一种基于电容充放电的软开关电路拓扑的制作方法

本发明涉及电子开关的软开关拓扑与控制逻辑技术领域，具体涉及一种电子开关器件零电压及零电流导通与零电压及零电流关断的技术。

背景技术：

目前，各类开关电源、逆变器及变频器等装置，电子开关器件多数工作在硬开关状态，硬开关是电子开关器件上的电压及电流不为零的状态下导通或断开，软开关是电子开关器件上的电压及电流为零的状态下导通或断开。由于电子线路及电子元器件的寄生电容和寄生电感作用，电子开关器件存在开关过度阶段，导通时电流逐步上升与电压逐步下降，断开时电流逐步下降与电压逐步上升。过度阶段电压与电流的交叠过程，产生严重的能量损耗，导致电子开关器件温度上升和能量效率下降。软开关实现了电子开关器件开关过度阶段电流与电压交叠的能量最小化，有效降低了电子开关器件温升和提高能量效率。

LC谐振或QRC准谐振软开关，开关频率需随负载的变化而变化，应用具有非常大的局限性。增加辅助开关的QRC准谐振软开关，虽然实现了定频率控制，但负载变化或电源变化都会导致软开关失效，而辅助开关却工作在硬开关状态。上述软开关技术存在控制难度大和对谐振器件参数要求高的缺陷，导致应用受到了极大的限制。如何实现软开关不受电源及负载变化的影响？如何实现控制简单及谐振器件参数要求低？如何实现主开关及辅助开关均为软开关？需要更适用的软开关技术，推动软开关技术的应用普及，进一步提高效率，实现更好的经济价值。

技术实现要素：

本发明的首要目的在于提供一种具有器件参数要求低，控制简单、器件应力小，应用频率范围宽，软开关不受电源及负载变化而失效的基于电容充放电的软开关电路拓扑。

为实现上述目的，本发明采用了以下技术方案：一种基于电容充放电的软开关电路拓扑，包括主开关，其一端接辅助变压器的原边的一端，其另一端与辅助开关的一端相连，辅助开关的另一端分别与辅助电容的一端、辅助电源的正极相连，辅助电容的另一端分别与辅助电源的负极、辅助变压器的原边的另一端相连。

还包括主开关续流二极管，主开关续流二极管与主开关并联。

还包括辅助开关续流二极管，辅助开关续流二极管与辅助开关并联。

所述辅助变压器的副边通过整流器给辅助电容充电，系统电源通过限流电感给辅助电容补充充电。

所述主开关续流二极管为主开关内部寄生二极管，或外部并联二极管。

所述辅助开关续流二极管为辅助开关内部寄生二极管，或外部并联二极管；辅助开关也可以不使用续流二极管。

所述限流电感串联在辅助电源回路中，所述限流电感为感抗器件、阻抗器件、容抗器件中的任意一种；或上述几种器件组合构成限流电感。

一种基于电容充放电的软开关电路拓扑，包括主开关，其一端与辅助开关的一端相连，其另一端分别与辅助电容的一端、辅助电源的负极相连，辅助开关的另一端接辅助变压器的原边的一端，辅助变压器原边的另一端分别与辅助电容的另一端、辅助电源的正极相连。

本发明的另一目的在于提供一种基于电容充放电的软开关电路拓扑的控制逻辑时序方法，其特征在于：主开关导通与辅助开关的控制逻辑时序为：辅助开关超前导通→主开关导通→辅助开关滞后断开；主开关断开与辅助开关的控制逻辑时序为：辅助开关超前导通→主开关断开→辅助开关滞后断开。

辅助开关超前导通的时间，等于或大于辅助开关从截止到完全导通需要的时间；主开关导通，辅助开关从导通到断开需要的时间，等于或大于辅助开关超前导通的时间加上主开关从截止到完全导通需要的时间；主开关断开，辅助开关从导通到断开需要的时间，等于或大于辅助开关超前导通的时间加上主开关从导通到完全截止需要的时间；辅助电容完全放电周期等于或小于辅助开关从导通到断开的时间，并等于或大于辅助开关导通到主开关完全导通或主开关完全断开的时间。

辅助电容的放电周期由辅助电源，限流电感，辅助变压器，辅助开关，主开关，电源和负载共同决定。

辅助电容放电时，主开关无正向电流和正向电压，反向近似零电压。当辅助电容放电电流等于主开关工作电流时，可实现主开关同时出现零电压与零电流导通或关断。

辅助变压器为断续脉冲工作模式，辅助开关导通时的电流从零开始线性增加；辅助电容完全放电周期小于辅助开关的导通周期，辅助开关断开时电容已经放电完毕；辅助开关工作在零电流与零电压的开关模式。

辅助电容放电的能量，通过辅助变压器给电源端充电，或给负载端充电，或给其他负载充电。

辅助电源与辅助电容回路串联了限流电感，限流电感用于控制辅助开关导通旁路主开关的电流，以及控制辅助电源的电流。

主开关与辅助开关可使用MOSFET，IGBT,GTR,SIT,SITH,SCR,IPM,PIC等电子开关器件或模块。

主开关与辅助开关可以封装成一个模块。

主开关与辅助开关的信号发生及驱动可以封装成集成电路。

由上述技术方案可知，本发明与现有的软开关技术相比，有效解决了开关器件应力大，软开关容易受到负载及电源变化而失效，控制复杂及谐振器件参数选择较难的问题。本发明具有器件参数要求低，控制简单、器件应力小，应用频率范围宽，软开关不受电源及负载的变化而失效等特点。本发明应用于各类具有电子开关器件的装置及电源变换器装置，可有效提高电源效率及经济性更佳。

附图说明

图1为基于电容充放电的软开关电路拓扑图；

图2为基于电容充放电的软开关电路拓扑图；

图3为无外部辅助电源及基于电容充放电的软开关电路拓扑图；

图4为无外部辅助电源及基于电容充放电的软开关电路拓扑图；

图5为隔离式辅助变压器及基于电容充放电的软开关电路拓扑图；

图6为自耦式辅助变压器及基于电容充放电的软开关电路拓扑图；

图7为基于电容充放电的软开关BUCK变换器主电路；

图8为基于电容充放电的软开关BUCK-BOOST变换器主电路；

图9为基于电容充放电的软开关单相全桥变换器主电路；

在图1至图9中，1为主开关，2为辅助开关，3为辅助电容，4为辅助变压器，5为限流电感，6为辅助电源，7为辅助变压器副边，8为辅助变压器副边整流器，9为主开关续流二极管，10为系统电源，11为电源输入端电容，12为电源输出端电容，13为储能电感，14为电源输入端正极，15为电源输入端负极，16为电源输出端正极，17为电源输出端负极，18为储能电感续流二极管，19为储能电感整流器，20为输出变压器。

具体实施方式

为了对本发明的结构特征及所达成的功效有更进一步的了解与认识，用以较佳的实施例及附图配合详细的说明，说明如下：

本发明提供6种基本的拓扑图供参考和说明，在此基础上，可以演变出更多的拓扑图，但基本原理都是相同的。同时，本发明提供了3种基本应用案例供参考说明，在此基础上，可以推演出更多的应用方法，但基本原理同样都是相似的。

1、基于电容充放电的软开关电路拓扑图：包括主开关1、主开关续流二极管9、辅助开关2、辅助电容3、辅助变压器4、辅助电源6。所述辅助开关2与辅助电容3串联，辅助电容3与辅助变压器原边串联，主开关1与串联的辅助开关2和辅助变压器原边并联；辅助电源6正极连接辅助电容3和辅助开关2，辅助电源6负极连接辅助电容3和辅助变压器原边；主开关续流二极管9与主开关1并联。

主开关续流二极管9可以用主开关1内部寄生的二极管替代。

辅助电容3放电的能量，通过辅助变压器副边7给电源端充电，或给负载端充电，或给其他负载充电。

辅助电源6给辅助电容3充电。辅助开关2导通，辅助电容3放电的电流回路为：辅助电容正极→辅助开关2→主开关1及与其并联的主开关续流二极管9→辅助变压器原边→辅助电容负极。

主开关1导通与辅助开关2的信号控制逻辑时序:辅助开关2超前导通→主开关1导通→辅助开关2滞后断开。主开关1断开与辅助开关2的信号控制逻辑时序:辅助开关2超前导通→主开关1断开→辅助开关2滞后断开。

2、基于电容充放电的软开关电路拓扑图：包括主开关1、主开关续流二极管9、辅助开关2、辅助电容3、辅助变压器4、辅助电源6。所述辅助开关2与辅助变压器原边串联，辅助变压器原边与辅助电容3串联，主开关1与串联的辅助开关2和辅助电容3并联；辅助电源6正极连接辅助电容3和辅助变压器原边，辅助电源6负极连接辅助电容3和主开关1；主开关续流二极管9与主开关1并联。

主开关续流二极管9可以用主开关1内部寄生的二极管替代。

辅助电容3放电的能量，通过辅助变压器副边7给电源端充电，或给负载端充电，或给其他负载充电。

辅助电源6给辅助电容3充电。辅助开关2导通，辅助电容3放电的电流回路为：辅助电容正极→辅助变压器原边→辅助开关2→主开关1及与其并联的主开关续流二极管9→辅助电容负极。

主开关1导通与辅助开关2的信号控制逻辑时序:辅助开关2超前导通→主开关1导通→辅助开关2滞后断开。主开关1断开与辅助开关2的信号控制逻辑时序:辅助开关2超前导通→主开关1断开→辅助开关2滞后断开。

3、无外部辅助电源6及基于电容充放电的软开关电路拓扑图：包括主开关1、主开关续流二极管9、辅助开关2、辅助电容3、辅助变压器4、辅助变压器副边整流器8。所述辅助开关2与辅助电容3串联，辅助电容3与辅助变压器原边串联，主开关1与串联的辅助开关2和辅助变压器原边并联；辅助变压器副边7通过辅助变压器副边整流器8与辅助电容3连接；主开关续流二极管9与主开关1并联。

主开关续流二极管9可以用主开关1内部寄生的二极管替代。

辅助电容3放电的能量，通过辅助变压器副边7反馈回来给辅助电容3充电；辅助变压器4工作在反激模式；系统电源10通过限流电感5给辅助电容3补充损耗的能量。

辅助电源6给辅助电容3充电。辅助开关2导通，辅助电容3放电的电流回路为：辅助电容正极→辅助开关2→主开关1及与其并联的主开关续流二极管9→辅助变压器原边→辅助电容负极。

主开关1导通与辅助开关2的信号控制逻辑时序:辅助开关2超前导通→主开关1导通→辅助开关2滞后断开。主开关1断开与辅助开关2的信号控制逻辑时序:辅助开关2超前导通→主开关1断开→辅助开关2滞后断开。

4、无外部辅助电源6及基于电容充放电的软开关电路拓扑图：包括主开关1、主开关续流二极管9、辅助开关2、辅助电容3、辅助变压器4、辅助变压器副边整流器8。所述辅助开关2与辅助变压器原边串联，辅助变压器原边与辅助电容3串联，主开关1与串联的辅助开关2和辅助电容3并联；辅助变压器副边7通过辅助变压器副边整流器8与辅助电容3连接；主开关续流二极管9与主开关1并联。

主开关续流二极管9可以用主开关1内部寄生的二极管替代。

辅助电容3放电的能量，通过辅助变压器副边7反馈回来给辅助电容3充电；辅助变压器4工作在反激模式；系统电源10通过限流电感5给辅助电容3补充损耗的能量。

辅助电源6给辅助电容3充电。辅助开关2导通，辅助电容3放电的电流回路为：辅助电容正极→辅助变压器原边→辅助开关2→主开关1及与其并联的主开关续流二极管9→辅助电容负极。

主开关1导通与辅助开关2的信号控制逻辑时序:辅助开关2超前导通→主开关1导通→辅助开关2滞后断开。主开关1断开与辅助开关2的信号控制逻辑时序:辅助开关2超前导通→主开关1断开→辅助开关2滞后断开。

5、隔离式辅助变压器4及基于电容充放电的软开关电路拓扑图: 包括主开关1、主开关续流二极管9、辅助开关2、辅助电容3、辅助变压器4、辅助电源6、限流电感5。所述辅助开关2与辅助电容3串联，辅助电容3与辅助变压器原边串联，主开关1与串联的辅助开关2和辅助变压器原边并联；辅助电源6正极通过限流电感5连接辅助电容3和辅助开关2，辅助电源6负极连接辅助电容3和辅助变压器原边；主开关续流二极管9与主开关1并联。

主开关续流二极管9可以用主开关1内部寄生的二极管替代。

辅助电容3放电的能量，通过辅助变压器副边7给电源端充电，或给负载端充电，或给其他负载充电。

辅助电源6给辅助电容3充电。辅助开关2导通，辅助电容3放电的电流回路为：辅助电容正极→辅助开关2→主开关1及与其并联的主开关续流二极管9→辅助变压器原边→辅助电容负极。

主开关1导通与辅助开关2的信号控制逻辑时序:辅助开关2超前导通→主开关1导通→辅助开关2滞后断开。主开关1断开与辅助开关2的信号控制逻辑时序:辅助开关2超前导通→主开关1断开→辅助开关2滞后断开。

6、隔离式辅助变压器4及基于电容充放电的软开关电路拓扑图: 包括主开关1、主开关续流二极管9、辅助开关2、辅助电容3、辅助变压器4、辅助电源6、限流电感5。所述辅助开关2与辅助电容3串联，辅助电容3与辅助变压器4串联，主开关1与串联的辅助开关2和辅助变压器4并联；辅助电源6正极通过限流电感5连接辅助电容3和辅助开关2，辅助电源6负极连接辅助电容3和辅助变压器4；主开关续流二极管9与主开关1并联。

主开关续流二极管9可以用主开关1内部寄生的二极管替代。

辅助电容3放电的能量，通过自耦式辅助变压器4给电源端充电，或给负载端充电，或给其他负载充电。

辅助电源6给辅助电容3充电。辅助开关2导通，辅助电容3放电的电流回路为：辅助电容正极→辅助开关2→主开关1及与其并联的主开关续流二极管9→辅助变压器4→辅助电容负极。

主开关1导通与辅助开关2的信号控制逻辑时序:辅助开关2超前导通→主开关1导通→辅助开关2滞后断开。主开关1断开与辅助开关2的信号控制逻辑时序:辅助开关2超前导通→主开关1断开→辅助开关2滞后断开。

7、基于电容充放电的软开关BUCK变换器主电路: 包括主开关1、主开关续流二极管9、辅助开关2、辅助电容3、辅助变压器4、辅助变压器副边整流器8、电源输入端电容11、电源输出端电容12、电源输入端正极14、电源输入端负极15、电源输出端正极16、电源输出端负极17、储能电感13、储能电感续流二极管18。所述主开关1发射极与辅助开关2发射极和电源输入端负极15连接，主开关1集电极与储能电感13和储能电感续流二极管18阳极及辅助变压器原边连接；辅助开关2集电极与辅助电容3和限流电感5及辅助变压器副边整流器8连接，辅助电容3与辅助变压器原边及辅助变压器副边7连接；辅助变压器副边7通过辅助变压器副边整流器8与辅助电容3连接；储能电感续流二极管18的阴极与电源输入端正极14和电源输出端正极16连接；主开关续流二极管9与主开关1并联。

辅助电容3放电的能量，通过辅助变压器副边7反馈回来给辅助电容3充电；辅助变压器4工作在反激模式；电源输入端正极14通过限流电感5给辅助电容3补充损耗的能量。

辅助电源6给辅助电容3充电。辅助开关2导通，辅助电容3放电的电流回路为：辅助电容正极→辅助开关2→主开关1及与其并联的主开关续流二极管9→辅助变压器原边→辅助电容负极。

主开关1导通与辅助开关2的信号控制逻辑时序:辅助开关2超前导通→主开关1导通→辅助开关2滞后断开。主开关1断开与辅助开关2的信号控制逻辑时序:辅助开关2超前导通→主开关1断开→辅助开关2滞后断开。

辅助开关2超前导通的时间，等于或大于辅助开关2从截止到完全导通需要的时间。主开关1导通，辅助开关2从导通到断开需要的时间，等于或大于辅助开关2超前导通的时间加上主开关1从截止到完全导通需要的时间。主开关1断开，辅助开关2从导通到断开需要的时间，等于或大于辅助开关2超前导通的时间加上主开关1从导通到完全截止需要的时间。

辅助电容3完全放电周期等于或小于辅助开关2从导通到断开的时间，并等于或大于辅助开关2导通到主开关1完全导通或主开关1完全断开的时间。辅助电容3的放电周期由辅助电源6，限流电感5，辅助变压器4，辅助开关2，主开关1，电源和负载共同决定。

辅助电容3放电时，主开关1无正向电流和正向电压，反向近似零电压。当辅助电容3放电电流等于主开关1工作电流时，可实现主开关1同时出现零电压与零电流导通或关断。

调整辅助变压器4及限流电感5与负载及电源的电抗对应关系，可实现辅助电容3的放电电流等于主开关1的工作电流。

辅助变压器4为断续脉冲工作模式，辅助开关2导通时的电流从零开始线性增加；辅助电容3完全放电周期小于辅助开关2的导通周期，辅助开关2断开时电容已经放电完毕；辅助开关2工作在零电流与零电压的开关模式。

主开关续流二极管9可以用主开关1内部寄生的二极管替代。

8、基于电容充放电的软开关BUCK-BOOST变换器主电路: 包括主开关1、主开关续流二极管9、辅助开关2、辅助电容3、辅助变压器4、辅助变压器副边整流器8、电源输入端电容11、电源输出端电容12、电源输入端正极14、电源输入端负极15、电源输出端正极16、电源输出端负极17、储能电感13、储能电感续流二极管18、储能电感整流器19。所述主开关1发射极与辅助开关2发射极和电源输入端负极15连接，主开关1集电极与储能电感13和储能电感续流二极管18阳极及辅助变压器原边连接；辅助开关2集电极与辅助电容3和限流电感5连接，辅助电容3与辅助变压器原边及储能电感整流器19阳极连接；辅助变压器副边7通过辅助变压器副边整流器8与电源输出端电容12连接；储能电感续流二极管18的阴极与电源输出端正极16和电源输出端电容12连接；主开关续流二极管9与主开关1并联。

辅助电容3放电的能量，通过辅助变压器副边7给电源输出端电容12充电。储能电感整流器19与储能电感13辅助绕组连接，储能电感整流器19阴极通过限流电感5给辅助电容3充电。

辅助电源6给辅助电容3充电。辅助开关2导通，辅助电容3放电的电流回路为：辅助电容正极→辅助开关2→主开关1及与其并联的主开关续流二极管9→辅助变压器原边→辅助电容负极。

主开关1导通与辅助开关2的信号控制逻辑时序:辅助开关2超前导通→主开关1导通→辅助开关2滞后断开。主开关1断开与辅助开关2的信号控制逻辑时序:辅助开关2超前导通→主开关1断开→辅助开关2滞后断开。

辅助开关2超前导通的时间，等于或大于辅助开关2从截止到完全导通需要的时间。主开关1导通，辅助开关2从导通到断开需要的时间，等于或大于辅助开关2超前导通的时间加上主开关1从截止到完全导通需要的时间。主开关1断开，辅助开关2从导通到断开需要的时间，等于或大于辅助开关2超前导通的时间加上主开关1从导通到完全截止需要的时间。

辅助电容3完全放电周期等于或小于辅助开关2从导通到断开的时间，并等于或大于辅助开关2导通到主开关1完全导通或主开关1完全断开的时间。辅助电容3的放电周期由辅助电源6，限流电感5，辅助变压器4，辅助开关2，主开关1，电源和负载共同决定。

辅助电容3放电时，主开关1无正向电流和正向电压，反向近似零电压。当辅助电容3放电电流等于主开关1工作电流时，可实现主开关1同时出现零电压与零电流导通或关断。

调整辅助变压器4及限流电感5与负载及电源的电抗对应关系，可实现辅助电容3的放电电流等于主开关1的工作电流。

辅助变压器4为断续脉冲工作模式，辅助开关2导通时的电流从零开始线性增加；辅助电容3完全放电周期小于辅助开关2的导通周期，辅助开关2断开时电容已经放电完毕；辅助开关2工作在零电流与零电压的开关模式。

主开关续流二极管9可以用主开关1内部寄生的二极管替代。

9、基于电容充放电的软开关单相全桥变换器主电路：四个主开关1串联成两串，两组串联主开关1的2个集电极与电源输入端正极14连接，两组串联主开关1的2个发射极与电源输入端负极15连接；两串主开关1的集电极和发射极分别与输出变压器20原边连接。

4个主开关1发射极分别与4个辅助开关2发射极连接；4个辅助开关2集电极分别与4个辅助电容3连接；4个辅助电容3分别与4个辅助变压器原边连接；4个辅助变压器原边分别与4个主开关1集电极连接；4个主开关续流二极管9分别与4个主开关1并联。

每个软开关电路工作原理分别如下：

辅助电容3放电的能量，通过辅助变压器副边7给电源端充电，或给负载端充电，或给其他负载充电。

辅助电源6给辅助电容3充电。辅助开关2导通，辅助电容3放电的电流回路为：辅助电容正极→辅助开关2→主开关1及与其并联的主开关续流二极管9→辅助变压器原边→辅助电容负极。

主开关1导通与辅助开关2的信号控制逻辑时序:辅助开关2超前导通→主开关1导通→辅助开关2滞后断开。主开关1断开与辅助开关2的信号控制逻辑时序:辅助开关2超前导通→主开关1断开→辅助开关2滞后断开。

辅助开关2超前导通的时间，等于或大于辅助开关2从截止到完全导通需要的时间。主开关1导通，辅助开关2从导通到断开需要的时间，等于或大于辅助开关2超前导通的时间加上主开关1从截止到完全导通需要的时间。主开关1断开，辅助开关2从导通到断开需要的时间，等于或大于辅助开关2超前导通的时间加上主开关1从导通到完全截止需要的时间。

辅助电容3完全放电周期等于或小于辅助开关2从导通到断开的时间，并等于或大于辅助开关2导通到主开关1完全导通或主开关1完全断开的时间。辅助电容3的放电周期由辅助电源6，辅助变压器4，辅助开关2，主开关1，电源和负载共同决定。

辅助电容3放电时，主开关1无正向电流和正向电压，反向近似零电压。当辅助电容3放电电流等于主开关1工作电流时，可实现主开关1同时出现零电压与零电流导通或关断。

调整辅助变压器4及辅助电源6与负载及电源的对应关系，可实现辅助电容3的放电电流等于主开关1的工作电流。

辅助变压器4为断续脉冲工作模式，辅助开关2导通时的电流从零开始线性增加；辅助电容3完全放电周期小于辅助开关2的导通周期，辅助开关2断开时电容已经放电完毕；辅助开关2工作在零电流与零电压的开关模式。

主开关续流二极管9可以用主开关1内部寄生的二极管替代。

输出变压器20的副边向负载输出能量。

以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明的范围内。本发明要求的保护范围由所附的权利要求书及其等同物界定。