一种buck-boost电路的制作方法

1.本实用新型涉及开关电源设计领域，特别涉及一种主功率开关管实现软开关的 buck-boost电路。


背景技术：

2.近年来，随着光伏发电和高压输电等行业的迅速发展，其配电系统的输入电压非常高，通常达到几千伏，现有的常规变换器很难有合适的高压开关管来满足设计的要求，为了解决开关管电压应力过高的问题，通常采用的方法是采用双管或者多管串联结构。
3.请参考图1、图2，图1为现有的四管buck-boost电路原理图；图2为现有的双管 buck-boost电路原理图。其中，四管buck-boost电路包含四个主开关管，分别为主开关管 q1、主开关管q2、主开关管q3和主开关管q4；双管buck-boost电路包含两个主开关管，分别为主开关管q1、主开关管q2。
4.上述两种buck-boost电路在工作时，均存在以下不足之处：对于四管buck-boost电路而言，由于主开关管q1、q2、q3、q4导通前时刻的漏源极电压不为零，因此存在开通损耗高、开关管温升高等问题；对于双管buck-boost电路而言，同样存在主开关管q1、q2导通前时刻的漏源极电压不为零，开通损耗高、开关管温升高等问题。且对于上述两种buck-boost电路，随着开关频率的提升，主开关管发热会进一步加剧，因此限制了开关电源的高频化发展和降低系统的效率，同时难以缩小系统的体积，限制了功率密度的提升，若能让buck-boost 电路在主开关管开通之前漏源极两端电压降为零，实现zvs导通，则可以大大提升buck-boost 电路的系统性能。


技术实现要素：

5.有鉴于此，本实用新型要解决的技术问题是提供一种buck-boos电路，主要用于应用于宽压输入下的开关电源，降低开关管开关损耗，提升开关电源的效率。
6.本实用新型专利的目的是通过以下技术方案实现的：
7.第一种技术方案：一种buck-boost电路，应用于开关电源，buck-boost软开关电路包括第一电容、第二电容、第三电容、第四电容、第一主开关管、第二主开关管、第三主开关管、第四主开关管、第一续流开关管、第二续流开关管、第三续流开关管、第四续流开关管、由第一绕组电感及第二绕组电感组成的耦合绕组电感以及中性线；
8.第一电容的第一端和第一主开关管的漏极连接，且第一电容的第一端用于与输入电源的正极连接；第一电容的第二端连接第二电容的第一端；第一主开关管的源极连接第一续流开关管的漏极和第一绕组电感的异名端；第二电容的第一端连接第一续流开关管的源极和第二续流开关管的漏极，第二电容的第二端连接输入电源的负极和第四主开关管的源极；第四主开关管的漏极连接第二续流开关管的源极和第二绕组电感的同名端；第一绕组电感的同名端连接第三续流开关管的源极和第二主开关管的漏极，第二主开关管的源极连接第三主开关管的漏极；第三主开关管的源极连接第四续流开关管的漏极和第二绕组电
感的异名端；第三续流开关管的漏极连接第三电容的第一端和正输出端口；第四续流开关管的源极连接第四电容的第二端和负输出端口，中性线将第一电容的第二端、第一续流开关管的源极、第二主开关管的源极、第三电容的第二端进行连接；
9.还包括辅助开关，辅助开关并联在第一绕组电感或第二绕组电感的两端。
10.第二种技术方案：一种buck-boost电路，应用于开关电源，buck-boost电路包括第一电容、第二电容、第三电容、第四电容、第一主开关管、第二主开关管、第三主开关管、第四主开关管、第一续流二极管、第二续流二极管、第三续流二极管、第四续流二极管、第一开关、第二开关、第三开关、第四开关、由第一绕组电感和第二绕组电感组成的耦合绕组电感以及中性线；
11.第一电容的第一端与第一主开关管的漏极连接，且第一电容的第一端用于与输入电源的正极连接；第一电容的第二端连接第二电容的第一端；第一主开关管的源极连接第一续流二极管的阴极和第一绕组电感的异名端；第二电容的第一端连接第一续流二极管的阳极和第二续流二极管的阴极，第二电容的第二端连接输入电源的负极和第四主开关管的源极，第一开关并联在第一续流二极管的两端；第四主开关管的漏极连接第二续流二极管的阳极和第二绕组电感的同名端，第二开关并联在第二续流二极管的两端；第一绕组电感的同名端连接第三续流二极管的阳极和第二主开关管的漏极，第二主开关管的源极连接第三主开关管的漏极，第三开关并联在第三续流二极管的两端；第三主开关管的源极连接第四续流二极管的阴极和第二绕组电感的异名端，第四开关并联在第四续流二极管的两端；第三续流二极管的阴极连接第三电容的第一端和正输出端口；第四续流二极管的阳极连接第四电容的第二端和负输出端口；中性线将第一电容的第二端、第一续流二极管的阳极、第二主开关管的源极、第三电容的第二端进行连接；
12.还包括辅助开关，辅助开关并联在第一绕组电感或第二绕组电感的两端。
13.第三种技术方案：一种buck-boost电路，应用于开关电源，buck-boost软开关电路包括第一电容、第二电容、第三电容、第四电容、第一主开关管、第二主开关管、第一续流开关管、第二续流开关管以及由第一绕组电感及第二绕组电感组成的耦合绕组电感；
14.第一电容的第一端和第一主开关管的漏极连接，且第一电容的第一端用于与输入电源的正极连接，第一电容的第二端连接第二电容的第一端和第一绕组电感的异名端，第一主开关管的源极连接第一绕组电感的同名端和第一续流开关管的漏极，第二电容的第二端连接输入电源的负极和第二主开关管的源极，第一绕组电感的异名端连接第二绕组电感的同名端，第二主开关管的漏极连接第二绕组电感的异名端和第二续流开关管的源极，第一续流开关管的源极连接第三电容的第一端端和负输出端口，第二续流开关管的漏极连接第四电容的第二端和正输出端口，第三电容的第二端连接第四电容的第一端和第一绕组电感的异名端；
15.还包括辅助开关，辅助开关并联在第一绕组电感或第二绕组电感的两端。
16.第四种技术方案：一种buck-boost电路，应用于开关电源，buck-boost电路包括第一电容、第二电容、第三电容、第四电容、第一主开关管、第二主开关管、第一续流二极管、第二续流二极管、第一开关、第二开关以及由第一绕组电感及第二绕组电感组成的耦合绕组电感；
17.第一电容的第一端与第一主开关管的漏极连接，且第一电容的第一端用于与输入
电源的正极连接，第一电容的第二端连接第二电容的第一端和第一绕组电感的异名端，第一主开关管的源极连接绕组电感的同名端和第一续流二极管的阴极，第一开关并联在第一续流二极管的两端，第二电容的第二端连接输入电源的负极和第二主开关管的源极，第一绕组电感的异名端连接第二绕组电感的同名端，第二主开关管的漏极连接第二绕组电感的异名端和第二续流二极管的阳极，第二开关并联在第二续流二极管的两端，第一续流二极管的阳极连接第三电容的第一端和负输出端口，第二续流二极管的阴极连接第四电容的第二端和正输出端口，第三电容的第二端连接第四电容的第一端和第一绕组电感的异名端；
18.还包括辅助开关，辅助开关并联在第一绕组电感或第二绕组电感的两端。
19.第五种技术方案：一种buck-boost电路，其包括多个输入电容、多个输出电容、多个主开关管、多个续流开关管以及绕组电感；其中，各主开关管同时导通和同时关断；各续流开关管同时导通和同时关断，其特征在于，
20.还包括辅助开关，辅助开关并联在绕组电感的两端；辅助开关在各续流开关管关断后到各主开关管导通前之间的时间段内开通一段时间，以为由所述输出电容提供能量的反向电流提供续流通路。
21.优选地，各续流管分别为mos管、二极管中的一种。
22.优选地，辅助开关为mos管、三极管、晶闸管或igbt。
23.本实用新型专利的工作原理后面会结合具体实施例进行详细说明，此处不赘述，与现有技术相比，本实用新型专利具有如下有益效果：
24.1、通过设置辅助开关，可以实现主开关管的zvs，减小开关管损耗和降低开关管温升，提升系统的性能。
25.2、通过设置辅助开关，使得流过绕组电感的反向电流钳位在某一范围内，也即，可以维持实现软开关的最小反向电流大小不变，避免反向电流过大造成的损耗加重。
附图说明
26.图1为现有的四管buck-boost电路原理图；
27.图2为现有的双管buck-boost电路原理图；
28.图3为本实用新型buck-boost电路第一实施例的原理图；
29.图4为本实用新型buck-boost电路第一实施例的控制时序图；
30.图5为本实用新型buck-boost电路第二实施例的原理图；
31.图6为本实用新型buck-boost电路第二实施例的控制时序图；
32.图7为本实用新型buck-boost电路第三实施例的原理图；
33.图8为本实用新型buck-boost电路第三实施例的控制时序图；
34.图9为本实用新型buck-boost电路第四实施例的原理图；
35.图10为本实用新型buck-boost电路第四实施例的控制时序图。
具体实施方式
36.第一实施例
37.图3为本实用新型buck-boost电路第一实施例原理图，buck-boost电路应用于宽压输入下的开关电源，其主要包括：第一电容c1、第二电容c2、第三电容c3、第四电容c4、第
一主开关管q1、第二主开关管q2、第三主开关管q3、第四主开关管q4、第一续流开关管q5、第二续流开关管q6、第三续流开关管q7、第四续流开关管q8、辅助开关s1、第一绕组电感 n1及第二绕组电感n2组成的耦合绕组电感。其中，辅助开关s1可为mos管、继电器、三极管、晶闸管或igbt，本实施例中辅助开关s1为带体二极管的mos管；第一电容c1和第二电容c2作为buck-boost电路的输入电容；第三电容c3和第四电容c4作为buck-boost电路的输出电容。
38.第一至第四电容c1、c2、c3、c4以下分别简称为电容c1、电容c2、电容c3、电容c4；第一至第四主开关管q1、q2、q3、q4以下分别简称为主开关管q1、主开关管q2、主开关管 q3、主开关管q4；第一至第四续流开关管q5、q6、q7、q8以下分别简称为续流开关管q5、续流开关管q6、续流开关管q7、续流开关管q8；第一绕组电感n1及第二绕组电感n2以下分别简称为绕组电感n1、绕组电感n2。
39.输入电源vin的正极连接电容c1的第一端和主开关管q1的漏极；电容c1的第二端连接电容c2的第一端；主开关管q1的源极连接续流开关管q5的漏极和绕组电感n1的异名端；辅助开关s1并联在绕组电感n1的两端；电容c2的第一端连接续流开关管q5的源极和续流开关管q6的漏极，电容c2的第二端连接输入电源vin的负极和主开关管q4的源极；主开关管q4的漏极连接续流开关管q6的源极和绕组电感n2的同名端；绕组电感n1的同名端连接续流开关管q7的源极和主开关管q2的漏极，主开关管q2的源极连接主开关管q3的漏极；主开关管q3的源极连接续流开关管q8的漏极和绕组电感n2的异名端；续流开关管q7的漏极连接电容c3的第一端和正输出端口vout+；续流开关管q8的源极连接电容c4的第二端和负输出端口vout-，中性线将电容c1的第二端、续流开关管q5的源极、主开关管q2的源极、电容c3的第二端进行连接。本实施例中辅助开关s1并联在绕组电感n1的两端，在其它实施例中，辅助开关s1也可并联在绕组电感n2的两端。
40.本实施例的buck-boost电路的工作原理为：
41.主开关管q1、q2、q3、q4为同时开通，同时关断；续流开关管q5、q6、q7、q8在主开关管q1、q2、q3、q4关闭后，进行开通，续流开关管q5、q6、q7、q8开通一小段时间后进行关断；辅助开关s1在续流开关管q5、q6、q7、q8关闭后进行导通，并在主开关管q1、q2、 q3、q4导通的前一小段时间进行关闭，控制时序如下图4，图4中q1、q2、q3、q4分别为主开关管的驱动信号波形；q5、q6、q7、q8分别为续流开关管的驱动信号波形；s1为开关的驱动信号波形；il为流过电感绕组l1的电流波形。
42.激磁阶段：t0-t1时刻，在主开关管q1、q2、q3、q4的驱动信号为高电平时，绕组电感 n1和n2开始储存能量，
43.去磁阶段：t1-t2时刻，在主开关管q1、q2、q3、q4驱动信号由高电平变为低电平时，绕组电感n1和n2存储的能量经过续流开关管q5、q6、q7、q8向输出电容c3、c4和负载传输能量，经过一段时间后，绕组电感n1、n2中的能量释放完毕，t2时刻，流过电感绕组n1 的电流il为零。
44.反向激磁阶段：t2-t3时刻，续流开关管q5、q6、q7、q8仍然导通一小段时间，此时由输出电容提供能量的反向电流反灌回来(即流过电感绕组的电流il为反向电流)，t3时关断续流开关管q5、q6、q7、q8。
45.反向电流维持阶段：t3-t4时刻，辅助开关s1导通，则该反向电流经过辅助开关s1进行续流，辅助开关s1导通时段，反向电流被辅助开关s1钳位，反向电流的大小几乎保持不
变。
46.开关管zvs阶段：t4-t5时刻，在主开关管将要导通的前一小段时间，关断辅助开关s1，利用该反向电流来实现开关管的zvs。
47.第二实施例
48.图5为本实用新型buck-boost电路第二实施例原理图，buck-boost电路主要包括电容c1、电容c2、电容c3、电容c4、主开关管q1、主开关管q2、主开关管q3、主开关管q4、续流二极管d1、续流二极管d2、续流二极管d3、续流二极管d4、开关f1、开关f2、开关f3、开关f4、辅助开关s1以及由绕组电感n1及绕组电感n2组成的耦合绕组电感。其中，开关 s5可为mos管、继电器、三极管、晶闸管或igbt。本实施例中辅助开关s1为带体二极管的 mos管。
49.输入电源的正极连接主开关管q1的漏极，主开关管q1的源极连接续流二极管d1的阴极和绕组电感n1的异名端；电容c1的第一端连接输入电源的正极，电容c1的第二端连接电容 c2的第一端；电容c2的第一端连接续流二极管d2的阴极和续流二极管d1的阳极，电容c2 的第二端与输入电源的负极和主开关管q4的源极连接；主开关管q4的漏极连接二极管d2的阳极和绕组电感n2的同名端；绕组电感n1的同名端连接二极管d3的阳极和开关管q2的漏极，开关管q2的源极连接开关管q3的漏极；开关管q3的源极连接二极管d4的阴极和绕组电感n2的异名端；二极管d3的阴极连接电容c3的第一端和正输出端口vout+；二极管d4 的阳极连接电容c4的第二端和负输出端口vout-，电容c3的第二端与电容c4的第一端相连；开关f1并联在二极管d1的两端；开关f2并联在二极管d2的两端；开关f3并联在二极管 d3的两端；开关f4并联在二极管d4的两端；中性线将第一电容c1的第二端、二极管d1的阳极、开关管q2的源极以及第三电容c3的第二端进行连接；辅助开关s1并联在绕组电感 n1两端。
50.本实施例的buck-boost软开关电路与第一实施例的主要区别为：将第一实施例中续流开关管q5、q6、q7、q8用续流二极管d1、d2、d3、d4和开关f1、f2、f3、f4进行替代，其在电感续流阶段通过经续流二极管d1、d2、d3、d4回路进行续流，在绕组电感能量去磁完成后，闭合开关f1、f2、f3、f4，则由输出电容提供能量的反向电流通过开关f1、f2、f3、f4进行续流，经过一小段时间后关闭开关f1、f2、f3、f4，工作时序如图6所示，其它过程与实施例一相同，在此不再叙述。
51.第三实施例
52.图7为本实用新型buck-boost电路第三实施例原理图，buck-boost电路主要包括电容c1、电容c2、电容c3、电容c4、主开关管q1、主开关管q2、续流开关管q5、续流开关管q6、辅助开关s1以及由绕组电感n1及绕组电感n2组成的耦合绕组电感。
53.输入电源vin正极连接电容c1的第一端，电容c1的第一端连接主开关管q1的漏极，电容c1的第二端连接电容c2的第一端和绕组电感n1的异名端，主开关管q1的源极连接绕组电感n1的同名端和续流开关管q5的漏极，电容c2的第二端连接输入电源vin负极和主开关管q2的源极，辅助开关s1并联在绕组电感n1的两端，绕组电感n1的异名端连接绕组电感 n2的同名端，主开关管q2的漏极连接绕组电感n2的异名端和续流开关管q6的源极，续流开关管q5的源极连接电容c3的第一端和负输出端口vout-，续流开关管q6的漏极连接电容 c4的第二端和正输出端口vout+，电容c3的第二端连接电容c4的第一端和原边绕组n1的异名端；辅助开关s1并联在绕组电感n1两端。
54.本实施例的buck-boost电路的工作原理为：
55.主开关管q1、主开关管q2为同时开通，同时关断，续流开关管q5和续流开关管q6在主开关管q1和主开关管q2关闭后，进行开通，续流开关管q5和续流开关管q6导通一小段时间后进行关断；辅助开关s1在续流开关管q5和续流开关管q6关闭后进行导通，并在主开关管q1和q2导通的前一小段时间进行关闭，控制时序如下图8。
56.激磁阶段：t0-t1时刻，在主开关管q1、q2的驱动信号为高电平时，绕组电感n1和绕组电感n2开始储存能量。
57.去磁阶段：t1-t2时刻，在主开关管q1、q2驱动信号由高电平变为低电平时，绕组电感 n1和绕组电感n2存储的能量经过续流开关管q5和续流开关管q6向电容c3、c4和负载传输能量，经过一段时间后，绕组电感n1和绕组电感n2中的能量释放完毕，t2时刻，流过电感绕组n1的电流il为零。
58.反向激磁阶段：t2-t3时刻，续流开关管q5和续流开关管q6导通一小段时间，此时由电容c3、c4(输出电容)提供能量的反向电流反灌回来，t3时刻，关断续流开关管q5和续流开关管q6。
59.反向电流维持阶段：t3-t4时刻，打开辅助开关s1，则该反向电流经过辅助开关s1进行续流，其大小几乎保持不变。
60.开关管zvs阶段：t4-t5时刻，在主开关管q1、q2将要导通的前一小段时间，关断辅助开关s1，利用该反向电流来实现主开关管q1、q2的zvs。
61.第四实施例
62.图9为本实用新型buck-boost电路第四实施例原理图，buck-boost电路主要包括电容c1、电容c2、电容c3、电容c4、主开关管q1、主开关管q2、续流二极管d1、续流二极管d2、开关f1、开关f2、辅助开关s1、绕组电感n1及绕组电感n2组成的耦合绕组电感。
63.输入电源vin正极连接电容c1的第一端，电容c1的第一端连接主开关管q1的漏极，电容c1的第二端连接电容c2的第一端和原边绕组n1的异名端，主开关管q1的源极连接原边绕组电感n1的同名端和续流二极管d1的阴极，电容c2的第二端连接输入电源vin的负极和主开关管q2的源极，辅助开关s1并联在绕组电感n1的两端，绕组电感n1的异名端连接绕组电感n2的同名端，主开关管q2的漏极连接绕组电感n2的异名端和续流二极管d2的阳极，续流二极管d1的阳极连接电容c3的第一端和负输出端口vout-，开关f2并联在续流二极管 d1的两端，续流二极管d2的阴极连接电容c4的第二端和正输出端口vout+，开关f2并联在续流二极管d2的两端，电容c3的第二端连接电容c4的第一端和原边绕组n1的异名端。
64.本实施例的buck-boost电路与第三实施例的主要区别为：在第三实施例的基础上将续流开关管q5、q6用续流二极管d1、d2并联开关f1、f2进行替代，其在电感续流阶段通过走续流二极管d1、d2回路进行续流，在绕组电感n1和绕组电感n2能量去磁完成后，闭合开关 f1、f2，则由输出电容提供能量的反向电流通过开关f1、f2进行续流，经过一小段时间后关闭开关f1、f2，工作时序如下图10，其它过程与实施例一相同，在此不再叙述。
65.以上仅是本实用新型的实施方式，需要特别指出的是，上述实施方式不应视为对本实用新型的限制，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本实用新型的精神和范围内，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本实用新型的保护范围。