一种软开关dc-dc变换电路的制作方法
【专利摘要】本发明公开了一种软开关DC-DC变换电路，包括直流输入端、直流输出端。直流输入端(Uin)的正极性与负载(R)之间串联的有主开关管(S1)和滤波电感(L)；主开关管(S1)与滤波电感(L)的连接点与直流输入端(Uin)的负极性之间连接的有续流二极管(D)、电感(Lr)和二极管(D2)和电容(C3)的串联支路，电阻(R)与电容(C)并联；主开关管(S1)并联的有电容(C1)、二极管(D1)，辅助开关管(S2)与电容C2并联；主开关管(S1)和辅助开关管(S2)都为软开关。主开关管(S1)是ZCS且ZVS开启和ZVS关断，辅助开关管(S2)是ZVS开启和ZVS关断，续流二极管(D)是ZVS开启和ZCS关断；在占空比调节范围内都能实现软开关。
【专利说明】—种软开关DC-DC变换电路
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种DC-DC变换电路，尤其涉及一种降压斩波变换电路。
【背景技术】
[0002]无刷直流电动机具有体积小、效率高等优点，在许多领域已经得到了广泛的应用。在过去的十几年里，无刷直流电机的发展主要集中在控制方法的研究和拓扑结构的设计及优化上，然而，大部分无刷直流电机的变换电路拓扑结构都是利用硬开关技术，这就相应的导致很大的开关损耗和电磁干扰，同时为了使变换电路的体积减小，增加开关频率是唯一的办法，但这也相应的带来损耗增大，而软开关技术可以解决这些问题。虽然设计出各种各样的软开关变换电路，比如零电压开关谐振电路、零电压开关电路、零电流转换电路等，但是针对无刷直流电机的特点，要求电流小，响应快，转矩脉动平稳、谐波成分少，损耗低，负载变化范围大及占空比调节范围宽等要求，各种软开关变换电路都有各自的缺点，并没有在无刷直流电机上得到广泛应用。零电压开关准谐振电路(ZVS-QRC)，电流应力虽然小，但是电压应力大，而且电压应力与负载成正比关系，它只适合应用于输入电压和负载变化范围窄的电路。零电压开关多谐振电路(ZVS-MRC)，虽然电压应力小，负载范围宽，但是导通损耗较大。谐振直流环电路(RDCLI)虽然电压电流应力小,负载范围大,但是它的控制原理复杂，存在电磁转矩脉动和非导通相续流的现象，而且输出电路中含有分频谐波。零电压转换电路(ZVT)，谐振回路不在主回路上，虽然这样可以有效的减少损耗，但是对功率管的选择有一定的限制。零电流转换电路(ZCT)，开关导通和关断损耗都很小，可以实现ZCS，电流电压应力也很小，但是它使用的器件多，控制过程复杂。
【发明内容】
[0003]本发明的技术解决问题是:针对无刷直流电动机的特点和变换电路的不足，提供一种损耗低、效率高、控制简单的软开关DC-DC变换电路。
[0004]本发明解决技术问题所采用的技术方案是:
[0005]本发明软开关DC-DC变换电路，包括直流输入端和直流输出端，其特征在于直流输入端(Uin)的正极性与第一开关管(S1)的集电极、第二开关管(S2)的集电极相连，第一开关管(S1)与第一电容(C1)、第一二极管(D1)并联，第二开关管(S2)与第二电容(C2)并联，电感(LJ的两端与第一开关管(S1)的发射极和第二开关管(S2)的发射极相连，第二二极管(D2)与第三电容(C3)和电感(Lr)串联，第一二极管(D1)的阴极与直流输入端(Uin)的正极性相连，第二二极管(D2)的阳极与第三电容(C3)相连，第三二极管(D)的阴极与第一开关管(S1)的发射极相连，第三二极管(D)的阳极与直流输入端(Uin)的负极性相连，电感(L)的两端与第一开关管(S1)的发射极和负载(R)相连，第四电容(C)与负载(R)并联。
[0006]本发明软开关DC-DC变换电路拓扑结构如图1所示，下面对本发明的工作原理做详细的描述:
[0007]为简化分析过程，先做一下基本假设:
[0008](I)变换电路工作在稳定状态；
[0009](2)所有功率开关、二极管都为理想器件；
[0010](3)电感、电容均为理想储能元件；
[0011](4)输入电压恒定；
[0012](5)输出滤波电感足够大，使得流过滤波电感的电流可以看成恒流I。;
[0013](6)谐振电感远远小于滤波电感；
[0014]在一个开关周期，假设该电路工作在连续工作模式下，本发明可分为7个工作状态，其各个工作状态的等效电路图如图2a — 2g所示。
[0015]工作阶段Utci, tj:在h时刻之前，开关管Sp S2都处于关断状态，其等效电路如图2a所示，电感L通过二极管D续流,此时，isl = O、iS2 = O、iLr = O、Uc2 = Uin0 t = tQ时亥lj，S1导通，由于电感L的存在，开关管S1的电流受到限制，不能立即突变，实现零电流导通，同时，电感L中的电流U线性上升。因为电感L的取值相对较大，其电流k近似恒定，即有^ = Itl,所以主二极管D中的电流随着isl的上升而线性下降，isl与iD可表示为:
[0016]is,U) =YlU-^o)(O
[0017](O = h(2j
L丨
[0018]这一阶段持续时间为:
[0019]T01 =^-(3)
U in
[0020]在这个阶段开关管S1零电流导通，即开关管S1开通损耗为零。
[0021]工作阶段2Iit1, t2]:t = 时刻,= 10, iD(t!) = O,其等效电路如图2b所示，二极管D为零电流关断。此后，电容C2和电感L发生串联谐振，谐振电感L的电流和电容C2端电压表达式如下:
[0022]I, V) =-11)(4)
zP
[0023]uC2 (t) = UinCos ω (t-tj(5)
[0024]其中，
[0025]当Uc2降为零时，Lr上的电流达到最大值&■ = ，此时电容C2上的储能全部
乙P
转移到谐振电感L上，谐振电感L上的电流增量Λ k满足下面方程:
[0026]*C2Ul2 (O = iC2Ul = ^LrAll(6)
[0027]在这个阶段二极管D为零电流关断，所以二极管D关断损耗为零。
[0028]工作阶段3[t2，t3]:当t = t2时,队2降为零,其等效电路如图2c所示,此时辅助开关管S2的导通为ZVS开启。
[0029]在这个阶段开关管S2为零电压开通，所以开关管S2的开通损耗为零。
[0030]工作阶段4[t3，t4]:在t = t3时,关断开关S1,其等效电路如图1d所示。
[0031]此时，由等效电路图可知，电容C1和主开关S1是并联的，并且电容C1两端的电压是缓慢上升的，所以开关S1是ZVS关断。
[0032]在这个阶段开关管S1是ZVS关断，所以开关管S1关断损耗为零。
[0033]工作阶段5 [t4, t5]:在这个阶段，该电路和传统的BUCK电路工作状态相同，电路通过一个开关管S2进行工作，其等效电路如图2e所示。
[0034]工作阶段6[t5，t6]:当t = t5W，关断开关管S2，其等效电路如图1f所示，此时开始向电容C2充电，其端电压缓慢上升，所以开关管S2近似实现了 ZVS关断。当Uci (t) +Uc3⑴=Uin 时,二极管 D2 是 ZVS 开启。在 t = t6 时，Ucl(t6) =Uin, Uc3 (t6) =0，二极管 D2 实现了ZVS关断。
[0035]在这个阶段开关管S2为ZVS关断，所以开关管S2关断损耗为零，同时二极管D2为零电压开通和关断，所以二极管D2的开通和关断损耗也为零。
[0036]工作阶段7[t6，t7]:t = t6时，CpC2X3的两端电压都为零，其等效电路如图2g所示，此时续流二极管D续流，实现了 ZVS开启，这个阶段和传统的BUCK电路工作状况相同。t = &时，开关管S2再次开启，开始进入下一个开关周期循环。
[0037]在这个阶段二极管D为ZVS开启，所以二极管D开通损耗为零。
[0038]本发明的优点是在实现电路功能的同时，所有功率开关管均为软开关，大大的降低了开关管的开通和关断损耗，并且功率开关管的电流、电压应力较小，开关管的导通损耗也得到降低，同时该电路结构简单、控制方便，能在整个占空比调节范围内实现软开关。
【专利附图】
【附图说明】
[0039]图1为本发明软开关DC-DC变换电路的拓扑结构；
[0040]图2a为本发明软开关DC-DC变换电路工作阶段I的等效电路图；
[0041]图2b为本发明软开关DC-DC变换电路工作阶段2的等效电路图；
[0042]图2c为本发明软开关DC-DC变换电路工作阶段3的等效电路图；
[0043]图2d为本发明软开关DC-DC变换电路工作阶段4的等效电路图；
[0044]图2e为本发明软开关DC-DC变换电路工作阶段5的等效电路图；
[0045]图2f为本发明软开关DC-DC变换电路工作阶段6的等效电路图；
[0046]图2g为本发明软开关DC-DC变换电路工作阶段7的等效电路图；
[0047]图3为本发明软开关DC-DC变换电路中主开关管S1及辅助开关管S2的驱动信号波形图；
【具体实施方式】
[0048]本发明软开关DC-DC变换电路较佳的实施方式如图1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，正极线路上串联的有主开关管S1和滤波电感L，辅助开关管S2并联的有电容C2,主开关管S1并联的有二极管D1,主开关管S1与滤波电感L的连接点与直流输入电源Uin的负极性之间连接的有续流二极管D，续流二极管D并联的有滤波电感L与滤波电容C组成的串联支路、谐振电感L和二极管D2和电容C3组成的串联支路。主开关管S1和辅助开关管S2分别为软开关。
[0049]在图1中，L是滤波电感，Lr是谐振电感，且L>>L A1是主开关管，S2是辅助开关管，D是续流二极管，R是无刷直流电机的稳态等效负载。在该拓扑结构中主开关管S1实现了 ZCS (零电流开关)且ZVS (零电压开关)开启和ZVS关断，辅助开关管S2实现了 ZVS开启和ZVS关断，续流二极管D实现了 ZVS开启和ZCS关断。
[0050]如图3所示，分别为主开关管S1和辅助开关管S2的驱动信号波形，从图中可知主开关管S1提前辅助开关管S2开启，为辅助开关管S2的ZVS开启创造条件，当主开关管S1开启时，由于有滤波电感L和谐振电感L的存在，主开关管S1的电流不能立即突变，所以主开关管S1为ZCS开启；当谐振电感L和谐振电容C2发生谐振时，这一时刻辅助开关管S2两端电压为零，此时打开辅助开关管S2为ZVS开启，又由于辅助开关管S2的电流也为零，所以辅助开关管S2也为ZCS开启；当主开关S1关断时，电容C1两端电压缓慢上升，所以主开关S1为ZVS关断；当关断辅助开关S2时，开始向电容C2充电，电容C2两端电压缓慢上升，所以辅助开关S2为ZVS关断。
[0051]总之，本发明拓扑结构中的功率开关管S1、S2都为软开关，所以具有较小的功率损耗，较高的效率。
[0052]下面对本发明软开关的实现条件做详细描述:
[0053](I)要实现该电路从空载到负载整个负载范围内能实现软开关条件，就必须满足不等式:
[0054]4.^—(9)
[0055]Ianiax为输出滤波电感电流最大值。
[0056](2)如果二极管D1不存在导通延时以及开关S1不存在漏电流的话，在模态3的任何时间开启开关S2都为零电压和零电流导通。
[0057](3)开关管S1应该在t5时刻之前关断，如果在t5时刻仍然不关断，则在电感L和电容C3上则出现电路振荡，同时开关管S2的电流快速增加，显著的增加了开关管S1的导通损耗和关断损耗。
[0058]下面对本发明软开关电路参数的设计做详细的描述:
[0059](I)电感L的选择
[0060]要求电路工作在连续工作模式下，高频状况下电感中大部分谐波电流都被滤波电容C吸收，因此，输出滤波电感不能选的太小，否则，会使电感电流脉动急剧增大，流过开关管的最大电流也会增加，使开关管的工作状态恶化。在给定许可的最大电感电流脉动为Aipp，输出滤波电感L需要满足:
[0061](10)
[0062]1 -1J' °('')
PP J ^
[0063]fs为开关频率，D为占空比。
[0064](2)电容C的选择
[0065]输出电容C由下式求出:
_6] C~iu^u:(]-D)(12)
[0067]AUtl为输出纹波分量。
[0068](3)谐振电感Lr的选择
[0069]首先，Lr不应该取得过大，否则会使工作阶段2的时间过长，这样就限制了开关的工作频率，它也不能取得太小，L太小时，ΛΙ&会很大，这样就增加了开关管的导通损耗。
在工程设计中，一般At1 = (tft) = 0.02DS1TS,这样可以根据⑴式计算出Lr的值:
【权利要求】
1.一种软开关DC-DC变换电路，包括直流输入端和直流输出端，其特征在于直流输入端(Uin)的正极性与第一开关管(S1)的集电极、第二开关管(S2)的集电极相连，第一开关管(S1)与第一电容(C1)、第一二极管(D1)并联,第二开关管(S2)与第二电容(C2)并联，电感(LJ的两端与第一开关管(S1)的发射极和第二开关管(S2)的发射极相连，第二二极管(D2)与第三电容(C3)和电感(Lr)串联，第一二极管(D1)的阴极与直流输入端(Uin)的正极性相连，第二二极管(D2)的阳极与第三电容(C3)相连，第三二极管(D)的阴极与第一开关管(S1)的发射极相连，第三二极管(D)的阳极与直流输入端(Uin)的负极性相连，电感(L)的两端与第一开关管(S1)的发射极和负载(R)相连，第四电容(C)与负载(R)并联。第二电容(C2)与谐振电感(LJ组成谐振电路。
2.如权利要求1所述的软开关变换电路，其特征在于:开关器件SpS2S可控性功率器件，D、Dp D2、为快恢复性二极管。
3.如权利要求1所述的软开关变换电路，其特征在于:滤波电感L大于谐振电感LJOO倍以上。
【文档编号】H02M3/155GK104201884SQ201410468763
【公开日】2014年12月10日 申请日期:2014年9月15日 优先权日:2014年9月15日
【发明者】冯佳佳 申请人:北京航天新风机械设备有限责任公司