一种新型BUCK变换器及控制方法与流程

本发明涉及电力电子技术领域，特别是指一种新型BUCK变换器及控制方法。

背景技术：

高频开关稳压电源已广泛运用于基础直流电源、交流电源、各种工业电源，通信电源、逆变电源、计算机电源等。它能把电网提供的强电和粗电变换为较为稳定的电源，是现代电子设备重要的“心脏供血系统”。BUCK变换器是开关电源基本拓扑结构中常见的一种，BUCK变换器又称降压变换器，是一种对输入输出电压进行降压变换的直流斩波器，即输出电压低于输入电压，由于其具有优越的变压功能，因此可以直接用于需要直接降压的地方。

BUCK变换器能够实现降压，但是变换器使用的高频开关经常处在硬开关工作状态，即电压、电流都不为零的工作状态，根据P＝UI可知，在硬开关工作状态下开关会产生功率损耗，而高频状态下，这个损耗将会更大，并且会产生刺耳的噪音。因此，现有的BUCK变换器中的高频开关不仅会产生较大的功率损耗，而且会带来噪音，给电路带来一定的隐患。

技术实现要素：

有鉴于此，本发明的目的在于提出一种新型BUCK变换器及控制方法，能够大大降低BUCK变换器电路中开关的功率损耗和噪音。

基于上述目的本发明提供的一种新型BUCK变换器，包括：电源、第一功率开关、第二功率开关、第一电容、第二电容、第三电容、第一电感、第二电感以及第一二极管；

所述第一功率开关的漏极与电源正极连接，所述第一功率开关的源极与第二电感的一端连接，所述第二电感与第一电感串联连接到负载的一端；负载的另一端连接到电源负极；

所述第一二极管的阳极与电源负极连接，所述第一二极管的阴极连接到所述第二电感与所述第一电感之间的连接点；

所述第三电容的两端分别连接到负载的两端；

所述第一电容的两端分别连接到所述第一功率开关的两端；

所述第二功率开关的源极与所述第二电容的一端连接，所述第二电容的另一端连接到所述第二电感与所述第一电感之间的连接点；所述第二功率开关的漏极与所述第一功率开关的源极连接。

可选的，所述新型BUCK变换器还包括第二二极管；所述第二二极管的阳极连接到所述第二功率开关的源极，所述第二二极管的阴极连接到电源负极。

本发明还提供了一种所述新型BUCK变换器的控制方法，包括：

闭合第一功率开关，使电源给负载供电；

经过第一预设时间，断开第一功率开关，使电源给第一电容充电；

经过第二预设时间，闭合第二功率开关，第二电容与第二电感形成LC振荡；

根据预先计算得到的第二电容与第二电感形成的LC振荡回路的振荡荡周期，经过第三预设时间，断开第二功率开关，使第二电感形成反向电流，进而给第一电容放电；

经过第四预设时间，使第一电容完全放电，再次闭合第一功率开关，形成所述新型BUCK变换器开关控制的单个周期。

可选的，所述第一预设时间为BUCK变换器在单个周期需要给负载供电的时间；

所述第二预设时间为第一电容的充电时间；

所述第三预设时间为第二电容由充电到放电过程的时间长度；

所述第四预设时间为所述第一电容的放电时间。

可选的，所述第三预设时间为第二电容与第二电感形成的LC振荡回路的一个振荡周期时间。

从上面所述可以看出，本发明提供的新型BUCK变换器及控制方法，通过在现有BUCK变换器电路中的第一功率开关的两端连接有第一电容，同时在所述第一功率开关的旁边设置有第二电感、第二电容以及第二功率开关组成的LC振荡放电模块，使得在所述第一功率开关断开时，由于与第一功率开关并联的第一电容的电压为零，即使得所述第一功率开关两端的电压为零，实现了所述第一功率开关的零电压断开，电源给所述第一功率开关两端的第一电容充上电能，将会通过LC振荡放电模块产生相反的电流，进而将所述第一功率开关两端的第一电容上的电能完全释放，使得在所述第一功率开关再次闭合时，所述第一功率开关两端的电压为零。也即，能够大大降低所述第一功率开关的损耗和噪音。

附图说明

图1为本发明提供的新型BUCK变换器的一个实施例的电路示意图；

图2为本发明提供的新型BUCK变换器的另一个实施例的电路示意图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明进一步详细说明。

需要说明的是，本发明实施例中所有使用“第一”和“第二”的表述均是为了区分两个相同名称非相同的实体或者非相同的参量，可见“第一”“第二”仅为了表述的方便，不应理解为对本发明实施例的限定，后续实施例对此不再一一说明。

针对现有BUCK变换器电路中的功率开关存在较大损耗和噪音的问题，发明人经过研究和思考，认为为了减少开关损耗和噪音，就要使高频开关工作在软开关的状态下，即开关两端的电压、电流都为零，或者其中的一项为零的工作状态。在这种状态下，开关损耗几乎为零，不仅能够降低电路损耗，而且大大提高了整个装置的工作效率。

参照图1所示，为本发明提供的新型BUCK变换器的一个实施例的电路示意图。所述新型BUCK变换器包括：电源U1、第一功率开关V11、第二功率开关V12、第一电容C11、第二电容C12、第三电容CL1、第一电感L11、第二电感L12以及第一二极管VD11。其中，各个器件之间的连接关系为：

所述第一功率开关V11的漏极与电源U1的正极连接，所述第一功率开关V11的源极与第二电感L12的一端连接，所述第二电感L12的另一端通过第一电感L11串联连接到负载RL1的一端；负载RL1的另一端连接到电源U1的负极；

所述第一二极管VD11的阳极与电源U1的负极连接，所述第一二极管VD11的阴极连接到所述第二电感L12与所述第一电感L11之间的连接点；

所述第三电容CL1的两端分别连接到负载RL1的两端；

所述第一电容C11的两端分别连接到所述第一功率开关V11的两端；

所述第二功率开关V12的源极与所述第二电容C12的一端连接，所述第二电容C12的另一端连接到所述第二电感L12与所述第一电感L11之间的连接点；所述第二功率开关V12的漏极与所述第一功率开关V11的源极连接。

也即，在现有的BUCK变换器的电路基础上，本发明通过在所述第一功率开关V11的两端并联连接一个第一电容C11，在所述第一功率开关V11串联线路上设置一个由第二电感L12、第二电容C12和第二功率开关V12组成的放电回路，使得能够将所述第一功率开关V11两端的电能完全释放，进而使得所述第一功率开关V11再次闭合时为零电压启动，最终实现了降低开关损耗的目的。

具体的，所述新型BUCK变换器的工作原理为：

启动时，电路工作在稳态状态下，接通电源U1后，闭合第一功率开关V11，所述第二功率开关V12为断开状态，此时电源U1中的电流流过第一功率开关V11，第二电感L12，第一电感L11，最终给负载正常供电。当需要停止给负载供电时，断开第一功率开关V11，此时电源U1给第一电容C11充电；而电路右侧的第一电感L11、第三电容CL1和第一二极管VD11形成一个闭合回路，其中，第一电感L11释放电能给回路提供电能(此处与现有技术中的BUCK变换器的电路结构完全相同)。当第一电容C11正在充电或者充满电能时，闭合第二功率开关V12，使得所述第二电感L12和所述第二电容C21串联形成LC串联振荡回路，初始时，第二电感L12将会给第二电容C12充电，然后根据LC振荡回路的工作原理，第二电容C12将会给第二电感L12放电，也即将电源给所述第一电容C11充电时的电流趋势改变为相反的方向，此时，如果断开第二功率开关V12，由于存在电势差，将会使得反向的电流流向第一电容C11，进而使得所述第一电容C11进行放电，而当第一电容C11两端的电荷放完以后，则两端的电压将为零，也即使得所述第一功率开关V11两端的电压为零，此时当再次需要闭合所述第一功率开关V11给负载供电时，由于所述第一功率开关V11两端的电压为零，因此所述第一功率开关V11的损耗也为零。这样，通过增加的LC振荡回路对所述第一功率开关V11两端的第一电容放电，不仅大大降低了所述第一功率开关V11的功率损耗，而且提高了整个BUCK变换器的稳定性。

由上述实施例可知，所述新型BUCK变换器通过在现有BUCK变换器电路中第一功率开关V11的两端连接有第一电容C11，同时在所述第一功率开关V11的旁边设置有第二电感L12、第二电容C12以及第二功率开关V12组成的LC振荡放电模块，使得在所述第一功率开关V11断开时，电源给所述第一功率开关V11两端的第一电容C11充上电能，将会通过LC振荡放电模块产生相反的电流，进而将所述第一功率开关V11两端的第一电容C11上的电能完全释放，使得在所述第一功率开关V11再次闭合时，所述第一功率开关V11两端的电压为零。也即，能够大大降低所述第一功率开关V11的损耗和噪音。

在本发明一些可选的实施例中，参照图2所示，所述新型BUCK变换器电路还包括第二二极管VD12。所述第二二极管VD12的阳极连接到所述第二功率开关V12的源极，所述第二二极管VD12的阴极连接到电源U1的负极。针对于第二电感L12储存的电能经过LC串联谐振产生的电流不足以推动第一电容C11放电或者放电不完全的情况下，本发明通过增加的第二二极管VD12使得电源U1、第一功率开关V11、第二电感L12、第二电容C12、第二二极管VD12形成一个回路，当第一功率开关V11闭合时，由电源U1向第二电容C12充电；当第一功率开关V11断开时，第二电感L12、第二电容C12、第二功率开关V12形成一个回路，第二电感L12中的磁场能量向第二电容C12泄放，继而在第二功率开关V12闭合时形成LC振荡。所以所述第二电容C12具有足够的电量，使第一电容C11完全放电。因此，本发明所述的新型BUCK变换器通过增加的第二二极管VD12，提高了电路工作的稳定性和可靠性。

需要说明的是，本发明所述的新型BUCK变换器电路中器件的电容值和电感值能够提前计算进而得到合适的参考值，这样在电路空载进行充放电过程中能够通过准确时间，使得第一电容C11完全放电。

在本发明实施例的另一方面，还提供了一种所述新型BUCK变换器的控制方法。具体的，所述控制方法包括：

步骤101，启动时，首先闭合第一功率开关V11，使电源U1给负载RL1供电。

步骤102，经过第一预设时间，断开第一功率开关V11，使电源U1给第一电容C11充电；其中，所述第一预设时间为BUCK变换器在单个周期内需要给负载供电的时间，这个时间与现有BUCK变换器对负载供电的时间可以设置为相同，也可以设置为不同；

步骤103，经过第二预设时间，闭合第二功率开关V12，使第二电感L12产生的电流给第二电容C12充电；其中，所述第二预设时间为第一电容C11的充电时间，这个充电时间即可以是部分充电的时间，也可以是充电完全的时间，当然，本发明的主要目的就是为了降低第二电容C12两端的电压，因此，这个充电时间越小，后续需要放电的电量就越少。

步骤104，根据预先计算得到的第二电容C12与第二电感L12形成的LC振荡回路的振荡周期，经过第三预设时间，断开第二功率开关V12，使第二电感L12形成反向电流，进而给第一电容C11放电；其中，所述第三预设时间为第二电容C12由充电到放电过程的时间长度，也即需要使得所述第二电容C12充完电并且放电后，才能够断开第二功率开关V12。这样，所述第二电感L12形成的电流才会发生反向，最终反向的电流能够对所述第一电容C11放电。

步骤105，经过第四预设时间，使第一电容C11完全放电，再次闭合第一功率开关V11，形成所述新型BUCK变换器开关控制的单个周期。其中，所述第四预设时间为所述第一电容C11的放电时间。

由上述实施例可知，本发明所述的控制方法通过增加的振荡回路对设置于所述第一功率开关V11两端的第一电容C11进行放电，进而使得所述第一功率开关V11两端的电压为零，最终大大降低了所述第一功率开关V11的损耗。

在本发明一些可选的实施例中，所述第三预设时间为第二电容C12与第二电感L12形成的LC振荡回路的一个振荡周期时间。这样，使得所述第二电感L12产生的电能能够完全转换为反向的电流，也即能够使得第一电容C11完全放电。

需要说明的是，图1和图2中的两种BUCK变换器的电路结构不同，但是其控制方法是基本相同的，只是图2中改进的电路使得增加了一个对第二电容C12充电的回路。

所属领域的普通技术人员应当理解：以上任何实施例的讨论仅为示例性的，并非旨在暗示本公开的范围(包括权利要求)被限于这些例子；在本发明的思路下，以上实施例或者不同实施例中的技术特征之间也可以进行组合，步骤可以以任意顺序实现，并存在如上所述的本发明的不同方面的许多其它变化，为了简明它们没有在细节中提供。

另外，为简化说明和讨论，并且为了不会使本发明难以理解，在所提供的附图中可以示出或可以不示出与集成电路(IC)芯片和其它部件的公知的电源接地连接。此外，可以以框图的形式示出装置，以便避免使本发明难以理解，并且这也考虑了以下事实，即关于这些框图装置的实施方式的细节是高度取决于将要实施本发明的平台的(即，这些细节应当完全处于本领域技术人员的理解范围内)。在阐述了具体细节(例如，电路)以描述本发明的示例性实施例的情况下，对本领域技术人员来说显而易见的是，可以在没有这些具体细节的情况下或者这些具体细节有变化的情况下实施本发明。因此，这些描述应被认为是说明性的而不是限制性的。

尽管已经结合了本发明的具体实施例对本发明进行了描述，但是根据前面的描述，这些实施例的很多替换、修改和变型对本领域普通技术人员来说将是显而易见的。例如，采用其他第一功率开关器件(例如，IGBT，GTR)可以使用所讨论的实施例。

本发明的实施例旨在涵盖落入所附权利要求的宽泛范围之内的所有这样的替换、修改和变型。因此，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何省略、修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。