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CN108696122B - 一种应用于高功率密度场合的高转换效率电压转换电路 - Google Patents

一种应用于高功率密度场合的高转换效率电压转换电路 Download PDF

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CN108696122B CN201810133319.XA CN201810133319A CN108696122B CN 108696122 B CN108696122 B CN 108696122B CN 201810133319 A CN201810133319 A CN 201810133319A CN 108696122 B CN108696122 B CN 108696122B
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Abstract

本发明提出了一种应用于高功率密度场合的高转换效率电压转换电路，通过在传统的同步BUCK降压电路的输出电感两端并联一个箝位开关，降低了因二极管反向续流和寄生参数所引起的开关损耗，通过提高开关频率，降低无源器件的体积，完成电源模块体积的优化。本发明适用于对供电电源的功率密度和转换效率要求严格的场合，提出一种通过在输出滤波电感两端添加箝位开关实现软开关的电压转换方案，采用该方案的供电电源具有高功率密度和高转换效率的特点。本发明所述的具有箝位开关的功率转换电路，可以实现将输入直流或交流电转换成负载所需要的低压直流电。

Description

一种应用于高功率密度场合的高转换效率电压转换电路
技术领域
本发明涉及电力电子变换技术领域，尤其涉及一种高转换效率电压转换电路。
背景技术
供电电源模块高功率密度和高转换效率是实现用电设备集成化的必要条件，在一些用电设备中包括较多的用电子单元，而每个子单元需要配置相应的电源模块，为了有效优化物理空间，对电源模块的功率密度和转换效率就有着严格要求。
实现供电电源模块小型化的有效途径是提高能量转换频率，降低核心部件体积。然而却面临两点问题：①硬性开关导致功率器件的开关损耗增加，同时也产生了较高的能量尖峰和电磁噪声；②寄生二极管反向恢复时间变长，导致高频运行下无法及时关断，增加了转换损耗。
传统的硬性开关拓扑，如图1所示，开通时Q1所要承受的电压为输入电压Vin，当开关频率提高时，Q2的反向恢复电流变大，从而增加了Q1的开关损耗。
发明内容
针对现有技术中存在的不足，本发明所要解决的技术问题是：为用电设备提供具备高功率密度和高转换效率的电源解决方案。
为了实现上述目的，本发明采取如下技术方案：
一种应用于高功率密度场合的高转换效率电压转换电路，所述电压转换电路包括同步BUCK降压电路，所述同步BUCK降压电路包括开关管Q1、Q2、输入电容Cin、输出电容Cout、输出电感Lout；高压侧开关管Q1的一端接输入电源Vin，Q1的另一端与Q2的一端相连，低压侧开关管Q2的另一端接地；输入电容Cin并联在输入电源的Vin两端，输出电感Lout的一端与Q1的另一端相连，输出电感Lout的另一端与输出电容Cout的一端相连，输出电容Cout的另一端接地；在所述输出电感Lout支路上并联箝位开关QZVS，用以实现Q1的软开关。
进一步地，所述电压转换电路的低压侧开关Q2关断后，添加的箝位开关QZVS先导通，完成反向续流后，高压侧开关Q1再导通。
进一步地，所述电压转换电路的一个工作周期分为4个工作阶段，阶段①②与传统同步BUCK降压电路的工作模式相同；第③阶段闭合QZVS，第④阶段关断QZVS。
进一步地，所述输入电源是直流输入或者高频交流输入。
进一步地，当输入为高频交流时，需要通过高频变压器完成隔离功能。
进一步地，当输入为高频交流时，经过整流变换成直流，再完成降压转换功能。
进一步地，所述高频变压器为紧凑型高频变压器。
进一步地，负载并联在输出电容Cout的两端。
进一步地，负载可以是T/R组件。
本发明的有益效果是：本发明提出了一种应用于高功率密度场合的高转换效率电压转换电路，降低了因二极管反向续流和寄生参数所引起的开关损耗，通过提高开关频率，降低无源器件的体积，完成电源模块体积的优化。本发明适用于对供电电源的功率密度和转换效率要求严格的场合，提出一种通过在输出滤波电感两端添加箝位开关实现软开关的电压转换方案，采用该方案的供电电源具有高功率密度和高转换效率的特点。本发明所述的具有箝位开关的功率转换电路，可以实现将输入直流或交流电转换成负载所需要的低压直流电。
附图说明
图1是传统的直流电电源模块的功率转换电路图；
图2是本发明的直流电电源模块的功率转电路图；
图3是输入为高频交流时本发明的配电电源模块的功率转换电路图；
图4是本发明的配电电源模块的工作模式示意图。
具体实施方式
下面结合附图说明及具体实施方式对本发明进一步说明。
传统的同步BUCK降压电路，如图1所示，包括开关管Q1、Q2、输入电容Cin、输出电容Cout、输出电感Lout，高压侧开关管Q1的一端接输入电源Vin，Q1的另一端与Q2的一端相连，低压侧开关管Q2的另一端接地。输入电容Cin并联在输入电源的Vin两端，输出电感Lout的一端与Q1的另一端相连，输出电感Lout的另一端与输出电容Cout的一端相连，输出电容Cout的另一端接地。负载并联在输出电容Cout的两端。负载可以是T/R组件。
为了提高供电电源的功率密度，有效的方案是提高电源开关频率以降低无源器件的体积，而传统的降压方案，在提高频率的情况下会明显增加高压侧的开关损耗。因此并不适合应用于对功率密度和转换效率有严格要求的场合。如图1中传统降压转换方案，高压侧开关Q1导通的电压接近于输入电压，当输入电压较高时，Q1的开关损耗将非常明显，而在整个功率转换中，Q1的开关损耗为电源转换中的主要损耗，这就限制了通过增加开关频率来降低无源器件的体积，无法满足对供电电源的功率密度和转换效率要求严格的场合。
本发明在输出电感Lout支路上增加箝位开关QZVS，如图2所示，用以实现Q1的软开关。具体转换方案为：低压侧开关Q2关断后，添加的箝位开关QZVS先导通，完成反向续流后，高压侧开关Q1再导通。
输入电源Vin可以是直流输入，也可以是高频交流输入。
当输入为高频交流时，需要通过高频变压器完成隔离功能，经过整流变换成直流，再完成降压转换功能。如图3所示，通过紧凑型高频变压器就可完成电压转换，固有的降压优势省去了高电压增益下的能量转换，从而提升了配电器效能。
本发明的工作原理是：单周期内分为4个工作状态，如附图4所示。阶段①②与传统同步BUCK降压电路的工作模式相同。第③阶段闭合QZVS，作用是为电感提供反向储能回路，降低寄生二极管的反向恢复电流，并为阶段④实现零电压开关ZVS提供能量，此时Vs＝Vout。第④阶段关断QZVS，Lout与Q1//Q2的寄生电容发生谐振，Q1寄生电容放电、Q2寄生电容充电，此时Vs＝Vin，因此Q1处于零电压开通状态。
上述分析表明，①增加箝位开关可有效实现Q1的ZVS导通，使得在高开关频率下依然保持较高的转换效能，这正是本发明提出的关键部分；②开关频率由几百kHz提高到MHz，正向降低了输出电感和电容的体积，满足配电电源的小型化；③电压调整率的升高，促进输出纹波的降低，可保证各路负载供电的一致性；④输出采用小容值陶瓷电容，使得恢复时间降低，进而增加了电源模块的瞬态响应速度。
以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换，都应当视为属于本发明的保护范围。

Claims (6)

1.一种应用于高功率密度场合的高转换效率电压转换电路，所述电压转换电路包括同步BUCK降压电路，所述同步BUCK降压电路包括开关管Q1、Q2、输入电容Cin、输出电容Cout、输出电感Lout；高压侧开关管Q1的一端接输入电源Vin，Q1的另一端与Q2的一端相连，低压侧开关管Q2的另一端接地；输入电容Cin并联在输入电源的Vin两端，输出电感Lout的一端与Q1的另一端相连，输出电感Lout的另一端与输出电容Cout的一端相连，输出电容Cout的另一端接地；其特征在于：在所述输出电感Lout支路上直接并联箝位开关QZVS，用以实现Q1的软开关，所述电压转换电路的低压侧开关Q2关断后，添加的箝位开关QZVS先导通，完成反向续流后，高压侧开关Q1再导通，所述电压转换电路的一个工作周期分为4个工作阶段，阶段①②与传统同步BUCK降压电路的工作模式相同；第③阶段闭合QZVS，作用是为电感提供反向储能回路，降低寄生二极管的反向恢复电流，并为阶段④实现零电压开关ZVS提供能量，此时Vs＝Vout，第④阶段关断QZVS，Lout与Q1、Q2的寄生电容发生谐振，Q1寄生电容放电、Q2寄生电容充电，此时Vs＝Vin，因此Q1处于零电压开通状态。
2.根据权利要求1所述的电压转换电路，其特征在于：所述输入电源是直流输入或者高频交流输入。
3.根据权利要求1所述的电压转换电路，其特征在于：当输入为高频交流时，需要通过高频变压器完成隔离功能。
4.根据权利要求1所述的电压转换电路，其特征在于：当输入为高频交流时，经过整流变换成直流，再完成降压转换功能。
5.根据权利要求3所述的电压转换电路，其特征在于：所述高频变压器为紧凑型高频变压器。
6.根据权利要求1所述的电压转换电路，其特征在于：负载并联在输出电容Cout的两端。
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