一种软开关变换器的制作方法

1.本发明涉及电源电路领域，特别涉及应用于软开关控制的buck和boost开关变换器。


背景技术：

2.随着电源技术的发展，高效率、高功率密度的同步整流电路已经成为一种趋势，如图1和图2所示，图1为现有的同步buck变换器，图2为现有的同步boost变换器，现有的同步buck变换器的功率mosfet管的开关过程及其驱动带来的损耗也愈发突显出来，随着开关频率的增加，功率mosfet管的开关损耗和驱动损耗成比例增大，降低了同步整流电路的效率，电磁干扰问题也较为严重。为解决该问题，软开关技术被发展并逐渐应用在开关变换器中以降低开关损耗和emi噪声，提高变换器的功率密度，其中，理想的软开关技术是在开关过程中使开关管的电流或电压先降到零，再让其电压或电流缓慢上升，以使得开关损耗近似为零。
3.如中国专利申请号为cn202111560022.x的专利申请文件提出了一种软开关型双向buck-boost变换器，请参考图1，该变换器通过增加辅助软开关电路，可实现buck和boost变换器主功率管实现软开关，且无应力尖峰。但通过实际分析和仿真验证发现其软开关辅助电路中，耦合变压器无去磁回路，导致耦合变压器存储的能量全部转换成电压尖峰，加在软开关辅助电路中的半导体器件上，使得其产生高于buck变换器输入电压或boost变换器输出电压数倍的电压尖峰，难以应用在实际产品上。


技术实现要素：

4.有鉴如此，本发明要解决的技术问题是提出一种软开关变换器及其控制方法，能够解决现有技术的软开关辅助电路中的半导体器件应力尖峰大的问题，且可实现主电路及软开关辅助电路上的半导体器件在全负载范围和全输入电压范围内实现软开关的效果且无应力尖峰。
5.本发明采取的技术方案为：
6.一方面，提供一种软开关变换器，包括主电路，所述主电路包括功率管q1、功率管q2、电感l1和电容c1；功率管q1的第一端用于连接电源的正极，功率管q1的第二端同时与电感l1的一端和功率管q2的第一端连接，电感l1的另一端连接电容c1的一端，功率管q2的第二端同时与电容c1的另一端和用于与电源负极连接；
7.还包括软开关辅助电路，所述软开关辅助电路包括功率器件q3、功率器件q4、二极管d1、二极管d2、二极管d3、电感l2和耦合电感l3；功率器件q3的第一端同时与二极管d2的阴极和功率管q1的第一端连接；功率器件q3的第二端同时与耦合电感l3的第一端和二极管d3的阴极连接；耦合电感l3的第二端与二极管d1的阳极连接，耦合电感l3的第三端同时与功率器件q4的第一端和二极管d2的阳极连接；二极管d1的阴极与电感l2的一端连接，电感l2的另一端与功率管q2的第一端连接；功率器件q4的第二端同时与二极管d3的阳极和电源
负极连接。
8.优选地，耦合电感l3包括第一电感和第二电感，第一端为第一电感的异名端，第二端为第一电感的同名端与第二电感的异名端连接的节点，第三端为第二电感的同名端；第一电感与第二电感的匝数相等。
9.优选地，功率器件q3为mos管或igbt管或二极管；当功率器件q3为mos管或igbt管时，功率器件q3的第一端为漏极，第二端为源极；当功率器件q3为二极管时，功率器件q3的第一端为阴极，第二端为阳极。
10.优选地，功率器件q4为mos管或igbt管或二极管；当功率器件q4为mos管或igbt管时，功率器件q4的第一端为漏极，第二端为源极；当功率器件q4为二极管时，功率器件q4的第一端为阴极，第二端为阳极。
11.优选地，功率管q1和功率管q2均为mos管或igbt管，功率管q1和功率管q2的第一端均为漏极，第二端均为源极。
12.优选地，功率管q1和功率管q2采用带死区的互补驱动；功率管q2开通期间，功率器件q3开通，且功率管q1开通期间，功率器件q3关断。
13.优选地，功率器件q4的控制端接入的驱动信号和功率器件q3的控制端接入的驱动信号相同。
14.另一方面，提供一种软开关变换器，包括主电路，所述主电路包括功率管q1、功率管q2、电感l1和电容c1；功率管q1的第一端与电容c1的一端连接，功率管q1的第二端同时与电感l1的一端和功率管q2的第一端连接，电感l1的另一端用于与电源的正极连接，功率管q2的第二端同时与电容c1的另一端和用于与电源负极连接；
15.还包括软开关辅助电路，所述软开关辅助电路包括功率器件q3、功率器件q4、二极管d1、二极管d2、二极管d3、电感l2和耦合电感l3；功率器件q3的第一端同时与二极管d2的阴极和功率管q1的第一端连接；功率器件q3的第二端同时与耦合电感l3的第一端和二极管d3的阴极连接；耦合电感l3的第二端与二极管d1的阴极连接，耦合电感l3的第三端同时与功率器件q4的第一端和二极管d2的阳极连接；二极管d1的阳极与电感l2的一端连接，电感l2的另一端与功率管q2的第一端连接；功率器件q4的第二端同时与二极管d3的阳极和电源负极连接。
16.本发明的工作原理将结合具体实施例进行分析，在此不赘述，本发明的有益效果如下：
17.1、通过对辅助软开关电路和功率管并联电容进行设计，可实现buck开关变换器和boost开关变换器的所有功率管达到软开通和软关断的效果，降低开关损耗，提升变换器效率，且功率管无应力尖峰，器件选型更为简单；
18.2、辅助软开关电路中的功率管均可实现近似零电流开通和零电流关断，降低辅助电路中的开关损耗；
19.3、辅助软开关电路中的耦合电感采用二极管去磁，可确保耦合电感有效复位，辅助软开关电路中的功率管无应力尖峰，器件选型更为简单；
20.4、辅助软开关电路中增加的二极管d1，可有效防止电感l2反向激磁，使得设计更为简单可控。
附图说明
21.图1为现有技术软开关型双向buck-boost变换器原理图；
22.图2现有buck开关变换器的原理图；
23.图3现有boost开关变换器的原理图；
24.图4本发明第一实施例开关变换器的原理图；
25.图5为图4的控制时序及波形；
26.图6本发明第二实施例开关变换器的原理图；
27.图7为图6的控制时序及波形。
具体实施方式
28.为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
29.本技术的发明构思为：
30.利用耦合电感l3及功率器件q3和功率器件q4实现buck开关变换器和boost开关变换器的所有功率管达到软开通和软关断的效果，并增加去磁二极管d2、d3对耦合电感进行磁通复位；同时为确保控制时序可控，在耦合电感中心抽头处增加二极管，可有效防止耦合电感反向激磁。以下结合具体的实施例对本发明进行说明。
31.第一实施例
32.图4为本发明第一实施例开关变换器的原理图，在本实施例中，提供一种软开关变换器，包括主电路，所述主电路包括功率管q1、功率管q2、电感l1和电容c1；功率管q1的第一端用于连接电源的正极，功率管q1的第二端同时与电感l1的一端和功率管q2的第一端连接，电感l1的另一端连接电容c1的一端，功率管q2的第二端同时与电容c1的另一端和用于与电源负极连接；
33.还包括软开关辅助电路，所述软开关辅助电路包括功率器件q3、功率器件q4、二极管d1、二极管d2、二极管d3、电感l2和耦合电感l3；功率器件q3的第一端同时与二极管d2的阴极和功率管q1的第一端连接；功率器件q3的第二端同时与耦合电感l3的第一端和二极管d3的阴极连接；耦合电感l3的第二端与二极管d1的阳极连接，耦合电感l3的第三端同时与功率器件q4的第一端和二极管d2的阳极连接；二极管d1的阴极与电感l2的一端连接，电感l2的另一端与功率管q2的第一端连接；功率器件q4的第二端同时与二极管d3的阳极和电源负极连接。
34.对于buck开关变换器，由于其功率管q2虽然在开通前和关断后由于其反并联二极管(体二极管)已提前续流开通和延后关断，使其为零电压开关，但其反并联二极管仍为硬关断，反向恢复损耗巨大；此外对于其功率管q1，由于开通前和关断后，功率管q1两端电压均为输入电压vin，开通和关断均为硬开关，开关损耗巨大。
35.本实施例通过在原有的buck开关变换器上增加软开关辅助电路，软开关辅助电路包含功率器件q3、功率器件q4、耦合电感l3、电感l2，二极管d1、二极管d2和二极管d3。
36.软开关辅助电路实现的原理为：在功率管q2关断后，且功率管q1开通之前，将功率管q1的源极电压充至接近vin，再让功率管q1开通；此时由于功率管q1的漏极电压为vin，因
此功率管q1为零电压开通。当功率管q1关断时，由于功率管q1的寄生电容和功率管q2的寄生电容均具有电压保持作用，因此通过对功率管q1的寄生电容和功率管q2的寄生电容进行合适的取值，即可实现功率管q1零电压关断。此外对于功率管q2来说，由于软开关辅助电路作用，在流过功率管q2反并联二极管电流为零后，其两端电压才开始上升，因此无反向恢复损耗。由于在软开关辅助电路中增加二极管d2和二极管d3，耦合电感l3通过其有效进行磁通复位，可确保软开关辅助电路中的半导体器件在全负载范围和全输入电压范围内实现软开关的效果且无应力尖峰；其中，二极管d1的作用为确保电感l2电流谐振到0后不会反向激磁，使得辅助软开关电路控制更为简单。
37.具体的，耦合电感l3包括第一电感和第二电感，第一端为第一电感的异名端，第二端为第一电感的同名端与第二电感的异名端连接的节点，第三端为第二电感的同名端；第一电感与第二电感的匝数相等。
38.具体的，功率器件q3为mos管或igbt管或二极管；当功率器件q3为mos管或igbt管时，功率器件q3的第一端为漏极，第二端为源极；当功率器件q3为二极管时，功率器件q3的第一端为阴极，第二端为阳极。
39.功率器件q4为mos管或igbt管或二极管；当功率器件q4为mos管或igbt管时，功率器件q4的第一端为漏极，第二端为源极；当功率器件q4为二极管时，功率器件q4的第一端为阴极，第二端为阳极。
40.功率管q1和功率管q2均为mos管或igbt管，功率管q1和功率管q2的第一端均为漏极，第二端均为源极。
41.在具体实施过程中，功率管q1、功率管q2、功率器件q3和功率器件q4均为mos管。
42.图5为本发明第一实施例开关变换器的控制时序及波形。现结合图5对每个循环周期(从t0时刻起至t6时刻止，记为t)所述的六个阶段进行说明，具体如下：
43.t0-t1阶段：在起始时刻t0，所述功率器件q3开通，此时流过电感l2的电流开始增加，直到t1时刻，电感l2的电流与电感l1的电流相同。在此期间，流经电感l2电流分为两部分，第一部分从输入电源vin正极流出，经过功率器件q3，从耦合电感l3的第一端流入，第二端流出，再经过二极管d1、电感l2，电感l1，电容c1到输入电源的负极；第二部分从电感l1的一端流出，经过电容c1，功率器件q4，从耦合电感l3的第三端流入，第二端流出，再经过二极管d1、电感l2流入到电感l1的另一端。由于功率器件q3和功率器件q4开通时，其电流回路上存在耦合电感l3和电感l2，由于电感电流不能突变，可实现功率器件q3和功率器件q4零电流开通。
44.t1-t2阶段：在t1阶段，由于流经电感l2和电感l3的电流相同，因此随着电感l2的电流继续增大，功率管q2漏极电压会开始上升。由于耦合电感l3的匝数比为1:1，因此当功率管q2漏极电压上升到1/2vin时，流过电感l2的电流达到最大值，之后流过电感l2的电流开始下降，功率管q2漏极电压继续上升。当功率管q2漏极电压上升至vin时，流经电感l2的电流下降至与电感l3的电流相同。由于在t2时刻，功率管q2漏极电压上升至vin时功率管q1进行开通，故实现零电压开通。由于功率管q2在关断时，功率管q2体二极管会介入并保持开通，故功率管q2为零电压关断。
45.t2-t3阶段：流经电感l2的电流继续下降，直到t3时刻，电感l2电流下降至0，此时功率器件q3和功率器件q4关断，实现零电流关断。由于实际控制时较难达到刚好电感l2的
电流下降至0后，功率器件q3和功率器件q4关断，因此为防止耦合电感饱和且不影响系统控制逻辑，对耦合电感l3增加去磁电路，包含二极管d2和d3。功率器件q3和功率器件q4关断后，流过耦合电感l3的电流通过二极管d2和d3进行去磁，确保了一个周期内耦合电感的磁平衡，防止饱和现象发生。
46.t3-t4阶段：功率管q1保持开通，直到t4时刻，功率管q1关断。由于功率管q1的寄生电容和功率管q2的寄生电容具有电压保持的作用，因此可实现功率管q1零电压关断。
47.t4-t5阶段：功率管q1关断后，功率管q2漏极电压开始下降，当功率管q2漏极电压下降至0后，功率管q2开始开通，实现功率管q2零电压开通。
48.t4-t5阶段：功率管q2继续保持开通，直到下一阶段。
49.至此，本发明第一实施例一个循环周期结束。
50.第二实施例
51.与第一实施例不同的是，在本实施例中，主电路为boost变换器，如图6所示，为本实施例开关变换器的原理图，在本实施例中，提供一种软开关变换器，包括主电路，所述主电路包括功率管q1、功率管q2、电感l1和电容c1；功率管q1的第一端与电容c1的一端连接，功率管q1的第二端同时与电感l1的一端和功率管q2的第一端连接，电感l1的另一端用于与电源的正极连接，功率管q2的第二端同时与电容c1的另一端和用于与电源负极连接；
52.还包括软开关辅助电路，所述软开关辅助电路包括功率器件q3、功率器件q4、二极管d1、二极管d2、二极管d3、电感l2和耦合电感l3；功率器件q3的第一端同时与二极管d2的阴极和功率管q1的第一端连接；功率器件q3的第二端同时与耦合电感l3的第一端和二极管d3的阴极连接；耦合电感l3的第二端与二极管d1的阴极连接，耦合电感l3的第三端同时与功率器件q4的第一端和二极管d2的阳极连接；二极管d1的阳极与电感l2的一端连接，电感l2的另一端与功率管q2的第一端连接；功率器件q4的第二端同时与二极管d3的阳极和电源负极连接。
53.对于boost开关变换器，由于其功率管q1虽然在开通前和关断后由于其反并联二极管已提前续流开通和延后关断，使其为零电压开关，但其反并联二极管仍为硬关断，反向恢复损耗巨大。此外对于其功率管q2，由于开通前和关断后，功率管q1两端电压均为输出电压vo，开通和关断均为硬开关，开关损耗巨大。
54.通过在原有的boost开关变换器上增加软开关辅助电路，软开关辅助电路包含功率器件q3、功率器件q4、耦合电感l3、电感l2，二极管d1、二极管d2和二极管d3。
55.软开关辅助电路实现的原理为：在功率管q1关断后，且功率管q2开通之前，将功率管q2的漏级电压拉低至接近0v，再让功率管q2开通。此时由于功率管q2的源极电压为0v，因此功率管q2为零电压开通。当功率管q2关断时，由于功率管q1的寄生电容和功率管q2的寄生电容均具有电压保持作用，因此通过对功率管q1的寄生电容和功率管q2的寄生电容进行合适的取值，即可实现功率管q2零电压关断。此外对于功率管q1来说，由于软开关辅助电路作用，在流过功率管q1反并联二极管电流为零后，其两端电压才开始上升，因此无反向恢复损耗。由于在软开关辅助电路中增加二极管d2和d3，耦合电感l3通过其有效进行磁通复位，可确保软开关辅助电路中的半导体器件在全负载范围和全输入电压范围内实现软开关的效果且无应力尖峰。
56.具体的，耦合电感l3包括第一电感和第二电感，第一端为第一电感的异名端，第二
端为第一电感的同名端与第二电感的异名端连接的节点，第三端为第二电感的同名端；第一电感与第二电感的匝数相等。
57.具体的，功率器件q3为mos管或igbt管或二极管；当功率器件q3为mos管或igbt管时，功率器件q3的第一端为漏极，第二端为源极；当功率器件q3为二极管时，功率器件q3的第一端为阴极，第二端为阳极。
58.功率器件q4为mos管或igbt管或二极管；当功率器件q4为mos管或igbt管时，功率器件q4的第一端为漏极，第二端为源极；当功率器件q4为二极管时，功率器件q4的第一端为阴极，第二端为阳极。
59.功率管q1和功率管q2均为mos管或igbt管，功率管q1和功率管q2的第一端均为漏极，第二端均为源极。
60.在具体实施过程中，功率管q1、功率管q2、功率器件q3和功率器件q4均为mos管。
61.图7为本实施例开关变换器的控制时序及波形，现结合图7对每个循环周期(从t0时刻起至t6时刻止，记为t)所述的六个阶段进行说明，具体如下：
62.t0-t1阶段：在起始时刻t0，所述功率器件q4开通，此时流过电感l2的电流开始增加，直到t1时刻，电感l2的电流与电感l1的电流相同。在此期间，流经电感l2电流分为两部分，第一部分从功率管q2漏极流经电感l2、二极管d1，再从耦合电感l3的第二端流入，第三端流出，经过功率器件q4到功率管q2源级；第二部分从功率管q2漏极流经电感l2、二极管d1，再从耦合电感l3的第二端流入，第一端流出，经过功率器件q3和电容c1到功率管q2源级。由于功率器件q4和功率器件q3开通时，其电流回路上存在耦合电感l3和电感l2，由于电感电流不能突变，可实现功率器件q4和功率器件q3零电流开通。
63.t1-t2阶段：功率管q2漏、源级等效并联电容容量较小，故流经电感l2和电感l3的电流近似相同。此时功率管q2漏极电压开始下降，直到q2电压降到0后，功率管q2再进行开通，故实现零电压开通。由于功率管q1在关断时，功率管q1体二极管会介入并保持开通，故功率管q1为零电压关断。
64.t2-t3阶段：流经电感l2的电流继续下降，直到t3时刻，电感l2电流下降至0，此时功率器件q4和功率器件q3关断，实现零电流关断。由于实际控制时较难达到刚好电感l2的电流下降至0后，功率器件q4和功率器件q3关断，因此为防止耦合电感饱和且不影响系统控制逻辑，对耦合电感l3增加去磁电路，包含二极管d2和d3。功率器件q4和功率器件q3关断后，流过耦合电感l3的电流通过二极管d2和d3进行去磁，确保了一个周期内耦合电感的磁平衡，防止饱和现象发生。
65.t3-t4阶段：功率管q2保持开通，直到t4时刻，功率管q2关断。由于功率管q1的寄生电容和功率管q2的寄生电容具有电压保持的作用，因此可实现功率管q2零电压关断。
66.t4-t5阶段：功率管q2关断后，功率管q2漏极电压开始上升，当q2漏极电压上升至vin时，功率管q1开始开通，实现功率管q1零电压开通。
67.t4-t5阶段：功率管q1继续保持开通，直到下一阶段。
68.至此，本发明第二实施例一个循环周期结束。
69.以上仅是本发明的优选实施方式，应当指出的是，上述优选实施方式不应视为对本发明的限制，本发明的保护范围应当以权利要求所限定的范围为准。对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明的精神和范围内，还可以做出若干改进和润饰，这些改
进和润饰也应视为本发明的保护范围。