專利名稱：一種Buck-Boost直流變換器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及是一種高效率電能變換裝置，特別是一種應(yīng)用于中、小功率直流變換
O
背景技術(shù)：
以計(jì)算機(jī)為主導(dǎo)的各種終端設(shè)備、通信設(shè)備等電子設(shè)備中大量采用不同的控制IC 芯片，因此具備多路輸出電壓等級(jí)的開關(guān)變換器成為一種趨勢(shì)。為了進(jìn)一步減小開關(guān)變換器的體積，開關(guān)電源高頻化趨勢(shì)越來越明顯。然而，開關(guān)速度提高后，器件的損耗急劇上升， 不僅帶來EMI及熱應(yīng)力等問題，還會(huì)降低變換器本身的可靠性。為了要提高開關(guān)頻率及減少開關(guān)損耗，ZVS、ZCS的軟開關(guān)技術(shù)已成為開關(guān)電源的主流技術(shù)，并大幅提高了開關(guān)電源的工作效率。實(shí)現(xiàn)傳統(tǒng)的軟開關(guān)技術(shù)需要增加額外的諧振電感或諧振電容，但是這種方法不僅會(huì)增加變換器的體積和復(fù)雜性，且功率器件的應(yīng)力也急劇上升。為了實(shí)現(xiàn)對(duì)開關(guān)變換器的高效率、高可靠性和低EMI，就必然對(duì)傳統(tǒng)硬開關(guān)技術(shù)進(jìn)行創(chuàng)新，同時(shí)也要滿足多路輸出的需要。不控全橋(d=50%)做為前級(jí)變換器以其高效率、高功率密度、提供電氣隔離等諸多優(yōu)點(diǎn)廣泛應(yīng)用于級(jí)聯(lián)變換器架構(gòu)中。工作在電流斷續(xù)Boost變換器其主開關(guān)管工作在ZCS 狀態(tài)，具有效率高、EMI低的優(yōu)點(diǎn)。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是針對(duì)有電氣隔離要求的多路輸出場合，提出了低 EMI、高功率密度、高效率的Buck-Boost直流變換器。本發(fā)明為解決上述技術(shù)問題采用以下技術(shù)方案
一種Buck-Boost直流變換器，包括前級(jí)Buck變換器、后級(jí)Boost變換器，所述前級(jí) Buck變換器為不控全橋或不控半橋變換器，所述后級(jí)Boost變換器為工作在電流斷續(xù)模式的Boost變換器。進(jìn)一步的，本發(fā)明的Buck-Boost直流變換器，所述前級(jí)Buck變換器包括輸入電源、全橋電路、隔離變壓器，第一至第二同步整流管；所述后極Boost變換器包括輸入電感、 開關(guān)管、整流二極管、輸出濾波電容、負(fù)載；其中
所述輸入電源的兩端分別連接全橋電路的兩端，所述隔離變壓器的原邊繞組的兩端分別連接全橋電路的兩個(gè)橋臂的中點(diǎn)，所述隔離變壓器的副邊繞組的一端與第一同步整流管的源極連接，所述隔離變壓器的副邊繞組的另一端與第二同步整流管的源極連接，所述第一同步整流管的漏極分別與第二同步整流管的漏極、輸入電感的一端連接；
所述輸入電感的另一端分別與開關(guān)管的漏極、整流二極管的陽極連接，整流二極管的陰極分別與輸出濾波電容的一端、負(fù)載的一端連接，所述輸出濾波電容的另一端、負(fù)載的另一端、開關(guān)管的源極分別與隔離變壓器副邊繞組的中點(diǎn)連接。做為本發(fā)明的另一種形式的Buck-Boost直流變換器，所述前級(jí)Buck變換器由輸入電源、半橋電路、電容支路、隔離變壓器，第一至第二同步整流管，所述電容支路由兩個(gè)相互串聯(lián)的電容組成；所述后極Boost變換器包括輸入電感、開關(guān)管、整流二極管、輸出濾波電容、負(fù)載；其中
所述輸入電源的兩端分別連接半橋電路、電容支路的兩端，所述隔離變壓器的原邊繞組的兩端分別連接半橋電路的橋臂中點(diǎn)、電容支路的中點(diǎn)，所述隔離變壓器的副邊繞組的一端與第一同步整流管的源極連接，所述隔離變壓器的副邊繞組的另一端與第二同步整流管的源極連接，所述第一同步整流管的漏極分別與第二同步整流管的漏極、輸入電感的一端連接；
所述輸入電感的另一端分別與開關(guān)管的漏極、整流二極管的陽極連接，整流二極管的陰極分別與輸出濾波電容的一端、負(fù)載的一端連接，所述輸出濾波電容的另一端、負(fù)載的另一端、開關(guān)管的源極分別與隔離變壓器副邊繞組的中點(diǎn)連接。進(jìn)一步的，本發(fā)明的Buck-Boost直流變換器，所述后級(jí)Boost變換器的數(shù)量為N 個(gè)，N為自然數(shù)。本發(fā)明采用以上技術(shù)方案與現(xiàn)有技術(shù)相比，具有以下技術(shù)效果
本發(fā)明的一種Buck-Boost直流變換器，具有磁性元件少、功率開關(guān)管的電流應(yīng)力及熱應(yīng)力低的優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)斷續(xù)模式下的Boost變換器的主開關(guān)管工作時(shí)刻由前級(jí)不控全橋的控制信號(hào)給出，不控全橋功率開關(guān)管的ZCS實(shí)現(xiàn)條件不依賴于輸入電壓和負(fù)載電流等外部變量，有利于變換器實(shí)現(xiàn)高功率密度、高效率。


圖1是本發(fā)明的變換器示意圖。圖2是本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)例的變換器一種工作情況下的主要波形示意圖。圖3是不控半橋替代不控全橋形成的變換器示意圖。圖4是本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)例的變換器應(yīng)用于多路輸出狀態(tài)下的示意圖。
具體實(shí)施例方式下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明的技術(shù)方案做進(jìn)一步的詳細(xì)說明
如圖ι所示，本發(fā)明的Buck-Boost直流變換器，前級(jí)為由輸入電源Vin，開關(guān)管Q1-Q4， 隔離變壓器TX1，同步整流管Q5-Q6構(gòu)成的不控全橋。不控全橋的占空比為近似50%，橋臂的上下管之間插入死區(qū)以防止共通。Boost變換器由輸入電感Li，開關(guān)管Q7，整流二極管 Dl，輸出濾波電容Cl，負(fù)載Rl構(gòu)成。不控全橋的輸出電感和Boost變換器的輸入電感共用 Li，減少了磁性元件的使用，提升變換器的功率密度。如圖2所示，其給出了本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)例的變換器一種工作情況下的時(shí)序和主要波形示意圖。圖2從上至下波形分別為不控全橋中開關(guān)管Q1、Q4、Q5的驅(qū)動(dòng)波形；不控全橋中開關(guān)管Q2、Q3、Q6的驅(qū)動(dòng)波形；后級(jí)Boost主開關(guān)管所用的同步信號(hào)；Boost主開關(guān)管 Q7的驅(qū)動(dòng)波形；隔離變壓器原邊電流ip ；Boost變換器輸入電感Ll電流波形。由圖2可知， ZCS不控全橋疊加斷續(xù)Boost變換器在一個(gè)開關(guān)周期內(nèi)可分為6種開關(guān)模式，分別為[、， tj、[t1 t2]、[t2，t3]、[t3，t4]、[t4，t5]、[t5，t6]，其中[t。，t3]為前半周期，[t3，t6]為后半周期。以下簡要介紹各工作模態(tài)時(shí)變換器的工作原理。
[t0，tj 模態(tài)
不控全橋中開關(guān)管Q1、Q4、Q5導(dǎo)通，隔離變壓器激磁電流線性增加。同時(shí)，將不控全橋開關(guān)管動(dòng)作的上升沿時(shí)刻提供給Boost變換器閉環(huán)控制器做為同步信號(hào)，此時(shí)Boost變換器的開關(guān)管Q7同步導(dǎo)通，輸入電感iu儲(chǔ)存能量電流線性上升。變壓器中原邊電流ip由激磁電感電流和輸入電感iu折算到原邊電流兩部分疊加組成。由圖2可知，t0時(shí)刻，在變壓器原邊中僅有很小的激磁電流流過，因此不控全橋的開關(guān)管Ql和Q4和整流管Q5可近似認(rèn)為為ZCS開通。[t”t2]模態(tài)
Boost變換器的輸出電壓達(dá)到期望的V。ut，Boost變換器的主開關(guān)管Q7關(guān)閉。輸入電感 iL1儲(chǔ)存能量通過功率二極管Dl釋放到輸出端，電感電流iu在輸入電壓和輸出電壓的共同作用下線性下降。變壓器中原邊電流ip由激磁電感電流和輸入電感iu折算到原邊電流兩部分疊加組成。我們通過選擇合適的電感值大小保證在該模態(tài)結(jié)束時(shí)電感電流下降為0，保證在t2時(shí)刻不控全橋的主開關(guān)管始終處于ZCS關(guān)閉狀態(tài)。由圖2可知，在t2時(shí)刻變壓器原邊中僅有激磁電流流過，因此不控全橋的開關(guān)管Ql和Q4和整流管Q5可近似認(rèn)為為ZCS關(guān)閉。[t2，t3]模態(tài)
不控全橋中開關(guān)管全部關(guān)閉，隔離變壓器原邊電流在激磁電感和開關(guān)管結(jié)電容諧振影響下下降，因這段死區(qū)時(shí)間較短，原邊電流也可近似認(rèn)為不變化。此時(shí)，Boost輸入電感電流iu已經(jīng)為0，整流二極管Dl可認(rèn)為ZCS關(guān)斷，負(fù)載端能量由電容Cl提供。由于在該模態(tài)結(jié)束時(shí)，原邊變壓器中僅流過很小的激磁電流，保證在后半開關(guān)周期內(nèi)不控全橋工作在ZCS 開通狀態(tài)。后半周期[t3，t6]的開關(guān)工作模態(tài)和前半周期[、，t3]是相同的，不再分析。由以上分析可知，我們通過設(shè)定Boost變換器的主開關(guān)管工作時(shí)刻由前級(jí)不控全橋的控制信號(hào)給定，保證Boost變換器的工作模態(tài)和不控全橋同步，同時(shí)通過選擇合適的參數(shù)將Boost變換器始終處于斷續(xù)模式下工作。因此不僅Boost變換器的整流二極管Dl 可實(shí)現(xiàn)ZCS關(guān)斷，而且可以保證不控全橋的主開關(guān)管Q1-Q4和同步整流開關(guān)管Q5-Q6始終處于ZCS開通和關(guān)閉狀態(tài)。通過這樣的設(shè)計(jì)，就可以極大的降低變換器中所有功率開關(guān)管和二極管的開關(guān)損耗，提高了變換器的效率。本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)例的具體參數(shù)如下輸入電壓為36VDC-75VDC ；輸出電壓27VDC ； 輸出電流3A ；變壓器匝比為3 :1 ；輸出濾波電感Ll為5 μ H ；輸出濾波電容Cl為200 μ F ； 不控全橋主開關(guān)管和同步整流開關(guān)管均為IPB108N15N3G，其控制芯片為肌觀025，設(shè)定的開關(guān)頻率為100kHz，死區(qū)時(shí)間為500nS ；Boost變換器的主開關(guān)管為，整流二極管為 STPS40SM100C，其控制芯片為UC3842，由原理可知接受到的同步信號(hào)為200kHz。如圖3所示，本發(fā)明的另一種變換器的結(jié)構(gòu)示意圖。與圖1所示的前級(jí)采用不控全橋不同，圖3的前級(jí)采用的是不控半橋。其中不控半橋的開關(guān)管工作于ZCS狀態(tài)，Boost 變換器工作在電流斷續(xù)模式，和圖1所示的工作原理完全一致。如圖4所示，其給出了本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)例的變換器在多路輸出架構(gòu)中的拓展應(yīng)用。理論上，可通過在不控全橋的整流管后拓展任意多路輸出電壓以滿足不同電壓等級(jí)的需求。和圖1所示的工作原理完全一致，后級(jí)多路輸出的Boost變換器開關(guān)管的工作時(shí)刻由前級(jí)不控全橋控制芯片給出實(shí)現(xiàn)同步，因此可以同樣實(shí)現(xiàn)不控全橋開關(guān)管Q1-Q4和同步整流管Q5-Q6的ZCS開通和關(guān)閉。
權(quán)利要求
1.一種Buck-Boost直流變換器，包括前級(jí)Buck變換器、后級(jí)Boost變換器，其特征在于所述前級(jí)Buck變換器為不控全橋或不控半橋變換器，所述后級(jí)Boost變換器為工作在電流斷續(xù)模式的Boost變換器。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的Buck-Boost直流變換器，其特征在于所述前級(jí)Buck變換器包括輸入電源、全橋電路、隔離變壓器，第一至第二同步整流管；所述后極Boost變換器包括輸入電感、開關(guān)管、整流二極管、輸出濾波電容、負(fù)載；其中所述輸入電源的兩端分別連接全橋電路的兩端，所述隔離變壓器的原邊繞組的兩端分別連接全橋電路的兩個(gè)橋臂的中點(diǎn)，所述隔離變壓器的副邊繞組的一端與第一同步整流管的源極連接，所述隔離變壓器的副邊繞組的另一端與第二同步整流管的源極連接，所述第一同步整流管的漏極分別與第二同步整流管的漏極、輸入電感的一端連接；所述輸入電感的另一端分別與開關(guān)管的漏極、整流二極管的陽極連接，整流二極管的陰極分別與輸出濾波電容的一端、負(fù)載的一端連接，所述輸出濾波電容的另一端、負(fù)載的另一端、開關(guān)管的源極分別與隔離變壓器副邊繞組的中點(diǎn)連接。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的Buck-Boost直流變換器，其特征在于所述前級(jí)Buck變換器由輸入電源、半橋電路、電容支路、隔離變壓器，第一至第二同步整流管，所述電容支路由兩個(gè)相互串聯(lián)的電容組成；所述后極Boost變換器包括輸入電感、開關(guān)管、整流二極管、輸出濾波電容、負(fù)載；其中所述輸入電源的兩端分別連接半橋電路、電容支路的兩端，所述隔離變壓器的原邊繞組的兩端分別連接半橋電路的橋臂中點(diǎn)、電容支路的中點(diǎn)，所述隔離變壓器的副邊繞組的一端與第一同步整流管的源極連接，所述隔離變壓器的副邊繞組的另一端與第二同步整流管的源極連接，所述第一同步整流管的漏極分別與第二同步整流管的漏極、輸入電感的一端連接；所述輸入電感的另一端分別與開關(guān)管的漏極、整流二極管的陽極連接，整流二極管的陰極分別與輸出濾波電容的一端、負(fù)載的一端連接，所述輸出濾波電容的另一端、負(fù)載的另一端、開關(guān)管的源極分別與隔離變壓器副邊繞組的中點(diǎn)連接。
4.根據(jù)權(quán)利要求1-3所述的Buck-Boost直流變換器，其特征在于所述后級(jí)Boost變換器的數(shù)量為N個(gè)，N為自然數(shù)。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種Buck-Boost直流變換器，包括前級(jí)Buck變換器、后級(jí)Boost變換器，前級(jí)Buck變換器為不控全橋或不控半橋變換器，后級(jí)Boost變換器為工作在電流斷續(xù)模式的Boost變換器。本發(fā)明用不控全橋做為直流變換器前級(jí)不僅可以實(shí)現(xiàn)與輸入電壓的電氣隔離，而且可以利用變壓器變比關(guān)系將寬輸入電壓降低至合適的變化范圍。利用Boost變換器工作于斷續(xù)狀態(tài)實(shí)現(xiàn)前級(jí)不控全橋在設(shè)計(jì)范圍內(nèi)工作于ZCS狀態(tài)，與輸入電壓、負(fù)載條件無關(guān)，同時(shí)，Boost變換器的開關(guān)管動(dòng)作時(shí)刻由前級(jí)不控全橋的控制信號(hào)決定。
文檔編號(hào)H02M3/28GK102299632SQ201110252348
公開日2011年12月28日 申請(qǐng)日期2011年8月30日 優(yōu)先權(quán)日2011年8月30日
發(fā)明者周巖 申請(qǐng)人:南京郵電大學(xué)