一种基于软开关的非隔离降压拓扑结构的制作方法
【专利摘要】本实用新型涉及一种基于软开关的非隔离降压拓扑结构，所述电源V1的正极分别并接电容C1的一端和MOSFET M1的漏极，电容C1的另一端连接到电源V1的负极，MOSFET M1的源极分别并接MOSFET M2的漏极和主绕组L1的一端，MOSFET M2的源极连接到电源V1的负极，主绕组L1的另一端分别并接电容C2的一端和电阻R1的一端，电容C2的另一端和电阻R1的另一端分别连接到电源V1的负极，MOSFET M3的漏极和MOSFET M的漏极分别连接到从绕组L2的两端，MOSFET M3的源极和MOSFET M4的源极分别连接到电源V1的负极，电源V1的负极接地。本实用新型的基于软开关的非隔离降压拓扑结构，在保持原buck拓扑的基础上通过软开关降低能量消耗、降低电磁干扰，利用增加开关频率实现电源的小型化，提高功率密度。
【专利说明】
一种基于软开关的非隔离降压拓扑结构
技术领域
[0001]本实用新型涉及电子技术领域，具体涉及一种基于软开关的非隔离降压拓扑结构。
【背景技术】
[0002]目前，常用的非隔离降压电源多采用buck拓扑，如图1所示，由输入电源(VI)，输入电容(Cl)，输入开关管(Ml)、同步开关管(M2)、电感(LI)、输出电容(C2)，负载(Rl)组成。电路中，输入开关管(Ml)为MOSFET，由于MOSFET内部结电容的存在，当Ml导通时它的VDS电压为输入电压，导通后结电容被短路，能量消耗在Ml中，引起能量消耗。而且这种能量消耗会随着开关频率的增加而增高。也是由于这个原因的存在，电源的开关频率被限制在200kHZ内。因为开关频率直接影响电感与电容的大小，较低的开关频率使电感电容的设计值增大，从而需要大体积的电感与电容。另外，由于Ml导通瞬间di/dt非常高，这将导致电源的EMI(电磁干扰)非常严重。
【发明内容】
[0003]为了克服现有非隔离降压电源存在的问题，本实用新型提出一种基于软开关的非隔离降压拓扑结构，在保持原buck拓扑的基础上通过软开关降低能量消耗、降低电磁干扰，利用增加开关频率实现电源的小型化，提高功率密度。
[0004]为实现上述目的，本实用新型采用如下技术方案:一种基于软开关的非隔离降压拓扑结构，包括电源VI，电容Cl和C2，负载R1，M0SFET 11、1213、和14，变压器1(1以及变压器Kl的主绕组L1、从绕组L2，所述电源Vl的正极分别并接电容Cl的一端和MOSFET Ml的漏极，电容CI的另一端连接到电源VI的负极，MOSFET Ml的源极分别并接MOSFET M2的漏极和主绕组LI的一端，MOSFET M2的源极连接到电源VI的负极，主绕组LI的另一端分别并接电容C2的一端和电阻Rl的一端，电容C2的另一端和电阻Rl的另一端分别连接到电源Vl的负极，MOSFET M3的漏极和MOSFET M的漏极分别连接到从绕组L2的两端，MOSFET M3的源极和MOSFET M4的源极分别连接到电源Vl的负极，电源Vl的负极接地;在MOSFET Ml、M2、M3、和M4的内部，漏极和源极之间均并接二极管，漏极连接二极管的阳极，源极连接二极管的阴极，MOSFET Ml、M2、M3、和M4的栅极均连接驱动电路。
[0005]所述从绕组L2的电感量远远小于主绕组LI的电感量。
[0006]本实用新型的基于软开关的非隔离降压拓扑结构解决了以下问题:
[0007]I)解决非隔离降压电源中MOSFET(开关管)开关损耗问题；
[0008]2)解决非隔离降压电源中MOSFET(开关管)的电流、电压开启瞬间的应力问题；
[0009]3)解决非隔离降压电源中EMI(电磁干扰)严重的问题；
[0010]4)解决非隔离降压电源因开关频率低导致电路中电感、电容体积庞大的问题；
[0011]5)解决非隔离降压电源转换效率因现有拓扑而无法提升大问题。
[0012]本实用新型的基于软开关的非隔离降压拓扑结构，在保持原buck拓扑的基础上通过软开关降低能量消耗、降低电磁干扰，利用增加开关频率实现电源的小型化，提高功率密度。
【附图说明】
[0013]图1为常用的非隔离降压电源多采用buck拓扑；
[0014]图2为实用新型的基于软开关的非隔离降压拓扑结构图；
[0015]图3为图2起始时刻的分析图；
[0016]图4为图2续流时刻的分析图；
[0017]图5为图2箝位时刻的分析图。
【具体实施方式】
[0018]下面结合具体实施例对本实用新型的内容作进一步介绍:
[0019]—种基于软开关的非隔离降压拓扑结构，包括电源VI，电容Cl和C2，负载Rl，MOSFET Ml、M2、M3、和M4，变压器Kl以及变压器Kl的主绕组L1、从绕组L2，所述电源Vl的正极分别并接电容Cl的一端和MOSFET Ml的漏极，电容Cl的另一端连接到电源Vl的负极，MOSFETMl的源极分别并接MOSFET M2的漏极和主绕组LI的一端，MOSFET M2的源极连接到电源Vl的负极，主绕组LI的另一端分别并接电容C2的一端和电阻Rl的一端，电容C2的另一端和电阻Rl的另一端分别连接到电源Vl的负极，MOSFET M3的漏极和MOSFET M的漏极分别连接到从绕组L2的两端，MOSFET M3的源极和MOSFET M4的源极分别连接到电源VI的负极，电源VI的负极接地;在MOSFET Ml、M2、M3、和M4的内部，漏极和源极之间均并接二极管，漏极连接二极管的阳极，源极连接二极管的阴极，MOSFET M1、M2、M3、和M4的栅极均连接驱动电路。驱动信号由DSC(数字信号控制器)输出。
[0020]其中，所述从绕组L2的电感量远远小于主绕组LI的电感量。
[0021]如图2所示是本实用新型的基于软开关的非隔离降压拓扑结构图。其中，V1:输入电源;Cl:输入电容;MOSFET Ml:开关管;MOSFET M2:续流管;MOSFET M3,MOSFET M4:箝位开关;L1:电感，变压器Kl的主绕组;L2:电感，变压器Kl的从绕组;C2:输出电容;Rl:负载。本实用新型的关键在于在如图1所示的常用的非隔离降压电源多采用buck拓扑上增加MOSFETM3、M0SFET M4和变压器次绕组L2。
[0022]以下为电源处于稳态时的分析:
[0023]参考图3，输入为Vin，输出为Vout，起始时刻:设MOSFET Ml在零电压开启，主绕组LI的端电压为Vin-Vout，则主绕组LI的电流开始以一定斜率上升，电流流过输出电容Cl和负载Rl，由负极Rl返回输入电源，构成回路。这个阶段主绕组LI开始存储能量，此时Vs =Vin0MOSFET M2无电流流过，MOSFET M2的并联二极管反向截止。箝位开关MOSFET M3、MOSFET M4同样关闭，而且因为箝位开关MOSFET M3与MOSFET M4内部并联的二极管互相反向，所以从绕组L2只有感应电压，没有电流流过，即不消耗能量。
[0024]参考图4，续流时刻:在MOSFET Ml关断时，由于Vs = Vin，即MOSFET Ml的Vds为零，所以MOSFET Ml为零电压关断。此时，因主绕组LI电流不能突变，电流经主绕组L1、负载Rl、续流开关MOSFET M2构成回路。在这个回路中，初始时MOSFET M2内部结电容电压为Vs，随着电流流过，MOSFET M2内部结电容经回路开始放电，在MOSFET M2内部结电容放电至MOSFETM2内部二极管正向导通电压时，MOSFET M2内部内部二极管续流。此时打开续流开关MOSFETM2，因为MOSFET M2的Vds电压近似为零，所以MOSFET M2为零电压开启。
[0025]参考图5，箝位时刻:当主绕组LI流向负载的电流由正转向负时，关断MOSFET M2。由于回路电流接近零，且MOSFET M2的Vds为零，即MOSFET M2的损耗为零。在MOSFET M2关断时，主绕组LI电压约等于Vout，同时从绕组L2的感应电压与Vout成正比。主绕组LI电流为负并以一定斜率上降。此时，开启箝位开关MOSFET M3,MOSFET M4，使从绕组L2短路，则从绕组L2的电流激增(由于从绕组L2的感应电压远远小于Vout，所以损耗极小)，由电磁感应定律可知主绕组LI电流升高。(我们通过计算获得能量的大小，并确定箝位时间)在判断电流达到设定值时，关闭箝位开关MOSFET M3 ,MOSFET M4，由di/dt = U/L，当箝位电路中电流回路被切断，则在主绕组LI上会感应出一个较高的电压，此电压给MOSFET M2的寄生电容充电，一直充到Vin-Vd，然后通过MOSFET Ml的寄生二极管给输入反馈电能。此时MOSFET Ml的Vds电压近似为零，为MOSFET Ml零电压导通做好了准备。
[0026]以上三步就是本拓扑的一个开关周期，均实现了零电压开启、零电压关断。
【主权项】
1.一种基于软开关的非隔离降压拓扑结构，其特征在于:包括电源VI，电容Cl和C2，负载Rl ,MOSFET Ml、M2、M3、和M4，变压器Kl以及变压器Kl的主绕组L1、从绕组L2，所述电源Vl的正极分别并接电容Cl的一端和MOSFET Ml的漏极，电容Cl的另一端连接到电源Vl的负极，MOSFET Ml的源极分别并接MOSFET M2的漏极和主绕组LI的一端，MOSFET M2的源极连接到电源Vl的负极，主绕组LI的另一端分别并接电容C2的一端和电阻Rl的一端，电容C2的另一端和电阻Rl的另一端分别连接到电源Vl的负极，MOSFET M3的漏极和MOSFET M的漏极分别连接到从绕组L2的两端，MOSFET M3的源极和MOSFET M4的源极分别连接到电源Vl的负极，电源Vl的负极接地;在MOSFET Ml、M2、M3、和M4的内部，漏极和源极之间均并接二极管，漏极连接二极管的阳极，源极连接二极管的阴极，MOSFET Ml、M2、M3、和M4的栅极均连接驱动电路。2.根据权利要求1所述的基于软开关的非隔离降压拓扑结构，其特征在于:所述从绕组L2的电感量远远小于主绕组LI的电感量。
【文档编号】H02M1/44GK205490157SQ201620239516
【公开日】2016年8月17日
【申请日】2016年3月25日
【发明人】石青
【申请人】北京普泰日盛新能源科技有限公司