阅读说明：本技术 一种自适应zvs电路及其控制方法 (Self-adaptive ZVS circuit and control method thereof ) 是由 卢鹏飞 于 2019-09-29 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种自适应ZVS电路及其控制方法,自适应ZVS电路包括电源V1,电源V2,电源V3,开关管Q1、开关管Q2、电感器L和双比较单元；开关管Q1的漏极和双比较单元的一个输入端连接到电源V1,开关管Q1的源极,开关管Q2的漏极和双比较单元的另一个输入端连接到电感器L1的一端,开关管Q2的源极连接到电源V2,电感器L1的另一端连接到电源V3。本发明利用广义ZVS的定义,通过双比较单元可以简单快速的判定开关管是否实现ZVS开通,并告诉控制电路下一个周期是否调节以及如何调节电路时序实现开关管的自适应ZVS开通,由于比较的速度远快于采样和保持电路的速度,所以在高频应用时优势更加明显。(The invention discloses a self-adaptive ZVS circuit and a control method thereof, wherein the self-adaptive ZVS circuit comprises a power supply V1, a power supply V2, a power supply V3, a switching tube Q1, a switching tube Q2, an inductor L and double comparison units; the drain of the switch tube Q1 and one input end of the double comparison unit are connected to a power supply V1, the source of the switch tube Q1, the drain of the switch tube Q2 and the other input end of the double comparison unit are connected to one end of an inductor L1, the source of the switch tube Q2 is connected to a power supply V2, and the other end of the inductor L1 is connected to the power supply V3. The invention utilizes the definition of generalized ZVS, can simply and rapidly judge whether the switching tube realizes ZVS switching-on through the double comparison units, and tell whether the control circuit regulates the next period and how to regulate the circuit time sequence to realize the self-adaptive ZVS switching-on of the switching tube.)

一种自适应ZVS电路及其控制方法

技术领域

本发明涉及开关电源，特别涉及自适应ZVS开关变换器电路及其控制方法。

背景技术

图1为具有同步整流功能的Buck电路，图2为图1对应的时序图，MOS管Q1实现ZVS开通的条件是在t2时刻电感器L的电流IL为一定的负向电流时关断MOS管Q2；当MOS管Q2在t1时刻关断，t1时刻电感器L的电流IL大于t2时刻的电流，使MOS管Q1失去了实现ZVS开通的条件，如图2中虚线所示，因此MOS管Q2关断时刻的负向电流绝对值必须足够大，但是如果负向电流绝对值过大虽然实现了MOS管Q1的ZVS开通，但是产生了不必要的电流在电感器L中循环，使电路效率降低。所以MOS管Q2关断时刻的负向电流绝对值必须为一个合适的值，不能太大，也不能太小。随着软开关技术的应用，电路的开关频率越来越高，电感器的感量也是越来越小，留给检测电路和控制电路的时间越来越小，所以控制流过电感器L的负向电流在一个合适的值成为一项需要攻克的技术难题。

图3，图4和图5为申请号13/027,830，发明名称为《ADAPTIVE CONTROL OFSWITCHING LOSSES IN POWER CONVERTERS》的美国专利摘要附图，该专利的发明构思是通过图4中的电流反转检测器214来检测图3中的电感器L的电流IL极性何时反转，并向控制器202和计时器218提供高输出信号，使控制器202输出变低，计时器218的输出变高并开始计数，使对应或门216的输出依然为高电平并维持图3中的开关S2导通。采样和保持电路222在图5的t7时刻采样Vs电压并保持住，然后和Vin信号作为误差放大器220的输入，并产生一个误差信号e₂，计时器218接收误差信号e₂并调节计时器218的计数时间，计数时间对应图5中的t3到t4时段，即：通过检测t7时刻的Vs电压来调节电感器L负向电流的持续时间，使电感器L的负向电流大小调整到一个合适的值，这将最大限度地减少损耗，提高电源效率。但是Vs电压不断的快速变化，对t7时刻的Vs电压采样到并进行保持，不管是数字电路还是模拟电路，都是特别困难的，导致自适应ZVS难以实现。

发明内容

鉴于现有自适应ZVS电路的技术缺陷，本发明要解决的技术问题是提出一种自适应ZVS电路及其控制方法，通过双比较的方式实现了开关管的自适应ZVS开通，具有电路简单，易实现，成本低的优点，最大限度地减少损耗，提高电源效率。

为了实现上述发明目的，本发明采用以下技术方案：

一种自适应ZVS电路，其特征在于：包括电源V1，电源V2，电源V3，开关管Q1、开关管Q2、电感器L和双比较单元；开关管Q1的漏极和双比较单元的一个输入端连接到电源V1，开关管Q1的源极，开关管Q2的漏极和双比较单元的另一个输入端连接到电感器L1的一端，开关管Q2的源极连接到电源V2，电感器L1的另一端连接到电源V3。

优选的，电源V1的电压高于电源V2的电压，电源V3的电压高于电源V2的电压。

优选的，所述的电感器L为电感或变压器的一个绕组。

优选的，所述的双比较单元为两个比较器。

作为上述比较器的第一种实施方式，所述比较器的两个输入端分别连接电源V1和电感器L1的一端。

作为上述比较器的第二种实施方式，所述比较器的两个输入端至少其中一个添加偏置电压后分别连接到电源V1和电感器L1的一端。

作为上述比较器的第三种实施方式，电源V1和电感器L1的一端分别经过分压电路后再分别连接到比较器的两个输入端。

作为上述分压电路的一种实施方式，所述分压电路为若干电阻串联分压电路或串联有电压源、恒流源或稳压器件的若干电阻串联分压电路。

本发明还提供上述自适应ZVS电路的控制方法，其特征在于：从开关管Q2关断时刻到开关管Q1开通时刻的时间段内，根据电源V1电压，电感器L1的一端电压和双比较单元得到两路高低电平输出，然后相对于当前周期开关管Q2的关断时刻，由双比较单元的两路高低电平输出来调节开关管Q2在下一个周期保持，提前或延后关断。

本发明还提供另外一种相同发明构思的开关变换器，技术方案为：一种自适应ZVS电路，包括电源V1，电源V2，电源V3，开关管Q1、开关管Q2、电感器L和双比较单元；开关管Q1的漏极连接到电源V1，开关管Q1的源极，开关管Q2的漏极和双比较单元的一个输入端连接到电感器L1的一端，开关管Q2的源极和双比较单元的另一个输入端连接到电源V2，电感器L1的另一端连接到电源V3。

优选的，电源V1的电压高于电源V2的电压，电源V3的电压高于电源V2的电压。

优选的，所述的电感器L为电感或变压器的一个绕组。

优选的，所述的双比较单元为两个比较器。

作为上述比较器的第一种实施方式，所述比较器的两个输入端分别连接到电源V2和电感器L1的一端。

作为上述比较器的第二种实施方式，所述比较器的两个输入端至少其中一个添加偏置电压后分别连接到电源V2和电感器L1的一端。

本发明还提供上述自适应ZVS电路的控制方法，其特征在于：从开关管Q1关断时刻到开关管Q2开通时刻的时间段内，根据电源V2电压，电感器L1的一端电压和双比较单元得到两路高低电平输出，然后相对于当前周期开关管Q1的关断时刻，由双比较单元的两路输出高低电平来调节开关管Q1在下一个周期保持，提前或延后关断。

术语含义说明：

开关管的漏极：对于MOS管指的是漏极、对于三极管指的是集电极、对于IGBT指的是漏极，其它开关管依据本领域的技术人员的知识可以自行对应，不再一一列举；

开关管的源极：对于MOS管指的是源极、对于三极管指的是发射极、对于IGBT指的是源极，其它开关管依据本领域的技术人员的知识可以自行对应，不再一一列举。

与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：

1)采用双比较的方式实现开关管的自适应ZVS开通，电路简单易实现，成本低，特别适用于开关频率比较高的场合，实现开关管自适应ZVS开通；

2)采用双比较的方式将开关管Q2关断时刻到开关管Q1开通时刻的时间段内电感器L1一端的最高电压或开关管Q1关断时刻到开关管Q2开通时刻的时间段内电感器L1一端的最低电压控制在一个合适的范围内，电感器L1一端的最高或最低电压与实现开关管ZVS开通的电感器L电流大小正相关，所以此电流稳定的调节至一个合适的值，将最大限度地减少损耗，提高电源效率。

附图说明

图1为具有同步整流功能的Buck电路原理图；

图2为图1的工作时序图；

图3为申请号13/027,830的Buck电路原理图；

图4为申请号13/027,830的自适应ZVS控制框图；

图5为申请号13/027,830的工作时序图；

图6为本发明的一个原理框图；

图7为本发明的另一个原理框图；

图8为本发明第一实施例应用双比较单元的自适应ZVS电路原理图；

图9为本发明第一实施例的工作时序图；

图10为本发明第一实施例的真值表；

图11为本发明第二实施例应用双比较单元的自适应ZVS电路原理图；

图12为本发明第三实施例应用双比较单元的自适应ZVS电路原理图；

图13为本发明第三实施例的真值表。

具体实施方式

图6为本发明的一个原理框图，包括电源V1，电源V2，电源V3，开关管Q1、开关管Q2、电感器L和双比较单元；开关管Q1的漏极和双比较单元的一个输入端连接到电源V1，开关管Q1的源极，开关管Q2的漏极和双比较单元的另一个输入端连接到电感器L1的一端，开关管Q2的源极连接到电源V2，电感器L1的另一端连接到电源V3；电源V1的电压高于电源V2的电压，电源V3的电压高于电源V2的电压。

图7为本发明的另一个原理框图。包括电源V1，电源V2，电源V3，开关管Q1、开关管Q2、电感器L和双比较单元；开关管Q1的漏极连接到电源V1，开关管Q1的源极，开关管Q2的漏极和双比较单元的一个输入端连接到电感器L1的一端，开关管Q2的源极和双比较单元的另一个输入端连接到电源V2，电感器L1的另一端连接到电源V3；电源V1的电压高于电源V2的电压，电源V3的电压高于电源V2的电压。

图6和图7中的Coss1和Coss2分别为开关管Q1和开关管Q2的输出电容，D1和D2分别为开关管Q1和开关管Q2的体二极管。

据此发明构思，以下结合附图对相关实施例的效果进行说明。需要说明的是：将开关管Q1和开关管Q2替换为MOS管，三极管和IGBT等其它类型的开关管为本领域技术人员的惯用手段。

第一实施例

图8为本实施例应用双比较单元的自适应ZVS电路原理图，该双比较单元包括比较器COMP1、比较器COMP2和电压源U；比较器COMP1的反向端和电压源U的正向端连接到电源V1，电压源U的负向端连接到比较器COMP2的反向端，比较器COMP1的正向端和比较器COMP2的正向端连接到结点SW(即电感器L1的一端)，比较器COMP1和比较器COMP2的输出端分别连接到二极管D3和D4的阳极，二极管D3和D4的阴极分别连接到输出C1和输出C2。

该双比较单元的工作时间从开关管Q2关断时刻到开关管Q1开通时刻，其工作原理为：

对于比较器COMP1：电源V1电压和结点SW(即电感器L1一端)的电压分别作为比较器COMP1的反向和正向输入进行比较，如果出现结点SW(即电感器L1一端)的电压大于V1电压的情况，则输出C1为高电平，说明负向电流过大，相对于当前周期需要在下个周期提前关断开关管Q2。

对于比较器COMP2：电源V1电压添加偏置电压U后和结点SW(即电感器L1一端)的电压分别作为比较器COMP2的反向和正向输入进行比较，如果结点SW(即电感器L1一端)的电压没有出现大于V1-U电压的情况，则输出C2为低电平，说明负向电流过小，相对于当前周期需要在下个周期延后关断开关管Q2。

如果结点SW(即电感器L1一端)的电压没有出现大于电源V1电压的情况，则输出C1为低电平，同时电路结点SW(即电感器L1一端)的电压出现了大于V1-U电压的情况，则输出C2为高电平，相对于当前周期就不需要对开关管Q2进行提前或延后关断操作。

从狭义上讲，开关管的ZVS开通是指开关管在漏极和源极之间电压差为0V时开通开关管；从广义上讲，开关管的ZVS开通是指开关管在漏极和源极之间电压差低于某一电压时开通开关管。根据电路的实际调试结果，狭义ZVS开通和广义ZVS开通差别很小，本发明正是利用广义ZVS，只要结点SW(即电感器L1的一端)的电压在开关管Q2关断时刻到开关管Q1开通时刻的死区时间段内能达到V1电压至V1-U电压之间就认为开关管Q1可以实现ZVS开通，只需要两个比较单元就可以对开关管Q1是否实现ZVS开通进行判断，然后根据判断的结果在下一个周期对开关管Q2的关断时刻进行调整。由于比较的速度特别快，因此本发明在开关频率比较高的场合特别适用，由于核心器件是比较器，所以相对于申请号为13/027,830的发明专利，具有电路简单易实现，成本低，易高频应用，能最大限度地减少损耗，提高电源效率。

图9所示为第一实施例工作时序，假设电源V1的电压大于电源V3的电压，具体如下：

t0～t1阶段：在t0时刻开关管Q1导通，电感器L1两端的电压为V1-V3，对电感器L1励磁，电感器L的电流IL上升，在t1时刻关断开关管Q1；

t1～t2阶段：开关管Q1关断后，电感器L的电流IL给开关管Q1的输出电容Coss1充电，给开关管Q2的输出电容Coss2放电。在t2时刻电路结点SW(即电感器L一端)的电压由V1降为V2，开关管Q2实现ZVS开通；

t2～t4阶段：电感器L两端的电压为V3-V2，对电感器L1去磁，电流IL下降，在t3时刻降为0A，在t4时刻关断开关管Q2；

t4～t0+T阶段：电感器L的电流IL给开关管Q2的输出电容Coss2充电，给开关管Q1的输出电容Coss1放电，在t0+T时刻开关管Q1开通。从t4至t0+T时刻当电路结点SW(即电感器L1一端)的最高电压在V1-U至V1之间，根据广义ZVS的定义得：开关管Q1实现了ZVS开通；

本周期结束，下一个工作周期开始，重复上面的阶段。

如果开关管Q2在t′₄时刻关断，波形用图9中长虚线所示，t₄′至t0+T时刻电路结点SW(即电感器L1一端)的电压一直低于V1-U，则下一个周期需延长t3至t′₄的时长，时长的延长按照设定的步进时长进行，每个周期进行累加调整，直至t′₄至t0+T时刻电路结点SW(即电感器L1一端)的最高电压在V1-U至V1之间。

如果开关管Q2在t″₄时刻关断，波形用图9中短虚线所示，t″₄至t0+T时刻电路结点SW(即电感器L1一端)的最高电压大于V1，并且被开关管Q1体二极管D1钳位至V1+Vf，Vf为体二极管D1的导通压降，则下一个周期减小t3至t″₄的时长，时长的减小按照设定的步进时长进行，每个周期进行累加调整，直至t″₄至t0+T时刻电路结点SW(即电感器L1一端)的最高电压在V1-U至V1之间。

通过比较器COMP1和比较器COMP2来判定t4至t0+T时刻电路结点SW(即电感器L1一端)的最高电压，将最高电压记为SWM4，得到的真值表为图10，根据图10来判定t3至t4时长在下一个周期是延长，减小还是不变，当C1或C2为高电平时，比较器COMP1和比较器COMP2输出连接的二极管用来保持C1或C2的高电平，每个周期对C1和C2复位一次。

由于电路为周期性的工作，上述t0+T中的T代表的含义为一个周期的时间长度。

第二实施例

图11为本发明第二实施例的电路原理图。在第一实施例的基础上，将比较器COMP1和比较器COMP2输入端从直接连接至电源V1和结点SW(即电感器L1一端)改为通过分压电路间接连接，并且用稳压器件Z1来代替电压源U，通过分压电路主要解决电源V1和电感器L1的一端电压超过比较单元输入端最大承受电压的问题。

第二实施例工作时序与第一实施例工作时序相似，只是电源V1和电感器L1的一端进行了比例缩小，并且用稳压器件Z1的额定稳压值Z来等效替代第一实施例中电压源U的电压U。其它内容在此不再赘述。

第三实施例

图12为本发明的第三实施例的电路原理图。所包含的器件与第一实施例基本相同，主要差异在于连接关系：比较器COMP1的反向端和电压源U的正向端连接到结点SW(即电感器L1一端)，比较器COMP1的正向端和比较器COMP2的正向端连接到电源V2。

第三实施例依然利用广义ZVS的原理，整个工作过程和原理与第一实施例相似，差异在于通过比较器COMP1和比较器COMP2来判定图9中t1至t2时刻电路结点SW(即电感器L1一端)的最低电压，将最低电压记为SWm1，得到的真值表为图13，由真值表来判定t0至t1时长在下一个周期是延长，减小还是不变，当C1或C2为高电平时，比较器COMP1和比较器COMP2输出连接的二极管用来保持C1或C2的高电平，每个周期对C1和C2复位一次。其它内容在此不再赘述。

上述实施方式不应视为对本发明的限制，本发明的保护范围应当以权利要求所限定的范围为准。对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明的精神和范围内，还可以做出若干等同替换、改进和润饰，如根据应用场合的不同，通过器件的简单串并联等手段对电路微调，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。