CN112054673A - 一种软开关buck变换器电路及其控制方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种软开关buck变换器电路及其控制方法，包括主电路，主电路包括：电源；串联在电源正极端的第一开关管；与第一开关管串联的输出电感；与输出电感串联的电容；并联在所述输出电感和电容的串联支路上的第二开关管；辅助电路，辅助电路包括：辅助电路开关管、辅助电感和二极管，辅助电路开关管的漏极连接电源正极和第一开关管的漏极，辅助电路开关管的源极连接辅助电感的一端和二极管的阴极，辅助电感的另一端连接第一开关管的源极和第二开关管的漏极，二极管的阳极连接电源的负极和第二开关管的源极。本发明在占空比宽范围变化的情况下，既能实现ZVS软开关、又能减小软开关过程带来的损耗，提高变换器效率。

Description

一种软开关buck变换器电路及其控制方法
技术领域
本发明涉及一种软开关buck变换器电路及其控制方法，属于buck变换器领域。
背景技术
Buck变换器(降压变换器)被应用在高电压电源与低电压负载之间作为电压匹配变换器，在大功率电动车充电站中有广泛应用。一般大功率电动汽车充电站由电网电压经PFC整流器形成高压直流电，然后采用大功率buck变换器为电动车快速充电。Buck变换器中开关管的开关损耗不仅影响变换器效率，而且开关管需要较大的散热器，降低了变换器功率密度。为此buck变换器的ZVS软开关技术被提出，以减小开关管损耗提高变换器效率。
大功率情况下，buck变换器输出电流连续，电流幅值较大，且应用在电动汽车充电中的buck变换器输出电压变化范围较大，这些因素都将影响变换器的ZVS软开关实现。LeiJiang,Chunting Chris Mi,Siqi Li等作者在文章《An Improved Soft-Switching BuckConverter With Coupled Inductor》中提出一种基于耦合电感的buck变换器ZVS软开关方法，但该方法采用的耦合电感较难设计且在大功率情况下耦合电感损耗较大，不利于效率的提高。Junhong Zhang，Jih-Sheng Lai，Rae-Young Kim等作者在文章《High-PowerDensity Design of a Soft-Switching High-Power Bidirectional dc–dc Converter》中提出一种输出电流为三角波形的控制方法，实现了变换器的ZVS软开关，但该方法的输出电流脉动，需多个buck变换器交错并联输出以减小电流脉动；且输出电流峰值为输出电流平均值的两倍，输出电流较大时三角波形的输出电流损耗较大。杨建、薛晓峰等人在专利《软开关实现的buck电路》(申请公布号：CN111355374A)以及卢鹏飞在专利《一种软开关Buck变换器及其控制方法》(申请公布号：CN111224545A)中，提出一种输出电感并联辅助小电感的buck变换器ZVS软开关方法，该方法在占空比较大或者较小时，辅助电感上的电流平均值较大，带来较大的导通损耗，不利于变换器效率的提升，而且该方法将影响输出电流波形，导致输出电流波动较大。秦岭、田民等人在专利《一种零电压软开关双向Buck Boost变换器》(申请公布号：CN110829838A)中提出基于LC辅助电路的buck变换器ZVS软开关方法，但该方法的辅助电流无法主动控制，导致在占空比较大或者较小时辅助电流均较大的情况，影响变换器效率的提升。
综上，目前的ZVS软开关技术，虽然能够在大功率、宽负载变化范围情况下实现主开关管的ZVS软开关，但是实现软开关过程中带来的额外损耗较大，不利于变换器效率的提高。
发明内容
针对上述现有技术，本发明要解决的技术问题是提供一种在占空比宽范围变化的情况下，既能实现ZVS软开关、又能减小由ZVS软开关过程带来的损耗、提高变换器效率的软开关buck变换器电路及其控制方法。
为解决上述技术问题，本发明提供的一种软开关buck变换器电路，包括主电路，主电路包括：电源；串联在电源正极端的第一开关管S1；与第一开关管S1串联的输出电感Lo；与输出电感Lo串联的电容Co；并联在所述输出电感Lo和电容Co的串联支路上的第二开关管S2；辅助电路，辅助电路包括：辅助电路开关管SA、辅助电感LA和二极管DA，辅助电路开关管SA的漏极连接电源正极和第一开关管S1的漏极，辅助电路开关管SA的源极连接辅助电感LA的一端和二极管DA的阴极，辅助电感LA的另一端连接第一开关管S1的源极和第二开关管S2的漏极，二极管DA的阳极连接电源的负极和第二开关管S2的源极。
本发明还包括：
1.辅助电路开关管SA、第一开关管S1和开关管S2均为功率开关管反并联二极管。
2.辅助电路开关管SA、第一开关管S1和第二开关管S2为MOS管、三极管或者IGBT。
上述任意一种软开关buck变换器电路的控制方法，具体为：在第二开关管S2关闭之前，辅助电路开关管SA开通，在开通tbuilt时间后，辅助电路开关管SA与第二开关管S2同时关闭，在辅助电路开关管SA与第二开关管S2同时开通的时间段内，辅助电感LA的电流iA开始由零增加，iA满足：
Figure BDA0002657084690000021
电流iA的最大值iA_peak满足：
Figure BDA0002657084690000022
式中Vin为输入电压，tbuilt为辅助电路开关管SA与第二开关管S2同时开通的时间；
在第一开关管S1开通前，输出电感电流io达到一个周期中的最小值，具体为：
Figure BDA0002657084690000023
式中io_min为输出电流在一个周期中的最小值，Io为输出电流平均值，D为占空比，Ts为开关管驱动周期；
控制辅助电流iA的建立时间tbuilt，使辅助电流iA的最大值iA_peak大于输出电感电流io的最小值io_min，实现第一开关管S1的软开关；
在辅助电路开关管SA与第二开关管S2同时关闭后，电流iA大于输出电流io，辅助电流iA有两个电流路径，一部分等于输出电流io流过输出电感，另一部分流过第一开关管S1的反并联二极管，实现第一开关管S1的零电压开通环境。
本发明的有益效果：在宽负载范围内实现大功率buck变换器高效率问题是本发明主要解决的问题。本发明提出一种辅助电流可控，且不受负载影响的ZVS软开关电路，该电路可实现大功率变换器的宽范围ZVS软开关且软开关过程中，带来的额外损耗较小，能够提升变换器效率。
(1)实现主开关管零电压开通的辅助电流iA幅值可通过tbuilt调节，在输出电压、电流变化的很大范围内，均可以通过调节辅助电流iA幅值实现主开关管的ZVS软开关，具有较宽的ZVS软开关范围。
(2)主开关管实现了零电压开通，辅助开关管实现了零电流开通，而且实现软开关的辅助电流瞬间建立，平均电流较小，导通损耗较小，因此该变换器具有较高的效率。
(3)软开关辅助电路对输出电流无影响，不会改变输出电流io波形形状，减小了输出电流谐波含量，有利于输出滤波器的设计。
附图说明
图1是提出的ZVS软开关buck变换器；
图2是Buck变换器的主要工作波形；
图3是时间区间1(t0～t1)的等效电路图；
图4是时间区间2(t1～t2)的等效电路图；
图5是时间区间3(t2～t3)的等效电路图；
图6是时间区间4(t3～t4)的等效电路图；
图7是时间区间5(t4～t5)的等效电路图；
图8是时间区间6(t5～t6)的等效电路图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明具体实施方式做进一步说明。
本发明的目的是为了提高大功率buck变换器效率，提出一种新型ZVS软开关电路拓扑，该电路拓扑能够在连续输出电流情况下实现buck变换器的宽ZVS范围软开关，从而实现buck变换器的高效率。提出的ZVS软开关buck变换器如图1所示，在传统的buck变换器基础上增加了由开关管SA、辅助电感LA以及二极管DA组成的辅助电路。该辅助电路可产生瞬间的辅助电流iA以实现主开关管S1的ZVS软开关。
如图1所示的buck变换器主要工作波形如图2所示。在续流开关管S2关闭之前，辅助开关管SA开通，在开通tbuilt时间后，开关管SA与S2同时关闭。在开关管SA与S2同时开通的时间段内，辅助电感LA的电流iA开始由零增加，如式(1)所示。根据式(1)辅助电流iA的最大值iA_peak如式(2)所示。
Figure BDA0002657084690000041
式中Vin为输入电压。
Figure BDA0002657084690000042
式中tbuilt为开关管SA与S2同时开通的时间。
在主开关管S1开通前，输出电感电流io达到一个周期中的最小值，可以表示为式(3)所示。
Figure BDA0002657084690000043
式中io_min为输出电流在一个周期中的最小值，Io为输出电流平均值，D为占空比，Ts为开关管驱动周期。
控制辅助电流iA的建立时间tbuilt，可以使辅助电流iA的最大值iA_peak大于输出电感电流io的最小值io_min，从而实现主开关管S1的软开关。在开关管SA与S2同时关闭后，辅助电流iA大于输出电流io，辅助电流iA有两个电流路径，一部分等于输出电流io流过输出电感，一部分流过开关管S1的反并联二极管，创造了S1的零电压开通环境。
本发明提出的buck变换器ZVS软开关辅助电路的主开关管S1实现了零电压开通，辅助开关管SA实现了零电流开通，而且实现软开关的辅助电流iA被瞬间建立，平均电流较小，导通损耗较小，因此会带来较高的效率。由于辅助电流iA幅值可通过tbuilt调节，在输出电压、电流变化的很大范围内，均可以通过调节辅助电流iA幅值实现主开关管的ZVS软开关。而且软开关辅助电路对输出电流io无影响，不会改变输出电流io波形形状，减小了输出电流谐波含量，有利于输出滤波器的设计。
图2为提出的新型ZVS buck变换器的主要工作波形，一个PWM周期为Ts，将一个周期分为6个时间区间，每个时间区间的主要电流波形分别如图3～图8所示。在分析之前做如下假设：输入电压Vin、输出电压Vo以及输出电感电流平均值Io在一个周期保持不变，忽略各开关管的关断过程，各时间区间的详细分析如下：
时间区间1(t0～t1)，等效电路图如图3所示：以主开关管S1零电压开通时刻为t0时刻。在此时间区间，电流iS1与iA同时为负载供电，满足式(4)的关系式。输出滤波电感Lo承受电压为(Vin-Vo)，输出电流线性上升，如式(5)所示。辅助电感LA承受的电压为-Vin，电感电流iA开始下降，在t1时刻，iA下降至零。
io(t)＝iS1(t)+iA(t) (4)
Figure BDA0002657084690000051
时间区间2(t1～t2)，等效电路图如图4所示：该阶段电流iS1为负载供电，满足iS1(t)＝io(t)。输出滤波电感Lo承受电压为(Vin-Vo)，输出电流线性上升，如式(5)所示。在t2时刻，主开关管S1关闭。
时间区间3(t2～t3)，等效电路图如图5所示：开关管S1关闭后，电流io流过开关管S2的反并联二极管D2，使S2达到了零电压开通条件。在t3时刻，开关管S2零电压开通。
时间区间4(t3～t4)，等效电路图如图6所示：开关管S2开通后，电流io流过开关管S2，此时电感Lo承受电压为-Vo，则该时间区间电流io满足式(6)，输出电流io开始减小。
Figure BDA0002657084690000052
时间区间5(t4～t5)，等效电路图如图7所示：在t4时刻，辅助开关管SA开通，由于辅助电感LA此时刻电流为零，开关管SA零电流开通。开关管SA开通后，辅助电感LA承受的电压为Vin，电感电流iA开始由零增加，如式(1)所示。在t5时刻，开关管SA与S2同时关闭，记该时间段的时间为tbuilt，则tbuilt＝t5-t4。辅助电流iA经过tbuilt时间的增加后，最大值iA_peak如式(2)所示。控制辅助电流iA的建立时间tbuilt，可以使辅助电流iA的最大值iA_peak大于输出电感电流io的最小值io_min。在t5时刻，电流iA达到最大值iA_peak，电流io达到本周期内的最小值io_min，如式(3)所示。
时间区间6(t5～t6)，等效电路图如图8所示：开关管SA与S2同时关闭后，辅助电流iA有两个电流路径，一部分流过输出电感Lo等于输出电流io，一部分流过开关管S1的反并联二极管D1，创造了S1的零电压开通环境。在t6时刻，开关管S1零电压开通，一个新的周期开始。

Claims (4)

1.一种软开关buck变换器电路，其特征在于：包括主电路，所述主电路包括：电源；串联在电源正极端的第一开关管(S1)；与第一开关管(S1)串联的输出电感(Lo)；与输出电感(Lo)串联的电容(Co)；并联在所述输出电感(Lo)和电容(Co)的串联支路上的第二开关管(S2)；辅助电路，所述辅助电路包括：辅助电路开关管(SA)、辅助电感(LA)和二极管(DA)，辅助电路开关管(SA)的漏极连接电源正极和第一开关管(S1)的漏极，辅助电路开关管(SA)的源极连接辅助电感(LA)的一端和二极管(DA)的阴极，辅助电感(LA)的另一端连接第一开关管(S1)的源极和第二开关管(S2)的漏极，二极管(DA)的阳极连接电源的负极和第二开关管(S2)的源极。
2.根据权利要求1所述的一种软开关buck变换器电路，其特征在于：所述辅助电路开关管(SA)、第一开关管(S1)和开关管(S2)均为功率开关管反并联二极管。
3.根据权利要求1所述的一种软开关buck变换器电路，其特征在于：所述辅助电路开关管(SA)、第一开关管(S1)和第二开关管(S2)为MOS管、三极管或者IGBT。
4.一种权利要求1至3任一项所述的软开关buck变换器电路的控制方法，其特征在于：
在第二开关管(S2)关闭之前，辅助电路开关管(SA)开通，在开通tbuilt时间后，辅助电路开关管(SA)与第二开关管(S2)同时关闭，在辅助电路开关管(SA)与第二开关管(S2)同时开通的时间段内，辅助电感(LA)的电流iA开始由零增加，iA满足：
Figure FDA0002657084680000011
电流iA的最大值iA_peak满足：
Figure FDA0002657084680000012
式中Vin为输入电压，tbuilt为辅助电路开关管(SA)与第二开关管(S2)同时开通的时间；
在第一开关管(S1)开通前，输出电感电流io达到一个周期中的最小值，具体为：
Figure FDA0002657084680000013
式中io_min为输出电流在一个周期中的最小值，Io为输出电流平均值，D为占空比，Ts为开关管驱动周期；
控制辅助电流iA的建立时间tbuilt，使辅助电流iA的最大值iA_peak大于输出电感电流io的最小值io_min，实现第一开关管(S1)的软开关；
在辅助电路开关管(SA)与第二开关管(S2)同时关闭后，电流iA大于输出电流io，辅助电流iA有两个电流路径，一部分等于输出电流io流过输出电感，另一部分流过第一开关管(S1)的反并联二极管，实现第一开关管(S1)的零电压开通环境。
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