CN213185883U - 一种适用于大占空比条件下的buck变换器和设备 - Google Patents

一种适用于大占空比条件下的buck变换器和设备 Download PDF

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Abstract

本实用新型公开了一种适用于大占空比条件下的BUCK变换器和设备。本实用新型通过励磁电感、漏感、原边线圈、副边线圈、第一二极管、电源、第一单元和第二单元的设置，使得电路结构简单即可以实现基于软开关技术的BUCK变换器，且通过副边线圈与第一二极管所形成的辅助支路，使得第一二极管的电压应力小，而该应力会随着占空比减小而增大，因此在大占空比范围内第一开关管和第二开关管均能实现软开关，实现零电压开通，损耗小且成本低，能适用于大占空比的场合，可广泛应用于电力变换技术领域。

Description

一种适用于大占空比条件下的BUCK变换器和设备
技术领域
本实用新型涉及电力变换技术领域，尤其是一种适用于大占空比条件下的BUCK变换器和设备。
背景技术
在BUCK变换器中，为了一定程度上减小开关上的损耗会利用零电压软开关技术。例如，目前有通过准谐振零电压软开关技术实现的BUCK变换器，一般具有开关元件、电源、电容，以及与电容并联连接的负载和二极管，而现有的上述结构中，在大占空比条件下开关元件、二极管的电压应力高，最终造成的损耗大，BUCK变换器的效率低。
实用新型内容
为解决上述技术问题，本实用新型的目的在于：提供一种适用于大占空比条件下的BUCK变换器和设备。
本实用新型所采取的技术方案是：一种适用于大占空比条件下的BUCK变换器，包括：耦合电感元件、第一电容、第一单元、第二单元、第一二极管和电源；
所述耦合电感元件包括励磁电感、漏感、原边线圈和副边线圈，所述原边线圈一端连接所述第一电容一端以及所述励磁电感一端，所述原边线圈另一端连接所述漏感一端以及所述励磁电感另一端，所述漏感另一端连接所述第一单元的第二端以及所述第二单元的第一端，所述第一电容另一端连接所述电源的负极以及所述第二单元的第二端，所述第一电容用于与负载并联，所述副边线圈一端连接所述电源的正极，所述副边线圈另一端连接所述第一二极管的负极，所述第一二极管的正极连接所述第一单元的第二端，所述副边线圈连接所述第一二极管的一端、所述原边线圈连接所述漏感的一端为同名端；
所述第一单元包括第一开关管、第二二极管和第二电容，所述第二电容与所述第二二极管并联，所述第二二极管负极连接所述第一开关管的集电极且作为所述第一单元的第一端，所述第二二极管正极连接所述第一开关管的发射极且作为所述第一单元的第二端；
所述第二单元包括第二开关管、第三二极管和第三电容，所述第三电容与所述第三二极管并联，所述第三二极管负极连接所述第二开关管的集电极且作为所述第二单元的第一端，所述第三二极管正极连接所述第二开关管的发射极且作为所述第二单元的第二端。
本实用新型还提供一种设备，包括上述BUCK变换器以及所述负载。
本实用新型的有益效果是：通过励磁电感、漏感、原边线圈、副边线圈、第一二极管、电源、第一单元和第二单元的设置，使得电路结构简单即可以实现基于软开关技术的BUCK变换器，且通过副边线圈与第一二极管所形成的辅助支路，使得第一二极管的电压应力小，而该应力会随着占空比减小而增大，因此在大占空比范围内第一开关管和第二开关管均能实现软开关，实现零电压开通，损耗小且成本低，能适用于大占空比的场合。
附图说明
图1为本实用新型的适用于大占空比条件下的BUCK变换器的示意图；
图2为本实用新型电路元件的工作参数变化图。
具体实施方式
为了使本技术领域的人员更好地理解本申请方案，下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本申请一部分的实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，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，都应当属于本申请保护的范围。
本申请的说明书和权利要求书及所述附图中的术语“第一”、“第二”、“第三”等仅用于区别不同对象，而不是用于描述特定顺序。此外，术语“包括”和“具有”以及它们任何变形，意图在于覆盖不排他的包含。在本文中提及“实施例”意味着，结合实施例描述的特定特征、结构或特性可以包含在本申请的至少一个实施例中。在说明书中的各个位置出现该短语并不一定均是指相同的实施例，也不是与其它实施例互斥的独立的或备选的实施例。本领域技术人员显式地和隐式地理解的是，本文所描述的实施例可以与其它实施例相结合。
下面结合说明书附图和具体实施例对本实用新型作进一步解释和说明。
参照图1，本实用新型实施例提供了一种适用于大占空比条件下的BUCK变换器，包括耦合电感元件、第一电容C1、第一单元A、第二单元B、第一二极管D1和电源Vin。
在本实施例中，所述耦合电感元件包括励磁电感Lm、漏感Lr、原边线圈N1和副边线圈N2，所述原边线圈N1一端连接所述第一电容C1一端以及所述励磁电感Lm一端，所述原边线圈N1另一端连接所述漏感Lr一端以及所述励磁电感Lm另一端，所述漏感Lr另一端连接所述第一单元A的第二端以及所述第二单元B的第一端，所述第一电容C1另一端连接所述电源Vin的负极以及所述第二单元B的第二端，所述第一电容C1用于与负载R并联，所述副边线圈N2一端连接所述电源Vin的正极，所述副边线圈N2另一端连接所述第一二极管D1的负极，所述第一二极管D1的正极连接所述第一单元A的第二端，所述副边线圈N2连接所述第一二极管D1的一端、所述原边线圈N1连接所述漏感Lr的一端为同名端，其中N1∶N2＝1∶N；
所述第一单元A包括第一开关管S1、第二二极管D2和第二电容C2，所述第二电容C2与所述第二二极管D2并联，所述第二二极管D2负极连接所述第一开关管S1的集电极且作为所述第一单元A的第一端，所述第二二极管D2正极连接所述第一开关管S1的发射极且作为所述第一单元A的第二端；
所述第二单元B包括第二开关管S2、第三二极管D3和第三电容C3，所述第三电容C3与所述第三二极管D3并联，所述第三二极管D3负极连接所述第二开关管S2的集电极且作为所述第二单元B的第一端，所述第三二极管D3正极连接所述第二开关管S2的发射极且作为所述第二单元B的第二端。
在本实施例中，脉冲信号可以S1、S2按照需求选取，本实施例的脉冲信号目的在于说明能实现软开关技术，其中本实施例中S1和S2在同一时间只有其中一个导通。
参照图1和图2，本实用新型的具体工作过程如下：
I阶段：t1～t2，时刻t1之前，第一二极管D1导通，第一开关管S1导通时，辅助电路中的电流iD1呈减小趋势，漏感Lr的电流
Figure BDA0002651851040000031
则增大，在时刻t1，iD1减小至0，第一二极管D1反偏而截止。在该时段，漏感Lr和励磁电感Lm通过大小为Vin-Vout的电压充电，漏感电压Vlr先减少后维持，励磁电流维持不变。
II阶段：t2～t3，在时刻t2，关断第一开关管S1，第三电容C3放电，对第二电容C2充电，第一二极管D1两端的电压vD1减小，以使得下一阶段其能够导通，可选地，为了保证导通效果，可选地设置N＞1；第二开关管S2的集电极与发射极之间的电压
Figure BDA0002651851040000032
开始下降。
III阶段：t3～t4，在时刻t3，第一二极管D1两端的电压vD1减小至零从而开始导通，励磁电感Lm两端电压
Figure BDA0002651851040000033
由于钳位效应固定为
Figure BDA0002651851040000034
第二电容C2、第三电容C3与漏感Lr谐振，第三电容两端的电压
Figure BDA0002651851040000035
继续减小。
IV阶段：t4～t5，在时刻t4，第三电容两端的电压
Figure BDA0002651851040000036
减小为零，集电极与发射级电流通过第三二极管D3形成通路，以保证第二开关管S2零电压开通，第一二极管D1保持导通，电流iD1增大，在本区间流过第二开关管S2的电流
Figure BDA0002651851040000037
增大，从而解决了第二开关管S2的反向恢复问题。流过漏感Lr的电流
Figure BDA0002651851040000038
减小，至时刻t5减小为最小电流
Figure BDA0002651851040000039
为了消除第二开关管S2的反向恢复，可以设置限制条件例如，
Figure BDA0002651851040000041
NVout-Vin＞0。
V阶段：t5～t6，在时刻t5，关断第二开关管S2，集电极与发射级电压
Figure BDA0002651851040000042
在第三电容C3的作用下，从0开始增加，实现零电压关断，第三电容C3通过
Figure BDA0002651851040000043
充电，进行谐振过程，第二电容C2和第三电容C3与漏感Lr进行谐振。
VI阶段：t6～t7，在时刻t6，集电极与发射级电压
Figure BDA0002651851040000044
上升到vin，第一开关管S1的电流
Figure BDA0002651851040000045
经过第二二极管D2流通，漏感Lr电流增大，N(Vin-Vout)＞0，
Figure BDA0002651851040000046
增大，并在时刻t6增大到零。在本时间段，开通第一开关管S1，可以做到零电压开通，另外，本阶段中，辅助电路支路中的第一二极管D1流过的电流iD1减小。
VII阶段：t7～t8，在时刻t7，
Figure BDA0002651851040000047
由负转变正，至时刻t8，辅助电路支路中的第一二极管D1流过的电流iD1减小至零，结束整个开关周期。
通过本实用新型的电路设置，使得电路结构简单即可以实现基于软开关技术的BUCK变换器，且通过副边线圈与第一二极管所形成的辅助支路，使得第一二极管的电压应力小，而该应力会随着占空比减小而增大，因此在大占空比范围内第一开关管和第二开关管均能实现软开关，实现零电压开通，损耗小且成本低，能适用于大占空比的场合。
本实用新型还提供一种设备，包括上述负载和适用于大占空比条件下的BUCK变换器。其中，设备包括但不限于电脑、主板、家电等等。
以上是对本实用新型的较佳实施进行了具体说明，但本实用新型并不限于所述实施方式，熟悉本领域的技术人员在不违背本实用新型精神的前提下还可做作出种种的等同变形或替换，这些等同的变形或替换均包含在本申请权利要求所限定的范围内。

Claims (2)

1.一种适用于大占空比条件下的BUCK变换器，其特征在于，包括：耦合电感元件、第一电容、第一单元、第二单元、第一二极管和电源；
所述耦合电感元件包括励磁电感、漏感、原边线圈和副边线圈，所述原边线圈一端连接所述第一电容一端以及所述励磁电感一端，所述原边线圈另一端连接所述漏感一端以及所述励磁电感另一端，所述漏感另一端连接所述第一单元的第二端以及所述第二单元的第一端，所述第一电容另一端连接所述电源的负极以及所述第二单元的第二端，所述第一电容用于与负载并联，所述副边线圈一端连接所述电源的正极，所述副边线圈另一端连接所述第一二极管的负极，所述第一二极管的正极连接所述第一单元的第二端，所述副边线圈连接所述第一二极管的一端、所述原边线圈连接所述漏感的一端为同名端；
所述第一单元包括第一开关管、第二二极管和第二电容，所述第二电容与所述第二二极管并联，所述第二二极管负极连接所述第一开关管的集电极且作为所述第一单元的第一端，所述第二二极管正极连接所述第一开关管的发射极且作为所述第一单元的第二端；
所述第二单元包括第二开关管、第三二极管和第三电容，所述第三电容与所述第三二极管并联，所述第三二极管负极连接所述第二开关管的集电极且作为所述第二单元的第一端，所述第三二极管正极连接所述第二开关管的发射极且作为所述第二单元的第二端。
2.一种设备，其特征在于：包括如权利要求1所述的BUCK变换器以及所述负载。
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* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN113765367A (zh) * 2021-10-19 2021-12-07 哈尔滨理工大学 一种同步传导模式的抽头电感降压变压器

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