Dc-dc变换器及其控制方法
【专利摘要】本申请公开了一种DC?DC变换器及其控制方法，变换器包括：第一端口、第二端口、第三端口、第一开关、第二开关、第三开关、第一电容、第二电容、第三电容、第一电感、第二电感，以及开关控制器，第一开关、第二开关及第三开关均为：包括控制端、输入端及输出端的有源开关管。这样，仅使用了三个开关器件、两个电感和三个电容，输入输出共地，拓扑简单可靠，成本较低；三个端口功率可以任意流入流出，实现了任意方向能量传递；所有开关器件可以在任意功率流动方向，从空载到满载可实现全部开关管软开关，提高了变换器效率；另外，还可以得到可升降压，并高度对称且共地的正负双输出。
【专利说明】
DC-DC变换器及其控制方法
技术领域
[0001] 本申请设及电源技术领域，尤其设及一种DC-DC变换器及其控制方法。
【背景技术】
[0002] 随着电力电子技术的高速发展，开关电源在各种电气设备中均有着广泛的应用。 目前，很多应用场合都需要能够实现升降压，且能输出正负输出电压的开关电源，比如:逆 变器、Class-D音频放大器、超声波医疗图像系统、± 15V或± 5V辅助供电电源等。
[0003] 传统提供正负电压输出的方式是利用具有电气隔离特性的正激(Forward)电路或 者反激(Flyback)电路，共用变压器磁忍进行多输出绕组绕制变压器，从而得到了隔离的正 负电压多输出变换器。但运种方式有着很大的缺点，变压器的设计大为复杂化，且各绕组间 的交叉调整对变换器的性能有着很大影响。隔离变压器的使用增加了变压器的铜损和铁 损，降低了变换器的效率。正激和反激需要额外的辅助电路来消除开关管的电压尖峰，增加 了变换器复杂度，降低了变换器效率。
[0004] 有些提供正负电压输出的场合，也有使用两个非隔离开关变换器的方案，两个变 换器分别输出正压和负压，消除了各输出间的交叉调整，省去了变压器，提高了变换器效 率。但运种方式需要两套控制器和两套主功率电路，器件较多，成本较高。
【发明内容】
[0005] 本申请旨在至少在一定程度上解决上述技术问题之一。
[0006] 本申请提供一种DC-DC变换器，包括：
[0007] 第一端口、第二端口、第=端口、第一开关、第二开关、第=开关、第一电容、第二电 容、第=电容、第一电感、第二电感，W及开关控制器，所述第一开关、所述第二开关及所述 第=开关均为:包括控制端、输入端及输出端的有源开关管；
[000引所述第一端口的正极连接到所述第一开关的输出端，负极分别连接到所述第一电 感及地；
[0009] 所述第二端口的正极分别连接到所述第二电感及所述第二电容，负极分别连接到 所述第二电容的与所述第二端口的正极相对的一端及地；
[0010] 所述第=端口的正极分别连接到所述第=电容及所述第二开关的输入端，负极分 别连接到所述第=电容的与所述第=端口的正极相对的一端及地；
[0011] 所述开关控制器的第一输出端连接到所述第一开关的控制端，第二输出端连接到 所述第二开关的控制端，第=输出端连接到所述第=开关的控制端；
[0012] 所述第一开关的输入端分别连接到所述第一电容、所述第二开关的输出端及所述 第一电感的与所述第一端口的负极相对的一端；
[0013] 所述第=开关的输入端接地，输出端分别连接到所述第一电容的与所述第一开关 的输入端相对的一端，及所述第二电感的与所述第二端口的正极相对的一端；
[0014] 所述开关控制器通过第一输出端向所述第一开关输出的第一驱动信号与所述开 关控制器通过第二输出端向所述第二开关输出的第二驱动信号在忽略死区的情况下互补， 所述开关控制器通过第=输出端向所述第=开关输出的第=驱动信号与所述第二驱动信 号相同。
[0015] 进一步的，所述第一端口作为DC-DC变换器的输入端口，所述第二端口及所述第S 端口作为DC-DC变换器的输出端口。
[0016] 进一步的，
[0017] 所述第一端口的正极还连接到所述开关控制器的第一反馈端；
[0018] 所述第二端口的正极还连接到所述开关控制器的第二反馈端；
[0019] 所述第=端口的正极还连接到所述开关控制器的第=反馈端。
[0020] 进一步的，所述第二电容与所述第=电容规格相同。
[0021] 进一步的，所述有源开关管为场效应管或晶体=极管。
[0022] 进一步的，所述DC-DC变换器应用于:逆变器、Class-D音频放大器、超声波医疗图 像系统，或，± 15V/±5V辅助供电电源。
[0023] 本申请还提供一种DC-DC变换器的控制方法，所述DC-DC变换器的控制方法基于如 权利要求1-6中任一项所述的DC-DC变换器，所述DC-DC变换器的控制方法包括:所述开关控 制器通过第一输出端向所述第一开关输出第一驱动信号，所述开关控制器通过第二输出端 向所述第二开关输出第二驱动信号，所述开关控制器通过第=输出端向所述第=开关输出 第=驱动信号，所述第一驱动信号与所述第二驱动信号在忽略死区的情况下互补，所述第 =驱动信号与所述第二驱动信号相同。
[0024] 本申请的有益效果是：
[0025] 通过提供一种DC-DC变换器及其控制方法，变换器包括:第一端口、第二端口、第S 端口、第一开关、第二开关、第=开关、第一电容、第二电容、第=电容、第一电感、第二电感， W及开关控制器，第一开关、第二开关及第=开关均为:包括控制端、输入端及输出端的有 源开关管;第一端口的正极连接到第一开关的输出端，负极分别连接到第一电感及地;第二 端口的正极分别连接到第二电感及第二电容，负极分别连接到第二电容的与第二端口的正 极相对的一端及地;第=端口的正极分别连接到第=电容及第二开关的输入端，负极分别 连接到第=电容的与第=端口的正极相对的一端及地;开关控制器的第一输出端连接到第 一开关的控制端，第二输出端连接到第二开关的控制端，第=输出端连接到第=开关的控 制端;第一开关的输入端分别连接到第一电容、第二开关的输出端及第一电感的与第一端 口的负极相对的一端;第=开关的输入端接地，输出端分别连接到第一电容的与第一开关 的输入端相对的一端，及第二电感的与第二端口的正极相对的一端;开关控制器通过第一 输出端向第一开关输出的第一驱动信号与开关控制器通过第二输出端向第二开关输出的 第二驱动信号在忽略死区的情况下互补，开关控制器通过第=输出端向第=开关输出的第 =驱动信号与第二驱动信号相同。运样，仅使用了=个开关器件、两个电感和=个电容，输 入输出共地，拓扑简单可靠，成本较低;=个端口功率可W任意流入流出，实现了任意方向 能量传递;所有开关器件可W在任意功率流动方向，从空载到满载可实现全部开关管软开 关，提高了变换器效率;另外，还可W得到可升降压，并高度对称且共地的正负双输出。
【附图说明】
[0026] 图I为本申请实施例一的DC-DC变换器的结构示意图。
[0027] 图2为本申请实施例一中第一驱动信号、第二驱动信号及第=驱动信号对应关系 示意图。
[0028] 图3为本申请实施例一中第一开关漏源电压和流入漏极的电流的仿真波形。
[0029] 图4为本申请实施例一中第二开关漏源电压和流入漏极的电流的仿真波形。
[0030] 图5为本申请实施例一中第=开关漏源电压和流入漏极的电流的仿真波形。
[0031 ]图6为本申请实施例一中第一端口的输入电压、第二端口的输出电压及第=端口 的输出电压的仿真波形。
【具体实施方式】
[0032] 下面详细描述本申请的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终 相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附 图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本申请，而不能理解为对本申请的限制。
[0033] 在本申请的描述中，需要理解的是，术语"中也'、"纵向"、"横向"、"长度"、"宽度"、 "厚度"、"上"、"下"、"前"、"后左"、"右"、"竖直"、"水平"、"顶"、"底""内"、"外"、"顺时 针"、"逆时针"等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于 描述本申请和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、W特 定的方位构造和操作，因此不能理解为对本申请的限制。
[0034] 此外，术语"第一"、"第二"仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性 或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有"第一"、"第二"的特征可W明示或者 隐含地包括一个或者更多个该特征。在本申请的描述中，"多个"的含义是两个或两个W上， 除非另有明确具体的限定。
[0035] 在本申请中，除非另有明确的规定和限定，术语"安装"、"相连"、"连接"、"固定"等 术语应做广义理解，例如，可W是固定连接，也可W是可拆卸连接，或一体地连接;可W是机 械连接，也可W是电连接;可W是直接相连，也可W通过中间媒介间接相连，可W是两个元 件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可W根据具体情况理解上述术语在本申 请中的具体含义。
[0036] 在本申请中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征之"上"或之"下" 可W包括第一和第二特征直接接触，也可W包括第一和第二特征不是直接接触而是通过它 们之间的另外的特征接触。而且，第一特征在第二特征"之上"、"上方"和"上面'包括第一特 征在第二特征正上方和斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在 第二特征"之下"、"下方"和"下面"包括第一特征在第二特征正下方和斜下方，或仅仅表示 第一特征水平高度小于第二特征。
[0037] 下面通过【具体实施方式】结合附图对本申请作进一步详细说明。
[0038] 实施例一.
[0039] 本实施例提供了一种开关电源，主要为：直流-直流(DC-DC)变换器。在具体应用 时，DC-DC变换器可应用于:逆变器、Class-D音频放大器、超声波医疗图像系统，或，±15V/ ±5V辅助供电电源等。
[0040] 上述DC-DC变换器主要包括如图1所示的结构：
[0041] 第一端口 101、第二端口 102、第S端口 103、第一开关SI、第二开关S2、第S开关S3、 第一电容CU第二电容C2、第=电容C3、第一电感LU第二电感L2, W及开关控制器104,第一 开关Sl、第二开关S2及第=开关S3均为：包括控制端（栅极，G)、输入端（源极，S)及输出端 (漏极，D)的有源开关管，在本实施例中，有源开关管采用场效应管；
[0042] 第一端口 101的正极连接到第一开关Sl的输出端D，负极分别连接到第一电感Ll及 地；
[0043] 第二端口 102的正极分别连接到第二电感L2及第二电容C2,负极分别连接到第二 电容C2的与第二端口 102的正极相对的一端及地；
[0044] 第=端口 103的正极分别连接到第=电容C3及第二开关S2的输入端S，负极分别连 接到第=电容C3的与第=端口 103的正极相对的一端及地；
[0045] 开关控制器104的第一输出端连接到第一开关Sl的控制端G，第二输出端连接到第 二开关S2的控制端G，第=输出端连接到第=开关S3的控制端G;
[0046] 第一开关Sl的输入端S分别连接到第一电容CU第二开关S2的输出端D及第一电感 Ll的与第一端口 101的负极相对的一端；
[0047] 第=开关S3的输入端S接地，输出端D分别连接到第一电容Cl的与第一开关Sl的输 入端S相对的一端，及第二电感L2的与第二端口 102的正极相对的一端；
[004引如图2所示，开关控制器104通过第一输出端向第一开关Sl输出的第一驱动信号Kl 与开关控制器104通过第二输出端向第二开关S2输出的第二驱动信号K2在忽略死区的情况 下互补;开关控制器104通过第S输出端向第S开关S3输出的第S驱动信号K3与第二驱动 信号K2相同。
[0049] 第一端口 101的正极还连接到开关控制器104的第一反馈端；
[0050] 第二端口 102的正极还连接到开关控制器104的第二反馈端；
[0化1]第=端口 103的正极还连接到开关控制器104的第=反馈端。
[0化2] 第二电容C2与第=电容C3规格相同。
[0化3]第一端口 101、第二端口 102及第S端口 103中的任一个或任两个作为DC-DC变换器 的输入端口，其余的作为DC-DC变换器的输出端口。DC-DC变换器的输出端口通过反馈电路 (例如，第一端口 101的正极连接到开关控制器104的第一反馈端的电路，第二端口 102的正 极连接到开关控制器104的第二反馈端的电路，第=端口 103的正极连接到开关控制器104 的第=反馈端的电路)来与开关控制器104相连，通过反馈电路来控制第一开关S1、第二开 关S2及第S开关S3的导通或关断时间，W调节DC-DC变换器的输出端口的电压。
[0054] 在具体应用时：
[0055] 当第一端口 101作为DC-DC变换器的输入端口、输入电压较低、输入电流较大，而第 二端口 102、第S端口 103作为DC-DC变换器的输出端口，且第二端口 102负载较重的场合下， 第=开关S3采用有源开关管，并与第二开关S2的驱动信号保持一致，作为同步整流管使用， 使第二端口 102、第=端口 103的输出保持高度一致，即可提供一组高度对称的正负双输出 开关电源。
[0056] 第一电容CU第二电容C2、第=电容C3均选取较大电容，=个电容电压均可看做恒 值。通过合理的死区时间设置和第一电感Ll及第二电感L2的取值，可实现：
[0057] (1)当第一开关Sl关断，第二开关S2、第=开关S3导通时，第一电感Ll给第=电容 C3充电并向第=端口 103传递能量，第二电感L2先向第二电容C2、第二端口 102传递能量，在 一段时间之后第二电感L2能量释放完毕，第二电容C2向第二电感L2充电并向第二端口 102 传递能量。当第二开关S2、第=开关S3关断瞬间，第一开关Sl尚未导通的死区时间t3-t4内， 由于在第一电感LU第二电感L2上的电流在第一电感Ll与第一开关Sl的接点A处，从第一开 关Sl的源极S流向漏极D(第一电感LU第二电感L2上的电流续流），通过合理的死区时间t3-t4设置和第一电感LU第二电感L2的取值，在死区时间t3-t4内第一开关SI中的等效二极管 导通，实现了第一开关Sl的零电压(Zero Vo；Uage Switching,ZVS)导通，如图3所示。
[005引（2)当第一开关Sl导通，第二开关S2、第=开关S3关断时，第一端口 101给第一电感 Ll充电，同时经第一电容Cl给第二电感L2充电，并向第二端口 102传递能量，第=电容C3向 第=端口 103传递能量。当第一开关Sl关断瞬间，第二开关S2、第=开关S3尚未导通的死区 时间tl-t2内，第二电感L2上的电流从第一电容Cl与第=开关S3的接点B流向第二端口 102， 第一电感Ll上的电流从第一电感Ll与第一开关Sl的接点A处流向地或者W相反方向流动但 电流值小于第二电感L2上的电流值(第一电感LU第二电感L2上的电流续流），通过合理的 死区时间tl-t2设置和第一电感LU第二电感L2的取值，在死区时间tl-t2内第二开关S2中 的等效二极管、第S开关S3中的等效二极管均导通，实现第二开关S2、第S开关S3的ZVS导 通，如图4-5所示。
[0化9]上述第（1 )、（2)点是W第一端口 101作为输入端口，第二端口 102及第S端口 103作 为输出端口时的ZVS导通情况，采用其他的输入输出端口的ZVS导通情况可类似推导，此处 不再寶述。
[0060] 通过第一电感LU第二电感L2的伏秒平衡，第二端口 102的输出电压、第=端口 103 的输出电压与第一端口 101的输入电压的关系如下，如图6所示：
[0061]
[0062] 其中Vin为第一端口 101的输入电压，Vc2为第二端口 102的输出电压，Vc3为第S端口 103的输出电压，D为第一开关Sl的导通占空比。
[0063] 在第一端口 101作为DC-DC变换器的输入端口，第二端口 102及第S端口 103为DC-DC变换器的输出端口时，轻载情况下，全部开关管S1-S3均易实现ZVS导通，在重载情况下， 第一开关Sl较难实现ZVS导通，但可W通过合理设计第一电感LU第二电感L2参数W及DC-DC变换器的输出功率，从而得到从空载到满载均为软开关的DC-DC变换器。
[0064] 第二端口 102与第S端口 103电压幅值相同，极性相反;第二端口 102、第S端口 103 相对于第一端口 101可W进行升降压，第一端口 101、第二端口 102极性相同。当第一开关S1、 第二开关S2为有源开关管，第=开关S3为有源开关管，配合第一开关Sl、第二开关S2及第= 开关S3的驱动信号，可W实现任意功率流动方向时全部开关器件的ZVS导通。
[0065] 经过仿真测试，本实施例能够实现=个端口 101-103间任意功率流动方向，且全部 开关管实现ZVS导通;经过实验测试，当将第一端口 101设为DC-DC变换器的输入端口，第二 端口 102、第S端口 103设为DC-DC变换器的输出端口时，DC-DC变换器实现了第二端口 102、 第=端口 103电压高度一致，且相对于第一端口 101电压可进行升降压，全部开关管实现了 软开关。该实施例的DC-DC变换器可广泛用于电力电子设备中的一些有高效、正负电源需求 的场合。
[0066] 运样，仅使用了=个开关器件、两个电感和=个电容，输入输出共地，拓扑简单可 靠，成本较低;=个端口功率可W任意流入流出，实现了任意方向能量传递;所有开关器件 可W在任意功率流动方向，从空载到满载可实现全部开关管软开关，提高了变换器效率;另 夕h还可W得到可升降压，并高度对称且共地的正负双输出。
[0067] 实施例二：
[0068] 本实施例与其他实施例区别主要在于：
[0069] 本实施例中，有源开关管可采用晶体=极管来代替场效应管。
[0070] 在本说明书的描述中，参考术语"一个实施方式"、"一些实施方式"、"一个实施 例"、"一些实施例"、"示例"、"具体示例"、或"一些示例"等的描述意指结合该实施例或示例 描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本申请的至少一个实施例或示例中。在本说明 书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特 征、结构、材料或者特点可W在任何的一个或多个实施例或示例中W合适的方式结合。
[0071] W上内容是结合具体的实施方式对本申请所作的进一步详细说明，不能认定本申 请的具体实施只局限于运些说明。对于本申请所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱 离本申请构思的前提下，还可W做出若干简单推演或替换。
【主权项】
1. 一种DC-DC变换器，其特征在于，包括： 第一端口、第二端口、第三端口、第一开关、第二开关、第三开关、第一电容、第二电容、 第三电容、第一电感、第二电感，以及开关控制器，所述第一开关、所述第二开关及所述第三 开关均为:包括控制端、输入端及输出端的有源开关管； 所述第一端口的正极连接到所述第一开关的输出端，负极分别连接到所述第一电感及 地； 所述第二端口的正极分别连接到所述第二电感及所述第二电容，负极分别连接到所述 第二电容的与所述第二端口的正极相对的一端及地； 所述第三端口的正极分别连接到所述第三电容及所述第二开关的输入端，负极分别连 接到所述第三电容的与所述第三端口的正极相对的一端及地； 所述开关控制器的第一输出端连接到所述第一开关的控制端，第二输出端连接到所述 第二开关的控制端，第三输出端连接到所述第三开关的控制端； 所述第一开关的输入端分别连接到所述第一电容、所述第二开关的输出端及所述第一 电感的与所述第一端口的负极相对的一端； 所述第三开关的输入端接地，输出端分别连接到所述第一电容的与所述第一开关的输 入端相对的一端，及所述第二电感的与所述第二端口的正极相对的一端； 所述开关控制器通过第一输出端向所述第一开关输出的第一驱动信号与所述开关控 制器通过第二输出端向所述第二开关输出的第二驱动信号在忽略死区的情况下互补，所述 开关控制器通过第三输出端向所述第三开关输出的第三驱动信号与所述第二驱动信号相 同。2. 如权利要求1所述的DC-DC变换器，其特征在于，所述第一端口作为DC-DC变换器的输 入端口，所述第二端口及所述第三端口作为DC-DC变换器的输出端口。3. 如权利要求1所述的DC-DC变换器，其特征在于， 所述第一端口的正极还连接到所述开关控制器的第一反馈端； 所述第二端口的正极还连接到所述开关控制器的第二反馈端； 所述第三端口的正极还连接到所述开关控制器的第三反馈端。4. 如权利要求1所述的DC-DC变换器，其特征在于，所述第二电容与所述第三电容规格 相同。5. 如权利要求1所述的DC-DC变换器，其特征在于，所述有源开关管为场效应管或晶体 三极管。6. 如权利要求1所述的DC-DC变换器，其特征在于，所述DC-DC变换器应用于：逆变器、 Class-D音频放大器、超声波医疗图像系统，或，± 15V/±5V辅助供电电源。7. -种DC-DC变换器的控制方法，其特征在于，所述DC-DC变换器的控制方法基于如权 利要求1-6中任一项所述的DC-DC变换器，所述DC-DC变换器的控制方法包括:所述开关控制 器通过第一输出端向所述第一开关输出第一驱动信号，所述开关控制器通过第二输出端向 所述第二开关输出第二驱动信号，所述开关控制器通过第三输出端向所述第三开关输出第 三驱动信号，所述第一驱动信号与所述第二驱动信号在忽略死区的情况下互补，所述第三 驱动信号与所述第二驱动信号相同。
【文档编号】H02M3/155GK105846673SQ201610416131
【公开日】2016年8月10日
【申请日】2016年6月14日
【发明人】周翔, 陈学健, 许建平
【申请人】广东锐顶电力技术有限公司