一種軟開關(guān)dc-dc變換電路的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種軟開關(guān)DC-DC變換電路，包括直流輸入端、直流輸出端。直流輸入端(Uin)的正極性與負載(R)之間串聯(lián)的有主開關(guān)管(S1)和濾波電感(L)；主開關(guān)管(S1)與濾波電感(L)的連接點與直流輸入端(Uin)的負極性之間連接的有續(xù)流二極管(D)、電感(Lr)和二極管(D2)和電容(C3)的串聯(lián)支路，電阻(R)與電容(C)并聯(lián)；主開關(guān)管(S1)并聯(lián)的有電容(C1)、二極管(D1)，輔助開關(guān)管(S2)與電容C2并聯(lián)；主開關(guān)管(S1)和輔助開關(guān)管(S2)都為軟開關(guān)。主開關(guān)管(S1)是ZCS且ZVS開啟和ZVS關(guān)斷，輔助開關(guān)管(S2)是ZVS開啟和ZVS關(guān)斷，續(xù)流二極管(D)是ZVS開啟和ZCS關(guān)斷；在占空比調(diào)節(jié)范圍內(nèi)都能實現(xiàn)軟開關(guān)。
【專利說明】—種軟開關(guān)DC-DC變換電路

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種DC-DC變換電路，尤其涉及一種降壓斬波變換電路。

【背景技術(shù)】
[0002]無刷直流電動機具有體積小、效率高等優(yōu)點，在許多領(lǐng)域已經(jīng)得到了廣泛的應用。在過去的十幾年里，無刷直流電機的發(fā)展主要集中在控制方法的研究和拓撲結(jié)構(gòu)的設(shè)計及優(yōu)化上，然而，大部分無刷直流電機的變換電路拓撲結(jié)構(gòu)都是利用硬開關(guān)技術(shù)，這就相應的導致很大的開關(guān)損耗和電磁干擾，同時為了使變換電路的體積減小，增加開關(guān)頻率是唯一的辦法，但這也相應的帶來損耗增大，而軟開關(guān)技術(shù)可以解決這些問題。雖然設(shè)計出各種各樣的軟開關(guān)變換電路，比如零電壓開關(guān)諧振電路、零電壓開關(guān)電路、零電流轉(zhuǎn)換電路等，但是針對無刷直流電機的特點，要求電流小，響應快，轉(zhuǎn)矩脈動平穩(wěn)、諧波成分少，損耗低，負載變化范圍大及占空比調(diào)節(jié)范圍寬等要求，各種軟開關(guān)變換電路都有各自的缺點，并沒有在無刷直流電機上得到廣泛應用。零電壓開關(guān)準諧振電路(ZVS-QRC)，電流應力雖然小，但是電壓應力大，而且電壓應力與負載成正比關(guān)系，它只適合應用于輸入電壓和負載變化范圍窄的電路。零電壓開關(guān)多諧振電路(ZVS-MRC)，雖然電壓應力小，負載范圍寬，但是導通損耗較大。諧振直流環(huán)電路(RDCLI)雖然電壓電流應力小,負載范圍大,但是它的控制原理復雜，存在電磁轉(zhuǎn)矩脈動和非導通相續(xù)流的現(xiàn)象，而且輸出電路中含有分頻諧波。零電壓轉(zhuǎn)換電路(ZVT)，諧振回路不在主回路上，雖然這樣可以有效的減少損耗，但是對功率管的選擇有一定的限制。零電流轉(zhuǎn)換電路(ZCT)，開關(guān)導通和關(guān)斷損耗都很小，可以實現(xiàn)ZCS，電流電壓應力也很小，但是它使用的器件多，控制過程復雜。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0003]本發(fā)明的技術(shù)解決問題是:針對無刷直流電動機的特點和變換電路的不足，提供一種損耗低、效率高、控制簡單的軟開關(guān)DC-DC變換電路。
[0004]本發(fā)明解決技術(shù)問題所采用的技術(shù)方案是:
[0005]本發(fā)明軟開關(guān)DC-DC變換電路，包括直流輸入端和直流輸出端，其特征在于直流輸入端(Uin)的正極性與第一開關(guān)管(S1)的集電極、第二開關(guān)管(S2)的集電極相連，第一開關(guān)管(S1)與第一電容(C1)、第一二極管(D1)并聯(lián)，第二開關(guān)管(S2)與第二電容(C2)并聯(lián)，電感(LJ的兩端與第一開關(guān)管(S1)的發(fā)射極和第二開關(guān)管(S2)的發(fā)射極相連，第二二極管(D2)與第三電容(C3)和電感(Lr)串聯(lián)，第一二極管(D1)的陰極與直流輸入端(Uin)的正極性相連，第二二極管(D2)的陽極與第三電容(C3)相連，第三二極管(D)的陰極與第一開關(guān)管(S1)的發(fā)射極相連，第三二極管(D)的陽極與直流輸入端(Uin)的負極性相連，電感(L)的兩端與第一開關(guān)管(S1)的發(fā)射極和負載(R)相連，第四電容(C)與負載(R)并聯(lián)。
[0006]本發(fā)明軟開關(guān)DC-DC變換電路拓撲結(jié)構(gòu)如圖1所示，下面對本發(fā)明的工作原理做詳細的描述:
[0007]為簡化分析過程，先做一下基本假設(shè):
[0008](I)變換電路工作在穩(wěn)定狀態(tài)；
[0009](2)所有功率開關(guān)、二極管都為理想器件；
[0010](3)電感、電容均為理想儲能元件；
[0011](4)輸入電壓恒定；
[0012](5)輸出濾波電感足夠大，使得流過濾波電感的電流可以看成恒流I。;
[0013](6)諧振電感遠遠小于濾波電感；
[0014]在一個開關(guān)周期，假設(shè)該電路工作在連續(xù)工作模式下，本發(fā)明可分為7個工作狀態(tài)，其各個工作狀態(tài)的等效電路圖如圖2a — 2g所示。
[0015]工作階段Utci, tj:在h時刻之前，開關(guān)管Sp S2都處于關(guān)斷狀態(tài)，其等效電路如圖2a所示，電感L通過二極管D續(xù)流,此時，isl = O、iS2 = O、iLr = O、Uc2 = Uin0 t = tQ時亥lj，S1導通，由于電感L的存在，開關(guān)管S1的電流受到限制，不能立即突變，實現(xiàn)零電流導通，同時，電感L中的電流U線性上升。因為電感L的取值相對較大，其電流k近似恒定，即有^ = Itl,所以主二極管D中的電流隨著isl的上升而線性下降，isl與iD可表示為:
[0016]is,U) =YlU-^o)(O
[0017](O = h(2j


L丨
[0018]這一階段持續(xù)時間為:
[0019]T01 =^-(3)

U in
[0020]在這個階段開關(guān)管S1零電流導通，即開關(guān)管S1開通損耗為零。
[0021]工作階段2Iit1, t2]:t = 時刻,= 10, iD(t!) = O,其等效電路如圖2b所示，二極管D為零電流關(guān)斷。此后，電容C2和電感L發(fā)生串聯(lián)諧振，諧振電感L的電流和電容C2端電壓表達式如下:
[0022]I, V) =-11)(4)

zP
[0023]uC2 (t) = UinCos ω (t-tj(5)
[0024]其中，
[0025]當Uc2降為零時，Lr上的電流達到最大值&■ = ，此時電容C2上的儲能全部




乙P
轉(zhuǎn)移到諧振電感L上，諧振電感L上的電流增量Λ k滿足下面方程:
[0026]*C2Ul2 (O = iC2Ul = ^LrAll(6)
[0027]在這個階段二極管D為零電流關(guān)斷，所以二極管D關(guān)斷損耗為零。
[0028]工作階段3[t2，t3]:當t = t2時,隊2降為零,其等效電路如圖2c所示,此時輔助開關(guān)管S2的導通為ZVS開啟。
[0029]在這個階段開關(guān)管S2為零電壓開通，所以開關(guān)管S2的開通損耗為零。
[0030]工作階段4[t3，t4]:在t = t3時,關(guān)斷開關(guān)S1,其等效電路如圖1d所示。
[0031]此時，由等效電路圖可知，電容C1和主開關(guān)S1是并聯(lián)的，并且電容C1兩端的電壓是緩慢上升的，所以開關(guān)S1是ZVS關(guān)斷。
[0032]在這個階段開關(guān)管S1是ZVS關(guān)斷，所以開關(guān)管S1關(guān)斷損耗為零。
[0033]工作階段5 [t4, t5]:在這個階段，該電路和傳統(tǒng)的BUCK電路工作狀態(tài)相同，電路通過一個開關(guān)管S2進行工作，其等效電路如圖2e所示。
[0034]工作階段6[t5，t6]:當t = t5W，關(guān)斷開關(guān)管S2，其等效電路如圖1f所示，此時開始向電容C2充電，其端電壓緩慢上升，所以開關(guān)管S2近似實現(xiàn)了 ZVS關(guān)斷。當Uci (t) +Uc3⑴=Uin 時,二極管 D2 是 ZVS 開啟。在 t = t6 時，Ucl(t6) =Uin, Uc3 (t6) =0，二極管 D2 實現(xiàn)了ZVS關(guān)斷。
[0035]在這個階段開關(guān)管S2為ZVS關(guān)斷，所以開關(guān)管S2關(guān)斷損耗為零，同時二極管D2為零電壓開通和關(guān)斷，所以二極管D2的開通和關(guān)斷損耗也為零。
[0036]工作階段7[t6，t7]:t = t6時，CpC2X3的兩端電壓都為零，其等效電路如圖2g所示，此時續(xù)流二極管D續(xù)流，實現(xiàn)了 ZVS開啟，這個階段和傳統(tǒng)的BUCK電路工作狀況相同。t = &時，開關(guān)管S2再次開啟，開始進入下一個開關(guān)周期循環(huán)。
[0037]在這個階段二極管D為ZVS開啟，所以二極管D開通損耗為零。
[0038]本發(fā)明的優(yōu)點是在實現(xiàn)電路功能的同時，所有功率開關(guān)管均為軟開關(guān)，大大的降低了開關(guān)管的開通和關(guān)斷損耗，并且功率開關(guān)管的電流、電壓應力較小，開關(guān)管的導通損耗也得到降低，同時該電路結(jié)構(gòu)簡單、控制方便，能在整個占空比調(diào)節(jié)范圍內(nèi)實現(xiàn)軟開關(guān)。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0039]圖1為本發(fā)明軟開關(guān)DC-DC變換電路的拓撲結(jié)構(gòu)；
[0040]圖2a為本發(fā)明軟開關(guān)DC-DC變換電路工作階段I的等效電路圖；
[0041]圖2b為本發(fā)明軟開關(guān)DC-DC變換電路工作階段2的等效電路圖；
[0042]圖2c為本發(fā)明軟開關(guān)DC-DC變換電路工作階段3的等效電路圖；
[0043]圖2d為本發(fā)明軟開關(guān)DC-DC變換電路工作階段4的等效電路圖；
[0044]圖2e為本發(fā)明軟開關(guān)DC-DC變換電路工作階段5的等效電路圖；
[0045]圖2f為本發(fā)明軟開關(guān)DC-DC變換電路工作階段6的等效電路圖；
[0046]圖2g為本發(fā)明軟開關(guān)DC-DC變換電路工作階段7的等效電路圖；
[0047]圖3為本發(fā)明軟開關(guān)DC-DC變換電路中主開關(guān)管S1及輔助開關(guān)管S2的驅(qū)動信號波形圖；

【具體實施方式】
[0048]本發(fā)明軟開關(guān)DC-DC變換電路較佳的實施方式如圖1所示，包括直流輸入端、直流輸出端，直流輸入端與直流輸出端之間設(shè)有正極線路和負極線路，正極線路上串聯(lián)的有主開關(guān)管S1和濾波電感L，輔助開關(guān)管S2并聯(lián)的有電容C2,主開關(guān)管S1并聯(lián)的有二極管D1,主開關(guān)管S1與濾波電感L的連接點與直流輸入電源Uin的負極性之間連接的有續(xù)流二極管D，續(xù)流二極管D并聯(lián)的有濾波電感L與濾波電容C組成的串聯(lián)支路、諧振電感L和二極管D2和電容C3組成的串聯(lián)支路。主開關(guān)管S1和輔助開關(guān)管S2分別為軟開關(guān)。
[0049]在圖1中，L是濾波電感，Lr是諧振電感，且L>>L A1是主開關(guān)管，S2是輔助開關(guān)管，D是續(xù)流二極管，R是無刷直流電機的穩(wěn)態(tài)等效負載。在該拓撲結(jié)構(gòu)中主開關(guān)管S1實現(xiàn)了 ZCS (零電流開關(guān))且ZVS (零電壓開關(guān))開啟和ZVS關(guān)斷，輔助開關(guān)管S2實現(xiàn)了 ZVS開啟和ZVS關(guān)斷，續(xù)流二極管D實現(xiàn)了 ZVS開啟和ZCS關(guān)斷。
[0050]如圖3所示，分別為主開關(guān)管S1和輔助開關(guān)管S2的驅(qū)動信號波形，從圖中可知主開關(guān)管S1提前輔助開關(guān)管S2開啟，為輔助開關(guān)管S2的ZVS開啟創(chuàng)造條件，當主開關(guān)管S1開啟時，由于有濾波電感L和諧振電感L的存在，主開關(guān)管S1的電流不能立即突變，所以主開關(guān)管S1為ZCS開啟；當諧振電感L和諧振電容C2發(fā)生諧振時，這一時刻輔助開關(guān)管S2兩端電壓為零，此時打開輔助開關(guān)管S2為ZVS開啟，又由于輔助開關(guān)管S2的電流也為零，所以輔助開關(guān)管S2也為ZCS開啟；當主開關(guān)S1關(guān)斷時，電容C1兩端電壓緩慢上升，所以主開關(guān)S1為ZVS關(guān)斷；當關(guān)斷輔助開關(guān)S2時，開始向電容C2充電，電容C2兩端電壓緩慢上升，所以輔助開關(guān)S2為ZVS關(guān)斷。
[0051]總之，本發(fā)明拓撲結(jié)構(gòu)中的功率開關(guān)管S1、S2都為軟開關(guān)，所以具有較小的功率損耗，較高的效率。
[0052]下面對本發(fā)明軟開關(guān)的實現(xiàn)條件做詳細描述:
[0053](I)要實現(xiàn)該電路從空載到負載整個負載范圍內(nèi)能實現(xiàn)軟開關(guān)條件，就必須滿足不等式:
[0054]4.^—(9)
[0055]Ianiax為輸出濾波電感電流最大值。
[0056](2)如果二極管D1不存在導通延時以及開關(guān)S1不存在漏電流的話，在模態(tài)3的任何時間開啟開關(guān)S2都為零電壓和零電流導通。
[0057](3)開關(guān)管S1應該在t5時刻之前關(guān)斷，如果在t5時刻仍然不關(guān)斷，則在電感L和電容C3上則出現(xiàn)電路振蕩，同時開關(guān)管S2的電流快速增加，顯著的增加了開關(guān)管S1的導通損耗和關(guān)斷損耗。
[0058]下面對本發(fā)明軟開關(guān)電路參數(shù)的設(shè)計做詳細的描述:
[0059](I)電感L的選擇
[0060]要求電路工作在連續(xù)工作模式下，高頻狀況下電感中大部分諧波電流都被濾波電容C吸收，因此，輸出濾波電感不能選的太小，否則，會使電感電流脈動急劇增大，流過開關(guān)管的最大電流也會增加，使開關(guān)管的工作狀態(tài)惡化。在給定許可的最大電感電流脈動為Aipp，輸出濾波電感L需要滿足:
[0061](10)
[0062]1 -1J' °('')

PP J ^
[0063]fs為開關(guān)頻率，D為占空比。
[0064](2)電容C的選擇
[0065]輸出電容C由下式求出:
_6] C~iu^u:(]-D)(12)
[0067]AUtl為輸出紋波分量。
[0068](3)諧振電感Lr的選擇
[0069]首先，Lr不應該取得過大，否則會使工作階段2的時間過長，這樣就限制了開關(guān)的工作頻率，它也不能取得太小，L太小時，ΛΙ&會很大，這樣就增加了開關(guān)管的導通損耗。
在工程設(shè)計中，一般At1 = (tft) = 0.02DS1TS,這樣可以根據(jù)⑴式計算出Lr的值:

【權(quán)利要求】
1.一種軟開關(guān)DC-DC變換電路，包括直流輸入端和直流輸出端，其特征在于直流輸入端(Uin)的正極性與第一開關(guān)管(S1)的集電極、第二開關(guān)管(S2)的集電極相連，第一開關(guān)管(S1)與第一電容(C1)、第一二極管(D1)并聯(lián),第二開關(guān)管(S2)與第二電容(C2)并聯(lián)，電感(LJ的兩端與第一開關(guān)管(S1)的發(fā)射極和第二開關(guān)管(S2)的發(fā)射極相連，第二二極管(D2)與第三電容(C3)和電感(Lr)串聯(lián)，第一二極管(D1)的陰極與直流輸入端(Uin)的正極性相連，第二二極管(D2)的陽極與第三電容(C3)相連，第三二極管(D)的陰極與第一開關(guān)管(S1)的發(fā)射極相連，第三二極管(D)的陽極與直流輸入端(Uin)的負極性相連，電感(L)的兩端與第一開關(guān)管(S1)的發(fā)射極和負載(R)相連，第四電容(C)與負載(R)并聯(lián)。第二電容(C2)與諧振電感(LJ組成諧振電路。
2.如權(quán)利要求1所述的軟開關(guān)變換電路，其特征在于:開關(guān)器件SpS2S可控性功率器件，D、Dp D2、為快恢復性二極管。
3.如權(quán)利要求1所述的軟開關(guān)變換電路，其特征在于:濾波電感L大于諧振電感LJOO倍以上。
【文檔編號】H02M3/155GK104201884SQ201410468763
【公開日】2014年12月10日 申請日期:2014年9月15日 優(yōu)先權(quán)日:2014年9月15日
【發(fā)明者】馮佳佳 申請人:北京航天新風機械設(shè)備有限責任公司