高压宽范围输入的升压电路和软开关电路的制作方法

1.本技术涉及高压应用的领域，尤其是涉及一种高压宽范围输入的升压电路和软开关电路。


背景技术：

2.高压dc/dc模块在实际中需求较多，根据功率大小实现方案一般有反激、正激以及桥式电路等拓扑实现，但是在实际应用中，有些场合需要适应宽范围输入，并且需要保持较高的转换效率。在相关技术中，如图1的boost电路和图2的buck
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boost电路采用了一级转换拓扑的方案，输出二次侧功率开关管由于输入电压范围宽，承受较高的电压应力，需要选择规格更高的器件，性能指标、转换效率以及可靠性均有所下降。如果采用桥式整流等方法直接调压，则在电路参数固定后，输入范围较窄且难以调整。


技术实现要素：

3.为了实现dc/dc模块的宽范围调压并降低开关损耗，本技术提供一种高压宽范围输入的升压电路和软开关电路。
4.第一方面，本技术提供的一种高压宽范围输入的升压电路，采用如下的技术方案：一种高压宽范围输入的升压电路，包括主功率开关q1、主绕组l1、第一电容c1、主二极管d1和第一软启动控制单元，所述主绕组l1、第一电容c1和主二极管d1位于同一回路并两两相连，所述主二极管d1的阳极连于第一电容c1的正极或所述主二极管d1的阴极连于第一电容c1的负极，所述主绕组l1的两端分别耦接于主功率输入的正极和负极，所述主功率开关q1串联于主功率输入和主绕组l1之间，所述第一电容c1的两端作为升压电路的输出端；所述主功率开关q1上设置有用于接收控制信号以控制主功率开关q1通断的第一控制端；所述第一软启动控制单元包括位于同一回路并两两相连的辅助开关q2、辅助绕组l2和第二电容c2，所述辅助绕组l2磁耦合于主绕组l1，所述辅助开关q2上设置有用于接收控制信号以控制辅助开关q2通断的第二控制端。
5.通过采用上述技术方案，在buck
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boost电路中增加辅助绕组l2，将辅助整流方式由二极管改成同步整流方式，主功率工作在dcm方式下。在主功率开通之前，先让同步整流导通固定时间，将辅助电源的能量储存在电感中，关闭之后，能量在电感主输出端反激，导通主管体二极管，实现软开关开通。具体来说，常规的buck
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boost电路在开关过程中，主功率开关q1同时发生的电流变化和电压变化，将会产生开关损耗，在低压输入下开关损耗不明显，但是在高压输入下则较大，容易导致开关损坏，因此难以应用于高压场景。在本方案中，通过第一软启动控制单元的设置，将主功率开关q1两端的电压变化和经过的电流变化过程错开，也就是使得主功率开关q1两端电压变化过程中经过主功率开关q1的电流极低，且在经过主功率开关q1的电流的变化过程中主功率开关q1两端电压极低，从而使得开关损耗相比于常规的buck
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boost电路大大降低，从而方便实现dc/dc模块的宽范围调压。
6.可选的，所述第一控制端和第二控制端周期性输入控制信号，每个周期分为四个阶段，在第一阶段t1向第一控制端发送控制信号以关断主功率开关q1，向第二控制端发送控制信号以导通辅助开关q2，在第二阶段t2第一控制端发送控制信号以关断主功率开关q1，向第二控制端发送控制信号以关断辅助开关q2，在第三阶段t3向第一控制端发送控制信号以导通主功率开关q1，向第二控制端发送控制信号以关断辅助开关q2，在第四阶段t4向第一控制端发送控制信号以关断主功率开关q1，向第二控制端发送控制信号以关断辅助开关q2。
7.可选的，在第一阶段t1中，第二电容c2在辅助开关q2的导通阶段中放电以使辅助绕组l2通过电流，主绕组l1生成感应电流并拉高主绕组l1靠近主功率输入正极一端的电势，拉低主绕组l1靠近主功率开关q1负极一端的电势，以在主绕组l1充电前降低主功率开关q1两端的电势差；第一电容c1放电以向升压电路的输出端供电，主二极管d1阻断主绕组l1对升压电路的输出端供电；在第二阶段t2中，第二电容c2在辅助开关q2的关断阶段中对其它负载放电，主绕组l1放电并保持拉高主绕组l1靠近主功率输入正极一端的电势，拉低主绕组l1靠近主功率开关q1负极一端的电势，主二极管d1阻断主绕组l1对升压电路的输出端供电；在第三阶段t3中，主绕组l1在主功率开关q1的导通阶段中充电；第一电容c1放电以向升压电路的输出端供电，主绕组l1放电前主二极管d1阻断主功率输出对升压电路的输出端供电，辅助绕组l2在主功率开关q1的导通过程中充电；在第四阶段t4中，主绕组l1在主功率开关q1的关断阶段中放电，主二极管d1导通以使主绕组l1以向第一电容c1充电和对升压电路的输出端供电，辅助绕组l2产生感应电并给第二电容c2充能。
8.通过采用上述技术方案，在第一阶段t1中，主绕组l1在辅助绕组l2的作用下产生感应电动势，在第二阶段t2中，主绕组l1放电，均生成感应电流并拉高主绕组l1靠近主功率输入正极一端的电势，拉低主绕组l1靠近主功率开关q1负极一端的电势，以在主绕组l1充电前降低主功率开关q1两端的电势差。也就是说，在第四阶段t4l1放电结束后导致的主功率开关q1两端的高电势，将会在第一阶段t1和第二阶段t2被消除，以保证在第三阶段t3主功率开关q1打开而产生逐渐增大的电流时，主功率开关q1两端保持低电平。
9.可选的，所述第一电容c1为电解电容且正极耦接于主功率输入的负极，负极耦接于主功率输入的正极；可选的，所述第二电容c2为电解电容且所述第二电容c2的负极耦接于第一接入端，所述第一接入端为辅助绕组l2相对于主绕组l1耦接于主功率输入正极的一端的同名端。
10.可选的，所述主功率开关q1为nmos管，所述主功率开关q1的栅极为所述第一控制端，源极连于主功率输入的负极，漏极连于主绕组l1。
11.可选的，所述主功率开关q1为nmos管，所述主功率开关q1的栅极为所述第一控制端，漏极连于主功率输入正极，源极连于主绕组l1。
12.可选的，所述主功率开关q1为pmos管，所述主功率开关q1的栅极为所述第一控制端，漏极连于主功率输入的负极，源极连于主绕组l1。
13.可选的，所述主功率开关q1为pmos管，所述主功率开关q1的栅极为所述第一控制
端，源极连于主功率输入的正极，漏极连于主绕组l1。
14.可选的，所述主功率开关q1为npn型三极管，所述主功率开关q1的基极为所述第一控制端，发射极连于主功率输入的负极，集电极连于主绕组l1。
15.可选的，所述主功率开关q1为npn型三极管，所述主功率开关q1的基极为所述第一控制端，集电极连于主功率输入的正极，发射极连于主绕组l1。
16.可选的，所述主功率开关q1为pnp型三极管，所述主功率开关q1的基极为所述第一控制端，集电极连于主功率输入的负极，发射极连于主绕组l1。
17.可选的，所述主功率开关q1为pnp型三极管，所述主功率开关q1的基极为所述第一控制端，发射极连于主功率输入的正极，集电极连于主绕组l1。
18.可选的，所述辅助开关q2为nmos管，所述辅助开关q2的栅极为所述第二控制端，漏极连于第二电容c2，源极连于第二接入端，所述第二接入端为辅助绕组l2相对于主绕组l1耦接于主功率输入负极的一端的同名端。
19.可选的，所述辅助开关q2为pmos管，所述辅助开关q2的栅极为所述第二控制端，源极连于第二电容c2，漏极连于第二接入端；可选的，所述辅助开关q2为nmos管，所述辅助开关q2的栅极为所述第二控制端，源极连于第二电容c2，漏极连于第一接入端，所述第一接入端为辅助绕组l2相对于主绕组l1耦接于主功率输入正极的一端的同名端。
20.可选的，所述辅助开关q2为pmos管，所述辅助开关q2的栅极为所述第二控制端，漏极连于第二电容c2，源极连于第一接入端。
21.可选的，所述辅助开关q2为npn型三极管，所述辅助开关q2的基极为所述第二控制端，集电极连于第二电容c2，发射极连于第二接入端。
22.可选的，所述辅助开关q2为pnp型三极管，所述辅助开关q2的基极为所述第二控制端，发射极连于第二电容c2，集电极连于第二接入端。
23.可选的，所述辅助开关q2为npn型三极管，所述辅助开关q2的基极为所述第二控制端，发射极连于第二电容c2，集电极连于第一接入端。
24.可选的，所述辅助开关q2为pnp型三极管，所述辅助开关q2的基极为所述第二控制端，集电极连于第二电容c2，发射极连于第一接入端。
25.第二方面，本技术提供的一种高压宽范围输入的软开关dc/dc电路，采用如下的技术方案：一种高压宽范围输入的软开关电路，包括上述的高压宽范围输入的升压电路，还包括连于升压电路输出端的后级电路，所述后级电路为半桥隔离电路、全桥隔离电路或者llc隔离电路。
26.通过采用上述技术方案，采用两级拓扑可以很好的适应宽范围输入电压，适应性更广。前级采用调节占空比方式，实现闭环输出，后级采用固定占空比的隔离电路，元器件应力低，转换效率高。
27.第三方面，本技术提供一种高压宽范围输入的升压电路，采用如下的技术方案：一种高压宽范围输入的升压电路，包括第三开关q3、第三绕组l3、第三电容c3、第二二极管d2和第二软启动控制单元，所述第三开关q3、第三电容c3和第二二极管d2位于同一回路并两两相连，所述第二二极管d2的阴极连于第三电容c3的正极或所述第二二极管d2
的阳极连于第一电容c1的负极，所述第三绕组l3的两端分别耦接于主功率输入的正极和第三电容c3的正极或所述第三绕组l3的两端耦接于主功率输入的负极和升压电路第三电容c3的负极，所述第三电容c3的两端作为输出端，所述第三开关q3上设置有用于接收控制信号以控制第三开关q3通断的第三控制端；所述第二软启动控制单元包括位于同一回路并两两相连的第四开关q4、第四绕组l4和第四电容c4，所述第四绕组l4磁耦合于第三绕组l3，所述第四开关q4上设置有用于接收控制信号以控制第四开关q4通断的第四控制端。
28.可选的，所述第三控制端和第四控制端周期性输入控制信号，每个周期分为四个阶段，在第一阶段s1向第三控制端发送控制信号以关断第三开关q3，向第四控制端发送控制信号以导通第四开关q4，在第四阶段t2第三控制端发送控制信号以关断第三开关q3，向第四控制端发送控制信号以关断第四开关q4，在第三阶段t3向第三控制端发送控制信号以导通第三开关q3，向第四控制端发送控制信号以关断第四开关q4，在第四阶段t4向第三控制端发送控制信号以关断第三开关q3，向第四控制端发送控制信号以关断第四开关q4。
附图说明
29.图1是相关技术中buck
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boost电路的示意图；图2是相关技术中boost电路的示意图；图3是相关技术中硬开关电路中开关在开通和关断过程中电流变化和电压变化的示意图；图4a
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图4h分别为本技术中高压宽范围输入的软开关电路的前级电路在不同实施方式下的示意图；图5是本技术实施例中第一控制端和第二控制端在各周期四个阶段的输入控制信号状态的示意图和主功率开关经过电流的示意图；图6是本技术实施例中后级电路为半桥隔离电路的示意图；图7是本技术实施例中后级电路为全桥隔离电路的示意图；图8是本技术实施例中后级电路为llc隔离电路的示意图；图9是本技术实施例中另一种高压宽范围输入的软开关电路的前级电路的示意图。
具体实施方式
30.以下结合附图，对本技术作进一步详细说明。
31.目前，在相关技术中，经典的buck
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boost电路通常采取如图2的电路结构，如图3所示，该类电路结构的开关过程中电压和电流均不为零，出现了重叠。电压、电流变化很快，波形出现明显得过冲，从而产生开关损耗，即开关噪声。当buck
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boost电路应用于高压输入下，开关噪声较大，效率较低。
32.本技术实施例公开一种高压宽范围输入的软开关电路，包括前级电路和后级电路，前级电路采用调节占空比方式，实现闭环输出，后级采用固定占空比的隔离电路，元器件应力低，转换效率高。通过采用两级拓扑可以很好的适应宽范围输入电压，适应性更广。
33.参照图4，前级电路为一种高压宽范围输入的dc/dc升压电路，包括主功率开关q1、
主绕组l1、第一电容c1、主二极管d1和第一软启动控制单元，主绕组l1、第一电容c1和主二极管d1位于同一回路并两两相连。主绕组l1、第一电容c1和主二极管d1的拓扑连接方式有多种，只需主绕组l1的两端分别耦接于主功率输入的正极和负极即可。在这里需要强调，这里的“耦接”包括直接连接和间接连接两种方式，间接连接代指主绕组l1的接线点与主功率输入的接线点之间可以连接有其它的电子元件。第一电容c1的两端作为升压电路的输出端，为了提高第一电容c1的容量和放电时长，在一些实施例中，第一电容c1为电解电容且正极耦接于主功率输入的负极，负极耦接于主功率输入的正极。
34.相应的，主二极管d1会因此发生不同，在一些实施例中，主二极管d1的阳极连于第一电容c1的正极，在另一些实施例中，主二极管d1的阴极连于第一电容c1的负极，只要能够阻止第一电容c1对主绕组l1进行充电即可，或者说，只要能够阻止第一电容c1对主功率输入反向充电即可。
35.主功率开关q1上设置有用于接收控制信号以控制主功率开关q1通断的第一控制端，在不同的实施例中主功率开关q1可以为不同类型的电子元件。在一些实施例中，主功率开关q1可以为双极结型应晶体管（bjt），在另一些实施例中，也可以为场效应晶体管（fet），或者其它开关管，但凡能够接收外部信号进行连通和关断且漏电流较小的电子元件均可。主功率开关q1也可以设置在不同的位置上，在不同的实施例中，其可以串联于主功率输出的正极或负极，但凡能够阻止主功率输入的正极与负极经过主绕组l1直接导通即可。
36.具体的，在某些实施例中，参照图4a，主功率开关q1为nmos管，主功率开关q1的栅极为第一控制端，源极连于主功率输入的负极，漏极连于主绕组l1。
37.在某些实施例中，参照图4b，主功率开关q1为nmos管，主功率开关q1的栅极为第一控制端，漏极连于主功率输入正极，源极连于主绕组l1。
38.在某些实施例中，参照图4c，主功率开关q1为pmos管，主功率开关q1的栅极为第一控制端，漏极连于主功率输入的负极，源极连于主绕组l1。
39.在某些实施例中，参照图4d，主功率开关q1为pmos管，主功率开关q1的栅极为第一控制端，源极连于主功率输入的正极，漏极连于主绕组l1。
40.在某些实施例中，主功率开关q1为npn型三极管，主功率开关q1的基极为第一控制端，发射极连于主功率输入的负极，集电极连于主绕组l1。
41.在某些实施例中，主功率开关q1为npn型三极管，主功率开关q1的基极为第一控制端，集电极连于主功率输入的正极，发射极连于主绕组l1。
42.在某些实施例中，主功率开关q1为pnp型三极管，主功率开关q1的基极为第一控制端，集电极连于主功率输入的负极，发射极连于主绕组l1。
43.在某些实施例中，主功率开关q1为pnp型三极管，主功率开关q1的基极为第一控制端，发射极连于主功率输入的正极，集电极连于主绕组l1。
44.参照图4e到图4h，第一软启动控制单元包括位于同一回路并两两相连的辅助开关q2、辅助绕组l2和第二电容c2，辅助绕组l2磁耦合于主绕组l1。辅助开关q2、辅助绕组l2和第二电容c2的拓扑连接方式有多种，只需要辅助绕组l2与主绕组l1耦合即可，这里需要指出，主绕组l1和辅助绕组l2设置在同一磁芯上，以实现互感耦合。为了提高第二电容c2的容量和放电时长，第二电容c2为电解电容且第二电容c2的负极耦接于第一接入端，正极耦接于第二接入端。其中，第一接入端为辅助绕组l2相对于主绕组l1耦接于主功率输入正极的
一端的同名端，第二接入端为辅助绕组l2相对于主绕组l1耦接于主功率输入负极的一端的同名端。
45.辅助开关q2上设置有用于接收控制信号以控制辅助开关q2通断的第二控制端，在不同的实施例中辅助开关q2可以为不同类型的电子元件。在一些实施例中，辅助开关q2可以为双极结型应晶体管（bjt），在另一些实施例中，也可以为场效应晶体管（fet），或者其它开关管，但凡能够接收外部信号进行连通和关断且漏电流较小的电子元件均可。辅助开关q2也可以设置在不同的位置上，在不同的实施例中，其可以串联于第一接入端或第二接入端，但凡能够阻止第二电容c2直接对辅助绕组l2放电即可。
46.具体的，在某些实施例中，参照图4e，辅助开关q2为nmos管，辅助开关q2的栅极为第二控制端，漏极连于第二电容c2，源极连于第二接入端。
47.在某些实施例中，参照图4f，辅助开关q2为pmos管，辅助开关q2的栅极为第二控制端，源极连于第二电容c2，漏极连于第二接入端。
48.在某些实施例中，参照图4g，辅助开关q2为nmos管，辅助开关q2的栅极为第二控制端，源极连于第二电容c2，漏极连于第一接入端。
49.在某些实施例中，参照图4h，辅助开关q2为pmos管，辅助开关q2的栅极为第二控制端，漏极连于第二电容c2，源极连于第一接入端。
50.在某些实施例中，辅助开关q2为npn型三极管，辅助开关q2的基极为第二控制端，集电极连于第二电容c2，发射极连于第二接入端。
51.在某些实施例中，辅助开关q2为pnp型三极管，辅助开关q2的基极为第二控制端，发射极连于第二电容c2，集电极连于第二接入端。
52.在某些实施例中，辅助开关q2为npn型三极管，辅助开关q2的基极为第二控制端，发射极连于第二电容c2，集电极连于第一接入端。
53.在某些实施例中，辅助开关q2为pnp型三极管，辅助开关q2的基极为第二控制端，集电极连于第二电容c2，发射极连于第一接入端。
54.为了减低开关损耗，第一控制端和第二控制端周期性输入控制信号，如图5所示，每个周期分为四个阶段，在第一阶段t1向第一控制端发送控制信号以关断主功率开关q1，向第二控制端发送控制信号以导通辅助开关q2，在第二阶段t2第一控制端发送控制信号以关断主功率开关q1，向第二控制端发送控制信号以关断辅助开关q2，在第三阶段t3向第一控制端发送控制信号以导通主功率开关q1，向第二控制端发送控制信号以关断辅助开关q2，在第四阶段t4向第一控制端发送控制信号以关断主功率开关q1，向第二控制端发送控制信号以关断辅助开关q2。
55.在各个阶段中各个电子元件的状态变化如下表所示：
在第一阶段t1中，第二电容c2在辅助开关q2的导通阶段中放电以使辅助绕组l2通过电流，主绕组l1生成感应电流并拉高主绕组l1靠近主功率输入正极一端的电势，拉低主绕组l1靠近主功率开关q1负极一端的电势，以在主绕组l1充电前降低主功率开关q1两端的电势差；第一电容c1放电以向升压电路的输出端供电，主二极管d1阻断主绕组l1对升压电路的输出端供电。
56.在第二阶段t2中，第二电容c2在辅助开关q2的关断阶段中对其它负载放电，主绕组l1放电并保持拉高主绕组l1靠近主功率输入正极一端的电势，拉低主绕组l1靠近主功率开关q1负极一端的电势，主二极管d1阻断主绕组l1对升压电路的输出端供电。
57.在第三阶段t3中，主绕组l1在主功率开关q1的导通阶段中充电；第一电容c1放电以向升压电路的输出端供电，主绕组l1放电前主二极管d1阻断主功率输出对升压电路的输出端供电，辅助绕组l2在主功率开关q1的导通过程中充电。
58.在第四阶段t4中，主绕组l1在主功率开关q1的关断阶段中放电，主二极管d1导通以使主绕组l1以向第一电容c1充电和对升压电路的输出端供电，辅助绕组l2产生感应电并给第二电容c2充能。
59.通过控制信号对主功率开关q1和辅助开关q2进行控制，以降低开关损耗的原理为：在第一阶段t1中，主绕组l1在辅助绕组l2的作用下产生感应电动势，在第二阶段t2中，主绕组l1放电，均生成感应电流并拉高主绕组l1靠近主功率输入正极一端的电势，拉低主绕组l1靠近主功率开关q1负极一端的电势，以在主绕组l1充电前降低主功率开关q1两端的电势差。也就是说，在第四阶段t4l1放电结束后导致的主功率开关q1两端的高电势，将会在第一阶段t1和第二阶段t2被消除，以保证在第三阶段t3主功率开关q1打开而产生逐渐增大的电流时，主功率开关q1两端保持低电平。
60.后级电路连于前级电路，也就是升压电路的输出端。后级采用固定占空比的隔离电路，元器件应力低，转换效率高。在一些实施例中，如图6所示，后级电路为半桥隔离电路。在一些实施例中，如图7所示，后级电路为全桥隔离电路。在一些实施例中，如图8所示，后级电路为llc隔离电路。
61.基于与上述相同软启动原理的,本技术还公开另一种高压宽范围输入的软开关boost电路，包括另一种前级电路和后级电路，该前级电路采用调节占空比方式，实现闭环输出，后级采用固定占空比的隔离电路，元器件应力低，转换效率高。通过采用两级拓扑可以很好的适应宽范围输入电压，适应性更广。
62.参照图9，另一种前级电路包括第三开关q3、第三绕组l3、第三电容c3、第二二极管d2和第二软启动控制单元，第三开关q3、第三电容c3和第二二极管d2位于同一回路并两两
相连，第二二极管d2的阴极连于第三电容c3的正极或第二二极管d2的阳极连于第一电容c1的负极，第三绕组l3的两端分别耦接于主功率输入的正极和第三电容c3的正极或第三绕组l3的两端耦接于主功率输入的负极和升压电路第三电容c3的负极，第三电容c3的两端作为输出端，第三开关q3上设置有用于接收控制信号以控制第三开关q3通断的第三控制端；第二软启动控制单元包括位于同一回路并两两相连的第四开关q4、第四绕组l4和第四电容c4，第四绕组l4磁耦合于第三绕组l3，第四开关q4上设置有用于接收控制信号以控制第四开关q4通断的第四控制端。
63.与本技术公开的第一种前级电路相似的，第二二极管d2的位置可以做适应性调整，第三开关q3的种类可以做出适应性调整。第四开关q4的种类和位置可以做出适应性调整，第四电容c4的正负极连接方式也可以对于第四开关q4做出适应性调整。
64.第三控制端和第四控制端周期性输入控制信号，每个周期分为四个阶段，在第一阶段s1向第三控制端发送控制信号以关断第三开关q3，向第四控制端发送控制信号以导通第四开关q4，在第四阶段t2第三控制端发送控制信号以关断第三开关q3，向第四控制端发送控制信号以关断第四开关q4，在第三阶段t3向第三控制端发送控制信号以导通第三开关q3，向第四控制端发送控制信号以关断第四开关q4，在第四阶段t4向第三控制端发送控制信号以关断第三开关q3，向第四控制端发送控制信号以关断第四开关q4。
65.以上均为本技术的较佳实施例，并非依此限制本技术的保护范围，故：凡依本技术的结构、形状、原理所做的等效变化，均应涵盖于本技术的保护范围之内。