CN211508905U

CN211508905U - 一种buck变换器

Info

Publication number: CN211508905U
Application number: CN202020016386.6U
Authority: CN
Inventors: 郭键; 李明; 周丽; 刘军; 唐恒亮; 陈蕾; 刘涛; 阎芳
Original assignee: Beijing Wuzi University
Current assignee: Beijing Wuzi University
Priority date: 2020-01-03
Filing date: 2020-01-03
Publication date: 2020-09-15
Anticipated expiration: 2030-01-03

Abstract

本实用新型提供一种BUCK变换器，所述BUCK变换器包括：第一功率开关管、第二功率开关管、第一电容、第二电容、第一电感、第二电感、电阻、第一二极管和第二二极管，第一功率开关管和第二功率开关管的漏极分别与电源的正极相连，第一功率开关管与第二电感串联，第一电容分别与第一功率开关管并联，第二功率开关管与第一电感串联，第一二极管的负极分别与第二功率开关管的源极和第一电感的第一端相连，第一二极管与电阻串联，电阻的第二端与第一功率开关管的源极相连，第二电容与电阻并联，第二电感与负载串联，负载的第二端接地。本实用新型实施例提供的BUCK变换器，提高了电路的可靠性。

Description

一种BUCK变换器

技术领域

本实用新型涉及电力电子技术领域，具体涉及一种BUCK变换器。

背景技术

BUCK变换器具有结构简单、重量轻、效率高等诸多优点，是一种应用较为广泛的电路，由于其具有优越的变压功能，因此可以直接用于需要直接降压的地方。

BUCK变换器能够实现降压，但是变换器使用的高频开关经常处在硬开关工作状态，即电压和电流都不为零的工作状态，根据P＝UI可知，在硬开关工作状态下开关会产生功率损耗，而高频状态下，功率损耗将会更大，并且会产生刺耳的噪音，存在开关损耗高、电压电流应力大等诸多问题。

实用新型内容

针对现有技术中的问题，本实用新型实施例提供一种BUCK变换器，能够至少部分地解决现有技术中存在的问题。

本实用新型提出一种BUCK变换器，包括第一功率开关管、第二功率开关管、第一电容、第二电容、第一电感、第二电感、电阻、第一二极管和第二二极管，其中：

所述第一功率开关管和所述第二功率开关管的漏极分别与电源的正极相连，所述第一功率开关管的源极与所述第二电感的第一端相连，所述第一电容分别与所述第一功率开关管的两端相连，所述第二功率开关管的源极与所述第一电感的第一端相连，所述第一电感的第二端与所述第二电感的第一端相连；

所述第一二极管的负极分别与所述第二功率开关管的源极和所述第一电感的第一端相连，所述第一二极管的正极与所述电阻的第一端相连，所述电阻的第二端分别与所述第一功率开关管的源极和所述第一电感的第二端相连，所述第二电容的两端分别与所述电阻的两端相连；

所述第二电感的第二端与负载的第一端相连，所述负载的第二端接地，所述第二二极管的负极与所述第二电感的第一端相连，所述第二二极管的正极接地。

其中，所述第一电感小于所述第二电感。

其中，所述第一功率开关管和所述第二功率开关管的驱动脉冲宽度相同。

其中，所述第二功率开关管在所述第一功率开关管闭合之前闭合。

其中，所述第二功率开关管在所述第一功率开关管断开之前断开。

其中，所述BUCK变换器还包括第三电容，所述第三电容的第一端分别连接所述第二电感的第二端和所述负载的第一端，所述第三电容的第二端接地。

其中，所述第一功率开关管和所述第二功率开关管为金属-氧化物半导体场效应晶体管或者绝缘栅双极型晶体管。

本实用新型实施例提供的BUCK变换器，包括第一功率开关管、第二功率开关管、第一电容、第三电容、第二电容、第一电感、第二电感、电阻、第一二极管和第二二极管，第一功率开关管和第二功率开关管的漏极分别与电源的正极相连，第一功率开关管的源极与第二电感的第一端相连，第一电容分别与第一功率开关管的两端相连，第二功率开关管的源极与第一电感的第一端相连，第一电感的第二端与第二电感的第一端相连，第一二极管的负极分别与第二功率开关管的源极和第一电感的第一端相连，第一二极管的正极与电阻的第一端相连，电阻的第二端分别与第一功率开关管的源极和第一电感的第二端相连，第二电容的两端分别与电阻的两端相连，第二电感的第二端与负载的第一端相连，负载的第二端接地，第二二极管的负极与第二电感的第一端相连，第二二极管的正极接地，实现了第一功率开关管的零电压导通和关断，以及第二功率开关管的零电流导通和零电压关断，降低了功率开关管的开关损耗，提高了电路的可靠性。

附图说明

为了更清楚地说明本实用新型实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本实用新型的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。在附图中：

图1是本实用新型一实施例提供的BUCK变换器的结构示意图。

图2是本实用新型一实施例提供的第二功率开关管的驱动信号、电压和电流的仿真波形示意图。

图3是本实用新型一实施例提供的第一功率开关管的驱动信号、电压和电流的仿真波形示意图。

图4是本实用新型一实施例提供的BUCK变换器的控制方法的流程示意图。

具体实施方式

为使本实用新型实施例的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下面结合附图对本实用新型实施例做进一步详细说明。在此，本实用新型的示意性实施例及其说明用于解释本实用新型，但并不作为对本实用新型的限定。需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互任意组合。

为了便于理解本申请提供的技术方案，下面先对本申请技术方案的研究背景进行简单说明。根据有无辅助开关管，软开关技术可以分为有源软开关技术和无源软开关技术；如按技术发展历程分，则有准谐振电路、零开关PWM电路、零转换PWM电路等几种类型。其中，传统的准谐振电路的谐振电压峰值较大，对器件要求提高，而后两种电路常引入了辅助开关，为有源软开关电路，能较好地实现主电路的软开关。但只有当辅助开关也处于软开关工作时，才能实现全软开关工作，控制又变得相对复杂，相比而言零转换PWM电路的谐振电路不在主回路上，受主回路影响较小。本实用新型实施例提供的BUCK变换器采用辅助开关和主开关的有源开关电路，主辅开管都实现了软开关，电压电流应力低。

图1是本实用新型一实施例提供的BUCK变换器的结构示意图，如图1所示，本实用新型实施例提供的BUCK变换器包括第一功率开关管1、第二功率开关管2、第一电容3、第二电容5、第一电感6、第二电感7、电阻8、第一二极管9和第二二极管10，其中：

第一功率开关管1和第二功率开关管2的漏极分别与电源的正极相连，第一功率开关管1的源极与第二电感7的第一端相连，第一电容3分别与第一功率开关管1的两端相连，第二功率开关管2的源极与第一电感6的第一端相连，第一电感6的第二端与第二电感7的第一端相连；

第一二极管9的负极分别与第二功率开关管2的源极和第一电感6的第一端相连，第一二极管9的正极与电阻8的第一端相连，电阻8的第二端分别与第一功率开关管1的源极和第一电感6的第二端相连，第二电容5的两端分别与电阻8的两端相连；

第二电感7的第二端与负载11的第一端相连，负载11的第二端接地，第二二极管10的负极与第二电感7的第一端相连，第二二极管10的正极接地。

下面对本实用新型实施例提供的BUCK变换器工作原理进行说明。

当电路工作在稳定状态，第一电感6中的电流为零，接通电源Vin后，闭合第二功率开关管2，第一功率开关管1为断开状态，此时电源Vin中的电流流过第二功率开关管2、第一电感6、第二电感7给负载11供电。经过第一预设时间后，图1中A处电压接近电源Vin的电压时，闭合第一功率开关管1，此时第一功率开关管1、第二功率开关管2都闭合，电源Vin的电流分为两个分支，第一支路经过第二功率开关管2和第一电感6，第二支路经过第一功率开关管1，两个分支在图1中A处汇合后流过第二电感7之后给负载11供电。在上述功率开关闭合的过程中，第二功率开关管2闭合时由于第一电感6的电流为零，所以第二功率开关管2闭合的过程中导通电流近似为零，第二功率开关管2可以视为零电流导通；第一功率开关管1闭合时，由于图1中A处电压近似等于电源Vin的电压，所以第一功率开关管1闭合时其源极和漏极间电压近似为零，第一功率开关管1可以视为零电压导通。其中，所述第一预设时间根据实际需要进行设置，本实用新型实施例不做限定。

当需要电源Vin停止给负载11供电时，先断开第二功率开关管2，第二功率开关管2上的电流转移到第一功率开关管1上，第一电感6的电流经过电阻8和第一电容3的并联电路和第一二极管9之后，再回到第一电感6，第一电感6中储存的能量消耗在电阻8中。假设第一二极管9为理想器件，则在第二功率开关管2断开时，第一二极管9立刻导通，第二功率开关管2的漏极电压近似钳位在电源Vin的电压，第二功率开关管2可以视为零电压关断。经过第二预设时间之后，第一功率开关管1断开，由于第一电容3的存在，第一功率开关管1断开过程中其漏极与源极间电压近似为零，第一功率开关管1可以视为零电压断开。第一功率开关管1断开之后，电源Vin给第一电容3充电，电流经过第一电容3、第二电感7供给负载11。当电容第一电容3充电结束，则第二二极管10导通，电流经过第二二极管10、第二电感7给负载11充电。其中，所述第二预设时间根据实际需要进行设置，本实用新型实施例不做限定。

由本实用新型实施例提供的BUCK变换器的工作原理可知，第二电感7在电源Vin开通和关断过程中，其工作过程与现有BUCK变换器中的电感工作过程完全相同，输出相同功率，电流未增加。第一电感6仅在第二功率开关管2关断时，其自身存储的能量消耗在电阻8中，但因为第一电感6的电感量较小，其消耗掉的能量带给开关管第二功率开关管2的增加应力可以忽略。第一电容3充电后，其放电过程能量存储到第一电感6中，通过第一电感6到第二电感7供给负载11，因此第一电容3上的能量没有损耗。综上所述，本实用新型实施例提供的BUCK变换器，第一功率开关管1、第二功率开关管2实现了零电流和零电压开关，降低了开关损耗。本实用新型实施例提供的BUCK变换器没有增加功率开关管的电流和电压应力，实现了软开关，降低了功率开关管的开关损耗，提高了电路的可靠性。

在上述各实施例的基础上，进一步地，第一电感6小于第二电感7，可以将第一电感6设置在uH数量级，例如取10uH左右，第二电感7一般可以设置为几十uH至几百uH左右，例如取66uH。

在上述各实施例的基础上，进一步地，第一功率开关管1和第二功率开关管2的驱动脉冲宽度相同。

在上述各实施例的基础上，进一步地，第二功率开关管2在第一功率开关管1闭合之前闭合，即先闭合第二功率开关管2，经过所述第一预设时间之后，再闭合第一功率开关管1，以使得第二功率开关管2零电流导通，第一功率开关管1零电压导通。

在上述各实施例的基础上，进一步地，第二功率开关管2在第一功率开关管1断开之前关闭，即先断开第二功率开关管2，经过所述第二预设时间之后，再断开第一功率开关管1，以使得第二功率开关管2零电压关断，第一功率开关管1零电压关断。

在上述各实施例的基础上，进一步地，本实用新型实施例提供的BUCK变换器还包括第三电容4，第三电容4的第一端分别连接第二电感7的第二端和负载11的第一端，第三电容4的第二端接地。

在上述各实施例的基础上，进一步地，第一功率开关管1为金属-氧化物半导体场效应晶体管(Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor，简称MOSFET)或者绝缘栅双极型晶体管(Insulated Gate Bipolar Transistor，简称IGBT)，第二功率开关管2为MOSFET或者IGBT。

本实用新型实施例提供的BUCK变换器在一个开关周期内可以分成7个模态，假设图1中的各个电子器件为理想器件，所述BUCK变换器的工作过程分析如下。

模态1(t₀～t₁)：在t₀时刻之前，第一功率开关管1和第二功率开关管2断开，第一功率开关管1和第二功率开关管2的电流为0。所述BUCK变换器工作于电流连续模式，第二电感7通过第二二极管10续流，电路中A点电压为0。第一电感6的电流下降为0，第一电容3两端电压等于电源Vin的电压。在t₀时刻，第二功率开关管2闭合，由于第一电感6电感的存在，第二功率开关管2的导通电流不能突变，第二功率开关管2为零电流导通。第二功率开关管2导通后，第一电感6的电流在电源Vin的作用下电流线性增加，同时第二二极管10的电流线性减少，第二二极管10为零电流关断，到t₁时刻时第二二极管10的电流变为0。设t₀时刻第二二极管10的电流为I_D2，则从第二功率开关管2导通到第二二极管10的电流为零的时间为t，t＝L₁I_D2/V_in，其中，L₁为第一电感6的电感，V_in为电源的电压。

模态2(t₁～t₂)：t₁时刻第二二极管10中电流变为零，第二二极管10为零电流关断。第一电感6与第一电容3开始谐振工作，第一电感6中电流增加，第一电容3两端的电压下降，电路中A点电压逐渐上升，t₂时刻第一电容3的两端电压降为零，则电路中A点电压上升到电源Vin的电压。

模态3(t₂～t₃)：t₂时刻第一电容3两端的电压降为0，电源Vin通过第二功率开关管2、第一电感6和第二电感7输出能量，此后任一时刻开通第一功率开关管1，均为零电压导通。

模态4(t₃～t₄)：t₃时刻第一功率开关管1闭合，为零电压导通。此时第一功率开关管1、第二功率开关管2均闭合，电源Vin通过第一功率开关管1、第二功率开关管2向后输出能量。第一功率开关管1的电流逐渐增加，第二功率开关管2的电流逐渐减少。

模态5(t₄～t₅)：t₄时刻，第二功率开关管2断开，第一二极管9导通。由于电阻8的电阻很小，且有旁路电容第二电容5，可以认为第二功率开关管2关断过程中第二功率开关管2两端的电压为0，为零电压关断。第二功率开关管2的电流转移到第一功率开关管1中。第一电感6的电流经第一二极管9返回第一电感6，其能量消耗在电阻8上。到t₅时刻，第一电感6的电流为零，第二电容5两端的电压为零。第一电感6通过电阻8释放能量，其时间常数为τ＝L₁/R₁，其中τ为时间常数，L₁为第一电感6的电感，R₁为电阻8的电阻。

模态6(t₅～t₆)：在t₅时刻之后，第一功率开关管1断开，由于第一电容3两端不能突变，第一功率开关管1为零电压关断，第一电容3两端的电压逐渐上升。

模态7(t₆～t₇)：t₆时刻第一电容3两端的电压等于电源Vin的电压，第二二极管10续流导通。t₇时刻第二功率开关管2闭合，进入下一个开关周期循环。

图2是本实用新型一实施例提供的第二功率开关管的驱动信号、电压和电流的仿真波形示意图，图3是本实用新型一实施例提供的第一功率开关管的驱动信号、电压和电流的仿真波形示意图，如图2和图3所示，第一功率开关管1实现了零电压开关，第二功率开关管2实现了零电压零电流开关。其中，图2和图3中的仿真波形是在电源Vin的电压为96V，第一电感6的电感L₁为1uH，第二电感7的电感L₂为66uH，电阻8的电阻R为1欧姆，第二电容5的电容C₃为1uF，第三电容4的电容C₂为100uF，负载11的电阻为4欧姆，开关频率为25KHz，第一功率开关管1与第二功率开关管2之间的驱动相差4us，占空比为70％条件下进行仿真所得波形。

本实用新型实施例提供的BUCK变换器，电路结构简单，驱动方便，所用器件数量少，第一功率开关管和第二功率开关管的电压应力和电流应力小，有利于节约成本，可以在大负载范围和大占空比下实现功率开关管的软开关，提高了系统的工作效率。

图4是本实用新型一实施例提供的BUCK变换器的控制方法的流程示意图，如图4所示，本实用新型实施例提供的采用上述任一实施例所述的BUCK变换器的控制方法，包括：

S401、闭合第二功率开关管且保持第一功率开关管断开，使电源中的电流经过所述第二功率开关管、第一电感和第二电感给负载供电；

具体地，在接通电源之后，闭合第二功率开关管并保持第一功率开关管断开，此时电源中的电流流过第二功率开关管、第一电感和第二电感给负载供电。其中，所述第二功率开关管闭合时由于所述第一电感中电流为零，所以第二功率开关管闭合的过程中导通电流近似为零，所述第二功率开关管可以视为零电流导通。

S402、在第一预设时间之后，闭合所述第一功率开关管，使所述电源的电流经过第一支路和第二支路汇合后，流过所述第二电感给所述负载供电；其中，所述第一支路包括串联的所述第二功率开关管和所述第一电感，所述第二支路包括所述第一功率开关；

具体地，在闭合所述第二功率开关管第一预设时间之后，第二电感的输入端的电压近似等于电源的电压，闭合所述第一功率开关管，此时所述第一功率开关管和所述第二功率开关管都闭合，电源的电流分为两个分支，第一支路包括串联的所述第二功率开关管和所述第一电感，第二支路包括所述第一功率开关。电源的电流分别流过所述第一支路和所述第二支路之后，汇合于所述第二电感的输入端，再经过所述第二电感给所述负载供电。在所述第一功率开关管闭合时，由于所述第二电感的输入端的电压近似等于电源的电压，所以所述第一功率开关管闭合时其源极和漏极间电压近似为零，所述第一功率开关管可以视为零电压导通。其中，所述第一预设时间根据实际需要进行设置，本实用新型实施例不做限定。

S403、断开所述第二功率开关管，并在第二预设时间之后断开所述第一功率开关管，使所述电源停止给所述负载供电。

具体地，当电源要停止给所述负载供电时，先断开所述第二功率开关管，然后在所述第二功率开关管断开第二预设时间之后，断开所述第一功率开关管，从而使所述电源停止给所述负载供电。在所述第二功率开关管断开时，第一二极管立刻导通，所述第二功率开关管的漏极电压近似钳位在电源的电压，所述第二功率开关管可以视为零电压关断。所述第一功率开关管断开时，由于所述第一电容的存在，所述第一功率开关管断开过程中其漏极与源极间电压近似为零，所述第一功率开关管可以视为零电压断开。

本实用新型实施例提供的BUCK变换器的控制方法，能够闭合第二功率开关管且保持第一功率开关管断开，使电源中的电流经过第二功率开关管、第一电感和第二电感给负载供电，在第一预设时间之后，闭合第一功率开关管，使电源的电流经过第一支路和第二支路汇合后，流过第二电感给负载供电，断开第二功率开关管，并在第二预设时间之后断开第一功率开关管，使电源停止给所述负载供电，实现了第一功率开关管的零电压导通和关断，以及第二功率开关管的零电流导通和零电压关断，降低了功率开关管的开关损耗，提高了电路的可靠性。

在上述各实施例的基础上，进一步地，所述第一预设时间和所述第二预设时间都大于时间t_d，其中：

t_d＝t+t'

t＝L₁I_D2/V_in

其中，L₁为第一电感的电感，V_in为电源的电压，I_D2为第二功率开关管导通时刻第二二极管的电流，C₁为第一电容的电容。

具体地，为了获得尽可能的好的功率开关管的软开关效果，所述第一预设时间大于时间t_d，所述第二预设时间也大于时间t_d，也就是说第一功率开关管驱动脉冲滞后于第二功率开关管的驱动脉冲的时间大于时间t_d。其中，t_d＝t+t'。t为从第二功率开关管导通到第二二极管的电流为零的时间，t＝L₁I_D2/V_in，其中，L₁为第一电感的电感，V_in为电源的电压，I_D2为第二功率开关管导通时刻第二二极管的电流。第二二极管中电流变为零后，第一电感与第一电容开始谐振工作，第一电感中电流增加，第一电容两端的电压下降，图1中A点电压逐渐上升到电源电压所用时间的为t'，

其中，L₁为第一电感的电感，C₁为第一电容的电容。其中，第一电感的电感可以设置在10uH数量级，第一电容的电容可以设置在10nF数量级，t_d可以占所述第一功率开关管或者所述第二功率开关管的驱动脉冲周期的十分之一到五分之一。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一个具体实施例”、“一些实施例”、“例如”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本实用新型的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。

以上所述的具体实施例，对本实用新型的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本实用新型的具体实施例而已，并不用于限定本实用新型的保护范围，凡在本实用新型的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。

Claims

1.一种BUCK变换器，其特征在于，包括第一功率开关管、第二功率开关管、第一电容、第二电容、第一电感、第二电感、电阻、第一二极管和第二二极管，其中：

2.根据权利要求1所述的BUCK变换器，其特征在于，所述第一电感小于所述第二电感。

3.根据权利要求1所述的BUCK变换器，其特征在于，所述第一功率开关管和所述第二功率开关管的驱动脉冲宽度相同。

4.根据权利要求1所述的BUCK变换器，其特征在于，所述第二功率开关管在所述第一功率开关管闭合之前闭合。

5.根据权利要求1所述的BUCK变换器，其特征在于，所述第二功率开关管在所述第一功率开关管断开之前断开。

6.根据权利要求1所述的BUCK变换器，其特征在于，还包括第三电容，所述第三电容的第一端分别连接所述第二电感的第二端和所述负载的第一端，所述第三电容的第二端接地。

7.根据权利要求1至6任一项所述的BUCK变换器，其特征在于，所述第一功率开关管和所述第二功率开关管为金属-氧化物半导体场效应晶体管或者绝缘栅双极型晶体管。