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同步整流Buck变换器全软开关电路及调制方法技术

技术编号:28986251 阅读:3 留言:0更新日期:2021-06-23 09:36
本发明专利技术实施例涉及开关电源技术领域,特别涉及同步整流Buck变换器全软开关电路及调制方法,包括主开关Q

【技术实现步骤摘要】
同步整流Buck变换器全软开关电路及调制方法
本专利技术实施例涉及开关电源
,特别涉及同步整流Buck变换器全软开关电路及调制方法。
技术介绍
电力电子及电源技术的发展,对开关电源效率和功率密度提出了更高的要求,使得高频率、高效率开关电源的研究备受关注。Buck变换器因具有较宽的降压范围,在非隔离型低压大电流场合中得到广泛应用。传统Buck变换器开关管以硬开关方式动作,带来很大的开关损耗,使得变换器转换效率低、发热严重,导致系统稳定性下降。同时,在开关管开通瞬间,二极管因强迫换流而引起很大的反向恢复电流,带来很强的开关噪声和EMI问题。快速的二极管反向恢复过程导致电流环路切换时的电流变化斜率很高,从而在电路寄生串联电感上产生过高的感应电压,使得器件电压应力大幅增加。为了保证变换器的可靠性,需要采用更高耐压等级的功率半导体器件。采用宽禁带半导体SiC功率器件能明显降低开关损耗,但其成本昂贵,不适用于低成本应用和产业化,且仍以硬开关方式动作,开关损耗以及硬开关噪声没能得到解决。基于软开关技术的Buck电路作为一种普适低成本方案正被大量研究与应用。通过在厡拓扑中串联电感、并联电容,并增加二极管构成了一类无源型软开关Buck电路。但由于无源软开关电路须采用谐振方式实现对辅助电路电路的充放电,最终导致主电路的开关周期和占空比都受到辅助电路谐振时间的限制,软开关范围极小且严重受元器件参数影响。辅助电路中采用功率开关管代替二极管,并合理设计储能元器件的位置,形成了有源软开关Buck电路。通过控制有源型Buck电路中辅助开关的开通与关断来实现对辅助电路电容的充放电,软开关范围得到大幅度提高。但是现有有源型软开关电路很多都存在着受负载电流影响的问题,不能在宽负载范围内实现软开关。另外一些有源软开关电路虽然实现了主开关的零电压开关,但是在辅助电路中引入了很大的开关损耗和二极管反向恢复问题。此外,这些软开关电路使主开关电流应力或电压应力增加,带来额外的主电路导通损耗。由于辅助电路不能实现软开通或关断,辅助开关的电压应力或电流应力也很高,引起很大的辅助电路损耗,系统效率提升不明显,反而体积、重量与成本增加。
技术实现思路
本专利技术实施例的目的在于提供同步整流Buck变换器全软开关电路及调制方法,消除同步整流开关体二极管续流带来反向恢复问题,实现主开关与同步整流开关零电压开通与近似零电压关断,提高Buck电路的工作效率。为解决上述技术问题,第一方面,本专利技术的实施例提供了一种同步整流Buck变换器全软开关电路,包括直流输入电源Vi、主滤波电感L、辅助电感Lr、输出滤波电容Co、箝位电容Cr、MOSFET功率晶体管主开关Q1、MOSFET功率晶体管同步整流开关Q2、MOSFET功率晶体管辅助开关Qr、辅助功率二极管Dr、第一回馈二极管DP1和第二回馈二极管DP2;所述直流输入电源Vi与MOSFET功率晶体管主开关Q1串联组成第一支路,所述第一支路与所述MOSFET功率晶体管同步整流开关Q2、所述箝位电容Cr并联组成第二支路,所述MOSFET功率晶体管辅助开关Qr与所述辅助电感Lr、所述辅助功率二极管Dr串联组成第三支路,所述第三支路与主滤波电感L并联组成第四支路,所述第二支路与第四支路串联组成第五支路,所述第五支路与输出滤波电容Co并联并对负载RL供电。作为优选的,所述MOSFET功率晶体管辅助开关Qr的源极与所述主滤波电感L的第一端、所述第二回馈二极管DP2的阳极连接,所述辅助功率二极管Dr的阴极与所述辅助电感Lr的第二端连接,所述辅助功率二极管Dr的阴极与所述主滤波电感L的第二端连接;所述MOSFET功率晶体管辅助开关Qr的源极、所述MOSFET功率晶体管主开关Q1的源极和所述MOSFET功率晶体管同步整流开关Q2的漏极连接。作为优选的,所述第一回馈二极管DP1的阳极与所述辅助电感Lr的第二端连接;所述第一回馈二极管DP1的阴极、所述第二回馈二极管DP2的阴极与所述MOSFET功率晶体管主开关Q1的漏极连接。第二方面,本专利技术实施例提供一种根据本专利技术第一方面实施例所述同步整流Buck变换器全软开关电路的调制方法,包括:t0~t1阶段:t0时刻,MOSFET功率晶体管主开关Q1的反并联二极管导通,流过主滤波电感L与辅助电感Lr的总电流,MOSFET功率晶体管主开关Q1两端电压为零,MOSFET功率晶体管主开关Q1以零电压条件软开通;此后主滤波电感L的电流线性增加,辅助电感Lr电流线性减小;t1~t2阶段:t1时刻,辅助电感Lr的电流线性下降到零;辅助电感Lr与MOSFET功率晶体管同步整流开关等效寄电容Cp2开始谐振,辅助电感Lr的电流从零开始反向增加,主滤波电感L电流继续以上一阶段的变化斜率线性增加;t2~t3阶段:t2时刻,辅助电感Lr两端电压下降到零,等效电容Cp2两端电压增加到Vi-Vo;第一回馈二极管DP1正向偏置,辅助电感Lr两端电压与等效电容Cp2两端电压同时被箝位;辅助电感Lr电流在MOSFET功率晶体管主开关Q1、MOSFET功率晶体管辅助开关Qr和第一回馈二极管DP1中环流,电流保持不变,主滤波电感L的电流继续线性增加;t3~t4阶段:t3时刻,MOSFET功率晶体管主开关Q1与MOSFET功率晶体管辅助开关Qr同时关断,辅助电感Lr电流立即流过MOSFET功率晶体管辅助开关Qr的反并联二极管;等效电容Cr与主滤波电感L和辅助电感Lr并联谐振,等效电容Cr流过的电流为主滤波电感L和辅助电感Lr的电流之和,等效电容Cr被放电,电压开始减小;t4~t5阶段:t4时刻,等效电容Cr电压下降至零,MOSFET功率晶体管同步整流开关Q2的寄生反并联二极管开始导通;主滤波电感L电压下降至-Vo,辅助电感Lr的电压增加至Vi;因此,主滤波电感L的电流开始线性减小,辅助电感Lr的电流从负电流开始线性增加;t5~t6阶段:t5时刻,MOSFET功率晶体管同步整流开关Q2零电压开通,主滤波电感L与辅助电感Lr的电流继续以上一阶段的变化斜率线性变化;t6~t7阶段:t6时刻,辅助电感Lr的反向电流线性增加至零;辅助电感Lr与等效电容Cp1、Cp2开始串联谐振,在谐振过程中,谐振电路的能量或因阻尼消耗,或传输到输入电源而被转移,最终达到稳态;在此过程中,主滤波电感L两端电压仍然等于-Vo,电流继续以上一阶段的变化斜率线性减小;t7~t8阶段:t7时刻,辅助电感Lr与等效电容Cp1、Cp2寄生串联谐振结束;此阶段,进入续流阶段,主滤波电感L的电流继续以上一阶段的变化斜率线性减小;t8~t9阶段:t8时刻,MOSFET功率晶体管辅助开关Qr开通;因辅助电感Lr的作用,在MOSFET功率晶体管辅助开关Qr开通过程中,流过MOSFET功率晶体管辅助开关Qr的电流为0,因此MOSFET功率晶体管辅助开关Qr以零电流开通;由于寄生并联电容Cp1的影响,MOSFET功率晶体管辅助开关Qr实际开通过程有功率损耗,形成容性开通损耗;MOSFET功率晶体管辅助开关本文档来自技高网
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【技术保护点】
1.一种同步整流Buck变换器全软开关电路,其特征在于,包括直流输入电源V

【技术特征摘要】
1.一种同步整流Buck变换器全软开关电路,其特征在于,包括直流输入电源Vi、主滤波电感L、辅助电感Lr、输出滤波电容Co、箝位电容Cr、MOSFET功率晶体管主开关Q1、MOSFET功率晶体管同步整流开关Q2、MOSFET功率晶体管辅助开关Qr、辅助功率二极管Dr、第一回馈二极管DP1和第二回馈二极管DP2;所述直流输入电源Vi与MOSFET功率晶体管主开关Q1串联组成第一支路,所述第一支路与所述MOSFET功率晶体管同步整流开关Q2、所述箝位电容Cr并联组成第二支路,所述MOSFET功率晶体管辅助开关Qr与所述辅助电感Lr、所述辅助功率二极管Dr串联组成第三支路,所述第三支路与主滤波电感L并联组成第四支路,所述第二支路与第四支路串联组成第五支路,所述第五支路与输出滤波电容Co并联并对负载RL供电。


2.根据权利要求1所述的同步整流Buck变换器全软开关电路,其特征在于,所述MOSFET功率晶体管辅助开关Qr的源极与所述主滤波电感L的第一端、所述第二回馈二极管DP2的阳极连接,所述辅助功率二极管Dr的阴极与所述辅助电感Lr的第二端连接,所述辅助功率二极管Dr的阴极与所述主滤波电感L的第二端连接;所述MOSFET功率晶体管辅助开关Qr的源极、所述MOSFET功率晶体管主开关Q1的源极和所述MOSFET功率晶体管同步整流开关Q2的漏极连接。


3.根据权利要求2所述的同步整流Buck变换器全软开关电路,其特征在于,所述第一回馈二极管DP1的阳极与所述辅助电感Lr的第二端连接;所述第一回馈二极管DP1的阴极、所述第二回馈二极管DP2的阴极与所述MOSFET功率晶体管主开关Q1的漏极连接。


4.一种根据权利要求3所述同步整流Buck变换器全软开关电路的调制方法,其特征在于,包括:
t0~t1阶段:t0时刻,MOSFET功率晶体管主开关Q1的反并联二极管导通,流过主滤波电感L与辅助电感Lr的总电流,MOSFET功率晶体管主开关Q1两端电压为零,MOSFET功率晶体管主开关Q1以零电压条件软开通;此后主滤波电感L的电流线性增加,辅助电感Lr电流线性减小;
t1~t2阶段:t1时刻,辅助电感Lr的电流线性下降到零;辅助电感Lr与MOSFET功率晶体管同步整流开关等效寄电容Cp2开始谐振,辅助电感Lr的电流从零开始反向增加,主滤波电感L电流继续以上一阶段的变化斜率线性增加;
t2~t3阶段:t2时刻,辅助电感Lr两端电压下降到零,等效电容Cp2两端电压增加到Vi-Vo;第一回馈二极管DP1正向偏置,辅助电感Lr两端电压与等效电容Cp2两端电压同时被箝位;辅助电感Lr电流在MOSFET功率晶体管主开关Q1、MOSFET功率晶体管辅助开关Qr和第一回馈二极管DP1中环流,电流保持不变,主滤波电感L的电流继续线性增加;
t3~t4阶段:t3时刻,MOSFET功率晶体管主开关Q1与MOSFET功率晶体管辅助开关Qr同时关断...

【专利技术属性】
技术研发人员:刘芳万江湖李勇刘玲
申请(专利权)人:中南大学
类型:发明
国别省市:湖南;43

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