本實(shí)用新型涉及電子電路領(lǐng)域，尤其涉及DC-DC變換技術(shù)的軟開關(guān)電路。

背景技術(shù)：

目前DC-DC變換電路得到了廣泛的應(yīng)用。這里簡(jiǎn)單介紹現(xiàn)有DC-DC變換電路的工作原理。如圖1所示為現(xiàn)有兩路交錯(cuò)Boost DC-DC變換電路的結(jié)構(gòu)示意圖。兩路交錯(cuò)的DC-DC變換電路，2個(gè)橋臂交錯(cuò)180°工作，開關(guān)元件可選MOSFET或 IGBT。參考圖2，以L1連接的橋臂為例，當(dāng)開關(guān)元件Q2閉合時(shí)，電流回路流經(jīng)L1、Q2，此時(shí)電感L1進(jìn)行儲(chǔ)能，流經(jīng)電感L1的電流線性上升。在開關(guān)元件Q2的關(guān)斷時(shí)間內(nèi)，電流回路經(jīng)過L1、Q1、電容C，此時(shí)電感L1釋放能量，流經(jīng)電感L1的電流會(huì)線性下降。直到流經(jīng)Q1電流下降為零或接近零，然后需要開通開關(guān)元件Q2?，F(xiàn)在開通開關(guān)元件Q2一般有兩種方法。

方法一：固定死區(qū)時(shí)間的方法。計(jì)算極間電容與電感L1的諧振時(shí)間，按固定的輸入電壓，輸出電壓，電感初始電流值設(shè)置死區(qū)時(shí)間開通Q2。如圖3所示,t1時(shí)刻Q1 電流降為零，在固定的時(shí)間間隔后，于t2時(shí)刻開通Q2。但是此方法有一定的不足，由于器件的離散性和溫度，極間電壓等影響，開關(guān)元件兩端的電容很難精確估計(jì)，造成其與電感的諧振周期在實(shí)際應(yīng)用中很難精確計(jì)算。如果諧振周期過長或過短，當(dāng) Q2閉合時(shí)，其兩端電壓有可能很高，造成較大的損耗，喪失了該拓?fù)涞膬?yōu)越性。其次，Q2兩端電壓達(dá)到諧振的最低值的時(shí)間與輸入電壓和母線電壓及電感反向電流都有關(guān)系，輸入電壓低，母線電壓高，電感反向電流小都會(huì)造成Q2兩端電壓達(dá)到諧振最低點(diǎn)的時(shí)間變長，若工作條件發(fā)生變化，Q2閉合時(shí)，其兩端電壓也有可能很高，造成較大的損耗。

方法二：橋臂中點(diǎn)電壓檢測(cè)的方法。檢測(cè)橋臂中點(diǎn)電壓，當(dāng)電壓低于閾值電壓時(shí)，開通開關(guān)元件Q2。如圖4中所示，t1時(shí)刻Q2電流降為零，開關(guān)元件兩端電壓不斷下降，t2(t2’)時(shí)刻達(dá)到所設(shè)定的閾值電壓U1時(shí)，開通開關(guān)元件Q2。此種方法也有一定的缺陷，因?yàn)镼2兩端電壓諧振的最低值與輸入電壓和母線電壓及電感反向電流都有關(guān)系，輸入電壓高，母線電壓低，電感反向電流小都會(huì)造成Q2兩端電壓諧振的最低點(diǎn)升高。所以為了使Q2在工作范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)損耗的優(yōu)化，閾值電壓不能設(shè)置很低。如圖4中所示，根據(jù)虛線情況下設(shè)定閾值電壓U1，這種電壓條件下可以實(shí)現(xiàn)最低電壓時(shí)閉合Q2。但是在其他電壓條件下，此前設(shè)定的閾值電壓U1并不是電容諧振時(shí)兩端的最低電壓，如圖中實(shí)線所示，當(dāng)電壓下降到閾值電壓U1時(shí)就開通了Q2，但此時(shí)電容兩端電壓未降到最低值，此時(shí)開通Q2造成的開關(guān)損耗較大。由此可以看出，此方法在大多數(shù)情況下并沒有使開關(guān)損耗最小化，部分情況下仍有較大的開關(guān)損耗。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

針對(duì)上述技術(shù)問題，本實(shí)用新型提出了DC-DC變換軟開關(guān)電路，當(dāng)流經(jīng)開關(guān)元件的電流為零時(shí)閉合開關(guān)元件，實(shí)現(xiàn)開關(guān)元件在零電壓或最低電壓時(shí)開通，最大化降低開關(guān)損耗。

本實(shí)用新型提出了一種DC-DC變換軟開關(guān)電路，其包含電源部，功率部和控制部。其中電源部與功率部連接在一起，電源部為功率部提供電能。功率部包含一路或者多路交錯(cuò)的DC-DC變換電路，其中每一路電路中含有一個(gè)電感，一對(duì)開關(guān)元件，至少一個(gè)與一對(duì)開關(guān)元件兩端并聯(lián)的電容。電感的一端與電源部相連，另一端連接一對(duì)開關(guān)元件，功率部中上橋臂開關(guān)元件的另一端接電容的一端，功率部中下橋臂開關(guān)元件的另一端連接到電容的另一端。控制部包括電流采樣元件和電流比較控制器，電流采樣元件采樣所述功率部中的上下橋臂電流；當(dāng)檢測(cè)到流經(jīng)上橋臂的電流為負(fù)電流并達(dá)到閾值時(shí)，所述電流比較控制器關(guān)斷所述上橋臂開關(guān)元件；在關(guān)斷上橋臂開關(guān)元件后，電流采樣元件采樣所述功率部中的每個(gè)開關(guān)元件的電流，當(dāng)流經(jīng)上橋臂或下橋臂的電流達(dá)到零或接近零時(shí)，電流比較控制器閉合下橋臂開關(guān)元件。

本實(shí)用新型采用電流檢測(cè)的方法來控制開關(guān)元件的開通，能夠?qū)崿F(xiàn)開關(guān)元件的軟開關(guān)，而且即便開關(guān)元件兩端電容諧振時(shí)最低電壓大于零，其兩端存在電壓，也能保證在最低電壓時(shí)開通開關(guān)元件，最大化減小開關(guān)損耗。

附圖說明

圖1為現(xiàn)有的兩路交錯(cuò)的DC-DC變換電路的結(jié)構(gòu)圖。

圖2為現(xiàn)有的兩路交錯(cuò)的DC-DC變換電路中電感L1的電流波形以及Q1、Q2的驅(qū)動(dòng)電壓波形圖。

圖3為現(xiàn)有的兩路交錯(cuò)的DC-DC變換電路中采用固定死區(qū)時(shí)間方法的極間電容諧振時(shí)其兩端電壓的波形圖。

圖4為現(xiàn)有的兩路交錯(cuò)的DC-DC變換電路中橋臂中點(diǎn)電壓檢測(cè)方法的極間電容諧振時(shí)其兩端電壓的波形圖。

圖5為根據(jù)本實(shí)用新型實(shí)施例的兩路交錯(cuò)DC-DC變換電路的結(jié)構(gòu)圖。

圖6為根據(jù)本實(shí)用新型實(shí)施例的DC-DC變換電路中Q1關(guān)斷，Q2開通時(shí)電流流向圖。

圖7為根據(jù)本實(shí)用新型實(shí)施例的DC-DC變換電路中Q2關(guān)斷，Q1未開通時(shí)電流流向圖。

圖8(a)為根據(jù)本實(shí)用新型實(shí)施例的DC-DC變換電路中Q2關(guān)斷，Q1未開通時(shí)的等效電路圖，圖8(b)為電容C1，C2的電壓波形圖。

圖9為根據(jù)本實(shí)用新型實(shí)施例的DC-DC變換電路中Q1開通，Q2關(guān)斷時(shí)正向電流流向圖。

圖10為根據(jù)本實(shí)用新型實(shí)施例的DC-DC變換電路中Q1開通，Q2關(guān)斷時(shí)負(fù)向電流流向圖。

圖11為根據(jù)本實(shí)用新型實(shí)施例的DC-DC變換電路中Q1關(guān)斷，Q2未開通時(shí)電流流向圖。

圖12為根據(jù)本實(shí)用新型實(shí)施例的DC-DC變換電路中情況一時(shí)電容C2諧振的電壓電流波形圖。

圖13為根據(jù)本實(shí)用新型實(shí)施例的DC-DC變換電路中情況二時(shí)電容C2諧振的電壓電流波形圖。

圖14為根據(jù)本實(shí)用新型實(shí)施例的DC-DC變換電路中開關(guān)元件Q1和開關(guān)元件 Q2的驅(qū)動(dòng)波形以及電感L1的電流波形。

圖15為根據(jù)本實(shí)用新型實(shí)施例的N路交錯(cuò)的DC-DC變換電路的結(jié)構(gòu)圖。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合本實(shí)用新型實(shí)施例中的附圖，對(duì)本實(shí)用新型實(shí)施例中的技術(shù)方案進(jìn)行清楚，完整的描述，顯然，所描述的實(shí)例是本實(shí)用新型的一部分實(shí)施例，而不是所有例。

如圖5所示，本實(shí)用新型的軟開關(guān)電路包含電源部，功率部和控制部。其中電源部與功率部連接在一起，電源部為功率部提供電能。

在功率部中，包括一路或多路交錯(cuò)的DC-DC變換電路。以一路DC-DC變換電路為例，如圖5，其包含一個(gè)電感L1，一對(duì)開關(guān)元件(上橋臂開關(guān)元件Q1，下橋臂開關(guān)元件Q2)，以及至少一個(gè)電容C。電感L1的第一端與電源部分相連，L1的第二端通過開關(guān)元件Q1連接到電容C的一端；L1的第二端再通過開關(guān)元件Q2連接到電容C的另一端。同時(shí)開關(guān)元件Q1，Q2兩端還分別并聯(lián)一個(gè)電容，此電容與開關(guān)元件的輸出電容可合并看作C1，C2。開關(guān)元件(Q1，Q2)是絕緣柵型雙極型晶體管 (IGBT)或金屬氧化物半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)管(MOSFET)。

在電源部中，電源一端連接到電容C一端，另一端連接到電感L1。當(dāng)一路DC- DC變換電路有多個(gè)電容時(shí)，這些電容C可以并聯(lián)處理。

在控制部中，包括電流采樣元件和電流比較控制器。電流采樣元件中的電流采樣部分與開關(guān)元件(Q1，Q2)串聯(lián)以采樣每個(gè)開關(guān)元件的電流，電流采樣元件的采樣輸出信號(hào)與所述電流比較控制器的輸入端相連。電流采樣元件包括電阻或電流互感器 (Current Transformer,CT)或霍爾元件。

電流比較控制器由數(shù)字信號(hào)處理器(Digital Signal Progressing，DSP)，微控制單元 (Micro-Control Unit，MCU),復(fù)雜可編程邏輯器件(Complex Programmable Logic Device,CPLD),現(xiàn)場(chǎng)可編程門陣列(Field-Programmable Gate Array,FPGA)中的一種或多種組成。電流比較控制器的輸出端連接到每個(gè)開關(guān)元件(Q1，Q2)的柵極或門極，給控制器設(shè)置采樣電流的閾值，控制器根據(jù)電流采樣信息中電流的方向和大小來控制開關(guān)元件。即當(dāng)采樣電流達(dá)到閾值時(shí)，控制器將關(guān)斷或開啟開關(guān)元件。采用電流檢測(cè)的方法來控制開關(guān)元件的開通，能夠?qū)崿F(xiàn)開關(guān)元件的軟開關(guān)，而且即便開關(guān)元件兩端電容諧振時(shí)最低電壓大于零，其兩端存在電壓，也能保證在最低電壓時(shí)開通開關(guān)元件，最大化減小開關(guān)損耗。以圖5的DC-DC變換電路中，電感L1連接的橋臂為例，說明本實(shí)用新型實(shí)施例的DC-DC變換電路的控制方法,其中電容C1，C2為開關(guān)元件的輸出電容與并聯(lián)電容的等效電容。

如圖6所示,在開關(guān)元件Q2的導(dǎo)通時(shí)間內(nèi)，電流回路經(jīng)過電感L1、開關(guān)元件 Q2，此時(shí)電感L1儲(chǔ)能，流過電感L1的電流線性上升。

如圖7所示，當(dāng)開關(guān)元件Q2關(guān)斷，開關(guān)元件Q1尚未開通時(shí)，電感L1上仍有電流，電流回路通過L1，電容C2，此時(shí)電容C2充電，電容C2兩端的電壓Uc2上升；同時(shí)電流流經(jīng)電容C1，電容C1放電，Uc1下降。直到電容C1,C2充放電完畢，即Uc1＝0,Uc2＝Uc,二極管D1導(dǎo)通，此時(shí)開通開關(guān)元件Q1，實(shí)現(xiàn)開關(guān)元件的零電壓開通，此階段等效電路圖及C1，C2的電壓波形如圖8(a)、圖8(b)所示。

當(dāng)開關(guān)元件Q1導(dǎo)通后，電流回路經(jīng)過電感L1，開關(guān)元件Q1，電容C，如圖9 所示。此時(shí)開關(guān)元件Q1在導(dǎo)通時(shí)間內(nèi)會(huì)一直導(dǎo)通，從而電感L1的電流會(huì)線性下降。開關(guān)元件Q1會(huì)一直下降到負(fù)電流，即L1上會(huì)有負(fù)向電流，此時(shí)電路如圖10。

當(dāng)控制部檢測(cè)到上橋臂電流下降到負(fù)電流并達(dá)到閾值時(shí)，控制器關(guān)斷開關(guān)元件 Q1。此時(shí)開關(guān)元件Q1關(guān)斷，開關(guān)元件Q2未導(dǎo)通，電感L1上仍有電流，電流流過電容C1，C2，電容C1充電，Uc1上升；電容C2放電，Uc2下降，此時(shí)電路中電流流向如圖11所示。開關(guān)元件Q2的開通采用電流檢測(cè)的方法，即檢測(cè)流經(jīng)上橋臂 (或下橋臂)的電流，當(dāng)其下降到零或接近零時(shí)，閉合開關(guān)元件Q2。下面根據(jù)電容諧振的2種情況配圖說明。

情況1：電容C2諧振時(shí)兩端最低電壓能到零電壓，C2的諧振電壓波形如圖12 所示，t1時(shí)刻關(guān)斷開關(guān)元件Q1，電容C2放電后兩端電壓能降為零，Uc1＝Uc， Uc2＝0，此時(shí)開關(guān)元件Q2的體二極管導(dǎo)通，開關(guān)元件Q2兩端電壓近似為零。當(dāng)流經(jīng)開關(guān)元件Q1的電流減小到零，當(dāng)控制部分檢測(cè)到流過上橋臂電流i1或下橋臂電流 i2減小為零時(shí)開通開關(guān)元件Q2，實(shí)現(xiàn)開關(guān)元件的零電壓開通。

情況2：電容C2諧振時(shí)兩端最低電壓不能降至零。當(dāng)輸入電壓升高，BUS電壓降低，電感反向電流偏小等，會(huì)導(dǎo)致電容諧振最低電壓升高的情況。當(dāng)最低電壓大于零時(shí)，此情況的電容C2的諧振電壓波形圖如圖13所示，t1時(shí)刻關(guān)斷開關(guān)元件Q1，此后電壓減小，電流也逐漸下降，在t2(t2’，t2”)時(shí)刻流經(jīng)下橋臂的電流i2降至零，開關(guān)元件Q2兩端電壓降至最低電壓Umin(Umin’，Umin”)，此時(shí)閉合開關(guān)元件Q2，使開關(guān)損耗降到最小。從圖中也可以看出，無論什么情況下，當(dāng)電流降至零時(shí)，開關(guān)元件兩端電壓始終為最低值，此方法可保證閉合開關(guān)元件時(shí)其兩端電壓為最低值，可最大程度降低開關(guān)損耗。

綜合上述兩種情況，可以看出此實(shí)用新型實(shí)施例中，通過電流檢測(cè)，當(dāng)流經(jīng)開關(guān)元件的電流為零時(shí)閉合開關(guān)元件，使用此方法可實(shí)現(xiàn)零電壓開通或在最低電壓情況下開通開關(guān)元件，實(shí)現(xiàn)開關(guān)損耗的最小化。

圖14中，給出了電感L1的電流波形，開關(guān)元件Q1和開關(guān)元件Q2的驅(qū)動(dòng)電壓波形。從圖14中可以看出，開關(guān)元件Q2在導(dǎo)通期間，電感L1的電流上升。Q2斷開，閉合開關(guān)元件Q1后，電感L1的電流線性下降。直到控制器檢測(cè)到流經(jīng)開關(guān)元件Q1的電流下降到負(fù)電流并達(dá)到閾值時(shí)，控制器關(guān)斷開關(guān)元件Q1，經(jīng)過電感L1 與電容C1，C2的諧振，當(dāng)檢測(cè)到流經(jīng)上橋臂開關(guān)元件或下橋臂開關(guān)元件的電流i1或 i2降為零時(shí)或接近零時(shí)閉合開關(guān)元件Q2。這里，流經(jīng)上橋臂或下橋臂的電流降為接近零，具體地可以設(shè)置為小于負(fù)電流閾值的一半。即當(dāng)流經(jīng)上橋臂或下橋臂的電流降為負(fù)電流閾值的一半時(shí)，閉合開關(guān)元件Q2，同樣能達(dá)到最小電壓附近開通開關(guān)元件的效果。

圖15為根據(jù)本實(shí)用新型實(shí)施例具有N路交錯(cuò)DC-DC變換電路，其工作原理與上述只有2路交錯(cuò)DC-DC變換電路的工作原理相同。

上述的對(duì)實(shí)施例的描述包括了一些探索性部分，這部分是在大量實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上得到的結(jié)論，目的是為便于該技術(shù)領(lǐng)域的普通技術(shù)人員能理解和使用實(shí)用新型。熟悉本領(lǐng)域技術(shù)的人員顯然可以容易地對(duì)這些實(shí)例做出各種修改，并把在此說明的一般原理應(yīng)用到其他實(shí)施例中而不必經(jīng)過創(chuàng)造性的勞動(dòng)。因此，本實(shí)用新型不限于上述實(shí)施例，本領(lǐng)域技術(shù)人員根據(jù)本實(shí)用新型的揭示，不脫離本實(shí)用新型范疇所做出的改進(jìn)和修改都應(yīng)該在本實(shí)用新型的保護(hù)范圍之內(nèi)。