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一种无源无损软开关的Boost变换器和控制方法技术

技术编号:28986254 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,特别涉及一种无源无损软开关的Boost变换器和控制方法,通过在开关管两端并联容量较大的辅助箝位电容与辅助二极管的串联支路,使得开关管关断过程中电压变化几乎为零,从而实现近似零电压关断。在开关管漏极串联辅助电感,使开关管在极短的开通瞬间电流几乎为零,实现了开关管近似零电流开通。另一辅助电感与辅助二极管的串联支路释放存储在箝位电容里的能量到输入电源,实现电容的电荷守恒。因此,无源软开关电路所需能量都被无损地吸收和释放,实现了变换器的高效率运行。

【技术实现步骤摘要】
一种无源无损软开关的Boost变换器和控制方法
本专利技术实施例涉及开关电源
,特别涉及一种无源无损软开关的Boost变换器和控制方法。
技术介绍
随着对DC-DC变换器尺寸和效率的研究,轻小化是目前研究的一个方向。开关频率与变换器的体积和重量相关,提高开关频率可以减小电容、电感等元件的体积,但是会导致较大的开关损耗、较高的开关应力和电磁损耗。为了解决这个矛盾,软开关技术应运而生。软开关技术可以分为有源软开关和无源软开关两种。采用具有有源开关的辅助电路,具有软开关范围宽的优点。然而,有源电路使用的辅助开关需要额外的散热器。通常有源辅助开关源极不接地,必须采用浮动栅极驱动器。这将导致变换器电路更复杂,系统成本增加,功率密度可能降低。此外,有源电路的辅助开关通常工作在硬开关模式,开关损耗大,且存在寄生谐振与电压应力高的问题。无源软开关电路不增加任何有源器件,因此变换器电路复杂度和控制难度都不会增加。但是现有无源软开关Boost电路或增加了多个辅助二极管,且二极管在较长时间内同时导通,引起更严重的导通损耗;或采用耦合电感以使辅助电感或者辅助漏感电流复位,引起磁芯损耗和线圈损耗增加,且连续的辅助电感电流导致开关管电流应力变大。除上述方法外,若以谐振方式实现软开关,则存在电压峰值高、谐振时间长的问题,谐振电流受负载电流以及占空比的影响,软开关范围受到很大的限制的问题。
技术实现思路
本专利技术实施例的目的在于提供一种无源无损软开关的Boost变换器和控制方法,通过设计合适的辅助电路参数控制策略,在很宽电压范围和满负载范围实现软开关,使用元器件数量少,电压应力增加小,易于设计并获得较高的效率,解决了现有技术中软开关范围受到很大的限制的问题。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无源无损软开关的Boost变换器,其特征在于,包括电源Vi、功率MOSFET主开关Q、第一辅助电感La、第二辅助电感Lr、辅助箝位电容Cr、第一辅助续流二极管Dr1和第二辅助续流二极管Dr2;所述功率MOSFET主开关Q的源极连接所述电源Vi的负极,所述功率MOSFET主开关Q的漏极连接所述第一辅助电感La的第二端,所述第一辅助电感La的第一端连接所述电源Vi的正极;所述第二辅助电感Lr的第一端连接所述第二辅助续流二极管Dr2的阳极,所述第二辅助电感Lr的第一端连接所述功率MOSFET主开关Q的源极;所述第二辅助续流二极管Dr2的阴极连接所述第一辅助续流二极管Dr1的阳极,所述第一辅助续流二极管Dr1的阴极连接所述电源Vi的正极。作为优选的,还包括主滤波电感L和功率二极管D,所述主滤波电感L的第一端连接所述电源Vi的正极,所述主滤波电感L的第二端连接所述第一辅助电感La的第一端;所述功率二极管D的第一端连接所述第一辅助电感La的第一端,功率二极管D的第二端连接所述功率MOSFET主开关Q的漏极。作为优选的,还包括输出储能电容Co和负载RL;所述输出储能电容Co的第一端连接所述功率二极管D的第二端,所述输出储能电容Co的第二段连接所述功率MOSFET主开关Q的漏极;所述负载RL与所述输出储能电容Co并联。作为优选的,所述第二辅助电感Lr与所述第二辅助续流二极管Dr2串联组成第一支路,所述第一支路与所述第一辅助续流二极管Dr1串联组成第二支路,所述第二支路与所述电源Vi并联组成第三支路,所述第三支路与所述主滤波电感L串联组成第四支路,所述第二支路与所述辅助箝位电容Cr串联组成第五支路,所述第五支路与所述功率MOSFET主开关Q并联组成第六支路,所述第六支路与所述第一辅助电感La串联组成第七支路,所述第七支路与所述第四支路并联组成第八支路,所述第八支路与所述功率二极管D串联组成第九支路,所述第九支路与所述输出储能电容Co并联。作为优选的,所述主滤波电感L的容量为100μH,所述输出储能电容Co容量为80μF,所述第一辅助电感La容量为1μH,所述第二辅助电感Lr容量为3μH,所述辅助箝位电容Cr的容量为10nF。第二方面,本专利技术实施例提供一种无源无损软开关的Boost变换器的控制方法,基于本专利技术第一方面实施例所述的无源无损软开关的Boost变换器,包括:t0~t1阶段:t0时刻,功率MOSFET主开关Q关断,辅助箝位电容Cr两端电压为-Vi,电感电流流过辅助箝位电容Cr,对辅助箝位电容Cr以近似恒定电流放电,辅助箝位电容Cr电压绝对值线性下降;t1~t2阶段:t1时刻,主滤波电感L电压上升到等于-(Vo-Vi),功率二极管D开通,主滤波电感L两端电压被箝位至-(Vo-Vi),主滤波电感L通过功率二极管放电至输出,电流线性下降;t2~t3阶段:t2时刻,第一辅助电感La电流iLa下降到0;若第一辅助电感La储能达到预设值,第一辅助电感La电流iLa下降为0时,辅助箝位电容Cr电压将上升至大于Vo;当辅助箝位电容Cr电压大于Vo时,第二辅助续流二极管Dr2正向偏置,辅助箝位电容Cr通过第一辅助电感La和第二辅助电感Lr谐振放电,直到辅助箝位电容Cr电压等于Vo时,放电电流达到最大,此后放电电流逐步减小,主滤波电感L继续放电至输出端;t3~t4阶段:t3时刻,第二辅助电感Lr电流下降至零,辅助箝位电容Cr电压小于Vi+Vo;第二辅助续流二极管Dr2截止,电路进入续流阶段;t4~t5阶段:t4时刻,功率MOSFET主开关Q受控开通;第一辅助电感La电流为0,因此,功率MOSFET主开关Q开通瞬间电流近似为零,Q开通后,La电流上升;t5~t6阶段:t5时刻,第一辅助电感La电流iLa等于主滤波电感L电流iL,功率二极管D自然关断,反向恢复电流大大减小;主滤波电感L与第一辅助电感La电压之和等于Vi,主滤波电感L与第一辅助电感La电流线性上升;辅助箝位电容Cr继续通过与第二辅助电感Lr谐振放电,当辅助箝位电容Cr电压放电到0,第二辅助电感Lr电流达到最大,辅助箝位电容Cr被反向充电,电压增加;t6~t7阶段:t6时刻,辅助箝位电容Cr电压上升至Vi时,第一辅助续流二极管Dr1正向偏置导通,辅助箝位电容Cr、第二辅助电感Lr电压被Vi箝位,辅助箝位电容Cr电压不变,第二辅助电感Lr电流线性减小;t7~t0阶段:t7时刻,第二辅助电感Lr电流下降到0,仅主滤波电感L在正向电压作用下电流线性上升,电路进入开通阶段。本专利技术实施例针对Boost电路主开关硬关断损耗过大提出了一种无源无损软开关电路。通过在开关管两端并联容量较大的辅助箝位电容与辅助二极管的串联支路,使得开关管关断过程中电压变化几乎为零,从而实现近似零电压关断。在开关管漏极串联辅助电感,使开关管在极短的开通瞬间电流几乎为零,实现了开关管近似零电流开通。另一辅助电感与辅助二极管的串联支路释放存储在箝位电容里的能量到输入电源,实现电容的电荷守恒。因此,无源软开关电路所需能量都被无损地吸收和释放,实现了变换器的高效率运行。附图说明一个或多个实施例通过与之对应的本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种无源无损软开关的Boost变换器,其特征在于,包括电源V

【技术特征摘要】
1.一种无源无损软开关的Boost变换器,其特征在于,包括电源Vi、功率MOSFET主开关Q、第一辅助电感La、第二辅助电感Lr、辅助箝位电容Cr、第一辅助续流二极管Dr1和第二辅助续流二极管Dr2;
所述功率MOSFET主开关Q的源极连接所述电源Vi的负极,所述功率MOSFET主开关Q的漏极连接所述第一辅助电感La的第二端,所述第一辅助电感La的第一端连接所述电源Vi的正极;所述第二辅助电感Lr的第一端连接所述第二辅助续流二极管Dr2的阳极,所述第二辅助电感Lr的第一端连接所述功率MOSFET主开关Q的源极;所述第二辅助续流二极管Dr2的阴极连接所述第一辅助续流二极管Dr1的阳极,所述第一辅助续流二极管Dr1的阴极连接所述电源Vi的正极。


2.根据权利要求1所述的无源无损软开关的Boost变换器,其特征在于,还包括主滤波电感L和功率二极管D,所述主滤波电感L的第一端连接所述电源Vi的正极,所述主滤波电感L的第二端连接所述第一辅助电感La的第一端;所述功率二极管D的第一端连接所述第一辅助电感La的第一端,功率二极管D的第二端连接所述功率MOSFET主开关Q的漏极。


3.根据权利要求2所述的无源无损软开关的Boost变换器,其特征在于,还包括输出储能电容Co和负载RL;所述输出储能电容Co的第一端连接所述功率二极管D的第二端,所述输出储能电容Co的第二段连接所述功率MOSFET主开关Q的漏极;所述负载RL与所述输出储能电容Co并联。


4.根据权利要求3所述的无源无损软开关的Boost变换器,其特征在于,所述第二辅助电感Lr与所述第二辅助续流二极管Dr2串联组成第一支路,所述第一支路与所述第一辅助续流二极管Dr1串联组成第二支路,所述第二支路与所述电源Vi并联组成第三支路,所述第三支路与所述主滤波电感L串联组成第四支路,所述第二支路与所述辅助箝位电容Cr串联组成第五支路,所述第五支路与所述功率MOSFET主开关Q并联组成第六支路,所述第六支路与所述第一辅助电感La串联组成第七支路,所述第七支路与所述第四支路并联组成第八支路,所述第八支路与所述功率二极管D串联组成第九支路,所述第九支路与所述输出储能电容Co并联。


5.根据权利要求4所述的无源无损软开关的Boost变换器,其特征在于,所述主滤波电感L的容量为100μH,所述输出储能电容Co容量为8...

【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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