CN115694450A - 一种基于谐振电压检测的软开关电路 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于谐振电压检测的软开关电路，涉及软开关技术领域，包括：谐振采样电路，连接于开关场效应管的漏源两端，采样跟随漏源两端电压变化产生的正弦谐振电压波；比较器电路，用于根据正弦谐振电压与预设电压的大小生成相应的高/低电平信号；驱动控制电路，根据接收到的高/低电平信号生成相应的计时信号；控制芯片根据各计时信号预估目标时间并进行软开关控制。本发明基于正弦波对称的原理，通过三个时间点提前预估出谐振电压回升至高点比较电压的时间点，从而预估谐振电压过零点也即是端电压最小的时刻进行软开关控制，进一步降低了开关损耗。

Description

一种基于谐振电压检测的软开关电路

技术领域

本发明涉及软开关技术领域，具体涉及一种基于谐振电压检测的软开关电路。

背景技术

变换器为了减小开关损耗，常常采用软开关方式，软开关是指开关器件在开通前通过谐振电路先将端电压降至很小接近零，然后再发驱动开通开关器件，开关器件在开关过程中不存在电压和电流的交叠，降低了开关损耗。为了实现软开关，需要检测开关器件在导通前电压谐振到零的时刻，传统开关器件端电压检测电路通过比较端电压和设定参考值，当端电压低于电压阈值后，立刻给开关器件发送驱动信号。然而这种检测方法存在一定的滞后，难以在电压过零时及时进行软开关，因此仍存在一定开关器件损耗。

发明内容

为了进一步降低开关器件的损耗，提高软开关的精度，本发明提出了一种基于谐振电压检测的软开关电路，开关器件为开关场效应管，包括：

谐振采样电路，连接于开关场效应管的漏源两端，用于在开关场效应管由关断状态切换至打开状态过程中，采样跟随漏源两端电压变化产生的正弦谐振电压波；

比较器电路，用于正弦谐振电压处于上升状态并在高于第一预设电压和第二预设电压期间分别输出第一高电平信号和第二导高电平号，并在正弦谐振电压处于下降状态并在低于第二预设电压和第一预设电压时分别输出第二低电平信号和第一低电平信号；

驱动控制电路，用于接收到第一高电平信号时输出第一计时平信号，在接收到第二高电平信号时输出第二计时平信号，并在接收到第二低电平信号时输出第三计时信号，在接收到第一低电平信号时输出第四计时信号；

控制芯片，用于根据接收到第一计时信号、第二计时信号和第二计时信号的时间预估接收到第四计时信号的目标时间，并在到达目标时间时基于预设延时获取正弦谐振电压过零时间点，并输出驱动信号；

驱动器，用于在接收到驱动信号时控制场效应管导通。

进一步地，所述谐振电路包括由串联的第一电容和第三电阻组成的RC电路，其中：

RC电路的电容端通过第一电阻连接开关场效应管的漏极，RC电路的电阻端连接开关场效应管的源极；所述第一电容的两端并联有第二电阻，所述第三电阻的两端并联有第二电容。

进一步地，所述第一电阻为限流电阻，用于限制输入RC电路的电流大小；所述第二电阻为放电电阻，用于释放第一电容的储能电压；所述第二电容为高频滤波电容，用于滤除正弦谐振电压波中的高频信号。

进一步地，所述比较器电路包括负极输入端相连的第一比较器和第二比较器，其中：

第一比较器和第二比较器的负极输入端相连处连接至串联的第一电容和第三电阻之间，用于接收正弦谐振电压波；第一比较器的正极输入端接入第一预设电压，第一比较器的输出端用于输出第一高电平信号或第一低电平信号；第二比较器的正极输入端接入第二预设电压，第二比较器的输出端用于输出第二高电平信号或第二低电平信号。

进一步地，所述驱动控制电路包括第一驱动场效应管和第二驱动场效应管，其中：

第一驱动场效应管的栅极连接第一比较器的输出端，第一驱动场效应管的漏极输出第一计时信号或第四计时信号，并通过第四电阻接入驱动电压，第一驱动场效应管的源极连接至开关场效应管的源极；

第二驱动场效应管的栅极连接第二比较器的输出端，第二驱动场效应管的漏极输出第二计时信号或第三计时信号，并通过第五电阻接入驱动电压，第二驱动场效应管的源极连接至开关场效应管的源极。

进一步地，还包括电压保护电路，用于限制谐振采样电路输出电压的幅值，包括：

首末串联的第一二极管和第二二极管，第一二极管和第二二极管的连接处接入正弦谐振电压波，其中第一二极管负极接驱动电压正极，第二二极管的正极接驱动电压负极。

进一步地，所述目标时间通过如下公式获取：

t₄＝t₂+t₃-t₁

式中，t₄为目标时间，t₃为第三计时信号的接收时间，t₂为第二计时信号的接收时间，t₁为第一计时信号的接收时间。

与现有技术相比，本发明至少含有以下有益效果：

(1)本发明所述的一种基于谐振电压检测的软开关电路，通过RC电路感应开关器件的端电压变化并生成具有正弦特征的谐振电压波，在限流电阻较小的情况下，通过两个比较电压的设置，在检测端电压动态变化的同时，获取电压下降到相应电压的时间点，以及回升至低点比较电压的时间点，基于正弦波对称的原理，通过三个时间点提前预估出回升至高点比较电压的时间点，从而达到预估谐振电压过零点也即是端电压最小的时刻进行软开关控制，从而进一步降低开关损耗；

(2)能够自适应的根据市电电压频率的波动进行过零点时间的调整，因此适应性更强，不受波动干扰。

附图说明

图1为一种基于谐振电压检测的软开关电路的模块化示意图；

图2为软开关电路的电路连接示意图；

图3为电压波动变化示意图。

具体实施方式

以下是本发明的具体实施例并结合附图，对本发明的技术方案作进一步的描述，但本发明并不限于这些实施例。

实施例一

为了能够精准的在开关器件端电压达到最低值时进行软开关，降低开关损耗，如图1所示，本发明提出了一种基于谐振电压检测的软开关电路，开关器件为开关场效应管，包括：

谐振采样电路，连接于开关场效应管的漏源两端，用于在开关场效应管由关断状态切换至打开状态过程中，采样跟随漏源两端电压变化产生的正弦谐振电压波；

比较器电路，用于正弦谐振电压处于上升状态并在高于第一预设电压和第二预设电压期间分别输出第一高电平信号和第二导高电平号，并在正弦谐振电压处于下降状态并在低于第二预设电压和第一预设电压时分别输出第二低电平信号和第一低电平信号；

驱动控制电路，用于接收到第一高电平信号时输出第一计时平信号，在接收到第二高电平信号时输出第二计时平信号，并在接收到第二低电平信号时输出第三计时信号，在接收到第一低电平信号时输出第四计时信号；

控制芯片，用于根据接收到第一计时信号、第二计时信号和第二计时信号的时间预估接收到第四计时信号的目标时间，并在到达目标时间时基于预设延时获取正弦谐振电压过零时间点，并输出驱动信号；

驱动器，用于在接收到驱动信号时控制场效应管导通。

考虑到市电的电压频率可能会存在一定的波动性，并不能总是保持相同的频率，因此如果采用传统的端电压与设定参考值的比较进行软开关控制，可能会存在一定的偏差。因此，为了降低由此带来的预估偏差，同时进一步提高软开关控制的自适应能力，本发明提出了另一种软开关判定方式，也即是基于感应正弦谐振电压的过零点提前预测。假设开关器件两端的电压频率为余弦波，那么通过感应端电压的变化形成相应的正弦波，那么正弦波上升段的过零点时刻即为余弦波的电压最低点。所以，只要预测出正弦波的过零点时刻，就能实现开关器件的精准软开关控制。

而在本发明中，是采用谐振采样电路中的RC电路实现的感应电压(也即是基于正弦谐振电压波生成的余弦电压波)生成，具体地，如图2所示，RC电路由串联的第一电容C1和第三电阻R3组成，其中：

RC电路的电容端通过第一电阻R1连接开关场效应管的漏极(通过1号引脚连接)，RC电路的电阻端连接开关场效应管的源极(通过2号引脚连接)；所述第一电容的两端并联有第二电阻R2，所述第三电阻的两端并联有第二电容C2。

其中，第一电阻为限流电阻，用于限制流入RC电路的电流大小，避免电流过大导致的电子元器件击穿；RC电路用于根据开关场效应管漏极和源极两端的电压变化产生感应电压；第二电容是用于滤除电压信号中的高频信号，使得感应生成的正弦谐振电压波不会因为不规则的波动，导致时间点的错误判断；而并联的第二电阻则是用于释放第一电容的储能，并与第三电阻一起分压以保证稳态分压。

而在感应生成正弦谐振电压后，则是通过比较器电路进行电压大小的判比，具体地，如图2所示，其包括负极输入端相连的第一比较器U1和第二比较器U2，其中：

第一比较器和第二比较器的负极输入端相连处连接至串联的第一电容和第三电阻之间，用于接收正弦谐振电压波；第一比较器的正极输入端接入第一预设电压V₁，第一比较器的输出端用于输出第一高电平信号或第一低电平信号；第二比较器的正极输入端接入第二预设电压V₂，第二比较器的输出端用于输出第二高电平信号或第二低电平信号。

产生的高/低电平信号则被后续的驱动控制电路接收，如图2所示，驱动控制电路包括第一驱动场效应管S1和第二驱动场效应管S2，其中：

第一驱动场效应管的栅极连接第一比较器的输出端，第一驱动场效应管的漏极输出第一计时信号或第四计时信号(通过3号引脚输出)，并通过第四电阻R4接入驱动电压VCC，第一驱动场效应管的源极连接至开关场效应管的源极；

第二驱动场效应管的栅极连接第二比较器的输出端，第二驱动场效应管的漏极输出第二计时信号或第三计时信号(通过4号引脚输出)，并通过第五电阻R5接入驱动电压VCC，第二驱动场效应管的源极连接至开关场效应管的源极。

同时，为了限制谐振采样电路输出电压的幅值，避免超出比较器的输入范围，还包括电压保护电路，含有：

首末串联的第一二极管D1和第二二极管D2，第一二极管和第二二极管的连接处接入正弦谐振电压波，其中第一二极管负极接驱动电压正极VCC+，第二二极管的正极接驱动电压负极VCC-。

接下来对本发明各信号的传递与产生流程进行说明，如图3所示，实现Vds为开关器件漏极和源极两端(也即是1号引脚和2号引脚)电压的电压变化曲线，虚线V_RC为R1、R2、R3、C1和C2所组成的谐振采样电路输出的正弦谐振电压波。在t0时刻管压Vds开始下降，V_RC基于感应电势也开始下降，当t1时刻，电压V_RC低于V1电压时，U1输出第一高电平信号，使第一驱动场效应管S1导通，3号引脚输出为低电平，被控制芯片识别为第一计时信号。当t2时刻，电压V_RC低于V2电压时，U2输出第二高电平信号，使第二驱动场效应管S2导通，4号引脚输出为低电平，被控制芯片识别为第二计时信号。当t3时刻，电压V_RC回升并高于V2电压时，U2输出第二低电平信号，使第二驱动场效应管恢复关断状态，此时4号引脚输出为高电平，被控制芯片识别为第三计时信号。当t4时刻，电压V_RC回升并高于V1电压时，U1输出第一低电平信号，使第一驱动场效应管恢复关断状态，此时3号引脚输出为高电平，被控制芯片识别为第四计时信号。

由于正弦波具有对称性，而计时信号都是基于第一预设电压或第二预设电压产生的，因此当连续获得了第一计时信号、第二计时信号和第三计时信号的接收时间点后，就可以准确的预测出第四计时信号的时间点(也即是目标时间)。具体公式如下：

t₄＝t₂+t₃-t₁

式中，t₄为目标时间，t₃为第三计时信号的接收时间，t₂为第二计时信号的接收时间，t₁为第一计时信号的接收时间。

一般来说，V1越接近0，t4也越接近t5(Vds最低点时刻)，但是由于管压正常波动会引入很多的干扰信号，采用V2比较电平，能够区分是否出发了开关器件两端电压的谐振。根据t2-t1＝t4-t3，当t3到达时，能够提早估算t4时刻：t4＝t2+t3-t1，由于t4和t5非常接近，时间差可忽略，因此，通过提前估算t4时刻，并且考虑采样及驱动电路及驱动响应带来的延时td(也即是预设延时)，可以在t4-td时刻发出开通开关器件驱动信号，以实现开关器件在谐振电压最低点开通，也即是开关器件的软开关。

综上所述，本发明所述的一种基于谐振电压检测的软开关电路，通过RC电路感应开关器件的端电压变化并生成具有正弦特征的谐振电压波，在限流电阻较小的情况下，通过两个比较电压的设置，在检测端电压动态变化的同时，获取电压下降到相应电压的时间点，以及回升至低点比较电压的时间点，基于正弦波对称的原理，通过三个时间点提前预估出回升至高点比较电压的时间点，从而达到预估谐振电压过零点也即是端电压最小的时刻进行软开关控制，从而进一步降低开关损耗。能够自适应的根据市电电压频率的波动进行过零点时间的调整，因此适应性更强，不受波动干扰。

需要说明，本发明实施例中所有方向性指示(诸如上、下、左、右、前、后……)仅用于解释在某一特定姿态(如附图所示)下各部件之间的相对位置关系、运动情况等，如果该特定姿态发生改变时，则该方向性指示也相应地随之改变。

另外，在本发明中如涉及“第一”、“第二”、“一”等的描述仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示其相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“连接”、“固定”等应做广义理解，例如，“固定”可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系，除非另有明确的限定。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

另外，本发明各个实施例之间的技术方案可以相互结合，但是必须是以本领域普通技术人员能够实现为基础，当技术方案的结合出现相互矛盾或无法实现时应当认为这种技术方案的结合不存在，也不在本发明要求的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种基于谐振电压检测的软开关电路，其特征在于，开关器件为开关场效应管，包括：

谐振采样电路，连接于开关场效应管的漏源两端，用于在开关场效应管由关断状态切换至打开状态过程中，采样跟随漏源两端电压变化产生的正弦谐振电压波；

比较器电路，用于正弦谐振电压处于上升状态并在高于第一预设电压和第二预设电压期间分别输出第一高电平信号和第二导高电平号，并在正弦谐振电压处于下降状态并在低于第二预设电压和第一预设电压时分别输出第二低电平信号和第一低电平信号；

驱动控制电路，用于接收到第一高电平信号时输出第一计时平信号，在接收到第二高电平信号时输出第二计时平信号，并在接收到第二低电平信号时输出第三计时信号，在接收到第一低电平信号时输出第四计时信号；

控制芯片，用于根据接收到第一计时信号、第二计时信号和第二计时信号的时间预估接收到第四计时信号的目标时间，并在到达目标时间时基于预设延时获取正弦谐振电压过零时间点，并输出驱动信号；

驱动器，用于在接收到驱动信号时控制场效应管导通。

2.如权利要求1所述的一种基于谐振电压检测的软开关电路，其特征在于，所述谐振电路包括由串联的第一电容和第三电阻组成的RC电路，其中：

RC电路的电容端通过第一电阻连接开关场效应管的漏极，RC电路的电阻端连接开关场效应管的源极；所述第一电容的两端并联有第二电阻，所述第三电阻的两端并联有第二电容。

3.如权利要求2所述的一种基于谐振电压检测的软开关电路，其特征在于，所述第一电阻为限流电阻，用于限制输入RC电路的电流大小；所述第二电阻为放电电阻，用于释放第一电容的储能电压；所述第二电容为高频滤波电容，用于滤除正弦谐振电压波中的高频信号。

4.如权利要求2所述的一种基于谐振电压检测的软开关电路，其特征在于，所述比较器电路包括负极输入端相连的第一比较器和第二比较器，其中：

第一比较器和第二比较器的负极输入端相连处连接至串联的第一电容和第三电阻之间，用于接收正弦谐振电压波；第一比较器的正极输入端接入第一预设电压，第一比较器的输出端用于输出第一高电平信号或第一低电平信号；第二比较器的正极输入端接入第二预设电压，第二比较器的输出端用于输出第二高电平信号或第二低电平信号。

5.如权利要求4所述的一种基于谐振电压检测的软开关电路，其特征在于，所述驱动控制电路包括第一驱动场效应管和第二驱动场效应管，其中：

第一驱动场效应管的栅极连接第一比较器的输出端，第一驱动场效应管的漏极输出第一计时信号或第四计时信号，并通过第四电阻接入驱动电压，第一驱动场效应管的源极连接至开关场效应管的源极；

第二驱动场效应管的栅极连接第二比较器的输出端，第二驱动场效应管的漏极输出第二计时信号或第三计时信号，并通过第五电阻接入驱动电压，第二驱动场效应管的源极连接至开关场效应管的源极。

6.如权利要求1所述的一种基于谐振电压检测的软开关电路，其特征在于，还包括电压保护电路，用于限制谐振采样电路输出电压的幅值，包括：

首末串联的第一二极管和第二二极管，第一二极管和第二二极管的连接处接入正弦谐振电压波，其中第一二极管负极接驱动电压正极，第二二极管的正极接驱动电压负极。

7.如权利要求1所述的一种基于谐振电压检测的软开关电路，其特征在于，所述目标时间通过如下公式获取：

t₄＝t₂+t₃-t₁

式中，t₄为目标时间，t₃为第三计时信号的接收时间，t₂为第二计时信号的接收时间，t₁为第一计时信号的接收时间。

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