同步整流Buck变换器全软开关电路及调制方法

本发明实施例涉及开关电源技术领域，特别涉及同步整流buck变换器全软开关电路及调制方法。

背景技术：

电力电子及电源技术的发展，对开关电源效率和功率密度提出了更高的要求，使得高频率、高效率开关电源的研究备受关注。buck变换器因具有较宽的降压范围，在非隔离型低压大电流场合中得到广泛应用。传统buck变换器开关管以硬开关方式动作，带来很大的开关损耗，使得变换器转换效率低、发热严重，导致系统稳定性下降。同时，在开关管开通瞬间，二极管因强迫换流而引起很大的反向恢复电流，带来很强的开关噪声和emi问题。快速的二极管反向恢复过程导致电流环路切换时的电流变化斜率很高，从而在电路寄生串联电感上产生过高的感应电压，使得器件电压应力大幅增加。为了保证变换器的可靠性，需要采用更高耐压等级的功率半导体器件。

采用宽禁带半导体sic功率器件能明显降低开关损耗，但其成本昂贵，不适用于低成本应用和产业化，且仍以硬开关方式动作，开关损耗以及硬开关噪声没能得到解决。基于软开关技术的buck电路作为一种普适低成本方案正被大量研究与应用。通过在厡拓扑中串联电感、并联电容，并增加二极管构成了一类无源型软开关buck电路。但由于无源软开关电路须采用谐振方式实现对辅助电路电路的充放电，最终导致主电路的开关周期和占空比都受到辅助电路谐振时间的限制，软开关范围极小且严重受元器件参数影响。辅助电路中采用功率开关管代替二极管，并合理设计储能元器件的位置，形成了有源软开关buck电路。通过控制有源型buck电路中辅助开关的开通与关断来实现对辅助电路电容的充放电，软开关范围得到大幅度提高。

但是现有有源型软开关电路很多都存在着受负载电流影响的问题，不能在宽负载范围内实现软开关。另外一些有源软开关电路虽然实现了主开关的零电压开关，但是在辅助电路中引入了很大的开关损耗和二极管反向恢复问题。此外，这些软开关电路使主开关电流应力或电压应力增加，带来额外的主电路导通损耗。由于辅助电路不能实现软开通或关断，辅助开关的电压应力或电流应力也很高，引起很大的辅助电路损耗，系统效率提升不明显，反而体积、重量与成本增加。

技术实现要素：

本发明实施例的目的在于提供同步整流buck变换器全软开关电路及调制方法，消除同步整流开关体二极管续流带来反向恢复问题，实现主开关与同步整流开关零电压开通与近似零电压关断，提高buck电路的工作效率。

为解决上述技术问题，第一方面，本发明的实施例提供了一种同步整流buck变换器全软开关电路，包括直流输入电源vi、主滤波电感l、辅助电感lr、输出滤波电容co、箝位电容cr、mosfet功率晶体管主开关q1、mosfet功率晶体管同步整流开关q2、mosfet功率晶体管辅助开关qr、辅助功率二极管dr、第一回馈二极管dp1和第二回馈二极管dp2；所述直流输入电源vi与mosfet功率晶体管主开关q1串联组成第一支路，所述第一支路与所述mosfet功率晶体管同步整流开关q2、所述箝位电容cr并联组成第二支路，所述mosfet功率晶体管辅助开关qr与所述辅助电感lr、所述辅助功率二极管dr串联组成第三支路，所述第三支路与主滤波电感l并联组成第四支路，所述第二支路与第四支路串联组成第五支路，所述第五支路与输出滤波电容co并联并对负载rl供电。

作为优选的，所述mosfet功率晶体管辅助开关qr的源极与所述主滤波电感l的第一端、所述第二回馈二极管dp2的阳极连接，所述辅助功率二极管dr的阴极与所述辅助电感lr的第二端连接，所述辅助功率二极管dr的阴极与所述主滤波电感l的第二端连接；所述mosfet功率晶体管辅助开关qr的源极、所述mosfet功率晶体管主开关q1的源极和所述mosfet功率晶体管同步整流开关q2的漏极连接。

作为优选的，所述第一回馈二极管dp1的阳极与所述辅助电感lr的第二端连接；所述第一回馈二极管dp1的阴极、所述第二回馈二极管dp2的阴极与所述mosfet功率晶体管主开关q1的漏极连接。

第二方面，本发明实施例提供一种根据本发明第一方面实施例所述同步整流buck变换器全软开关电路的调制方法，包括：

t0～t1阶段：t0时刻，mosfet功率晶体管主开关q1的反并联二极管导通，流过主滤波电感l与辅助电感lr的总电流，mosfet功率晶体管主开关q1两端电压为零，mosfet功率晶体管主开关q1以零电压条件软开通；此后主滤波电感l的电流线性增加，辅助电感lr电流线性减小；

t1～t2阶段：t1时刻，辅助电感lr的电流线性下降到零；辅助电感lr与mosfet功率晶体管同步整流开关等效寄电容cp2开始谐振，辅助电感lr的电流从零开始反向增加，主滤波电感l电流继续以上一阶段的变化斜率线性增加；

t2～t3阶段：t2时刻，辅助电感lr两端电压下降到零，等效电容cp2两端电压增加到vi-vo；第一回馈二极管dp1正向偏置，辅助电感lr两端电压与等效电容cp2两端电压同时被箝位；辅助电感lr电流在mosfet功率晶体管主开关q1、mosfet功率晶体管辅助开关qr和第一回馈二极管dp1中环流，电流保持不变，主滤波电感l的电流继续线性增加；

t3～t4阶段：t3时刻，mosfet功率晶体管主开关q1与mosfet功率晶体管辅助开关qr同时关断，辅助电感lr电流立即流过mosfet功率晶体管辅助开关qr的反并联二极管；等效电容cr与主滤波电感l和辅助电感lr并联谐振，等效电容cr流过的电流为主滤波电感l和辅助电感lr的电流之和，等效电容cr被放电，电压开始减小；

t4～t5阶段：t4时刻，等效电容cr电压下降至零，mosfet功率晶体管同步整流开关q2的寄生反并联二极管开始导通；主滤波电感l电压下降至-vo，辅助电感lr的电压增加至vi；因此，主滤波电感l的电流开始线性减小，辅助电感lr的电流从负电流开始线性增加；

t5～t6阶段：t5时刻，mosfet功率晶体管同步整流开关q2零电压开通，主滤波电感l与辅助电感lr的电流继续以上一阶段的变化斜率线性变化；

t6～t7阶段：t6时刻，辅助电感lr的反向电流线性增加至零；辅助电感lr与等效电容cp1、cp2开始串联谐振，在谐振过程中，谐振电路的能量或因阻尼消耗，或传输到输入电源而被转移，最终达到稳态；在此过程中，主滤波电感l两端电压仍然等于-vo，电流继续以上一阶段的变化斜率线性减小；

t7～t8阶段：t7时刻，辅助电感lr与等效电容cp1、cp2寄生串联谐振结束；此阶段，进入续流阶段，主滤波电感l的电流继续以上一阶段的变化斜率线性减小；

t8～t9阶段：t8时刻，mosfet功率晶体管辅助开关qr开通；因辅助电感lr的作用，在mosfet功率晶体管辅助开关qr开通过程中，流过mosfet功率晶体管辅助开关qr的电流为0，因此mosfet功率晶体管辅助开关qr以零电流开通；由于寄生并联电容cp1的影响，mosfet功率晶体管辅助开关qr实际开通过程有功率损耗，形成容性开通损耗；mosfet功率晶体管辅助开关qr导通后，辅助电感lr两端电压为vo，流过辅助电感lr的电流开始线性增加，主滤波电感l的电流继续以上一阶段的变化斜率线性减小；

t9～t10阶段：t9时刻，流过辅助电感lr的电流与流过主滤波电感l的电流之和已正向流过mosfet功率晶体管同步整流开关q2的漏源极，mosfet功率晶体管同步整流开关q2关断；由于等效电容cr的箝位作用，在mosfet功率晶体管同步整流开关q2关断过程中，mosfet功率晶体管同步整流开关q2两端电压上升较小，实现了mosfet功率晶体管同步整流开关q2零电压关断；q2关断后，辅助电感lr与主滤波电感l的电流之和流过路箝位电容cr，路箝位电容cr与主滤波电感l、辅助电感lr开始谐振，路箝位电容cr电压以谐振规律上升；

t10～t0阶段：t10时刻，等效电容cr的电压上升到等于输入电压vi，因此mosfet功率晶体管主开关q1的反并联二极管正向偏置导通续流，以为mosfet功率晶体管主开关q1零电压开通提供了条件，流过mosfet功率晶体管主开关q1反并联二极管的电流为主滤波电感l与辅助电感lr的电流之和；此后，电感的电压为vi-vo，电流开始线性增加；而辅助电感lr的电压为-(vi-vo)，电流线性减小。

本发明实施例提出的同步整流buck变换器全软开关电路及调制方法，在同步整流开关管两端并联辅助箝位电容，交流通路上等效于同时并联到主开关与同步整流开关管两端；由于开关管关断速度很快，而并联电容容量较大，使主开关与同步整流开关的电压在其关断过程变化很小，实现近似零电压关断；在同步整流开关关断之前，通过控制辅助电路电感的电流大小，使流过同步整流开关管的电流方向反向，从而防止在同步整流开关关断后到主开关开通前的死区时间内同步整流开关的寄生反并联二极管续流导通，由此完全消除同步整流开关寄生反并联二极管反向恢复问题；流过同步整流开关管的反向电流在同步整流开关管关断后流过与其并联的辅助电路电容，对辅助电路电容的电压被充电到等于输入电压时，主开关的寄生反并联二极管续流，为主开关的零电压开通创造了条件；主开关管关断后，辅助电路电容被流主滤波电感电流放电，其电压下降到零时，同步整流开关管的寄生反并联二极管导通续流，从而为同步整流开关管零电压开通创造了条件；因此，提出的软开关buck变换器及调制策略既能实现主开关与同步整流开关零电压开通，又能实现它们的近似零电压关断；同时由于辅助电感的作用，辅助电路开关管也以近似零电流开通，只有很小的寄生电容的能量在开通瞬间被消耗，相比于现有技术中的buck电路，本发明电路及调制策略实现了所有开关管的软开关，消除了反向恢复损耗与开关噪声，明显降低电磁辐射、提高变换器效率，相比于现有技术中的软开关buck电路，本发明实施例电路所有开关管都以软开关方式工作，具有更高的转换效率，电路结构简单，实现容易，且开关管电压应力没有任何增加，可靠性大大提升，成本更低。

附图说明

一个或多个实施例通过与之对应的附图中的图片进行示例性说明，这些示例性说明并不构成对实施例的限定，附图中具有相同参考数字标号的元件表示为类似的元件，除非有特别申明，附图中的图不构成比例限制。

图1为本发明实施例的同步整流buck变换器全软开关电路示意图；

图2为本发明实施例的变换器考虑所有功率半导体器件寄生电容电路；

图3为本发明实施例的变换器考虑所有功率半导体器件寄生电容等效电路；

图4为本发明实施例的控制方法中t0～t1阶段电路控制示意图；

图5为本发明实施例的控制方法中t1～t2阶段电路控制示意图；

图6为本发明实施例的控制方法中t2～t3阶段电路控制示意图；

图7为本发明实施例的控制方法中t3～t4阶段电路控制示意图；

图8为本发明实施例的控制方法中t4～t5阶段电路控制示意图；

图9为本发明实施例的控制方法中t5～t6阶段电路控制示意图；

图10为本发明实施例的控制方法中t6～t7阶段电路控制示意图i；

图11为本发明实施例的控制方法中t6～t7阶段电路控制示意图ii；

图12为本发明实施例的控制方法中t6～t7阶段电路控制示意图iii；

图13为本发明实施例的控制方法中t7～t8阶段电路控制示意图；

图14为本发明实施例的控制方法中t8～t9阶段电路控制示意图；

图15为本发明的控制方法中t9～t10阶段电路控制示意图；

图16为本发明实施例的控制方法中t10～t+t0阶段电路控制示意图；

图17为本发明实施例的buck变换器全软开关电路各工作模态的理论波形；

图18为本发明实施例的buck变换器全软开关电路主开关测量波形；

图19为本发明实施例的buck变换器全软开关电路同步整流管测量波形；

图20本发明实施例的buck变换器与普通buck电路测量效率对比曲线。

具体实施例

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明的各实施例进行详细的阐述。然而，本领域的普通技术人员可以理解，在本发明各实施例中，为了使读者更好地理解本申请而提出了许多技术细节。但是，即使没有这些技术细节和基于以下各实施例的种种变化和修改，也可以实现本申请所要求保护的技术方案。以下各个实施例的划分是为了描述方便，不应对本发明的具体实现方式构成任何限定，各个实施例在不矛盾的前提下可以相互结合相互引用。

下面对本实施例的无源无损软开关的boost变换器的实现细节进行具体的说明，以下内容仅为方便理解提供的实现细节，并非实施本方案的必须。

本发明的实施例提供了一种同步整流buck变换器全软开关电路，如图1中琐事，包括直流输入电源vi、主滤波电感l、辅助电感lr、输出滤波电容co、箝位电容cr、mosfet功率晶体管主开关q1、mosfet功率晶体管同步整流开关q2、mosfet功率晶体管辅助开关qr、辅助功率二极管dr、第一回馈二极管dp1和第二回馈二极管dp2；所有功率半导体器件的并联寄生电容，考虑寄生电容后的实际电路如图2；所述直流输入电源vi与mosfet功率晶体管主开关q1串联组成第一支路，所述第一支路与所述mosfet功率晶体管同步整流开关q2、所述箝位电容cr并联组成第二支路，所述mosfet功率晶体管辅助开关qr与所述辅助电感lr、所述辅助功率二极管dr串联组成第三支路，所述第三支路与主滤波电感l并联组成第四支路，所述第二支路与第四支路串联组成第五支路，所述第五支路与输出滤波电容co并联并对负载rl供电。

在上述实施例的基础上，作为一种优选的实施方式，所述mosfet功率晶体管辅助开关qr的源极与所述主滤波电感l的第一端、所述第二回馈二极管dp2的阳极连接，所述辅助功率二极管dr的阴极与所述辅助电感lr的第二端连接，所述辅助功率二极管dr的阴极与所述主滤波电感l的第二端连接；所述mosfet功率晶体管辅助开关qr的源极、所述mosfet功率晶体管主开关q1的源极和所述mosfet功率晶体管同步整流开关q2的漏极连接。

在上述实施例的基础上，作为一种优选的实施方式，所述第一回馈二极管dp1的阳极与所述辅助电感lr的第二端连接；所述第一回馈二极管dp1的阴极、所述第二回馈二极管dp2的阴极与所述mosfet功率晶体管主开关q1的漏极连接。

以同步整流开关q2代替普通续流二极管，能大大降低续流导通损耗。虽然同步整流开关管q2的体二极管反向恢复特性差会一定程度降低同步整流型buck变换器的效率，但是通过并联电感lr和qr与dr构成的软开关辅助支路，能使新提出的buck变换器完全无反向恢复问题。该软开关辅助电路增加了用于回馈功率半导体器件的寄生电容能量的回馈二极管dp1和dp2，一方面能避免寄生电容能量完全被谐振过程消耗，另一方面又能箝位辅助电路功率半导体器件两端电压，消除任何可能出现的谐振电压尖峰。由于辅助软开关电路与同步整流buck电路为并联关系，因此，本发明实施例所提出的变换器主电路控制方式与普通buck电路完全一致。

第二方面，本发明实施例提供一种调制策略，能消除同步整流开关反向恢复损耗，实现主开关与同步整流开关零电压开通与近似零电压关断，同时辅助电路开关以近似零电流开通，根据寄生电容与输入电源和输出电容的位置关系，电路可等效为图3所示电路，等效电容ca为cr与同步整流开关和主开关寄生并联电容的总和，所述调制策略包括：

t0～t1阶段：t0时刻，主开关的反并联二极管导通，流过主滤波电感与辅助电感的总电流，因此主开关两端电压为零，主开关以零电压条件软开通。此后主电感l的电流线性增加，辅助电感lr电流线性减小，等效电路如图4。

il(t)＝il(t0)+(vi-vo)(t-t0)/l(1)

ilr(t)＝ilr(t0)-(vi-vo)(t-t0)/lr(2)

t1～t2阶段：t1时刻，辅助电路电感lr的电流线性下降到零。lr与开关管等效寄生电容cp2开始谐振，lr的电流从零开始反向增加，主滤波电感电流继续以上一阶段的变化斜率线性增加，如图5所示等效电路。

il(t)＝il(t1)-(vi-vo)(t-t1)/l(5)

t2～t3阶段：t2时刻，辅助电路电感lr两端电压下降到零，等效电容cp2两端电压增加到vi-vo。辅助电路箝位二极管dp1正向偏置，辅助电路电感lr两端电压与cp2两端电压同时被箝位。若忽略箝位二极管dp1的导通压降，此阶段，电感lr电流在主开关q1、辅助开关qr和dp1中环流，电流保持不变，主滤波电感l的电流继续线性增加，此阶段电路等效为图6所示电路。

ilr(t)＝ilr(t2)(8)

il(t)＝il(t2)-(t-t2)(vi-vo)/l(9)

t3～t4阶段：t3时刻，主开关q1与辅助电路开关qr同时关断，辅助电路电感lr电流立即流过qr的反并联二极管。由于开关管q1的关断过程时间很短，而并联在q2两端的辅助电路电容ca较大，开关管q1两端电压在其关断过程上升较小，实现了开关管的近似零电压关断。此后，等效电容cr与主滤波电感l和辅助电感lr并联谐振，cr流过的电流为l和lr的电流之和，cr被放电，电压开始减小，此阶段等效电路如图7。

t4～t5阶段：t4时刻，等效电容cr电压下降至零，同步整流管q2的寄生反并联二极管开始导通，为的零电压开通创造了条件。主滤波电感l电压下降至-vo，辅助电路滤波电感lr的电压增加至vi。因此，电感l的电流开始线性减小，电感lr的电流从负电流开始线性增加，等效电路如图8。

ilr(t)＝ilr(t4)+(t-t4)vi/lr(17)

il(t)＝il(t4)-(t-t4)vo/l(18)

t5～t6阶段：t5时刻，同步整流管q2零电压开通，主滤波电感l与辅助电路电感lr的电流继续以上一阶段的变化斜率线性变化，电路等效为图9所示电路。

ilr(t)＝ilr(t5)+(t-t5)vi/lr(19)

il(t)＝il(t5)-(t-t5)vo/l(20)

t6～t7阶段：t6时刻，辅助电路电感lr的反向电流线性增加至零。电感lr与等效电容cp1、cp2开始串联谐振，因电路工作状态的不同，可能出现三种模态。在谐振过程中，谐振电路的能量或因阻尼消耗，或传输到输入电源而被转移，最终达到稳态。在此过程中，主滤波电感l两端电压仍然等于-vo，电流继续以上一阶段的变化斜率线性减小。根据不同工况，此阶段可能存在三种谐振状态，如图10-12。

il(t)＝il(t6)-(t-t6)vo/l(24)

t7～t8阶段：t7时刻，辅助电路电感lr与等效电容cp1、cp2寄生串联谐振结束。此阶段，电路等效于普通同步整流buck变换器的续流阶段，主滤波电感l的电流继续以上一阶段的变化斜率线性减小，等效电路如图13。

il(t)＝il(t7)-(t-t7)vo/l(32)

t8～t9阶段：t8时刻，辅助电路开关管qr开通。因电感lr的作用，在qr开通过程中，流过qr的电流为0，因此qr以零电流开通。由于寄生并联电容cp1的影响，qr实际开通过程有一定的功率损耗，形成容性开通损耗。qr导通后，电感lr两端电压为vo，流过lr的电流开始线性增加，主滤波电感l的电流继续以上一阶段的变化斜率线性减小，电路等效为如图14所示电路。

il(t)＝il(t8)-(t-t8)vo/l(33)

ilr(t)＝(t-t8)vo/lr(34)

t9～t10阶段：t9时刻，流过lr的电流与流过l的电流之和已正向流过同步整流开关管q2的漏源极，同步整流开关q2关断。由于等效电容cr的箝位作用，在q2关断过程中，q2两端电压上升较小，实现了q2近似零电压关断。由于不存在二极管续流过程，因此，q2关断无反向恢复问题。q2关断后，lr与l的电流之和流过cr，cr与l、lr开始谐振，cr电压以谐振规律上升，此阶段电路等效为15所示电路。

t10～t+t0阶段：t10时刻，等效电容cr的电压上升到等于输入电压vi，因此主开关q1的反并联二极管正向偏置导通续流，为主开关q1零电压开通提供了条件，流过q1反并联二极管的电流为主滤波电感l与辅助电路电感lr的电流之和。此后，电感的电压为vi-vo，电流开始线性增加；而电感lr的电压为-(vi-vo)，电流线性减小，图16为此阶段所示等效电路。本发明的buck变换器全软开关电路各工作模态的理论波形如图17。

il(t)＝il(t10)+(t-t10)(vi-vo)/l(38)

ilr(t)＝ilr(t10)-(t-t10)(vi-vo)/lr(39)

本实施例进行了实验验证，为了便于比较，证明本发明提出的电路和调制方法的有效性，设计软开关buck变换器与普通同步整流buck电路主拓扑参数相同：额定输入电压为100v，额定输出电压为80v，开关频率为50khz，主滤波电感l设计为600μh，输出储能电容co为15μf，额定功率600w。设计软开关电路辅助电感lr为8μh，软开关电路箝位电容cr为2.2nf，软开关辅助电路qr与主开关q1、同步整流开关q2型号均采用irfp90n20dpbf，超快恢复辅助功率二极管dr采用stth3002cw，回馈二极管dp1和dp2的采用普通小功率肖特基整流二极管ss3200。图18、19为提出的软开关buck电路工作时的主开关与同步整流开关管的电流电压波形，由图可见，主开关与同步整流开关都以零电压开通、近似零电压关断的软开关方式动作。由于软开关电路辅助电感lr的作用，辅助支路开通瞬间，流过qr的电流近似为零，实现了qr的零电流开通；辅助电感在反向电压作用下，电流自然下降到零，辅助二极管dr的电流也自然下降到零而软关断。因此，辅助电路为以零电流开通、零电压关断的软开关方式动作，开关损耗降至接近为零。软开关电路辅助电感lr与功率半导体器件的寄生电容谐振电压被回馈二极管dp1和dp2箝位，部分谐振能量返回至输入电源，既避免了因辅助电路的加入引起电压应力增加，同时进一步增加了变换器的效率。最后测试了提出的软开关电路与普通buck电路的效率，绘制效率曲线如图20，由图可见，提出的软开关buck电路的效率最大提升2.2％。通过理论分析与仿真验证表明，本发明的软开关buck电路及其调制策略能有效解决普通buck电路硬开关问题，大大提升效率。

本领域的普通技术人员可以理解，上述各实施例是实现本发明的具体实施例，而在实际应用中，可以在形式上和细节上对其作各种改变，而不偏离本发明的精神和范围。