一种基于耦合电感的低纹波软开关同步整流Buck变换器制造技术

本发明专利技术公开了一种基于耦合电感的低纹波软开关同步整流Buck变换器，包括第一、第二MOSFET，耦合电感，第三电感，第一、第二电容，电阻。在本发明专利技术提出的电路中，不需要为两个开关管增加辅助器件或电路，即可实现软开关工作，同时显著地减小了输出电流纹波，降低了变换器对滤波电路的要求。发明专利技术的变换器虽然增加了一个耦合电感和一个电容，但是在实际设计中，电感值和电容值可以明显降低，总的来说减小了变换器的体积和重量，在不增加电路成本的前提下，实现了变换器的效率提升。

A low ripple soft switching synchronous rectified Buck converter based on coupled inductor

The present invention discloses a low ripple soft switching synchronous rectification Buck converter based on coupled inductor, including first, second MOSFET, coupled inductors, third inductors, first, second capacitors, resistors. In the circuit proposed in this paper, no auxiliary device or circuit can be added to the two switches, so the soft switching can be realized, and the output current ripple is obviously reduced, and the requirements of the converter to the filter circuit are reduced. Although the invention converter adds a coupled inductor and a capacitor, but in the actual design of inductance and capacitance values can be significantly reduced, generally decrease the volume and weight of the converter, without increasing the circuit cost, improve the efficiency of the converter is realized.

【技术实现步骤摘要】
一种基于耦合电感的低纹波软开关同步整流Buck变换器
本专利技术专利公开了一种基于耦合电感的低纹波软开关同步整流Buck变换器，涉及电力电子

技术介绍
降压式变换器电路(Buck电路)是一种最简单的降压式直流-直流变换器电路，被广泛应用于各种电力电子装置中。但由于其硬开关过程所造成的开关损耗和高频噪声，给此类变换器实现高频化、高功率密度上带来了限制和挑战。为了减小损耗，提升效率，同步整流Buck变换器应运而生，该种变换器应用了一个附加的功率开关管取代了传统电路中的整流二极管，采用同步整流的控制方式。传统的同步整流Buck变换器在不增加额外的有源或无源器件组成的辅助电路时，无法实现主功率开关管的软开关，所以为了进一步减少开关损耗，需要让所有开关管都工作在软开关模式。通过对变换器中滤波电感电流的设计，可以实现每个开关周期内电感电流的短时反向，即可以通过反向的电感电流给主开关管的结电容进行充放电，以实现所有开关管的零电压开关，使变换器的效率得到提升。但是因为双向电感电流的存在，导致了新的问题产生，输出电感电流纹波非常大，进而对输出滤波电容有了很高的要求，往往需要较大的电解电容来保证输出电压的精度，不仅带来了变换器体积增大、成本增加的问题，电容本身的ESR也会导致能量的消耗。
技术实现思路
本专利技术专利所要解决的技术问题是：为克服现有技术中存在的不足，提供一种基于耦合电感的低纹波软开关同步整流Buck变换器，不需要为两个开关管附加额外的器件或电路，就能实现所有开关管的零电压开关。同时，采用了特殊的滤波网络，显著地减小了输出电感电流纹波，降低了对输出滤波器件的要求，实现了变换器的低纹波和效率提升。本专利技术专利为解决上述技术问题采用以下技术方案：一种基于耦合电感的低纹波软开关同步整流Buck变换器，其特征在于：包括第一、第二MOSFET，耦合电感，第三电感，第一、第二电容，电阻，其中，所述第一MOSFET的漏极与输入端正极相连接，第一MOSFET的的源极与第二MOSFET的漏极、耦合电感的第一电感的同名端相连接，耦合电感的第一电感的异名端与耦合电感的第二电感同名端、第三电感的一端相连接，耦合电感的第二电感异名端和第二电容的一端、电阻的一端相连接，第三电感的另一端与第一电容的一端相连接，第二MOSFET的源极与输入端负极、第一电容的另一端、第二电容的另一端、电阻的另一端相连接。本专利技术与现有技术相比的主要技术特点是：电路结构简单，不需要复杂的控制，两个开关管就能实现零电压开关，变换器效率得到提升。显著地减小了输出电感电流纹波，降低了对输出滤波电路的要求，相比于传统的同步buck变换器，减少了电感的绕组和电容的取值，电路成本没有增加，而变换器的输出精度和效率得到提高。附图说明图1是本专利技术专利的电路连接示意图，其中：Q1、Q2分别为第一、第二MOSFET，L2、L1分别是耦合电感中的第一电感和第二电感，同名端如图所示，其互感为L3是第三电感，C3，C0分别是第一电容和第二电容，R为电阻。图2是本专利技术的基于耦合电感的低纹波软开关同步整流Buck变换器的主要工作波形示意图。图3～8是本专利技术的基于耦合电感的低纹波软开关同步整流Buck变换器的等效电路结构示意图。图9是本专利技术的滤波网络的等效电路结构示意图。图10是本专利技术变换器电路的一个设计实例的仿真电路图。图11是图10中输出电压的仿真波形图。图12是图10中电感电流的仿真波形图。图13是图12的局部细节放大图。具体实施方式下面详细描述本专利技术专利的实施方式，所述实施方式的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施方式是示例性的，仅用于解释本专利技术专利，而不能解释为对本专利技术专利的限制。凡根据本专利技术主要技术方案的精神实质所做的修饰，都应涵盖在本专利技术的保护范围之内。下面结合附图对本专利技术专利的技术方案做进一步的详细说明：一种基于耦合电感的低纹波软开关同步整流Buck变换器，包括第一、第二MOSFET，耦合电感，第三电感，第一、第二电容，电阻。所述第一MOSFET的漏极与输入端正极相连接，第一MOSFET的的源极与第二MOSFET的漏极、耦合电感的第一电感的同名端相连接，耦合电感的第一电感的异名端与耦合电感的第二电感同名端、第三电感的一端相连接，耦合电感的第二电感异名端和第二电容的一端、电阻的一端相连接，第三电感的另一端与第一电容的一端相连接，第二MOSFET的源极与输入端负极、第一电容的另一端、第二电容的另一端、电阻的另一端相连接。下面以附图1为主电路结构，结合附图2～8叙述本专利技术的具体工作原理。由附图2可知整个变换器在一个开关周期有6种开关模态，分别是[t0～t1]、[t1～t2]、[t2～t3]、[t3～t4]、[t4～t5]、[t5～t6](见附图2)。由于电流iL1和iL3不直接参与开关器件的软开关过程即各开关模态的工作情况，以下内容分为开关模态具体分析纹波消除网络具体分析两个部分。下面对各开关模态的工作情况进行具体分析，在分析之前，假设所有器件均为理想器件。开关模态1[t0～t1]Q1导通，电感L2,L1承受输入电压与输出电压之差，因此电流iL2线性上升，从反向的电流值一直到正向最大值+Im。开关模态2[t1～t2]在t1时刻，Q1关断。模态2的时间很短，可以将iL2看作一个恒流源，对Q1的结电容充电，对Q2的结电容放电，Q2的漏源电压开始下降，下降到零时，模态2结束。开关模态3[t2～t3]Q2的漏源电压下降到零时，Q2的寄生二极管导通，则Q2的漏源电压保持为零。开关模态4[t3～t4]在t3时刻，Q2的栅极变为高电平，Q2零电压开通。iL2流过Q2。L2上承受输出电压，电流开始线性减小，直到变为反向。在t4时刻，Q2零电压关断。开关模态5[t4～t5]在t4时刻，iL2反向，可以对Q1的结电容放电，同时对Q2的结电容充电。Q1的漏源电压可近似认为线性下降，直到Q1的漏源电压下降到零，模态5结束。开关模态6[t5～t6]Q1的漏源电压下降到零时，Q1的寄生二极管导通，则Q1的漏源电压保持为零。在t6时刻，Q1零电压导通。下面对纹波消除网络进行详细分析。对于一个耦合电感来说，其两个绕组电流中的交流分量应该满足条件：nL2ΔiL2＝nL1ΔiL1。在图9中，我们将耦合电感等效为励磁电感Lm和理想变压器n2、n1的组合，通过支路L3、C3来控制励磁电感Lm上的电压，让iL2中的所有交流分量全流过励磁电感Lm，则L2中的纹波电流就无法传递到耦合电感的次级侧，也就实现了对电流iL1的纹波消除。通过列写电路方程，能得到电流iL1中的纹波的表达式为图10是本专利技术变换器电路的一个设计实例的仿真电路图。性能指标为输入电压40V，输出电压24V，额定功率48W，开关频率200kHz。在此设计中应用了本专利技术提出的结构，其中三个电感值仅为4uH，两个电容容值仅为10uF，得到的负载两端的电压波形如图11。消除纹波过程的仿真波形图如图12所示，图13为图12的局部细节放大图，其中电流iL2是双向的，反向时给两个开关管提供软开关条件；电流iL1为最终输出电流，低纹波，显著降低了对输出滤波电容的要求。由以上描述可知，本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于耦合电感的低纹波软开关同步整流Buck变换器，其特征在于：包括第一、第二MOSFET，耦合电感，第三电感，第一、第二电容，电阻，其中，所述第一MOSFET的漏极与输入端正极相连接，第一MOSFET的的源极与第二MOSFET的漏极、耦合电感的第一电感的同名端相连接，耦合电感的第一电感的异名端与耦合电感的第二电感同名端、第三电感的一端相连接，耦合电感的第二电感异名端和第二电容的一端、电阻的一端相连接，第三电感的另一端与第一电容的一端相连接，第二MOSFET的源极与输入端负极、第一电容的另一端、第二电容的另一端、电阻的另一端相连接。

【技术特征摘要】
1.一种基于耦合电感的低纹波软开关同步整流Buck变换器，其特征在于：包括第一、第二MOSFET，耦合电感，第三电感，第一、第二电容，电阻，其中，所述第一MOSFET的漏极与输入端正极相连接，第一MOSFET的的源极与第二MOSFET的漏极、耦合电感的第一电感的同名端相连...

【专利技术属性】
技术研发人员：李浩昱，许传宇，张超，张鸿斌，张继红，
申请(专利权)人：哈尔滨工业大学，
类型：发明
国别省市：黑龙江,23