CN215186467U - 基于辅助电路实现软开关的交错式buck变换器 - Google Patents

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钱伟
马腾飞
张清林
韩邵君
张琪
周令康
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Abstract

本实用新型提供一种基于辅助电路实现软开关的交错式BUCK变换器，包括：第一支路、第二支路、辅助回路、输出电容Cout；第一支路包括：主开关管S1、电感L1、二极管D1；第二支路包括：主开关管S2、电感L2、二极管D2；辅助回路包括：辅开关管S1a、S2a、电感Lr、二极管D3；主开关管S1和S2的漏极连接，并用于接直流电源DC的正极；主开关管S1和S2的栅极分别用于接控制信号Signal(S1)和Signal(S2)；主开关管S1的源极接电感L1的一端和二极管D1的阴极；主开关管S2的源极接电感L2的一端和二极管D2的阴极；电感L1和L2的另一端相接，连接输出电容Cout一端，并用于接负载R的一端；输出电容Cout另一端接二极管D1和D2阳极，并用于接负载R另一端和直流电源DC的负极。本实用新型能够减少开关损失，减少发热，提高开关频率。

Description

基于辅助电路实现软开关的交错式BUCK变换器
技术领域
本实用新型涉及电源电路，尤其是一种基于辅助电路实现软开关的交错式BUCK变换器。
背景技术
随着目前新能源汽车的广泛使用，加工设备小型化、微型化，对电力电子设备尤其是直流变换器（DC-DC）的低EMI、轻量化，高效化提出了新的要求。软开关拓扑技术可以很好的解决上述问题，因此一直是该行业研究开发的重点，近些年所提出的软开关结构一定程度的解决了上述矛盾，效果并不理想。一部分变换器引入辅助开关实现软开通或软关断，但自身存在不能完全实现软开关的问题，一部分拓扑结构的开关器件或者二极管承受了太大的电压或电流应力，面向交错式BUCK变换器设计的软开关拓扑往往存在结构复杂、控制逻辑实现困难、占空比调控范围受限等问题。
实用新型内容
本实用新型的目的在于克服现有技术中存在的不足，提供一种基于辅助回路实现软开关的交错式BUCK变换器，能够使交错式BUCK变换器有效的减少开关损失，减少发热，提高开关频率。为实现以上技术目的，本实用新型采用的技术方案是：
本实用新型的实施例提出一种基于辅助电路实现软开关的交错式BUCK变换器，包括：第一支路、第二支路、辅助回路、输出电容Cout；
第一支路包括：主开关管S1、电感L1、二极管D1；
第二支路包括：主开关管S2、电感L2、二极管D2；
辅助回路包括：辅开关管S1a、S2a、电感Lr、二极管D3；
主开关管S1、S2、辅开关管S1a、S2a均采用NMOS管；
主开关管S1和S2的漏极连接，并用于接直流电源DC的正极；主开关管S1和S2的栅极分别用于接控制信号Signal(S1)和Signal(S2)；主开关管S1的源极接电感L1的一端和二极管D1的阴极；主开关管S2的源极接电感L2的一端和二极管D2的阴极；电感L1和L2的另一端相接，连接输出电容Cout一端，并用于接负载R的一端；输出电容Cout另一端接二极管D1和D2阳极，并用于接负载R另一端和直流电源DC的负极；
辅开关管S1a、S2a的栅极分别用于接控制信号Signal(S1a)和Signal(S2a)；辅开关管S1a的源极接电感L1的一端；辅开关管S2a的源极接电感L2的一端；辅开关管S1a和S2a的漏极相接，连接二极管D3的阳极和电感Lr的一端；二极管D3的阴极和电感Lr的另一端相接，并连接主开关管S1和S2的漏极。
进一步地，主开关管S1包含寄生电容Cp1。
进一步地，主开关管S2包含寄生电容Cp2。
本实用新型的优点在于：
1）主回路可以实现零电压转换（ZVT）和零电压关断（ZVS）。
2）该变换器的所有半导体器件都实现了软开关动作。
3）各个支路共用同一辅助电路，结构简单，辅助器件数目少。
4）能够提高开关频率，缩减储能元件体积，提高功率密度，同时提高系统效率。
5）占空比适应范围较宽，可以使得软开关在很宽的负载范围内实现。
6）一个周期内的子模态少，工作稳定可靠。
附图说明
图1为本实用新型实施例中的BUCK变换器原理图。
图2为本实用新型实施例中的模态工作示意图。
图3为本实用新型实施例中的时序示意图。
具体实施方式
为了使本实用新型的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本实用新型进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本实用新型，并不用于限定本实用新型。
如图1所示，本实用新型的实施例提出一种基于辅助电路实现软开关的交错式BUCK变换器，包括：第一支路、第二支路、辅助回路、输出电容Cout；
其中，辅助回路如图1中虚线框部分所示；
第一支路包括：主开关管S1、电感L1、二极管D1；其中主开关管S1包含寄生电容Cp1；
第二支路包括：主开关管S2、电感L2、二极管D2；其中主开关管S2包含寄生电容Cp2；
辅助回路包括：辅开关管S1a、S2a、电感Lr、二极管D3；
主开关管S1、S2、辅开关管S1a、S2a均采用NMOS管；
主开关管S1和S2的漏极连接，并用于接直流电源DC的正极；主开关管S1和S2的栅极分别用于接控制信号Signal(S1)和Signal(S2)；主开关管S1的源极接电感L1的一端和二极管D1的阴极；主开关管S2的源极接电感L2的一端和二极管D2的阴极；电感L1和L2的另一端相接，连接输出电容Cout一端，并用于接负载R的一端；输出电容Cout另一端接二极管D1和D2阳极，并用于接负载R另一端和直流电源DC的负极；
辅开关管S1a、S2a的栅极分别用于接控制信号Signal(S1a)和Signal(S2a)；辅开关管S1a的源极接电感L1的一端；辅开关管S2a的源极接电感L2的一端；辅开关管S1a和S2a的漏极相接，连接二极管D3的阳极和电感Lr的一端；二极管D3的阴极和电感Lr的另一端相接，并连接主开关管S1和S2的漏极；
以上电路，只要选择适当的电参数和相适应的工作频率，交错式BUCK变换器的两条主回路（第一支路与负载，第二支路与负载）共用一套辅助回路，因此大幅缩减了器件的数目，提高系统的可靠性；
按如图3所示的时序控制方式，控制信号Signal(S1)和Signal(S2)、控制信号Signal(S1a)和Signal(S2a)如图3中所示，该交错式BUCK变换器的每一条主回路在辅助回路的配合下就能以图2所示的6个模态为周期，实现所有开关管通断的软开关过程；
由于第一支路和第二支路的工作对称性，下面以第一支路为例说明各个模态的工作过程；图3中的时序，虚线表示电流，如isa1等；实线表示电压，如Vsa1等；
模态1(t 0 ≤ t ＜ t 1 )，对应图2中的(A)；
处于模态1时，第一支路对应的主开关管S1和辅开关管S1a都处于关断状态，二极管D1在电感L1的作用下导通，电感L1释放磁能向负载R供电；第二支路的电源通过开通的主开关管S2和辅开关管S2a同时向负载R供电；这是BUCK变换器的常规工作模式----交错式（相位差180°）工作；
模态2 (t 1 ≤ t ＜t 2 )，对应图2中的(B)；
t 1 时刻，第一支路对应的辅开关管S1a开通，由于谐振电感Lr与S1a在此刻处于串联结构中，因此S1a上的电流无法越变，S1a可以实现零电流开启（ZCS），同时谐振电感Lr与主开关管S1上的寄生电容Cp1发生谐振构成瞬时回路；该谐振将会造成S1a两端电压下降，二极管D1两端电压逐步升高，因此二极管D1为零电流关断（ZCS）；
模态3 (t 2 ≤ t ＜ t 3 )，对应图2中的(C)；
该模态中，由于谐振电感Lr与主开关管S1上的寄生电容发生谐振，寄生电容的电量被完全释放，从而第一支路主开关管S1的体二极管导通；S1上的电压下降为零，为该器件的零电压开启创造条件；
此时开通主开关管S1，主开关管S1完全实现零电压开启(ZVT)；
模态4 (t 3 ≤ t ＜t 4 )，对应图2中的(D)；
此时主开关管S1工作在导通模式，辅开关管S1a工作在关断模式；
模态5(t 4 ≤ t ＜ t 5 )，对应图2中的(E)；
主开关管S1开通之后，辅开关管S1a关断，由于关断时Lr中的电流保持续流令二极管D3导通，使得辅开关管S1a两端的电压被钳位成S1两端的电压，由于此时S1为开通状态；因此在模态5结束时主开关管S1和辅开关管S1a为零电压关断（ZVS）；
模态6(t5 ≤ t ＜t6 )，对应图2中的(F)；
电感Lr剩余电流，通过二极管D3释放完毕。
以上电路的工作过程，通过辅助回路实现开关器件的软开通和关断，减小EMI，可以较好降低开关的电流电压冲击和发热，有利于提高开关频率，提高变换器效率。
最后所应说明的是，以上具体实施方式仅用以说明本实用新型的技术方案而非限制，尽管参照实例对本实用新型进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本实用新型的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本实用新型技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本实用新型的权利要求范围当中。

Claims (3)

1.一种基于辅助电路实现软开关的交错式BUCK变换器，其特征在于，包括：第一支路、第二支路、辅助回路、输出电容Cout；
第一支路包括：主开关管S1、电感L1、二极管D1；
第二支路包括：主开关管S2、电感L2、二极管D2；
辅助回路包括：辅开关管S1a、S2a、电感Lr、二极管D3；
主开关管S1、S2、辅开关管S1a、S2a均采用NMOS管；
主开关管S1和S2的漏极连接，并用于接直流电源DC的正极；主开关管S1和S2的栅极分别用于接控制信号SignalS1和SignalS)；主开关管S1的源极接电感L1的一端和二极管D1的阴极；主开关管S2的源极接电感L2的一端和二极管D2的阴极；电感L1和L2的另一端相接，连接输出电容Cout一端，并用于接负载R的一端；输出电容Cout另一端接二极管D1和D2阳极，并用于接负载R另一端和直流电源DC的负极；
辅开关管S1a、S2a的栅极分别用于接控制信号SignalS1a和SignalS2a；辅开关管S1a的源极接电感L1的一端；辅开关管S2a的源极接电感L2的一端；辅开关管S1a和S2a的漏极相接，连接二极管D3的阳极和电感Lr的一端；二极管D3的阴极和电感Lr的另一端相接，并连接主开关管S1和S2的漏极。
2.如权利要求1所述的基于辅助电路实现软开关的交错式BUCK变换器，其特征在于，
主开关管S1包含寄生电容Cp1。
3.如权利要求1所述的基于辅助电路实现软开关的交错式BUCK变换器，其特征在于，
主开关管S2包含寄生电容Cp2。
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