软开关buck变换器的制作方法

专利名称：软开关buck变换器的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及一种DC/DC变换器，尤其涉及一种软开关BUCK (降压)变换器。
背景技术：
现代影视照明需要人造光源模拟自然光源。金属卤化物灯(Metal halide ，简称MH灯) 是一种新型高效率的高压气体放电灯。MH灯光的频谱十分接近太阳光的频谱，是一种替代 自然光的新型电光源。为影视制作、现场直播提供了方便。与其它类型的高压气体放电灯 一样，MH灯具有负增量阻抗的电气特性，在电网与灯之间，需要插入一个镇流器限制电流 才能使其稳定工作。
目前使用的镇流器有电感镇流器和电子镇流器两种。其中，电子镇流器是以PWM (Pulse Width Modulation,脉宽调制)型开关变换器为基础，输出电压和电流为低频(小 于300Hz)方波。其主要优点是，无声共振现象，最大输出功率等级为18kW，无频闪。因 此，受到广泛的应用。
如图1所示，为现有技术中MH灯用电子镇流器的方框图，包括DC/DC变换器和DC/AC逆 变器。DC/DC变换器的主要功能是使其输出电压和电流的特性与灯的电气特性相匹配，保证 灯的平稳起动和恒功率稳态工作。DC/AC逆变器输出低频方波电压和电流来驱动MH灯。高压 触发器提供高频的触发脉冲使灯内的气体开始放电，形成等离子体。
现有技术中的DC/DC变换器的拓扑结构如图2所示，包括开关T、 二极管D、电感L。
上述现有技术至少存在以下缺点
开关T采用的是硬开关，所以其开关损耗大，二极管D有很大的反向恢复电流，损耗 大、可靠性低、效率低。
发明内容
本实用新型的目的是提供一种损耗低、可靠性高、效率高的软开关BUCK变换器。 本实用新型的目的是通过以下技术方案实现的
本实用新型的软开关BUCK变换器，包括直流输入端、直流输出端，所述直流输入端与 直流输出端之间设有正极线路和负极线路，所述负极线路上串联有主开关管和滤波电感，所述主开关管与滤波电感的连接点与所述正极线路之间连接有续流二极管，所述续流二极 管的阴极与所述正极线路相连，所述主开关管并联有辅助支路，所述辅助支路串联有辅助 开关管、第四二极管、谐振电感，所述第四二极管的阴极与所述辅助开关管相连，所述主 开关管和辅助开关管分别为软开关。
由上述本实用新型提供的技术方案可以看出，本实用新型所述的软开关BUCK变换器， 由于负极线路上串联有主开关管和滤波电感，主开关管与滤波电感的连接点与正极线路之 间连接有续流二极管，主开关管还并联有辅助支路，辅助支路串联有辅助开关管、第四二 极管、谐振电感，主开关管和辅助开关管分别为软开关。损耗低、可靠性高、效率高。


图1为现有技术中MH灯用电子镇流器的方块图2为现有技术中DC/DC变换器的拓扑结构；
图3为本实用新型软开关BUCK变换器的拓扑结构；
图4为本实用新型中主开关管Z1及辅助开关管Z2的驱动信号波形图5a为本实用新型软开关BUCK变换器的工作阶段l的等效电路图5b为本实用新型软开关BUCK变换器的工作阶段2的等效电路图5c为本实用新型软开关BUCK变换器的工作阶段3的等效电路图5d为本实用新型软开关BUCK变换器的工作阶段4的等效电路图5e为本实用新型软开关BUCK变换器的工作阶段5的等效电路图5f为本实用新型软开关BUCK变换器的工作阶段6的等效电路图5g为本实用新型软开关BUCK变换器的工作阶段7的等效电路图6为本实用新型软开关BUCK变换器的各个工作阶段的主要波形图7为本实用新型中At2 (=t2-tO与Lr的关系图8为本实用新型中AL与L的关系图。
具体实施方式
本实用新型的软开关BUCK变换器，较佳的具体实施方式
如图3所示，包括直流输入 端、直流输出端，直流输入端与直流输出端之间设有正极线路和负极线路，负极线路上串 联有主开关管Z,和滤波电感L，主开关管Z,与滤波电感L的连接点与正极线路之间连接有续 流二极管Ds，续流二极管D5的阴极与正极线路相连，主开关管Z,并联有辅助支路，辅助支路 串联有辅助开关管Z2、第四二极管D4、谐振电感L，第四二极管D4的阴极与辅助开关管Z2相 连，主开关管Z,和辅助开关管Z2分别为软开关。
续流二极管D5并联有第二电容C2与第二二极管D2的串联支路，第二二极管D2的阴极与续 流二极管Ds的阴极相连，第二电容C2的一端与第二二极管D2的阳极相连，第二电容C2的另--端与续流二极管D5的阳极相连。
第四二极管D4与辅助开关管Z2的连接点与第二二极管D2与第二电容C2的连接点之间连接
有第三二极管D3，第三二极管D3的阴极与第二二极管D2的阳极相连，第三二极管D:,的阳极与 第四二极管D4的阴极相连。
主开关管Z,还可以并联有第一二极管D"第一二极管D,的阳极与直流输入端的负极相 连。主开关管Z,还可以并联有第一电容d。
滤波电感L可以远大于谐振电感L。
图3是本实用新型软开关BUCK变换器的具体实施例的拓扑图，为了满足MH灯镇流器的 要求，BUCK变换器中没有输出电容，根据需要，也可以增加输出电容，若是加上输出电容 其工作原理不变。图3中，L是滤波电感，Lr是谐振电感，且HlL;≥是主开关管，而L 是辅助开关管；Ds为续流二极管；R1是灯的稳态等效负载。在一个开关周期中，Z,的导通时 间远远大于Z2的导通时间。在该拓扑中，主开关管Zt实现了ZVS (零电压开关)开启和关 断；辅助开关管Z2实现了ZCS (零电流开关)开启、ZVS关断；续流二极管仏实现了ZVS开 启、ZVS且ZCS关断。
如图4所示，分别为主开关管Z,和辅助开关管Z2的驱动信号波形，从图中的驱动信号波 形可知，辅助开关管Z2在主开关管Z1开启之前提前开启，为主开关管Z,创造了ZVS开启的条 件。当主开关管Zi关断时，由于其两端的第一电容Ct的容量较大，第一电容C,两端的电压是
缓慢的上升，因此，主开关管z,实现了zvs关断。从而减低了主开关管z,的开关功率损耗。
因为谐振电感L和辅助开关管Z2串联，使辅助开关管Z2为ZCS开启，并抑制了续流二极管D5的 反向恢复电流，从而续流二极管D5实现了ZCS关断。当辅助开关管Z2关断时，第二电容G和谐 振电感L发生串联谐振，实现了辅助开关管Z2的ZVS关断并为续流二极管D5的ZVS开启创造条 件。因此降低了辅助开关管Z2和续流二极管D5的开关损耗。总之，本实用新型的拓扑中的 所有功率开关全是软开关，所以它有较小的开关损耗。
下面对本实用新型的工作原理做详细的描述 为了简化分析过程，做以下的假设
(1) 所有的开关管和二极管均是理想的开关；
(2) 所有的电容和电感都是理想的线性器件；
(3) 滤波电感L》谐振电感U;
(4) 滤波电感L足够的大，在一个开关周期中，其电流基本保持不变，这样滤波电感L和负载RL可以看成一个电流为1。的恒流源。
为了便于分析，在一个工作周期中，本实用新型可分为7种开关状态，其各个工作阶 段的等效电路图如图5a—图5g所示，相应的主要波形如图6所示。
(1) 阶段l， [t。〈t〈t]:
在t〈t。时刻，主开关管Zt和辅助开关管Z2均处于关断状态，其等效电路如图5g所示，续 流二极管D5导通，且滤波电感L上的电流为I。，第一电容d的端压为输入电压Vin，第二电容 C』勺端压为零。
在t=t。时，辅助开关Z2开启，其等效电路如图5a所示。根据等效电路可知，辅助开关
管Z2和续流二极管D5上的电流表达式分别为
<formula>see original document page 6</formula>
由上式知，在t=t。时刻，辅助开关管Z2和第四二极管D4实现了ZCS开启；在t:t,时刻谐振电感L的电流达到I。，同时续流二极管Ds的电流线性减小为零，有效地抑制续流二极管D; 的反向恢复电流，实现软恢复。
(2) 阶段2， [t,〈t〈t2]:
在t=t1时刻，谐振电感L和第一电容d开始并联谐振，其等效电路如图5b所示。谐振电感L的电流和第一电容d及续流二极管D5的端电压的表达式分别为
<formula>see original document page 6</formula>
式中<formula>see original document page 6</formula>
从(5)式可知，续流二极管D5是ZVS关断。在t=t2时刻，第一电容d上的储能全部转移 到谐振电感L，即第一电容d的端压为零，谐振电感L上的电流达到最大值。谐振电感L上的电流增量ΔIlr满足下面方程
<formula>see original document page 6</formula>
由(6)式可得谐振电感Lr上的电流最大值Ilr max的计算公式为<formula>see original document page 6</formula>
(3) 阶段3, [t2〈t〈t3]:
在t＝t2时刻，第一二极管D1为ZVS开启(其电流为<formula>see original document page 7</formula> )，为主开关管Z1的零 电压开启创造条件。其等效电路如图5c所示。因此，在t2〈t〈t3,期间，主开关管Z1,可以实现 ZVS开启。
(4) 阶段4, [t3<t<t4]:
在t=t3刻，关断辅助开关管Z2，谐振电感Lr和第二电容C2通过第三二极管D:,和第四二 极管D,开始谐振，且第三二极管D3是ZVS开启，其等效电路如图5d所示。根据等效电路，可 得如下的表达式
<formula>see original document page 7</formula>
式中<formula>see original document page 7</formula>
由等效电路可知，第二电容C2和辅助开关管Z2是并联的，且第二电容C2两端的电压是缓 慢上升的，因此辅助开关管Z2是ZVS关断。在t=t4寸刻，存储在谐振电感L上的能量完全地 转移到第二电容C2。第三二极管D3和第四二极管D4实现了ZCS关断。理想情况是谐振电感Lr 上的储能满足方程(10)，即第二电容C2的端压达到电源电压Vin。
(5) 阶段5， [t4〈t<t5]:
在这个阶段中，与现有技术中的DC/DC变换器的工作状态相同，等效电路如图5e所示。
(6) 阶段6， [t5<t〈t6]:
在t=t5刻，主开关管Z,关断。输出电流开始向第一电容C1充电，其端压缓慢上升， 主开关管Z,实现ZVS关断，其等效电路图如图5f所示。当VC1(t)+Vc2(t)-Vin时，第二二极管D2是
ZVS开启。随后，第一电容C1充电，同时第二电容C2放电。在t＝t6时刻，VC1(t)＝Vin且Vc2(t)＝0时，第二二极管D2实现了ZVS关断。
(7) 阶段7， [t6〈t〈t7]:
在t＝t6时刻，第二电容C2的端压为零，续流二极管D5实现了ZVS开启，其等效电路如图 5g所示。在这个阶段，续流二极管D5与现有技术中的DC/DC变换器的工作状况相同。在t＝t7 时刻，辅助开关管Z2再次开启，开始进入下一个开关周期循环。
下面对本实用新型的设计方法和步骤做详细的描述
本实用新型具体实施例的设计的技术指标如下输入电压275VDC，输出电压120VDC，稳态正常的输出电流50A，负载6kW MH灯，其稳态等效电阻为2.4欧姆，开关的工作频率为 20kHz;滤波电感工作在CCM (输入电流连续)条件下。
其主要设计过程如下
第一步，滤波电感L的选择
当负载MH灯进入稳态后，输出电压V。和等效负载IM呆持不变。滤波电感工作在CCM条件 下，主开关管Zl的占空比Dx1-V。/Vin，滤波电感L上的纹波电流ΔIlm，
<formula>see original document page 8</formula> (11) 当滤波电感L工作在临界状态时，ΔIlm=2IG，滤波电感Lm的临界电感Ilm的表达式为
<formula>see original document page 8</formula> (12)
在实际电路中，若要滤波电感L工作在CCM，贝UL就要比临界电感L。。稍大一些。如果滤 波电感上的纹波电流过小，其损耗也会相应地减小，然而电感的体积和成本会增加；如果 滤波电感上的纹波电流过大，其电感的体积和成本都会减小，然而损耗会增加，并且过大 的高频的纹波电流会损伤MH灯。权衡利弊，工程上一般按下式选择滤波电感上的纹波电流
<formula>see original document page 8</formula> (13)
则滤波电感Lm的计算公式为
<formula>see original document page 8</formula>(14)
第二步，谐振电感Lr的选择
如图7、图8所示，分别是Δt2 (-t2-t1)与Lr的关系曲线图和ΔL与Lr的关系曲线图。
从图中可以看出若谐振电感L的值过大，At2的时间会过大，这样就限制了开关的工 作频率。由阶段l分析可知，若是谐振电感L的值过小，谐振电感Lr上的电流上升的速度快，这样不利于有效地抑制续流二极管D5的反向恢复电流。由阶段2分析可知，谐振电感Lr 的值过小，Alu会很大，这样会增加辅助开关管Z2导通损耗。在工程设计中， 一般选 a"=6-o = o'emzl7;。这样可以根据等式(D计算出谐振电感Lr的值
<formula>see original document page 8</formula> (15)
由于在实际的电路中，所有元器件都不是理想的，因此滤波电感Lm上的电流在Z,关断 时是减小的。故在实际计算时用滤波电感L上电流的最小值代替等式(15)中的I。。
8
第三步，第一电容d和第二电容C2的选择
为了使主开关管Z,在ZVS条件下开启，储存在第一电容d上的能量必须在阶段2全部转 移到L，因此第一电容C,的值和谐振电感L的值满足等式(6)，即第一电容C,的值可以通过 下式计算出
<formula>see original document page 9</formula> (16)
其中一般ΔILr≈ΔILm 。
同理，为了使续流二极管D5在ZVS条件下开启，第二电容C2的值和谐振电感L的值满足 等式(10)，所以，可以计算出电容C2的值<formula>see original document page 9</formula> (17)
根据上面的讨论和规则，我们计算出参数如下C,=42nF， G二129. 6nF， L,,,=84. 3uH， Lr=2. 0uH。
仿真和实验结果
用PspicelO. 0对新电路进行了仿真，参数如下C,=42nF, C2=0129. 6nF, Lr=84. 3uH，' Lr=2. 0uH, Vin=275VDC， RL=2. 4Q ， DZ1=0. 43, DZ2TS=1. 2us (Dz2是辅助开关管Z2的占空比，Ts 为开关周期)，频率f^20kHz。从仿真结果中可以得出以下结论(1)主丌关管Z,是ZVS丌 启和ZVS关断；(2)辅助开关管Z2是ZCS开启和ZVS关断；(3)续流二极管D5是ZVS开启和ZCS且 ZVS关断。
制作了一个输出功率为6kW的实验样机，主开关管Zt由4个型号为GT80J101的IGBT (insulated gate bipolar transistor,绝缘栅双极型晶体管)并联组成，辅助开关管Z2 由2个型号为GT80J101的IGBT并联组成，二极管D^ D2、 D3、 D4分别为一个型号为DSEI61-06 的二极管，续流二极管Ds由2个型号为DSEI61-06的二极管并联组成，无功元件按照第4阶段 计算方法得出的参数设计。当实验样机驱动6kW的MH灯时，分别测量了开关管Z,、 L的驱动 信号电压和集电极与发射极之间的电压。证明了实验测量和仿真的结果相同。并用功率分 析仪测量了新电路和整个电子镇流器的效率，实验结果表明本实用新型的电路有很高的 效率(大约96%)，现有技术用硬开关电子镇流器的总效率为85%，而本实用新型的总效率 提高到93%。
本实用新型中所有的功率开关均为软开关，大大的降低了开关损耗，并且没有额外的
电压和电流应力；续流二极管D5的反向恢复电流得到很好的抑制，损耗降低，增强了可靠 性。
以上所述，仅为本实用新型较佳的具体实施方式
，但本实用新型的保护范围并不局限 于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本实用新型揭露的技术范围内，可轻易想到的变 化或替换，都应涵盖在本实用新型的保护范围之内。
权利要求1、一种软开关BUCK变换器，包括直流输入端、直流输出端，所述直流输入端与直流输出端之间设有正极线路和负极线路，其特征在于，所述负极线路上串联有主开关管和滤波电感，所述主开关管与滤波电感的连接点与所述正极线路之间连接有续流二极管，所述续流二极管的阴极与所述正极线路相连，所述主开关管并联有辅助支路，所述辅助支路串联有辅助开关管、第四二极管、谐振电感，所述第四二极管的阴极与所述辅助开关管相连，所述主开关管和辅助开关管分别为软开关。
2、 根据权利要求1所述的软开关BUCK变换器，其特征在于，所述续流二极管并联有第 二电容与第二二极管的串联支路，所述第二二极管的阴极与所述续流二极管的阴极相连， 所述第二电容的一端与所述第二二极管的阳极相连，所述第二电容的另一端与所述续流二 极管的阳极相连。
3、 根据权利要求2所述的软开关BUCK变换器，其特征在于，所述第四二极管与辅助开 关管的连接点与所述第二二极管与第二电容的连接点之间连接有第三二极管，所述第三二 极管的阴极与所述第二二极管的阳极相连，所述第三二极管的阳极与所述第四二极管的阴 极相连。
4、 根据权利要求l、 2或3所述的软开关BUCK变换器，其特征在于，所述主丌关管并联 有第一二极管，所述第一二极管的阳极与所述直流输入端的负极相连。
5、 根据权利要求4所述的软开关BUCK变换器，其特征在于，所述主开关管还并联有第 一电容。
6、 根据权利要求1所述的软开关BUCK变换器，其特征在于，所述滤波电感远大于所述 谐振电感。
专利摘要本实用新型公开了一种软开关BUCK变换器，输入电源与负载之间的负极线路上串联有主开关管和滤波电感，主开关管与滤波电感的连接点与正极线路之间连接有续流二极管，主开关管还并联有辅助支路，辅助支路串联有辅助开关管、第四二极管、谐振电感，主开关管和辅助开关管分别为软开关。主开关管实现了ZVS开启和关断；辅助开关管实现了ZCS开启、ZVS关断；续流二极管D₅实现了ZVS开启、ZVS且ZCS关断。损耗低、可靠性高、效率高。
文档编号H05B41/288GK201181902SQ200820079350
公开日2009年1月14日 申请日期2008年3月12日 优先权日2008年3月12日
发明者刘元超, 张东彦, 张卫平, 张晓强, 赵徐森 申请人:北方工业大学