直流-直流变换器的制作方法

本发明涉及电压变换器领域，特别涉及一种直流-直流变换器。

背景技术：

为了减小DC-DC(直流-直流)变换器的体积和重量，必须实现高频化，但是提高开关频率随之带来的是开关损耗的增加。

硬开关是指开关管在开通或者关断时，器件上的电压(或电流)不等于零，即强迫器件在此时关断，因此在开关过程中电压、电流均不为零，出现了重叠，有非常显著的开关损耗；同时，因为开关频率过高，电压与电流的变化速率也很快，会出现明显的过冲现象，从而产生开关噪声。

技术实现要素：

鉴于以上技术问题，本发明提供了一种直流-直流变换器，采用软开关技术，降低了硬开关技术所产生的开关损耗及电磁干扰。

根据本发明的一个方面，提供一种直流-直流变换器，包括主开关、辅助开关、整流电路和第一谐振电路，其中：

辅助开关与主开关连接；

整流电路与辅助开关连接；

第一谐振电路分别与主开关、辅助开关和整流电路连接，第一谐振电路，用于控制主开关零电压开通。

在本发明的一些实施例中，所述第一谐振电路包括第一谐振电容和第一谐振电感，其中：

主开关的第一端口与直流电源输入端连接，主开关的第二端口与辅助开关的第二端口连接，辅助开关的第一端口与整流电路连接；

第一谐振电容的第一端口与主开关的第一端口连接，第一谐振电容的第二端口与主开关的第二端口连接；

第一谐振电感的第一端口与辅助开关的第二端口连接，第一谐振电感的第二端口与整流电路连接。

在本发明的一些实施例中，所述第一谐振电路还包括第一二极管和第二二极管中的至少一个，其中：

第一二极管的正极与主开关的第二端口连接，第一二极管的负极与主开关的第一端口连接；

第二二极管的正极与第一谐振电感的第二端口连接，第二二极管的负极与辅助开关的第一端口连接。

在本发明的一些实施例中，所述整流电路包括同步整流管，其中：

同步整流管的第一端口与辅助开关连接，同步整流管的第二端口接地。

在本发明的一些实施例中，所述直流-直流变换器还包括第二谐振电容和第二谐振电感，其中：

第二谐振电容的第一端口与电压输出端连接，第二谐振电容的第二端口接地；

第二谐振电感的第一端口与同步整流管的第一端口连接，第二谐振电感的第二端口与电压输出端连接。

在本发明的一些实施例中，所述直流-直流变换器还包括第一驱动电路、第二驱动电路和第三驱动电路中的至少一项，其中：

第一驱动电路与主开关连接，用于驱动主开关的导通和关断；

第二驱动电路与辅助开关连接，用于驱动辅助开关的导通和关断；

第三驱动电路与同步整流管连接，用于驱动同步整流管的导通和关断。

在本发明的一些实施例中，所述直流-直流变换器还包括控制电路，其中：

控制电路分别与第一驱动电路、第二驱动电路和第三驱动电路连接，用于向第一驱动电路、第二驱动电路和第三驱动电路发送控制信号，以控制主开关、辅助开关和同步整流管的导通与关断。

在本发明的一些实施例中，所述直流-直流变换器还包括变压器和第一检测电压调理电路，其中：

变压器包括初级绕组和次级绕组，其中，变压器的初级绕组为所述第二谐振电感；

变压器次级绕组的第一端口与第一检测电压调理电路连接，变压器次级绕组的第二端口接地；

第一检测电压调理电路与控制电路连接；

第一检测电压调理电路，用于对检测电压进行相应整形处理，以便控制电路直接接收相应信号。

在本发明的一些实施例中，所述直流-直流变换器还包括分压电路和第二检测电压调理电路，其中：

分压电路包括第一分压电阻和第二分压电阻；

第一分压电阻的第一端口与电压输出端连接，第一分压电阻的第一端口与第二分压电阻的第一端口连接，第二分压电阻的第二端口接地；

第一检测电压调理电路与第二分压电阻的第一端口连接；

第二检测电压调理电路，用于对检测电压进行相应整形处理，以便控制电路直接接收相应信号。

在本发明的一些实施例中，所述直流-直流变换器还包括滤波电路，其中：

滤波电路的一端与直流电源输入端连接，滤波电路的另一端接地。

在本发明的一些实施例中，所述直流-直流变换器为buck变换器、boost变换器、buck-boost变换器、非隔离型变换器和隔离型变换器中的任一变换器。

在本发明的一些实施例中，所述直流-直流变换器为正激变换器、回扫变换器、半桥变换器、推挽变换器和全桥变换器中的任一变换器。

在本发明的一些实施例中，所述主开关为场效应管、IGBT、三极管中的任一器件。

在本发明的一些实施例中，所述辅助开关为场效应管、IGBT、三极管中的任一器件。

在本发明的一些实施例中，所述同步整流管为场效应管、IGBT、三极管中的任一器件。

本发明采用软开关技术，减小了因使用硬开关技术带来的损耗问题、容性开通问题、感性关断问题，同时还能解决由硬件开关过程引起的电磁干扰问题。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明直流-直流变换器一些实施例的示意图。

图2为本发明直流-直流变换器另一些实施例的示意图。

图3为本发明一些实施例中直流-直流变换器的工作波形示意图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。以下对至少一个示例性实施例的描述实际上仅仅是说明性的，决不作为对本发明及其应用或使用的任何限制。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

除非另外具体说明，否则在这些实施例中阐述的部件和步骤的相对布置、数字表达式和数值不限制本发明的范围。

同时，应当明白，为了便于描述，附图中所示出的各个部分的尺寸并不是按照实际的比例关系绘制的。

对于相关领域普通技术人员已知的技术、方法和设备可能不作详细讨论，但在适当情况下，所述技术、方法和设备应当被视为授权说明书的一部分。

在这里示出和讨论的所有示例中，任何具体值应被解释为仅仅是示例性的，而不是作为限制。因此，示例性实施例的其它示例可以具有不同的值。

应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步讨论。

图1为本发明直流-直流变换器一些实施例的示意图。如图1所示，所述直流-直流变换器可以包括主开关T1、辅助开关T2、整流电路1和第一谐振电路，其中：

辅助开关T2与主开关T1连接。

整流电路1与辅助开关T2连接。

第一谐振电路分别与主开关T1、辅助开关T2和整流电路1连接，第一谐振电路，用于控制主开关T1的零电压开通。

辅助开关T2，用于调节输出电压及控制谐振是否发生，辅助开关T2仅在需要开关状态转变时才启动谐振电路，造成主开关T1零电压开关的条件。

基于本发明上述实施例提供的直流-直流变换器，采用了软开关技术，解决了因使用硬开关技术带来的损耗问题、容性开通问题、感性关断问题，同时还能解决由硬件开关过程引起的电磁干扰问题。

本发明上述实施例在准谐振型变换电路的基础上加入一个辅助的开关管控制谐振元件的谐振过程，仅在需要开关状态转变的时候才启动谐振电路，造成开关管的零电压开通或零电流关断条件。

在本发明的一些实施例中，如图1所示，所述第一谐振电路可以包括第一谐振电容Cr和第一谐振电感Lr，其中：

主开关T1的第一端口与直流电源输入端连接，主开关T1的第二端口与辅助开关T2的第二端口连接，辅助开关T2的第一端口与整流电路1连接。

第一谐振电容Cr的第一端口与主开关T1的第一端口连接，第一谐振电容Cr的第二端口与主开关T1的第二端口连接；

第一谐振电感Lr的第一端口与辅助开关T2的第二端口连接，第一谐振电感Lr的第二端口与整流电路1连接。

软开关电路实际上是利用电感和电容来对开关的轨迹进行整形，它应用谐振的原理，使开关元件的电压(或电流)按正弦的规律变化，当电压为零时元件开通(当电流自然过零时关断元件)，从而减小开关损耗。软开关不仅可以解决电路中硬开关的损耗问题、容性开通问题、感性关断问题及二极管反向恢复问题，同时还能解决由硬件开关过程引起的电磁干扰问题。

申请人发现：整流电路通常利用整流二极管的单向导电性进行整流，整流电路是一种被动器件。只要有足够的正向电压整流二极管就开通，而不需要另外的控制电路，但整流二极管导通压降较高，SRD(超快恢复二极管)或FRD(快恢复二极管)可达1V至1.2V，即使采用SBD(低压降的肖特基二极管)也会产生大约0.6V的压降，该压降做的是无用功，在低压大电流的工况下整流二极管损耗相当严重，这就会导致电源效率降低，损耗产生的热能导致整流管、开关电源及系统整体的温度均会上升，从而会导致系统运行不稳，使用寿命降低等问题。

基于此，申请人进一步图1实施例的整流电路1选择为同步整流管，具体如图2实施例所示。

图2为本发明直流-直流变换器另一些实施例的示意图。与图1实施例相比，图2实施例中，所述整流电路1可以为同步整流管T3，其中：

同步整流管T3的第一端口与辅助开关T2连接，同步整流管T3的第二端口接地。

本发明上述实施例减小了因使用传统整流电路带来的损耗及温升问题，提高了变换器的转换效率。

本发明上述实施例在准谐振型变换电路的基础上加入一个辅助开关，以控制谐振元件的谐振过程，仅在需要开关状态转变的时候才启动谐振电路，造成开关管的零电压开通或零电流关断条件，同时采用同步整流技术，可减小直流-直流变换器开关损耗，提高效率。

本发明上述实施例主要是用于控制主功率管的零电压开通的，同时还可以使辅助开关管零电压关断，同时同步整流管T3可以通过数控也实现软开关。

在本发明的一些实施例中，图1和图2实施例的直流-直流变换器可以为buck变换器(降压式变换器)、boost变换器(升压式变换器)、buck-boost变换器(升降压式变换器)、非隔离型变换器和隔离型变换器等变换器中的任一变换器。

在本发明的一些实施例中，图1和图2实施例的直流-直流变换器可以为正激变换器、回扫变换器、半桥变换器、推挽变换器和全桥变换器等变换器中的任一变换器。

在本发明的一些实施例中，所述主开关T1可以为FET(Field Effect Transistor，场效应晶体管，即场效应管)、IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor，绝缘栅双极型晶体管)、BJT(Bipolar Junction Transistor，双极型晶体管，即三极管)等晶体管中的任一器件。

在本发明的一些实施例中，所述辅助开关T2可以为场效应管、IGBT、三极管等晶体管中的任一器件。

在本发明的一些实施例中，所述同步整流管T3可以为场效应管、IGBT、三极管等晶体管中的任一器件。

在本发明的一些实施例中，如图1和图2所示，所述第一谐振电路还可以包括第一二极管D1和第二二极管D2中的至少一个，其中：

第一二极管D1的正极与主开关T1的第二端口连接，第一二极管D1的负极与主开关T1的第一端口连接；

第二二极管D2的正极与第一谐振电感Lr的第二端口连接，第二二极管D2的负极与辅助开关T2的第一端口连接。

本发明上述实施例中二极管D1和D2，用于不同时刻构成续流回路。

在本发明的一些实施例中，如图1和图2所示，所述直流-直流变换器还可以包括第二谐振电容Cf和第二谐振电感Lf，其中：

第二谐振电容Cf的第一端口与电压输出端U0连接，第二谐振电容Cf的第二端口接地。

第二谐振电感Lf的第一端口与同步整流管T3的第一端口连接，第二谐振电感Lf的第二端口与电压输出端U0连接。

本发明上述实施例中，Lf和Cf用于组成准谐振网络，从而实现软开关；其中Lf用于在开通时承受负载电流。

在本发明的一些实施例中，如图1和图2所示，所述直流-直流变换器还可以包括第一驱动电路21、第二驱动电路22和第三驱动电路23中的至少一项，其中：

第一驱动电路21与主开关T1连接，用于驱动主开关T1的导通和关断。

第二驱动电路22与辅助开关T2连接，用于驱动辅助开关T2的导通和关断。

第三驱动电路23与同步整流管T3连接，用于驱动同步整流管T3的导通和关断。

在本发明的一些实施例中，主开关T1、辅助开关T2和同步整流管T3的驱动波形均可以为PWM(Pulse Width Modulation，脉冲宽度调制)形式。

在本发明的一些实施例中，如图1和图2所示，所述直流-直流变换器还可以包括控制电路3，其中：

控制电路3分别与第一驱动电路21、第二驱动电路22和第三驱动电路23连接，用于向第一驱动电路21、第二驱动电路22和第三驱动电路23发送控制信号，以控制主开关T1、辅助开关T2和同步整流管T3的导通与关断。

在本发明的一些实施例中，如图1和图2所示，所述直流-直流变换器还可以包括变压器和第一检测电压调理电路41，其中：

变压器包括初级绕组(原边绕组)和次级绕组(副边绕组)，其中，变压器的初级绕组为所述第二谐振电感Lf。

变压器次级绕组的第一端口与第一检测电压调理电路41连接，变压器次级绕组的第二端口接地。

本发明上述实施例中原边绕组的作用是储能电感，副边绕组是用于隔离检测原边绕组两端电压的。

在本发明的一些实施例中，如图1和图2所示，第一检测电压调理电路41与控制电路3连接。

第一检测电压调理电路41，用于对检测电压进行相应整形处理，以便控制电路3直接接收相应信号。

在本发明的一些实施例中，如图1和图2所示，所述直流-直流变换器还可以包括分压电路和第二检测电压调理电路42，其中：

分压电路包括第一分压电阻和第二分压电阻。

第一分压电阻的第一端口与电压输出端Uo连接，第一分压电阻的第一端口与第二分压电阻的第一端口连接，第二分压电阻的第二端口接地。

第一检测电压调理电路41与第二分压电阻的第一端口连接。

第二检测电压调理电路42，用于对检测电压进行相应整形处理，以便控制电路3直接接收相应信号。

在本发明的一些实施例中，如图1和图2所示，所述直流-直流变换器还可以包括滤波电路5，其中：

滤波电路5的一端与直流电源输入端连接，滤波电路5的另一端接地。

滤波电路5，用于对输入的直流电进行滤波。

在本发明上述实施例中，上述输入直流电可以是直流电池，也可以是光伏产生的电压或其它直流供电设备的输入电压或电流。

下面通过具体实施例对本发明上述实施例中控制电路3如何控制主开关T1、辅助开关T2和同步整流管T3的通断进行进一步说明。

图3为本发明一些实施例中直流-直流变换器的工作波形示意图。图3实施例中，Ug1为T1管的驱动波形；Ug2为T2管的驱动波形；UCr为谐振电容Cr两端电压；IL为流过第一谐振电感Lr的电流；IT1为流过T1的电流；UL为第一谐振电感Lr两端的电压；UD为同步整流管T3两端的电压；Ts为开关周期；Io为输出电流。

在本发明的一些实施例中，如图3和图3所示，本发明直流-直流变换器的控制方法可以包括：

步骤30，在初始时刻t0之前的初始状态，控制主开关T1和辅助开关T2导通，控制整流电路1(具体可以为同步整流管T3)关断。

在本发明的一些实施例中，当t<t0时，主开关T1和辅助开关T2都是导通的，同步整流管T3截止，iL＝If＝Io，谐振电容Cr两端电压为零，Io为输出电流。

在一个开关周期Ts中，可分五个阶段来分析工作过程：

第一阶段：t0<t<t1

步骤31，在初始时刻，控制主开关T1零电压断开。

在t＝t0时，第一谐振电容Cr两端电压为零，撤除主开关T1的驱动信号Ug1使T1零电压关断，电流立即从T1转移到Cr，给谐振电容充电，由于iL＝If＝Io恒定，谐振电容两端电压UCr<Ud时，同步整流管T3仍处于关断状态。

步骤32，在初始时刻后的第一预定时间间隔(t1-t0)后，即，当t＝t1时，谐振电容两端电压充电到UCr＝Ud，控制同步整流管T3结束关断状态到开通状态而导电，其中，Ud为输入电压。

第二阶段：t1<t<t2

步骤33，在同步整流管T3开通的第二预定时间间隔(t2-t1)后，控制辅助开关T2管实现零电压关断。

在本发明的一些实施例中，当同步整流管T3导电后，经辅助开关T2及二极管D2续流，这段时间(第二预定时间间隔)是可以通过改变辅助开关T2的关断时刻t2控制的。因而同步整流二极管的导通时间即占空比时可以通过分压电阻检测的电压经过数字控制器产生的PWM信号来实施控制的，用它来调控输出的电压Uo。

第三阶段：t2<t<t3

步骤34，在辅助开关T2管关断后，控制第一谐振电路进入谐振周期，其中，谐振周期的长度为第三预定时间间隔(t3-t2)。

在第三阶段，由于在t＝t2时撤除辅助开关T2的驱动信号而关断，谐振电容Cr与谐振电感Lr产生谐振。在T2关断前瞬间，由于功率管T1已关断，UCr＝Ud，所以辅助开关T2为零电压关断。

在本发明的一些实施例中，从t＝t2时刻到1/4的谐振周期时，谐振电容两端电压UCr达到了最大值Ud+IoZr，此后电容Cr放电，UCr下降，到t＝t3时，这个期间内的电流iL为负值，其中，Zr为谐振电路的阻抗，大小为

第四阶段：t3<t<t4

步骤35，在谐振周期结束后，控制住开关管零电压开通。

在本发明的一些实施例中，负电流iL经同步整流管T3、二极管D1向电源Ud回馈能量。由于导通的D1与主功率开关管T1并联，在此期间若对T1施加驱动信号，则T1将在零电压下开通。

步骤36，在开关管零电压开通后，在谐振周期结束后的第四预定时间间隔后，控制整流电路1零电流关断，使得当前直流-直流变换器返回初始状态(t<t0时的状态)。

在本发明的一些实施例中，T1开通后负电流iL反向从零线性增大，到t＝t4时iL＝Io，同步整流管T3的电流IT3＝iL＝Io从Io减小到零而零电流关断。

第五阶段：t4<t<t5

步骤37，设定整流电路1零电流关断后的第五预定时间间隔后的时刻为初始时刻，之后执行步骤31。

在t＝t4时，当前直流-直流变换器返回初始状态。主功率开关管T1处于开通状态，同步整流管T3为关断状态，电源Ud向负载恒流供电。

在t＝t5时，关掉T1的驱动信号，因关断时UCr＝UT1很小，所以T1也是软关断，进而完成了一个开关周期Ts。

本发明上述实施例在准谐振型变换电路的基础上加入一个辅助开关，以控制谐振元件的谐振过程，仅在需要开关状态转变的时候才启动谐振电路，造成开关管的零电压开通或零电流关断条件，同时采用同步整流技术，可减小直流-直流变换器开关损耗，提高效率。

本发明上述实施例主要是用于控制主功率管的零电压开通的，同时还可以使辅助开关管零电压关断，同时同步整流管T3可以通过数控也实现软开关。

在上面所描述的控制电路可以实现为用于执行本申请所描述功能的主控芯片、通用处理器、可编程逻辑控制器(PLC)、数字信号处理器(DSP)、专用集成电路(ASIC)、现场可编程门阵列(FPGA)或者其他可编程逻辑器件、分立门或者晶体管逻辑器件、分立硬件组件或者其任意适当组合。

至此，已经详细描述了本发明。为了避免遮蔽本发明的构思，没有描述本领域所公知的一些细节。本领域技术人员根据上面的描述，完全可以明白如何实施这里公开的技术方案。

本领域普通技术人员可以理解实现上述实施例的全部或部分步骤可以通过硬件来完成，也可以通过程序来指令相关的硬件完成，所述的程序可以存储于一种计算机可读存储介质中，上述提到的存储介质可以是只读存储器，磁盘或光盘等。

本发明的描述是为了示例和描述起见而给出的，而并不是无遗漏的或者将本发明限于所公开的形式。很多修改和变化对于本领域的普通技术人员而言是显然的。选择和描述实施例是为了更好说明本发明的原理和实际应用，并且使本领域的普通技术人员能够理解本发明从而设计适于特定用途的带有各种修改的各种实施例。