複合型有源鉗位直流－直流變換器的製作方法
2023-09-23 03:08:30
專利名稱：複合型有源鉗位直流－直流變換器的製作方法
技術領域：
本發明涉及直流-直流變換器。
背景技術：
圖1所示的由一個開關管M1和一個整流二極體D2連接，並在接點有引出而具有標號為1、2、3的三個連接端的電路，是圖2中的a)、b)、c)、d)、e)、f)所示的buck、boost、buckboost、Cuk、SEPIC、Zeta等6種常規的直流-直流變換器中的基本變換電路，圖2各圖中的Vin為變換器的輸入電壓埠，Vo為變換器的輸出電壓埠，L及L』為變換器中的電感，C為變換器中的電容。由這種基本變換電路構成的直流-直流變換器的不足之處在於，變換器為硬開關工作，在電流連續模式工作中變換器中二極體反向恢復所引起的相關損耗很高，開關管的電流應力大。近年來，為了提高直流-直流變換器的效率，不少軟開關技術相繼被運用。一些變換器採用零電壓轉換技術，在沒有增加器件電壓應力的情況下抑制了二極體的反向恢復電流，並實現了主開關的零電壓開關工作，但是，往往變換器中的輔助開關器件沒有工作在軟開關狀態；通常的有源鉗位技術雖然可以同時實現主開關和輔助開關的軟開關工作，但是主開關和輔助開關的電壓應力增加不少，並且電壓應力隨著控制佔空比以及負載的增大而增大，另外變換器中二極體關斷後其兩端的寄生電容和輔助電感諧振產生較嚴重的電壓振蕩，電壓應力大。
發明內容
本發明的目的是提供一類能抑制變換器中二極體的反向恢復電流，保證所有功率開關器件均實現軟開關工作的複合型有源鉗位直流-直流變換器。
為達上述目的，本發明採取的措施是用主開關管M1、二極體D2、輔助開關管M3、鉗位電容Cc和輔助電感L1構成的基本變換電路去替代常規直流-直流變換器中如圖1所示的由開關管和二極體構成的基本變換電路。其中輔助開關M3與鉗位電容Cc的串聯電路與輔助電感L1並聯後的一端與主開關管M1相連，另一端與二極體相連，兩並聯端中的任一端及主開關管M1的另一端，二極體的另一端分別為基本變換電路在變換器中的連接端，或者輔助開關M3與鉗位電容Cc的串聯電路與主開關管M1與二極體D2的串聯電路並聯，兩並聯端中的任一端接輔助電感L1，並聯端中的另一端及輔助電感L1的另一端和主開關管M1與二極體的接點分別為基本變換電路在變換器中的連接端。
具體技術解決方案有方案1，本發明的複合型有源鉗位直流-直流變換器，是具有三個連接端基本變換電路的buck變換器，其特徵是所說的基本變換電路包括主開關管M1、二極體D2、輔助開關管M3、鉗位電容Cc及輔助電感L1，其中輔助開關M3與鉗位電容Cc的串聯電路與輔助電感L1並聯後的一端與主開關管M1相連，另一端與二極體相連，兩並聯端中的任一端及主開關管M1的另一端，二極體的另一端分別為基本變換電路在變換器中的連接端，或者輔助開關M3與鉗位電容Cc的串聯電路與主開關管M1與二極體D2的串聯電路並聯，兩並聯端中的任一端接輔助電感L1，並聯端中的另一端及輔助電感L1的另一端和主開關管M1與二極體D2的接點分別為基本變換電路在變換器中的連接端。
方案2，本發明的複合型有源鉗位直流-直流變換器，是具有三個連接端基本變換電路的boost變換器，其特徵是所說的基本變換電路包括主開關管M1、二極體D2、輔助開關管M3、鉗位電容Cc及輔助電感L1，其中輔助開關M3與鉗位電容Cc的串聯電路與輔助電感L1並聯後的一端與主開關管M1相連，另一端與二極體相連，兩並聯端中的任一端及主開關管M1的另一端，二極體的另一端分別為基本變換電路在變換器中的連接端，或者輔助開關M3與鉗位電容Cc的串聯電路與主開關管M1與二極體D2的串聯電路並聯，兩並聯端中的任一端接輔助電感L1，並聯端中的另一端及輔助電感L1的另一端和主開關管M1與二極體D2的接點分別為基本變換電路在變換器中的連接端。
方案3，本發明的複合型有源鉗位直流-直流變換器，是具有三個連接端基本變換電路的buckboost變換器，其特徵是所說的基本變換電路包括主開關管M1、二極體D2、輔助開關管M3、鉗位電容Cc及輔助電感L1，其中輔助開關M3與鉗位電容Cc的串聯電路與輔助電感L1並聯後的一端與主開關管M1相連，另一端與二極體相連，兩並聯端中的任一端及主開關管M1的另一端，二極體的另一端分別為基本變換電路在變換器中的連接端，或者輔助開關M3與鉗位電容Cc的串聯電路與主開關管M1與二極體D2的串聯電路並聯，兩並聯端中的任一端接輔助電感L1，並聯端中的另一端及輔助電感L1的另一端和主開關管M1與二極體D2的接點分別為基本變換電路在變換器中的連接端。
方案4，本發明的複合型有源鉗位直流-直流變換器，是具有三個連接端基本變換電路的Cuk變換器，其特徵是所說的基本變換電路包括主開關管M1、二極體D2、輔助開關管M3、鉗位電容Cc及輔助電感L1，其中輔助開關M3與鉗位電容Cc的串聯電路與輔助電感L1並聯後的一端與主開關管M1相連，另一端與二極體相連，兩並聯端中的任一端及主開關管M1的另一端，二極體的另一端分別為基本變換電路在變換器中的連接端，或者輔助開關M3與鉗位電容Cc的串聯電路與主開關管M1與二極體D2的串聯電路並聯，兩並聯端中的任一端接輔助電感L1，並聯端中的另一端及輔助電感L1的另一端和主開關管M1與二極體D2的接點分別為基本變換電路在變換器中的連接端。
方案5，本發明的複合型有源鉗位直流-直流變換器，是具有三個連接端基本變換電路的SEPIC變換器，其特徵是所說的基本變換電路包括主開關管M1、二極體D2、輔助開關管M3、鉗位電容Cc及輔助電感L1，其中輔助開關M3與鉗位電容Cc的串聯電路與輔助電感L1並聯後的一端與主開關管M1相連，另一端與二極體相連，兩並聯端中的任一端及主開關管M1的另一端，二極體的另一端分別為基本變換電路在變換器中的連接端，或者輔助開關M3與鉗位電容Cc的串聯電路與主開關管M1與二極體D2的串聯電路並聯，兩並聯端中的任一端接輔助電感L1，並聯端中的另一端及輔助電感L1的另一端和主開關管M1與二極體D2的接點分別為基本變換電路在變換器中的連接端。
方案6，本發明的複合型有源鉗位直流-直流變換器，是具有三個連接端基本變換電路的Zeta變換器，其特徵是所說的基本變換電路包括主開關管M1、二極體D2、輔助開關管M3、鉗位電容Cc及輔助電感L1，其中輔助開關M3與鉗位電容Cc的串聯電路與輔助電感L1並聯後的一端與主開關管M1相連，另一端與二極體相連，兩並聯端中的任一端及主開關管M1的另一端，二極體的另一端分別為基本變換電路在變換器中的連接端，或者輔助開關M3與鉗位電容Cc的串聯電路與主開關管M1與二極體D2的串聯電路並聯，兩並聯端中的任一端接輔助電感L1，並聯端中的另一端及輔助電感L1的另一端和主開關管M1與二極體D2的接點分別為基本變換電路在變換器中的連接端。
上述的主開關管和輔助開關管可以是功率雙極型電晶體，也可以是絕緣門極電晶體或其它可控的開關器件。
本發明的複合型有源鉗位直流-直流變換器中輔助電感L1的加入使得二極體D2為軟關斷，反向恢復電流被有效控制。主開關管M1和輔助開關管M3進行開關切換過程中，由於輔助電感L1的存在，在輔助開關管M3關斷後，電感L1中的電流將給主開關管M1兩端並接的等效電容放電，之後主開關管M1將在零電壓情況下被開通。任一開關管(M1或M3)被關斷後，其兩端電壓均被鉗位在一固定電壓上，不會出現高的電壓應力和振蕩。又由於在二極體D2關斷期間，主開關管M1和輔助開關管M3均為導通狀態，因此D2的關斷電壓也是被鉗位的，電壓應力低。
圖1是已有直流-直流變換器中的基本變換電路；圖2是含圖1基本變換電路的常規直流-直流變換器，其中，圖a)為buck直流-直流變換器；圖b)為boost直流-直流變換器；圖c)為buckboost直流-直流變換器；圖d)為Cuk直流-直流變換器；圖e)為SEPIC直流-直流變換器；圖f)為Zeta直流-直流變換器；圖3是本發明的基本變換電路實例之一；圖4是本發明的基本變換電路實例之二；圖5是本發明的基本變換電路實例之三；圖6是本發明的基本變換電路實例之四；圖7是具有圖3基本變換電路的複合型有源鉗位直流-直流變換器；圖8是具有圖4基本變換電路的複合型有源鉗位直流-直流變換器；圖9是具有圖5基本變換電路的複合型有源鉗位直流-直流變換器；圖10是具有圖6基本變換電路的複合型有源鉗位直流-直流變換器。
具體實施例方式
圖3、圖4所示的基本變換電路包括主開關管M1、二極體D2、輔助開關管M3、鉗位電容Cc及輔助電感L1，其中輔助開關M3與鉗位電容Cc的串聯電路與輔助電感L1並聯後的一端與主開關管M1相連，另一端與二極體相連，兩並聯端中的任一端3及主開關管M1的另一端1，二極體的另一端2分別為基本變換電路在變換器中的連接端。
圖5、圖6所示的基本變換電路為輔助開關M3與鉗位電容Cc的串聯電路與主開關管M1與二極體D2的串聯電路並聯，兩並聯端中的任一端接輔助電感L1，並聯端中的另一端及輔助電感L1的另一端和主開關管M1與二極體的接點3分別為基本變換電路在變換器中的連接端。
將圖2的6種常規直流-直流變換器中的如圖1所示基本變換電路，按照對應連接端的連接關係替代成為圖3所示的基本變換電路，就可得到如圖7的a)、b)、c)、d)、e)、f)所示的本發明的6種複合型有源鉗位直流-直流變換器。
將圖2的6種常規直流-直流變換器中的如圖1所示基本變換電路，按照對應連接端的連接關係替代成為圖4所示的基本變換電路，就可得到如圖8的a)、b)、c)、d)、e)、f)所示的本發明的6種複合型有源鉗位直流-直流變換器。
將圖2的6種常規直流-直流變換器中的如圖1所示基本變換電路，按照對應連接端的連接關係替代成為圖5所示的基本變換電路，就可得到如圖9的a)、b)、c)、d)、e)、f)所示的本發明的6種複合型有源鉗位直流-直流變換器。
將圖2的6種常規直流-直流變換器中的如圖1所示基本變換電路，按照對應連接端的連接關係替代成為圖6所示的基本變換電路，就可得到如圖10的a)、b)、c)、d)、e)、f)所示的本發明的6種複合型有源鉗位直流-直流變換器。
本發明的複合型有源鉗位直流-直流變換器工作時，主開關管M1同相應的常規直流-直流變換器中的開關管的控制方式相同。輔助開關管M3的開關頻率和主開關管M1的開關頻率相同，它在M1與D2共通階段結束且其兩端電壓自然下降到零後被驅動開通，並在主開關管M1驅動開通之前被關斷。
權利要求
1.複合型有源鉗位直流-直流變換器，是具有三個連接端基本變換電路的buck變換器，其特徵是所說的基本變換電路包括主開關管[M1]、二極體[D2]、輔助開關管[M3]、鉗位電容[Cc]及輔助電感[L1]，其中輔助開關[M3]與鉗位電容[Cc]的串聯電路與輔助電感[L1]並聯後的一端與主開關管[M1]相連，另一端與二極體相連，兩並聯端中的任一端[3]及主開關管[M1]的另一端[1]，二極體的另一端[2]分別為基本變換電路在變換器中的連接端，或者輔助開關[M3]與鉗位電容[Cc]的串聯電路與主開關管[M1]與二極體[D2]的串聯電路並聯，兩並聯端中的任一端接輔助電感[L1]，並聯端中的另一端及輔助電感[L1]的另一端和主開關管[M1]與二極體[D2]的接點分別為基本變換電路在變換器中的連接端。
2.複合型有源鉗位直流-直流變換器，是具有三個連接端基本變換電路的boost變換器，其特徵是所說的基本變換電路包括主開關管[M1]、二極體[D2]、輔助開關管[M3]、鉗位電容[Cc]及輔助電感[L1]，其中輔助開關[M3]與鉗位電容[Cc]的串聯電路與輔助電感[L1]並聯後的一端與主開關管[M1]相連，另一端與二極體相連，兩並聯端中的任一端[3]及主開關管[M1]的另一端[1]，二極體的另一端[2]分別為基本變換電路在變換器中的連接端，或者輔助開關[M3]與鉗位電容[Cc]的串聯電路與主開關管[M1]與二極體[D2]的串聯電路並聯，兩並聯端中的任一端接輔助電感[L1]，並聯端中的另一端及輔助電感[L1]的另一端和主開關管[M1]與二極體[D2]的接點分別為基本變換電路在變換器中的連接端。
3.複合型有源鉗位直流-直流變換器，是具有三個連接端基本變換電路的buckboost變換器，其特徵是所說的基本變換電路包括主開關管[M1]、二極體[D2]、輔助開關管[M3]、鉗位電容[Cc]及輔助電感[L1]，其中輔助開關[M3]與鉗位電容[Cc]的串聯電路與輔助電感[L1]並聯後的一端與主開關管[M1]相連，另一端與二極體相連，兩並聯端中的任一端[3]及主開關管[M1]的另一端[1]，二極體的另一端[2]分別為基本變換電路在變換器中的連接端，或者輔助開關[M3]與鉗位電容[Cc]的串聯電路與主開關管[M1]與二極體[D2]的串聯電路並聯，兩並聯端中的任一端接輔助電感[L1]，並聯端中的另一端及輔助電感[L1]的另一端和主開關管[M1]與二極體[D2]的接點分別為基本變換電路在變換器中的連接端。
4.複合型有源鉗位直流-直流變換器，是具有三個連接端基本變換電路的Cuk變換器，其特徵是所說的基本變換電路包括主開關管[M1]、二極體[D2]、輔助開關管[M3]、鉗位電容[Cc]及輔助電感[L1]，其中輔助開關[M3]與鉗位電容[Cc]的串聯電路與輔助電感[L1]並聯後的一端與主開關管[M1]相連，另一端與二極體相連，兩並聯端中的任一端[3]及主開關管[M1]的另一端[1]，二極體的另一端[2]分別為基本變換電路在變換器中的連接端，或者輔助開關[M3]與鉗位電容[Cc]的串聯電路與主開關管[M1]與二極體[D2]的串聯電路並聯，兩並聯端中的任一端接輔助電感[L1]，並聯端中的另一端及輔助電感[L1]的另一端和主開關管[M1]與二極體[D2]的接點分別為基本變換電路在變換器中的連接端。
5.複合型有源鉗位直流-直流變換器，是具有三個連接端基本變換電路的SEPIC變換器，其特徵是所說的基本變換電路包括主開關管[M1]、二極體[D2]、輔助開關管[M3]、鉗位電容[Cc]及輔助電感[L1]，其中輔助開關[M3]與鉗位電容[Cc]的串聯電路與輔助電感[L1]並聯後的一端與主開關管[M1]相連，另一端與二極體相連，兩並聯端中的任一端[3]及主開關管[M1]的另一端[1]，二極體的另一端[2]分別為基本變換電路在變換器中的連接端，或者輔助開關[M3]與鉗位電容[Cc]的串聯電路與主開關管[M1]與二極體[D2]的串聯電路並聯，兩並聯端中的任一端接輔助電感[L1]，並聯端中的另一端及輔助電感[L1]的另一端和主開關管[M1]與二極體[D2]的接點分別為基本變換電路在變換器中的連接端。
6.複合型有源鉗位直流-直流變換器，是具有三個連接端基本變換電路的Zeta變換器，其特徵是所說的基本變換電路包括主開關管[M1]、二極體[D2]、輔助開關管[M3]、鉗位電容[Cc]及輔助電感[L1]，其中輔助開關[M3]與鉗位電容[Cc]的串聯電路與輔助電感[L1]並聯後的一端與主開關管[M1]相連，另一端與二極體相連，兩並聯端中的任一端[3]及主開關管[M1]的另一端[1]，二極體的另一端[2]分別為基本變換電路在變換器中的連接端，或者輔助開關[M3]與鉗位電容[Cc]的串聯電路與主開關管[M1]與二極體[D2]的串聯電路並聯，兩並聯端中的任一端接輔助電感[L1]，並聯端中的另一端及輔助電感[L1]的另一端和主開關管[M1]與二極體[D2]的接點分別為基本變換電路在變換器中的連接端。
全文摘要
本發明的複合型有源鉗位直流－直流變換器是採用具有主開關管、二極體、輔助開關管、鉗位電容及輔助電感組成的基本變換電路去替代buck、boost、buckboost、Cuk、SEPIC、Zeta等6種常規的直流－直流變換器中的基本變換電路而構成。本發明結構簡單,成本低,能有效抑制二極體的反向恢復電流,變換器的主開關和輔助開關均為零電壓開關工作,工作效率較高。並且變換器的開關管關斷後所承受的電壓應力比常規有源鉗位變換器中的小;變換器的二極體關斷後其兩端電壓被鉗位,沒有電壓振蕩和超調,對器件要求明顯降低,變換器鉗位電容的電壓應力也比常規有源鉗位變換器中的小。
文檔編號H02M3/335GK1352487SQ01132208
公開日2002年6月5日 申請日期2001年11月13日 優先權日2001年11月13日
發明者陳剛, 徐德鴻, 馮波, 汪槱生 申請人:浙江大學