IL2为第二电感电流平均值，UH为高压侧电压，fs为开关频率。
优选的，所述第一电容、第二电容和第三电容均为有极性电容，且所述第一电容、第二电容和第三电容的第一端为正端，所述第一电容、第二电容和第三电容的第二端为负端。
与现有技术相比，本发明提供的零电压软开关双向Buck/Boost变换器，通过将传统双向Buck/Boost变换器的高压侧滤波电容用两个串联分压电容代替，并在两分压电容公共点和两开关管公共点之间加上一个辅助电感，使得双向Buck/Boost变换器中所有开关管均零电压开通，减小开关损耗，提高效率。
附图说明
图1为本申请实施例的零电压软开关双向Buck/Boost变换器的电路结构示意图；
图2(a)～(f)为本申请实施例的零电压软开关双向Buck/Boost变换器工作于Buck模式下不同模态的等效电路图；
图3为本申请实施例的零电压软开关双向Buck/Boost变换器工作于Buck模式时的关键波形图；
图4(a)～(f)为本申请实施例的零电压软开关双向Buck/Boost变换器工作于Boost模式下不同模态的等效电路图；
图5为本申请实施例的零电压软开关双向Buck/Boost变换器工作于Boost模式时的关键波形图；
图6(a)、(b)为本申请实施例的零电压软开关双向Buck/Boost变换器工作于Buck模式下第一开关管和第二开关管的驱动电压、漏源极电压及所流过电流的实验波形；
图7(a)、(b)为本申请实施例的零电压软开关双向Buck/Boost变换器工作于Boost模式下第一开关管和第二开关管的驱动电压、漏源极电压及所流过电流的实验波形。
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、完整地描述，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，图1为本发明公开的一种零电压软开关双向Buck/Boost变换器的电路结构示意图。该双向Buck/Boost变换器包括第一电容C1、第二电容C2、第三电容C3、第一电感L1、第二电感L2、第一开关管S1和第二开关管S2。本发明实施例中，第一开关管S1和第二开关管S2均采用N沟道MOS管，均包含一个寄生二极管和一个寄生电容，该类开关管的通态损耗比电流控制型的开关管小。
其中：
第一电感L1的第一端与第一电容C1的第二端及第二电容C2的第一端连接，第一电感L1的第二端与第一开关管S1的源极、第二开关管S2的漏极及第二电感L2的第一端连接；
第一电容C1的第一端与第一开关管S1的漏极连接；
第二电感L2的第二端与第三电容C3的第一端连接；
第二开关管S2的源极与第二电容C2的第二端及第三电容C3的第二端连接；
第一电容C1的第一端作为双向Buck/Boost变换器高压侧的正极，第二电容C2的第二端作为双向Buck/Boost变换器高压侧的负极；
第三电容C3的第一端作为双向Buck/Boost变换器低压侧的正极，第三电容C3的第二端作为双向Buck/Boost变换器低压侧的负极；
第一开关管S1和第二开关管S2互补导通；
第一电感L1和第二电感L2均工作于电流连续模式；
其中，第一电感L1的电感值D为第一开关管S1的占空比，IL2为第二电感电流平均值，UH为高压侧电压，fs为开关频率。也就是说第一电感L1的电感值的选择是以双向Buck/Boost变换器运行过程中的第一开关管S1的占空比、低压侧电流平均值(第二电感电流平均值IL2)、高压侧电压和开关频率为依据的。
在本实施例中，第一开关管S1和第二开关管S2互补导通。
具体地，如图1所示的零电压软开关双向Buck/Boost变换器具有Buck模式和Boost模式两种工作模式，下面结合图2(a)～(f)和图4(a)～(f)对本发明提供的零电压软开关双向Buck/Boost变换器的工作原理作介绍，其中，图2(a)～(f)为双向Buck/Boost变换器工作于Buck模式下不同模态的等效电路图，图4(a)～(f)为双向Buck/Boost变换器工作于Boost模式下不同模态的等效电路图，其中，虚线部分为非工作部分，可视为不存在。
(1)Buck模式
零电压软开关双向Buck/Boost变换器在Buck模式下，一个周期内的工作可分为6个模态，每个模态对应的电路如图2(a)～(f)所示，电路的关键波形图如图3所示，下面分别予以分析。
在t0时刻之前，第一开关管S1与第二开关管S2均处于关断状态，第一电感L1的电流iL1大于第二电感L2的电流iL2，此时，第一开关管S1的寄生二极管导通。
工作模态1[t0,t1](等效电路如图2(a)所示)
在t0时刻，开通第一开关管S1，模态1开始。由于开通前第一开关管S1的寄生二极管导通，第一开关管S1两端压降近似为0，所以此开通过程为零电压开通。此时，A点电位为UL，B点电位为UH。第二电感L2承受正向电压UH-UL，第一电感L1承受反向电压UH-UL。两电感电流表达式为：
Figure BDA0002250631140000031
Figure BDA0002250631140000032
工作模态2[t1,t2](等效电路如图2(b)所示)
在t1时刻，关断第一开关管S1，模态1结束，模态2开始。此时，第一开关管S1和第二开关管S2的寄生电容分别处于充电状态和放电状态。A点电位为UL，B点电位由UH逐渐减小。此过程时间较短，近似认为第一电感L1和第二电感L2的电流近似不变。
工作模态3[t2,t3](等效电路如图2(c)所示)
在t2时刻，两开关的寄生电容充放电完成，B点电位降为0，模态2结束，模态3开始。第二开关管S2的寄生二极管导通，此过程时间较短，近似认为第一电感L1和第二电感L2的电流近似不变。
工作模态4[t3,t4](等效电路如图2(d)所示)
在t3时刻，开通第二开关管S2，模态3结束，模态4开始。由于开通前第二开关管S2的寄生二极管导通，开关管两端压降近似为0，所以此开通过程为零电压开通。此时，A点电位为UL，B点电位为0。第二电感L2承受反向电压UL，第一电感L1承受正向电压UL。两电感电流表达式为：
Figure BDA0002250631140000033
Figure BDA0002250631140000034
工作模态5[t4,t5](等效电路如图2(e)所示)
在t4时刻，关断第二开关管S2，模态4结束，模态5开始。此时，第一开关管S1和第二开关管S2的寄生电容分别处于放电状态和充电状态。A点电位为UL，B点电位由0逐渐增大。此过程时间较短，近似认为第一电感L1和第二电感L2的电流近似不变。
工作模态6[t5,t6](等效电路如图2(f)所示)
在t5时刻，两开关的寄生电容充放电完成，B点电位增大到UH，模态5结束，模态6开始。第一开关管S1的寄生二极管导通，此过程时间较短，近似认为第一电感L1和第二电感L2的电流近似不变。t6时刻，开通第一开关管S1，模态6结束，下一个开关周期开始，重复上述过程。
当系统达到稳态时，A点电位UA为DUH；当S1导通时，B点电位UB为UH，当S2导通时，B点电位UB为0。那么第一电感L1的电流脉动ΔiL1为：
Figure BDA0002250631140000035
Figure BDA0002250631140000041
根据图3中第一电感电流iL1和第二电感电流iL2的波形可以看出，在第一开关管S1开通前，第一电感电流iL1要大于第二电感电流iL2，确保有一定电流流过第一开关管S1的寄生二极管，为第一开关管S1零电压开通做准备。即所提变换器要求第一电感L1的电感电流峰值ΔiL1/2要大于第二电感L2的电感电流的最小值iL2,min，便有
且第二电感L2的平均电流IL2必然大于其电感电流的最小值iL2,min
iL2,min＜IL2 (8)
所以
上式中，L1为第一电感的电感值，D为第一开关管S1的占空比，IL2为第二电感电流平均值，UH为高压侧电压，fs为开关频率。
根据图3可知，本发明实施例提供的零电压软开关双向Buck/Boost变换器的第一开关管S1和第二开关管S2的电压应力均为高压侧电压UH。
(2)Boost模式
零电压软开关双向Buck/Boost变换器在Boost模式下，一个周期内的工作也可分为6个模态，每个模态对应的等效电路图如图4(a)～(f)所示，电路的关键波形图如图5所示，下面分别予以分析。
在t0时刻之前，第一开关管S1与第二开关管S2均处于关断状态，第一电感L1的电流iL1大于第二电感L2的电流iL2，第二开关管S2的寄生二极管导通。
工作模态1[t0,t1](等效电路如图4(a)所示)
在t0时刻，开通第二开关管S2，模态1开始。由于开通前第一开关管S1的寄生二极管导通，开关管两端压降近似为0，所以此开通过程为零电压开通。此时，A点电位为UL，B点电位为0。第二电感L2承受正向电压UL，第一电感L1承受反向电压UL。两电感电流表达式为：
Figure BDA0002250631140000044
Figure BDA0002250631140000045
工作模态2[t1,t2](等效电路如图4(b)所示)
在t1时刻，关断第二开关管S2，模态1结束，模态2开始。此时，第一开关管S1和第二开关管S2的寄生电容分别处于放电状态和充电状态。A点电位为UL，B点电位由0逐渐增大。此过程时间较短，近似认为第一电感L1和第二电感L2的电流近似不变。
工作模态3[t2,t3](等效电路如图4(c)所示)
在t2时刻，两开关的寄生电容充放电完成，B点电位增加到UH，模态2结束，模态3开始。第一开关管S1的寄生二极管导通，此过程时间较短，近似认为第一电感L1和第二电感L2的电流近似不变。
工作模态4[t3,t4](等效电路如图4(d)所示)
在t3时刻，开通第一开关管S1，模态3结束，模态4开始。由于开通前第一开关管S1的寄生二极管导通，开关管两端压降近似为0，所以此开通过程为零电压开通。此时，A点电位为UL，B点电位为UH。第二电感L2承受反向电压UH-UL，第一电感L1承受正向电压UH-UL。两电感电流表达式为：
Figure BDA0002250631140000051
Figure BDA0002250631140000052
工作模态5[t4,t5](等效电路如图4(e)所示)
在t4时刻，关断第一开关管S1，模态4结束，模态5开始。此时，第一开关管S1和第二开关管S2的寄生电容分别处于充电状态和放电状态。A点电位为UL，B点电位由UH逐渐减小。此过程时间较短，近似认为第一电感L1和第二电感L2的电流近似不变。
工作模态6[t5,t6](等效电路如图4(f)所示)
在t5时刻，两开关的寄生电容充放电完成，B点电位减小至0，模态5结束，模态6开始。第一开关管S1的寄生二极管导通，此过程时间较短，近似认为第一电感L1和第二电感L2的电流近似不变。t6时刻，开通第二开关管S2，模态6结束，下一个开关周期开始，重复上述过程。
当系统达到稳态时，A点电位UA为(1-D)UH；当第一开关管S1导通时，B点电位UB为UH，当第二开关管S2导通时，B点电位UB为0。那么第一电感L1的电流脉动ΔiL1为：
Figure BDA0002250631140000053
Figure BDA0002250631140000054
与Buck模式相同，可得
Figure BDA0002250631140000055
上式中，L1为第一电感L1的电感值，D为第一开关管S1的占空比，IL2为第二电感电流平均值，UH为高压侧电压，fs为开关频率。
根据图5可知，本发明实施例提供的零电压软开关双向Buck/Boost变换器的第一开关管S1和第二开关管S2的电压应力均为高压侧电压UH。
综上所述，两种工作模式下第一电感L1设计准相同，如式(9)和式(16)所示。根据该设计准则，设计表1所示变换器系统的第一电感L1，得到第一电感电感量应L1小于25uH，然后进行实验验证。
表1零电压软开关双向Buck/Boost变换器系统参数
Figure BDA0002250631140000056
进行实验验证时电路主要参数如下表2所示。
表2零电压软开关双向Buck/Boost变换器主要参数
(1)Buck模式
系统低压侧电压UL＝50V，高压侧电压UH＝100V，输出功率Po＝250W。Buck模式下电路实验波形如图6所示，图6(a)给出开关管S1的驱动波形ugs1，漏源极电压波形uds1，图6(b)给出开关管S2的驱动波形ugs2，漏源极电压波形uds2，两者均给出第一电感L1的电感电流波形iL1，第二电感L2的电感电流波形iL2。可以看出，在驱动信号到来之前，开关管漏源极电压已降低至零，第一开关管S1和第二开关管S2均实现了ZVS开通。
(2)Boost模式
系统低压侧电压UL＝50V；高压侧电压UH＝100V；输出功率Po＝250W。Boost模式下电路实验波形如图7所示，图7(a)和图7(b)分别给出开关管S1与S2的驱动波形与漏源极电压波形。与Buck模式分析方法相同，根据图7可以看出，第一开关管S1和第二开关管S2均实现了ZVS开通。
综上所述，本发明实施例提供的零电压软开关双向Buck/Boost变换器在Buck和Boost两种工作模式下均能实现两个开关管的零电压开通。
对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本发明中所分析的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本发明中所分析的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (2)

1.一种零电压软开关双向Buck/Boost变换器，其特征在于，包括：
第一电容、第二电容、第三电容、第一电感、第二电感、第一开关管和第二开关管；
所述第一开关管和所述第二开关管均为N沟道MOS管；
所述第一电感的第一端与所述第一电容的第二端及所述第二电容的第一端连接，所述第一电感的第二端与所述第一开关管的源极、所述第二开关管的漏极及所述第二电感的第一端连接；
所述第一电容的第一端与所述第一开关管的漏极连接；
所述第二电感的第二端与所述第三电容的第一端连接；
所述第二开关管的源极与所述第二电容的第二端及所述第三电容的第二端连接；
所述第一电容的第一端作为所述双向Buck/Boost变换器高压侧的正极，所述第二电容的第二端作为所述双向Buck/Boost变换器高压侧的负极；
所述第三电容的第一端作为所述双向Buck/Boost变换器低压侧的正极，所述第三电容的第二端作为所述双向Buck/Boost变换器低压侧的负极；
所述第一开关管和所述第二开关管互补导通；
所述第一电感和所述第二电感均工作于电流连续模式；
所述第一电感的电感值
Figure FDA0002250631130000011
其中，D为第一开关管S1的占空比，IL2为第二电感电流平均值，UH为高压侧电压，fs为开关频率。
2.根据权利要求1所述的零电压软开关双向Buck/Boost变换器，其特征在于，所述第一电容、第二电容和第三电容均为有极性电容，且所述第一电容、第二电容和第三电容的第一端为正端，所述第一电容、第二电容和第三电容的第二端为负端。
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