CN206060530U - 一种单管buck‑boost软开关装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及一种单管buck‑boost软开关装置。本实用新型使用单管BUCK‑BOOST软开关PWM变换器电路的连接，在普通BUCK‑BOOST电路中通过增加一个辅助开关管、一个谐振电感和一个谐振电容，在开关过程前后引入谐振。本实用新型克服了过去硬开关Buck‑boost变换器随着开关频率的提高，开关过程中电压，电流均不为零，出现了重叠，开关损耗较大，电压与电流尖峰也较大，电磁干扰比较严重等缺陷。本实用新型通过增加一个谐振电感与谐振电容，在开关过程前后引入谐振，就可以消除开关过程中电流和电压的重叠，降低他们的变化率，从而大大减小开关损耗，与此同时使开关噪声也显著减小，具有低成本、高性能、高功率密度的优点，节约能源，符合市场需求。

Description

一种单管buck-boost软开关装置

技术领域

本实用新型属于电力电子领域，具体涉及一种单管buck-boost软开关装置。

背景技术

在本实用新型发明之前，社会中常用的硬开关Buck-boost变换器随着开关频率的提高，开关损耗较大。同时，由于功率开关切换而产生的电压与电流尖峰也较大，电磁干扰比较严重。更优化些的则采用功率管缓冲吸收电路或软开关PWM控制的电路即使在高频工作时开关损耗也会明显降低，同时也减少了电压电流尖峰所带来的危害，但是附加在功率管上的无源无损缓冲吸收电路在输入或负载变化时，很难保证其吸收效果，效率难以进一步提高。在有些软开关PWM控制的电路中，存在着主功率管能实现软开关工作而辅助功率管不能完全实现软开关工作的情况，使电路效率提高受到影响。目前，单管BUCK-BOOST软开关拓扑很少，需要开发效率高、性能好的BUCK-BOOST软开关拓扑结构。

实用新型内容

本实用新型的目的在于克服上述缺陷，研制一种单管BUCK-BOOST软开关装置。

本实用新型的技术方案是：

一种单管BUCK-BOOST软开关装置，其主要技术特征在于：直流电源(VDC₁)的正极同时连接到第一功率开关管(M₁)的漏极、第一功率二极管(D₁)阴极和第三电容(C₃)的一端；第一功率开关管(M₁)的源极同时连接到第一功率二极管(D₁)的阳极、第三电容(C₃)的另一端、第二电感(L₂)的一端、第一电感(L₁)的一端、第三二极管(D₃)的阴极；第二电感(L₂)的另一端连接到第二电容(C₂)的一端，第二电容(C₂)的另一端同时连接到第二功率开关管(M₂)的源极和第二功率二极管(D₂)的阳极；第二功率二极管(D₂)的阴极、第二功率开关管(M2)的漏极与输入直流电源(VDC₁)负极连接在一起；第一电感(L₁)的另一端连接到输入直流电源(VDC₁)的负极；第三二极管(D₃) 的阳极同时连接到第一电容(C₁)的负端和负载(R₁)的一端，第一电容(C₁)的正端与负载(R₁)的另一端同时连接到输入直流电源(VDC₁)的负极。

所述第一功率开关管(M1)和第二功率开关管(M2)周期性的接通与断开，第二功率开关管(M2)先于第一功率开关管(M1)导通，第二功率开关管(M2)导通时间是固定的，PWM的调节时间由第一功率开关管(M1)导通时间决定。

所述的第三电容(C₃)为第一功率开关管(M₁)的寄生电容。

所述第一功率二极管(D₁)为第一功率开关管(M₁)反并二极管或体二极管。

所述的第二功率二极管(D₂)可为所述的第二功率开关管(M₂)的反并二极管或体二极管。

第一电感(L₁)的电感量大于第二电感(L₂)；第一电容(C₁)的电容量大于第二电容(C₂)和第三电容(C₃)。

本实用新型的优点和效果在于：两个功率开关管完全在软开关状态下工作；所有功率二极管都自然关断，可降低对功率二极管反向恢复时间的要求；与硬开关电路相比，只需增加很少的器件，就能在性能上获得很大的提高，形成开发效率高、性能好的BUCK-BOOST软开关拓扑结构。

由于具有低成本、高性能、高功率密度的优点，在光伏发电系统的直流变换部分、电池充电系统及相关应用场合发挥较大作用。这是一种节约能源的装置，符合国家提倡的节能减排的发展要求，因而，也符合市场需求，在新能源发电、蓄电池充电系统及相关领域具有很大的市场前景，能带来较好的市场经济效益。

附图说明

图1——本实用新型的总拓扑示意图。

图2——本实用新型的波形示意图。

图3——本实用新型中BUCK-BOOST拓扑模式1工作示意图。

图4——本实用新型中BUCK-BOOST拓扑模式2工作示意图。

图5——本实用新型中BUCK-BOOST拓扑模式3工作示意图。

图6——本实用新型中BUCK-BOOST拓扑模式4工作示意图。

图7——本实用新型中BUCK-BOOST拓扑模式5工作示意图。

图8——本实用新型中BUCK-BOOST拓扑模式6工作示意图。

图9——本实用新型中BUCK-BOOST拓扑模式7工作示意图。

图10——本实用新型中BUCK-BOOST拓扑模式8工作示意图。

具体实施方式

为进一步阐述本新型实用型的内容和特点，以下结合附图对本实用新型的具体实施方案进行具体说明。

本实用新型的技术思路是：

包括输入直流电源(VDC₁)、第一功率开关管(M₁)、第二功率开关管(M₂)，第一功率二极管(D₁)、第二功率二极管(D₂)、第三功率二极管(D₃)、第一电感(L₁)、第二电感(L₂)、第一电容(C1)、第二电容(C₂)、第三电容(C₃)和负载(R₁)构成的新型单管BUCK-BOOST软开关功率电路。

如图1、图2所示：

本实用新型包括：直流电源(VDC₁)、第一功率开关管(M₁)、第二功率开关管(M₂)，第一功率二极管(D₁)、第二功率二极管(D₂)、第三功率二极管(D₃)、第一电感(L₁)、第二电感(L₂)、第一电容(C₁)、第二电容(C₂)、第三电容(C₃)和负载(R₁)构成的新型BUCK-BOOST软开关功率电路。

BUCK-BOOST包含器件输入直流电源(VDC1)、第一功率开关管(M1)、第一功率二极管(D1)、第二功率二极管(D2)、第三功率二极管(D3)、第一电感(L1)、第一电容(C1)、第三电容(C3)和负载(R1)，增加一个第二功率开关管(M2)，其源极与新增的一个谐振电感(C2)相连接，其漏极与输入直流电源(VDC1)负极连接在一起，谐振电感(C2)另一端和新增的一个谐振电容(L2)一端相连接，谐振电容(L2)的另一端则与第一功率开关管(M1)的阳极相连接，整个电路通过PWM变换器方式的连接，在开关过程前后引入谐振。

直流电源(VDC₁)的正极同时连接到第一功率开关管(M₁)的漏极、第一功率二极管(D₁)阴极和第三电容(C₃)的一端；第一功率开关管(M₁)的源极同时连接到第一功率二极管(D₁)的阳极、第三电容(C₃)的另一端、第二电感(L₂)的一端、第一电感(L₁)的一端、第三二极管(D₃)的阴极；第二电感(L₂)的另一端连接到第二电容(C₂)的一端，第二电容(C₂)的另一端同时连接到第二功率开关管(M₂)的源极和第二功率二极管(D₂)的阳极；第二功率二极管(D₂)的阴极、第二功率开关管(M2)的漏极与输入直流电源(VDC₁)负极连接在一起；第一电感(L₁)的另一端连接到输入直流电源(VDC₁)的负极；第三二极管(D₃)的阳极同时连接到第一电容(C₁)的负端和负载(R₁)的一端，第一电容(C₁)的正端与负载(R₁)的另一端同时连接到输入直流电源(VDC₁)的负极；输入直流电源的负极和输出的正极是同一电位。

所述变换器中，输入直流电源(VDC₁)的正极同时连接到第一功率开关管(M₁)的漏极、第一功率二极管(D₁)阴极和第三电容(C₃)的一端；第一功率开关管(M₁)的源极同时连接到第一功率二极管(D₁)的阳极、第三电容(C₃)的另一端、第二电感(L₂)的一端、第一电感(L₁)的一端、第三二极管(D₃)的阴 极；第二电感(L₂)的另一端连接到第二电容(C₂)的一端，第二电容(C₂)的另一端同时连接到第二功率开关管(M₂)的源极和第二二极管(D₂)的阳极；第二二极管(D₂)的阴极、第二功率开关管(M₂)的漏极与输入直流电源(VDC₁)负极连接在一起；第一电感(L₁)的另一端连接到输入直流电源(VDC₁)的负极；第三二极管(D₃)的阳极同时连接到第一电容(C₁)的负端和负载(R₁)的一端，第一电容(C₁)的正端与负载(R₁)的另一端同时连接到输入直流电源(VDC₁)的负极；输入直流电源的负极和输出的正极是同一电位。

在工作中，第二功率开关管(M₂)先于第一功率开关管(M₁)导通。当第二功率开关管(M₂)导通时，第二电感(L₂)与第二电容(C₂)发生谐振，第二电感(L₂)中的电流从零开始增加，可见第二功率开关管(M₂)为零电流开通，同时第二电容(C₂)中的电压会下降，当第二电感(L₂)中电流从零增加到第一电感电流的值时，第三功率二极管(D₃)自然关断。第三功率二极管(D₃)关断后，第三电容(C₃)与第二电感(L₂)和第二电容(C₂)发生谐振，第三电容(C₃)中电压谐振放电到零时，第一功率二极管(D₁)开始导通，把第一功率开关管(M₁)漏源两端电压箝位在零，此时开通第一功率开关管(M₁)为零电压开通。然后，第二电感(L₂)与第二电容(C₂)继续发生谐振，第二电感的电流与第二电容的电压方向均发生变化，使得谐振电流经第二功率二极管(D₂)流通，由于第二功率二极管(D₂)导通，把第二功率开关管(M₂)漏源两端电压箝位在零，此时关断第二功率开关管(M₂)为零电压关断。到谐振结束时，第二功率二极管(D₂)自然关断，电路建立PWM工作方式。在第一功率开关管(M₁)关断时，由于第三电容(C₃)的两端电压为零，使得第一功率开关管(M₁)为零电压关断。

下面以图1、图2所示的主电路结构和工作波形，结合图3至图10叙述本实用新型的具体工作原理。

在图3至图10的等效电路中，由于第一电感L₁和第一电容C₁较大，在分析谐振软开关过程时，可认为在开关周期中，L₁中电流基本保持不变，并用等效电流源I_L1表示；C₁中电压基本保持不变，并用等效电压源V₀表示。

在t₀之前第一功率开关管M₁和第二功率开关管M₂均截止，第三功率二极管D₃导通，等效电路如图10所示。

图3表示在t₀--t₁时段的等效电路，在t₀时刻第二功率开关M₂被导通，L₂与C₂发生谐振，L₂中电流从零开始增加，而C₂中电压开始下降。当L₂中电流增加到I_L1时，D₃自然关断，可见M₂属零电流开通。

图4表示在t₁-t₂时段的等效电路，在t₁时刻，D₃关断后，L2、C₃和C₂之间发生谐振，C₃和C₂向L₂放电，L₂中电流进一步增加，输入电流i₁反向，当C₃中电压放电到零时，D₁开始导通。

图5表示在t₂-t₃时段的等效电路，D₁导通后，L₂、C₂继续谐振，C₂上的能量继续转移到L₂中，在t₃时刻L₂中电流达到最大，而C₂中电压为零。在这段时间内，由于D₁导通使第一功率开关管M₁两端电压为零。所以在此阶段开通M₁，M₁为零电压开通，i₁继续流过反向电流。

图6表示在t₃-t₄时段的等效电路，在此阶段中，L₂、C₂继续谐振，L₂中能量开始传递给C₂，C₂两端电压极性改变，当L₂中电流达到I_L1时，D₁自然关断，功率管M₁开始流过电流，i₁正向上升。在t₄时刻，L₂中电流为零，C₂两端反向电压最大。

图7表示在t₄-t₅时段的等效电路，在此阶段中，L₂、C₂继续谐振，L₂中电流开始反向并通过D₂流通。C₂中电压由反向最大谐振到正向最大，由于D₂导通，M₂两端电压为零。若在此阶段内关断M₂，M₂为零电压关断。到t₅时刻，谐振结束，D₂自然关断。

图8表示在t₅-t₆时段的等效电路，电路建立PWM工作方式。

图9表示在t₆-t₇时段的等效电路，在t₆时刻关断M1，因电容C₃的作用，M₁为零电压关断。同时，VDC₁对C₃恒流充电，C₃上电压上升到本工作周期开始的初始值，i₁随之下降到零。

图10表示在t₇-t₈时段的等效电路，在t₇时刻，C₃充电完毕，同时D₃导通，电路又重建PWM工作方式。至此一个开关周期结束。

Claims (6)

1.一种单管BUCK-BOOST软开关装置，其特征在于：直流电源(VDC₁)的正极同时连接到第一功率开关管(M₁)的漏极、第一功率二极管(D₁)阴极和第三电容(C₃)的一端；第一功率开关管(M₁)的源极同时连接到第一功率二极管(D₁)的阳极、第三电容(C₃)的另一端、第二电感(L₂)的一端、第一电感(L₁)的一端、第三二极管(D₃)的阴极；第二电感(L₂)的另一端连接到第二电容(C₂)的一端，第二电容(C₂)的另一端同时连接到第二功率开关管(M₂)的源极和第二功率二极管(D₂)的阳极；第二功率二极管(D₂)的阴极、第二功率开关管(M2)的漏极与输入直流电源(VDC₁)负极连接在一起；第一电感(L₁)的另一端连接到输入直流电源(VDC₁)的负极；第三二极管(D₃)的阳极同时连接到第一电容(C₁)的负端和负载(R₁)的一端，第一电容(C₁)的正端与负载(R₁)的另一端同时连接到输入直流电源(VDC₁)的负极。

2.根据权利要求1所述的一种单管BUCK-BOOST软开关装置，其特征在于：所述第一功率开关管(M1)和第二功率开关管(M2)周期性的接通与断开，第二功率开关管(M2)先于第一功率开关管(M1)导通，第二功率开关管(M2)导通时间是固定的，PWM的调节时间由第一功率开关管(M1)导通时间决定。

3.根据权利要求1所述的一种单管BUCK-BOOST软开关装置，其特征在于：所述的第三电容(C₃)为第一功率开关管(M₁)的寄生电容。

4.根据权利要求1所述的一种单管BUCK-BOOST软开关装置，其特征在于：所述第一功率二极管(D₁)为第一功率开关管(M₁)反并二极管或体二极管。

5.根据权利要求1所述的一种单管BUCK-BOOST软开关装置，其特征在于：所述的第二功率二极管(D₂)可为所述的第二功率开关管(M₂)的反并二极管或体二极管。

6.根据权利要求2所述的一种单管BUCK-BOOST软开关装置，其特征在于：第一电感(L₁)的电感量大于第二电感(L₂)；第一电容(C₁)的电容量大于第二电容(C₂)和第三电容(C₃)。