CN217240596U

CN217240596U - Buck-Boost软开关电路

Info

Publication number: CN217240596U
Application number: CN202123400460.8U
Authority: CN
Inventors: 不公告发明人
Original assignee: Mornsun Guangzhou Science and Technology Ltd
Current assignee: Mornsun Guangzhou Science and Technology Ltd
Priority date: 2021-12-30
Filing date: 2021-12-30
Publication date: 2022-08-19
Anticipated expiration: 2031-12-30

Abstract

本实用新型涉及Buck‑Boost电力变换技术领域，公开了一种宽电压输入Buck‑Boost软开关电路，其在现有宽电压输入Buck‑Boost电路的基础上增加辅助电路，辅助电路至少包括：开关管单元和储能电容；储能电容能通过开关管单元给绕组电感反向激磁，使得原边绕组产生负向电流，从而原边电路的电流会过零翻转，以便实现主功率开关管的零电压开通。本实用新型可以实现主开关的ZVS，提升开关电源的效率。

Description

Buck-Boost软开关电路

技术领域

本实用新型涉及可适用于宽压输入Buck-Boost电力变换技术领域，特别涉及一种宽电压Buck-Boost软开关电路。

背景技术

近年来，随着光伏发电和高压输电等行业的迅速发展，其配电系统的输入电压非常高，高达几千伏，现有的常规变换器很难有合适的高压开关管来满足设计的要求，为解决单体开关管电压应力过高的问题，可以采用双管或多管串联的电路结构，但是串联使用存在的问题是开关管单体性能差异会导致各个开关管分压不均匀，从而大大降低可靠性。对于现有可均压的双管或四管串联的Buck-Boost电路如图1和2所示，由于功率开关管导通时的漏源极电压不为零，功率开关管两端的电压和流过的电流有明显的交叠区，在此交叠区产生的开关损耗会造成系统效率低和开关管发热的问题，且随着开关频率的增加，开关管的温升会进一步加剧，因此限制了开关电源的高频化发展，同时难以缩小系统体积和功率密度提升，若能让串联型Buck-Boost变换器在主开关开通之前漏源极两端电压降为零，消除在开关过程中电压与电流的交叠区，实现ZVS开通，则可以大大提升串联型Buck-Boost变换器的系统性能。

实用新型内容

有鉴于此，本实用新型要解决的技术问题是提供一种Buck-Boost软开关电路，应用于宽压输入下的开关电源，降低开关管的开通损耗，提升开关管的效率。

本实用新型的目的是通过以下技术方案实现的：

第一种技术方案：一种buck-boost软开关电路，其包括电容C1、电容C2、电容C3、电容C4、具有至少两个主功率开关管的第一开关组、具有至少两个开关器件的第二开关组以及由绕组电感N1和绕组电感N2组成的耦合电感，其中，第一开关组中的各主功率开关管同时导通和同时关断，第二开关组中的各开关器件同时导通和同时关断；

还包括并联在绕组电感N1或绕组电感N2两端的辅助电路，辅助电路包括开关单元以及与开关单元串联连接的储能储能电容C5；开关单元在第一开关组中的各主功率开关管导通前开通，开关单元开通时，储能储能电容C5存储的能量通过开关管单元给绕组电感N1和绕组电感N2反向激磁，使得绕组电感N1和绕组电感N2产生负向电流，以使得第一开关组中的各主功率开关管实现零电压开通。

在一实施例中，第一开关组中的各主功率开关管分别为主功率开关管Q1、主功率开关管Q2、主功率开关管Q3以及主功率开关管Q4；第二开关组中的开关器件分别为二极管D1、二极管D2、二极管D3、二极管D4；

主功率开关管Q1的漏极用于连接输入电源的正极，主功率开关管Q1的源极连接二极管D1的阴极和绕组电感N1的同名端；电容C1的第一端连接主功率开关管Q1的漏极，电容C1的第二端连接电容C2的第一端；电容C2的第一端连接二极管D2的阴极和二极管D1的阳极，电容C2的第二端与主功率开关管Q2的源极连接，电容C2的第二端用于与输入电源的负极连接；主功率开关管Q2的漏极连接二极管D2的阳极和绕组电感N2的异名端；绕组电感N1的异名端连接二极管D3的阳极和主功率开关管Q3的漏极，主功率开关管Q3的源极连接主功率开关管Q4的漏极；主功率开关管Q4的源极连接二极管D4的阴极和绕组电感N2的同名端；二极管D3的阴极连接电容C3的第一端，电容C3的第一端用于连接输出正极端；二极管D4的阳极连接电容C4的第一端，电容C4的第一端用于连接输出负极端，电容C3的第二端与电容C4的第二端相连；中性线将电容C1的第二端、二极管D1的阳极、主功率开关管Q3的源极以及电容C3的第二端进行连接。

在一实施例中，第一开关组中的各主功率开关管分别为主功率开关管Q1和主功率开关管Q2；第二开关组中的开关器件分别为二极管D1和二极管D2；

电容C1的一端和主功率开关管Q1的漏极连接，电容C1的一端用于连接输入电源的正极，主功率开关管Q1的源极同时连接二极管D1的阴极和绕组电感N1的异名端；二极管D1的阳极同时连接电容C3的一端，电容C3的一端用于连接输出负极端；电容C1的另一端分别连接电容C2的一端、绕组电感N1的同名端、绕组电感N2的异名端、电容C3的另一端和电容C4的一端，电容C2的另外一端连接主功率开关管Q2的源极，电容C2的另外一端用于连接输入电源的负极；主功率开关管Q2的漏极分别连接绕组电感N2的同名端和二极管D2的阳极，二极管D2的阴极连接电容C4的另一端，电容C4的另一端用于连接输出正极端；

在一实施例中，开关单元包括辅助开关和二极管D5，辅助开关的一端连接储能储能电容C5的一端，辅助开关的另一端连接绕组电感N1的一端；储能储能电容C5的另一端连接绕组电感N1的另一端，二极管D5并联在开关的两端。

在一实施例中，开关单元包括MOS管，MOS管的源极连接储能储能电容C5的一端，MOS管的漏极连接绕组电感N1的一端；储能储能电容C5的另一端连接绕组电感N1的另一端。

第二种技术方案：一种Buck-Boost软开关电路，应用于开关电源，其包括电容C1、电容C2、电容C3、电容C4、主功率开关管Q1、主功率开关管Q2、主功率开关管Q3、主功率开关管Q4、二极管D1、二极管D2、二极管D3、二极管D4以及由绕组电感N1和绕组电感N2组成的耦合电感；

主功率开关管Q1的漏极用于连接输入电源的正极，主功率开关管Q1的源极连接二极管D1的阴极和绕组电感N1的同名端；电容C1的第一端连接主功率开关管Q1的漏极，电容C1的第二端连接电容C2的第一端；电容C2的第一端连接二极管D2的阴极和二极管D1的阳极，电容C2的第二端与主功率开关管Q2的源极连接，电容C2的第二端用于与输入电源的负极连接；主功率开关管Q2的漏极连接二极管D2的阳极和绕组电感N2的异名端；绕组电感N1的异名端连接二极管D3的阳极和主功率开关管Q3的漏极，主功率开关管Q3的源极连接主功率开关管Q4的漏极；主功率开关管Q4的源极连接二极管D4的阴极和绕组电感N2的同名端；二极管D3的阴极连接电容C3的第一端，电容C3的第一端用于连接输出正极端；二极管D4的阳极连接电容C4的第一端，电容C4的第一端用于连接输出负极端，电容C3的第二端与电容C4的第二端相连；中性线将电容C1的第二端、二极管D1的阳极、主功率开关管Q3的源极以及电容C3的第二端进行连接；

还包括：辅助电路；辅助电路至少包括：开关单元和储能储能电容C5；储能储能电容C5存储的能量通过开关单元给绕组电感N1和绕组电感N2反向激磁，使得绕组电感N1和绕组电感N2产生负向电流，以实现主功率开关管Q1、主功率开关管Q2、主功率开关管Q3和主功率开关管Q4的零电压开通。

第三种技术方案：一种Buck-Boost软开关电路，应用于开关电源，其包括电容C1、电容C2、电容C3、电容C4、主功率开关管Q1、主功率开关管Q2、二极管D1、二极管D2、中性线以及由绕组电感N1和绕组电感N2组成的耦合电感；

电容C1的一端和主功率开关管Q1的漏极连接，电容C1的一端用于连接输入电源的正极，主功率开关管Q1的源极同时连接二极管D1的阴极和绕组电感N1的异名端；二极管D1的阳极同时连接电容C3的一端，电容C3的一端用于连接输出负极端；电容C1的另一端分别连接电容C2的一端、绕组电感N1的同名端、绕组电感N2的异名端、电容C3的另一端和电容C4的一端，电容C2的另外一端连接主功率开关管Q2的源极，电容C2的另外一端用于连接输入电源的负极；主功率开关管Q2的漏极分别连接绕组电感N2的同名端和二极管D2的阳极，二极管D2的阴极连接电容C4的另一端，电容C4的另一端用于连接输出正极端；其特征在于，

还包括：辅助电路；辅助电路至少包括：开关单元和储能储能电容C5；储能储能电容C5存储的能量通过开关单元给绕组电感N1和绕组电感N2反向激磁，使得绕组电感N1和绕组电感N2产生负向电流，以实现主功率开关管Q1和主功率开关管Q2的零电压开通。

本实用新型的工作原理后面会结合具体实施例进行详细说明，此处不赘述，与现有技术相比，本实用新型具有如下有益效果：

1、通过驱动控制开关管单元在主功率开关管导通之前先行导通一段时间，利用绕组电感的反向励磁能量为主功率开关管实现ZVS提供条件，从而可以实现主功率开关管的ZVS，减小开关管损耗和降低开关管温升，解决高压输入开关电源产品中对开关管耐压选型苛刻、主功率开关管开通损耗大、系统效率低，无法高频化的问题，提升系统的性能。

2、本电路无需添加额外的变压器辅助绕组即可实现主功率开关管的ZVS，减小系统体积，降低系统成本。

附图说明

图1为现有的宽压输入四管Buck-Boost电路原理图；

图2为现有的宽压输入双管Buck-Boost电路原理图；

图3为本实用新型Buck-Boost软开关电路第一实施例的原理图；

图4为本实用新型Buck-Boost软开关电路第一实施例的控制时序图；

图5为本实用新型Buck-Boost软开关电路第二实施例的原理图；

图6为本实用新型Buck-Boost软开关电路第三实施例的原理图；

图7为本实用新型Buck-Boost软开关电路第三实施例的控制时序图；

图8为本实用新型Buck-Boost软开关电路第四实施例的原理图。

具体实施方式

体现本实用新型特征与优点的典型实施例将在后段的说明中结合附图详细叙述。应理解的是本实用新型能够在不同的实施例上具有各种的变化，这些变化皆不脱离本实用新型的范围，且其中的说明及附图在本质上当作对这些变化进行说明，而非用于限制本公开。

第一实施例

请参考图3，一种宽电压输入Buck-Boost软开关电路，应用于宽压输入下的开关电源，其特征在于：包括由主功率开关管Q1(以下简称开关管Q1)、主功率开关管Q2(以下简称开关管Q2)、主功率开关管Q3(以下简称开关管Q3)、主功率开关管Q4(以下简称开关管Q4)、电容C1、电容C2、电容C3、电容C4、二极管D1、二极管D2、二极管D3、二极管D4、中性线及由绕组电感N1和绕组电感N2组成的耦合电感。其中，开关管Q1、Q2、Q3、Q4组成第一开关组；二极管D1、D2、D3、D4组成第二开关组；辅助电路包括储能电容C5、辅助开关S1以及二极管D5。

本实施例中，采用二极管D1、二极管D2、二极管D3和二极管D4作为开关器件，在其它实施中，二极管D1、二极管D2、二极管D3和二极管D4分别可MOS管用可采用MOS管代替，用MOS管作为开关器件。

输入电源Vin的正极连接开关管Q1的漏极，开关管Q1的源极连接二极管D1的阴极、辅助开关S1的一端和绕组电感N1的异名端，二极管D5的阴极连接辅助开关S1的一端，二极管D5的阳极连接辅助开关S1的另外一端和储能电容C5的一端，储能电容C5的另外一端连接绕组电感N1的同名端；电容C1的第一端连接输入电源Vin的正极，电容C1的第二端连接电容C2的第一端；电容C2的第一端连接二极管D1的阳极和二极管D2的阴极，电容C2的第二端与输入电源Vin的负极和二极管Q2的源极相连接；开关管Q2的漏极连接二极管D2的阳极和绕组电感N2的同名端；绕组电感N1的同名端连接二极管D3的阳极和开关管Q3的漏极，开关管Q3的源极连接开关管Q4的漏极，开关管Q4的源极连接二极管D4的阴极和绕组电感N2的异名端；二极管D3的阴极连接电容C3的第一端和输出正极端VOUT+；二极管D4的阳极连接电容C4的一端和输出负极端VOUT-，电容C3的第二端与电容C4的第二端相连；中性线将电容C1的第二端、二极管D2的阴极、开关管Q3的源极以及电容C3的第二端进行连接。

其中的辅助开关S1可以为继电器、三极管、晶闸管或者IGBT等。

图4为本实用新型Buck-Boost软开关电路第一实施例的控制时序图，结合图4对本实施例的Buck-Boost软电路的工作原理进行分析，如下：

t0-t1该时间内(激磁阶段)，给开关管Q1、Q2、Q3、Q4发送开通信号，开关管Q1、Q2、Q3、Q4开通，绕组电感N1、N2进行储能；t1时刻给开关管Q1、Q2、Q3、Q4发送关断信号，t1-t2时刻(去磁阶段)，绕组电感N1、N2通过二极管D1、D2、D3、D4进行去磁，同时通过二极管D5给辅助绕组储能电容C5进行充能；t2时刻绕组电感N1在激磁阶段存储的能量释放完毕，流过绕组电感N1的电流为零，t2-t3时刻(反向激磁阶段)，开关管Q1、Q2、Q3、Q4、辅助开关S1和二极管D1、D2、D3、D4均不工作，绕组电感N1、N2两端电压不再被钳位，因此绕组电感N1、N2的电压与线路中的的一些寄生参数(电感、电容)开始谐振，在t3时刻给辅助开关S1发送开通信号，则储能电容C5存储的能量通过辅助开关S1给绕组电感N1、N2进行反向激磁；在t4时刻，给辅助开关S1发送关断信号，在t4-t5这段死区时间内，反向电流抽走开关管Q1、Q2、Q3、Q4的寄生电容的能量，其内部寄生体二极管导通，在t5时刻给开关管Q1、Q2、Q3、Q4发送开通信号，实现开关管Q1、Q2、Q3、Q4的ZVS开通。

第二实施例

图5为本实用新型Buck-Boost软开关电路第二实施例原理图，与第一实施例相比，不同之处在于：将辅助开关S1和二极管D5用开关管Q5进行代替。

本实施例的Buck-Boost软开关电路与第一实施例的主要区别为：第一实施例在电感续流阶段(t1-t2)，储能电容C5通过二极管D5进行充电，在储能电容C5给绕组电感N1、N2反向激磁时，通过走辅助开关S1；而本实施例中在电感续流阶段(t1-t2)，通过走开关管Q5的体二极管给储能电容C5进行充电，在储能电容C5给绕组电感N1、N2进行反向激磁时，通过走开关管Q5进行，其它过程与实施例一相同，在此不再叙述。

第三实施例

请参考图6，一种宽电压输入的Buck-Boost软开关电路，应用于宽压输入下的开关电源，Buck-Boost软开关电路包括：开关管Q1、开关管Q2、电容C1、电容C2、电容C3、电容C4、储能电容C5、二极管D1、二极管D2、二极管D3、中性线、辅助开关S1及以及由绕组电感N1和绕组电感N2组成的耦合电感；

输入电源Vin的正极同时连接电容C1的一端和开关管Q1的漏极，开关管Q1的源极同时连接二极管D1的阴极和绕组电感N1的异名端，二极管D1的阳极同时连接电容C3的一端和输出负极端VOUT-，电容C1的另一端同时连接电容C2的一端、绕组电感N1的同名端、绕组电感N2的异名端、电容C3的另一端和电容C4的一端，辅助开关S1的一端同时连接绕组电感N1的异名端和二极管D3的阴极，辅助开关S1的另一端同时连接二极管D3的阳极和储能电容C5的一端，储能电容C5的另外一端连接绕组电感N1的同名端，电容C2的另外一端同时连接输入电源Vin负极和开关管Q2的源极，开关管Q2的漏极同时连接绕组电感N2的同名端和二极管D2的阳极，二极管D2的阴极同时连接电容C4的另一端和输出正极端VOUT+。

图7为本实用新型Buck-Boost软开关电路第三实施例的控制时序图，结合图7对本实施例的Buck-Boost软电路的工作原理进行分析，如下

t0-t1该时间内，给开关管Q1、Q2发送开通信号，开关管Q1、Q2开通，绕组电感N1、N2进行储能；t1时刻给开关管Q1、Q2发送关断信号，t1-t2时刻绕组电感N1、N2通过二极管D1、D2进行去磁，同时通过二极管D3给辅助绕组储能电容C5进行充能；t2时刻绕组电感N1、N2在激磁阶段存储的能量释放完毕，流过绕组电感N1、N2的电流为零，t2-t3时刻，开关管Q1、Q2、辅助开关S1和二极管D1、D2均不工作，绕组电感N1、N2两端电压不再被钳位，因此绕组电感的电压与线路中的的一些寄生参数(电感、电容)开始谐振，在t3时刻给辅助开关S1发送开通信号，则储能电容C5存储的能量通过辅助开关S1给绕组电感N1、N2进行反向激磁；在t4时刻，给辅助开关S1发送关断信号，在t4-t5这段死区时间内，反向电流抽走开关管Q1、Q2的寄生电容的能量，其内部寄生体二极管导通，在t5时刻给开关管Q1、Q2发送开通信号，实现开关管Q1、Q2的ZVS开通。

第四实施例

请参考图8，本实施例中的Buck-Boost软开关电路与第三实施例相比，不同之处在于：将第三实施例中辅助开关S1和二极管D3用开关管Q3进行代替。

本实施例的Buck-Boost软开关电路与第三实施例的主要区别为：第三实施例在电感续流阶段，储能电容C5通过二极管D3进行充电，在储能电容C5给绕组电感N1、N2反向激磁时，通过走辅助开关S1，而本实施例在电感续流阶段(t1-t2)，通过走开关管Q3的体二极管给储能电容C5进行充电，在储能电容C5给绕组电感N1、N2进行反向激磁时，通过走开关管Q3进行，其它过程与实施例一相同，在此不再叙述。

以上仅是本实用新型的实施方式，需要特别指出的是，上述实施方式不应视为对本实用新型的限制，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本实用新型的精神和范围内，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本实用新型的保护范围。

Claims

1.一种Buck-Boost软开关电路，其包括电容C1、电容C2、电容C3、电容C4、具有至少两个主功率开关管的第一开关组、具有至少两个开关器件的第二开关组以及由绕组电感N1和绕组电感N2组成的耦合电感，其中，第一开关组中的各主功率开关管同时导通和同时关断，第二开关组中的各开关器件同时导通和同时关断；其特征在于，

2.根据权利要求1所述Buck-Boost软开关电路，其特征在于：第一开关组中的各主功率开关管分别为主功率开关管Q1、主功率开关管Q2、主功率开关管Q3以及主功率开关管Q4；第二开关组中的开关器件分别为二极管D1、二极管D2、二极管D3、二极管D4；

3.根据权利要求1所述Buck-Boost软开关电路，其特征在于：第一开关组中的各主功率开关管分别为主功率开关管Q1和主功率开关管Q2；第二开关组中的开关器件分别为二极管D1和二极管D2；

电容C1的一端和主功率开关管Q1的漏极连接，电容C1的一端用于连接输入电源的正极，主功率开关管Q1的源极同时连接二极管D1的阴极和绕组电感N1的异名端；二极管D1的阳极同时连接电容C3的一端，电容C3的一端用于连接输出负极端；电容C1的另一端分别连接电容C2的一端、绕组电感N1的同名端、绕组电感N2的异名端、电容C3的另一端和电容C4的一端，电容C2的另外一端连接主功率开关管Q2的源极，电容C2的另外一端用于连接输入电源的负极；主功率开关管Q2的漏极分别连接绕组电感N2的同名端和二极管D2的阳极，二极管D2的阴极连接电容C4的另一端，电容C4的另一端用于连接输出正极端。

4.根据权利要求1所述Buck-Boost软开关电路，其特征在于：开关单元包括辅助开关和二极管D5，辅助开关的一端连接储能储能电容C5的一端，辅助开关的另一端连接绕组电感N1的一端；储能储能电容C5的另一端连接绕组电感N1的另一端，二极管D5并联在开关的两端。

5.根据权利要求1所述Buck-Boost软开关电路，其特征在于：开关单元包括MOS管，MOS管的源极连接储能储能电容C5的一端，MOS管的漏极连接绕组电感N1的一端；储能储能电容C5的另一端连接绕组电感N1的另一端。

6.一种Buck-Boost软开关电路，应用于开关电源，其包括电容C1、电容C2、电容C3、电容C4、主功率开关管Q1、主功率开关管Q2、主功率开关管Q3、主功率开关管Q4、二极管D1、二极管D2、二极管D3、二极管D4以及由绕组电感N1和绕组电感N2组成的耦合电感；

主功率开关管Q1的漏极用于连接输入电源的正极，主功率开关管Q1的源极连接二极管D1的阴极和绕组电感N1的同名端；电容C1的第一端连接主功率开关管Q1的漏极，电容C1的第二端连接电容C2的第一端；电容C2的第一端连接二极管D2的阴极和二极管D1的阳极，电容C2的第二端与主功率开关管Q2的源极连接，电容C2的第二端用于与输入电源的负极连接；主功率开关管Q2的漏极连接二极管D2的阳极和绕组电感N2的异名端；绕组电感N1的异名端连接二极管D3的阳极和主功率开关管Q3的漏极，主功率开关管Q3的源极连接主功率开关管Q4的漏极；主功率开关管Q4的源极连接二极管D4的阴极和绕组电感N2的同名端；二极管D3的阴极连接电容C3的第一端，电容C3的第一端用于连接输出正极端；二极管D4的阳极连接电容C4的第一端，电容C4的第一端用于连接输出负极端，电容C3的第二端与电容C4的第二端相连；中性线将电容C1的第二端、二极管D1的阳极、主功率开关管Q3的源极以及电容C3的第二端进行连接；其特征在于，

7.一种Buck-Boost软开关电路，应用于开关电源，其包括电容C1、电容C2、电容C3、电容C4、主功率开关管Q1、主功率开关管Q2、二极管D1、二极管D2、中性线以及由绕组电感N1和绕组电感N2组成的耦合电感；

电容C1的一端和主功率开关管Q1的漏极连接，电容C1的一端用于连接输入电源的正极，主功率开关管Q1的源极同时连接二极管D1的阴极和绕组电感N1的异名端；二极管D1的阳极同时连接电容C3的一端，电容C3的一端用于连接输出负极端；电容C1的另一端分别连接电容C2的一端、绕组电感N1的同名端、绕组电感N2的异名端、电容C3的另一端和电容C4的一端，电容C2的另外一端连接主功率开关管Q2的源极，电容C2的另外一端用于连接输入电源的负极；主功率开关管Q2的漏极分别连接绕组电感N2的同名端和二极管D2的阳极，二极管D2的阴极连接电容C4的另一端，电容C4的另一端用于连接输出正极端；其特征在于，还包括：辅助电路；辅助电路至少包括：开关单元和储能储能电容C5；储能储能电容C5存储的能量通过开关单元给绕组电感N1和绕组电感N2反向激磁，使得绕组电感N1和绕组电感N2产生负向电流，以实现主功率开关管Q1和主功率开关管Q2的零电压开通。