CN103595248B - 一种软开关Boost拓扑电路 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种软开关Boost拓扑电路，包括Boost升压电路和谐振单元，所述Boost升压电路包括连接外部输入电压的输入单元、连接所述输入单元的升压单元、连接所述升压单元的开关单元、及将所述输入电压经所述软开关Boost拓扑电路处理后予以输出的输出单元，所述谐振单元连接于所述升压单元、开关单元及输出单元，用于实现所述开关单元的零电流开通和零电压关断；本发明提供的所述软开关Boost拓扑电路具有电路结构简单、变换效率高和电磁干扰小的优点。
Description
技术领域
本发明涉及DC/DC变换及功率因数校正领域，特别是涉及一种Boost电路。
背景技术
Boost拓扑电路在DC/DC变换和功率因数校正(PFC)等领域有着广泛的应用，传统的硬开关Boost拓扑电路的开关损耗和输出二极管反向恢复电流在影响变换效率的同时将产生严重的电磁干扰(ElectromagneticInterference简称EMI)。
因此，现有的技术中开始采用软开关的Boost拓扑电路，以改善电磁干扰。尽管现有的对于软开关Boost拓扑电路的实现方式有很多种类，但都或多或少的存在着一些问题。例如，有采用增加开关管与无源器件来实现Boost拓扑电路的软开关，其改善了电磁干扰，但是变换效率不高；或实现了传统Boost拓扑电路中的开关管的软开关，但是所增加的开关管工作在硬开关状态，引入了新的开关损耗；亦或实现了Boost拓扑电路中的主开关管与辅助开关管的软开关，但增大了开关管的电压或电流应力；或者实现了Boost拓扑电路中的主开关管与辅助开关管的软开关，但是辅助开关管需要隔离的驱动电路，增加了控制策略或电路结构的复杂性；另外，也有仅通过增加无源器件来实现Boost拓扑电路的软开关，但是都存在变换效率不高、电压电流应力较大或者电路结构复杂等问题。
发明内容
鉴于以上所述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种软开关Boost拓扑电路，用于解决现有技术中Boost拓扑电路中变换效率不高及产生严重的电磁干扰(EMI)的问题。
为实现上述目的及其他相关目的，本发明提供以下技术方案：
一种软开关Boost拓扑电路，包括Boost升压电路，包括连接外部输入电压的输入单元、连接所述输入单元的升压单元、连接所述升压单元的开关单元及将所述输入电压经所述软开关Boost拓扑电路处理后予以输出的输出单元；谐振单元，所述谐振单元连接于所述升压单元、开关单元及输出单元，用于实现所述开关单元的零电流开通和零电压关断；其中所述输入单元包括电容Cin，所述升压单元包括电感L1，所述开关单元包括MOS管Q1，所述输出单元包括二极管D0和电容C0，所述二极管D0阳极与所述谐振单元连接，所述二极管D0阴极连接所述电容C0的正极，所述电容C0的负极接地，所述电容Cin的两端连接输入电压的两端，同时所述电容Cin的正极连接所述电感L1的一端，所述电感L1的另一端连接至所述MOS管Q1的漏极和所述谐振单元，所述MOS管Q1的源极接地；所述谐振单元包括耦合电感L2与L3、电容C1、电容C2、二极管D1和二极管D2，所述耦合电感L2异名端与所述电感L1的另一端、所述电容C2的正极和所述MOS管Q1的漏极连接，所述耦合电感L2同名端与所述二极管D1阴极、所述电容C1的正极及所述二极管D0阳极相连，所述电容C2的负极连接所述二极管D1阳极及所述耦合电感L3的异名端，所述耦合电感L3的同名端连接至所述二极管D2的阴极，所述二极管D2的阳极与所述电容C1负极接地。
另外，本发明还提供了另外一种软开关Boost拓扑电路，包括：Boost升压电路，包括连接外部输入电压的输入单元、连接所述输入单元的升压单元、连接所述升压单元的开关单元及将所述输入电压经所述软开关Boost拓扑电路处理后予以输出的输出单元；谐振单元，所述谐振单元连接于所述升压单元、开关单元及输出单元，用于实现所述开关单元的零电流开通和零电压关断；其中所述输入单元包括电容Cin，所述升压单元包括电感L1，所述开关单元包括MOS管Q1，所述输出单元包括二极管D0和电容C0，所述二极管D0阳极与所述谐振单元连接，所述二极管D0阴极连接所述电容C0的正极，所述电容C0的负极接地，所述电容Cin的两端连接输入电压的两端，同时所述电容Cin的正极连接所述电感L1的一端，所述电感L1的另一端连接至所述谐振单元；所述谐振单元包括耦合电感L2与L3、电容C1、电容C2、二极管D1和二极管D2，所述耦合电感L2异名端与所述电容C2的正极、所述MOS管Q1的漏极连接，所述MOS管Q1的源极接地，所述耦合电感L2同名端与所述电感L1的另一端、所述二极管D1阴极、所述电容C1的正极及所述二极管D0的阳极相连，所述电容C2的负极连接所述二极管D1阳极及所述耦合电感L3的异名端，所述耦合电感L3的同名端连接至所述二极管D2的阴极，所述二极管D2的阳极与所述电容C1负极接地。
优选地，以上所述技术方案中的所述MOS管的栅极连接至外部PWM控制电路。
如上所述，本发明的一种软开关Boost拓扑电路，具有以下有益效果：本发明在不增加开关管的前提下，仅增加一对耦合电感、两个谐振电容和两个二极管，实现了所述开关管Q1的零电流开通和零电压关断，提高了Boost拓扑电路的能量转换效率；同时，也实现了输出二极管D0的零电流关断，减小了Boost拓扑电路的EMI；另外，所述软开关Boost拓扑电路仅需一路PWM控制信号，控制方式简单。
附图说明
图1显示为本发明一种软开关Boost拓扑电路的原理示意图。
图2显示为本发明一种软开关Boost拓扑电路在一具体实施例中的结构图。
图3A至图G显示为图2中所述一种软开关Boost拓扑电路在一个开关周期内的7种工作模式示意图。
图4示为本发明一种软开关Boost拓扑电路在另一具体实施例中的结构图。
图5A至图5G显示为图4中所述一种软开关Boost拓扑电路在一个开关周期内的7种工作模式示意图。
图6A和图6B显示为本发明提供的所述软开关Boost拓扑电路中所述二极管D0的电压电流实验波形图。
图7显示为本发明提供的所述软开关Boost拓扑电路与传统硬开关Boost拓扑电路能量转换效率对比图。
附图标号说明
1输入电压
2输入单元
3升压单元
4开关单元
5谐振单元
6输出单元
7负载
具体实施方式
以下由特定的具体实施例说明本发明的实施方式，熟悉此技术的人士可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点及功效。
须知，本说明书所附图式所绘示的结构、比例、大小等，均仅用以配合说明书所揭示的内容，以供熟悉此技术的人士了解与阅读，并非用以限定本发明可实施的限定条件，故不具技术上的实质意义，任何结构的修饰、比例关系的改变或大小的调整，在不影响本发明所能产生的功效及所能达成的目的下，均应仍落在本发明所揭示的技术内容得能涵盖的范围内。同时，本说明书中所引用的如“上”、“下”、“左”、“右”、“中间”及“一”等的用语，亦仅为便于叙述的明了，而非用以限定本发明可实施的范围，其相对关系的改变或调整，在无实质变更技术内容下，当亦视为本发明可实施的范畴。
如图1所示，示出了本发明一种软开关Boost拓扑电路的原理示意图，所述软开关Boost拓扑电路包括一Boost升压电路，该Boost升压电路包括输入单元2、升压单元3、开关单元4、谐振单元5及输出单元6，所述谐振单元5连接于所述升压单元3、开关单元4及输出单元6，所述升压单元3连接所述输入单元2，所述输入单元2连接输入电压1，所述输入电压1经所述软开关Boost拓扑电路处理后由所述输出单元6输出。
进一步地，所述输入单元2包括电容Cin，所述升压单元3包括电感L1，所述开关单元4包括MOS管Q1，所述输出单元6包括二极管D0和电容C0，所述二极管D0阳极与所述谐振单元5连接，所述二极管D0阴极连接所述电容C0的正极，所述电容C0的负极接地，所述电容Cin的两端连接输入电压1的两端，同时所述电容Cin的正极连接所述电感L1的一端，所述电感L1的另一端连接至所述MOS管Q1的漏极或所述谐振单元5。
应当理解，所述软开关Boost拓扑电路中如果删除所述谐振单元5，那么剩下的电路组合其实就是一个标准boost变换器电路，因此如果其他类似的boost变换器电路与所述谐振单元5组合而成的所述软开关Boost拓扑电路也应该在本发明的权利范围之内。
下面针对所述谐振单元5作进一步地阐述，以上本领域内的技术人员可以更容易理解或实施本发明。
实施例一
请参考图2，示出了本发明一种软开关Boost拓扑电路在一具体实施例中的结构图，该电路包括电容Cin、电感L1、MOS管Q1、二极管D0和电容C0，所述二极管D0阳极与所述谐振单元5连接，所述二极管D0阴极连接所述电容C0的正极，所述电容C0的负极接地，所述电容Cin的两端连接输入电压1的两端，同时所述电容Cin的正极连接所述电感L1的一端，所述电感L1的另一端连接至所述MOS管Q1的漏极；其中所述谐振单元5包括耦合电感L2与L3、电容C1、电容C2、二极管D1和二极管D2，所述耦合电感L2异名端与所述电感L1的另一端、所述电容C2的正极和所述MOS管的漏极连接，所述耦合电感L2同名端与所述二极管D1阴极、所述电容C1的正极及所述二极管D0阳极相连，所述电容C2的负极连接所述二极管D1阳极及所述耦合电感L3的异名端，所述耦合电感L3的同名端连接至所述二极管D2的阴极，所述二极管D2的阳极与所述电容C1负极接地。
进一步地，以上所述述软开关Boost拓扑电路在一个开关周期内有七种工作模式，请参考图3A至图3G，示出了图2中所述一种软开关Boost拓扑电路在一个开关周期内的7种工作模式示意图，其具体工作模式方式为：
模式1：如图3A所示，所述MOS管Q1(即开关管，以下简称开关管Q1)处于关断状态，所述二极管D0导通，电流由所述电容Cin流经所述电感L1、L2和所述二极管D0向输出电容C0和负载7电阻供电，此时所述电容C1上的电压为输出电压，所述电容C2有初始电压；
模式2：如图3B所示，所述开关管Q1导通，由于所述电感L1、L2的存在，流过所述二极管D0的电流逐渐减小，流过所述开关管Q1的电流逐渐增加，所述开关Q1实现ZCS软开通，此模式内，所述耦合电感L3上感应的电压高于所述电容C2上的电压，所述二极管D2处于截止状态；
模式3：如图3C所示，所述开关管Q1继续导通，所述耦合电感L2上的电流降为零，由于所述电容C1上的电压等于输出电压，所述二极管D0实现软关断，所述电容C1开始向所述耦合电感L2谐振放电，此模式内，所述耦合电感L3上感应的电压仍然高于所述电容C2上的电压，所述二极管D2处于截止状态，输出电容C0开始独立向负载7供电；
模式4：如图3D所示，所述开关管Q1继续导通，随着电容C1上的电压不断下降，所述耦合电感L2两端的电压不断降低，进而所述耦合电感L3上的感应电压也不断降低，当所述耦合电感L3上的感应电压与所述电容C2上的电压相等时，所述二极管D2开始导通，所述电容C2开始向所述耦合电感L3谐振放电，此时所述电容C1、C2与所述耦合电感L2、L3形成双谐振；
模式5：如图3E所示，所述开关管Q1继续导通，当所述电容C2上电压降为零，所述电容C1上的电压也降为零，所述二极管D1导通，与之前导通的所述二极管D2、所述耦合电感L2、L3形成串联续流回路，至此，所述电容C1、C2的能量将全部转换为所述耦合电感L2和L3的励磁电流；
模式6：如图3F所示，所述开关管Q1关断，所述励磁能量将通过所述耦合电感L2和L3分别向所述电容C1、C2谐振放电，由于所述开关管Q1关断时所述电容C1、C2上电压为零，模式5中流过所述开关管Q1的电流将全部转移到所述电容C1、C2上，所述开关管Q1实现ZVS软关断；
模式7：如图3G所示，所述开关管Q1继续关断，当所述电容C1上的电压等于输出电压，所述二极管D0导通，所述电容C1上的电压被输出电容C0箝位于输出电压，所述耦合电感中剩余的励磁能量将继续通过所述耦合电感L3向负载7输出，所述耦合电感L3的电流降为零以后，电路将再次进入模式1，重复以上7个模式的工作过程。
通过上述技术方案，相对现有技术，本发明在不增加开关管的前提下，仅增加一对耦合电感、两个谐振电容和两个二极管，实现了开关管的零电流开通和零电压关断，从而提高了Boost拓扑电路的能量转换效率；同时，也实现了输出二极管的零电流关断，减小了Boost拓扑电路的EMI；另外，所述软开关Boost拓扑电路仅需一路PWM控制信号，控制方式十分简单。
实施例二
另外，本发明还提供了所述软开关Boost拓扑电路的另外一种具体实施例，请参考图4，示出了本发明一种软开关Boost拓扑电路在另一具体实施例中的结构图，与实施例一所不同的是，所述谐振单元5中各元件与所述谐振单元5之外的其他电子元件的连接关系略有不同，具体地：所述谐振单元5包括耦合电感L2与L3、电容C1、电容C2、二极管D1和二极管D2，所述耦合电感L2异名端与所述电容C2的正极、所述MOS管的漏极连接，所述耦合电感L2同名端与所述电感L1的另一端、所述二极管D1阴极、所述电容C1的正极及所述二极管D0的阳极相连，所述电容C2的负极连接所述二极管D1阳极及所述耦合电感L3的异名端，所述耦合电感L3的同名端连接至所述二极管D2的阴极，所述二极管D2的阳极与所述电容C1负极接地。除此之外，其他元件的连接关系与实施例一种相同，故不再赘述。
进一步地，以上实施例二所述软开关Boost拓扑电路在一个开关周期内有七种工作模式，请参考图5A至图5G，示出了图4中所述软开关Boost拓扑电路在一个开关周期内的7种工作模式示意图，其具体工作模式方式为：
模式1：如图5A所示，所述MOS管Q1处于关断状态，所述二极管D0导通，电流由电容Cin流经电感L1和所述二极管D0向输出电容C0和负载7供电，此时电容C1上的电压为输出电压，电容C2有初始电压；
模式2：如图5B所示，所述开关管Q1导通，由于所述电感L1、L2的存在，流过所述二极管D0的电流逐渐减小，流过所述开关管Q1的电流逐渐增加，所述开关管Q1实现ZCS(零电流开关：ZeroCurrentSwitch)软开通，此模式内，所述耦合电感L3上感应的电压高于所述电容C2上的电压，所述二极管D2处于截止状态；
模式3：如图5C所示，所述开关管Q1继续导通，所述耦合电感L2上的电流等于流过所述电感L1上的电流，由于所述电容C1上的电压等于输出电压，所述二极管D0实现软关断，所述电容C1开始向所述耦合电感L2谐振放电，此模式内，所述耦合电感L3上感应的电压仍然高于所述电容C2上的电压，所述二极管D2处于截止状态，输出电容C0开始独立向负载7供电；
模式4：如图5D所示，所述开关管Q1继续导通，随着电容C1上的电压不断下降，所述耦合电感L2两端的电压不断降低，进而所述耦合电感L3上的感应电压也不断降低，当所述耦合电感L3上的感应电压与所述电容C2上的电压相等时，所述二极管D2开始导通，所述电容C2开始向所述耦合电感L3谐振放电，此时所述电容C1、C2与所述耦合电感L2、L3形成双谐振；
模式5：如图5E所示，所述开关管Q1继续导通，当所述电容C2上电压降为零，所述电容C1上的电压也降为零，所述二极管D1导通，与之前导通的所述二极管D2、所述耦合电感L2、L3形成串联续流回路，至此，所述电容C1、C2的能量将全部转换为所述耦合电感L2和L3的励磁电流；
模式6：如图5F所示，所述开关管Q1关断，所述励磁能量将通过所述耦合电感L2和L3分别向所述电容C1、C2谐振放电，由于所述开关管Q1关断时所述电容C1、C2上电压为零，本实施例中所述模式5中流过所述开关管Q1的电流将全部转移到所述电容C1、C2上，所述开关管Q1实现ZVS软关断；
模式7：如图5G所示，所述开关管Q1继续关断，当所述电容C1上的电压等于输出电压，所述二极管D0导通，所述电容C1上的电压被输出电容C0箝位于输出电压，所述耦合电感中剩余的励磁能量将继续通过所述耦合电感L3向负载7输出。
需要说明的是，以上两实施例中所述的技术方案中所述MOS管的栅极连接至外部PWM控制电路(图中未予示出)。
另外，为了说明本发明的技术效果，请参考图6A和图6B，示出了本发明提供的所述软开关Boost拓扑电路中所述二极管D0的电压电流实验波形图，从图中可以看出，输出二极管D0没有反向回复电流，因此减小了电磁干扰。同时，请参考图7，示出了本发明提供的所述软开关Boost拓扑电路与传统硬开关Boost拓扑电路能量转换效率对比图，从图中可以看出所述软开关Boost拓扑电路能量转换效率得到了明显的提高。
综上所述，本发明在不增加开关管的前提下，仅增加一对耦合电感、两个谐振电容和两个二极管，实现了所述开关管Q1的零电流开通和零电压关断，提高了Boost拓扑电路的能量转换效率；同时，也实现了输出二极管D0的零电流关断，减小了Boost拓扑电路的EMI；另外，所述软开关Boost拓扑电路仅需一路PWM控制信号，控制方式简单。所以，本发明有效克服了现有技术中的种种缺点而具高度产业利用价值。
上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，举凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本发明的权利要求所涵盖。
Claims (4)
1.一种软开关Boost拓扑电路，其特征在于，包括：
Boost升压电路，包括连接外部输入电压的输入单元、连接所述输入单元的升压单元、连接所述升压单元的开关单元及将所述输入电压经所述软开关Boost拓扑电路处理后予以输出的输出单元；
谐振单元，所述谐振单元连接于所述升压单元、开关单元及输出单元，用于实现所述开关单元的零电流开通和零电压关断；其中
所述输入单元包括电容Cin，所述升压单元包括电感L1，所述开关单元包括MOS管Q1，所述输出单元包括二极管D0和电容C0，所述二极管D0阳极与所述谐振单元连接，所述二极管D0阴极连接所述电容C0的正极，所述电容C0的负极接地，所述电容Cin的两端连接输入电压的两端，同时所述电容Cin的正极连接所述电感L1的一端，所述电感L1的另一端连接至所述MOS管Q1的漏极和所述谐振单元，所述MOS管Q1的源极接地；
所述谐振单元包括耦合电感L2与L3、电容C1、电容C2、二极管D1和二极管D2，所述耦合电感L2异名端与所述电感L1的另一端、所述电容C2的正极和所述MOS管Q1的漏极连接，所述耦合电感L2同名端与所述二极管D1阴极、所述电容C1的正极及所述二极管D0阳极相连，所述电容C2的负极连接所述二极管D1阳极及所述耦合电感L3的异名端，所述耦合电感L3的同名端连接至所述二极管D2的阴极，所述二极管D2的阳极与所述电容C1负极接地。
2.根据权利要求1所述的软开关Boost拓扑电路，其特征在于：所述MOS管Q1的栅极连接至外部PWM控制电路。
3.一种软开关Boost拓扑电路，其特征在于，包括：
Boost升压电路，包括连接外部输入电压的输入单元、连接所述输入单元的升压单元、连接所述升压单元的开关单元及将所述输入电压经所述软开关Boost拓扑电路处理后予以输出的输出单元；
谐振单元，所述谐振单元连接于所述升压单元、开关单元及输出单元，用于实现所述开关单元的零电流开通和零电压关断；其中
所述输入单元包括电容Cin，所述升压单元包括电感L1，所述开关单元包括MOS管Q1，所述输出单元包括二极管D0和电容C0，所述二极管D0阳极与所述谐振单元连接，所述二极管D0阴极连接所述电容C0的正极，所述电容C0的负极接地，所述电容Cin的两端连接输入电压的两端，同时所述电容Cin的正极连接所述电感L1的一端，所述电感L1的另一端连接至所述谐振单元；
所述谐振单元包括耦合电感L2与L3、电容C1、电容C2、二极管D1和二极管D2，所述耦合电感L2异名端与所述电容C2的正极、所述MOS管Q1的漏极连接，所述MOS管Q1的源极接地，所述耦合电感L2同名端与所述电感L1的另一端、所述二极管D1阴极、所述电容C1的正极及所述二极管D0的阳极相连，所述电容C2的负极连接所述二极管D1阳极及所述耦合电感L3的异名端，所述耦合电感L3的同名端连接至所述二极管D2的阴极，所述二极管D2的阳极与所述电容C1负极接地。
4.根据权利要求3所述的软开关Boost拓扑电路，其特征在于：所述MOS管Q1的栅极连接至外部PWM控制电路。
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