一种设有软开关的Buck变换器电路及其时序控制方法与流程

本发明涉及Buck变换器控制技术领域，具体涉及一种设有软开关的Buck变换器电路及其时序控制方法。

背景技术：

随着电源技术的发展，高效率和高功率密度的变换器已成为一种趋势。硬开关技术在高频开关时开关损耗较大，降低了变换器效率，同时电磁干扰比较严重，所以提出了软开关技术，可以有效的降低开关损耗，提高变换器效率；而在开关电源中，Buck电路是经常使用的DC/DC拓扑之一。

传统的Buck电路如图1所示，但其在工作过程中的开关损耗和电感电流损耗构成了电路损耗的大部分，同时产生了大量的热损，不利于开关器件的稳定运行、电路的转换效率以及系统的安全工作。

因此，如何提供一种能够使得开关器件稳定运行的Buck变换器电路，是本领域亟待解决的问题。

技术实现要素：

针对现有技术中的缺陷，本发明提供一种设有软开关的Buck变换器电路及其时序控制方法，有效且可靠地降低开关损耗，同时节省了大量的热损，提高了开关器件的运行稳定性、电路的转换效率以及应用该电路的设备的安全性。

为解决上述技术问题，本发明提供以下技术方案：

一方面，本发明提供了一种设有软开关的Buck变换器电路，所述Buck变换器电路包括依次并联的支路一、支路二及支路三；其中，所述支路一由串联的输出电容C_out和主电感L串联组成，所述支路二由串联的功率MOSFET管Q₁和功率MOSFET管Q₂组成，以及所述支路三由并联的电压源U_in与输入电容C_in组成；

所述电路还包括：

软开关支路及辅助电感L_r；

所述软开关支路并联在所述支路一与支路二之间；

所述辅助电感L_r串联在所述支路二上的功率MOSFET管Q₁与功率MOSFET管Q₂之间。

进一步的，所述软开关支路包括：串联的辅助电容C_r和辅助功率MOSFET管Q_r；

所述辅助电容C_r的一次侧与所述支路一中的所述辅助电感L_r的一次侧连接、所述辅助电容C_r的二次侧与所述辅助功率MOSFET管Q_r的D极连接；

所述辅助功率MOSFET管Q_r的S极与所述支路二中的所述功率MOSFET管Q₂的S极连接。

进一步的，所述辅助电感L_r的一次侧与所述功率MOSFET管Q₁的S极连接、所述辅助电感L_r的二次侧与所述功率MOSFET管Q₂的D极连接。

另一方面，本发明还提供了一种所述的电路的时序控制方法，所述方法包括：

步骤1.在所述电路中流过所述辅助电感L_r的电流分别流入主电感L及电压源U_in时，闭合所述功率MOSFET管Q₁，使得所述功率MOSFET管Q₂零电压关断以及所述功率MOSFET管Q₁零电压开通，直到流经辅助电感L_r的电流线性减小为零时，进入步骤2；

步骤2.在所述功率MOSFET管Q₂的体二极管自动关断、且使得流经所述主电感L的电流上升至最大值时，进入步骤3；

步骤3.关断所述功率MOSFET管Q₁，使得所述功率MOSFET管Q₂零电压开通，直到流经所述辅助电感L_r的电流与流经所述主电感L的电流值相等时，进入步骤4；

步骤4.控制所述辅助功率MOSFET管Q_r的体二极管进行软关断，直到所述辅助功率MOSFET管Q_r闭合时，进入步骤5；

步骤5.所述辅助电容C_r开始放电，直到流经所述辅助电感L_r的电流上升至所述辅助电感电流最大值时，进入步骤6；步骤6.关断所述辅助功率MOSFET管Q_r，直到再次闭合所述功率MOSFET管Q₁，控制结束。

进一步的，所述步骤1包括：

1-1.在所述功率MOSFET管Q₁闭合前，所述辅助电感L_r通过功率MOSFET管Q₂的体二极管和主电感L续流，并且流经所述辅助电感L_r的电流大于流经所述主电感L的电流，流经所述辅助电感L_r的电流分流经功率MOSFET管Q₁的体二极管流向电压源，且所述主电感L电流开始上升，进入步骤1-2；

1-2.闭合所述功率MOSFET管Q₁、断开所述功率MOSFET管Q₂，使得所述功率MOSFET管Q₁零电压开通，且所述功率MOSFET管Q₂零电压关断，直到流经所述辅助电感L_r的电流线性减小为零，进入步骤2。

进一步的，所述步骤2包括：

2-1.在所述功率MOSFET管Q₂的体二极管自动关断、且使得所述功率MOSFET管Q₂的体二极管的反向恢复损耗为零时，进入步骤2-2；

2-2.电压源U_in给主电感L和负载供电，直到流经所述主电感L的电流上升至所述主电感电流最大值时，进入步骤3。

进一步的，所述步骤3包括：

3-1.在流经所述主电感L的电流上升至所述主电感电流最大值时，流经所述主电感L的电流通过所述功率MOSFET管Q₂的体二极管和辅助功率MOSFET管Q_r的体二极管进行续流，并为所述辅助电容C_r充电，在预设死区时间段后，进入步骤3-2；

3-2.在所述预设死区时间段后，闭合所述功率MOSFET管Q₂，使得所述功率MOSFET管Q₂零电压关断，直到流经所述辅助电感L_r的电流和流经所述主电感L的电流相等，进入步骤4。

进一步的，所述步骤4包括：

4-1.在流经所述辅助电感L_r的电流和流经所述主电感L的电流相等的时刻，所述辅助功率MOSFET管Q_r和辅助电容C_r组成的软开关支路的电流逐渐减小为零，进入4-2；

4-2.在流经所述软开关支路的电流为零的时刻，所述辅助功率MOSFET管Q_r的体二极管自动关断，且使得所述辅助功率MOSFET管Q_r闭合时，进入步骤5。

进一步的，所述步骤5包括：

5-1.储存在所述辅助电容C_r的电能通过所述辅助功率MOSFET管Q_r、功率MOSFET管Q₂和辅助电感L_r组成的回路放电；

5-2.所述辅助电感L_r、功率MOSFET管Q₂、主电感L以及负载组成电流回路，直到流经所述辅助电感L_r的电流上升至所述辅助电感电流最大值时，进入步骤6。

进一步的，所述步骤6包括：

在所述辅助电感电流上升至所述辅助电感电流最大值时，关断所述辅助功率MOSFET管Q_r，直到再次闭合所述功率MOSFET管Q₁时，对所述电路的一个工作周期的控制结束。

由上述技术方案可知，本发明所述的一种设有软开关的Buck变换器电路及其时序控制方法，所述电路包括软开关支路及辅助电感L_r；所述软开关支路并联在所述支路一与支路二之间；所述辅助电感L_r串联在所述支路二上的功率MOSFET管Q₁与功率MOSFET管Q₂之间。所述方法通过软开关支路在主电感电流峰值点开始续流，辅助电容储能；连通电路中的软开关支路，辅助电容中储存的能量部分反馈回电源，并且在过程中实现了功率MOSFET管Q₁、Q₂和Q_r的软开关。本发明减少了电路损耗，同时节省了大量的热损，对于开关器件的稳定运行、电路的转换效率以及系统的安全工作具有重要意义，实现了开关管的零电压开通和关断，其拓扑具有结构简单、开关损耗低、转换效率高且体积小。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为现有技术中的Buck变换器的电路示意图；

图2为本发明的一种设有软开关的Buck变换器电路示意图；

图3为本发明的设有软开关的Buck变换器电路的时序控制方法的流程示意图；

图4为本发明的时序控制方法中的步骤1的流程示意图；

图5为本发明的时序控制方法中的步骤2的流程示意图；

图6为本发明的时序控制方法中的步骤3的流程示意图；

图7为本发明的时序控制方法中的步骤4的流程示意图；

图8为本发明的时序控制方法中的步骤5的流程示意图；

图9为本发明的具体应用例中时序控制方法中步骤1对应的设有软开关的Buck变换器电路的工作原理电路图；

图10为本发明的具体应用例中时序控制方法中步骤2对应的设有软开关的Buck变换器电路的工作原理电路图；

图11为本发明的具体应用例中时序控制方法中步骤3对应的设有软开关的Buck变换器电路的工作原理电路图；

图12为本发明的具体应用例中时序控制方法中步骤4对应的设有软开关的Buck变换器电路的工作原理电路图；

图13为本发明的具体应用例中时序控制方法中步骤5对应的设有软开关的Buck变换器电路的工作原理电路图；

图14为本发明的具体应用例中时序控制方法中步骤6对应的设有软开关的Buck变换器电路的工作原理电路图；

图15为本发明的具体应用例中的软开关Buck电路工作下的理想波形图。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整的描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明的实施例一提供了一种设有软开关的Buck变换器电路的一种具体实施方式。参见图2，该设有软开关的Buck变换器电路具体包括如下内容：

所述Buck变换器电路包括依次并联的支路一、支路二及支路三；其中，所述支路一由串联的输出电容C_out和主电感L串联组成，所述支路二由串联的功率MOSFET管Q₁和功率MOSFET管Q₂组成，以及所述支路三由并联的电压源U_in与输入电容C_in组成；

软开关支路A及辅助电感L_r。

在上述描述中，所述软开关支路A包括：串联的辅助电容C_r和辅助功率MOSFET管Q_r；

所述辅助电容C_r的一次侧与所述支路一中的所述辅助电感L_r的一次侧连接、所述辅助电容C_r的二次侧与所述辅助功率MOSFET管Q_r的D极连接。

所述辅助功率MOSFET管Q_r的S极与所述支路二中的所述功率MOSFET管Q₂的S极连接。

所述软开关支路并联在所述支路一与支路二之间；

所述辅助电感L_r串联在所述支路二上的功率MOSFET管Q₁与功率MOSFET管Q₂之间。

在上述描述中，所述辅助电感L_r的一次侧与所述功率MOSFET管Q₁的S极连接、所述辅助电感L_r的二次侧与所述功率MOSFET管Q₂的D极连接。

从上述描述可知，本发明的实施例减少了电路损耗，同时节省了大量的热损，对于开关器件的稳定运行、电路的转换效率以及系统的安全工作具有重要意义，实现了开关管的零电压开通和关断，其拓扑具有结构简单、开关损耗低、转换效率高且体积小。

本发明的实施例二提供了上述设有软开关的Buck变换器电路的时序控制方法的第一种具体实施方式。参见图3，该时序控制方法具体包括如下内容：

步骤100：在所述电路中流过所述辅助电感L_r的电流分别流入主电感L及电压源U_in时，闭合所述功率MOSFET管Q₁，使得所述功率MOSFET管Q₂零电压关断以及所述功率MOSFET管Q₁零电压开通，直到流经辅助电感L_r的电流线性减小为零时，进入步骤200。

步骤200：在所述功率MOSFET管Q₂的体二极管自动关断、且使得流经所述主电感L的电流上升至最大值时，进入步骤300。

步骤300：关断所述功率MOSFET管Q₁，使得所述功率MOSFET管Q₂零电压开通，直到流经所述辅助电感L_r的电流与流经所述主电感L的电流值相等时，进入步骤400。

步骤400：控制所述辅助功率MOSFET管Q_r的体二极管进行软关断，直到所述辅助功率MOSFET管Q_r闭合时，进入步骤500。

步骤500：所述辅助电容C_r开始放电，直到流经所述辅助电感L_r的电流上升至所述辅助电感电流最大值时，进入步骤600；其中，所述辅助电感电流最大值等于主电感电流最小值。

步骤600：关断所述辅助功率MOSFET管Q_r，直到再次闭合所述功率MOSFET管Q₁，控制结束。

从上述描述可知，本发明的实施例通过软开关支路在主电感电流峰值点开始续流，辅助电容储能；连通电路中的软开关支路，辅助电容中储存的能量部分反馈回电源，并且在过程中实现了功率MOSFET管Q₁、Q₂和Q_r的软开关。本发明有效且可靠地降低开关损耗，同时节省了大量的热损，提高了开关器件的运行稳定性、电路的转换效率以及应用该电路的设备的安全性。

在一种具体实施方式中，本发明提供了上述时序控制方法中步骤100的第一种具体实施方式。参见图4，该步骤100具体包括如下内容：

步骤101：在所述功率MOSFET管Q₁闭合前，所述辅助电感L_r通过功率MOSFET管Q₂的体二极管和主电感L续流，并且流经所述辅助电感L_r的电流大于流经所述主电感L的电流，流经所述辅助电感L_r的电流分流经功率MOSFET管Q₁的体二极管流向电压源，且所述主电感L电流开始上升，进入步骤102。

步骤102：闭合所述功率MOSFET管Q₁、断开所述功率MOSFET管Q₂，使得所述功率MOSFET管Q₁零电压开通，且所述功率MOSFET管Q₂零电压关断，直到流经所述辅助电感L_r的电流线性减小为零，进入步骤200。

从上述描述可知，本发明的实施例在所述电路中流过所述辅助电感L_r的电流分别流入主电感L及电压源U_in时，闭合所述功率MOSFET管Q₁，实现了所述功率MOSFET管Q₂零电压关断以及所述功率MOSFET管Q₁零电压开通。

在一种具体实施方式中，本发明提供了上述时序控制方法中步骤200的第一种具体实施方式。参见图5，该步骤200具体包括如下内容：

步骤201：在所述功率MOSFET管Q₂的体二极管自动关断、且使得所述功率MOSFET管Q₂的体二极管的反向恢复损耗为零时，进入步骤202。

步骤202：电压源U_in给主电感L和负载供电，直到流经所述主电感L的电流上升至所述主电感电流最大值时，进入步骤300。

从上述描述可知，本发明的实施例实现了对所述功率MOSFET管Q₂的体二极管的软关断，为后续步骤提供了准确且可靠的控制基础。

在一种具体实施方式中，本发明提供了上述时序控制方法中步骤300的第一种具体实施方式。参见图6，该步骤300具体包括如下内容：

步骤301：在流经所述主电感L的电流上升至所述主电感电流最大值时，流经所述主电感L的电流通过所述功率MOSFET管Q₂的体二极管和辅助功率MOSFET管Q_r的体二极管进行续流，并为所述辅助电容C_r充电，在预设死区时间段后，进入步骤302。

步骤302：在所述预设死区时间段后，闭合所述功率MOSFET管Q₂，使得所述功率MOSFET管Q₂零电压关断，直到流经所述辅助电感L_r的电流和流经所述主电感L的电流相等，进入步骤400。

从上述描述可知，本发明的实施例实现了所述功率MOSFET管Q₂零电压开通。

在一种具体实施方式中，本发明提供了上述时序控制方法中步骤400的第一种具体实施方式。参见图7，该步骤400具体包括如下内容：

步骤401：在流经所述辅助电感L_r的电流和流经所述主电感L的电流相等的时刻，所述辅助功率MOSFET管Q_r和辅助电容C_r组成的软开关支路的电流逐渐减小为零，进入步骤402。

步骤402：在流经所述软开关支路的电流为零的时刻，所述辅助功率MOSFET管Q_r的体二极管自动关断，且使得所述辅助功率MOSFET管Q_r闭合时，进入步骤500。

从上述描述可知，本发明的实施例实现了对所述辅助功率MOSFET管Q_r的体二极管进行的软关断控制。

在一种具体实施方式中，本发明提供了上述时序控制方法中步骤500的第一种具体实施方式。参见图8，该步骤500具体包括如下内容：

步骤501：储存在所述辅助电容C_r的电能通过所述辅助功率MOSFET管Q_r、功率MOSFET管Q₂和辅助电感L_r组成的回路放电。

步骤502：所述辅助电感L_r、功率MOSFET管Q₂、主电感L以及负载组成电流回路，直到流经所述辅助电感L_r的电流上升至所述辅助电感电流最大值时，进入步骤600。

在一种具体实施方式中，本发明提供了上述时序控制方法中步骤600的第一种具体实施方式。该步骤600具体包括如下内容：

在所述辅助电感电流上升至所述辅助电感电流最大值时，关断所述辅助功率MOSFET管Q_r，直到再次闭合所述功率MOSFET管Q₁时，对所述电路的一个工作周期的控制结束。

为进一步的说明本方案，本发明提供了一种设有软开关的Buck变换器电路的时序控制方法，具体内容如下：

参见图9，步骤1(t0-t1)具体如下：

在t0前一刻，辅助电感L_r通过功率MOSFET管Q₂的体二极管和主电感续流，并且辅助电感电流i_Lr大于主电感电流i_L，所以辅助电感电流i_Lr会分流一部分通过功率MOSFET管Q₁的体二极管流向电压源，其余通过主电感续流，即满足i_Lr＝i_L+i₁；

t0时刻闭合功率MOSFET管Q₁、断开功率MOSFET管Q₂，由于此刻功率MOSFET管Q₁的体二极管导通续流，将Q₁的漏源极电压钳位在零电压，所以Q₁的开通为零电压开通；此刻功率MOSFET管Q₂的体二极管导通续流，将Q₂的漏源极电压钳位在零电压，所以Q₂的关断为零电压关断；在该阶段辅助电感电流i_Lr减小到和主电感电流i_L相等时，主电路电流满足i_Lr+i₁＝i_L，该阶段维持到辅助电感电流i_Lr降为零。

参见图10，步骤2(t1-t2)具体如下：

在t1时刻辅助电感电流i_Lr降为零，功率MOSFET管Q₂体二极管软关断，有效抑制Q₂体二极管的反向恢复损耗，实现了软恢复；

在该阶段Q₁维持导通状态，Q₂、Q_r维持关断状态，电压源U_in给主电感L和负载供电，电路满足该阶段维持到主电感电流i_L上升至最大值(i_L＝i_Lmax)。

参见图11，步骤3(t2-t3)具体如下：

在t2时刻主电感电流i_L上升至最大值(i_L＝i_Lmax)，主电感电流i_L通过Q₂的体二极管和Q_r的体二极管续流，给辅助电容C_r充电，在一段死区时间后，闭合Q₂，由于此刻Q₂的体二极管导通续流，将Q₂的漏源极电压钳位在零电压，Q₂的关断为零电压关断；

在该阶段，辅助电感电压和辅助电容电压相等u_Lr＝u_Cr，主电感电流满足(其中t₂为主电感电流i_L上升至最大值时刻，及步骤3开始时刻)，辅助电感电流满足根据基尔霍夫电流定律，可知i_Lr+i_Cr＝i_L，联立上述三式，分析可得辅助电容电流满足如下关系该阶段维持到辅助电感电流和主电感电流相等(i_L＝i_Lr)。

参见图12，步骤4(t3-t4)具体如下：

在t3时刻辅助电感电流和主电感电流相等(i_L＝i_Lr)，Q_r和辅助电容C_r组成的支路电流i_Cr逐渐减小为零，为Q_r体二极管的软恢复创造条件，在i_Cr＝0时刻Q_r体二极管关断，反向电流软恢复，有效的抑制Q_r体二极管反向恢复损耗；该阶段维持到闭合Q_r。

参见图13，步骤5(t4-t5)具体如下：

在t4时刻闭合Q_r，C_r上储存的电能通过Q_r、Q₂和L_r组成的回路放电，L_r、Q₂和L以及负载则组成另一电流回路，根据基尔霍夫电流定律，满足i_Lr＝i_Cr+i_L，主电感电流为其中i_Lt4为主电感电流在t4时刻的值，辅助电感电流为联立上述三式，可知辅助电容电流为该阶段维持到辅助电感电流i_Lr上升至最大值(i_Lr＝i_Lrmax)，此时主电感电流i_L则减小到最小值(i_L＝i_Lmin)。

参见图14，步骤6(t5-t6)具体如下：

在t5时刻，辅助电感电流i_Lr上升至最大值(主电感电流i_L减小至最小值)，关断Q_r后，由于i_Lr>i_L，通过L一部分流向负载，另一部分则通过Q₁的体二极管反馈给电源，同时由于Q₁的体二极管导通续流，将Q₁的漏源极电压钳位在零电位，为下一个开关周期开始Q₁的零电压开通创造了条件，直到功率MOSFET管Q₁闭合，软开关Buck电路一个工作周期结束。

参见图15，为软开关Buck电路工作的理想波形图；

一种软开关Buck电路的控制方法，采用所述的一种软开关Buck电路，具体如下：

所述软开关Buck电路工作原理步骤3中辅助电容充电，电荷增加，充电电荷为结合所述软开关Buck电路工作原理步骤3中辅助电容电流表达式，可得所述软开关Buck电路工作原理步骤5中辅助电容放电，放电电荷为结合所述软开关Buck电路工作原理步骤3中辅助电容电流表达式，可得其中△t＝t₅-t₄为辅助MOSFET管Q_r的导通时间；在一个开关周期内，根据安秒平衡原理，辅助电容C_r充放电电荷相等，即Q_cc＝Q_cd，可知最终可根据上式，在电感电流峰值i_Lmax控制为已知值、辅助电感电压u_Lr设为目标值的条件下，辅助MOSFET管Q_r的占空比可求得知，其中T_s为开关周期。

本发明的说明书中，说明了大量具体细节。然而能够理解的是，本发明的实施例可以在没有这些具体细节的情况下实践。在一些实例中，并未详细示出公知的方法、结构和技术，以便不模糊对本说明书的理解。类似地，应当理解，为了精简本发明公开并帮助理解各个发明方面中的一个或多个，在上面对本发明的示例性实施例的描述中，本发明的各个特征有时被一起分组到单个实施例、图、或者对其的描述中。然而，并不应将该公开的方法解释呈反映如下意图：即所要求保护的本发明要求比在每个权利要求中所明确记载的特征更多的特征。更确切地说，如权利要求书所反映的那样，发明方面在于少于前面公开的单个实施例的所有特征。因此，遵循具体实施方式的权利要求书由此明确地并入该具体实施方式，其中每个权利要求本身都作为本发明的单独实施例。

以上实施例仅用于说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。