一种开关变换器及其控制方法技术

本发明专利技术公开了一种开关变换器及其控制方法，开关变换器包括输入电源正、输出电压正、电源公共地、开关管Q1、开关管Q2、开关管Q3、开关管Q4、电感器L1和电容器C1；开关管Q1的漏极和开关管Q3的漏极连接到输入电源正，开关管Q1的源极和开关管Q2的漏极连接到电感器L1的一端，开关管Q3的源极和开关管Q4的漏极连接到电感器L1的另一端，开关管Q4的源极连接到电容器C1的一端，开关管Q2的源极和电容器C1的另一端连接到电源公共地，本发明专利技术在输入输出电压之比较大的条件下能实现电感器L1快速去磁，并将电感器L1的电流波形从三角形变为四边形，实现开关变换器高频高效工作。

A Switching Converter and Its Control Method

【技术实现步骤摘要】
一种开关变换器及其控制方法
本专利技术涉及开关电源，特别涉及开关变换器电路及其控制方法。
技术介绍
图1为传统的降压电路，电路工作在断续模式下电流有效值较大，MOS管Q1为硬开关，二极管D1的导通损耗大。图2为具有同步整流功能的降压电路，相比传统的降压电路，降低了续流阶段的导通损耗，在FCCM模式还可以实现MOS管Q1管的ZVS开通，由于MOS管Q1的ZVS开通及高效率工作的范围比较窄，所以在宽电压输入范围，全负载范围存在综合效率偏低的问题。图3为申请号为13/794,588，专利技术名称为《APPARATUSANDMETHODSFORCONTROLOFDISCONTINUOUSMODEPOWERCONVERTERS》的美国专利摘要附图，该专利的核心思想是电感两端并联单向开关对电感的反向电流进行钳位，在较大输入电压范围和负载范围下实现主MOS管Q1的ZVS开通。但是此专利并没有解决降压电路工作在断续模式下电流有效值较大，导通损耗偏大的问题；并且该专利在断续模式和输入输出电压之比值大于3时，MOS管Q1的ton时间太小和MOS管Q2的续流时间太长且高频化，大电流输出和高效率工作难以实现折中。
技术实现思路
鉴于现有降压电路及其改进型专利电路和控制方式的技术缺陷，本专利技术提出一种开关变换器及其控制方式，解决降压电路工作在断续模式下电流有效值较大，导通损耗偏大的问题。也解决在输入输出电压之比值大于3时，MOS管Q1的ton时间太小和MOS管Q2的续流时间太长难以实现高频化，大电流输出和高效率工作之间的折中等问题。为了实现上述专利技术目的，本专利技术采用以下技术方案：一种开关变换器，包括输入电源正、输出电压正、电源公共地、开关管Q1、开关管Q2、开关管Q3、开关管Q4、电感器L1和电容器C1；开关管Q1的漏极和开关管Q3的漏极连接到输入电源正，开关管Q1的源极和开关管Q2的漏极连接到电感器L1的一端，开关管Q3的源极和开关管Q4的漏极连接到电感器L1的另一端，开关管Q4的源极连接到电容器C1的一端，开关管Q2的源极和电容器C1的另一端连接到电源公共地。优选地，输入输出电压之比大于3。优选地，所述的开关管Q1、开关管Q2、开关管Q3和开关管Q4为MOS管、三极管或者IGBT。上述开关变换器的第一种控制方法包括如下步骤：t0～t1阶段：在t0时刻开关管Q4导通，电感器L1两端的电压为Vin-Vo，对电感器L1励磁，电感器L1的电流IL上升，在t1时刻关断开关管Q1；t1～t2阶段：开关管Q1关断后，电感器L1的电流IL给开关管Q1的输出电容Coss1充电，给开关管Q2的输出电容Coss2放电，在t2时刻电感器L1一端的电压由Vin降为0V，开关管Q2实现ZVS开通；t2～t3阶段：电感器L1两端的电压为Vo，对电感器L1去磁，电流IL下降，在t3时刻关断开关管Q4；t3～t4阶段：电感器L1的电流IL给开关管Q4的输出电容Coss4充电，给开关管Q3的输出电容Coss3放电，在t4时刻电感器L1另一端的电压从Vo上升到Vin，开关管Q3实现ZVS开通；t4～t5阶段：电感器L1的电流IL存在一次换相，由正转负，在t5时刻关断开关管Q2；t5～t6阶段：电感器L1的电流IL给开关管Q2的输出电容Coss2充电，给开关管Q1的输出电容Coss1放电，在t6时刻电感器L1一端的电压从0V上升到Vin，开关管Q1实现ZVS开通；t6～t7阶段：电感器L1两端的电压均为Vin，电压差为零，所以电感器L1的电流IL保持不变，t7时刻关断开关管Q3；t7～t0+Tx阶段：电感器L1的电流IL给开关管Q3的输出电容Coss3充电，给开关管Q4的输出电容Coss4放电，在t0+Tx时刻电感器L1另一端的电压由Vin降到Vo，开关管Q4实现ZVS开通；本周期结束，下一个工作周期开始，重复上面的阶段。作为上述第一种控制方法的改进，其特征在于：当负载降低到一定值时，t0～t1阶段，t2～t3阶段和t4～t5阶段开始减小，t6～t7阶段变长。上述开关变换器的第二种控制方法包括如下步骤：t0～t1阶段：在t0时刻开关管Q1导通，电感器L1两端的电压为Vin-Vo，对电感器L1励磁，电感器L1的电流IL上升，在t1时刻关断开关管Q1；t1～t2阶段：开关管Q1关断后，电感器L1的电流IL给开关管Q1的输出电容Coss1充电，给开关管Q2的输出电容Coss2放电，在t2时刻电感器L1一端的电压由Vin降为0V，开关管Q2实现ZVS开通；t2～t3阶段：电感器L1两端的电压为Vo，对电感器L1去磁，电流IL下降，在t3时刻关断开关管Q4；t3～t4阶段：电感器L1的电流IL给开关管Q4的输出电容Coss4充电，给开关管Q3的输出电容Coss3放电，在t4时刻电感器L1另一端的电压从Vo上升到Vin，开关管Q3实现ZVS开通；t4～t5阶段：电感器L1的电流IL在t5时刻下降到零，此时关断开关管Q3；t5～t6阶段：开关管Q3的输出电容Coss3充电，开关管Q4的输出电容Coss4放电，电感器L1的电流IL从零下降为负向电流，在t6时刻电感器L1另一端的电压由Vin下降到Vo，开关管Q4实现ZVS开通；t6～t7阶段：电感器L1两端的电压为Vo，Vo对电感器L1反向励磁，在t7时刻关断开关管Q2；t7～t0+Tx阶段：电感器L1的电流给开关管Q1的输出电容Coss1放电，给开关管Q2的输出电容Coss2充电，在t0+Tx时刻电感器L1一端的电压由零上升到Vin，开关管Q1实现ZVS开通；本周期结束，下一个工作周期开始，重复上面的阶段。作为上述第二种控制方法的改进，其特征在于：当负载降低到一定值时，t0～t1阶段，t2～t3阶段和t4～t5阶段开始减小，t6～t7阶段变长。本专利技术还提供另外一种相同专利技术构思的开关变换器，技术方案如下：一种开关变换器，包括输入电源正、输出电压正、电源公共地、开关管Q1、开关管Q2、开关管Q4、二极管D1、电感器L1和电容器C1；开关管Q1的漏极和二极管D1的阴极连接到输入电源正，开关管Q1的源极和开关管Q2的漏极连接到电感器L1的一端，二极管D1的阳极和开关管Q4的漏极连接到电感器L1的另一端，开关管Q4的源极连接到电容器C1的一端，开关管Q2的源极和电容器C1的另一端连接到电源公共地。优选地，输入输出电压之比大于3。优选地，所述的开关管Q1、开关管Q2和开关管Q4为MOS管、三极管或者IGBT。上述开关变换器的控制方法包括如下步骤：t0～t1阶段：在t0时刻开关管Q1导通，电感器L1两端的电压为Vin-Vo，对电感器L1励磁，电感器L1的电流IL上升，在t1时刻关断开关管Q1；t1～t2阶段：开关管Q1关断后，电感器L1的电流IL给开关管Q1的输出电容Coss1充电，给开关管Q2的输出电容Coss2放电，在t2时刻电感器L1一端的电压由Vin降为0V，开关管Q2实现ZVS开通；t2～t3阶段：电感器L1两端的电压为Vo，对电感器L1去磁，电流IL下降，在t3时刻关断开关管Q4；t3～t4阶段：电感器L1的电流IL给开关管Q4的输出电容Coss4充电，电感器L1另一端的电压从Vo上升到Vin，电感器L1两端的电压被Vin钳位，当本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种开关变换器，其特征在于：包括输入电源正、输出电压正、电源公共地、开关管Q1、开关管Q2、开关管Q3、开关管Q4、电感器L1和电容器C1；开关管Q1的漏极和开关管Q3的漏极连接到输入电源正，开关管Q1的源极和开关管Q2的漏极连接到电感器L1的一端，开关管Q3的源极和开关管Q4的漏极连接到电感器L1的另一端，开关管Q4的源极连接到电容器C1的一端，开关管Q2的源极和电容器C1的另一端连接到电源公共地。

【技术特征摘要】
1.一种开关变换器，其特征在于：包括输入电源正、输出电压正、电源公共地、开关管Q1、开关管Q2、开关管Q3、开关管Q4、电感器L1和电容器C1；开关管Q1的漏极和开关管Q3的漏极连接到输入电源正，开关管Q1的源极和开关管Q2的漏极连接到电感器L1的一端，开关管Q3的源极和开关管Q4的漏极连接到电感器L1的另一端，开关管Q4的源极连接到电容器C1的一端，开关管Q2的源极和电容器C1的另一端连接到电源公共地。2.根据权利要求1所述的开关变换器，其特征在于：输入输出电压之比大于3。3.根据权利要求1所述的开关变换器，其特征在于：开关管Q1、开关管Q2、开关管Q3和开关管Q4为MOS管、三极管或者IGBT。4.一种权利要求1至3任一项所述的开关变换器的控制方法，其特征在于包括如下步骤：t0～t1阶段：在t0时刻开关管Q4导通，电感器L1两端的电压为Vin-Vo，对电感器L1励磁，电感器L1的电流IL上升，在t1时刻关断开关管Q1；t1～t2阶段：开关管Q1关断后，电感器L1的电流IL给开关管Q1的输出电容Coss1充电，给开关管Q2的输出电容Coss2放电，在t2时刻电感器L1一端的电压由Vin降为0V，开关管Q2实现ZVS开通；t2～t3阶段：电感器L1两端的电压为Vo，对电感器L1去磁，电流IL下降，在t3时刻关断开关管Q4；t3～t4阶段：电感器L1的电流IL给开关管Q4的输出电容Coss4充电，给开关管Q3的输出电容Coss3放电，在t4时刻电感器L1另一端的电压从Vo上升到Vin，开关管Q3实现ZVS开通；t4～t5阶段：电感器L1的电流IL存在一次换相，由正转负，在t5时刻关断开关管Q2；t5～t6阶段：电感器L1的电流IL给开关管Q2的输出电容Coss2充电，给开关管Q1的输出电容Coss1放电，在t6时刻电感器L1一端的电压从0V上升到Vin，开关管Q1实现ZVS开通；t6～t7阶段：电感器L1两端的电压均为Vin，电压差为零，所以电感器L1的电流IL保持不变，t7时刻关断开关管Q3；t7～t0+Tx阶段：电感器L1的电流IL给开关管Q3的输出电容Coss3充电，给开关管Q4的输出电容Coss4放电，在t0+Tx时刻电感器L1另一端的电压由Vin降到Vo，开关管Q4实现ZVS开通；本周期结束，下一个工作周期开始，重复上面的阶段。5.根据权利要求4所述的控制方法，其特征在于：当负载降低到一定值时，t0～t1阶段，t2～t3阶段和t4～t5阶段开始减小，t6～t7阶段变长。6.一种权利要求1至3任一项开关变换器的控制方法，其特征在于包括如下步骤：t0～t1阶段：在t0时刻开关管Q1导通，电感器L1两端的电压为Vin-Vo，对电感器L1励磁，电感器L1的电流IL上升，在t1时刻关断开关管Q1；t1～t2阶段：开关管Q1关断后，电感器L1的电流IL给开关管Q1的输出电容Coss1充电，给开关管Q2的输出电容Coss2放电，在t2时刻电感器L1一端的电压由Vin降为0V，开关管Q2实现ZVS开通；t2～t3阶段：电感器L1两端的电压为Vo，对电感器L1去磁，电流IL下降，在t3时刻关断开关管Q4；t3～t4阶段：电感器L1的电流IL给开关管Q4的输出电容Coss4充电，给开关管Q3的输出电容Coss3放电，在t4时刻...

【专利技术属性】
技术研发人员：卢鹏飞，
申请(专利权)人：广州金升阳科技有限公司，
类型：发明
国别省市：广东,44