专利名称：零电压准方波buck变换器的软开关控制方法及其电路的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种零电压准方波BUCK变换器的软开关控制方法及其电路。
背景技术：
金属卤化物(MH)灯在高频条件下工作时容易发生声共振现象，声共振发生时会 引起灯电弧不稳、灯光闪烁，甚至熄灭，严重影响照明效果，甚至会使灯管炸裂及破坏电子 镇流器。目前，解决声共振的方法主要有选频运行、超高频点灯、频率调制法、直流点灯法、 高频方波点灯法、低频方波驱动等等。其中低频方波点灯法是比较切实可行的方法。
低频方波电子镇流器由PFC级、DC/DC级和DC/AC级三级电路组成。PFC级用于 进行功率因数校正，输出恒定电压并保证在宽输入电压范围内灯的正常启动和工作；DC/DC 级采用Buck变换器，用于对MH灯进行能量控制，使其输出电压和电流的特性与灯的负载特 性相匹配；DC/AC级则采用低频全桥逆变器用于产生低频方波，抑制声共振。对于大功率MH 灯，Buck变换器的功率损耗占电子镇流器总体损耗的主要部分，因此减少Buck变换器功率 损耗是提高电子镇流器效率和电路可靠性的关键。采用软开关技术则是减少功率变换器开 关损耗的有效措施。 零电压准方波Buck变换器电感电流从正到负变化，开关管实现零电压通断，开关 损耗小，效率高。虽然输出电感电流纹波较大，但完全可以满足低频方波电子镇流器对高频 纹波的要求(通常高频纹波小于5%即可避免声共振发生)，所以零电压准方波Buck变换 器是可用作低频方波电子镇流器的较有前途的电路拓扑。但是由于零电压准方波Buck变 换器主开关管的软开关条件与输入输出电压、负载范围有关，而金卤灯从启动到稳态灯电 压、灯电流变化范围大，不同的灯工作电压也不同，因此如何使Buck变换器在宽输出电压 和负载电流下实现软开关是急需解决的问题。
发明内容
本发明的目的是提供一种零电压准方波BUCK变换器的软开关控制方法，该方法 通过控制辅助开关管关断时刻的漏源电流和主、辅开关管的死区时间使主开关管能在较宽 的输出电压和负载电流变化范围内实现零电压软开关，辅助管也为零电压通断。
该方法是这样实现的，一种零电压准方波BUCK变换器的软开关控制方法，包括由 主开关管Ql、辅助开关管Q2、电感L0和电容CO组成的零电压准方波Buck变换器，其特征 在于由所述的电感LO的反向电流大小控制辅助开关管Q2的关断时刻，通过所设定的死区 时间使主开关管Q1能在较宽的输出电压和负载电流变化范围内实现零电压软开关，辅助 开关管Q2也为零电压通断，其具体实现包括以下步骤 (1)、提供一比较器Ul，将所采集的电感L0反向电流iM与基准电流Iref进行比 较； (2)、将经比较器U1比较后输出的信号送给一三态RS触发器U7的复位端，以产生 辅助管Q2的关断信号；
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(3)、提供一误差放大器U2，对所述零电压准方波Buck变换器的输出反馈电压kV。 与基准电压Vref进行误差放大后与所述电感L0的正向电流iM通过比较器U3进行比较， 产生主开关管Q1的关断信号。 本发明的另一目的是提供一种零电压准方波BUCK变换器的软开关控制电路，其 能使零电压准方波BUCK变换器在负载电压或电流变化时也能实现软开关控制。
该电路是这样设计的一种零电压准方波BUCK变换器的软开关控制电路，包括由 主开关管Ql 、辅助开关管Q2、电感L0和电容CO组成的零电压准方波Buck变换器，其特征在 于所述的辅助开关管Q2的源极与比较器U1的同相端相连；所述比较器U1的输出端与RS 触发器U7的复位端相连；所述RS触发器U7的输出端经由反相器U6、电阻R5、电容C5和整 形电路U5组成的窄脉冲形成电路后接到RS触发器U8的置位端产生主开关管Q1的开通信 号；所述RS触发器U8的输出端经由反相器Ull、电阻R4、电容C4和整形电路U10组成的窄 脉冲形成电路后接到RS触发器U7的置位端产生辅助开关管Q2的开通信号；RS触发器U7 和RS触发器U8的输出端经驱动器U9后接至主开关管Ql和辅助开关管Q2的栅极；所述的 驱动器U9内可设定死区时间；所述Buck变换器的输出反馈电压kV。送入一误差放大器U2 的反相端，所述的误差放大器U2的输出端与一比较器U3的反相端连接，所述比较器U3的 同相端采集所述电感L0的正向电流iM，所述比较器U3的输出端经由电阻R3、电容C3和整 形电路U4组成的窄脉冲形成电路后接到RS触发器U8的复位端。 由本发明控制的变换器具有软开关范围广、开关损耗小、效率高等优点，特别适用 于输入电压恒定、需要降压的应用场合。
图1是Buck变换器连接本发明控制电路的结构示意图。
图2是零电压准方波Buck变换器主要工作波形图。
图3是本发明控制电路示意图。
图4是本发明控制电路中各关键点的波形示意图。
具体实施例方式
下面结合附图及实施例子对本发明做进一步说明。 如图1和图2所示，主开关管Ql、辅助开关管Q2、电感L0和电容C0组成零电压准 方波Buck变换器，主开关管Ql和辅助开关管Q2互补导通，分别由ugl、ug2互补驱动，ugl和 u-中间设有一定的死区时间以防止主、辅开关管共态导通和实现主开关管和辅助开关管的 零电压软开关。下面结合图1和图2对该死区时间做进一步说明 (1) A t》死区时间^时刻主开关管Q1关断，电感L0通过电阻R0、电容C0与 电容C1、电容C2发生谐振，电容C2电压由Vin逐渐减小，电容Cl电压由零逐渐增加，直到 t2时电容C2两端电压下降到零，辅助开关管Q2体内二极管D2导通，将辅助开关管Q2的漏 源电压箝位在零电压状态，辅助开关管Q2实现零电压导通。 (2) (t4 t6)死区时间^时辅助开关管Q2关断，电感L0与电容C1、电容C2发生 谐振，此时电感LO电流i^。 = 1^in，且方向为负，该电流既对电容Cl反向充电，同时对电容 C2充电。电容C1电压逐渐减小，电容C2电压逐渐增加。直到^时电容C1两端电压下降到零时，主开关管Ql体内二极管Dl导通，将主开关管Ql的漏源电压箝位在零电压状态，主 开关管Q1实现零电压导通。主开关管Q1要实现零电压软开关，Q2关断瞬间电感电流必须为反向，S卩iM = IMmin < O，如图2所示。从辅助开关管Q2关断(t = t4)到主开关管Ql开通(t = t6)这一 段死区时间内输出电感L0与电容Cl、 C2发生谐振有 《o
"C2+A)f = 「0
i & 2 cfr 初始条件在t = t4时，Uc
漏源电压和电感电流分别为
V化，ur
0，
,，则死区时间内主开关管Ql
iO
=、々
■Omin 式中》 =
+ WominZ2 si+(/_/4)-a] cos[(wO _ ") - ar〗 1 1# 。
，Z:
n
，or = tan
流为
2(C1+C2) /￡0minZ
假设Q2关断后经过AI^时间主开关管Q1漏源电压
O，则此时对应的电感电
(丄o
—0min+(*)2coS[wA71—or]
z2
由于谐振电感为输出滤波电感，L。较大，Z—^》^ ，则有
"I,
l，
可认为从
辅助开关管Q2关断到主开关管Ql漏源电压从Vin降到零这一段时间(AT》内电感电流近
似不变，有
A7^ =(CI+C2) 要实现主开关管零电压软开关，必须使A^《td(td为死区时间)。由于Vh为前 级PFC的输出电压，保持不变，若死区时间固定，则A I\仅与IMmin有关。
若输出电流为10，则图2中电感电流最小值为
2" 可见，1^in大小随输入电压、输出电压和负载电流大小变化。因此主开关管软开 关条件与这些因素有关。要在较宽的输出电压和负载电流下实现主开关管零电压软开关， 必须在每个开关周期辅助开关管Q2关断时刻使> |lMmin|。 同样的，从主开关管Ql关断起，辅助开关管Q2漏源电压从Vin下降到零的这一段
5时间内有
<formula>formula see original document page 6</formula> 式中电感电流最大值IMmax为 /iOnrn = + " 由于主开关管Ql关断瞬间电感电流iM处于最大值，且IMmax > IMmin，则AT2 < AT"所以辅助开关管Q2比主开关管Ql更易于实现零电压软开关。 根据上述的特点，本发明提供一种零电压准方波BUCK变换器的软开关控制方法， 包括由主开关管Ql、辅助开关管Q2、电感L0和电容C0组成的零电压准方波Buck变换器，其 特征在于由所述的电感LO的反向电流大小控制辅助开关管Q2的关断时刻，通过所设定的 死区时间使主开关管Q1能在较宽的输出电压和负载电流变化范围内实现零电压软开关， 辅助开关管Q2也为零电压通断，其具体实现包括以下步骤 (1)、提供一比较器Ul，将所采集的电感L0反向电流iM与基准电流Iref进行比 较； (2)、将经比较器U1比较后输出的信号送给一三态RS触发器U7的复位端，以产生 辅助管Q2的关断信号； (3)、提供一误差放大器U2，对所述零电压准方波Buck变换器的输出反馈电压kV。 与基准电压Vref进行误差放大后与所述电感L0的正向电流iM通过比较器U3进行比较， 产生主开关管Q1的关断信号。 具体的说主开关管Q1和辅助开关管Q2的关断时刻由输出电感LO的电流决定， 当主开关管Ql导通期间电感正向电流增加到误差输出信号Verr时，主开关管Ql关断，当 辅助开关管Q2导通期间电感反向电流增加到基准电流Iref时，辅助开关管Q2关断。
如图1和图3所示，本实施例子中所述的电感L0的正向电流是通过采集取样电阻 Rz两端电压获取，电感L0的反向电流则是通过采集与辅助开关管Q2源极串联的取样电阻 Rs两端电压获得。所述Buck变换器的输出反馈电压kV。由输出电压经电阻R1和电阻R2 分压得到，与误差放大器U2的反相端相连，基准电压Vref与误差放大器U2的同相端相连， 误差放大器U2的输出端(输出误差信号Verr)则与比较器U3的反相端相联接，比较器U3 的同相端与取样电阻Rz的一端相连，由取样电阻Rz采集的电感LO的正向电流与误差放大 器U2输出的误差信号Verr进行比较后经由电阻R3、电容C3和整形电路U4组成的窄脉冲 形成电路后送到RS触发器U8的复位端，产生主开关管Ql的关断信号。
比较器U1的同相端与取样电阻Rs的一端相连，由取样电阻Rs采集的电感LO的 反向电流与比较器U1反相端的电流基准信号Iref进行比较，比较器U1的输出端接到RS 触发器U7的复位端，产生辅助开关管的关断信号。 RS触发器U7的输出端经由反相器U6、电阻R5、电容C5和整形电路U5组成的窄脉 冲形成电路后接到RS触发器U8的置位端产生主开关管Q1的开通信号。RS触发器U8的输 出端经由反相器Ull、电阻R4、电容C4和整形电路UIO组成的窄脉冲形成电路后接到RS触 发器U7的置位端产生辅助开关管Q2的开通信号。RS触发器U7和RS触发器U8的输出端 经驱动器U9后接至主开关管Ql和辅助开关管Q2的栅极用于控制主辅开关管通断。所述驱动器U9内可设定死区时间。 所述输出反馈电压kV。与基准电压Vref进行误差放大使输出电压稳定，输出电感 L0的反向电流与电流基准信号Iref比较控制辅助开关管Q2的关断时刻，为主开关管Ql的 软开关创造条件。控制电路中各关键点的波形如图4所示，其中G1、G2分别为主开关管Ql 和辅助开关管Q2的驱动波形，Verr为反馈电压kV。与基准电压Vref经过误差放大器U1放 大后的输出误差信号，U7:R和U7:S分别为RS触发器U7的复位端和置位端，U8:R和U8:S 分别为RS触发器U8的复位端和置位端。 以上所述仅为本发明的较佳实施例，凡依本发明申请专利范围所做的均等变化与 修饰，皆应属本发明的涵盖范围。
权利要求
一种零电压准方波BUCK变换器的软开关控制方法，包括由主开关管(Q1)、辅助开关管(Q2)、电感(L0)和电容(C0)组成的零电压准方波Buck变换器，其特征在于由所述的电感(L0)的反向电流大小控制辅助开关管(Q2)的关断时刻，通过所设定的死区时间使主开关管(Q1)能在较宽的输出电压和负载电流变化范围内实现零电压软开关，辅助开关管(Q2)也为零电压通断，其具体实现包括以下步骤(1)、提供一比较器(U1)，将所采集的电感(L0)反向电流(iL0)与基准电流Iref进行比较；(2)、将经比较器(U1)比较后输出的信号送给一三态RS触发器(U7)的复位端，以产生辅助开关管(Q2)的关断信号；(3)、提供一误差放大器(U2)，对所述零电压准方波Buck变换器的输出反馈电压(kV0)与基准电压(Vref)进行误差放大后与所述电感(L0)的正向电流(iL0)通过比较器(U3)进行比较，产生主开关管(Q1)的关断信号。
2. 根据权利要求1所述的零电压准方波BUCK变换器的软开关控制方法，其特征在于 所述的电感(L0)的反向电流(iM)是通过采集与辅助开关管(Q2)源极串联的取样电阻 (Rs)两端电压得到的。
3. 根据权利要求1所述的零电压准方波BUCK变换器的软开关控制方法，其特征在于 所述步骤(3)比较器(U3)比较后的输出信号经由电阻(R3)、电容(C3)和整形电路(U4)组 成的窄脉冲形成电路后接到RS触发器(U8)的复位端产生主开关管(Ql)的关断信号。
4. 一种零电压准方波BUCK变换器的软开关控制电路，包括由主开关管(Ql)、辅助开 关管(Q2)、电感(L0)和电容(C0)组成的零电压准方波Buck变换器，其特征在于所述的 辅助开关管(Q2)的源极与比较器(Ul)的同相端相连；所述比较器(Ul)的输出端与RS触 发器(U7)的复位端相连；所述RS触发器(U7)的输出端经由反相器(U6)、电阻(R5)、电容 (C5)和整形电路(U5)组成的窄脉冲形成电路后接到RS触发器(U8)的置位端产生主开关 管(Ql)的开通信号；所述RS触发器(U8)的输出端经由反相器(Ull)、电阻(R4)、电容(C4) 和整形电路(U10)组成的窄脉冲形成电路后接到RS触发器(U7)的置位端产生辅助开关管 (Q2)的开通信号；RS触发器(U7)和RS触发器(U8)的输出端经驱动器(U9)后接至主开关 管(Ql)和辅助开关管(Q2)的栅极；所述的驱动器(U9)内可设定死区时间；所述Buck变换 器的输出反馈电压(kV。)送入一误差放大器(U2)的反相端，所述的误差放大器(U2)的输 出端与一比较器(U3)的反相端连接，所述比较器(U3)的同相端采集所述电感(L0)的正向 电流(U，所述比较器(U3)的输出端经由电阻(R3)、电容(C3)和整形电路(U4)组成的窄 脉冲形成电路后接到RS触发器(U8)的复位端。
全文摘要
本发明涉及一种零电压准方波BUCK变换器的软开关控制方法及其电路，其特征在于通过采集辅助开关管Q2的漏源电流检测辅助开关管Q2导通期间输出滤波电感L0的反向电流，由滤波电感L0的反向电流大小控制辅助开关管Q2的关断时刻，通过所设定的死区时间使主开关管Q1能在较宽的输出电压和负载电流变化范围内实现零电压软开关，辅助管也为零电压通断。本发明控制的变换器具有软开关范围广、开关损耗小、效率高等优点，特别适用于输入电压恒定、需要降压的应用场合。
文档编号H05B41/282GK101778520SQ201010044809
公开日2010年7月14日 申请日期2010年1月8日 优先权日2010年1月8日
发明者林国庆 申请人:福州大学