CN101662209A - 一种软开关降压型dc-dc变换器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种软开关降压型DC－DC变换器，包括由主开关管Q、续流二极管D₀、电感L₀和滤波电容C₀组成的降压式直流变换器，由辅助开关管Q₁、谐振电感L_r、谐振电容C_r1、C_r2、二极管D₁、D₂、D₃组成的辅助谐振网络。通过采用辅助谐振网络实现了主开关管的零电压零电流关断，辅助开关管的零电流通断，续流二极管的零电流接通，具有开关损耗小、软开关范围广、可靠性高等，主开关管和辅助开关管均可用IGBT作为开关器件用于高电压、大功率等场合。

Description

一种软开关降压型DC-DC变换器

技术领域

本发明涉及一种DC-DC变换器，尤其涉及一种软开关降压型PWM变换器。

背景技术

近年来，开关器件品种扩展，参数性能提高，电路拓扑完善，因此软开关电路发展很快。功率MOSFET是低电压、高频应用中的首选，而在高电压、中高频变换器中，IGBT的优越性日益突出，成为主流器件。由于IGBT为复合器件，在关断过程中等效电路中的MOS快速关断，引起V_ce迅速上升，等效晶体管中存储电荷不能从MOS栅极抽出，一部分由内部复合消除，另一部分在V_ce的驱动下通过晶体管集电极电流强迫抽出，形成拖尾电流，该拖尾电流同升高的集电极电压产生较大的关断损耗。软开关技术可以大大降低开关损耗，并且具有硬开关技术所不具有的许多优点，是克服IGBT高频应用障碍的有效方法。

软开关技术种类很多，如谐振开关技术、零开关技术和零转移技术等，其中零转移变换器由于采用辅助网络控制谐振元件的谐振过程，在保持PWM变换器优点的同时实现了软开关，减少了开关损耗，成为电力电子领域的研究热点。但由于辅助网络相应的也引进了辅助管的开关损耗，若辅助管工作在硬开关状态，产生的开关损耗对整个变换器的效率也有影响，如辅助管用高压的MOSFET，则器件成本甚高。如辅助管也采用IGBT，以适应主管IGBT高电压、大功率输出要求，则辅助管软换流通断也极为重要了，而且软开关的作用除了降低开关损耗外，还可以提高开关器件的工作可靠性。从可靠性角度考虑，辅助管也应该采用软开关技术。

发明内容

本发明的目的是提供一种软开关降压型DC-DC变换器，其通过辅助网络实现了主开关管的零电压零电流关断，辅助开关管的零电流通断，续流二极管的零电流接通。

本发明是这样实现的，一种软开关降压型DC-DC变换器，包括由主开关管Q、续流二极管D₀、电感L₀、滤波电容C₀和电阻R₀组成的降压式直流变换器，由辅助开关管Q₁、谐振电感L_r、谐振电容C_r1、C_r2、二极管D₁、D₂、D₃组成的辅助谐振网络，其特征在于：所述谐振电容C_r2一端、二极管D₂的负极和主开关管Q的集电极与电源正极相连接；所述谐振电容C_r2的另一端与二极管D₂的正极、二极管D₃的负极、谐振电感L_r的一端相连接；所述谐振电感L_r的另一端与谐振电容C_r1的一端相连接；所述谐振电容C_r1的另一端与二极管D₁的负极、辅助开关管Q₁的集电极相连接；所述二极管D₁的正极与主开关管Q的射极、辅助开关管Q₁的射极、续流二极管D₀的负极、电感L₀的一端相连接；所述电感L₀的另一端与滤波电容C₀的一端、电阻R₀的一端相连接；所述滤波电容C₀、电阻R₀、续流二极管D₀及二极管D₃的正极与电源的负极相连接。

本发明具有开关损耗小、软开关范围广、可靠性高等，可应用于高电压、大功率等场合

附图说明

图1是本发明实施例的电路图。

图2是本发明主要工作波形示意图。

图3a~图3g是本发明t₀～t₅各时间段工作原理示意电路图。

具体实施方式

下面结合附图及实施例子对本发明做进一步说明。

如图1所示，本发明提供一种软开关降压型DC-DC变换器，包括由主开关管Q、续流二极管D₀、电感L₀、滤波电容C₀和电阻R₀组成的降压式直流变换器，由辅助开关管Q₁、谐振电感L_r、谐振电容C_r1、C_r2、二极管D₁、D₂、D₃组成的辅助谐振网络，其特征在于：所述谐振电容C_r2一端、二极管D₂的负极和主开关管Q的集电极与电源正极相连接；所述谐振电容C_r2的另一端与二极管D₂的正极、二极管D₃的负极、谐振电感L_r的一端相连接；所述谐振电感L_r的另一端与谐振电容C_r1的一端相连接；所述谐振电容C_r1的另一端与二极管D₁的负极、辅助开关管Q₁的集电极相连接；所述二极管D₁的正极与主开关管Q的射极、辅助开关管Q₁的射极、续流二极管D₀的负极、电感L₀的一端相连接；所述电感L₀的另一端与滤波电容C₀的一端、电阻R₀的一端相连接；所述滤波电容C₀、电阻R₀、续流二极管D₀及二极管D₃的正极与电源的负极相连接。

为了使一般技术人员充分了解本发明，下面配合图2及图3a～图3g做进一步说明，这里为简化分析，我们假设电路中所有元器件都是理想的，输出滤波电感L₀足够大，用恒流源I₀代替，输入电压用V_in表示。设t＝t₀之前，谐振电容C_r1的电压为-V_cr1max，谐振电容C_r2的电压为零。电路在一个开关周期有六种运行模式。

(1)模式1t₀之前如图3a所示：主开关管Q导通，辅助开关管Q₁关断，辅助网络不工作，电路运行在常规的PWM方式。

(2)模式2(t₀～t₁)t₀时辅助开关管Q₁零电流导通，L_r与C_r1和C_r2发生谐振，如图3b所示，电感电流从零开始按正弦规律增加，主开关管Q的电流则以正弦规律减小，经过

谐振周期后，i_Lr达到最大值，主开关管电流下降到零，此时关断主开关管，实现了主开关管的零电流关断。

(3)模式3(t₁～t₂)t₁时主开关管Q关断，主开关管两端电压V_ce升高、谐振电容C_r1、C_r2电压也逐渐升高。当V_cr2＝V_in时，D₃导通，谐振支路从Q₁、L_r、C_r1和C_r2转移到L_r、C_r1、Q₁、D₀和D₃回路，如图3c所示，谐振电感储存的能量向电容C_r1转移，谐振电感L_r电流逐渐减小，续流二极管D₀电流逐渐增大，为零电流接通。当谐振电感电流i_Lr为零时，电容C_r1两端电压达到最大值，D₃截止，该谐振支路停止谐振。电路中C_r2既作为谐振电容，又与D₃构成谐振网络转换电路，而由C_r2和D₃构成的谐振支路转移是保证谐振电感L_r能量继续向电容C_r1转移实现辅助开关管零电流关断的关键所在。

(4)模式4(t₂～t₃)t₂时i_Lr＝0，与之串联的辅助开关管Q₁电流亦为零，从t₂开始到主管接通前的这一段时间内关断辅助开关管Q₁可实现辅助管的零电流关断。辅助管关断以后辅助网络停止工作，电路运行在BUCK电感处于续流状态的常规PWM方式，为电感续流阶段，如图3d所示。

(5)模式5(t₃～t₄)t₃时刻主开关管Q导通，电路一方面对电感L₀充电和对负载供电，另一方面为谐振元件能量复位过程，谐振电感L_r与C_r1和C_r2发生谐振，如图3e所示，电容C_r2两端电压V_cr2逐渐减小。

(6)模式6(t₄～t₅)t₄时V_cr2＝0时，D₂导通，如图3f所示，L_r与C_r1继续谐振，直到谐振电感L_r电流i_Lr＝0时，谐振槽中D₁和D₂截止，电路停止谐振，谐振电感能量全部转移到电容上，C_r1电压保持在-Vcrmax，C_r2电压保持为零，为下一个开关周期主开关管零电流关断做准备。t₅以后如图3g所示：辅助网络不工作，电路又回到常规的PWM运行方式，重复上一个开关周期工作。

由以上分析可知，实现主开关管零电流关断的关键在于模式2，利用L_r与C_r1和C_r2谐振使主开关管电流逐渐转移到谐振支路，而发生电流转移的前提是要给谐振电容提供一定的初始负电压和在每个开关周期结束前进行能量复位。当辅助开关管导通时，谐振支路电流逐渐增加，主开关管电流逐渐减小，直至i_c＝0时实现零电流关断；当主开关管导通时，进行谐振能量的复位过程，重新建立负电容电压，为下一周期的主开关管零电流关断做准备。

实现辅助开关管零电流关断的关键在于模式3中由Cr₂和D₃构成的谐振支路的转移，使与辅助开关管串联的谐振电感能量得以通过D₃继续释放到零，实现辅助开关管的零电流关断。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，凡依本发明申请专利范围所做的均等变化与修饰，皆应属本发明的涵盖范围。

Claims (1)

1.一种软开关降压型DC-DC变换器，包括由主开关管(Q)、续流二极管(D₀)、电感(L₀)、滤波电容(C₀)和电阻(R₀)组成的降压式直流变换器，由辅助开关管(Q₁)、谐振电感(L_r)、谐振电容(C_r1、C_r2)、二极管(D₁、D₂、D₃)组成的辅助谐振网络，其特征在于：所述谐振电容(C_r2)一端、二极管(D₂)的负极和主开关管(Q)的集电极与电源正极相连接；所述谐振电容(C_r2)的另一端与二极管(D₂)的正极、二极管(D₃)的负极、谐振电感(L_r)的一端相连接；所述谐振电感(L_r)的另一端与谐振电容(C_r1)的一端相连接；所述谐振电容(C_r1)的另一端与二极管(D₁)的负极、辅助开关管(Q₁)的集电极相连接；所述二极管(D₁)的正极与主开关管(Q)的射极、辅助开关管(Q₁)的射极、续流二极管(D₀)的负极、电感(L₀)的一端相连接；所述电感(L₀)的另一端与滤波电容(C₀)的一端、电阻(R₀)的一端相连接；所述滤波电容(C₀)、电阻(R₀)、续流二极管(D₀)及二极管(D₃)的正极与电源的负极相连接。

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