直流变换器功率开关管的软开关方法和软开关直流变换器

摘要

本发明公开一种直流变换器功率开关管的软开关方法和软开关直流变换器,增加了辅助的谐振电路,再配合反并联二极管、充放电电容,利用电路的谐振特性,以及电感的电流不能突变、电容的电压不能突变的特点,选择适当的时机开通和关闭主、辅助功率开关管,一并实现主功率开关的零电压零电流开通和零电压关断、辅助功率开关的零电流开通和零电压零电流关断、整流二极管的零电压关断。

说明书

本发明涉及一种直流变换器功率开关管的软开关方法和软开关直流变换器，这些直流变换器包括升压式(Boost)、降压式(BUCK)、升降压式Buk/Boost)、丘克式(CUK)、单端初级电感式(SEPIC)及赛特(ZETA)式变换器等。

脉宽调制型(PWM)升压式变换器广泛用于DC-DC变换及功率因数校正(PFC)电路。特别是电感电流连续模式(CCM)在PFC电路中应用最广。但是，如图1所示的基本升压式电路存在功率开关S的开关损耗及功率二极管D的反向恢复问题。近年来，人们提出了一些零电压过渡(ZVT)升压式变换器来解决基本升压式变换器中存在的上述问题，例如文献[1]：文献[2]：文献[3]：文献[4]：文献[5]：，分别如图2、图3、图4、图5、图6所示。所有这些变换器拓扑电路均由一辅助电路附加于主电路上，来实现主开关的零电压开通(ZVS)。图2所示电路辅助开关Sa为硬(非零电流)开通、硬(非零电压)关断，功率二极管D为硬(非零电压)关断；图3所示电路辅助开关Sa为硬(非零电压)关断；图4所示电路辅助开关Sa为硬(非零电压)关断；图5所示电路实现了主功率开关S的ZVS开通和关断，辅助功率开关Sa的零电流开通(ZCS)和ZVS关断，整流二极管D的ZVS关断。图6所示电路是在图5电路的基础上，增加了一个变压器T和两只二极管D1、D2，目的是减少辅助电路中的循环能量，从而降低功率管的损耗和应力。但这些方案都不能一并实现主功率开关S的零电压零电流(简称ZVZCS)开通和零电压(ZVS)关断、辅助功率开关Sa的零电流(ZCS)开通和零电压电流(ZVZCS)关断、整流二极管的零电压(ZVS)关断。

本发明的目的就是为了解决以上问题，提供一种直流变换器功率开关管的软开关方法和软开关直流变换器，一并实现主功率开关的零电压零电流开通和零电压关断、辅助功率开关的零电流开通和零电压电流关断、整流二极管的零电压关断。

为实现上述目的，本发明提出一种直流变换器功率开关管的软开关方法和软开关直流变换器。

其中，所述直流变换器功率开关管的软开关方法的特征是：增加辅助功率开关管、谐振电容、谐振电感，三者与主功率开关管构成谐振回路；在主、辅助功率开关管上分别反向并联一个二极管，且在主功率开关管上并联一个充放电电容；利用上述谐振回路的谐振特性、谐振电感电流不能突变的特性以及充放电电容电压不能突变的特性，并通过脉宽调制电路控制主、辅助功率开关管周期性地开通和关断，实现主功率开关管的零电压电流开、零电压关，辅助功率开关管的零电流开、零电压电流关，以及整流二极管的零电压关。

相应地，所述软开关直流变换器包括输入直流电源、输出直流电源、储能电感、主功率开关管、辅助功率开关管、整流二极管，其特征是：在辅助功率开关管支路上串联一个谐振电容，且在电路中还设置一个谐振电感，所述谐振电容、谐振电感与主、辅助功率开关管构成一个闭合的谐振回路；在所述主、辅助功率开关管上分别反向并联一个反并联二极管，在主功率开关管上还并联一个充放电电容。

由于采用了以上的方案，增加了辅助的谐振电路，再配合反并联二极管、充放电电容，利用电路的谐振特性，以及电感的电流不能突变、电容的电压不能突变的特点，选择适当的时机开通和关闭主、辅助功率开关管，即可一并实现主功率开关的零电压零电流开通和零电压关断、辅助功率开关的零电流开通和零电压电流关断、整流二极管的零电压关断。

图1是基本升压式变换器原理电路。

图2是文献[1]中提出的ZVT原理电路。

图3是文献[2]中提出的ZVT原理电路。

图4是文献[3]中提出的ZVT原理电路。

图5是文献[4]中提出的ZVT原理电路。

图6是文献[5]中提出的ZVT原理电路。

图7是本文提出的一种升压式软开关DC-DC变换器原理电路。

图8是本文提出的另一种升压式软开关DC-DC变换器原理电路

图9(a)-9(h)是图7的一个开关周期内的八种工作模式。

图10为一个开关周期内的主要波形。

图11是应用本方案的功率因数校正原理电路之一。

图12是应用本方案的功率因数校正原理电路之二。

图13是应用本方案的降压式变换器原理电路。

图14是应用本方案的升降压式变换器原理电路。

图15是应用本方案的丘克式变换器原理电路。

图16是应用本方案的单端初级电感式变换器(SEPIC)原理电路。

图17是应用本方案的赛特(Zeta)式变换器原理电路。

下面通过具体的实施例并结合附图对本发明作进一步详细的描述。

直流变换器有多种类型，如升压式、降压(Buck)式、升降压(Buck/Boost)式、丘克(Cuk)式、单端初级电感式(SEPIC，Single EndedPrimary Inductance Converter)式及赛特(Zeta)式等。所有这些变换器的基本电路都包括输入直流电压源(Vin)、输出直流电源、储能电感(Lf)、主功率开关管(S)、整流二极管(D)。为了实现软开关，还需增加辅助功率开关管(Sa)。为了简化描述，下面先以升压式变换器为例，对本发明进行描述。

实施例一：图1-12是升压式软开关直流变换器及其功率开关管的软开关方法的各种示意图。其基本原理是在图1所示基本升压式电路的基础上，附加一辅助电路。辅助电路由一个辅助功率开关管、一只谐振电容和一只谐振电感组成。如前所述，图2-6是现有技术中所采用的方案。

在不同的直流变换器中，所述输入直流电压源Vin、输出直流电源、储能电感Lf、主功率开关管S、整流二极管D的连接关系不同。在图1的升压式直流变换器中，所述储能电感Lf接于主回路上，其一端接输入直流电压源Vin正端；整流二极管D也接于主回路上，其阴极接输出端；所述主功率开关管S并联跨接于主回路上，其控制端分别与脉宽调制电路相连。

图7是本文提出的一种升压式软开关DC-DC变换器原理电路，其中增加辅助功率开关管Sa支路，与主功率开关管S支路并联，但靠近储能电感Lf端，其控制端也与脉宽调制电路相连。在主回路上、两个功率开关管S、Sa支路之间增加谐振电感Lr，它一端接储能电感Lf，另一端接整流二极管D的阳极；在辅助功率开关管Sa支路上串联的谐振电容Cr，其一端接于谐振电感Lr与储能电感Lf之间，另一端接辅助功率开关管Sa。

图8是本文提出的另一种升压式软开关DC-DC变换器原理电路，是在图7电路基础上的改进电路。其特征是在电路中还设置有变压器T和两个馈送二极管D1、D2，所述变压器T的原边串联于辅助功率开关管Sa支路上，其一端接于谐振电感Lr与储能电感Lf之间，另一端接谐振电容Cr；其副边有三个抽头，其中两端的抽头分别接于两个馈送二极管D1、D2的阳极，中心抽头接于负载负端；两个馈送二极管D1、D2的阴极相联后接于负载正端。辅助电路的损耗和器件应力可以通过降低辅助电路的循环能量而减小。增加变压器T、二极管D1、D2的目的是为部分循环能量提供一个馈送到负载的通道。由于在辅助电路工作时，电流能够通过D1、D2流向负载，因此这一通道总是存在的。当辅助电路中的电流正向流动时，在变压器T的原边建立一个电压，同时在其副边同时建立一个电压，这一电压使D1导通；反之，当辅助电路中的电流反向流动时，D2导通。在以上情况下，变压器T的原边电压被钳位在VO/N值，其中VO为变换器输出电压，N为变压器T的原副边的匝数比。

鉴于本方案提出的两种电路基本工作原理相同，现就图7的工作原理进行介绍，而将图8的工作原理省略。

如图9(a)、(b)、(c)、(d)、(e)、(f)、(g)、(h)所示，在一个开关周期内，有八种工作模式，实际上是一个周期内的八个工作阶段，结合图10中所示出的一个开关周期内的主要波形示图，对八种工作模式分述如下：

模式1：图9(a)，t＜t0(辅助功率开关管Sa开通的时刻定义为t0)阶段，即一个周期开始之前。主功率开关管S和辅助功率开关管Sa均关断，电流通过二极管D流向负载。辅助电路的电容Cr被反向充电，其电压为Vcr0。

模式2：图9(b)，[t0-t1](通过Lr和D的电流减小为零的时刻定义为t1)阶段。t=t0时，开通辅助功率开关管Sa。由于储能电感Lf和谐振电感Lr的电流均不能发生突变，因此辅助功率开关管开通瞬间的电流为零。从而实现了辅助功率开关管Sa开通的ZCS。同时，Lr的存在，使得二极管中的电流不能突变，只能逐渐减小，因而保证了二极管D的软关断，即实现了ZVS关断。在这一阶段，通过Lr和D的电流逐渐减小，通过Sa的电流逐渐增大，即电流向辅助电路转移。到这一阶段末，通过Sa的电流达到输入电流值Ii，谐振电容Cr两端电压为Vcr1。

模式3：图9(c)，[t1-t2](主功率开关管S电压Vs为零时定义为t2)阶段。t=t1时，通过Lr和D的电流减小为零，电容Cs开始通过Lr、Cr和Sa放电。同时，通过Lr的电流从零开始反向增加，通过Sa的电流也将增加。到这一阶段结束时，Cs上的电荷已全部释放掉，即主功率开关管两端电压由VO降为零；谐振电容Cr两端电压记为Vcr2。

模式4：图9(d)，[t2-t3](通过Lr的电流降为零时，定义为t3)阶段。在t=t2之后，主功率开关管S的反并联二极管开始导通，保证了S两端电压为零。在这一阶段即可开通主功率开关管S，从而实现了S开通的ZVZCS。这一阶段结束时，通过Lr的电流降为零，通过辅助功率开关管Sa的电流为输入电流Ii，谐振电容Cr两端电压记为Vcr3。

模式5：图9(e)，[t3-t4](通过辅助功率开关管Sa的电流开始反向、其反并联二极管导通时定义为t4)阶段。在t=t3之后，主功率开关管S开始导通，同时通过Lr的电流从零开始正向增加。通过辅助功率开关管Sa的电流虽然为正向，但从输入电流值逐渐减小。当这一阶段结束时，通过辅助功率开关管Sa的电流减小为零，通过主功率开关管S的电流为输入电流Ii，谐振电容Cr两端电压记为Vcr4。

模式6：图9(f)，[t4-t5](通过主功率开关管S的电流恢复为零电流Ii时定义为t5)阶段。t=t4时，通过辅助功率开关管Sa的电流开始反向，其反并联二极管导通。这一阶段通过主功率开关管S的电流为输入电流Ii与通过辅助功率开关管Sa的电流之和。在此其间即可关断辅助功率开关管Sa，从而实现了Sa的ZVZCS关断。到这一阶段结束时，通过主功率开关管S的电流恢复为输入电流Ii，谐振电容Cr两端电压又恢复为辅助电路工作前的电压值，即Vcr0。

模式7：图9(g)，[t5-t6](主功率开关管S关断的时刻定义为t6)阶段。在这一阶段由于辅助功率开关管Sa关断，主功率开关管S开通，与普通PWM变换器工作情况相同。在这一阶段，输入电流Ii全部通过主功率开关管S。

模式8：图9(h)，[t6-t7](电容Cs充电到输出电压Vo、二极管导通时，定义为t7)阶段。t=t6时，主功率开关管S关断，电容Cs开始充电。由于电容电压不能突变，因此主功率开关管S的关断为ZVS。电容Cs充电到输出电压VO时，二极管D导通，直到下一个工作周期开始。

从上述工作周期的描述可见，本方案提出的软开关DC-DC变换器电路，结构简单，实现了主功率开关管、辅助功率开关管、整流二极管的软开关。从而可以明显提高变换器工作效率，具有广泛的应用前景。

图11是应用本方案的功率因数校正原理电路之一，它是将图7所示软开关升压式变换器用到功率因数校正(PFC)电路中。其中与两个功率开关管(S、Sa)控制端相连的是PFC控制器；在输入端增加一个由二极管Da、Db、Dc、Dd组成的整流桥。图12则是将图8所示软开关升压式变换器用到功率因数校正(PFC)电路中。

实施例二：软开关降压(Buck)直流变换器。见图13，本实施例与实施例一的不同点在于，其基本电路不同，即所述输入直流电压源Vin、输出直流电源、储能电感Lf、主功率开关管S、整流二极管D构成一个降压(Buck)变换器，而不是升压变换器。辅助功率开关管Sa不是Buck变换器的基本元件，但本发明的方案是都有辅助功率开关管Sa，后面所述的几种不同的变换器也同。

本例的特征是：在主回路上、主功率开关管S与储能电感Lf之间，串联一个谐振电感Lr，该谐振电感Lr一端接储能电感Lf，另一端接整流二极管D的阴极和主功率开关管S的共同端；在辅助功率开关管Sa支路上串联一个谐振电容Cr，其一端接于输入直流电压源Vin正端，另一端接辅助功率开关管Sa；在所述主、辅助功率开关管S、Sa上分别反向并联一个反并联二极管Ds、Dsa，在主功率开关管S上还并联一个充放电电容Cs。

可见，本例与实施例一的区别是谐振电感Lr、主、辅助功率开关管S、Sa、谐振电容Cs的连接位置不同，它是与本类直流变换器的基本电路相适应的。下面几种不同的变换器也是如此。

实施例三：软开关升/降压(Buck/Boost)变换器。见图14，所述输入直流电压源(Vin)、输出直流电源、储能电感Lf、主功率开关管S、辅助功率开关管Sa、整流二极管D构成升/降压(Buck/Boost)变换器。

其特征是：在储能电感Lf支路上，串联一个谐振电感Lr，该谐振电感Lr一端接储能电感Lf，另一端接于主回路上整流二极管D的阴极和主功率开关管S的共同端；在辅助功率开关管Sa支路上串联一个谐振电容Cr，其一端接于输入直流电压源Vin正端，另一端接辅助功率开关管Sa；在所述主、辅助功率开关管S、Sa上分别反向并联一个反并联二极管Ds、Dsa，在主功率开关管S上还并联一个充放电电容Cs。

实施例四：软开关丘克(Cuk)变换器。见图15，所述输入直流电压源(Vin)、输出直流电源、储能电感Lf、主功率开关管S、辅助功率开关管Sa、整流二极管D构成丘克式变换器；

其特征是：在主回路上、主功率开关管S支路和辅助功率开关管Sa支路之间，串联一个谐振电感Lr，该谐振电感Lr一端接主功率开关管S负端，另一端接辅助功率开关管Sa负端；在辅助功率开关管Sa支路上串联一个谐振电容Cr，其一端接于第一储能电感Lf1，另一端接辅助功率开关管Sa；在所述主、辅助功率开关管S、Sa上分别反向并联一个反并联二极管Ds、Dsa，在主功率开关管S上还并联一个充放电电容Cs。

实施例五：软开关单端初级电感式变换器(SEPIC)。见图16，所述输入直流电压源(Vin)、输出直流电源、储能电感Lf、主功率开关管S、辅助功率开关管Sa、整流二极管D构成单端初级电感式变换器(SEPIC)。

其特征是：在主回路上、主功率开关管S支路和辅助功率开关管Sa支路之间，串联一个谐振电感Lr，该谐振电感Lr一端接主功率开关管S负端，另一端接辅助功率开关管Sa负端；在辅助功率开关管Sa支路上串联一个谐振电容Cr，其一端接于第一储能电感Lf1，另一端接辅助功率开关管Sa；在所述主、辅助功率开关管S、Sa上分别反向并联一个反并联二极管Ds、Dsa，在主功率开关管S上还并联一个充放电电容Cs。

实施例六：软开关赛特(Zeta)变换器。见图17，所述输入直流电压源(Vin)、输出直流电源、储能电感Lf、主功率开关管S、辅助功率开关管Sa、整流二极管D构成赛特(Zeta)变换器。

其特征是：在第一储能电感Lf1支路上，串联一个谐振电感Lr，该谐振电感Lr一端接第一储能电感Lf1，另一端接于主回路上主功率开关管S的正端；在辅助功率开关管Sa支路上串联一个谐振电容Cr，其一端接于输入直流电压源Vin负端，另一端接辅助功率开关管Sa；在所述主、辅助功率开关管S、Sa上分别反向并联一个反并联二极管Ds、Dsa，在主功率开关管S上还并联一个充放电电容Cs。

本发明以上各例中，辅助功率开关管Sa的功率等级较主功率开关管S的功率等级小得多(一般为主功率开关管的三分之一左右)，谐振电感Lr较储能电感Lf小得多(Lr一般在10uH左右)。

本发明中主功率开关管S和辅助功率开关管Sa可以是MOS管(功率场效应管)或IGBT管(绝缘栅型双极性晶体管)，其反并联二极管可以是其体二极管或外接二极管，与主功率开关管S并联的电容Cs可以是主功率开关管的自身结电容或外接电容。

本发明涉及电路中，凡电压源Vin与储能电感Lf直接相连接的，可由一电流源替代。这也在本发明保护权利之内。

上述实施例一至六只是本发明的几个例子，但本发明并不限于这些例子，实际上，本发明还可以用于其他的直流变换器。