CN112688557A - 缓冲电路、Buck电路、开关变换器和空调 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及Buck电路技术领域，具体涉及一种缓冲电路、Buck电路、开关变换器和空调，包括缓冲电容和缓冲电感，其中缓冲电容的第一端与Buck电路中开关管的第一端相连，缓冲电容的第二端与开关管的第二端相连；缓冲电感的第一端与开关管的第二端相连，缓冲电感的第二端与Buck电路中续流二极管的阴极端相连。开关管导通后，缓冲电容放电，以在开关管截止时进行电压抑制，实现零电压关断；开关管截止后，缓冲电感充电，以在开关管导通时进行电流抑制，以实现零电流导通，减小了开关损耗，有效提高了电路工作效率。
Description
技术领域
本发明涉及Buck电路技术领域，具体涉及一种缓冲电路、Buck电路、开关变换器和空调。
背景技术
Buck电路，又称降压电路，其基本特征是DC-DC降压缓冲转换电路，输出电压低于输入电压。在计算机、通讯、工业控制、仪器仪表、医疗设备等领域，应用Buck电路设计的从高压直流变换到低压直流的开关电源的应用已经非常广泛。
开关器件工作在很高的频率下，开关损耗和开关频率成正比，开关损耗不容忽视。开关器件是Buck电路中重要的电子器件，在Buck电路中，需要开关器件维持在一个较高的工作频率，使得开关器件的开关损耗较高。
发明内容
有鉴于此，本发明的目的在于提供一种缓冲电路、Buck电路、开关变换器和空调，以克服目前开关器件的开关损耗较高的问题。
为实现以上目的，本发明采用如下技术方案：
一方面，本发明提供了一种缓冲电路，应用于Buck电路中，所述缓冲电路包括：缓冲电容和缓冲电感；
所述缓冲电容的第一端与所述Buck电路中开关管的第一端相连，所述缓冲电容的第二端与所述开关管的第二端相连；所述缓冲电感的第一端与所述开关管的第二端相连，所述缓冲电感的第二端与所述Buck电路中续流二极管的阴极端相连；
所述开关管导通后，所述缓冲电容放电，以在所述开关管截止时进行电压抑制，实现零电压关断；所述开关管截止后，所述缓冲电感充电，以在所述开关管导通时进行电流抑制，以实现零电流导通。
进一步地，以上所述的缓冲电路，用电负载，以及，所述Buck电路的滤波电感、滤波电容，共同等效为恒流源。
进一步地，以上所述的缓冲电路，还包括：储能电容、第一二极管、第二二极管；
所述缓冲电容的第二端通过所述第一二极管与所述开关管的第二端相连；其中，所述第一二极管的第一端与所述缓冲电容的第二端相连，所述第一二极管的第二端与所述开关管的第二端相连；
所述储能电容的第一端与所述第二二极管的第一端相连，所述储能电容的第二端与所述缓冲电感的第二端相连；
所述第二二极管的第二端与所述第一二极管的第一端相连。
进一步地，以上所述的缓冲电路，所述第一二极管的第一端和所述第二二极管的第一端均为阳极端；
所述第一二极管的第二端和所述第二二极管的第二端均为阴极端。
进一步地，以上所述的缓冲电路，还包括第三二极管；
所述第三二极管的第一端与所述续流二极管的阳极端相连；
所述第三二极管的第二端与所述储能电容的第一端相连。
进一步地，以上所述的缓冲电路，所述第三二极管的第一端为阳极端，所述第三二极管的第二端为阴极端。
进一步地，以上所述的缓冲电路，所述开关管包括IGBT器件。
进一步地，以上所述的缓冲电路，所述开关管包括P沟道器件。
进一步地，以上所述的缓冲电路，所述开关管的第一端为集电极；
所述开关管的第二端为发射极。
另一方面，本发明还提供了一种Buck电路，包括以上任一项所述的缓冲电路。
另一方面，本发明还提供了一种开关变换器，包括以上所述的Buck电路。
另一方面，本发明还提供了一种空调，包括以上所述的开关变换器。
本发明的缓冲电路、Buck电路、开关变换器和空调，包括缓冲电容和缓冲电感，其中缓冲电容的第一端与Buck电路中开关管的第一端相连，缓冲电容的第二端与开关管的第二端相连；缓冲电感的第一端与开关管的第二端相连，缓冲电感的第二端与Buck电路中续流二极管的阴极端相连。开关管导通后，缓冲电容放电，以在开关管截止时进行电压抑制，实现零电压关断；开关管截止后，缓冲电感充电，以在开关管导通时进行电流抑制，以实现零电流导通，减小了开关损耗，有效提高了电路工作效率。
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是本发明缓冲电路一种实施例提供的电路图；
图2是本发明缓冲电路一种实施例提供的工作模态一的电路图；
图3是本发明缓冲电路一种实施例提供的工作模态二的电路图；
图4是本发明缓冲电路一种实施例提供的工作模态三的电路图；
图5是本发明缓冲电路一种实施例提供的工作模态四的电路图；
图6是本发明缓冲电路一种实施例提供的工作模态五的电路图；
图7是本发明缓冲电路一种实施例提供的工作模态六的电路图；
图8是本发明缓冲电路一种实施例提供的工作模态七的电路图；
图9是本发明缓冲电路一种实施例提供的工作模态八的电路图；
图10是本发明缓冲电路一种实施例提供的工作模态九的电路图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将对本发明的技术方案进行详细的描述。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的前提下所得到的所有其它实施方式，都属于本发明所保护的范围。
图1是本发明缓冲电路一种实施例提供的电路图。
本实施例提供了一种缓冲电路，应用于Buck电路中。如图1所示，现有技术中，Buck电路一般包括输入电源Ui、开关管VT、续流二极管VD、滤波电感L、滤波电容C。
一般的，Buck电路中，输入电源Ui的第一端与开关管VT的第一端相连，开关管VT的第二端同时与续流二极管VD的阴极端、滤波电感L的第一端相连，滤波电感L的第二端同时与滤波电感L的第一端、用电负载R的第一端相连，输入电源Ui的第二端同时与续流二极管VD的阳极端、滤波电感L的第二端、用电负载R的第二端相连。
可选的，输入电源Ui的第一端为正极端，输入电源Ui的第二端为负极端。
本实施例在Buck电路的基础上，利用电感、电容、二极管等元器件组成一个无源无损的缓冲电路，实现Buck电路中开关管VT的零电流导通和零电压关断，减小开关损耗，提高电路工作效率。
本实施例的缓冲电路，包括缓冲电容Cr和缓冲电感Lr。
可选的，如图1所示，本实施例的缓冲电容Cr的第一端与Buck电路中开关管VT的第一端相连，缓冲电容Cr的第二端与开关管VT的第二端相连。以使缓冲电容Cr并联在开关管VT两端，由于缓冲电容Cr和开关管VT是并联关系，缓冲电容Cr的电压和开关管VT的电压相同。缓冲电感Lr的第一端与开关管VT的第二端相连，缓冲电感Lr的第二端与Buck电路中续流二极管VD的阴极端相连。
本实施例开关管VT导通后，缓冲电容Cr能够放电，缓冲电容Cr两端的电压为零时，开关管VT两端的电压也为零，由于电容具有电压不能突变的特性，当开关管VT截止时缓冲电容Cr能够进行电压抑制，实现零电压关断。开关管VT截止后，缓冲电感Lr充电，开关管VT导通时，由于电感具有电流不能突变的特性，开关管VT中的电流不能瞬间增大，而是缓慢上升，因此开关管VT导通时缓冲电感Lr能够进行电流抑制，实现零电流导通。
可选的，Buck电路的滤波电感L足够大，在一个开关周期Ts中，其电流保持基本不变等于I0，这样的话，滤波电感L和滤波电容C及用电负载R就可以等效为一个恒流源T。
可选的，本实施例的缓冲电路，还包括：储能电容Cs、第一二极管VD1、第二二极管VD2。
缓冲电容Cr的第二端通过第一二极管VD1与开关管VT的第二端相连；其中，第一二极管VD1的第一端与缓冲电容Cr的第二端相连，第一二极管VD1的第二端与开关管VT的第二端相连；储能电容Cs的第一端与第二二极管VD2的第一端相连，储能电容Cs的第二端与缓冲电感Lr的第二端相连；第二二极管VD2的第二端与第一二极管VD1的第一端相连。
可选的，第一二极管VD1的第一端和第二二极管VD2的第一端均为阳极端；第一二极管VD1的第二端和第二二极管VD2的第二端均为阴极端。
可选的，本实施例的缓冲电路，还包括：第三二极管VD3。
第三二极管VD3的第一端与续流二极管VD的阳极端相连；第三二极管VD3的第二端与缓冲电容Cr的第一端相连。
可选的，本实施例的缓冲电路，第三二极管VD3的第一端为阳极端，第三二极管VD3的第二端为阴极端。
本实施例开关管VT可以采用IGBT或MOSFET器件实现，也可以采用其它可控开关实现。可选的，本实施例的开关管VT采用IGBT器件。
可选的，本实施例的开关管VT采用P沟道器件，开关管VT的第一端为集电极；开关管VT的第二端为发射极。
需要说明的是，本实施例并没有限定开关管VT只能为P沟道器件，开关管VT也可以采用N沟道器件，基于本实施例说明书中和附图中记载的内容，本领域的技术人员可以在不耗费创造性的前提下得到开关管VT采用N沟道器件的电路图，此处不做赘述。
具体地，本实施例的缓冲电路可以分为9个工作模态。
工作模态一：[t0-t1]的零电流导通阶段。
图2是本发明缓冲电路一种实施例提供的工作模态一的电路图。
如图2所示，导通开关管VT的时刻为t0时刻。开关管VT导通后，输入电源Ui、开关管VT、缓冲电感Lr、续流二极管VD，以及，滤波电感L、滤波电容C及用电负载R等效的恒流源T构成电源回路。
开关管VT导通时，由于缓冲电感Lr的存在，电感具有电流不能突变的特性，开关管VT中的电流不会瞬间增大，而是缓慢上升，完成零电流导通。缓冲电感Lr抑制续流二极管VD的反向恢复。
在本实施例的工作模态一中，缓冲电感Lr处的电流iLr线性下降，开关管VT处的电流iVT线性上升。当续流二极管VD续流过程结束，缓冲电感Lr处的电流iLr等于零，并且流过开关管VT的电流iVT的值为I0的时候，达到时刻t1，工作模态一结束。
工作模态二：[t1-t2]的缓冲电容Cr复位阶段。
图3是本发明缓冲电路一种实施例提供的工作模态二的电路图。
如图3所示，工作模态一结束后，续流二极管VD截止，第二二极管VD2导通，输入电源Ui、开关管VT、缓冲电感Lr、储能电容Cs、第二二极管VD2、缓冲电容Cr，以及，滤波电感L、滤波电容C及用电负载R等效的恒流源T构成电源回路。
缓冲电容Cr两端的电压与输入电源Ui的电压相等，缓冲电容Cr通过以下回路谐振放电：
开关管VT-缓冲电感Lr-储能电容Cs-第二二极管VD2-缓冲电容Cr。
当缓冲电容Cr放电为零的时候，缓冲电感Lr上的电流达到了反向最大值，即达到了时刻t2，工作模态二结束。在工作模态二，缓冲电容Cr两端的电压为零，为开关管VT的零电压关断创造了条件。
工作模态三：[t2-t3]的缓冲电感Lr复位阶段。
图4是本发明缓冲电路一种实施例提供的工作模态三的电路图。
如图4所示，在工作模态三中，缓冲电容Cr两端的电压为零，第一二极管VD1导通，输入电源Ui、开关管VT、缓冲电感Lr、储能电容Cs、第二二极管VD2、第一二极管VD1，以及，滤波电感L、滤波电容C及用电负载R等效的恒流源T构成电源回路。
缓冲电感Lr通过谐振，将自己本身储存的能量转移到储能电容Cs中，储能电容Cs两端的电压不断上升，当缓冲电感Lr处的电流iVT的值为零时，第一二极管VD1和第二二极管VD2截止，储能电容Cs两端的电压达到最大值，工作模态三结束，缓冲电容Cr中的能量全部转移到储能电容Cs中。
工作模态四：[t3-t4]的正常工作阶段。
图5是本发明缓冲电路一种实施例提供的工作模态四的电路图。
工作模态一至工作模态三为开关管VT导通后的缓冲阶段。在工作模态四，Buck电路进入PWM正常工作阶段。输入电源Ui、开关管VT，以及，滤波电感L、滤波电容C及用电负载R等效的恒流源T构成电源回路。
工作模态五：[t4-t5]的零电压关断阶段。
图6是本发明缓冲电路一种实施例提供的工作模态五的电路图。
如图6所示，关断开关管VT的时刻为t4时刻。开关管VT关断后，输入电源Ui、缓冲电容Cr、第一二极管VD1，以及，滤波电感L、滤波电容C及用电负载R等效的恒流源T构成电源回路。
开关管VT关断时，由于缓冲电容Cr的电压为零，而且缓冲电容Cr与开关管VT并联，开关管VT两端的电压也为零，在电容电压不能突变这一特性的作用下，实现了开关管VT的零电压关断。
输入电源Ui给缓冲电容Cr充电，缓冲电容Cr两端的电压迅速上升，当缓冲电容Cr两端的电压等于输入电源Ui的电压与储能电容Cs的最大电压之差时，工作模态五结束。
工作模态六：[t5-t6]的缓冲电感Lr与储能电容Cs谐振恢复阶段。
图7是本发明缓冲电路一种实施例提供的工作模态六的电路图。
如图7所示，本实施例的工作模态六中，第三二极管VD3导通，输入电源Ui、缓冲电容Cr、第一二极管VD1、缓冲电感Lr、储能电容Cs、第三二极管VD3，以及，滤波电感L、滤波电容C及用电负载R等效的恒流源T构成电源回路。
缓冲电感Lr与储能电容Cs谐振，向用电负载R转移能量，缓冲电感Lr处的电流逐渐增加，与此同时，输入电源Ui继续给缓冲电容Cr充电。当缓冲电容Cr的电压达到输入电源Ui的电压时，工作模态六结束。
工作模态七：[t6-t7]的储能电容Cs能量反馈阶段。
图8是本发明缓冲电路一种实施例提供的工作模态七的电路图。
如图8所示，在时刻t6缓冲电容Cr两端的电压与输入电源Ui的电压相同，缓冲电容Cr不需要再继续充电。第二二极管VD2导通，第三二极管VD3、第二二极管VD2、第一二极管VD1、缓冲电感Lr、储能电容Cs，以及，滤波电感L、滤波电容C及用电负载R等效的恒流源T构成电源回路。
缓冲电感Lr与储能电容Cs接着上个阶段继续谐振，储能电容Cs放电，流过缓冲电感Lr的电流持续增加，直至缓冲电感Lr的电流增加至I0。当缓冲电感Lr的电流增加至I0，第一二极管VD2和第二二极管VD2截止，工作模态七结束。
工作模态八：[t7-t8]的储能电容Cs能量持续反馈阶段。
图9是本发明缓冲电路一种实施例提供的工作模态八的电路图。
如图9所示，第一二极管VD2和第二二极管VD2截止，储能电容Cs、缓冲电感Lr、第三二极管VD3，以及，滤波电感L、滤波电容C及用电负载R等效的恒流源T构成电源回路。
缓冲电感Lr的电流一直为I0，储能电容Cs继续向用电负载R转移能量。当储能电容Cs的电压为零时，工作模态八结束。
工作模态九：[t8-t9]的关断阶段。
图10是本发明缓冲电路一种实施例提供的工作模态九的电路图。
工作模态五至工作模态八为开关管VT截止后的缓冲阶段。在工作模态九，Buck电路进入PWM关断阶段，缓冲电感Lr、续流二极管VD，以及，滤波电感L、滤波电容C及用电负载R等效的恒流源T构成电源回路。
此时缓冲电感Lr的电流为I0，当开关管VT导通时，由于缓冲电感Lr的存在，电感具有电流不能突变的特性，开关管VT中的电流不会瞬间增大，而是缓慢上升，完成零电流导通。
本实施例的缓冲电路，包括缓冲电容Cr和缓冲电感Lr，其中缓冲电容Cr的第一端与Buck电路中开关管VT的第一端相连，缓冲电容Cr的第二端与开关管VT的第二端相连；缓冲电感Lr的第一端与开关管VT的第二端相连，缓冲电感Lr的第二端与Buck电路中续流二极管VD的阴极端相连。开关管VT导通后，缓冲电容Cr放电，以在开关管VT截止时进行电压抑制，实现零电压关断；开关管VT截止后，缓冲电感Lr充电，以在开关管VT导通时进行电流抑制，以实现零电流导通，减小了开关损耗，有效提高了电路工作效率。
基于一个总的发明构思，本发明还提供了Buck电路，包括以上任一项实施例的缓冲电路。
基于一个总的发明构思，本发明还提供了一种开关变换器，包括以上实施例的Buck电路。本实施例的开关变换器可以应用在工业自动化控制、LED照明、空调设备、冰箱设备等领域，本实施不做限定。
基于一个总的发明构思，本发明还提供了一种空调，包括以上实施例的开关变换器。
可以理解的是，上述各实施例中相同或相似部分可以相互参考，在一些实施例中未详细说明的内容可以参见其他实施例中相同或相似的内容。
需要说明的是，在本发明的描述中，术语“第一”、“第二”等仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。此外，在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是指至少两个。
流程图中或在此以其他方式描述的任何过程或方法描述可以被理解为，表示包括一个或更多个用于实现特定逻辑功能或过程的步骤的可执行指令的代码的模块、片段或部分，并且本发明的优选实施方式的范围包括另外的实现，其中可以不按所示出或讨论的顺序，包括根据所涉及的功能按基本同时的方式或按相反的顺序，来执行功能，这应被本发明的实施例所属技术领域的技术人员所理解。
应当理解，本发明的各部分可以用硬件、软件、固件或它们的组合来实现。在上述实施方式中，多个步骤或方法可以用存储在存储器中且由合适的指令执行系统执行的软件或固件来实现。例如，如果用硬件来实现，和在另一实施方式中一样，可用本领域公知的下列技术中的任一项或他们的组合来实现：具有用于对数据信号实现逻辑功能的逻辑门电路的离散逻辑电路，具有合适的组合逻辑门电路的专用集成电路，可编程门阵列(PGA)，现场可编程门阵列(FPGA)等。
本技术领域的普通技术人员可以理解实现上述实施例方法携带的全部或部分步骤是可以通过程序来指令相关的硬件完成，所述的程序可以存储于一种计算机可读存储介质中，该程序在执行时，包括方法实施例的步骤之一或其组合。
此外，在本发明各个实施例中的各功能单元可以集成在一个处理模块中，也可以是各个单元单独物理存在，也可以两个或两个以上单元集成在一个模块中。上述集成的模块既可以采用硬件的形式实现，也可以采用软件功能模块的形式实现。所述集成的模块如果以软件功能模块的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，也可以存储在一个计算机可读取存储介质中。
上述提到的存储介质可以是只读存储器，磁盘或光盘等。
在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。
尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。
Claims (12)
1.一种缓冲电路，其特征在于，应用于Buck电路中，所述缓冲电路包括：缓冲电容和缓冲电感；
所述缓冲电容的第一端与所述Buck电路中开关管的第一端相连，所述缓冲电容的第二端与所述开关管的第二端相连；所述缓冲电感的第一端与所述开关管的第二端相连，所述缓冲电感的第二端与所述Buck电路中续流二极管的阴极端相连；
所述开关管导通后，所述缓冲电容放电，以在所述开关管截止时进行电压抑制，实现零电压关断；所述开关管截止后，所述缓冲电感充电，以在所述开关管导通时进行电流抑制，以实现零电流导通。
2.根据权利要求1所述的缓冲电路，其特征在于，用电负载，以及，所述Buck电路的滤波电感、滤波电容，共同等效为恒流源。
3.根据权利要求1所述的缓冲电路，其特征在于，还包括：储能电容、第一二极管、第二二极管；
所述缓冲电容的第二端通过所述第一二极管与所述开关管的第二端相连；其中，所述第一二极管的第一端与所述缓冲电容的第二端相连，所述第一二极管的第二端与所述开关管的第二端相连；
所述储能电容的第一端与所述第二二极管的第一端相连，所述储能电容的第二端与所述缓冲电感的第二端相连；
所述第二二极管的第二端与所述第一二极管的第一端相连。
4.根据权利要求3所述的缓冲电路，其特征在于，所述第一二极管的第一端和所述第二二极管的第一端均为阳极端；
所述第一二极管的第二端和所述第二二极管的第二端均为阴极端。
5.根据权利要求3所述的缓冲电路，其特征在于，还包括第三二极管；
所述第三二极管的第一端与所述续流二极管的阳极端相连；
所述第三二极管的第二端与所述储能电容的第一端相连。
6.根据权利要求5所述的缓冲电路，其特征在于，所述第三二极管的第一端为阳极端，所述第三二极管的第二端为阴极端。
7.根据权利要求1所述的缓冲电路，其特征在于，所述开关管包括IGBT器件。
8.根据权利要求1所述的缓冲电路，其特征在于，所述开关管包括P沟道器件。
9.根据权利要求8所述的缓冲电路，其特征在于，所述开关管的第一端为集电极；
所述开关管的第二端为发射极。
10.一种Buck电路，其特征在于，包括权利要求1-9任一项所述的缓冲电路。
11.一种开关变换器，其特征在于，包括权利要求10所述的Buck电路。
12.一种空调，其特征在于，包括权利要求11所述的开关变换器。
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| CN106329903A (zh) * | 2016-11-18 | 2017-01-11 | 郑州云海信息技术有限公司 | 一种用于Buck变换器的缓冲电路 |
| CN211127583U (zh) * | 2019-12-30 | 2020-07-28 | 武汉市整流器研究所 | 一种Buck电路 |
-
2020
- 2020-12-07 CN CN202011419030.8A patent/CN112688557A/zh active Pending
Patent Citations (4)
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