CN208638340U - 转换开关变换及控制电路 - Google Patents

Abstract

本申请涉及一种转换开关变换及控制电路，包括谐振电路、主开关管、辅助开关管、同步整流管、第一二极管、电压检测电路、电压输出端和控制器，控制器连接主开关管、辅助开关管和同步整流管的控制端，主开关管的第一端用于连接外部电源的负极，第二端用于连接外部电源的正极，且连接同步整流管的第二端，同步整流管的第一端连接电压输出端；谐振电路和辅助开关管串联后一端连接主开关管的第二端，另一端连接主开关管的第一端，第一二极管的阳极连接谐振电路和辅助开关管的公共端，第一二极管的阴极连接同步整流管的第一端。通过控制器的控制消除了主开关管在开关过程中电压、电流的重叠，从而使主开关管实现零电流关断，有效降低开关损耗。

Description

转换开关变换及控制电路

技术领域

本申请涉及开关控制技术领域，特别是涉及一种转换开关变换及控制电路。

背景技术

开关在开通或者关断时，器件上的电压(或电流)不等于零，即强迫器件在此时关断，因此在开关过程中电压、电流均不为零，出现了重叠，有非常显著的开关损耗，传统的开关在开通或关断时，开关损耗大，亟需一种可减小开关损耗的控制电路。

实用新型内容

基于此，有必要针对上述问题，提供一种可减小开关损耗的转换开关变换及控制电路。

一种转换开关变换及控制电路，包括谐振电路、主开关管、辅助开关管、同步整流管、第一二极管、电压检测电路、电压输出端和控制器，所述控制器连接所述主开关管的控制端、所述辅助开关管的控制端和所述同步整流管的控制端，所述主开关管的第一端用于连接外部电源的负极，所述主开关管的第二端用于连接外部电源的正极，且连接所述同步整流管的第二端，所述同步整流管的第一端连接所述电压输出端；所述谐振电路和所述辅助开关管串联后一端连接所述主开关管的第二端，另一端连接所述主开关管的第一端，所述第一二极管的阳极连接所述谐振电路和所述辅助开关管的公共端，所述第一二极管的阴极连接所述同步整流管的第一端，所述电压检测电路连接所述电压输出端和所述控制器。

上述转换开关控制电路，电压检测电路用于检测输出电压并发送至控制器；控制器用于根据接收的输出电压和预设电压输出第一控制信号、第二控制信号和第三控制信号，第一控制信号用于控制主开关管在主开关管的电流自然过零时关断，第二控制信号用于控制辅助开关管的开通和关断，第三控制信号用于控制同步整流管的开通和关断。通过控制器输出第二控制信号和第三控制信号分别控制辅助开关管和同步整流管的开通、关闭产生LC振荡，对主开关管的驱动波形进行整形，使主开关管的电流按正弦的规律变化，并在主开关管的电流自然过零时输出第一控制信号控制主开关管关断，消除了主开关管在开关过程中电压、电流的重叠，从而使主开关管实现零电流关断，减小开关损耗。

附图说明

图1为一个实施例中转换开关变换及控制电路结构框图；

图2为另一个实施例中转换开关变换及控制电路结构框图；

图3为又一个实施例中转换开关变换及控制电路结构示意图；

图4为又一个实施例中转换开关变换及控制电路结构示意图；

图5为又一个实施例中转换开关变换及控制电路结构示意图；

图6为一个实施例中转换开关变换及控制电路零电流开关工作波形示意图。

具体实施方式

在一个实施例中，如图1所示，一种转换开关变换及控制电路，包括谐振电路130、主开关管T、辅助开关管T1、同步整流管T2、第一二极管D1、电压检测电路120、电压输出端U0和控制器110，控制器110连接主开关管T的控制端、辅助开关管T1的控制端和同步整流管T2的控制端，主开关管T的第一端用于连接外部电源的负极，主开关管T的第二端用于连接外部电源的正极，且连接同步整流管T2的第二端，同步整流管T2的第一端连接电压输出端U0；谐振电路130和辅助开关管T1串联后一端连接主开关管T的第二端，另一端连接主开关管T的第一端，第一二极管D1的阳极连接谐振电路130和辅助开关管T1的公共端，第一二极管D1的阴极连接同步整流管T2的第一端，电压检测电路120连接电压输出端U0和控制器110。

具体地，电压检测电路用于检测输出电压并发送至控制器；控制器用于根据接收的输出电压和预设电压输出第一控制信号、第二控制信号和第三控制信号，第一控制信号用于控制主开关管在主开关管的电流自然过零时关断，第二控制信号用于控制辅助开关管的开通和关断，第三控制信号用于控制同步整流管的开通和关断。在本实施例中，转换开关变换及控制电路为同步整流升压变换器的准谐振零电流转换开关变换及控制电路，外部电源为输入直流电源Ud，也可以是光伏产生的电压或其他直流供电设备，控制器为数字控制芯片如单片机、DSP、FPGA等，预设电压为预先存储在控制器中的电压。控制器通过输出第二控制信号和第三控制信号分别控制辅助开关管和同步整流管在主开关管需要开关状态转变的时候启动谐振电路，对主开关管的驱动波形进行整形，造成主开关管的零电流关断条件，在达到关断条件时输出第一控制信号控制主开关管关断，主功率开关管完成状态转换以后，控制关断辅助开关管，使辅助开关管停止工作，电路重新回到PWM方式下运行。通过控制器控制辅助开关管时，辅助开关管也可以在零电流条件下完成导通与关断的过程。

进一步地，在本实施例中，主开关管、辅助开关管和同步整流管可以是MOS管、IGBT、三极管等具有可控开关能力的器件。

上述转换开关变换及控制电路，控制器用于根据接收的输出电压和预设电压输出第一控制信号、第二控制信号和第三控制信号，通过控制器输出第二控制信号和第三控制信号分别控制辅助开关管和同步整流管的开通、关闭产生LC振荡，第三控制信号的驱动波形与第一控制信号的驱动波形互补，但仍存在一定极小间隔的死区，实现对主开关管的驱动波形进行整形，使主开关管的电流按正弦的规律变化，并在主开关管的电流自然过零时输出第一控制信号控制主开关管关断，消除了主开关管在开关过程中电压、电流的重叠，从而使主开关管实现零电流关断，减小开关损耗，提高变换效率。同时，谐振过程限制了开关过程中电压和电流的变化率，使开关噪声减小，进一步地，根据输出电压和预设电压的差值输出第一控制信号、第二控制信号和第三控制信号，分别调节占空比控制主开关管、辅助开关管和同步整流管的开通和关断时间，可调整电路的环流能量，可在很宽的变化范围内实现软开关操作。

在一个实施例中，谐振电路130包括谐振电容Cr和谐振电感Lr，谐振电容Cr的一端连接主开关管的第二端，谐振电容Cr的另一端连接谐振电感Lr的一端，谐振电感Lr的另一端连接辅助开关管和同步整流管的公共端。

具体地，谐振电感Lr与谐振电容Cr构成谐振回路，控制器控制辅助开关管和同步整流管在需要开关状态转变的时候启动谐振电路，对主开关管的驱动波形进行整形，使主开关管的电压(或电流)按正弦的规律变化。

在一个实施例中，如图2所示，转换开关变换及控制电路还包括均连接控制器110的第一驱动电路140、第二驱动电路150和第三驱动电路160，控制器110通过第一驱动电路140连接主开关管T的控制端，控制器110通过第二驱动电路150连接辅助开关管T1的控制端，控制器通过第三驱动电路160连接同步整流管T2的控制端。

具体地，第一驱动电路对控制器输出的第一控制信号进行对应放大处理，以满足主开关管所需的驱动能力；同理，第二驱动电路对控制器输出的第二控制信号进行对应放大处理，以满足辅助开关管所需的驱动能力；第三驱动电路对控制器输出的第三控制信号进行对应放大处理，以满足同步整流管所需的驱动能力，在本实施例中，第一控制信号、第二控制信号和第三控制信号为PWM信号。

在一个实施例中，如图3所示，转换开关变换及控制电路还包括第一检测电压调理电路170，电压检测电路120通过第一检测电压调理电路170连接控制器110。

具体地，电压检测电路用于检测输出端Uo两端的电压，第一检测电压调理电路将检测出的电压进行处理成可让处理器识别和安全运行的信号。

在一个实施例中，如图4所示，转换开关变换及控制电路还包括直流滤波电路180，直流滤波电路180的第一端连接主开关管T的第二端，直流滤波电路180的第二端连接主开关管T的第一端。

具体地，直流滤波电路用于滤除输入直流电压中的杂波，尽可能减小直流电压中的交流成分，保留其直流成分，使输出电压纹波系数降低，波形变得比较平滑，稳定性高。

在一个实施例中，转换开关变换及控制电路还包括滤波电容Cf，滤波电容Cf一端连接电压输出端U0，另一端接地。

具体地，滤波电容是指安装在整流电路两端用以降低交流脉动波纹系数提升高效平滑直流输出的一种储能器件，同样是用于滤除直流电压中的杂波，提高输出电压的稳定性。

在一个实施例中，转换开关变换及控制电路还包括储能电感Lf，储能电感Lf的初级侧一端用于连接外部电源的正极，另一端连接主开关管T的第二端，储能电感Lf的次级侧一端连接控制器110，另一端接地。

具体地，储能电感用于储存磁场能，以及滤除输入直流电压中的杂波，用以降低交流脉动波纹系数提升高效平滑直流输出，将储存的输入直流电压发送至控制器，输入直流电压为上文中的预设电压，以供控制器根据输出电压和储能电感发送的输入直流电压输出第一控制信号、第二控制信号和第三控制信号，分别控制主开关管、辅助开关管和同步整流管开通和关闭时间。

进一步地，当电路中所有元器件都是理想的时，电路中输入滤波电感足够大，故在一个开关周期内，输入电压源Ud(外部电源)及储能电感Lf可以用一个恒流源Ii代替，否则，输入电压源Ud(外部电源)为恒压源；滤波电容Cf足够大，故在一个开关周期中，Cf和输出负载可用一个恒压源代替。

在一个实施例中，如图5所示，转换开关变换及控制电路还包括第二检测电压调理电路190，储能电感Lf的次级侧通过第二检测电压调理电路190连接控制器110。

具体地，第二检测电压调理电路用于将储能电感输出的电压进行处理成可让处理器识别和安全运行的信号。

在一个实施例中，转换开关变换及控制电路还包括第二二极管D2，第二二极管D2的阳极连接主开关管T的第一端，第二二极管D2的阴极连接主开关管T的第二端。

在一个实施例中，转换开关变换及控制电路还包括第三二极管D3，第三二极管D3的阳极连接辅助开关管T1的第一端，第三二极管D3的阴极连接辅助开关管T1的第二端。

具体地，第二二极管与主开关管反向并联，第三二极管与辅助开关管反向并联，在开关管关断瞬间起到续流作用，为开关管供一个续流回路，使其关断瞬间剩余电流可以较平缓的变化，避免突波电压的发生破坏开关管。

在一个实施例中，一种转换开关变换及控制电路，包括直流滤波电路180、谐振电容Cr、谐振电容Lr、主开关管T、辅助开关管T1、同步整流管T2、第一二极管D1、第二二极管D2、第三二极管D3、滤波电容Cf、储能电感Lf、电压检测电路120、电压输出端U0、控制器110、第一检测电压调理电路170、第二检测电压调理电路190、第一驱动电路140、第二驱动电路150和第三驱动电路160，主开关管T的第一端用于连接外部电源Ud的负极，主开关管T的第二端用于连接外部电源Ud的正极，且连接同步整流管T2的第二端，直流滤波电路180的第一端连接主开关管T的第二端，直流滤波电路180的第二端连接主开关管T的第一端，谐振电容Cr的一端连接主开关管T的第二端，谐振电容Cr的另一端连接谐振电容Lr的一端，谐振电容Lr的另一端连接辅助开关管T1的第二端，辅助开关管T1的第一端连接主开关管T的第一端，第一二极管D1的阳极连接谐振电容Cr和辅助开关管T1的公共端，第一二极管D1的阴极连接同步整流管T2和电压输出端U0的公共端，第二二极管D2的阳极连接主开关管T的第一端，第二二极管D2的阴极连接主开关管T的第二端；第三二极管D3的阳极连接辅助开关管T1的第一端，第三二极管D3的阴极连接辅助开关管T1的第二端，电压检测电路120连接电压输出端U0，并通过第一检测电压调理电路170连接控制器110，控制器110通过第一驱动电路140连接主开关管T的控制端，控制器110通过第二驱动电路150连接辅助开关管T1的控制端，控制器110通过第三驱动电路160连接同步整流管T2的控制端，滤波电容Cf一端连接同步整流管T2和电压输出端U0的公共端，另一端接地，储能电感Lf的初级侧一端用于连接外部电源Ud的正极，另一端连接主开关管T的第二端，储能电感Lf的次级侧一端通过第二检测电压调理电路190连接控制器110，另一端接地。

在一个实际的应用场景中，如图6所示，为电路的工作波形图，其中，Ug为主开关管T驱动波形、Ug1为辅助开关管T1驱动波形、UCr为谐振电容Cr两端电压、ILr为流过谐振电感、Lr的电流IT为流过主开关管T的电流、UT为主开关管T两端电压、IT2为流过同步整流管T2的电流、IT1为流过辅助开关管T1的电流，从电路的工作波形中我们可以看出，在一个开关周期中，可分五个阶段来分析工作过程：

第一阶段：t0<t<t1

当t＝t0时，辅助开关管T1先于主开关管T开通，此时同步整流管T2处于关断状态，第一二极管D1处于截止状态，谐振电感Lr与谐振电容Cr构成谐振回路，谐振电感Lr中电流按准正弦规律变化。由于输入电流Ii恒定，因而主开关电流iT谐振下降，谐振电容Cr两端电压则谐振上升变正，在iT下降过零，当t＝t1时，达到一个较小的负值，关断主开关管T，剩余电流流经主开关管T的反并联第二二极管。

第二阶段：t1<t<t2

当t＝t1时，关断主开关管T和辅助开关管T1，同步整流管T2开通，第一二极管D1导通，使谐振电感Lr与谐振电容Cr通过同步整流管T2与第一二极管D1谐振，ILr从Ii谐振到零，t＝t2时谐振电容Cr两端电压上升到最大。

第三阶段：t2<t<t3

PWM工作阶段，t＝t2时，谐振电感Lr与谐振电容Cr结束了半周期谐振，同步整流管T2处于关断状态，第一二极管D1处于截止状态，变换器的主开关管T也处于关断状态，iT＝ILr＝0，谐振电容Cr两端电压UCr＝Ud不变。

第四阶段：t3<t<t4

当t＝t3时，驱动主开关管T导通，电流IT由零跃变至Ii，谐振电感Lr与谐振电容Cr通过主开关管T形成谐振回路。iT及ILr按准正弦规律变化。t＝t4时，ILr＝0，iT＝Ii，谐振电容Cr两端电压由UCr＝Ud谐振下降至UCr＝-Ud。

第五阶段：t4<t<t5

此阶段为续流阶段，当t＝t4时，主开关管T的反并联二极管处于截止状态，输入电流源短路，相当于升压电路的开关管处于导通状态，t＝t5时进入下一个开关周期。

上述转换开关变换及控制电路，通过控制器输出第二控制信号和第三控制信号分别控制辅助开关管和同步整流管的开通、关闭产生LC振荡，对主开关管的驱动波形进行整形，使主开关管的电流按正弦的规律变化，当根据输出电压和预设电压检测到电流自然过零时输出第一控制信号控制主开关管关断，从而使主开关管实现零电流关断，消除了主开关管在开关过程中电压、电流的重叠，减小了因使用硬开关技术和传统整流电路带来的开关损耗及温升问题，减小开关损耗，提高转换整体效率，同时，谐振过程限制了开关过程中电压和电流的变化率，使开关噪声减小，同时根据输出电压和预设电压的差值输出第一控制信号、第二控制信号和第三控制信号，分别控制主开关管、辅助开关管和同步整流管的开通和关断时间，可自适应调整电路的环流能量，可在很宽的变化范围内实现软开关操作，且可实现高频化，有效减小电路的体积和重量。

以上实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。

以上实施例仅表达了本申请的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本申请构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本申请的保护范围。因此，本申请专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (10)

1.一种转换开关变换及控制电路，其特征在于，包括谐振电路、主开关管、辅助开关管、同步整流管、第一二极管、电压检测电路、电压输出端和控制器，所述控制器连接所述主开关管的控制端、所述辅助开关管的控制端和所述同步整流管的控制端，所述主开关管的第一端用于连接外部电源的负极，所述主开关管的第二端用于连接外部电源的正极，且连接所述同步整流管的第二端，所述同步整流管的第一端连接所述电压输出端；所述谐振电路和所述辅助开关管串联后一端连接所述主开关管的第二端，另一端连接所述主开关管的第一端，所述第一二极管的阳极连接所述谐振电路和所述辅助开关管的公共端，所述第一二极管的阴极连接所述同步整流管的第一端，所述电压检测电路连接所述电压输出端和所述控制器。

2.根据权利要求1所述的转换开关变换及控制电路，其特征在于，所述谐振电路包括谐振电容和谐振电感，所述谐振电容的一端连接所述主开关管的第二端，所述谐振电容的另一端连接所述谐振电感的一端，所述谐振电感的另一端连接所述辅助开关管和所述同步整流管的公共端。

3.根据权利要求1所述的转换开关变换及控制电路，其特征在于，还包括均连接所述控制器的第一驱动电路、第二驱动电路和第三驱动电路，所述控制器通过第一驱动电路连接所述主开关管的控制端，所述控制器通过第二驱动电路连接所述辅助开关管的控制端，所述控制器通过第三驱动电路连接所述同步整流管的控制端。

4.根据权利要求1所述的转换开关变换及控制电路，其特征在于，还包括第一检测电压调理电路，所述电压检测电路通过所述第一检测电压调理电路连接所述控制器。

5.根据权利要求1所述的转换开关变换及控制电路，其特征在于，还包括直流滤波电路，所述直流滤波电路的第一端连接所述主开关管的第二端，所述直流滤波电路的第二端连接所述主开关管的第一端。

6.根据权利要求1所述的转换开关变换及控制电路，其特征在于，还包括滤波电容，所述滤波电容一端连接所述电压输出端，另一端接地。

7.根据权利要求1所述的转换开关变换及控制电路，其特征在于，还包括储能电感，所述储能电感的初级侧一端用于连接外部电源的正极，另一端连接所述主开关管的第二端，所述储能电感的次级侧一端连接所述控制器，另一端接地。

8.根据权利要求7所述的转换开关变换及控制电路，其特征在于，还包括第二检测电压调理电路，所述储能电感的次级侧通过所述第二检测电压调理电路连接所述控制器。

9.根据权利要求1所述的转换开关变换及控制电路，其特征在于，还包括第二二极管，所述第二二极管的阳极连接所述主开关管的第一端，所述第二二极管的阴极连接所述主开关管的第二端。

10.根据权利要求1所述的转换开关变换及控制电路，其特征在于，还包括第三二极管，所述第三二极管的阳极连接所述辅助开关管的第一端，所述第三二极管的阴极连接所述辅助开关管的第二端。