專利名稱：最小電壓型有源鉗位直流－直流變換器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及直流-直流變換器。
背景技術(shù)：
圖1所示的由一個開關(guān)管M1和一個整流二極管D2連接，并在接點(diǎn)有引出而具有標(biāo)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(guī)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端口，Vo為變換器的輸出電壓端口，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(gòu)成的直流-直流變換器的不足之處在于，變換器為硬開關(guān)工作，在電流連續(xù)模式工作中變換器中二極管反向恢復(fù)所引起的相關(guān)損耗很高，開關(guān)管的電流應(yīng)力大。近年來，為了提高直流-直流變換器的效率，不少軟開關(guān)技術(shù)相繼被運(yùn)用。一些變換器采用零電壓轉(zhuǎn)換技術(shù)，在沒有增加器件電壓應(yīng)力的情況下抑制了二極管的反向恢復(fù)電流，并實(shí)現(xiàn)了主開關(guān)的零電壓開關(guān)工作，但是，往往變換器中的輔助開關(guān)器件沒有工作在軟開關(guān)狀態(tài)；通常的有源鉗位技術(shù)雖然可以同時實(shí)現(xiàn)主開關(guān)和輔助開關(guān)的軟開關(guān)工作，但是主開關(guān)和輔助開關(guān)的電壓應(yīng)力增加不少，并且電壓應(yīng)力隨著控制占空比以及負(fù)載的增大而增大，另外變換器中二極管關(guān)斷后其兩端的寄生電容和輔助電感諧振產(chǎn)生較嚴(yán)重的電壓振蕩，電壓應(yīng)力大。
發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一類能抑制變換器中二極管的反向恢復(fù)電流，保證所有功率開關(guān)器件均實(shí)現(xiàn)軟開關(guān)工作的最小電壓型有源鉗位直流-直流變換器。
為達(dá)上述目的，本發(fā)明采取的措施是用主開關(guān)管、二極管、輔助開關(guān)管、鉗位電容和輔助電感構(gòu)成的基本變換電路去替代常規(guī)直流-直流變換器中如圖1所示的由開關(guān)管和二極管構(gòu)成的基本變換電路。具體技術(shù)解決方案有方案1，本發(fā)明的最小電壓型有源鉗位直流-直流變換器，是具有三個連接端基本變換電路的buck變換器，其特征是所說的基本變換電路包括主開關(guān)管M1、二極管D2、輔助開關(guān)管M3、鉗位電容Cc及輔助電感L1，鉗位電容Cc和輔助電感L1的串聯(lián)電路與輔助開關(guān)管M3相并聯(lián)后的一端與主開關(guān)管M1相連，另一端與二極管D2相連，主開關(guān)管M1的另一端、二極管D2的另一端及輔助開關(guān)管M3與二極管D2的接點(diǎn)或鉗位電容Cc與輔助電感L1的接點(diǎn)分別為基本變換電路在變換器中的連接端。
方案2，本發(fā)明的最小電壓型有源鉗位直流-直流變換器，是具有三個連接端基本變換電路的boost變換器，其特征是所說的基本變換電路包括主開關(guān)管M1、二極管D2、輔助開關(guān)管M3、鉗位電容Cc及輔助電感L1，鉗位電容Cc和輔助電感L1的串聯(lián)電路與輔助開關(guān)管M3相并聯(lián)后的一端與主開關(guān)管M1相連，另一端與二極管D2相連，主開關(guān)管M1的另一端、二極管D2的另一端及輔助開關(guān)管M3與二極管D2的接點(diǎn)或鉗位電容Cc與輔助電感L1的接點(diǎn)分別為基本變換電路在變換器中的連接端。
方案3，本發(fā)明的最小電壓型有源鉗位直流-直流變換器，是具有三個連接端基本變換電路的buckboost變換器，其特征是所說的基本變換電路包括主開關(guān)管M1、二極管D2、輔助開關(guān)管M3、鉗位電容Cc及輔助電感L1，鉗位電容Cc和輔助電感L1的串聯(lián)電路與輔助開關(guān)管M3相并聯(lián)后的一端與主開關(guān)管M1相連，另一端與二極管D2相連，主開關(guān)管M1的另一端、二極管D2的另一端及輔助開關(guān)管M3與二極管D2的接點(diǎn)或鉗位電容Cc與輔助電感L1的接點(diǎn)分別為基本變換電路在變換器中的連接端。
方案4，本發(fā)明的最小電壓型有源鉗位直流-直流變換器，是具有三個連接端基本變換電路的Cuk變換器，其特征是所說的基本變換電路包括主開關(guān)管M1、二極管D2、輔助開關(guān)管M3、鉗位電容Cc及輔助電感L1，鉗位電容Cc和輔助電感L1的串聯(lián)電路與輔助開關(guān)管M3相并聯(lián)后的一端與主開關(guān)管M1相連，另一端與二極管D2相連，主開關(guān)管M1的另一端、二極管D2的另一端及輔助開關(guān)管M3與二極管D2的接點(diǎn)或鉗位電容Cc與輔助電感L1的接點(diǎn)分別為基本變換電路在變換器中的連接端。
方案5，本發(fā)明的最小電壓型有源鉗位直流-直流變換器，是具有三個連接端基本變換電路的SEPIC變換器，其特征是所說的基本變換電路包括主開關(guān)管M1、二極管D2、輔助開關(guān)管M3、鉗位電容Cc及輔助電感L1，鉗位電容Cc和輔助電感L1的串聯(lián)電路與輔助開關(guān)管M3相并聯(lián)后的一端與主開關(guān)管M1相連，另一端與二極管D2相連，主開關(guān)管M1的另一端、二極管D2的另一端及輔助開關(guān)管M3與二極管D2的接點(diǎn)或鉗位電容Cc與輔助電感L1的接點(diǎn)分別為基本變換電路在變換器中的連接端。
方案6，本發(fā)明的最小電壓型有源鉗位直流-直流變換器，是具有三個連接端基本變換電路的Zeta變換器，其特征是所說的基本變換電路包括主開關(guān)管M1、二極管D2、輔助開關(guān)管M3、鉗位電容Cc及輔助電感L1，鉗位電容Cc和輔助電感L1的串聯(lián)電路與輔助開關(guān)管M3相并聯(lián)后的一端與主開關(guān)管M1相連，另一端與二極管D2相連，主開關(guān)管M1的另一端、二極管D2的另一端及輔助開關(guān)管M3與二極管D2的接點(diǎn)或鉗位電容Cc與輔助電感L1的接點(diǎn)分別為基本變換電路在變換器中的連接端。
上述的主開關(guān)管和輔助開關(guān)管可以是功率雙極型晶體管，也可以是絕緣門極晶體管或其它可控的開關(guān)器件。
本發(fā)明的最小電壓型有源鉗位直流-直流變換器中輔助電感L1的加入使得二極管D2為軟關(guān)斷，反向恢復(fù)電流被有效控制。主開關(guān)管M1和輔助開關(guān)管M3進(jìn)行開關(guān)切換過程中，由于輔助電感L1的存在，在輔助開關(guān)管M3關(guān)斷后，電感L1中的電流將給主開關(guān)管M1寄生電容放電，之后主開關(guān)管M1將在零電壓情況下被開通。任一開關(guān)管(M1或M3)被關(guān)斷后，其兩端電壓均被鉗位在一固定電壓上，相對于常規(guī)的直流-直流變換器并沒有增加開關(guān)器件的電壓應(yīng)力。又由于在二極管D2關(guān)斷期間，主開關(guān)管M1和輔助開關(guān)管M3均為導(dǎo)通狀態(tài)，因此D2的關(guān)斷電壓也是被鉗位的，電壓應(yīng)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(guī)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(fā)明的基本變換電路實(shí)例之一；圖4是本發(fā)明的基本變換電路實(shí)例之二；圖5是具有圖3基本變換電路的最小電壓型有源鉗位直流-直流變換器；圖6是具有圖4基本變換電路的最小電壓型有源鉗位直流-直流變換器。
具體實(shí)施例方式
圖3所示的基本變換電路包括主開關(guān)管M1、二極管D2、輔助開關(guān)管M3、鉗位電容Cc及輔助電感L1，鉗位電容Cc和輔助電感L1的串聯(lián)電路與輔助開關(guān)管M3相并聯(lián)后的一端與主開關(guān)管M1相連，另一端與二極管D2相連，主開關(guān)管M1的另一端1、二極管D2的另一端2及輔助開關(guān)管M3與二極管D2的接點(diǎn)3分別為基本變換電路在變換器中的連接端，其中連接端3也可以如圖4所示，為鉗位電容Cc與輔助電感L1的接點(diǎn)。
將圖2的6種常規(guī)直流-直流變換器中的如圖1所示基本變換電路，按照對應(yīng)連接端的連接關(guān)系替代成為圖3所示的基本變換電路，就可得到如圖5的a)、b)、c)、d)、e)、f)所示的本發(fā)明的6種最小電壓型有源鉗位直流-直流變換器。
將圖2的6種常規(guī)直流-直流變換器中的如圖1所示基本變換電路，按照對應(yīng)連接端的連接關(guān)系替代成為圖4所示的基本變換電路，就可得到如圖6的a)、b)、c)、d)、e)、f)所示的本發(fā)明的6種最小電壓型有源鉗位直流-直流變換器。
本發(fā)明的最小電壓型有源鉗位直流-直流變換器工作時，主開關(guān)管M1同相應(yīng)的常規(guī)直流-直流變換器中的開關(guān)管采用相同的控制方式。輔助開關(guān)管M3的開關(guān)頻率和主開關(guān)管M1的開關(guān)頻率相同，它是在M1與D2共通階段結(jié)束且其兩端電壓自然下降到零后被驅(qū)動開通，并在主開關(guān)管M1驅(qū)動開通之前被關(guān)斷。
權(quán)利要求
1.最小電壓型有源鉗位直流-直流變換器，是具有三個連接端基本變換電路的buck變換器，其特征是所說的基本變換電路包括主開關(guān)管[M1]、二極管[D2]、輔助開關(guān)管[M3]、鉗位電容[Cc]及輔助電感[L1]，鉗位電容[Cc]和輔助電感[L1]的串聯(lián)電路與輔助開關(guān)管[M3]相并聯(lián)后的一端與主開關(guān)管[M1]相連，另一端與二極管[D2]相連，主開關(guān)管[M1]的另一端[1]、二極管[D2]的另一端[2]及輔助開關(guān)管[M3]與二極管[D2]的接點(diǎn)或鉗位電容[Cc]與輔助電感[L1]的接點(diǎn)[3]分別為基本變換電路在變換器中的連接端。
2.最小電壓型有源鉗位直流-直流變換器，是具有三個連接端基本變換電路的boost變換器，其特征是所說的基本變換電路包括主開關(guān)管[M1]、二極管[D2]、輔助開關(guān)管[M3]、鉗位電容[Cc]及輔助電感[L1]，鉗位電容[Cc]和輔助電感[L1]的串聯(lián)電路與輔助開關(guān)管[M3]相并聯(lián)后的一端與主開關(guān)管[M1]相連，另一端與二極管[D2]相連，主開關(guān)管[M1]的另一端[1]、二極管[D2]的另一端[2]及輔助開關(guān)管[M3]與二極管[D2]的接點(diǎn)或鉗位電容[Cc]與輔助電感[L1]的接點(diǎn)[3]分別為基本變換電路在變換器中的連接端。
3.最小電壓型有源鉗位直流-直流變換器，是具有三個連接端基本變換電路的buckboost變換器，其特征是所說的基本變換電路包括主開關(guān)管[M1]、二極管[D2]、輔助開關(guān)管[M3]、鉗位電容[Cc]及輔助電感[L1]，鉗位電容[Cc]和輔助電感[L1]的串聯(lián)電路與輔助開關(guān)管[M3]相并聯(lián)后的一端與主開關(guān)管[M1]相連，另一端與二極管[D2]相連，主開關(guān)管[M1]的另一端[1]、二極管[D2]的另一端[2]及輔助開關(guān)管[M3]與二極管[D2]的接點(diǎn)或鉗位電容[Cc]與輔助電感[L1]的接點(diǎn)[3]分別為基本變換電路在變換器中的連接端。
4.最小電壓型有源鉗位直流-直流變換器，是具有三個連接端基本變換電路的Cuk變換器，其特征是所說的基本變換電路包括主開關(guān)管[M1]、二極管[D2]、輔助開關(guān)管[M3]、鉗位電容[Cc]及輔助電感[L1]，鉗位電容[Cc]和輔助電感[L1]的串聯(lián)電路與輔助開關(guān)管[M3]相并聯(lián)后的一端與主開關(guān)管[M1]相連，另一端與二極管[D2]相連，主開關(guān)管[M1]的另一端[1]、二極管[D2]的另一端[2]及輔助開關(guān)管[M3]與二極管[D2]的接點(diǎn)或鉗位電容[Cc]與輔助電感[L1]的接點(diǎn)[3]分別為基本變換電路在變換器中的連接端。
5.最小電壓型有源鉗位直流-直流變換器，是具有三個連接端基本變換電路的SEPIC變換器，其特征是所說的基本變換電路包括主開關(guān)管[M1]、二極管[D2]、輔助開關(guān)管[M3]、鉗位電容[Cc]及輔助電感[L1]，鉗位電容[Cc]和輔助電感[L1]的串聯(lián)電路與輔助開關(guān)管[M3]相并聯(lián)后的一端與主開關(guān)管[M1]相連，另一端與二極管[D2]相連，主開關(guān)管[M1]的另一端[1]、二極管[D2]的另一端[2]及輔助開關(guān)管[M3]與二極管[D2]的接點(diǎn)或鉗位電容[Cc]與輔助電感[L1]的接點(diǎn)[3]分別為基本變換電路在變換器中的連接端。
6.最小電壓型有源鉗位直流-直流變換器，是具有三個連接端基本變換電路的Zeta變換器，其特征是所說的基本變換電路包括主開關(guān)管[M1]、二極管[D2]、輔助開關(guān)管[M3]、鉗位電容[Cc]及輔助電感[L1]，鉗位電容[Cc]和輔助電感[L1]的串聯(lián)電路與輔助開關(guān)管[M3]相并聯(lián)后的一端與主開關(guān)管[M1]相連，另一端與二極管[D2]相連，主開關(guān)管[M1]的另一端[1]、二極管[D2]的另一端[2]及輔助開關(guān)管[M3]與二極管[D2]的接點(diǎn)或鉗位電容[Cc]與輔助電感[L1]的接點(diǎn)[3]分別為基本變換電路在變換器中的連接端。
全文摘要
本發(fā)明的最小電壓型有源鉗位直流－直流變換器是采用鉗位電容和輔助電感的串聯(lián)電路與輔助開關(guān)管相并聯(lián)后的一端與主開關(guān)管相連,另一端與二極管相連的基本變換電路去替代buck、boost、buckboost、Cuk、SEPIC、Zeta等6種常規(guī)的直流－直流變換器中的基本變換電路而構(gòu)成。本發(fā)明結(jié)構(gòu)簡單,成本低,能有效抑制二極管的反向恢復(fù)電流,變換器的主開關(guān)和輔助開關(guān)均為零電壓開關(guān)工作,工作效率較高。并且變換器的各個功率半導(dǎo)體器件關(guān)斷后所承受的電壓應(yīng)力相對于常規(guī)的直流－直流變換器并沒有增加;變換器中半導(dǎo)體器件的電壓應(yīng)力和鉗位電容的電壓應(yīng)力均比對應(yīng)的常規(guī)有源鉗位變換器中的小。
文檔編號H02M3/24GK1352486SQ0113220
公開日2002年6月5日 申請日期2001年11月13日 優(yōu)先權(quán)日2001年11月13日
發(fā)明者陳剛, 徐德鴻, 馮波, 汪槱生 申請人:浙江大學(xué)