CN112994473B - 一种高压buck软开关电路及控制方法 - Google Patents

一种高压buck软开关电路及控制方法 Download PDF

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Abstract

本申请涉及一种高压BUCK软开关电路及控制方法，该电路包括第一开关Q1、第一二极管、第一电感、第一电容和软启动控制单元，第一开关Q1的两端分别用于与电源正极和第一二极管的负极相连，第一二极管的负极用于与电源负极相连；第一电感的一端用于与负载相连，另一端连于第一电容，第一电容与第一电源的负极相连；软启动控制单元包括第二开关Q2、第二电感和第二电容，第二开关Q2的一端与第二电源的正极相连，另一端连于第二电感，第二电感作为第一电感的辅助绕组与第一电感耦合，第二电感远离第二开关Q2的一端连于第二电源的负极，第二电容的两端分别连于第二电源的正极和负极。本申请具有降低开关损耗，提高功率密度的效果。

Description

一种高压BUCK软开关电路及控制方法
技术领域
本申请涉及开关电路的领域，尤其是涉及一种高压BUCK软开关电路及控制方法。
背景技术
高压DC/DC模块在实际中需求较多。根据功率大小实现方案一般有反激、正激以及桥式电路等拓扑实现。在中功率范围内，采用BUCK加固定50%占空的隔离电路，可以很好的满足输入高压以及宽范围的应用要求。高压BUCK采用二极管整流方式的电路，其电路难以实现软开关，主功率管开关损坏大，效率难以提升；BUCK采用同步整流的在满载输出时，主功率管仍实现不了软开关，此种电路为了实现软开关，一般将电感的感量降低，确保在满载输出的时候，电感电流存在反向，实现主功率管的软开关，但是这种方案会导致电感上的铜损以及铁损都会增加，效率同样不高。
发明内容
由于BUCK电路很难实现软开关，在高压输入情形下，功率损耗大，阻止效率的提升。本申请提供一种高压BUCK软开关电路及控制方法，旨在解决中小功率高DC/DC高效高功率密度问题，降低开关损耗，提高功率密度。
第一方面，本申请提供的一种高压BUCK软开关电路，采用如下的技术方案：
一种高压BUCK软开关电路，包括第一开关Q1、第一二极管D1、第一电感L1、第一电容C1和软启动控制单元，所述第一开关Q1的一端作为软开关电路的输入端用于与第一电源的正极相连，另一端连于第一二极管D1的负极，第一二极管D1的正极用于与第一电源的负极相连；第一电感L1的一端连于第一开关Q1远离第一电源的一端，另一端作为软开关电路的输出端用于与负载相连并连于第一电容C1，第一电容C1远离第一电感L1的一端用于与第一电源的负极相连；所述第一开关Q1上设置有用于接收信号以控制第一开关Q1通断的第一激发端；
所述软启动控制单元包括第二开关Q2、第二电感L2和第二电容C2，所述第二开关Q2的一端与第二电源的正极相连，另一端连于第二电感L2的第一接入端，所述第二电感L2作为第一电感L1的辅助绕组与第一电感L1耦合，所述第二电感L2的第二接入端连于第二电源的负极，所述第二电容C2的两端分别连于第二电源的正极和负极；所述第二开关Q2上设置有用于接收信号以控制第二开关Q2通断的第二激发端；其中，第一接入端为第二电感L2相对于第一电感L1耦接于第一电源正极的一端的异名端，第二接入端为第二电感L2相对于第一电感L1耦接于第一电源正极的一端的同名端。
通过采用上述技术方案，当第一开关Q1的一端连接于直流电源正极时，第一开关Q1在进行周期性关断，将与第一二极管D1配合输出一个脉冲信号，也就是说，直流电源、第一二极管D1和第一开关Q1相当于一个脉冲波形的主功率电源输出，且高电压幅值确定。通过对第一开关Q1开启时长和频率的调整，将主功率电源的输出调整至DCM模式。
传统BUCK电路的辅助整流方式由二极管完成，在本申请中，第一电感L1作为输出电感，耦合有作为辅助绕组的第二电感L2，从而将辅助整流方式改成了同步整流方式。在第一开关Q1打开之前，先打开第二开关Q2，使得软启动控制单元导通固定时间，使得第二电感L2开始充能。待第二开关Q2关闭之后，第二电感L2的能量反激至第一电感L1，导通第一二极管D1，实现软开关开通。
对于BUCK电路来说，BUCK电感工作在单向磁化状态，磁芯一般有三大类：工字型磁芯、带气隙的EI磁芯、低u磁环。这三种磁性材料有一个共同特点，就是不容易产生磁饱合。BUCK电感发生磁饱合是很危险的，磁饱合状态下，磁芯的磁导率迅速下降，电感量将成比例下降，瞬间流过很大的电流，可导致输出电压升高。好在DC-DC拥有灵敏的电压反馈环路及过流过热保护功能，能讯速调整占空比，或令开关复位，输出电压不会比设定值高出太多，也不会烧毁开关管。电感的损耗分铜损和铁损。铜损是电流流过电感线圈产生的欧姆热，铁损主要有涡流损耗和磁滞损耗。在本方案中，因为第一电感L1的充能主要来源于第二电感L2L2的反激，而不是主功率的直接充能，因此产生的铜损铁损少。通过实现高压输入BUCK电路软开关，提升了开关的工作频率，进一步降低变换器的体积和重量。
优选的，所述第一开关Q1为NMOS管，所述第一开关Q1的栅极为所述第一激发端，漏极为软开关电路的输入端，源极连于第一二极管D1；所述第二开关Q2为NMOS管，所述第二开关Q2的栅极为所述第二激发端，漏极与第二电源的正极相连，源极与第二电感L2相连。
优选的，所述第一开关Q1为PMOS管，所述第一开关Q1的栅极为所述第一激发端，源极为软开关电路的输入端，漏极连于第一二极管D1；所述第二开关Q2为PMOS管，所述第二开关Q2的栅极为所述第二激发端，源极与第二电源的正极相连，漏极与第二电感L2相连。
优选的，所述第一开关Q1为NMOS管，所述第一开关Q1的栅极为第一激发端，所述漏极为软开关电路的输入端，所述源极连于第一二极管D1；所述第二开关Q2为PMOS管，所述第二开关Q2的栅极为第二激发端，所述源极与第二电源的正极相连，所述漏极与第二电感L2相连。
优选的，所述第一电容C1为电解电容，第一电容C1的正极连于第一电感L1，第一电容C1的负极连于第一二极管D1的正极。
通过采用上述技术方案，当第一激发端接收到第一控制信号时，第一开关Q1导通。当第二激发端接收到第一控制信号时，第二开关Q2导通。
优选的，所述第一电容C1为电解电容，第一电容C1的正极连于第一电感L1，第一电容C1的负极连于第一二极管D1的正极。
通过采用上述技术方案，电解电容具有较高的容量，在放电时能够产生更大的电压。
第二方面，本申请提供的一种高压BUCK软开关电路的控制方法，采用如下的技术方案：
一种高压BUCK软开关电路的控制方法，用于上述的高压BUCK软开关电路，包括以下步骤：
S1.向第二激发端周期发送具有第二脉宽的第二控制信号，以导通第二开关Q2，其中，第二电感L2在第二开关Q2的导通过程中充电；
S2.向第一激发端周期发送具有第一脉宽的第一控制信号，以导通第一开关Q1，其中，第一控制信号和第二控制信号同周期发送，且在每个周期中，第一控制信号和第二控制信号间隔发送且第一控制信号位于第二控制信号之后。
优选的，在前一周期的第一控制信号的结束时刻到后一周期的第二控制信号的开始时刻的时间长度占周期长度的一半以上。
附图说明
图1是本申请实施例中一种高压BUCK软开关电路的电路图。
图2是本申请实施例中电路脉冲和电流的示意图。
具体实施方式
以下结合附图1-2，对本申请作进一步详细说明。
本申请实施例公开一种高压BUCK软开关电路。参照图1，该高压BUCK软开关电路包括第一开关Q1、第一二极管D1、第一电感L1、第一电容C1和软启动控制单元，第一开关Q1的一端为软开关电路的输入端，用于与第一电源的正极相连，第一电源为直流供电电源。第一开关Q1远离第一电源的一端连于第一二极管D1的负极，第一二极管D1的正极用于与第一电源的负极相连。第一开关Q1上设置有用于接收信号以控制第一开关Q1通断的第一激发端，当第一开关Q1在进行周期性关断，将与第一二极管D1配合输出一个脉冲信号，也就是说，第一电源、第一二极管D1和第一开关Q1相当于一个脉冲波形的主功率电源输出，且高电压幅值确定。通过对第一开关Q1开启时长和频率的调整，将主功率电源的输出调整至DCM模式。
第一电感L1的一端连于第一开关Q1远离第一电源的一端，另一端连于第一电容C1的正极并作为软开关电路的输出端，用于与负载相连。第一电容C1远离第一电感L1的一端用于与第一电源的负极相连。在本实施例中，第一电容C1为电解电容，第一电容C1的正极连于第一电感L1，第一电容C1的负极连于第一二极管D1的正极。电解电容具有较高的容量，在放电时能够产生更大的电压。
软启动控制单元包括第二开关Q2、第二电感L2和第二电容C2，第二开关Q2的一端与第二电源的正极相连，另一端连于第二电感L2，第二电感L2作为第一电感L1的辅助绕组与第一电感L1耦合，第二电感L2远离第二开关Q2的一端连于第二电源的负极，第二电容C2的两端分别连于第二电源的正极和负极；第二开关Q2上设置有用于接收信号以控制第二开关Q2通断的第二激发端。
在本实施例中，第一开关Q1为NMOS管，第一开关Q1的栅极为第一激发端，漏极为软开关电路的输入端，源极连于第一二极管D1；第二开关Q2为NMOS管，第二开关Q2的栅极为第二激发端，漏极与第二电源的正极相连，源极与第二电感L2相连。
在另一实施例中，第一开关Q1为PMOS管，第一开关Q1的栅极为第一激发端，源极为软开关电路的输入端，漏极连于第一二极管D1；第二开关Q2为PMOS管，第二开关Q2的栅极为第二激发端，源极与第二电源的正极相连，漏极与第二电感L2相连。
在另一实施例中，第一开关Q1为PMOS管，第一开关Q1的栅极为第一激发端，源极为软开关电路的输入端，漏极连于第一二极管D1；第二开关Q2为NMOS管，第二开关Q2的栅极为第二激发端，漏极与第二电源的正极相连，源极与第二电感L2相连。
在另一实施例中，第一开关Q1为NMOS管，第一开关Q1的栅极为第一激发端，漏极为软开关电路的输入端，源极连于第一二极管D1；第二开关Q2为PMOS管，第二开关Q2的栅极为第二激发端，源极与第二电源的正极相连，漏极与第二电感L2相连。
本申请实施例公开还公开了一种高压BUCK软开关电路的控制方法，用于上述的高压BUCK软开关电路，参照图2，包括以下步骤：
S1.向第二激发端周期发送具有第二脉宽的第二控制信号，以导通第二开关Q2，其中，第二电感L2在第二开关Q2的导通过程中充电；
S2.向第一激发端周期发送具有第一脉宽的第一控制信号，以导通第一开关Q1，其中，第一控制信号和第二控制信号同周期发送，且在每个周期中，第一控制信号和第二控制信号间隔发送且第一控制信号位于第二控制信号之后。
在前一周期的第一控制信号的结束时刻到后一周期的第二控制信号的开始时刻的时间长度占周期长度的一半以上。
在第一开关Q1打开之前，先打开第二开关Q2，使得软启动控制单元导通固定时间，使得第二电感L2开始充能。待第二开关Q2关闭之后，第二电感L2的能量反激至第一电感L1，导通第一二极管D1，实现软开关开通。通过实现高压输入BUCK电路软开关，提升了开关的工作频率，进一步降低变换器的体积和重量。
以上均为本申请的较佳实施例，并非依此限制本申请的保护范围，故：凡依本申请的结构、形状、原理所做的等效变化，均应涵盖于本申请的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种高压BUCK软开关电路，其特征在于，包括第一开关Q1、第一二极管D1、第一电感L1、第一电容C1和软启动控制单元，所述第一开关Q1的一端作为软开关电路的输入端用于与第一电源的正极相连，另一端连于第一二极管D1的负极，第一二极管D1的正极用于与第一电源的负极相连；第一电感L1的一端连于第一开关Q1远离第一电源的一端，另一端作为软开关电路的输出端用于与负载相连并连于第一电容C1，第一电容C1远离第一电感L1的一端用于与第一电源的负极相连；所述第一开关Q1上设置有用于接收信号以控制第一开关Q1通断的第一激发端；
所述软启动控制单元包括第二开关Q2、第二电感L2和第二电容C2，所述第二开关Q2的一端与第二电源的正极相连，另一端连于第二电感L2的第一接入端，所述第二电感L2作为第一电感L1的辅助绕组与第一电感L1耦合，所述第二电感L2的第二接入端连于第二电源的负极，所述第二电容C2的两端分别连于第二电源的正极和负极；所述第二开关Q2上设置有用于接收信号以控制第二开关Q2通断的第二激发端；其中，第一接入端为第二电感L2相对于第一电感L1耦接于第一电源正极的一端的异名端，第二接入端为第二电感L2相对于第一电感L1耦接于第一电源正极的一端的同名端；
在使用时，采用以下控制方法：
S1.向第二激发端周期发送具有第二脉宽的第二控制信号，以导通第二开关Q2，其中，第二电感L2在第二开关Q2的导通过程中充电；
S2.向第一激发端周期发送具有第一脉宽的第一控制信号，以导通第一开关Q1，其中，第一控制信号和第二控制信号同周期发送，且在每个周期中，第一控制信号和第二控制信号间隔发送且第一控制信号位于第二控制信号之后，在前一周期的第一控制信号的结束时刻到后一周期的第二控制信号的开始时刻的时间长度占周期长度的一半以上。
2.根据权利要求1所述的高压BUCK软开关电路，其特征在于，所述第一开关Q1为NMOS管，所述第一开关Q1的栅极为所述第一激发端，漏极为软开关电路的输入端，源极连于第一二极管D1；所述第二开关Q2为NMOS管，所述第二开关Q2的栅极为所述第二激发端，漏极与第二电源的正极相连，源极与第二电感L2相连。
3.根据权利要求1所述的高压BUCK软开关电路，其特征在于，所述第一开关Q1为PMOS管，所述第一开关Q1的栅极为所述第一激发端，源极为软开关电路的输入端，漏极连于第一二极管D1；所述第二开关Q2为PMOS管，所述第二开关Q2的栅极为所述第二激发端，源极与第二电源的正极相连，漏极与第二电感L2相连。
4.根据权利要求1所述的高压BUCK软开关电路，其特征在于，所述第一开关Q1为PMOS管，所述第一开关Q1的栅极为第一激发端，源极为软开关电路的输入端，漏极连于第一二极管D1；所述第二开关Q2为NMOS管，所述第二开关Q2的栅极为第二激发端，漏极与第二电源的正极相连，源极与第二电感L2相连。
5.根据权利要求1所述的高压BUCK软开关电路，其特征在于，所述第一开关Q1为NMOS管，所述第一开关Q1的栅极为第一激发端，漏极为软开关电路的输入端，源极连于第一二极管D1；所述第二开关Q2为PMOS管，所述第二开关Q2的栅极为第二激发端，源极与第二电源的正极相连，漏极与第二电感L2相连。
6.根据权利要求1所述的高压BUCK软开关电路，其特征在于，所述第一电容C1为电解电容，第一电容C1的正极连于第一电感L1，第一电容C1的负极连于第一二极管D1的正极。
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