CN213185891U - 一种全负载软开关化的buck变换器和设备 - Google Patents

一种全负载软开关化的buck变换器和设备 Download PDF

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桂存兵
骆雪汇
罗隆
朱洪雷
傅鹤川
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Abstract

本实用新型公开了一种全负载软开关化的BUCK变换器和设备。本实用新型通过设置耦合电感元件，包括原边线圈、副边线圈、漏感和励磁电感，通过将可控的第二开关管和副边线圈形成辅助支路，达到可控的目的，当需要辅助支路工作时才对第二开关管进行控制，能够降低损耗；而通过引入的耦合电感元件、第二电容、寄生电容的位置设置，形成谐振电路，使得电源输入电压和负载的电流对电路的谐振过程的影响小，实现全负载的软开关化，可广泛应用于电力转换技术领域。

Description

一种全负载软开关化的BUCK变换器和设备
技术领域
本实用新型涉及电力转换技术领域，尤其是一种全负载软开关化的BUCK变换器和设备。
背景技术
现今为了降低开关器件的损耗，通过会利用zvs(软开关技术)，例如现有的同步整流BUCK变换器中。而现今的同步整流BUCK变换器，一方面，具有设置有两个主开关管和电感的主电路，以及设置有例如包含二极管等器件的辅助电路，因而该辅助电路不可控；另一方面，该种结构输入电压与负载上的电流对谐振过程影响非常大，无法实现全负载范围软开关控制。
实用新型内容
为解决上述技术问题，本实用新型的目的在于：提供一种全负载软开关化的BUCK变换器和设备。
本实用新型所采取的技术方案是：一种全负载软开关化的BUCK变换器，包括：耦合电感元件、第一单元、第二单元、第三单元、电源和第一电容；
所述耦合电感元件包括励磁电感、漏感、原边线圈和副边线圈，所述原边线圈一端连接所述第一电容一端以及所述励磁电感一端，所述原边线圈另一端连接所述漏感一端以及所述励磁电感另一端，所述漏感另一端连接所述副边线圈一端、所述第一单元的第二端以及所述第三单元的第一端，所述副边线圈另一端连接所述第二单元的第二端，所述第一电容另一端连接所述电源的负极，所述第一电容用于与负载并联，其中所述原边线圈连接所述漏感的一端、所述副边线圈连接所述第二单元的一端为同名端；
所述第一单元包括第一开关管、第一二极管和第二电容，所述第二电容一端连接所述第一二极管的负极和所述第一开关管的集电极，所述第二电容另一端连接所述第一二极管的正极以及所述第一开关管的发射极，所述第一开关管的集电极作为所述第一单元的第一端，所述第一开关管的发射极作为所述第一单元的第二端；
所述第二单元包括第二开关管、第二二极管和第三电容，所述第三电容一端连接所述第二二极管的负极、所述第二开关管的集电极和所述电源的负极，所述第三电容另一端连接所述第二二极管的正极以及所述第二开关管的发射极，所述第二开关管的集电极作为所述第二单元的第一端，所述第二开关管的发射极作为所述第二单元的第二端；
所述第三单元包括第三开关管、第三二极管和第四电容，所述第四电容与所述第三二极管并联，所述第三二极管的正极连接所述第三开关管的发射极和所述电源的负极，所述第三二极管的负极连接所述第三开关管的集电极，所述第三开关管的集电极作为所述第三单元的第一端，所述第三开关管的发射极作为所述第三单元的第二端。
本实用新型还提供一种设备，包括所述全负载软开关化的BUCK变换器以及所述负载。
本实用新型的有益效果是：通过设置耦合电感元件，包括原边线圈、副边线圈、漏感和励磁电感，通过将可控的第二开关管和副边线圈形成辅助支路，达到可控的目的，当需要辅助支路工作时才对第二开关管进行控制，能够降低损耗；而通过引入的耦合电感元件、第二电容、寄生电容的位置设置，形成谐振电路，使得电源输入电压和负载的电流对电路的谐振过程的影响小，实现全负载的软开关化。
附图说明
图1为本实用新型一种全负载软开关化的BUCK变换器的示意图；
图2为本实用新型一种全负载软开关化的BUCK变换器工作过程的参数变化图。
具体实施方式
为了使本技术领域的人员更好地理解本申请方案，下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本申请一部分的实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本申请保护的范围。
本申请的说明书和权利要求书及所述附图中的术语“第一”、“第二”、“第三”等仅用于区别不同对象，而不是用于描述特定顺序。此外，术语“包括”和“具有”以及它们任何变形，意图在于覆盖不排他的包含。在本文中提及“实施例”意味着，结合实施例描述的特定特征、结构或特性可以包含在本申请的至少一个实施例中。在说明书中的各个位置出现该短语并不一定均是指相同的实施例，也不是与其它实施例互斥的独立的或备选的实施例。本领域技术人员显式地和隐式地理解的是，本文所描述的实施例可以与其它实施例相结合。
下面结合说明书附图和具体实施例对本实用新型作进一步解释和说明。
参照图1，本实用新型实施例提供了一种适用于大占空比条件下的BUCK变换器，包括耦合电感元件、第一单元A、第二单元B、第三单元C、电源Vin和第一电容C1；
所述耦合电感元件包括励磁电感Lm、漏感Lr、原边线圈N1和副边线圈N2(副边线圈与原边线圈的比值为N)，所述原边线圈一端连接所述第一电容C1一端以及所述励磁电感Lm一端，所述原边线圈另一端连接所述漏感Lr一端以及所述励磁电感Lm另一端，所述漏感Lr另一端连接所述副边线圈一端、所述第一单元A的第二端以及所述第三单元C的第一端，所述副边线圈另一端连接所述第二单元B的第二端，所述第一电容C1另一端连接所述电源Vin的负极，所述第一电容C1用于与负载并联，其中所述原边线圈连接所述漏感Lr的一端、所述副边线圈连接所述第二单元B的一端为同名端；
所述第一单元A包括第一开关管S1、第一二极管D1和第二电容C2，所述第二电容C2一端连接所述第一二极管D1的负极和所述第一开关管S1的集电极，所述第二电容C2另一端连接所述第一二极管D1的正极以及所述第一开关管S1的发射极，所述第一开关管S1的集电极作为所述第一单元A的第一端，所述第一开关管S1的发射极作为所述第一单元A的第二端；
所述第二单元B包括第二开关管S11、第二二极管D2和第三电容C3，所述第三电容C3一端连接所述第二二极管D2的负极、所述第二开关管S11的集电极和所述电源Vin的负极，所述第三电容C3另一端连接所述第二二极管D2的正极以及所述第二开关管S11的发射极，所述第二开关管S11的集电极作为所述第二单元B的第一端，所述第二开关管S11的发射极作为所述第二单元B的第二端；
所述第三单元C包括第三开关管S2、第三二极管D3和第四电容C4，所述第四电容C4与所述第三二极管D3并联，所述第三二极管D3的正极连接所述第三开关管S2的发射极和所述电源Vin的负极，所述第三二极管D3的负极连接所述第三开关管S2的集电极，所述第三开关管S2的集电极作为所述第三单元C的第一端，所述第三开关管S2的发射极作为所述第三单元C的第二端。
如图2，S1、S2、S11指的是对不同开关管控制的脉冲，
Figure BDA0002662076310000031
为可提前控制的时间长度。
下面详细描述本实用新型的具体工作过程：
Ⅰ阶段：t1～t2，未到t1时刻，可控的第二开关管S11导通，第一开关管S1处于导通状态，第二开关管所在辅助支路中的电流iD减小，到达t1，iD减小至零，第二开关管S11由于电流为零而实现零电流软开关关断。Ⅰ阶段过程中，第一开关管集射电极之间的电压VS1、漏感电压VLr为零，漏感Lr和励磁电感Lm被Vin-Vout充电，而保持不变的是励磁电流iLm，励磁电感Lm电压近似为Vin-Vout。
Ⅱ阶段：t2～t3，到达t2，关断第一开关管S1，通过
Figure BDA0002662076310000032
开始对并联在第一开关管的电容充电，通过
Figure BDA0002662076310000033
对并联在第三开关管S2并联的电容开始放，第三开关管S2的射集电极之间电压
Figure BDA0002662076310000041
下降开始；其中
Figure BDA0002662076310000042
为第一开关管S1所在支路电流。
Ⅲ阶段：t3～t4，到达t3，第三开关管S2的射集电极之间的电压
Figure BDA0002662076310000043
下降为零，第三开关管所在支路的电流
Figure BDA0002662076310000044
经过与第四电容并联的反并联二极管流通，第三开关管S2从而能够实现零电压软开关导通，漏感、励磁电感被电压-vout放电。Ⅲ阶段中，励磁电感Lm电压近似为-vout，第二开关管S11的关断电压为：
Figure BDA0002662076310000045
Ⅳ阶段：t4～t5，到达t4，开通可控的第二开关管S11，使得励磁电感Lm电压被钳位为0V，电流iD和
Figure BDA0002662076310000046
增大，而漏感电流
Figure BDA0002662076310000047
减小。
Ⅴ阶段：t5～t6，到达t5，电流
Figure BDA0002662076310000048
已经由负转正，关断第三开关管S2，不存在并联的二极管的反向恢复问题，软开关关断第三开关管S2，并联在漏感Lr、第三开关管S2的两个电容、并联在第一开关管S1的电容谐振，射集电级之间的电压
Figure BDA0002662076310000049
在与第三二极管并联的电容的作用下，充电并从零开始增大，第二电容C2放电，谐振过程如下式所示：
Figure BDA00026620763100000410
Figure BDA00026620763100000411
其中CS为并联在第一开关管S1、第三开关管S2的电容的和；t代表时间。
Ⅵ阶段：t6～t7，到达t6，S1的射集电级之间电压
Figure BDA00026620763100000412
减小为零，第一开关管S1的电流
Figure BDA00026620763100000413
经过与第一开关管S1反并联的二极管继续流通，实现第一开关管S1的零电压软开关开通，Ⅵ阶段，励磁电感Lm电压被钳位为0V，增大的为漏感电流
Figure BDA00026620763100000414
和电流
Figure BDA00026620763100000415
减小的为辅助电流iD。
Ⅶ阶段：t7～t8，到达t7，第一开关管S1的电流
Figure BDA00026620763100000416
增大为零，到达t8，辅助电流iD减小至零，整个开关周期结束。
本实用新型添加了一个N2和S11形成辅助支路，S1电压应力低、只需要一个磁芯且不易饱和，能够在全负载范围内实现软开关，实现零电压开通，且能够避免反向恢复问题的出现，由于S11可控，因此能够在需要导通S2前才导通，而大部分处于关断状态，减小辅助支路的平均电流，从而降低损耗，提高变换器的效率。
本实施例还提供一种设备，包括上述全负载软开关化的BUCK变换器和负载R。
以上是对本实用新型的较佳实施进行了具体说明，但本实用新型并不限于所述实施方式，熟悉本领域的技术人员在不违背本实用新型精神的前提下还可做作出种种的等同变形或替换，这些等同的变形或替换均包含在本申请权利要求所限定的范围内。

Claims (2)

1.一种全负载软开关化的BUCK变换器，其特征在于，包括：耦合电感元件、第一单元、第二单元、第三单元、电源和第一电容；
所述耦合电感元件包括励磁电感、漏感、原边线圈和副边线圈，所述原边线圈一端连接所述第一电容一端以及所述励磁电感一端，所述原边线圈另一端连接所述漏感一端以及所述励磁电感另一端，所述漏感另一端连接所述副边线圈一端、所述第一单元的第二端以及所述第三单元的第一端，所述副边线圈另一端连接所述第二单元的第二端，所述第一电容另一端连接所述电源的负极，所述第一电容用于与负载并联，其中所述原边线圈连接所述漏感的一端、所述副边线圈连接所述第二单元的一端为同名端；
所述第一单元包括第一开关管、第一二极管和第二电容，所述第二电容一端连接所述第一二极管的负极和所述第一开关管的集电极，所述第二电容另一端连接所述第一二极管的正极以及所述第一开关管的发射极，所述第一开关管的集电极作为所述第一单元的第一端，所述第一开关管的发射极作为所述第一单元的第二端；
所述第二单元包括第二开关管、第二二极管和第三电容，所述第三电容一端连接所述第二二极管的负极、所述第二开关管的集电极和所述电源的负极，所述第三电容另一端连接所述第二二极管的正极以及所述第二开关管的发射极，所述第二开关管的集电极作为所述第二单元的第一端，所述第二开关管的发射极作为所述第二单元的第二端；
所述第三单元包括第三开关管、第三二极管和第四电容，所述第四电容与所述第三二极管并联，所述第三二极管的正极连接所述第三开关管的发射极和所述电源的负极，所述第三二极管的负极连接所述第三开关管的集电极，所述第三开关管的集电极作为所述第三单元的第一端，所述第三开关管的发射极作为所述第三单元的第二端。
2.一种设备，其特征在于：包括如权利要求1所述全负载软开关化的BUCK变换器以及所述负载。
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WO2022236799A1 (zh) * 2021-05-14 2022-11-17 华为技术有限公司 一种电压调节模块及集成芯片

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