CN210297551U

CN210297551U - 一种dcdc升压变换器

Info

Publication number: CN210297551U
Application number: CN201921565500.4U
Authority: CN
Inventors: 赵晓楠; 耿直; 顾大重
Original assignee: Shandong Newt Power Technology Co Ltd
Current assignee: Shandong Newt Power Technology Co Ltd
Priority date: 2019-09-20
Filing date: 2019-09-20
Publication date: 2020-04-10
Anticipated expiration: 2029-09-20

Abstract

本实用新型公开了一种DCDC升压变换器，包括输入侧的全桥电路、高频变压器、输出侧的整流电路，所述全桥电路包括MOS管S1、S2、S3、S4，所述整流电路包括MOS管S5、S6、二极管D1、D2。高频变压器连接在全桥电路和整流电路之间，该高频变压器的原边线圈的正负两端分别连接到MOS管S1与MOS管S2之间、MOS管S3与MOS管S4之间，该高频变压器的副边线圈的正负两端分别连接到二极管D1与MOS管S5之间、二极管D2与MOS管S6之间。该变换器与现有技术相比，可以在不牺牲能量转换效率的情况下实现在负载全范围内可以实现软开关的特性，通过对比实验，本实用新型的结构及方法可以提高2%‑4%能量转换效率，减小了冗余能量的浪费。

Description

一种DCDC升压变换器

技术领域

本实用新型涉及电子技术应用领域，具体地说是一种实用性强、DCDC升压变换器及实现全范围软开关的方法。

背景技术

传统全桥DCDC升压变换器具有电路简单，元件数量少，控制方法多样且灵活，输入输出范围广，且负载范围广，并可在部分负载条件下实现软开关，电能转换效率优良，并可以实现升降压等优点，被广泛应用于多种场合。

电能转换效率是电力电子变换器的重要性能之一。半导体功率器件的开关损耗往往是限制电能转换效率提高的重要原因。软开关技术可以极大降低开关损耗，以达到提高电能转换效率的目的。传统全桥DCDC升压变换器可配合其功率半导体在开通或关断前后，与其对应的磁性元件中的电流状态来实现软开关。但其缺点也比较明显，此软开关技术只能在磁性元件中的电流处于特定范围内时方可实现。超出此范围，功率半导体仍然会在大电流或者高电压的情况下开通或者关断。传统解决方法是改变磁性元件参数，在给定负载范围内，尽可能大的拓展软开关范围。但是，此解决方法仍然无法覆盖全负载范围,并且有明显的副作用——增大功率器件和磁性元件的导通损耗。所以最终对提高***的综合电能转换效率效果非常有限。

发明内容

本实用新型的技术任务是针对以上不足之处，提供一种实用性强、DCDC升压变换器及基于该DCDC升压变换器实现全范围软开关的方法。

一种DCDC升压变换器，包括输入侧的全桥电路、高频变压器、输出侧的整流电路，所述全桥电路、整流电路中均配置有MOS管，该MOS管由主通道、设置在源极和漏极之间的体二极管、输出电容，其中：

所述全桥电路包括MOS管S1、S2、 S3、S4，MOS管S1连接在输入侧正极和MOS管S2之间；MOS管S2连接在输入侧负极和MOS管S1之间；MOS管S3连接在输入侧正极和MOS管S4之间；MOS管S4连接在输入侧负极和MOS管S3之间；

所述整流电路包括MOS管S5、S6、二极管D1、D2，二极管D1连接在输出侧正极与MOS管S5之间；MOS管S5连接在二极管D1与输出侧负极之间；二极管D2连接在输出侧正极与MOS管S6之间；MOS管S6连接在二极管D2与输出侧负极之间；

所述高频变压器连接在全桥电路和整流电路之间，该高频变压器的原边线圈的正负两端分别连接到MOS管S1与MOS管S2之间、MOS管S3与MOS管S4之间，该高频变压器的副边线圈的正负两端分别连接到二极管D1与MOS管S5之间、二极管D2与MOS管S6之间。

本实用新型的一种DCDC升压变换器及实现全范围软开关的方法，具有以下优点：

本实用新型提供的DCDC变换器及基于该变换器实现全范围软开关的方法与现有技术相比，解决传统全桥DCDC变换器的软开关范围窄，并且同时要求磁性元件导通大电流来维持软开关性能，因而导致电能转换效率提升不明显的问题，本实用新型通过一种新的全桥电路工作在近三角波电流模式下，实现在负载全范围内可以实现软开关的特性，相较于传统的利用磁性元件在部分负载条件下电流幅值可以实现软开关的方式，此实用新型中MOS管的软开关条件不再受负载条件限制。通过对比实验，本实用新型的结构及方法可以提高2%-4%能量转换效率，减小了冗余能量的浪费，实用性强，适用范围广泛，易于推广。

附图说明

为了更清楚的说明本发明实施例或现有技术的技术方案，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的介绍，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。

附图1为现有技术中MOS管模型示意图。

附图2是MOS管硬开通波形示意图。

附图3是MOS管零电流开通波形示意图。

附图4是本实用新型的实现电路拓扑图。

附图5是本实用新型的电路控制示意图。

具体实施方式

为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步的详细说明。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。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。

一种DCDC升压变换器，包括输入侧的全桥电路、高频变压器、输出侧的整流电路，所述全桥电路、整流电路中均配置有MOS管，该MOS管由主通道、设置在源极和漏极之间的体二极管、输出电容，其中MOS管的具体结构图附图1所示，G为栅极，D为源极，S为漏极。针对该MOS管结构，对其软开关原理进行详细说明，如附图2所示，当硬开关开通时，当门极驱动电压到达阈值开通电压，MOS管开始流通电流ids，当门极驱动电压到达米勒平台，电流ids上升到最大值，此时栅源极之间的电压开始下降。米勒平台结束时，栅源极电压下降到0。图2所示的阴影面积为MOS管电压电流交叠面积即为开通时的功率损耗。而附图4中箭头指向为软开关开通时的MOS管波形。结合附图3，在门极驱动电压给定之前，已有负向电流（-ids）对MOS管输出电容放电，当放电电压降到0之后，体二极管开始导通。在这之后，施加门级驱动，MOS管电流从负向变正向。此过程称之为零电压开通，即实现软开关。实现零电压开通的条件为，负向电流的能量足够对输出电容进行完整的放电。

针对上述原理，本发明的实现结构为：

如附图4所示，所述全桥电路包括MOS管S1、S2、 S3、S4，MOS管S1连接在输入侧正极和MOS管S2之间；MOS管S2连接在输入侧负极和MOS管S1之间；MOS管S3连接在输入侧正极和MOS管S4之间；MOS管S4连接在输入侧负极和MOS管S3之间；

高频变压器连接了输入全桥侧与二极管输出侧，其变比为1:n，副边励磁电感为Lm,漏电感为Lr。

所述全桥电路中，MOS管S1、S3的漏极连接输入侧正极，MOS管S1、S3的源极分别连接MOS管S2、S4的漏极；MOS管S2、S4的源极连接输入侧负极；所述MOS管S1、S3的漏极还连接电容器C1的一端，该电容器C1的另一端连接MOS管S2、S4的源极。

所述整流电路中，二极管D1的正极连接高频变压器副边线圈的一端、MOS管S5的漏极，二极管D1的负极连接输出侧正极；二极管D2的正极连接高频变压器副边线圈的另一端、MOS管S6的漏极，二极管D2的负极连接输出侧正极；MOS管S5、S6的源极连接输出侧的负极；所述二极管D1、D2的负极还连接电容器C2的一端，该电容器C2的另一端连接MOS管S5、S6的源极。

为进一步解释本实用新型的变换器实现全范围软开关的实现过程，现详细阐述如下：

本实用新型的核心技术为利用近似三角波电流工作模式实现软开关。三角波电流的近似为0处的幅值不受输入输出电压和负载的影响，可以实现全范围软开关。相较于传统的利用磁性元件在部分负载条件下电流幅值可以实现软开关的方式，此发明中MOS管的软开关条件不再受负载条件限制。

其实现过程为：

步骤一、首先开通输入侧的MOS管S1、S3，开通输出侧的MOS管S5、S6，高频变压器原边线圈和副边线圈的跨压均为0；

步骤二、关断MOS管S3，开通MOS管S4，高频变压器原边线圈跨压为正向输入电压，高频变压器的副边线圈的跨压为0，高频变压器漏电感充电；

步骤三、关断MOS管S5，二极管D1导通，高频变压器副边线圈的跨压为正向输出电压，变压器漏电感放电，能量传递到输出侧；

步骤四、关断MOS管S1，开通MOS管S5，零电压开通MOS管S2，高频变压器副边线圈的跨压变为0，能量传递结束；

步骤五、关断MOS管S4，零电压开通MOS管S3，高频变压器原边线圈跨压为负向输入电压，副边线圈的跨压为0，高频变压器漏电感充电；

步骤六、关断MOS管S6，二极管D2导通，高频变压器副边线圈的跨压为负向输出电压，变压器漏电感放电，能量传递到输出侧；

步骤七、关断MOS管S2，开通MOS管S6，结束整流过程，完成一个开关周期，下一开关周期返回步骤一。

进一步的，结合附图5对本发明电路结构实现全范围软开关的过程进一步说明：

【t0-t1】输入侧MOS管S1和S3开通，输出侧MOS管S5和S6开通。所以高频变压器原边线圈和副边线圈的跨压均为0。漏电感不进行充放电动作，漏电感电流保持为负，幅值近似为零。电路此时不进行能量传递。

【t1-t2】此阶段为MOS管S3和S4之间的死区。t1时刻，MOS管S3关断，负向漏电感电流开始对S4的输出电容进行放电，对S3的输出电容充电。当MOS管S4的输出电容电压放电到0V，MOS管S4的体二极管导通。

【t2-t3】t2时刻，MOS管S4门极驱动给定。在此之前，MOS管S4的体二极管已经导通，所以此刻，MOS管S4实现零电压开通。此阶段，高频变压器原边线圈跨压为正向输入电压。输出侧MOS管S5和S6仍然保持开通状态，高频变压器副边线圈的跨压为0。漏电感在此阶段进行充电，t3时刻漏电感电流到达最大值。

【t3-t4】，此阶段输入侧保持MOS管S1和S4开通，高频变压器原边线圈的跨压仍然是正向输入电压。输出侧MOS管S6保持开通，MOS管S5关断。此时漏电感电流为正向，所以二极管D1导通。能量从输入侧传递到输出侧。高频变压器副边线圈的跨压为正向输出电压。此过程，漏电感放电，t4时刻，漏电感电流减小到近似为零的正向电流。

【t4-t5】此阶段为MOS管S1和S2之间的死区。t4时刻，MOS管S1关断，同时MOS管S5开通。高频变压器副边线圈的跨压变为0，能量传递结束。输入侧，正向近似为零的漏电感电流开始对S2的输出电容进行放电，对S1的输出电容充电。当MOS管S2的输出电容电压放电到0V，MOS管S2的体二极管导通。

【t5-t6】t5时刻，MOS管S2门极驱动给定。在此之前，MOS管S2的体二极管已经导通，所以此刻，MOS管S2实现零电压开通。此阶段，输入侧MOS管S2和S4开通，输出侧MOS管S5和S6开通。所以高频变压器原边线圈和副边线圈的跨压均为0。漏电感不进行充放电动作，电流保持不变，此为正向近似为零的漏电感电流。电路此时不进行能量传递。

【t6-t7】此阶段为MOS管S3和S4之间的死区。t6时刻，MOS管S4关断，正向近似为零的漏电感电流开始对S3的输出电容进行放电，对S4的输出电容充电。当MOS管S3的输出电容电压放电到0V，MOS管S3的体二极管导通。

【t7-t8】t7时刻，MOS管S3门极驱动给定。在此之前，MOS管S3的体二极管已经导通，所以此刻，MOS管S3实现零电压开通。此阶段，由于MOS管S2和S3均开通，高频变压器原边线圈跨压为负向输入电压。输出侧MOS管S5和S6仍然保持开通状态，高频变压器副边线圈的跨压为0。漏电感在此阶段进行充电，t3时刻漏电感电流到达负向最大值。

【t8-t9】，此阶段输入侧保持MOS管S2和S3开通，高频变压器原边线圈的跨压仍然是负向输入电压。输出侧MOS管S5保持开通，MOS管S6关断。此时漏电感电流为负向，所以二极管D2导通。此为整流过程，能量从输入侧传递到输出侧。高频变压器副边线圈的跨压为负向输出电压。此过程，漏电感放电，t9时刻，漏电感电流减小到负向近似为零。

【t9-t0】此阶段为MOS管S1和S2之间的死区。t9时刻，MOS管S2关断，同时MOS管S6开通。高频变压器副边线圈的跨压变为0，整流过程结束。输入侧，负向近似为零的漏电感电流开始对S1的输出电容进行放电，对S2的输出电容充电。当MOS管S1的输出电容电压放电到0V，MOS管S1的体二极管导通。

此为一个完整的开关周期。

最后需要说明的是：以上所述仅为本实用新型的较佳实施例，仅用于说明本实用新型的技术方案，并非用于限定本实用新型的保护范围。凡在本实用新型的精神和原则之内所做的任何修改、等同替换、改进等，均包含在本实用新型的保护范围内。

Claims

1.一种DCDC升压变换器，其特征在于，包括输入侧的全桥电路、高频变压器、输出侧的整流电路，所述全桥电路、整流电路中均配置有MOS管，该MOS管由主通道、设置在源极和漏极之间的体二极管、输出电容，其中：

2.根据权利要求1所述的一种DCDC升压变换器，其特征在于，所述全桥电路中，MOS管S1、S3的漏极连接输入侧正极，MOS管S1、S3的源极分别连接MOS管S2、S4的漏极；MOS管S2、S4的源极连接输入侧负极；所述MOS管S1、S3的漏极还连接电容器C1的一端，该电容器C1的另一端连接MOS管S2、S4的源极。

3.根据权利要求1所述的一种DCDC升压变换器，其特征在于，所述整流电路中，二极管D1的正极连接高频变压器副边线圈的一端、MOS管S5的漏极，二极管D1的负极连接输出侧正极；二极管D2的正极连接高频变压器副边线圈的另一端、MOS管S6的漏极，二极管D2的负极连接输出侧正极；MOS管S5、S6的源极连接输出侧的负极；所述二极管D1、D2的负极还连接电容器C2的一端，该电容器C2的另一端连接MOS管S5、S6的源极。