CN205490157U - 一种基于软开关的非隔离降压拓扑结构 - Google Patents
一种基于软开关的非隔离降压拓扑结构 Download PDFInfo
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Abstract
本实用新型涉及一种基于软开关的非隔离降压拓扑结构，所述电源V1的正极分别并接电容C1的一端和MOSFET M1的漏极，电容C1的另一端连接到电源V1的负极，MOSFET M1的源极分别并接MOSFET M2的漏极和主绕组L1的一端，MOSFET M2的源极连接到电源V1的负极，主绕组L1的另一端分别并接电容C2的一端和电阻R1的一端，电容C2的另一端和电阻R1的另一端分别连接到电源V1的负极，MOSFET M3的漏极和MOSFET M的漏极分别连接到从绕组L2的两端，MOSFET M3的源极和MOSFET M4的源极分别连接到电源V1的负极，电源V1的负极接地。本实用新型的基于软开关的非隔离降压拓扑结构，在保持原buck拓扑的基础上通过软开关降低能量消耗、降低电磁干扰，利用增加开关频率实现电源的小型化，提高功率密度。
Description
技术领域
本实用新型涉及电子技术领域，具体涉及一种基于软开关的非隔离降压拓扑结构。
背景技术
目前，常用的非隔离降压电源多采用buck拓扑，如图1所示，由输入电源(V1)，输入电容(C1)，输入开关管(M1)、同步开关管(M2)、电感(L1)、输出电容(C2)，负载(R1)组成。电路中，输入开关管(M1)为MOSFET，由于MOSFET内部结电容的存在，当M1导通时它的VDS电压为输入电压，导通后结电容被短路，能量消耗在M1中，引起能量消耗。而且这种能量消耗会随着开关频率的增加而增高。也是由于这个原因的存在，电源的开关频率被限制在200kHZ内。因为开关频率直接影响电感与电容的大小，较低的开关频率使电感电容的设计值增大，从而需要大体积的电感与电容。另外，由于M1导通瞬间di/dt非常高，这将导致电源的EMI(电磁干扰)非常严重。
发明内容
为了克服现有非隔离降压电源存在的问题，本实用新型提出一种基于软开关的非隔离降压拓扑结构，在保持原buck拓扑的基础上通过软开关降低能量消耗、降低电磁干扰，利用增加开关频率实现电源的小型化，提高功率密度。
为实现上述目的，本实用新型采用如下技术方案：一种基于软开关的非隔离降压拓扑结构，包括电源V1，电容C1和C2，负载R1，MOSFET M1、M2、M3、和M4，变压器K1以及变压器K1的主绕组L1、从绕组L2，所述电源V1的正极分别并接电容C1的一端和MOSFET M1的漏极，电容C1的另一端连接到电源V1的负极，MOSFET M1的源极分别并接MOSFET M2的漏极和主绕组L1的一端，MOSFET M2的源极连接到电源V1的负极，主绕组L1的另一端分别并接电容C2的一端和电阻R1的一端，电容C2的另一端和电阻R1的另一端分别连接到电源V1的负极，MOSFET M3的漏极和MOSFET M的漏极分别连接到从绕组L2的两端，MOSFET M3的源极和MOSFET M4的源极分别连接到电源V1的负极，电源V1的负极接地；在MOSFET M1、M2、M3、和M4的内部，漏极和源极之间均并接二极管，漏极连接二极管的阳极，源极连接二极管的阴极，MOSFET M1、M2、M3、和M4的栅极均连接驱动电路。
所述从绕组L2的电感量远远小于主绕组L1的电感量。
本实用新型的基于软开关的非隔离降压拓扑结构解决了以下问题：
1)解决非隔离降压电源中MOSFET(开关管)开关损耗问题；
2)解决非隔离降压电源中MOSFET(开关管)的电流、电压开启瞬间的应力问题；
3)解决非隔离降压电源中EMI(电磁干扰)严重的问题；
4)解决非隔离降压电源因开关频率低导致电路中电感、电容体积庞大的问题；
5)解决非隔离降压电源转换效率因现有拓扑而无法提升大问题。
本实用新型的基于软开关的非隔离降压拓扑结构，在保持原buck拓扑的基础上通过软开关降低能量消耗、降低电磁干扰，利用增加开关频率实现电源的小型化，提高功率密度。
附图说明
图1为常用的非隔离降压电源多采用buck拓扑；
图2为实用新型的基于软开关的非隔离降压拓扑结构图；
图3为图2起始时刻的分析图；
图4为图2续流时刻的分析图；
图5为图2箝位时刻的分析图。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本实用新型的内容作进一步介绍：
一种基于软开关的非隔离降压拓扑结构，包括电源V1，电容C1和C2，负载R1，MOSFETM1、M2、M3、和M4，变压器K1以及变压器K1的主绕组L1、从绕组L2，所述电源V1的正极分别并接电容C1的一端和MOSFET M1的漏极，电容C1的另一端连接到电源V1的负极，MOSFETM1的源极分别并接MOSFET M2的漏极和主绕组L1的一端，MOSFET M2的源极连接到电源V1的负极，主绕组L1的另一端分别并接电容C2的一端和电阻R1的一端，电容C2的另一端和电阻R1的另一端分别连接到电源V1的负极，MOSFET M3的漏极和MOSFET M的漏极分别连接到从绕组L2的两端，MOSFET M3的源极和MOSFET M4的源极分别连接到电源V1的负极，电源V1的负极接地；在MOSFET M1、M2、M3、和M4的内部，漏极和源极之间均并接二极管，漏极连接二极管的阳极，源极连接二极管的阴极，MOSFET M1、M2、M3、和M4的栅极均连接驱动电路。驱动信号由DSC(数字信号控制器)输出。
其中，所述从绕组L2的电感量远远小于主绕组L1的电感量。
如图2所示是本实用新型的基于软开关的非隔离降压拓扑结构图。其中，V1：输入电源；C1：输入电容；MOSFET M1：开关管；MOSFET M2：续流管；MOSFET M3、MOSFET M4：箝位开关；L1：电感，变压器K1的主绕组；L2：电感，变压器K1的从绕组；C2：输出电容；R1：负载。本实用新型的关键在于在如图1所示的常用的非隔离降压电源多采用buck拓扑上增加MOSFET M3、MOSFET M4和变压器次绕组L2。
以下为电源处于稳态时的分析：
参考图3，输入为Vin，输出为Vout，起始时刻：设MOSFET M1在零电压开启，主绕组L1的端电压为Vin-Vout，则主绕组L1的电流开始以一定斜率上升，电流流过输出电容C1和负载R1，由负极R1返回输入电源，构成回路。这个阶段主绕组L1开始存储能量，此时Vs＝Vin。MOSFET M2无电流流过，MOSFET M2的并联二极管反向截止。箝位开关MOSFET M3、MOSFETM4同样关闭，而且因为箝位开关MOSFET M3与MOSFET M4内部并联的二极管互相反向，所以从绕组L2只有感应电压，没有电流流过，即不消耗能量。
参考图4，续流时刻：在MOSFET M1关断时，由于Vs＝Vin，即MOSFET M1的Vds为零，所以MOSFET M1为零电压关断。此时，因主绕组L1电流不能突变，电流经主绕组L1、负载R1、续流开关MOSFET M2构成回路。在这个回路中，初始时MOSFET M2内部结电容电压为Vs，随着电流流过，MOSFET M2内部结电容经回路开始放电，在MOSFET M2内部结电容放电至MOSFET M2内部二极管正向导通电压时，MOSFET M2内部内部二极管续流。此时打开续流开关MOSFET M2，因为MOSFET M2的Vds电压近似为零，所以MOSFET M2为零电压开启。
参考图5，箝位时刻：当主绕组L1流向负载的电流由正转向负时，关断MOSFET M2。由于回路电流接近零，且MOSFET M2的Vds为零，即MOSFET M2的损耗为零。在MOSFET M2关断时，主绕组L1电压约等于Vout，同时从绕组L2的感应电压与Vout成正比。主绕组L1电流为负并以一定斜率上降。此时，开启箝位开关MOSFET M3、MOSFET M4，使从绕组L2短路，则从绕组L2的电流激增(由于从绕组L2的感应电压远远小于Vout，所以损耗极小)，由电磁感应定律可知主绕组L1电流升高。(我们通过计算获得能量的大小，并确定箝位时间)在判断电流达到设定值时，关闭箝位开关MOSFET M3、MOSFET M4，由di/dt＝U/L，当箝位电路中电流回路被切断，则在主绕组L1上会感应出一个较高的电压，此电压给MOSFET M2的寄生电容充电，一直充到Vin-Vd，然后通过MOSFET M1的寄生二极管给输入反馈电能。此时MOSFET M1的Vds电压近似为零，为MOSFET M1零电压导通做好了准备。
以上三步就是本拓扑的一个开关周期，均实现了零电压开启、零电压关断。
Claims (2)
1.一种基于软开关的非隔离降压拓扑结构，其特征在于：包括电源V1，电容C1和C2，负载R1，MOSFET M1、M2、M3、和M4，变压器K1以及变压器K1的主绕组L1、从绕组L2，所述电源V1的正极分别并接电容C1的一端和MOSFET M1的漏极，电容C1的另一端连接到电源V1的负极，MOSFET M1的源极分别并接MOSFET M2的漏极和主绕组L1的一端，MOSFETM2的源极连接到电源V1的负极，主绕组L1的另一端分别并接电容C2的一端和电阻R1的一端，电容C2的另一端和电阻R1的另一端分别连接到电源V1的负极，MOSFET M3的漏极和MOSFET M的漏极分别连接到从绕组L2的两端，MOSFET M3的源极和MOSFET M4的源极分别连接到电源V1的负极，电源V1的负极接地；在MOSFET M1、M2、M3、和M4的内部，漏极和源极之间均并接二极管，漏极连接二极管的阳极，源极连接二极管的阴极，MOSFET M1、M2、M3、和M4的栅极均连接驱动电路。
2.根据权利要求1所述的基于软开关的非隔离降压拓扑结构，其特征在于：所述从绕组L2的电感量远远小于主绕组L1的电感量。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
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| CN201620239516.6U CN205490157U (zh) | 2016-03-25 | 2016-03-25 | 一种基于软开关的非隔离降压拓扑结构 |
Applications Claiming Priority (1)
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| CN201620239516.6U CN205490157U (zh) | 2016-03-25 | 2016-03-25 | 一种基于软开关的非隔离降压拓扑结构 |
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| CN205490157U true CN205490157U (zh) | 2016-08-17 |
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| CN201620239516.6U Active CN205490157U (zh) | 2016-03-25 | 2016-03-25 | 一种基于软开关的非隔离降压拓扑结构 |
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| CN (1) | CN205490157U (zh) |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN111224545A (zh) * | 2020-02-27 | 2020-06-02 | 广州金升阳科技有限公司 | 一种软开关Buck变换器及其控制方法 |
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2016
- 2016-03-25 CN CN201620239516.6U patent/CN205490157U/zh active Active
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