CN218482782U

CN218482782U - 一种软开关降压变换器

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Publication number: CN218482782U
Application number: CN202222337819.XU
Authority: CN
Inventors: 尹向阳; 刘雯
Original assignee: Mornsun Guangzhou Science and Technology Ltd
Current assignee: Mornsun Guangzhou Science and Technology Ltd
Priority date: 2022-09-02
Filing date: 2022-09-02
Publication date: 2023-02-14
Anticipated expiration: 2032-09-02

Abstract

本实用新型涉及一种软开关降压变换器，包括主功率电路、辅助电路和控制电路；主功率电路的正极输入端用于与电源的正极连接，负极输入端用于与电源的负极连接，输出端与控制电路的输入端连接，第一控制端与控制电路的第一输出端连接，第二控制端与控制电路的第二输出端连接；辅助电路包括辅助绕组Ls、第一辅助开关管Q3、第二辅助开关管Q4、辅助二极管D和辅助电源；辅助电路通过辅助绕组Ls与主功率电路耦合连接；控制电路的第三输出端与第一辅助开关管Q3的控制端连接，第四输出端与第二辅助开关管Q4的控制端连接。该软开关降压变换器可实现主功率开关管Q1的ZVS开通，可有效减小开关损耗，提升功率密度。

Description

一种软开关降压变换器

技术领域

本实用新型涉及开关电源技术领域，具体涉及一种软开关降压变换器。

背景技术

BUCK变换器作为一种常见直流变换器，其广泛用于开关电源、直流微网、新能源发电等领域。传统的硬开关BUCK变换器因其成本低廉、控制简洁等优势至今仍在沿用。随着开关电源的高频化、小体积化发展，BUCK变换器的软开关技术显得至关重要。工作于DCM及BCM模式下的BUCK变换器可以实现续流二极管自然ZCS关断，对整机效率提升以及EMI设计极为有利。

工作在DCM模式下的BUCK变换器，当续流管关断后主功率电感Lp和主功率开关管Q1以及续流二极管的寄生电容发生谐振，通常在主功率开关管Q1端电压谐振到谷底时，将主功率开关管Q1导通以此减小主功率管的开通损耗。采用谷底开关的方案缺陷在于不能完全可靠实现主功率开关管Q1的零电压开通，特别是当输入电压大于输出电压2倍以上时。

有专利文献提出，工作于临界模式下的基本同步BUCK变换器，在电感电流过零后，控制续流开关器件继续固定导通一段时间，则输出电容Cout对电感反向励磁，电感电流反向，通过此电流在“死区”内为主开关器件创造软开关条件。但该方案需采用PFM控制模式，且变换器的工作频率随着输入电压升高而升高、随负载减小而减小，而电源效率难以提升，极大限制了这种技术方案使用范围。

另有专利提出，通过在基本BUCK变换器中增加谐振电感，谐振电容及开关器件组成谐振电路以实现主功率管的ZVS和ZCS，但由于谐振电路容易使开关管及续流管产生较高的电压应力和电流应力，难以选取合适的开关器件。

综上，BUCK软开关技术方案中，第一类控制简单却难以可靠实现；第二类则需PFM控制，且在高压或轻空载下效率急剧降低；第三类实现软开关的同时带来电压应力、电流应力的问题。

实用新型内容

针对以上问题，本实用新型提供了一种软开关降压变换器利用一辅助电源外加一开关管可使得DCM工作模式下降压变换器及其辅助电路的功率开关管均可靠实现零电压开通，其控制思路简单，且极大提高了降压变换器电路在DCM模式下的工作效率。

本实用新型提出的技术方案如下：

提供一种软开关降压变换器，包括主功率电路、辅助电路和控制电路；主功率电路的正极输入端用于与电源的正极连接，负极输入端用于与电源的负极连接，输出端与控制电路的输入端连接，第一控制端与控制电路的第一输出端连接，第二控制端与控制电路的第二输出端连接；

辅助电路包括辅助绕组Ls、第一辅助开关管Q3、第二辅助开关管Q4、辅助二极管D和辅助电源；辅助绕组Ls的第一端、第二辅助开关管Q4的第一端接地，第二辅助开关管Q4的第二端与辅助二极管D的阳极连接；辅助二极管D的阴极与辅助绕组Ls的第二端、第一辅助开关管Q3的第二端连接，第一辅助开关管Q3的第一端与辅助电源连接，

或者，辅助绕组Ls的第一端、辅助二极管D的阳极接地，辅助二极管D的阴极与第二辅助开关管Q4的第一端连接，第二辅助开关管Q4的第二端与辅助绕组Ls的第二端、第一辅助开关管Q3的第二端连接，第一辅助开关管Q3的第一端与辅助电源连接；

辅助电路通过辅助绕组Ls与主功率电路耦合连接；

控制电路的第三输出端与第一辅助开关管Q3的控制端连接，第四输出端与第二辅助开关管Q4的控制端连接。

优选地，主功率电路的输出端包括正极输出端和负极输出端；主功率电路包括输入电容Cin、主功率开关管Q1、同步整流开关管Q2、主功率电感Lp、输出电容Cout；输入电容Cin的一端与主功率开关管Q1的第一端连接后，作为主功率电路的正极输入端；主功率开关管Q1的第二端与同步整流开关管Q2的第一端、主功率电感Lp的第一端连接；主功率电感Lp的第二端与输出电容Cout的一端连接后，作为正极输出端；输入电容Cin的另一端、同步整流开关管Q2的第二端、输出电容Cout的另一端连接后，用于与电源的负极连接，同时作为主功率电路的负极输出端；主功率开关管Q1的控制端作为主功率电路的第一控制端与控制电路的第一输出端连接；同步整流开关管Q2的控制端作为主功率电路的第二控制端与控制电路的第二输出端连接；主功率电感Lp与辅助绕组Ls耦合。

优选地，控制电路的输入端包括第一输入端和第二输入端；控制电路包含时钟信号发生电路、输出电压及电感电流采样电路、驱动电路；输出电压及电感电流采样电路的第一输入端作为控制电路的第一输入端与主功率电路的正极输出端连接，用于采集主功率电路的输出电压，输出电压及电感电流采样电路的第二输入端作为控制电路的第二输入端与主功率电路的负极输出端连接，用于采集电感电流峰值信号，输出端与驱动电路的输入端连接；时钟信号发生电路的输出端与驱动电路的输入端连接；驱动电路的第一输出端作为控制电路的第一输出端，第二输出端作为控制电路的第二输出端，第三输出端作为控制电路的第三输出端，第四输出端作为控制电路的第四输出端；驱动电路根据时钟信号发生电路生成的时钟信号延时控制主功率开关管Q1的开通，根据输出电压及电感电流采样电路采样的输出电压和电感电流峰值信号控制主功率开关管Q1的关断；主功率开关管Q1关断信号触发驱动电路控制同步整流开关管Q2和第一辅助开关管Q3的开通，输出电压及电感电流采样电路检测电感电流过零点，并在电感电流过零时刻触发驱动电路控制同步整流开关管Q2关断、控制第一辅助开关管Q3延迟预设时间后关断；第一辅助开关管Q3关断信号触发驱动电路控制第二辅助开关管Q4开通预设时间，以使第一辅助开关管Q3和第二辅助开关管Q4的总体导通时间与主功率开关管Q1的导通时间互补。

优选地，辅助绕组Ls与主功率电感Lp为正激耦合；辅助绕组Ls的第一端为同名端，第二端为异名端；主功率电感Lp的第一端为同名端，第二端为异名端；辅助绕组Ls的同名端、第二辅助开关管Q4的第一端接地，辅助绕组Ls的异名端与第一辅助开关管Q3的第二端、辅助二极管D的阴极连接，第二辅助开关管Q4的第二端与辅助二极管D的阳极连接，第一辅助开关管Q3的第一端与辅助电源连接。

优选地，辅助绕组Ls与主功率电感Lp为反激耦合；辅助绕组Ls的第一端为同名端，第二端为异名端；主功率电感Lp的第一端为同名端，第二端为异名端；辅助绕组Ls的异名端与第一辅助开关管Q3第二端、第二辅助开关管Q4第二端，辅助绕组Ls的同名端、辅助二极管D的阳极接地，第二辅助开关管Q4的第一端与辅助二极管D的阴极连接，第一辅助开关管Q3的第一端与辅助电源连接。

优选地，第一辅助开关管Q3和第二辅助开关管Q4均为NMOS管，第一端均为漏极，第二端均为源极，第三端均为栅极。

优选地，主功率开关管Q1和同步整流开关管Q2均为NMOS管，第一端均为漏极，第二端均为源极，第三端均为栅极。

优选地，输出电压及电感电流采样电路通过检测同步整流开关管Q2导通压降判断电感电流过零点。

相比现有技术，本实用新型具有如下有益效果：

(1)辅助开关管可采用低耐压、小功率开关管，且利用辅助电源为主功率开关管Q1的ZVS提供负向电流，可实现第一辅助开关管Q3的ZVS导通，总体效率高，成本低；

(2)本实用新型所述的软开关降压变换器，能可靠实现全电压全负载范围主功率开关管Q1的ZVS导通，不受输入条件和负载条件的影响。

附图说明

图1为第一实施例所述的软开关降压变换器的原理图；

图2为第一实施例所述的软开关降压变换器的控制时序及关键波形图；

图3a-图3e为第一实施例所述的软开关降压变换器的各工作模态示意图；

图4为第二实施例的所述的软开关降压变换器的原理图。

具体实施方式

下面将结合具体实施方式和说明书附图对本实用新型及其有益效果作进一步详细说明，但是，本实用新型的具体实施方式并不局限于此。

第一实施例

图1为本实施例所述软开关降压变换器的原理框图，在本实施例中，提供一种软开关降压变换器，包括主功率电路、辅助电路和控制电路；主功率电路的正极输入端用于与电源的正极连接，负极输入端用于与电源的负极连接，输出端与控制电路的输入端连接，第一控制端与控制电路的第一输出端连接，第二控制端与控制电路的第二输出端连接；

辅助电路包括辅助绕组Ls、第一辅助开关管Q3、第二辅助开关管Q4、辅助二极管D和辅助电源；辅助绕组Ls的第一端、第二辅助开关管Q4的第一端接地，第二辅助开关管Q4的第二端与辅助二极管D的阳极连接；辅助二极管D的阴极与辅助绕组Ls的第二端、第一辅助开关管Q3的第二端连接，第一辅助开关管Q3的第一端与辅助电源连接，辅助电路通过辅助绕组Ls与主功率电路耦合连接；

作为主功率开关管Q1的一个具体实施方式，主功率电路的输出端包括正极输出端和负极输出端；主功率电路包括输入电容Cin、主功率开关管Q1、同步整流开关管Q2、主功率电感Lp、输出电容Cout；输入电容Cin的一端与主功率开关管Q1的第一端连接后，作为主功率电路的正极输入端；主功率开关管Q1的第二端与同步整流开关管Q2的第一端、主功率电感Lp的第一端连接；主功率电感Lp的第二端与输出电容Cout的一端连接后，作为正极输出端；输入电容Cin的另一端、同步整流开关管Q2的第二端、输出电容Cout的另一端连接后，用于与电源的负极连接，同时作为主功率电路的负极输出端；主功率开关管Q1的控制端作为主功率电路的第一控制端与控制电路的第一输出端连接；同步整流开关管Q2的控制端作为主功率电路的第二控制端与控制电路的第二输出端连接；主功率电感Lp与辅助绕组Ls耦合。

作为控制电路的一个具体实施方式，控制电路的输入端包括第一输入端和第二输入端；控制电路包含时钟信号发生电路、输出电压及电感电流采样电路、驱动电路；输出电压及电感电流采样电路的第一输入端作为控制电路的第一输入端与主功率电路的正极输出端连接，用于采集主功率电路的输出电压，输出电压及电感电流采样电路的第二输入端作为控制电路的第二输入端与主功率电路的负极输出端连接，用于采集电感电流峰值信号，输出端与驱动电路的输入端连接；时钟信号发生电路的输出端与驱动电路的输入端连接；驱动电路的第一输出端作为控制电路的第一输出端，第二输出端作为控制电路的第二输出端，第三输出端作为控制电路的第三输出端，第四输出端作为控制电路的第四输出端；驱动电路根据时钟信号发生电路生成的时钟信号延时控制主功率开关管Q1的开通，根据输出电压及电感电流采样电路采样的输出电压和电感电流峰值信号控制主功率开关管Q1的关断；主功率开关管Q1关断信号触发驱动电路控制同步整流开关管Q2和第一辅助开关管Q3的开通，输出电压及电感电流采样电路检测电感电流过零点，并在电感电流过零时刻触发驱动电路控制同步整流开关管Q2关断、控制第一辅助开关管Q3延迟预设时间后关断；第一辅助开关管Q3关断信号触发驱动电路控制第二辅助开关管Q4开通预设时间，以使第一辅助开关管Q3和第二辅助开关管Q4的总体导通时间与主功率开关管Q1的导通时间互补。

具体的，输出电压及电感电流采样电路通过检测同步整流开关管Q2导通压降判断电感电流过零点。

具体的，辅助绕组Ls与主功率电感Lp为正激耦合，辅助绕组Ls的第一端为同名端，第二端为异名端；主功率电感Lp的第一端为同名端，第二端为异名端；辅助绕组Ls的同名端、第二辅助开关管Q4的第一端接地，辅助绕组Ls的异名端与第一辅助开关管Q3的第二端、辅助二极管D的阴极连接，第二辅助开关管Q4的第二端与辅助二极管D的阳极连接，第一辅助开关管Q3的第一端与辅助电源连接。

具体的，第一辅助开关管Q3和第二辅助开关管Q4可以但不限于均为NMOS管，第一端均为漏极，第二端均为源极，第三端均为栅极；主功率开关管Q1和同步整流开关管Q2可以但不限于均为NMOS管，第一端均为漏极，第二端均为源极，第三端均为栅极。

以下结合图1、图2和图3a-图3e，以主功率开关管Q1、同步整流开关管Q2、第一辅助开关管Q3和第二辅助开关管Q4均为NMOS管为例对本实施例的软开关降压变换器的工作原理进行说明，图1为本实施例的软开关降压变换器的原理图，图2为本实施例的控制电路的工作时序图，其中I_P为电感电流(主功率电感Lp电流)，Is为辅助绕组Ls的电流，VS为关键节点VS处电压波形，VG_Q1、VG_Q2、VG_Q3、VG_Q4分别为主功率开关管Q1、同步整流开关管Q2、第一辅助开关管Q3和第二辅助开关管Q4的驱动波形，图3a-图3e为所述的软开关降压变换器的各工作模态示意图；下面对具体的工作过程做以描述：

[t0-t1]：t0时刻，如图3a所示，主功率开关管Q1导通，主功率电感Lp被励磁，电感电流上升，为输出电容Cout充电，并维持输出电压；此时同步整流开关管Q2、第一辅助开关管Q3及第二辅助开关管Q4断开，同步整流开关管Q2及第一辅助开关管Q3的体二极管反偏截止，直到t1时刻，主功率开关管Q1关断。

[t1-t2]：t1时刻主功率开关管Q1关断后，由于电感电流I_P不能突变，电感电流I_P方向仍为参考正，如图3b所示，电感电流I_P经由同步整流开关管Q2的体二极管率先导通回到主功率电感Lp的同名端；同理，在主功率开关管Q1关断后，辅助绕组Ls的耦合电压通过第一辅助开关管Q3的体二极管为辅助电源充电。经过设定死区时间(预设时间)后开通同步整流开关管Q2、第一辅助开关管Q3，则二者实现ZVS导通；在t1-t2时间段内，主功率电感Lp去磁，电流逐渐减小，辅助绕组Ls为辅助电源充电，电流逐渐增大。

[t2-t3]：t2时刻，主电感去磁完毕，电感电流减小到零，输出电压及电感电流采样电路检测到电感电流的过零点信号后控制同步整流开关管Q2关断，从而实现同步整流开关管Q2ZCS关断。在t2-t3时间段内，第一辅助开关管Q3在同步整流开关管Q2关断后继续导通一固定时间，此时辅助电源为辅助绕组Ls励磁，产生一负向电流，具体如图3c所示。

[t3-t4]：t3时刻，第一辅助开关管Q3导通时间结束后，其关断信号控制第二辅助开关管Q4导通，则辅助支路的负向电流在辅助绕组Ls和第二辅助开关管Q4及辅助二极管D的回路里续流，负向电流被箝位，具体如图3d所示。

[t4-t5]：t4时刻，PWM时钟信号到来，关断第二辅助开关管Q4，则辅助支路的负向电流会被耦合到主功率电感Lp侧，该负向电流为主功率开关管Q1的寄生电容放电，使得VS处电压抬升，该PWM时钟信号经一固定死区后控制主功率开关管Q1开通，则主功率开关管Q1可实现ZVS导通，具体如图3e所示。

第二实施例

与第一实施例不同的是，在本实施例中，如图4所示，辅助绕组Ls与主功率电感Lp为反激耦合；辅助绕组Ls的第一端为同名端，第二端为异名端；主功率电感Lp的第一端为同名端，第二端为异名端；辅助绕组Ls的异名端与第一辅助开关管Q3第二端、第二辅助开关管Q4第二端，辅助绕组Ls的同名端、辅助二极管D的阳极接地，第二辅助开关管Q4的第一端与辅助二极管D的阴极连接，第一辅助开关管Q3的第一端与辅助电源连接。

本实施例的软开关降压变换器的工作原理与第一实施例相同，在此不再赘述。

本实用新型的上述实施范例仅仅是为说明本实用新型所作的举例，而并非是对本实用新型的实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其他不同形式的变化和变动。这里无法对所有的实施方式予以穷举。凡是属于本实用新型的技术方案所引申出的显而易见的变化或变动仍处于本实用新型的保护范围之列。

Claims

1.一种软开关降压变换器，其特征在于，包括主功率电路、辅助电路和控制电路；主功率电路的正极输入端用于与电源的正极连接，负极输入端用于与电源的负极连接，输出端与控制电路的输入端连接，第一控制端与控制电路的第一输出端连接，第二控制端与控制电路的第二输出端连接；

辅助电路通过辅助绕组Ls与主功率电路耦合连接；

2.根据权利要求1所述的软开关降压变换器，其特征在于，主功率电路的输出端包括正极输出端和负极输出端；主功率电路包括输入电容Cin、主功率开关管Q1、同步整流开关管Q2、主功率电感Lp、输出电容Cout；输入电容Cin的一端与主功率开关管Q1的第一端连接后，作为主功率电路的正极输入端；主功率开关管Q1的第二端与同步整流开关管Q2的第一端、主功率电感Lp的第一端连接；主功率电感Lp的第二端与输出电容Cout的一端连接后，作为正极输出端；输入电容Cin的另一端、同步整流开关管Q2的第二端、输出电容Cout的另一端连接后，用于与电源的负极连接，同时作为主功率电路的负极输出端；主功率开关管Q1的控制端作为主功率电路的第一控制端与控制电路的第一输出端连接；同步整流开关管Q2的控制端作为主功率电路的第二控制端与控制电路的第二输出端连接；主功率电感Lp与辅助绕组Ls耦合。

3.根据权利要求2所述的软开关降压变换器，其特征在于，控制电路的输入端包括第一输入端和第二输入端；控制电路包含时钟信号发生电路、输出电压及电感电流采样电路、驱动电路；输出电压及电感电流采样电路的第一输入端作为控制电路的第一输入端与主功率电路的正极输出端连接，用于采集主功率电路的输出电压，输出电压及电感电流采样电路的第二输入端作为控制电路的第二输入端与主功率电路的负极输出端连接，用于采集电感电流峰值信号，输出端与驱动电路的输入端连接；时钟信号发生电路的输出端与驱动电路的输入端连接；驱动电路的第一输出端作为控制电路的第一输出端，第二输出端作为控制电路的第二输出端，第三输出端作为控制电路的第三输出端，第四输出端作为控制电路的第四输出端；驱动电路根据时钟信号发生电路生成的时钟信号延时控制主功率开关管Q1的开通，根据输出电压及电感电流采样电路采样的输出电压和电感电流峰值信号控制主功率开关管Q1的关断；主功率开关管Q1关断信号触发驱动电路控制同步整流开关管Q2和第一辅助开关管Q3的开通，输出电压及电感电流采样电路检测电感电流过零点，并在电感电流过零时刻触发驱动电路控制同步整流开关管Q2关断、控制第一辅助开关管Q3延迟预设时间后关断；第一辅助开关管Q3关断信号触发驱动电路控制第二辅助开关管Q4开通预设时间，以使第一辅助开关管Q3和第二辅助开关管Q4的总体导通时间与主功率开关管Q1的导通时间互补。

4.根据权利要求2所述的软开关降压变换器，其特征在于，辅助绕组Ls与主功率电感Lp为正激耦合；辅助绕组Ls的第一端为同名端，第二端为异名端；主功率电感Lp的第一端为同名端，第二端为异名端；辅助绕组Ls的同名端、第二辅助开关管Q4的第一端接地，辅助绕组Ls的异名端与第一辅助开关管Q3的第二端、辅助二极管D的阴极连接，第二辅助开关管Q4的第二端与辅助二极管D的阳极连接，第一辅助开关管Q3的第一端与辅助电源连接。

5.根据权利要求2所述的软开关降压变换器，其特征在于，辅助绕组Ls与主功率电感Lp为反激耦合；辅助绕组Ls的第一端为同名端，第二端为异名端；主功率电感Lp的第一端为同名端，第二端为异名端；辅助绕组Ls的异名端与第一辅助开关管Q3第二端、第二辅助开关管Q4第二端，辅助绕组Ls的同名端、辅助二极管D的阳极接地，第二辅助开关管Q4的第一端与辅助二极管D的阴极连接，第一辅助开关管Q3的第一端与辅助电源连接。

6.根据权利要求1-5任一项所述的软开关降压变换器，其特征在于，第一辅助开关管Q3和第二辅助开关管Q4均为NMOS管，第一端均为漏极，第二端均为源极，第三端均为栅极。

7.根据权利要求2所述的软开关降压变换器，其特征在于，主功率开关管Q1和同步整流开关管Q2均为NMOS管，第一端均为漏极，第二端均为源极，第三端均为栅极。

8.根据权利要求3所述的软开关降压变换器，其特征在于，输出电压及电感电流采样电路通过检测同步整流开关管Q2导通压降判断电感电流过零点。