阅读说明：本技术 一种能量前馈型buck软开关电路及装置 (Energy feedforward type buck soft switching circuit and device ) 是由 张强 郑雪钦 张达敏 林智勇 于 2019-09-16 设计创作，主要内容包括：本发明提供了一种能量前馈型buck软开关电路及装置,包括：buck电路、辅助软开关电路；buck电路包括电源、主开关回路、负载及滤波回路,辅助软开关电路包括：变压器、谐振回路、第一辅助开关回路及第二辅助开关回路；电源通过第一辅助开关回路与变压器的原边回路电气连接,其中,变压器的原边回路包括谐振回路及原边绕组,谐振回路与原边绕组电气连接,滤波回路通过主开关回路与变压器的原边回路电气连接,变压器的副边回路通过第二辅助开关回路与负载电气连接；谐振回路的能量通过变压器传至负载。基于本发明,通过辅助软开关电路及变压器的配合,在实现软开关的同时,将谐振能量直接传至负载,提高电能的转化效率。(The invention provides an energy feedforward type buck soft switching circuit and a device, comprising: buck circuit, auxiliary soft switching circuit; buck circuit includes power, main switch return circuit, load and filtering circuit, and supplementary soft switch circuit includes: the circuit comprises a transformer, a resonant circuit, a first auxiliary switch circuit and a second auxiliary switch circuit; the power supply is electrically connected with a primary side loop of the transformer through a first auxiliary switch loop, wherein the primary side loop of the transformer comprises a resonance loop and a primary side winding, the resonance loop is electrically connected with the primary side winding, a filter loop is electrically connected with the primary side loop of the transformer through a main switch loop, and a secondary side loop of the transformer is electrically connected with a load through a second auxiliary switch loop; the energy of the resonant tank is transferred to the load through the transformer. Based on the invention, through the matching of the auxiliary soft switching circuit and the transformer, the resonant energy is directly transmitted to the load while the soft switching is realized, and the conversion efficiency of the electric energy is improved.)

一种能量前馈型buck软开关电路及装置

技术领域

本发明涉及降压斩波领域，特别涉及一种能量前馈型buck软开关电路及装置。

背景技术

随着科学技术的不断发展，对DC/DC变换器的效率，功率密度和可靠性提出了更高的要求，现有技术中，请参阅图1(a)的变压器TR方案，在谐振电感Lr整个工作过程中，能量通过D4反馈回输入电源E，相当于谐振能量在Lr与E之间环流，图1(b)的变压器ATR方案，iLr上升过程中，谐振电流在自耦变压内环流；但Lr的能量最终还是通过D3反馈回了输入电源E，请参阅图2，在考虑到实际器件S、D的寄生电容与耦合电感漏感的影响，振荡问题严重，导致过大的电压、电流应力，同时谐振能量通过耦合电感，经过两次变换后传递到输出侧，如前所述，现有技术方案谐振能量要么反馈回输入电源，要么经过两次变换才传递到输出侧，势必影响效率的提升。同时部分方案还存在过大的电压、电流应力问题。

发明内容

有鉴于此，本发明公开了一种能量前馈型buck软开关电路及装置，通过辅助软开关电路及变压器的配合，在实现软开关的同时，将谐振能量直接传至负载，提高电能的转化效率。

本发明第一实施例提供了一种能量前馈型buck软开关电路包括：buck电路、辅助软开关电路；

所述buck电路包括电源、主开关回路、负载及滤波回路，所述辅助软开关电路包括：变压器、谐振回路、第一辅助开关回路及第二辅助开关回路；

所述电源通过所述第一辅助开关回路与所述变压器的原边回路电气连接，其中，所述变压器的原边回路包括谐振回路及原边绕组，所述谐振回路与所述原边绕组电气连接，所述滤波回路通过所述主开关回路与所述变压器的原边回路电气连接，所述变压器的副边回路通过所述第二辅助开关回路与所述负载电气连接；所述谐振回路的能量通过所述变压器传至所述负载。

优选地，所述第一辅助开关回路包括:第一场效应管及第一二极管；

其中，所述第一场效应管的D极与所述电源的正极电气连接，所述第一场效应管的S极与所述第一二极管的负极电气连接，所述第一二极管的正极与所述电源的负极电气连接。

优选地，所述主开关回路包括第二场效应管及第二二极管；

其中，所述第二场效应管的D极与所述电源的正极电气连接，所述第二场效应管的S极与所述第二二极管的负极电气连接，所述第二二极管的正极与所述电源的负极电气连接。

优选地，所述谐振回路包括：第一电感及第一电容；

其中，所述第一电感的第一端与所述第一二极管的负极电气连接，所述第一电感的第二端与所述原边绕组的第一端电连接，所述原边绕组的第二端与所述第二二极管的负极电气连接，所述第一电容并联在所述第一二极管的两端。

优选地，所述滤波回路包括：第二电容及第二电感；

所述第二电感的第一端与所述第一二极管的负极电气连接，所述第二电感的第二端通过所述所述第二电容与所述第二二极管的正极电气连接。

优选地，所述变压器的副边回路包括：副边绕组及第三二极管；

所述副边绕组的第一端与所述第三二极管的正极电连接，所述第三二极管的负极与所述负载的第一端电连接，所述负载的第二端与所述副边绕组的第二端电连接。

本发明第二实施例提供一种能量前馈型buck软开关装置，包括如上任意一项所述的一种能量前馈型buck软开关电路。

基于本发明实施例提供的一种能量前馈型buck软开关电路及装置，通过主开关回路的零电压开通、关断，辅助开关回路的零电流开关，变压器与第三二极管形成正激的工作方式，输入电源直接向负载供电，避免电能在传递至负载时经多次变换传递，造成的能量浪费，谐振能量直接通过变压器传至负载可有效的提升电能的转化效率。

附图说明

图1是背景技术中TR与ATR的技术方案电路示意图；

图2是背景技术中耦合电感经变换传至输出侧的技术方案电路示意图；

图3是本发明实施例提供的一种能量前馈型buck软开关电路示意图；

图4是本发明实施例提供的能量前馈型buck软开关电路稳态工作时原理波形；

图5是本发明实施例提供的能量前馈型buck软开关电路TO时刻之前的等效电路；

图6是本发明实施例提供的能量前馈型buck软开关电路T0-T1时刻的等效电路；

图7是本发明实施例提供的能量前馈型buck软开关电路T1-T2时刻的等效电路；

图8是本发明实施例提供的能量前馈型buck软开关电路T2-T3时刻的等效电路；

图9是本发明实施例提供的能量前馈型buck软开关电路T3-T4时刻的等效电路；

图10是本发明实施例提供的能量前馈型buck软开关电路T4-T5时刻的等效电路；

图11是本发明实施例提供的能量前馈型buck软开关电路T5-T6时刻的等效电路；

具体实施方式

为使本发明实施方式的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施方式中的附图，对本发明实施方式中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施方式是本发明一部分实施方式，而不是全部的实施方式。基于本发明中的实施方式，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施方式，都属于本发明保护的范围。因此，以下对在附图中提供的本发明的实施方式的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施方式。

以下结合附图对本发明的具体实施例做详细说明。

本发明公开了一种能量前馈型buck软开关电路及装置，通过辅助软开关电路及变压器的配合，在实现软开关的同时，将谐振能量直接传至负载，提高电能的转化效率。

请参阅图3，本发明第一实施例提供了一种能量前馈型buck软开关电路包括：buck电路、辅助软开关电路；

所述buck电路包括电源、主开关回路、负载RL及滤波回路，所述辅助软开关电路包括：变压器、谐振回路、第一辅助开关回路及第二辅助开关回路；

所述电源通过所述第一辅助开关回路与所述变压器的原边回路电气连接，其中，所述变压器的原边回路包括谐振回路及原边绕组N1，所述谐振回路与所述原边绕组电气连接，所述滤波回路通过所述主开关回路与所述变压器的原边回路电气连接，所述变压器的副边回路通过所述第二辅助开关回路与所述负载RL电气连接；所述谐振回路的能量通过所述变压器传至所述负载RL。

需要说明的是，通过外部输入控制信号至所述主开关回路及所述第一控制开关回路，控制其导通时段，使得回路在不同的时段下不同开关进行软开关工作，且所述变压器与所述第二辅助开关回路的配合，将谐振能量直接传送至负载RL。

在本实施例中，所述第一辅助开关回路包括:第一场效应管Q1及第一二极管D1；

其中，所述第一场效应管Q1的D极与所述电源的正极电气连接，所述第一场效应管Q1的S极与所述第一二极管D1的负极电气连接，所述第一二极管D1的正极与所述电源的负极电气连接。

需要说明的是，所述第一场效应管Q1的的G极用于接收外部的控制信号，使得所述第一场效应管Q1周期性导通，所述第一二极管D1用于在回路中续流，其中，这里优选地，所述第一场效应管Q1为N沟道场效应管，在其他实施例中，也可是P沟道场效应管，也可以是IGBT、GTR等其它类型的全控型器件，这里不做具体限定，这些方案可以根据实际情况对应设置，但这些方案均在本发明的保护范围内。

在本实施例中，所述主开关回路包括第二场效应管Q2及第二二极管D2；

其中，所述第二场效应管Q2的D极与所述电源的正极电气连接，所述第二场效应管Q2的S极与所述第二二极管D2的负极电气连接，所述第二二极管D2的正极与所述电源的负极电气连接。

需要说明的是，所述第二场效应管Q2的的G极用于接收外部的控制信号，使得所述第二场效应管Q2周期性导通，所述第二二极管D2用于在避免电流直接回流至电源，其中，这里优选地，所述第二场效应管Q2为N沟道场效应管，在其他实施例中，也可是P沟道场效应管，也可以是IGBT、GTR等其它类型的全控型器件，这里不做具体限定，这些方案可以根据实际情况对应设置，但这些方案均在本发明的保护范围内。

在本实施例中，所述谐振回路包括：第一电感L1及第一电容C1；

其中，所述第一电感L1的第一端与所述第一二极管D1的负极电气连接，所述第一电感L1的第二端与所述原边绕组N1的第一端电连接，所述原边绕组N1的第二端与所述第二二极管D2的负极电气连接，所述第一电容C1并联在所述第一二极管D1的两端，所述第一电感L1用于储能，谐振，并在储能的同时将输入电源直接向负载RL供电。

需要说明的是，谐振的实质是所述第一电容C1中的电场能与第一电感L1中的磁场能相互转换，此增彼减，完全补偿。电场能和磁场能的总和时刻保持不变，电源不必与电容或电感往返转换能量，只需供给电路中电阻所消耗的电能。

在本实施例中，所述滤波回路包括：第二电容C2及第二电感L2；

所述第二电感L2的第一端与所述第一二极管D1的负极电气连接，所述第二电感L2的第二端通过所述所述第二电容C2与所述第二二极管D2的正极电气连接。

需要说明的是，通过设置所述第二电容C2及第二电感L2构成无源滤波回路，滤波电路作用是尽可能减小脉动的直流电压中的交流成分，保留其直流成分，使输出电压纹波系数降低，波形变得比较平滑

在本实施例中，所述变压器的副边回路包括：副边绕组N2及第三二极管D3；

所述副边绕组N2的第一端与所述第三二极管D3的正极电连接，所述第三二极管D3的负极与所述负载RL的第一端电连接，所述负载RL的第二端与所述副边绕组N2的第二端电连接。

需要说明的是，所述第三二极管D3用于与所述所述第一二极管D1进行配合形成正激的工作方式，将所述第一电感L1所储存的能量，直接向所述负载RL供电。

请参阅图4及图5，图4为回路稳态工作时的原理波形图，假设所述谐振回路的第二电容C2及所述第二电感L2足够大，忽略高频纹波，iL2、Uo为恒定值，图5为在t0时刻之前的回路的等效电路图，iL2通过时所述第一二极管D1进行续流，其工作状如硬开关buck。

请参阅图6，图6为进入[t0，t1]时段内时的等效电路，在t0时刻，所述第二场效应管Q2提前所述第一场效应管Q1开通，iL1从0开始线性上升，但iL1<iL2，D1仍然导通,所述第一电感L1在储能的同时，通过所述变压器与所述第三二极管D3形成正激工作方式，输入电源直接向负载RL供电。

请参阅图7，图7为进入[t1,t2]时段内时的等效电路，在t1时刻，iL1＝iL2，iD1＝0，所述第一二极管D1软关断，所述第一电感L1与所述第一电容C1开始谐振过程(所述谐振频率远大于场效应管的频率)，所述第一电容C1的电压逐渐上升，对应的所述第一场效应管Q1的电压逐渐下降，经1/4谐振周期后，所述第一电感L1的电流达到最大值。

请参阅图8，图8为进入[t2,t3]时段内时的等效电路，在t2时刻，所述，所述第一场效应管Q1的电压下降到零，所述第一场效应管Q1的寄生二极管导通，为实现所述第一场效应管Q1的零电压开通提供条件，所述第一电感L1的电流在输出发射电压的作用下线性下降，直到所述第一电感L1的电流等于所述第二电感L2的电流，只要在此此阶段给开通信号，所述第一场效应管Q1都可以实现零电压开通。

请参阅图9，图9为进入[t3,t4]时段内时的等效电路，在t3时刻后，所述第一电感L1的电流小于所述第二电感L2的电流，所述第一场效应管Q1流过电流，直到所述第一电感L1的电流为零，此后断开所述第二场效应管Q2，就可以实现所述第二场效应管Q2与所述第三二极管D3的零电流关断。

请参阅图10，图10为进入[t4,t5]时段内时的等效电路，在t4时刻后，辅助软开关回路的电流为零，进入正常的S1导通过程，所述第一场效应管Q1的电流与所述第二电感L2的电流相等。

请参阅图11，图11为进入[t5,t6]时段内时的等效电路，在t5时刻，所述第一场效应管Q1关断，由于所述第一电容C1作用，所述第一场效应管Q1电压线性上升，对应所述第一二极管D1电压线性下降。所述第一场效应管Q1近似实现零电压关断。直到t6时刻，所述第一电容C1电压下降到零，所述第一二极管D1导通，为所述第二电感L2的电流提供续流通路，回到t0之前的续流状态，等待下一个开关周期的到来。

本发明第二实施例提供一种能量前馈型buck软开关装置，包括如上任意一项所述的一种能量前馈型buck软开关电路。

基于本发明实施例提供的一种能量前馈型buck软开关电路及装置，通过主开关回路的零电压开通、关断，辅助开关回路的零电流开关，变压器与第三二极管形成正激的工作方式，输入电源直接向负载供电，避免电能在传递至负载时经多次变换传递，造成的能量浪费，谐振能量直接通过变压器传至负载可有效的提升电能的转化效率。

以上仅是本发明的优选实施方式，本发明的保护范围并不仅局限于上述实施例，凡属于本发明思路下的技术方案均属于本发明的保护范围。