CN1956304A

CN1956304A - 一种二极管反向恢复电流的抑制方法及其电路

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Publication number: CN1956304A
Application number: CN 200510095212
Authority: CN
Inventors: 夏维洪; 刘煜; 周建平
Original assignee: ZTE Corp
Current assignee: ZTE Corp
Priority date: 2005-10-28
Filing date: 2005-10-28
Publication date: 2007-05-02
Anticipated expiration: 2025-10-28
Also published as: CN1956304B

Abstract

本发明涉及一种二极管反向恢复电流的抑制方法及电路，包括传统的BOOST电路所包含的电感L1、续流二极管D1、输出电容Co、功率开关S1等；同时还包括反向恢复抑制元件以及能量储存转移电路，其中反向恢复抑制元件指辅助谐振电感L2；能量储存转移电路包括储能转移电容Cb、电感L1的辅助绕组N2，辅助能量转移的第二二极管D2、第三二极管D3、第四二极管D4。本发明通过控制功率开关S1的导通和关断，来控制功率开关S1的占空比，在导通时L1储能；关断时L1通过续流二极管释放能量及升压，通过辅助电感L2来减小续流二极管的反向恢复电流，通过储能电容Cb、电感L1的辅助绕组N2以及二极管D2、D3、D4来实现能量的储存和转移。

Description

一种二极管反向恢复电流的抑制方法及其电路

技术领域

本发明涉及一种二极管反向恢复电流的抑制方法及其电路，尤其涉及一种在BOOST变换装置中减小开关电路中二极管反向恢复电流的抑制方法及其电路。

背景技术

传统的BOOST变换电路如图1所示，其工作原理如下：

通过控制功率开关S1的开通与关断。来控制功率开关S1的占空比，从而实现输出电压的升压功能和调压功能，其升压公式为：Vo＝Vin/(1-d)其中d是功率开关S1的占空比。

当功率开关S1导通时，市电电压加在电感电感L1两端，给L1充电储能，L1电流上升，此时续流二极管D1反向截止。

当功率开关S1关断时，由于电感L1的电流不能突变，续流二极管D1导通，市电电压与电感L1串联，电流经续流二极管D1给输出电容Co和负载供电，电感L1的电流下降。

这种传统的BOOST变换电路存在着如下问题：

当功率开关S1关断时，续流二极管D1导通，流过正向导通电流；如果电感电流在S1关断期间，电流不能下降到0(即电感电流连续)，此时当功率开关S1开通时，二极管D1承受反向电压，由于二极管有正向电流并不会立刻截止，二极管D1存在反向恢复效应，而会有电流反向流过二极管D1，形成反向恢复电流，反向恢复电流与电感L1的电流一起流过功率开关S1，从而增加了功率开关S1的开通损耗和二极管的反向恢复损耗，同时产生反向恢复电流尖峰，使得EMI性能变差。

输出电压越高，二极管的反向恢复时间越长，使得上述问题变得更加严重；功率开关S1的开关频率越高，则反向恢复电流造成的损耗就越大；上述电路特有的问题限制了电路工作频率的提高。

针对上述问题，以往有技术提出一种减小反向恢复的电路，它包括电感、续流二极管、输出电容、功率开关和储能电路及能量转移电路，在功率开关导通时，将反向恢复电流能量储存在储能电路中，功率开关关断时，储能电路将所储的能量转移到输出电路中，从而减小了因为反向恢复电流引起的损耗。但是此种电路在输入低压输出功率较大情况下无法满足二极管的电流完全转移；或者，辅助谐振储能电路的参数不能取得较大，反向恢复电流抑制效果不明显。另外有电路提出在续流二极管上串联辅助电感，以及增加主电感上的辅助绕组来解决二极管电流的完全转移，但是此电路在无法实现反向恢复能量的存储转移。另外的一些解决方法则是只能满足特定的输入或/和输出条件下实现，而且往往包含了复杂的电路结构或有源器件。

发明内容

本发明所要解决的技术问题在于提供一种二极管反向恢复电流抑制的抑制方法及其电路，解决传统BOOST变换电路的二极管反向恢复引起的反向恢复损耗，反向恢复电流尖峰等；以及克服现有技术不能在输入低压输出功率较大情况下实现二极管的电流的完全转移(反向恢复电流抑制)或无法将二极管的反向恢复能量有效转移。

为了实现上述目的，本发明提供了一种二极管反向恢复电流的抑制方法，用于在BOOST变换电路中减小开关电路中二极管反向恢复电流，该BOOST变换电路包含有串联的电感L1、续流二极管D1、输出电容Co，以及与该续流二极管D1和输出电容Co的串联支路并联的功率开关S1，其特点在于，该方法包括如下步骤：

设置一辅助电感L2与所述续流二极管D1相连，用于减小所述续流二极管D1的反向恢复电流，并存储二极管反向恢复电流能量；

设置一储能转移电容Cb，用于在所述功率开关S1导通时存储所述的二极管反向恢复电流能量，并在所述的功率开关S1关断时将续流电流转移到所述的辅助电感L2与续流二极管D1的串联支路上，同时将储存的二极管反向恢复电流能量转移到所述的输出电容Co上。

上述的二极管反向恢复电流的抑制方法，其特点在于，还包括如下步骤：

在电感L1的主绕组N1附加，形成一辅助绕组N2，其同名端的方向为靠近功率开关S1方向，用于为所述储能转移电容Cb提供额外的转移能量。

上述的二极管反向恢复电流的抑制方法，其特点在于，所述辅助电感L2与所述电感L1的辅助绕组N2串联放置于从续流二极管D1的阳极到功率开关S1的非接地端之间的支路上，所述电感L1的主绕组N1的非同名端可连接于该支路上的三个接点的任何一点。

上述的二极管反向恢复电流的抑制方法，其特点在于，该方法还包括：

设置第二二极管D2、第三二极管D3、第四二极管D4；其中，所述储能电容Cb一端连接于所述续流二极管D1的阳极，另一端连接于所述第四二极管D4的阴极；所述第四二极管D4的阳极可与地线相连或连接于功率开关S1的非接地端；所述第三二极管D3的阳极与所述第四二极管D4的阴极相连，其阴极连接于所述输出电容Co的正端；所述第二二极管D2的阳极连接于功率开关S1的非接地端，其阴极连接于所述输出电容Co的正端。

上述的二极管反向恢复电流的抑制方法，其特点在于，所述的辅助谐振电感L2、储能电容Cb以及各个二极管均可以分别由多个串联或并联的谐振电感、储能电容和二极管组成。

为了实现上述目的，本发明还提供了一种二极管反向恢复电流的抑制电路，用于在BOOST变换电路中减小开关电路中二极管反向恢复电流，该BOOST变换电路包括有电感L1、续流二极管D1、输出电容Co、功率开关S1，所述电感L1与功率开关S1串联，连接于输入电压Vin与地线之间；所述续流二极管D1与输出电容Co串联，连接于所述电感L1和功率开关S1的接点与地线之间，所述输出电容Co两端形成输出电压Vout；其特点在于，该BOOST变换电路还包括：

一辅助谐振电感L2，与所述续流二极管D1相连，用于减小所述续流二极管D1的反向恢复电流，并存储二极管反向恢复电流能量；

一储能电容Cb，用于在所述功率开关S1导通时存储所述的二极管反向恢复电流能量，并在所述的功率开关S1关断时将续流电流转移到所述的辅助电感L2与续流二极管D1的串联支路上，同时将储存的二极管反向恢复电流能量转移到所述的输出电容Co上。

上述的二极管反向恢复电流的抑制电路，其特点在于，还包括一辅助绕组N2，由所述电感L1附加形成，其同名端的方向为靠近功率开关S1方向，用于为所述储能转移电容Cb提供额外的转移能量。

上述的二极管反向恢复电流的抑制电路，其特点在于，所述辅助电感L2与所述电感L1的辅助绕组N2串联放置于从续流二极管D1的阳极到功率开关S1的非接地端之间的支路上，同时辅助绕组N2的同名端的方向为靠近功率开关S1方向，所述电感L1的主绕组N1的非同名端可连接于该支路上的三个接点的任何一点。

上述的二极管反向恢复电流的抑制电路，其特点在于，该电路还包括：第二二极管D2、第三二极管D3、第四二极管D4；并且，所述储能电容Cb一端连接于所述续流二极管D1的阳极，另一端连接于所述第四二极管D4的阴极；所述第四二极管D4的阳极可与地线相连或连接于功率开关S1的非接地端；所述第三二极管D3的阳极与所述第四二极管D4的阴极相连，其阴极连接于所述输出电容Co的正端；所述第二二极管D2的阳极连接于功率开关S1的非接地端，其阴极连接于所述输出电容Co的正端。

上述的二极管反向恢复电流的抑制电路，其特点在于，所述的辅助谐振电感L2、储能电容Cb以及各个二极管均可以分别由多个串联或并联的谐振电感、储能电容和二极管组成。

本发明尤其用于BOOST变换电路中，能提高变换器的效率。

采用本发明所述电路，由于辅助电感与续流二极管相连，使得续流二极管的反向恢复电流大大减小，同时电感L1的辅助绕组N2为储能电容Cb提供了额外的转移能量，电容Cb在功率开关S1导通时存储了二极管反向恢复能量，同时也存储了电感L1的辅助绕组提供的额外的能量，这样在功率开关S1关断后，可以使续流电流全部转移到辅助电感L2与二极管D1的串联支路上去，同时将储存的反向恢复电流能量转移到输出电容Co上，没有造成能量消耗，从而提高了电路的效率。一方面，由于附加了电感L1上的辅助绕组，使得电路比现有技术更能将续流电流完全转移到与辅助绕组串联的二极管支路中去，辅助电感取值可以加大，从而产生更小的反向恢复电流以及主功率管的开通电流应力，降低整机的EMI水平，另一方面，由于提供了续流二极管反向恢复能量的存储转移电路使得电路能将恢复期间辅助谐振电感上存储的能量有效转移到输出，而不至于引起续流二极管上产生很高的电压尖峰。

以下结合附图和具体实施例对本发明进行详细描述，但不作为对本发明的限定。

附图说明

图1为传统BOOST电路示意图；

图2为本发明的第一较佳实施例的电路示意图；

图3为本发明的第二较佳实施例的电路示意图；

图4为本发明的第三较佳实施例的电路示意图；

图5为本发明的第四较佳实施例的电路示意图；

图6为本发明的工作时序图。

具体实施方式

本发明的抑制电路包括传统的BOOST电路所包含的电感L1、续流二极管D1、输出电容Co、功率开关S1等；同时还包括反向恢复抑制元件以及能量储存转移电路，其中反向恢复抑制元件指辅助谐振电感L2；能量储存转移电路包括储能转移电容Cb、电感L1的辅助绕组N2，辅助能量转移的第二二极管D2、第三二极管D3、第四二极管D4。

本发明所述的辅助谐振电感L2、储能电容Cb以及所涉及的各个二极管均可以分别由多个串联或并联的谐振电感、储能电容和二极管组成。

本发明中所述能量储存转移电路包括一储能电容Cb和电感L1的辅助绕组N2以及第二二极管D2、第三二极管D3、第四二极管D4。

所述辅助电感L2与所述电感L1的辅助绕组N2在电路中的连接关系为：两个器件可放置于从续流二极管D1的阳极到功率开关S1的非接地端之间的支路上，保证为串联结构，同时保证N2的同名端的方向为靠近功率开关S1方向，所述电感L1的主绕组N1的非同名端可连接于此支路上的三个接点的任何一点。

所述储能电容Cb一端连接于所述续流二极管D1的阳极，另一端连接于所述第四二极管D4的阴极；所述第四二极管D4的阳极可与地线相连或连接于功率开关S1的非接地端；所述第三二极管D3的阳极与所述第四二极管D4的阴极相连，其阴极连接于所述输出电容Co的正端。所述第二二极管D2的阳极连接于功率开关S1的非接地端，其阴极连接于所述输出电容Co的正端。

下面结合附图和具体实例对本发明作进一步的详细说明。

本发明的工作原理是：通过控制功率开关S1的导通和关断，来控制功率开关S1的占空比，在导通时L1储能；关断时L1通过续流二极管释放能量及升压，通过辅助储能电路中的辅助电感L2来减小续流二极管的反向恢复电流，通过储能电容Cb、电感L1的辅助绕组N2以及二极管D2、D3、D4来实现能量的储存和转移。

具体电路结构如图2、图3、图4、图5等所示，现在以图2所示电路为例介绍其工作原理：

其连接关系如下：所述储能电路包括一辅助电感L2，一储能电容Cb和第三二极管D3、第四二极管D4以及电感L1的辅助绕组N2，其中所述的辅助电感L2串接于所述续流二极管D1的阳极与所述电感L1的辅助绕组N2之间；所述储能电容Cb一端连接于所述续流二极管D1的阳极，另一端连接于所述第四二极管D4的阴极；所述第四二极管D4的阳极与地线相连；所述第三二极管D3的阳极与所述第四二极管D4的阴极相连，其阴极与所述输出电容Co的正端相连。所述电感L1的辅助绕组N2一端与所述辅助电感L2串接，另一端连接于所述功率开关S1与所述电感L1的主绕组N1的连接处。

为了简化分析，在某一工作周期内作如下假设：

输出电容Co足够大，输出电压Vo为恒定直流电压；

除了续流二极管D1、D2外其他二极管均为理想元件；

电感L1远大于辅助电感L2；

输入电压Vin为一常数。

在上述假设的基础上，可以将工作周期分为如下几个时间段。如图6：其中电感L1的匝比为N1/N2＝n；Irr为二极管D1的反向恢复电流最大值；

第一阶段(t0～t1)：

功率开关S1在t0时刻导通，续流二极管D1有反向恢复电流流过，辅助电感L2与之串联，可以减小反向恢复电流；电感L1储能。电流沿L1-＞S1和D1-＞L2-＞N2-＞S1流动。电感L1的电流增加，L2电流沿IL2方向减小，直至反向至最大反向恢复电流Irr。

第二阶段(t1～t2)：

续流二极管D1在t1时刻截止，反向恢复结束，此时电感L2储存的能量为1/2*L2*Irr2，此时二极管D4自然导通，电流沿D4-＞Cb-＞L2-＞N2-＞S1流动。形成电感、电容谐振，电感L2储存的能量转移到电容Cb上，同时电感L1的辅助绕组N2向电容Cb提供额外的能量1/2*CbUN22(其中UN2为功率开关S1导通时，N2的感应电压UN2＝n*Vin)。

在t2时刻，辅助电感L2电流下降为0。

第三阶段(t2～t3)：

在t2时刻，Cb与L2谐振结束，二极管D4自然截止，储能电容Cb电压保持不变。此阶段为正常的BOOST电路工作状态，电感L1储能。

第四阶段(t3～t4)：

在t3时刻，功率开关S1关断，D2给电感L1续流而正向导通，同时D3导通，为辅助电感L2和储能电容提供谐振通路，L2电流谐振上升，储能电容电压Vcb下降。流过D2的电流下降，此阶段IL2+ID2＝IL1。

第五阶段(t4～t5)：

在t4时刻，储能电容Cb上的电压下降到0，D1自然导通，D3关断；D1为辅助电感L2续流。功率电路进入正常的BOOST工作状态，电感L1释放能量。由于电感L1的辅助绕组N2的存在，使得电感L2的电流继续增加，D2的电流继续下降直到为0。此阶段辅助电感L2的电流上升斜率为：n*(Vout-Vin)/L2。

第六阶段(t5～t6)：

在t5时刻，二极管D2的电流下降到0。电感L1的电流全部转移到L2、D1的支路上，为下一个开通做好准备，可以在下一个开关导通时刻反向恢复电流通过L2得到很好的抑制。

从以上电路的工作原理来看，由于L1的辅助绕组N2的存在，在储能电路储能时额外的多储存了一部分能量，在功率开关关断后的续流电流向二极管D1与L2的串联支路上电流转移过程中，能够较其它电路容易完成电流的完全转移，二极管的反向恢复电流得到很好的抑制。另一方面，由于提供了续流二极管反向恢复能量的存储转移电路使得电路能将恢复期间辅助谐振电感上存储的能量有效转移到输出，而不至于引起续流二极管上产生很高的电压尖峰，二极管的反向恢复能量通过储能电路全部转移到输出，无能量损失。

本发明电路还能如图3、图4、图5等方式连接但不仅限于所示的连接方式，其连接方式虽有所不一样，但是其工作原理与工作时序与图2所示电路基本一致，其具体工作原理见上述。

当然，本发明还可有其他多种实施例，在不背离本发明精神及其实质的情况下，熟悉本领域的技术人员当可根据本发明作出各种相应的改变和变形，但这些相应的改变和变形都应属于本发明所附的权利要求的保护范围。

Claims

1、一种二极管反向恢复电流的抑制方法，用于在BOOST变换电路中减小开关电路中二极管反向恢复电流，该BOOST变换电路包含有串联的电感L1、续流二极管D1、输出电容Co，以及与该续流二极管D1和输出电容Co的串联支路并联的功率开关S1，其特征在于，该方法包括如下步骤：

2、根据权利要求1所述的二极管反向恢复电流的抑制方法，其特征在于，还包括如下步骤：

3、根据权利要求2所述的二极管反向恢复电流的抑制方法，其特征在于，所述辅助电感L2与所述电感L1的辅助绕组N2串联放置于从续流二极管D1的阳极到功率开关S1的非接地端之间的支路上，所述电感L1的主绕组N1的非同名端可连接于该支路上的三个接点的任何一点。

4、根据权利要求3所述的二极管反向恢复电流的抑制方法，其特征在于，该方法还包括：

5、根据权利要求4所述的二极管反向恢复电流的抑制方法，其特征在于，所述的辅助谐振电感L2、储能电容Cb以及各个二极管均可以分别由多个串联或并联的谐振电感、储能电容和二极管组成。

6、一种二极管反向恢复电流的抑制电路，用于在BOOST变换电路中减小开关电路中二极管反向恢复电流，该BOOST变换电路包括有电感L1、续流二极管D1、输出电容Co、功率开关S1，所述电感L1与功率开关S1串联，连接于输入电压Vin与地线之间；所述续流二极管D1与输出电容Co串联，连接于所述电感L1和功率开关S1的接点与地线之间，所述输出电容Co两端形成输出电压Vout；其特征在于，该BOOST变换电路还包括：

7、根据权利要求6所述的二极管反向恢复电流的抑制电路，其特征在于，还包括一辅助绕组N2，由所述电感L1附加形成，其同名端的方向为靠近功率开关S1方向，用于为所述储能转移电容Cb提供额外的转移能量。

8、根据权利要求7所述的二极管反向恢复电流的抑制电路，其特征在于，所述辅助电感L2与所述电感L1的辅助绕组N2串联放置于从续流二极管D1的阳极到功率开关S1的非接地端之间的支路上，同时辅助绕组N2的同名端的方向为靠近功率开关S1方向，所述电感L1的主绕组N1的非同名端可连接于该支路上的三个接点的任何一点。

9、根据权利要求8所述的二极管反向恢复电流的抑制电路，其特征在于，该电路还包括：第二二极管D2、第三二极管D3、第四二极管D4；并且，所述储能电容Cb一端连接于所述续流二极管D1的阳极，另一端连接于所述第四二极管D4的阴极；所述第四二极管D4的阳极可与地线相连或连接于功率开关S1的非接地端；所述第三二极管D3的阳极与所述第四二极管D4的阴极相连，其阴极连接于所述输出电容Co的正端；所述第二二极管D2的阳极连接于功率开关S1的非接地端，其阴极连接于所述输出电容Co的正端。

10、根据权利要求9所述的二极管反向恢复电流的抑制电路，其特征在于，所述的辅助谐振电感L2、储能电容Cb以及各个二极管均可以分别由多个串联或并联的谐振电感、储能电容和二极管组成。