CN217240597U - Buck-Boost电路 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及开关电源领域，公开了一种Buck‑Boost电路，用于宽电压输入的开关电源，其在现有Buck‑Boost电路的基础上增加辅助供电电路，辅助供电电路至少包括：辅助绕组、辅助开关单元和辅助储能电容；储能电容能通过辅助绕组和辅助开关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电路

技术领域

本实用新型涉及宽电压输入Buck-Boost电力变换技术领域，特别涉及一种宽电压Buck-Boost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(对应图1中的功率管Q1-Q4；对应图2中的功率管Q1、Q2)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。

现有的软开关实现方法通常是利用电感和电容产生谐振，来获取负向电流，从而实现主开关的ZVS，但是该控制方式通常采用变频控制，实现起来比较复杂，且较易受到电路中的寄生参数(电感、电容等)的影响。

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电路，主要用于应用于宽压输入下的开关电源，降低主开关管开关损耗，提升开关电源的效率。

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、主开关管Q1、主开关管Q2、主开关管Q3、主开关管Q4、二极管D1、二极管D2、二极管D3、二极管D4、中性线以及由绕组电感N1和绕组电感N2组成的耦合电感；

主开关管Q1的漏极用于连接输入电源的正极，主开关管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的阳极和主开关管Q3的漏极，主开关管Q3的源极连接主开关管Q4的漏极；主开关管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：辅助供电电路，辅助供电电路至少包括：辅助绕组N3、开关单元和储能电容C5；储能电容C5存储的能量通过辅助绕组N3和开关单元给绕组电感N1和绕阻电感N2反向激磁，使得绕组电感N1和绕阻电感N2产生负向电流，以实现主开关管Q1、主开关管Q2、主开关管Q3和主开关管Q4零电压开通。

优选地：开关单元包括开关和二极管D5，开关的一端连接储能电容C5的一端，开关的另一端连接辅助绕组N3的同名端；二极管D5并联在开关的两端；辅助绕组N3的异名端连接储能电容C5的另一端。

优选地：开关单元包括MOS管，MOS管的源极连接储能电容C5的一端，MOS管的漏极连接辅助绕组N3的一端；辅助绕组N3的另一端连接储能电容C5的另一端。

优选地：辅助绕组N3的异名端还用于输入供电电源，二极管D5的阳极还与地连接。

第二种技术方案：一种Buck-Boost电路，应用于开关电源，其包括电容C1、电容C2、电容C3、电容C4、主开关管Q1、主开关管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：辅助供电电路：辅助供电电路至少包括：辅助绕组N3、开关单元和储能电容C5；储能电容C5存储的能量通过辅助绕组N3和开关单元给绕组电感N1和绕阻电感N2反向激磁，使得绕组N1电感和绕阻电感N2产生负向电流，以实现主开关管Q1和主开关管Q2零电压开通。

优选地：开关单元包括开关和二极管D5，开关的一端连接电容的一端，开关的另一端连接辅助绕组N3的同名端；二极管D5并联在开关的两端；辅助绕组N3的异名端连接电容的另一端。

优选地：辅助开关单元包括MOS管，辅助绕组N3的异名端连接储能电容C5的一端，辅助绕组N3的同名端连接MOS管的漏极，MOS管的源极连接储能电容C5的另一端。

本实用新型还提供一种buck-boost电路，其包括电容C1、电容C2、电容C3、电容C4、具有至少两个主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；

还包括：辅助供电电路：辅助供电电路至少包括：辅助绕组、开关单元和储能电容；辅助绕组的一端与开关单元的一端连接，辅助绕组的另一端与储能电容的一端连接，开关单元的另一端与储能电容的另一端连接；储能电容存储的能量通过辅助绕组和开关单元给绕组电感N1反向激磁，使得绕组电感N1产生负向电流，以实现第一开关组中的各主开关管零电压开通。

优选地：第二开关管组中的开关器件分别为二极管或分别为MOS管。

优选地：开关单元由辅助开关和二极管D5组成或由MOS管组成。

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、通过驱动控制开关单元在主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开关管实现ZVS提供条件，从而可以实现主开关管的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、当采用供电的源VCC供电时，供电的源VCC的绕组和辅助绕组复用，无需增加变压器绕组即可实现主开关管的软开关。

3、辅助绕组上的器件均为低压器件，器件选型简单。

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电路第一实施例的原理图；

图4为本实用新型Buck-Boost电路第一实施例的控制时序图；

图5为本实用新型Buck-Boost电路第二实施例的原理图；

图6为本实用新型Buck-Boost电路第三实施例的原理图；

图7为本实用新型Buck-Boost电路第四实施例的原理图；

图8为本实用新型Buck-Boost电路第四实施例的控制时序图；

图9为本实用新型Buck-Boost电路第五实施例的原理图。

具体实施方式

第一实施例

图3为本实用新型Buck-Boost电路第一实施例原理图，其电路包括电容C1、电容C2、电容C3、电容C4、第一开关管组、第二开关组、中性线、由绕组电感N1和绕组电感N2组成的耦合电感以及辅助供电电路，其中，第一开关组包括主开关管Q1、主开关管Q2、主开关管Q3以及主开关管Q4；第二开关组包括二极管D1、二极管D2、二极管D3以及二极管D4。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的正极连接主开关管Q1的漏极，主开关管Q1的源极连接二极管D1的阴极和耦合电感的绕组电感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D2的阴极和二极管D1的阳极，电容C2的第二端与输入电源Vin的负极和主开关管Q2的源极连接；主开关管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的阳极和主开关管Q3的漏极，主开关管Q3的源极连接主开关管Q4的漏极；主开关管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的第一端和正输出端VOUT+；二极管D4的阳极连接电容C4的第一端和负输出端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D1的阳极、主开关管Q3的源极以及电容C3的第二端进行连接。

辅助供电电路具有辅助绕组N3、储能电容C5、辅助开关S1和二极管D5，辅助绕组N3的同名端连接二极管D5的阴极，二极管D5的阳极连接储能电容C5的一端，辅助开关S1并联在二极管D5的两端，储能电容C5的第二端连接辅助绕组N3的异名端。其中的辅助开关S1可以为继电器、三极管、晶闸管或者IGBT等。

本实施例中Buck-Boost电路的控制时序如下图4，图4中Q1、Q2、Q3、Q4分别为主开关管的驱动信号波形；S1为辅助开关的驱动信号波形；iL为流过绕组电感N1、N2的电流波形。

激磁阶段：在0-t1时刻，主开关管Q1、Q2、Q3、Q4开通，绕组电感N1、N2进行储能；t1时刻，主开关管Q1、Q2、Q3、Q4关断。

去磁阶段：在t1-t2时刻，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iL过零。

反向激磁阶段：在t2-t3时刻，主开关管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；t3时刻，辅助开关S1开通，则储能电容C5存储的能量通过辅助开关S1给绕组电感N3进行反向激磁；在t4时刻，辅助开关S1关断。

主管ZVS阶段：在t4-t5这段死区时间内，反向电流抽走主开关管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，主开关管Q1、Q2、Q3、Q4开通，此时，主开关管Q1、Q2、Q3、Q4实现ZVS开通。

第二实施例

图5为本实用新型Buck-Boost电路第二实施例原理图，与第一实施例相比，不同之处在于：辅助电路中的在储能电容C5的一端连接VCC输出端口，在储能电容C5的另外一端连接VCC地。本实施例的辅助绕组N3除了给实现主开关管Q1、Q2、Q3、Q4的ZVS创造条件外，还可以作为辅助供电绕组，以为其它电路供电，进一步的减小体积，降低成本。其它过程与实施例一相同，在此不再叙述。

第三实施例

图6为本实用新型Buck-Boost电路第三实施例原理图，与第二实施例相比不同之处在于：本实施例中，开关管Q5用代替第二实施例中的二极管D5和辅助开关S1，开关管Q5为MOS管，辅助电路中的辅助绕组N3的同名端连接开关管Q5的漏极，开关管Q5的源极连接储能电容C5的一端。

本实施例中的Buck-Boost电路与第二实施例工作原理的主要区别为：第二实施例在主开关管Q1、Q2、Q3、Q4关断时，其绕组电感N1、N2存储的能量通过二极管D5给储能电容C5进行充电，在辅助开关S1导通时，储能电容C5存储的能量通过辅助开关S1给辅助绕组N3进行反向激磁；而本实施例中，在储能电容C5充电阶段，通过走开关管Q5的体二极管给储能电容C5进行充电，在开关管Q5导通时，储能电容C5存储的能量通过开关管Q5给辅助绕组N3进行反向激磁，其它过程与实施例一相同，在此不再叙述。

第四实施例

图7为本实用新型第四实施例Buck-Boost电路原理图，Buck-Boos电路主要包括电容C1、电容C2、电容C3、电容C4、储能电容C5、主开关管Q1、主开关管Q2、二极管D1、二极管D2、二极管D3、辅助开关S1、绕组电感N1、绕组电感N2和辅助绕组N3

输入电源Vin的正极同时连接电容C1的一端和主开关管Q1的漏极，主开关管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的一端和负输出端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，辅助绕组N3的同名端同时连接二极管D3的阳极和辅助开关S1的一端，二极管D3的阴极同时连接辅助开关S1的另外一端和储能电容C5的一端，储能电容C5的另外一端连接辅助绕组N3的异名端，电容C2的另外一端同时连接输入电源Vin负极和主开关管Q2的源极，主开关管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的另一端和正输出端VOUT+。

本实施例Buck-Boost电路的开关管控制时序如图8所示，图8中Q1、Q2分别为主开关管的驱动信号波形；S1为辅助开关的驱动信号波形；iL为流过绕组电感N1、N2的电流波形。

激磁阶段：t0-t1时刻，主开关管Q1、Q2开通，绕组电感N1、N2进行储能；t1时刻，主开关管Q1、Q2关断。

去磁阶段：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iL过零。

反向激磁阶段：t2-t3时刻，主开关管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，因此与器件的一些寄生参数开始谐振，在t3时刻，辅助开关S1开通，则储能电容C5存储的能量通过辅助开关S1给辅助绕组N3进行反向激磁；在t4时刻，辅助开关S1关断，

主管ZVS阶段：在t4-t5这段死区时间内，反向电流抽走主开关管Q1、Q2的寄生电容的能量，主开关管Q1、Q2内部寄生体二极管导通，在t5时刻，主开关管Q1、Q2开通，此时，主开关管Q1、Q2实现ZVS开通，也即，在t4-t5阶段，利用反向激磁阶段的负向电流实现主开关管Q1、Q2的ZVS。

第五实施例

图9为本实用新型第五实施例Buck-Boost电路原理图，与第四实施例相比，不同之处在于：(1)辅助电路中的辅助绕组N3的同名端连接开关管Q3的源极，开关管Q3的漏极连接储能电容C5的一端；(2)在辅助绕组C5的一端连接VCC输出端口，在C5的另外一端连接VCC地。

本实施例的Buck-Boost电路与第四实施例的主要区别为：第四实施例在主开关关断时，其变压器存储的能量通过二极管D3给储能电容C5进行充电，在辅助开关导通时，C5存储的能量通过辅助开关S1给辅助绕组进行反向激磁，本实施例通过用开关管Q3代替二极管D3和辅助开关S1，则在储能电容C5充电阶段，通过走其体二极管给储能电容C5进行充电，在开关管Q3导通时，储能电容C5存储的能量通过走开关管Q3给辅助绕组N3进行反向激磁，其它过程与实施例一相同，在此不再叙述。

本实施例的辅助电路除了给实现主开关管的ZVS创造条件外，还可以作为VCC辅助供电绕组，进一步的减小体积，降低成本。其它过程与实施例一相同，在此不再叙述。

以上仅是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 (10)

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

主开关管Q1的漏极用于连接输入电源的正极，主开关管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的阳极和主开关管Q3的漏极，主开关管Q3的源极连接主开关管Q4的漏极；主开关管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，

还包括：辅助供电电路，辅助供电电路至少包括：辅助绕组N3、开关单元和储能电容C5；储能电容C5存储的能量通过辅助绕组N3和开关单元给绕组电感N1和绕阻电感N2反向激磁，使得绕组电感N1和绕阻电感N2产生负向电流，以实现主开关管Q1、主开关管Q2、主开关管Q3和主开关管Q4零电压开通。

2.根据权利要求1所述Buck-Boost电路，其特征在于：开关单元包括开关和二极管D5，开关的一端连接储能电容C5的一端，开关的另一端连接辅助绕组N3的同名端；二极管D5并联在开关的两端；辅助绕组N3的异名端连接储能电容C5的另一端。

3.根据权利要求1所述Buck-Boost电路，其特征在于：开关单元包括MOS管，MOS管的源极连接储能电容C5的一端，MOS管的漏极连接辅助绕组N3的一端；辅助绕组N3的另一端连接储能电容C5的另一端。

4.根据权利要求1所述Buck-Boost电路，其特征在于：辅助绕组N3的异名端还用于输入供电电源，二极管D5的阳极还与地连接。

5.一种Buck-Boost电路，应用于开关电源，其包括电容C1、电容C2、电容C3、电容C4、主开关管Q1、主开关管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：辅助供电电路：辅助供电电路至少包括：辅助绕组N3、开关单元和储能电容C5；储能电容C5存储的能量通过辅助绕组N3和开关单元给绕组电感N1和绕阻电感N2反向激磁，使得绕组N1电感和绕阻电感N2产生负向电流，以实现主开关管Q1和主开关管Q2零电压开通。

6.根据权利要求5所述Buck-Boost电路，其特征在于：开关单元包括开关和二极管D5，开关的一端连接电容的一端，开关的另一端连接辅助绕组N3的同名端；二极管D5并联在开关的两端；辅助绕组N3的异名端连接电容的另一端。

7.根据权利要求6所述Buck-Boost电路，其特征在于：辅助开关单元包括MOS管，辅助绕组N3的异名端连接储能电容C5的一端，辅助绕组N3的同名端连接MOS管的漏极，MOS管的源极连接储能电容C5的另一端。

8.一种Buck-Boost电路，其包括电容C1、电容C2、电容C3、电容C4、具有至少两个主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；其特征在于，

还包括：辅助供电电路：辅助供电电路至少包括：辅助绕组、开关单元和储能电容；辅助绕组的一端与开关单元的一端连接，辅助绕组的另一端与储能电容的一端连接，开关单元的另一端与储能电容的另一端连接；储能电容存储的能量通过辅助绕组和开关单元给绕组电感N1反向激磁，使得绕组电感N1产生负向电流，以实现第一开关组中的各主开关管零电压开通。

9.根据权利要求8所述Buck-Boost电路，其特征在于：第二开关管组中的开关器件分别为二极管或分别为MOS管。

10.根据权利要求8所述Buck-Boost电路，其特征在于：开关单元由辅助开关和二极管D5组成或由MOS管组成。

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