CN116207989A - 直流-直流转换器及其控制方法 - Google Patents

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Abstract

本申请提供一种直流‑直流转换器及其控制方法。该直流‑直流转换器包括功率级电路及软开关电路。功率级电路包括第一功率开关、第二功率开关、滤波电感和滤波电容，第一功率开关和第二功率开关具有控制端、第一端和第二端，第一功率开关的第二端和第二功率开关的第一端均连接至开关节点，第二功率开关的第二端连接至地。软开关电路包括第一辅助开关、第二辅助开关、第三辅助开关和辅助电感，第一辅助开关的两端分别连接电荷源和辅助开关节点，第二辅助开关的两端分别连接辅助开关节点和地，第三辅助开关与辅助电感并联，第三辅助开关的两端分别连接辅助开关节点和开关节点。本申请能够提高直流‑直流转换器的转换效率。

Description

直流-直流转换器及其控制方法
技术领域
本申请涉及转换器技术领域，尤其涉及一种直流-直流转换器及其控制方法。
背景技术
现有的直流-直流转换器通常工作在硬开关模式。由于开关节点存在较大的寄生电容，功率开关在死区时间内对寄生电容充电产生的开关损耗严重限制了系统转换效率。
以一种降压型直流-直流转换器为例，如图1所示，滤波电感L和滤波电容C组成滤波电路，第一功率开关Q1的两端分别连接输入电压VIN和开关节点SW，第二功率开关Q2的两端分别连接开关节点SW和地GND，在开关节点SW的等效寄生电容为CSW。每个开关周期内，第一功率开关Q1在死区时间内对寄生电容CSW充电产生的开关损耗为0.5CSWVIN 2，严重限制了直流-直流转换器的转换效率。
发明内容
本申请的目的在于提供一种直流-直流转换器及其控制方法，能够提高直流-直流转换器的转换效率。
本申请的一个方面提供一种直流-直流转换器。所述直流-直流转换器包括功率级电路及软开关电路。所述功率级电路包括第一功率开关、第二功率开关、滤波电感和滤波电容，所述第一功率开关和所述第二功率开关具有控制端、第一端和第二端，所述第一功率开关的第二端和所述第二功率开关的第一端均连接至开关节点，所述第二功率开关的第二端连接至地。所述软开关电路包括第一辅助开关、第二辅助开关、第三辅助开关和辅助电感，所述第一辅助开关的两端分别连接电荷源和辅助开关节点，所述第二辅助开关的两端分别连接所述辅助开关节点和地，所述第三辅助开关与所述辅助电感并联，所述第三辅助开关的两端分别连接所述辅助开关节点和所述开关节点。
进一步地，所述功率级电路为降压型电路，所述第一功率开关的第一端连接输入电压，所述滤波电感的两端分别连接所述开关节点与输出电压，所述滤波电容的两端分别连接所述输出电压与地；所述第一辅助开关所连接的所述电荷源包括所述输入电压。
进一步地，所述第二辅助开关由连接地变为连接所述输出电压。
进一步地，所述功率级电路为升压型电路，所述第一功率开关的第一端连接输出电压，所述滤波电感的两端分别连接输入电压和所述开关节点，所述滤波电容的两端分别连接所述输出电压和地；所述第一辅助开关所连接的所述电荷源包括所述输入电压或所述输出电压。
进一步地，所述功率级电路为升降压型电路，所述第一功率开关的第一端连接输入电压，所述功率级电路还包括第三功率开关和第四功率开关，所述第三功率开关和所述第四功率开关具有控制端、第一端和第二端，所述第三功率开关的第二端和所述第四功率开关的第一端均连接至第二开关节点，所述第四功率开关的第二端连接至地，所述滤波电感的两端分别连接所述开关节点和所述第二开关节点，所述滤波电容的两端分别连接输出电压和地；所述第一辅助开关所连接的所述电荷源包括所述输入电压或所述输出电压。
进一步地，在所述第一功率开关导通前的死区时间内，所述第一功率开关和所述第二功率开关均关断，所述第一辅助开关导通，所述第二辅助开关和所述第三辅助开关关断，所述辅助电感充磁。
进一步地，当所述开关节点的电压上升至使得所述第一功率开关的第一端和第二端的电压相同时，所述第一功率开关零电压导通，所述第一辅助开关和所述第三辅助开关关断，所述第二辅助开关导通，所述辅助电感去磁。
进一步地，在所述第一辅助开关和所述第二辅助开关之间设置死区时间以避免所述第一辅助开关和所述第二辅助开关同时导通。
进一步地，当所述辅助电感的电流下降至零时，所述第一辅助开关和所述第二辅助开关断开，所述第三辅助开关导通。
进一步地，在所述第二辅助开关和所述第三辅助开关之间设置死区时间以避免所述第二辅助开关和所述第三辅助开关同时导通。
进一步地，所述直流-直流转换器还包括第二软开关电路。所述第二软开关电路包括第四辅助开关、第五辅助开关、第六辅助开关和第二辅助电感，所述第四辅助开关的一端连接所述输入电压或所述输出电压，所述第四辅助开关的另一端连接第二辅助开关节点，所述第五辅助开关的两端分别连接所述第二辅助开关节点与地，所述第六辅助开关与所述第二辅助电感并联，所述第六辅助开关的两端分别连接所述第二辅助开关节点和所述第二开关节点。
进一步地，在所述第一功率开关导通前的死区时间内，所述第一功率开关和所述第二功率开关均关断，所述第一辅助开关导通，所述第二辅助开关和所述第三辅助开关关断，所述辅助电感充磁；在所述第三功率开关导通前的死区时间内，所述第三功率开关和所述第四功率开关均关断，所述第四辅助开关导通，所述第五辅助开关和所述第六辅助开关关断，所述第二辅助电感充磁。
进一步地，当所述开关节点的电压上升至所述输入电压时，所述第一功率开关零电压导通，所述第一辅助开关和所述第三辅助开关关断，所述第二辅助开关导通，所述辅助电感去磁；当所述第二开关节点的电压上升至所述输出电压时，所述第三功率开关零电压导通，所述第四辅助开关和所述第六辅助开关关断，所述第五辅助开关导通，所述第二辅助电感去磁。
进一步地，当所述辅助电感的电流下降至零时，所述第一辅助开关和所述第二辅助开关断开，所述第三辅助开关导通；当所述第二辅助电感的电流下降至零时，所述第四辅助开关和所述第五辅助开关断开，所述第六辅助开关导通。
本申请的另一个方面提供一种直流-直流转换器的控制方法。所述直流-直流转换器包括功率级电路，所述功率级电路包括第一功率开关、第二功率开关、滤波电感和滤波电容，所述第一功率开关和所述第二功率开关具有控制端、第一端和第二端，所述第一功率开关的第二端和所述第二功率开关的第一端均连接至开关节点，所述第二功率开关的第二端连接至地。所述直流-直流转换器还包括软开关电路，所述软开关电路包括第一辅助开关、第二辅助开关、第三辅助开关和辅助电感，所述第一辅助开关的两端分别连接电荷源和辅助开关节点，所述第二辅助开关的两端分别连接所述辅助开关节点和地，所述第三辅助开关与所述辅助电感并联，所述第三辅助开关的两端分别连接所述辅助开关节点和所述开关节点。所述控制方法包括：在所述第一功率开关导通前的死区时间内，控制所述第一辅助开关导通，所述第二辅助开关和所述第三辅助开关关断，所述辅助电感充磁。
进一步地，所述控制方法还包括：当所述开关节点的电压上升至使得所述第一功率开关的第一端和第二端的电压相同时，控制所述第一功率开关零电压导通，并控制所述第一辅助开关和所述第三辅助开关关断，所述第二辅助开关导通，所述辅助电感去磁。
进一步地，所述控制方法还包括：当所述辅助电感的电流下降至零时，控制第一辅助开关和所述第二辅助开关断开，所述第三辅助开关导通。
进一步地，所述功率级电路为降压型电路，所述第一功率开关的第一端连接输入电压，所述滤波电感的两端分别连接所述开关节点与输出电压，所述滤波电容的两端分别连接所述输出电压与地；所述第一辅助开关所连接的所述电荷源包括所述输入电压，其中，所述当所述开关节点的电压上升至使得所述第一功率开关的第一端和第二端的电压相同时，控制所述第一功率开关零电压导通包括：当所述开关节点的电压上升至所述输入电压时，控制所述第一功率开关零电压导通。
进一步地，所述功率级电路为降压型电路，所述第一功率开关的第一端连接输入电压，所述滤波电感的两端分别连接所述开关节点与输出电压，所述滤波电容的两端分别连接所述输出电压与地；所述第一辅助开关所连接的所述电荷源包括所述输入电压；所述第二辅助开关由连接地变为连接所述输出电压。
进一步地，所述功率级电路为升压型电路，所述第一功率开关的第一端连接输出电压，所述滤波电感的两端分别连接输入电压和所述开关节点，所述滤波电容的两端分别连接所述输出电压和地；所述第一辅助开关所连接的所述电荷源包括所述输入电压或所述输出电压，其中，所述当所述开关节点的电压上升至使得所述第一功率开关的第一端和第二端的电压相同时，控制所述第一功率开关零电压导通包括：当所述开关节点的电压上升至所述输出电压时，控制所述第一功率开关零电压导通。
进一步地，所述功率级电路为升降压型电路，所述第一功率开关的第一端连接输入电压，所述功率级电路还包括第三功率开关和第四功率开关，所述第三功率开关和所述第四功率开关具有控制端、第一端和第二端，所述第三功率开关的第二端和所述第四功率开关的第一端均连接至第二开关节点，所述第四功率开关的第二端连接至地，所述滤波电感的两端分别连接所述开关节点和所述第二开关节点，所述滤波电容的两端分别连接输出电压和地；所述第一辅助开关的一端所连接的所述电荷源包括所述输入电压或所述输出电压；所述直流-直流转换器还包括第二软开关电路，所述第二软开关电路包括第四辅助开关、第五辅助开关、第六辅助开关和第二辅助电感，所述第四辅助开关的一端连接所述输入电压或所述输出电压，所述第四辅助开关的另一端连接第二辅助开关节点，所述第五辅助开关的两端分别连接所述第二辅助开关节点与地，所述第六辅助开关与所述第二辅助电感并联，所述第六辅助开关的两端分别连接所述第二辅助开关节点和所述第二开关节点，其中，所述控制方法还包括：在所述第三功率开关导通前的死区时间内，控制所述第四辅助开关导通，并控制所述第五辅助开关和所述第六辅助开关关断，所述第二辅助电感充磁。
进一步地，所述控制方法还包括：当所述开关节点的电压上升至所述输入电压时，控制所述第一功率开关零电压导通，并控制所述第一辅助开关和所述第三辅助开关关断，所述第二辅助开关导通，所述辅助电感去磁；及当所述第二开关节点的电压上升至所述输出电压时，控制所述第三功率开关零电压导通，并控制所述第四辅助开关和所述第六辅助开关关断，所述第五辅助开关导通，所述第二辅助电感去磁。
进一步地，所述控制方法还包括：当所述辅助电感的电流下降至零时，控制所述第一辅助开关和所述第二辅助开关断开，所述第三辅助开关导通；及当所述第二辅助电感的电流下降至零时，控制所述第四辅助开关和所述第五辅助开关断开，所述第六辅助开关导通。
本申请一个或多个实施例的直流-直流转换器及其控制方法至少具有以下有益技术效果：
（1）本申请实施例的直流-直流转换器及其控制方法，在实现功率开关软开关的同时，辅助电感充磁过程只发生在死区时间内，大幅降低死区时间外辅助支路导通损耗，实现宽负载条件下的效率提升。
（2）本申请实施例的直流-直流转换器及其控制方法，辅助电感充磁只发生在死区时间内，充磁斜率高，充磁时间短，适用于低输出电压、高频、重载等应用环境。
（3）本申请实施例的直流-直流转换器及其控制方法可以广泛应用在各类降压型、升压型及升降压型直流-直流转换器，以在宽负载条件下提升转换效率，应用范围广。
附图说明
图1为一种降压型直流-直流转换器的电路示意图。
图2为一种基于辅助支路的软开关直流-直流转换器的电路示意图。
图3为图2所示的直流-直流转换器中的关键信号波形示意图。
图4为本申请一个实施例的降压型直流-直流转换器的电路示意图。
图5为图4所示的降压型直流-直流转换器的其中一个工作状态示意图。
图6为图4所示的降压型直流-直流转换器的另一个工作状态示意图。
图7为图4所示的降压型直流-直流转换器的又一个工作状态示意图。
图8为图4所示的降压型直流-直流转换器中的关键信号波形示意图。
图9为本申请另一个实施例的降压型直流-直流转换器的电路示意图。
图10为本申请一个实施例的升压型直流-直流转换器的电路示意图。
图11为本申请一个实施例的升降压型直流-直流转换器的电路示意图。
图12为本申请一个实施例的直流-直流转换器的控制方法的流程图。
图13为本申请另一个实施例的直流-直流转换器的控制方法的流程图。
具体实施方式
这里将详细地对示例性实施例进行说明，其示例表示在附图中。下面的描述涉及附图时，除非另有表示，不同附图中的相同数字表示相同或相似的要素。以下示例性实施例中所描述的实施例并不代表与本申请相一致的所有实施例。相反，它们仅是与如所附权利要求书中所详述的、本申请的一些方面相一致的装置的例子。
在本申请实施例使用的术语是仅仅出于描述特定实施例的目的，而非旨在限制本申请。除非另作定义，本申请实施例使用的技术术语或者科学术语应当为本申请所属领域内具有一般技能的人士所理解的通常意义。本申请的说明书以及权利要求书中使用的“第一”、“第二”以及类似的词语并不表示任何顺序、数量或者重要性，而只是用来区分不同的组成部分。同样，“一个”或者“一”等类似词语也不表示数量限制，而是表示存在至少一个。“多个”或者“若干”表示两个及两个以上。除非另行指出，“前”、“后”、“左”、“右”、“远”、“近”、“顶部”和/或“底部”等类似词语只是为了便于说明，而并非限于一个位置或者一种空间定向。“包括”或者“包含”等类似词语意指出现在“包括”或者“包含”前面的元件或者物件涵盖出现在“包括”或者“包含”后面列举的元件或者物件及其等同，并不排除其他元件或者物件。“连接”或者“相连”等类似的词语并非限定于物理的或者机械的连接，而且可以包括电性的连接，不管是直接的还是间接的。在本申请的说明书和所附权利要求书中所使用的单数形式的“一种”、“所述”和“该”也旨在包括多数形式，除非上下文清楚地表示其他含义。还应当理解，本文中使用的术语“和/或”是指并包含一个或多个相关联的列出项目的任何或所有可能组合。
为了提高直流-直流转换器的转换效率，通常将功率开关工作在软开关状态，以消除功率开关在死区时间内的开关损耗。
图2揭示了一种基于辅助支路的软开关直流-直流转换器的电路示意图。如图2所示，该软开关直流-直流转换器发表在ISSCC（International Solid-State CircuitsConference，国际固态电路会议）2020上的名为“A 48-to-80V Input 2MHz Adaptive ZVT-Assisted GaN-Based Bus Converter Achieving 14% Light-Load EfficiencyImprovement”中。该方案通过由辅助开关S1、辅助电感L1和二极管D1组成的软开关电路，实现直流-直流转换器的第一功率开关Q1的软开关。
图3揭示了图2所示的直流-直流转换器中的关键信号波形示意图。在图3中，VQ1和VQ2分别表示第一功率开关Q1和第二功率开关Q2的控制端施加的电压；VS1表示辅助开关S1两端的电压；VSW表示开关节点SW的电压；IL1表示辅助电感L1的电流；IL表示滤波电感L的电流；Io表示负载电流。结合参照图3所示，该软开关直流-直流转换器的工作原理为：
（1）在第二功率开关Q2导通内，辅助开关S1导通，二极管D1的阴极电压为0，辅助电感L1两端的电压差为VOUT-VDiode，其中，VOUT为直流-直流转换器的输出电压，VDiode为二极管D1的导通压降。因此，辅助电感L1充磁，其电流方向自右向左，辅助电感L1的电流斜率为：
Figure SMS_1
（2）在第一功率开关Q1和第二功率开关Q2切换的死区时间（如图3中的斜线区域）内，由于电感电流无法突变，因此，辅助电感L1的电流IL1对开关节点SW进行充电，开关节点电压VSW升高。当开关节点电压VSW高于VOUT-VDiode时，辅助电感L1去磁，其电流方向变为自左向右。当开关节点电压VSW等于输入电压VIN时，第一功率开关Q1两端的电压为零，控制第一功率开关Q1导通，实现第一功率开关Q1的软开关，此时，辅助电感L1的电流斜率为：
Figure SMS_2
当辅助电感L1的电流IL1降低到0，辅助开关S1断开。下一周期继续重复上述软开关工作状态。
从而，该方案通过引入由辅助开关S1、二极管D1、辅助电感L1组成的辅助电路实现第一功率开关Q1的软开关，消除死区时间内的开关损耗，提高转换效率。然而，该方案会存在以下缺陷：
（1）如图3所示，该方案利用辅助支路，在死区时间内辅助电感L1的电流IL1对开关节点SW充电，实现第一功率开关Q1软开关的同时，死区时间外辅助电感L1的电流IL1会引入额外的导通损耗，例如，第二功率开关Q2导通期间，辅助开关S1导通，辅助电感L1的电流IL1流经辅助开关S1和二极管D1，产生额外导通损耗，因此，限制了该直流-直流转换器在重载下（大电流负载）的效率提升。
（2）该方案辅助电感L1充磁发生在第二功率开关Q2导通时间内，辅助电感L1的充磁斜率由输出电压VOUT决定。在输出电压低、高频、重载条件下，辅助电感L1的充磁斜率低，充磁时间长，开关周期大幅缩短，辅助电感L1的电流IL1在第二功率开关Q2导通时间内无法充电至大于负载电流Io，在死区时间内没有额外电荷对开关节点SW进行充电，因此，该方案无法应用在上述输出电压低、高频、重载环境。
有鉴于此，本申请实施例提出了一种改进的软开关直流-直流转换器及其控制方法，在实现功率开关软开关的同时，辅助电感充磁过程只发生在死区时间内，大幅降低死区时间外辅助支路导通损耗，实现宽负载条件下的效率提升。另外，本申请实施例提出的软开关直流-直流转换器及其控制方法中辅助电感充磁斜率高，充磁时间短，适用于低输出电压、高频、重载等极端应用环境。
本申请提供了一种直流-直流转换器。该直流-直流转换器包括功率级电路及软开关电路。功率级电路包括第一功率开关、第二功率开关、滤波电感和滤波电容，第一功率开关和第二功率开关具有控制端、第一端和第二端，第一功率开关的第二端和第二功率开关的第一端均连接至开关节点，第二功率开关的第二端连接至地。软开关电路包括第一辅助开关、第二辅助开关、第三辅助开关和辅助电感，第一辅助开关的两端分别连接电荷源和辅助开关节点，第二辅助开关的两端分别连接辅助开关节点和地，第三辅助开关与辅助电感并联，第三辅助开关的两端分别连接辅助开关节点和开关节点。
以下将结合附图来对本申请所提供的几种实施例的直流-直流转换器进行详细介绍。
图4揭示了本申请一个实施例的降压型直流-直流转换器100的电路示意图。如图4所示，本申请一个实施例的降压型直流-直流转换器100包括功率级电路110及软开关电路120。功率级电路110为一种降压型电路，其包括第一功率开关Q1、第二功率开关Q2、滤波电感L和滤波电容C。第一功率开关Q1和第二功率开关Q2具有控制端、第一端和第二端。第一功率开关Q1的第二端和第二功率开关Q2的第一端均连接至开关节点SW，第二功率开关Q2的第二端连接至地GND。
在本实施例的降压型的功率级电路110中，第一功率开关Q1的第一端连接输入电压VIN，滤波电感L的两端分别连接开关节点SW与输出电压VOUT，滤波电容C的两端分别连接输出电压VOUT与地GND。
每个开关周期内，第一功率开关Q1和第二功率开关Q2交替导通，控制滤波电感L的充磁及去磁过程，经由滤波电感L和滤波电容C输出稳定电压，实现直流-直流转换功能。
软开关电路120包括第一辅助开关S1、第二辅助开关S2、第三辅助开关S3和辅助电感LZVS。第一辅助开关S1的两端分别连接电荷源和辅助开关节点AS，在本实施例中，第一辅助开关S1所连接的电荷源包括输入电压VIN。第二辅助开关S2的两端分别连接辅助开关节点AS和地GND，第三辅助开关S3与辅助电感LZVS并联，第三辅助开关S3的两端分别连接辅助开关节点AS和开关节点SW。
第一辅助开关S1控制辅助电感LZVS充磁过程，第二辅助开关S2控制辅助电感LZVS去磁过程，第三辅助开关S3作用为短路辅助电感LZVS，避免电荷在辅助电感LZVS与辅助开关节点AS、开关节点SW的寄生电容CSW间震荡。
图5揭示了图4所示的降压型直流-直流转换器100的其中一个工作状态示意图；图6揭示了图4所示的降压型直流-直流转换器100的另一个工作状态示意图；图7揭示了图4所示的降压型直流-直流转换器100的又一个工作状态示意图；图8揭示了图4所示的降压型直流-直流转换器100中的关键信号波形示意图。在图8中，VQ1和VQ2分别表示第一功率开关Q1和第二功率开关Q2的控制端施加的电压；VS1、VS2、VS3分别表示第一辅助开关S1、第二辅助开关S2、第三辅助开关S3两端的电压；VSW表示开关节点SW的电压；ILZVS表示辅助电感LZVS的电流；IL表示滤波电感L的电流；Io表示负载电流。下面将结合图5至图8来详细介绍本申请实施例的降压型直流-直流转换器的具体工作方式。
（1）如图5并配合参照图8所示，在第一功率开关Q1导通前的死区时间（如图8中的斜线区域所示）内，第一功率开关Q1和第二功率开关Q2均关断（图5中以“×”来表示关断），第一辅助开关S1导通，第二辅助开关S2和第三辅助开关S3关断。辅助电感LZVS两端电压差自左向右为VIN-VSW，辅助电感LZVS充磁，辅助电感LZVS的电流经滤波电感L流向负载VOUT，当辅助电感LZVS的电流高于滤波电感L的电流时，辅助电感LZVS的电流的一部分经滤波电感L流向负载VOUT，另一部分对开关节点SW的寄生电容CSW充电，开关节点SW的电压VSW上升。
（2）如图6并配合参照图8所示，当开关节点SW的电压VSW上升至使得第一功率开关Q1的第一端和第二端的电压相同时，即当开关节点SW电压上升至输入电压VIN时，第一功率开关Q1两端的电压差为零，第一功率开关Q1为零电压导通，第一辅助开关S1和第三辅助开关S3关断，第二辅助开关S2导通。其中，在第一辅助开关S1和第二辅助开关S2之间设置死区时间，以避免第一辅助开关S1和第二辅助开关S2同时导通，导致输入电压VIN到地GND短路。
辅助电感LZVS两端电压差自左向右为0-VIN，辅助电感LZVS去磁，辅助电感LZVS的电流线性下降。
（3）如图7并配合参照图8所示，当辅助电感LZVS的电流下降至零时，第一辅助开关S1和第二辅助开关S2断开，辅助电感LZVS去磁过程结束，第三辅助开关S3导通。其中，在第二辅助开关S2和第三辅助开关S3之间设置死区时间，以避免第二辅助开关S2和第三辅助开关S3同时导通，导致开关节点SW到地GND短路。第三辅助开关S3将辅助电感LZVS短路，避免电荷在辅助电感LZVS与辅助开关节点AS、开关节点SW的寄生电容CSW间震荡。
下一周期继续重复上述（1）-（3）三种工作状态。
图9揭示了本申请另一个实施例的降压型直流-直流转换器200的电路示意图。如图9所示，与图4所示的降压型直流-直流转换器100所不同的是，在图9所示的降压型直流-直流转换器200中，软开关电路220中的第二辅助开关S2由连接地GND变为连接输出电压VOUT。
因此，去磁路径由开关节点SW至地GND变为开关节点SW至输出电压VOUT，其他工作方式与上文一致，在此不再赘述。
图10揭示了本申请一个实施例的升压型直流-直流转换器300的电路示意图。如图10所示，本申请一个实施例的升压型直流-直流转换器300包括功率级电路310及软开关电路320。功率级电路310为一种升压型电路，其包括第一功率开关Q1、第二功率开关Q2、滤波电感L和滤波电容C。第一功率开关Q1和第二功率开关Q2具有控制端、第一端和第二端。第一功率开关Q1的第二端和第二功率开关Q2的第一端均连接至开关节点SW，第二功率开关Q2的第二端连接至地GND。
在本实施例的升压型的功率级电路310中，第一功率开关Q1的第一端连接输出电压VOUT，滤波电感L的两端分别连接输入电压VIN和开关节点SW，滤波电容C的两端分别连接输出电压VOUT和地GND。
软开关电路320包括第一辅助开关S1、第二辅助开关S2、第三辅助开关S3和辅助电感LZVS。第一辅助开关S1的两端分别连接电荷源和辅助开关节点AS，在本实施例中，第一辅助开关S1所连接的电荷源可以包括输入电压VIN或输出电压VOUT。第二辅助开关S2的两端分别连接辅助开关节点AS和地GND，第三辅助开关S3与辅助电感LZVS并联，第三辅助开关S3的两端分别连接辅助开关节点AS和开关节点SW。
图11揭示了本申请一个实施例的升降压型直流-直流转换器400的电路示意图。如图11所示，本申请一个实施例的降压型直流-直流转换器400包括功率级电路410及软开关电路（以下被称之为第一软开关电路420）。功率级电路410为一种升降压型电路，其包括第一功率开关Q1、第二功率开关Q2、第三功率开关Q3、第四功率开关Q4、滤波电感L和滤波电容C。
第一功率开关Q1和第二功率开关Q2具有控制端、第一端和第二端。第一功率开关Q1的第二端和第二功率开关Q2的第一端均连接至开关节点（以下被称之为第一开关节点SW1），第一功率开关Q1的第一端连接输入电压VIN，第二功率开关Q2的第二端连接至地GND。
第三功率开关Q3和第四功率开关Q4具有控制端、第一端和第二端，第三功率开关Q3的第二端和第四功率开关Q4的第一端均连接至第二开关节点SW2，第四功率开关Q4的第二端连接至地GND，滤波电感L的两端分别连接第一开关节点SW1和第二开关节点SW2，滤波电容C的两端分别连接输出电压VOUT和地GND。
第一软开关电路420包括第一辅助开关S1、第二辅助开关S2、第三辅助开关S3和辅助电感（以下被称之为第一辅助电感LZVS1）。第一辅助开关S1的两端分别连接电荷源和辅助开关节点（以下被称之为第一辅助开关节点AS1），在本实施例中，第一辅助开关S1所连接的电荷源可以包括输入电压VIN或输出电压VOUT。第二辅助开关S2的两端分别连接第一辅助开关节点AS1和地GND，第三辅助开关S3与第一辅助电感LZVS1并联，第三辅助开关S3的两端分别连接第一辅助开关节点AS1和第一开关节点SW1。
该升降压型直流-直流转换器400还可以包括第二软开关电路430。该第二软开关电路430包括第四辅助开关S4、第五辅助开关S5、第六辅助开关S6和第二辅助电感LZVS2。第四辅助开关S4的一端连接输入电压VIN或输出电压VOUT，第四辅助开关S4的另一端连接第二辅助开关节点AS2，第五辅助开关S5的两端分别连接第二辅助开关节点AS2与地GND，第六辅助开关S6与第二辅助电感LZVS2并联，第六辅助开关S6的两端分别连接第二辅助开关节点AS2和第二开关节点SW2。
在该升降压型直流-直流转换器400中，第一软开关电路420和第二软开关电路430分别对第一功率开关Q1和第三功率开关Q3导通前的死区时间内对各自开关节点SW1、SW2进行充电。该升降压型直流-直流转换器400的具体工作方式如下所示：
（1）在第一功率开关Q1导通前的死区时间内，第一功率开关Q1和第二功率开关Q2均关断，第一辅助开关S1导通，第二辅助开关S2和第三辅助开关S3关断，第一辅助电感LZVS1充磁；在第三功率开关Q3导通前的死区时间内，第三功率开关Q3和第四功率开关Q4均关断，第四辅助开关S4导通，第五辅助开关S5和第六辅助开关S6关断，第二辅助电感LZVS2充磁。
（2）当第一开关节点SW1的电压上升至输入电压VIN时，第一功率开关Q1零电压导通，第一辅助开关S1和第三辅助开关S3关断，第二辅助开关S2导通，第一辅助电感LZVS1去磁；当第二开关节点SW2的电压上升至输出电压VOUT时，第三功率开关Q3零电压导通，第四辅助开关S4和第六辅助开关S6关断，第五辅助开关S5导通，第二辅助电感LZVS2去磁。
（3）当第一辅助电感LZVS1的电流下降至零时，第一辅助开关S1和第二辅助开关S2断开，第三辅助开关S3导通；当第二辅助电感LZVS2的电流下降至零时，第四辅助开关S4和第五辅助开关S5断开，第六辅助开关S6导通。
本申请实施例提供了一种直流-直流转换器的控制方法。该直流-直流转换器包括功率级电路和软开关电路。功率级电路包括第一功率开关Q1、第二功率开关Q2、滤波电感L和滤波电容C，第一功率开关Q1和第二功率开关Q2具有控制端、第一端和第二端，第一功率开关Q1的第二端和第二功率开关Q2的第一端均连接至开关节点SW，第二功率开关Q2的第二端连接至地GND。软开关电路包括第一辅助开关S1、第二辅助开关S2、第三辅助开关S3和辅助电感LZVS，第一辅助开关S1的两端分别连接电荷源和辅助开关节点AS，第二辅助开关S2的两端分别连接辅助开关节点AS和地GND，第三辅助开关S3与辅助电感LZVS并联，第三辅助开关S3的两端分别连接辅助开关节点AS和开关节点SW。
在一些实施例中，当功率级电路为降压型电路时，第二辅助开关S2可以由连接地GND变为连接输出电压VOUT。
图12揭示了本申请一个实施例的直流-直流转换器的控制方法的流程图。如图12所示，本申请一个实施例的直流-直流转换器的控制方法可以包括步骤S11。
在步骤S11中，在第一功率开关Q1导通前的死区时间内，控制第一辅助开关S1导通，第二辅助开关S2和第三辅助开关S3关断，辅助电感LZVS充磁。
该直流-直流转换器的控制方法还可以包括步骤S12。在步骤S12中，当开关节点SW的电压上升至使得第一功率开关Q1的第一端和第二端的电压相同时，控制第一功率开关Q1零电压导通，并控制第一辅助开关S1和第三辅助开关S3关断，第二辅助开关S2导通，辅助电感LZVS去磁。
对于图4和图9所示的降压型直流-直流转换器来说，在步骤S12中，当开关节点SW的电压上升至输入电压VIN时，控制第一功率开关Q1零电压导通。
对于图10所示的升压型直流-直流转换器来说，在步骤S12中，当开关节点SW的电压上升至输出电压VOUT时，控制第一功率开关Q1零电压导通。
该直流-直流转换器的控制方法还可以包括步骤S13。在步骤S13中，当辅助电感LZVS的电流下降至零时，控制第一辅助开关S1和第二辅助开关S2断开，第三辅助开关S3导通。
图13揭示了本申请另一个实施例的直流-直流转换器的控制方法的流程图。如图13所示，对于图11所示的升降压型直流-直流转换器来说，本申请实施例的直流-直流转换器的控制方法可以包括步骤S21。
在步骤S21中，在第一功率开关Q1导通前的死区时间内，控制第一辅助开关S1导通，第二辅助开关S2和第三辅助开关S3关断，第一辅助电感LZVS1充磁；在第三功率开关Q3导通前的死区时间内，控制第四辅助开关S4导通，并控制第五辅助开关S5和第六辅助开关S6关断，第二辅助电感LZVS2充磁。
本申请实施例的直流-直流转换器的控制方法还可以包括步骤S22。在步骤S22中，当第一开关节点SW1的电压上升至输入电压VIN时，控制第一功率开关Q1零电压导通，并控制第一辅助开关S1和第三辅助开关S3关断，第二辅助开关S2导通，第一辅助电感LZVS1去磁；及当第二开关节点SW2的电压上升至输出电压VOUT时，控制第三功率开关Q3零电压导通，并控制第四辅助开关S4和第六辅助开关S6关断，第五辅助开关S5导通，第二辅助电感LZVS2去磁。
本申请实施例的直流-直流转换器的控制方法还可以包括步骤S23。在步骤S23中，当第一辅助电感LZVS1的电流下降至零时，控制第一辅助开关S1和第二辅助开关S2断开，第三辅助开关S3导通；及当第二辅助电感LZVS2的电流下降至零时，控制第四辅助开关S4和第五辅助开关S5断开，第六辅助开关S6导通。
本申请实施例的直流-直流转换器及其控制方法所具有的有益技术效果如下所示：
（1）本申请实施例的直流-直流转换器及其控制方法，在实现功率开关软开关的同时，辅助电感充磁过程只发生在死区时间内，大幅降低死区时间外辅助支路导通损耗，实现宽负载条件下的效率提升。
（2）本申请实施例的直流-直流转换器及其控制方法，辅助电感充磁只发生在死区时间内，充磁斜率高，充磁时间短，适用于低输出电压、高频、重载等应用环境。
（3）本申请实施例的直流-直流转换器及其控制方法可以广泛应用在各类降压型、升压型及升降压型直流-直流转换器，以在宽负载条件下提升转换效率，应用范围广。
以上对本申请实施例所提供的直流-直流转换器及其控制方法进行了详细的介绍。本文中应用了具体个例对本申请实施例的直流-直流转换器及其控制方法进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本申请的核心思想，并不用以限制本申请。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本申请的精神和原理的前提下，还可以对本申请进行若干改进和修饰，这些改进和修饰也均应落入本申请所附权利要求书的保护范围内。

Claims (23)

1.一种直流-直流转换器，其特征在于：包括：
功率级电路，包括第一功率开关、第二功率开关、滤波电感和滤波电容，所述第一功率开关和所述第二功率开关具有控制端、第一端和第二端，所述第一功率开关的第二端和所述第二功率开关的第一端均连接至开关节点，所述第二功率开关的第二端连接至地；以及
软开关电路，包括第一辅助开关、第二辅助开关、第三辅助开关和辅助电感，所述第一辅助开关的两端分别连接电荷源和辅助开关节点，所述第二辅助开关的两端分别连接所述辅助开关节点和地，所述第三辅助开关与所述辅助电感并联，所述第三辅助开关的两端分别连接所述辅助开关节点和所述开关节点。
2.如权利要求1所述的直流-直流转换器，其特征在于：所述功率级电路为降压型电路，所述第一功率开关的第一端连接输入电压，所述滤波电感的两端分别连接所述开关节点与输出电压，所述滤波电容的两端分别连接所述输出电压与地；所述第一辅助开关所连接的所述电荷源包括所述输入电压。
3.如权利要求2所述的直流-直流转换器，其特征在于：所述第二辅助开关由连接地变为连接所述输出电压。
4.如权利要求1所述的直流-直流转换器，其特征在于：所述功率级电路为升压型电路，所述第一功率开关的第一端连接输出电压，所述滤波电感的两端分别连接输入电压和所述开关节点，所述滤波电容的两端分别连接所述输出电压和地；所述第一辅助开关所连接的所述电荷源包括所述输入电压或所述输出电压。
5.如权利要求1所述的直流-直流转换器，其特征在于：所述功率级电路为升降压型电路，所述第一功率开关的第一端连接输入电压，所述功率级电路还包括第三功率开关和第四功率开关，所述第三功率开关和所述第四功率开关具有控制端、第一端和第二端，所述第三功率开关的第二端和所述第四功率开关的第一端均连接至第二开关节点，所述第四功率开关的第二端连接至地，所述滤波电感的两端分别连接所述开关节点和所述第二开关节点，所述滤波电容的两端分别连接输出电压和地；所述第一辅助开关所连接的所述电荷源包括所述输入电压或所述输出电压。
6.如权利要求1至5中任一项所述的直流-直流转换器，其特征在于：在所述第一功率开关导通前的死区时间内，所述第一功率开关和所述第二功率开关均关断，所述第一辅助开关导通，所述第二辅助开关和所述第三辅助开关关断，所述辅助电感充磁。
7.如权利要求6所述的直流-直流转换器，其特征在于：当所述开关节点的电压上升至使得所述第一功率开关的第一端和第二端的电压相同时，所述第一功率开关零电压导通，所述第一辅助开关和所述第三辅助开关关断，所述第二辅助开关导通，所述辅助电感去磁。
8.如权利要求7所述的直流-直流转换器，其特征在于：在所述第一辅助开关和所述第二辅助开关之间设置死区时间以避免所述第一辅助开关和所述第二辅助开关同时导通。
9.如权利要求7所述的直流-直流转换器，其特征在于：当所述辅助电感的电流下降至零时，所述第一辅助开关和所述第二辅助开关断开，所述第三辅助开关导通。
10.如权利要求9所述的直流-直流转换器，其特征在于：在所述第二辅助开关和所述第三辅助开关之间设置死区时间以避免所述第二辅助开关和所述第三辅助开关同时导通。
11.如权利要求5所述的直流-直流转换器，其特征在于：还包括：
第二软开关电路，包括第四辅助开关、第五辅助开关、第六辅助开关和第二辅助电感，所述第四辅助开关的一端连接所述输入电压或所述输出电压，所述第四辅助开关的另一端连接第二辅助开关节点，所述第五辅助开关的两端分别连接所述第二辅助开关节点与地，所述第六辅助开关与所述第二辅助电感并联，所述第六辅助开关的两端分别连接所述第二辅助开关节点和所述第二开关节点。
12.如权利要求11所述的直流-直流转换器，其特征在于：在所述第一功率开关导通前的死区时间内，所述第一功率开关和所述第二功率开关均关断，所述第一辅助开关导通，所述第二辅助开关和所述第三辅助开关关断，所述辅助电感充磁；在所述第三功率开关导通前的死区时间内，所述第三功率开关和所述第四功率开关均关断，所述第四辅助开关导通，所述第五辅助开关和所述第六辅助开关关断，所述第二辅助电感充磁。
13.如权利要求12所述的直流-直流转换器，其特征在于：当所述开关节点的电压上升至所述输入电压时，所述第一功率开关零电压导通，所述第一辅助开关和所述第三辅助开关关断，所述第二辅助开关导通，所述辅助电感去磁；当所述第二开关节点的电压上升至所述输出电压时，所述第三功率开关零电压导通，所述第四辅助开关和所述第六辅助开关关断，所述第五辅助开关导通，所述第二辅助电感去磁。
14.如权利要求13所述的直流-直流转换器，其特征在于：当所述辅助电感的电流下降至零时，所述第一辅助开关和所述第二辅助开关断开，所述第三辅助开关导通；当所述第二辅助电感的电流下降至零时，所述第四辅助开关和所述第五辅助开关断开，所述第六辅助开关导通。
15.一种直流-直流转换器的控制方法，所述直流-直流转换器包括功率级电路，所述功率级电路包括第一功率开关、第二功率开关、滤波电感和滤波电容，所述第一功率开关和所述第二功率开关具有控制端、第一端和第二端，所述第一功率开关的第二端和所述第二功率开关的第一端均连接至开关节点，所述第二功率开关的第二端连接至地，其特征在于：所述直流-直流转换器还包括软开关电路，所述软开关电路包括第一辅助开关、第二辅助开关、第三辅助开关和辅助电感，所述第一辅助开关的两端分别连接电荷源和辅助开关节点，所述第二辅助开关的两端分别连接所述辅助开关节点和地，所述第三辅助开关与所述辅助电感并联，所述第三辅助开关的两端分别连接所述辅助开关节点和所述开关节点，所述控制方法包括：
在所述第一功率开关导通前的死区时间内，控制所述第一辅助开关导通，所述第二辅助开关和所述第三辅助开关关断，所述辅助电感充磁。
16.如权利要求15所述的控制方法，其特征在于：还包括：
当所述开关节点的电压上升至使得所述第一功率开关的第一端和第二端的电压相同时，控制所述第一功率开关零电压导通，并控制所述第一辅助开关和所述第三辅助开关关断，所述第二辅助开关导通，所述辅助电感去磁。
17.如权利要求16所述的控制方法，其特征在于：还包括：
当所述辅助电感的电流下降至零时，控制第一辅助开关和所述第二辅助开关断开，所述第三辅助开关导通。
18.如权利要求16或17所述的控制方法，其特征在于：所述功率级电路为降压型电路，所述第一功率开关的第一端连接输入电压，所述滤波电感的两端分别连接所述开关节点与输出电压，所述滤波电容的两端分别连接所述输出电压与地；所述第一辅助开关所连接的所述电荷源包括所述输入电压，其中，所述当所述开关节点的电压上升至使得所述第一功率开关的第一端和第二端的电压相同时，控制所述第一功率开关零电压导通包括：
当所述开关节点的电压上升至所述输入电压时，控制所述第一功率开关零电压导通。
19.如权利要求15至17中任一项所述的控制方法，其特征在于：所述功率级电路为降压型电路，所述第一功率开关的第一端连接输入电压，所述滤波电感的两端分别连接所述开关节点与输出电压，所述滤波电容的两端分别连接所述输出电压与地；所述第一辅助开关所连接的所述电荷源包括所述输入电压；所述第二辅助开关由连接地变为连接所述输出电压。
20.如权利要求16或17所述的控制方法，其特征在于：所述功率级电路为升压型电路，所述第一功率开关的第一端连接输出电压，所述滤波电感的两端分别连接输入电压和所述开关节点，所述滤波电容的两端分别连接所述输出电压和地；所述第一辅助开关所连接的所述电荷源包括所述输入电压或所述输出电压，其中，所述当所述开关节点的电压上升至使得所述第一功率开关的第一端和第二端的电压相同时，控制所述第一功率开关零电压导通包括：
当所述开关节点的电压上升至所述输出电压时，控制所述第一功率开关零电压导通。
21.如权利要求15所述的控制方法，其特征在于：所述功率级电路为升降压型电路，所述第一功率开关的第一端连接输入电压，所述功率级电路还包括第三功率开关和第四功率开关，所述第三功率开关和所述第四功率开关具有控制端、第一端和第二端，所述第三功率开关的第二端和所述第四功率开关的第一端均连接至第二开关节点，所述第四功率开关的第二端连接至地，所述滤波电感的两端分别连接所述开关节点和所述第二开关节点，所述滤波电容的两端分别连接输出电压和地；所述第一辅助开关的一端所连接的所述电荷源包括所述输入电压或所述输出电压；所述直流-直流转换器还包括第二软开关电路，所述第二软开关电路包括第四辅助开关、第五辅助开关、第六辅助开关和第二辅助电感，所述第四辅助开关的一端连接所述输入电压或所述输出电压，所述第四辅助开关的另一端连接第二辅助开关节点，所述第五辅助开关的两端分别连接所述第二辅助开关节点与地，所述第六辅助开关与所述第二辅助电感并联，所述第六辅助开关的两端分别连接所述第二辅助开关节点和所述第二开关节点，其中，所述控制方法还包括：
在所述第三功率开关导通前的死区时间内，控制所述第四辅助开关导通，并控制所述第五辅助开关和所述第六辅助开关关断，所述第二辅助电感充磁。
22.如权利要求21所述的控制方法，其特征在于：还包括：
当所述开关节点的电压上升至所述输入电压时，控制所述第一功率开关零电压导通，并控制所述第一辅助开关和所述第三辅助开关关断，所述第二辅助开关导通，所述辅助电感去磁；及
当所述第二开关节点的电压上升至所述输出电压时，控制所述第三功率开关零电压导通，并控制所述第四辅助开关和所述第六辅助开关关断，所述第五辅助开关导通，所述第二辅助电感去磁。
23.如权利要求22所述的控制方法，其特征在于：还包括：
当所述辅助电感的电流下降至零时，控制所述第一辅助开关和所述第二辅助开关断开，所述第三辅助开关导通；及
当所述第二辅助电感的电流下降至零时，控制所述第四辅助开关和所述第五辅助开关断开，所述第六辅助开关导通。
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