CN213151911U - 一种适用于宽占空比的buck变换器、电路和设备 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种适用于宽占空比的BUCK变换器、电路和设备。本实用新型通过引入耦合电感元件取代现有BUCK变换器中的电感，不需要增加磁芯即可实现软开关技术，简化结构、降低成本；而包含励磁电感和漏感，能够降低磁的损耗，避免磁芯出现饱和；同时，通过耦合电感元件中的副边线圈和第二开关管形成的辅助支路，使得第一开关管、第二二极管的电压应力小，因此在宽占空比范围内第一开关管和第二开关管均能实现软开关，实现零电压开通，能应用于宽占空比的场合，可广泛应用于电力变换技术领域。

Description

一种适用于宽占空比的BUCK变换器、电路和设备

技术领域

本实用新型涉及电力变换技术领域，尤其是一种适用于宽占空比的BUCK变换器、电路和设备。

背景技术

现今为了降低开关器件的损耗，通过会利用到如零电压转移软开关和电感电流反向零电压软开关技术等技术。例如利用零电压转移软开关技术的同步整流BUCK转换器，需要原有主电路的电感基础上另外添加一个用于谐振的电感，使得需要磁芯增加，结构复杂且提高了成本，而利用电感电流反向零电压软开关技术的同步整流BUCK转换器，其主电路的电感电流的纹波大，使得磁芯容易出现饱和而损坏开关器件，存在不足。

实用新型内容

为解决上述技术问题，本实用新型的目的在于：提供一种适用于宽占空比的BUCK变换器、电路和设备。

本实用新型所采取的技术方案是：一种适用于宽占空比的BUCK变换器，包括：第一单元、第二单元、第三单元、耦合电感元件、第一电容和电源；

所述耦合电感元件包括励磁电感、漏感、原边线圈和副边线圈，所述励磁电感与所述原边线圈并联，所述漏感一端连接所述第二单元的第二端和所述第三单元的第一端，所述漏感另一端连接所述励磁电感一端，所述励磁电感另一端连接所述副边线圈一端以及所述第一电容一端，所述第一电容另一端连接所述第一单元的第一端、所述第三单元的第二端和所述电源的负极，所述第一电容用于与负载并联连接，所述副边线圈另一端连接所述第一单元的第二端，其中所述原边线圈与所述漏感连接的一端、所述副边线圈与所述第一单元连接的一端为同名端；

所述第二单元的第一端连接所述电源的正极，所述第二单元包括第一开关管、第一二极管和第二电容，所述第二电容与所述第一二极管并联，所述第一二极管的正极连接所述第一开关管的发射极，所述第一二极管的负极连接所述第一开关管的集电极，所述第一开关管的集电极作为所述第二单元的第一端，所述第一开关管的发射极作为所述第二单元的第二端；

所述第一单元包括第二开关管、第二二极管和第三电容，所述第三电容与所述第二二极管并联，所述第二二极管的正极连接所述第二开关管的发射极，所述第二二极管的负极连接所述第二开关管的集电极，所述第二开关管的集电极作为所述第一单元的第一端，所述第二开关管的发射极作为所述第一单元的第二端；

所述第三单元包括第三开关管、第三二极管和第四电容，所述第四电容与所述第三二极管并联，所述第三二极管的正极连接所述第三开关管的发射极，所述第三二极管的负极连接所述第三开关管的集电极，所述第三开关管的集电极作为所述第三单元的第一端，所述第三开关管的发射极作为所述第三单元的第二端。

进一步，所述电源为直流电源。

本实用新型还提供一种电路，包括所述适用于宽占空比的BUCK变换器以及所述负载。

本实用新型还提供一种设备，包括所述电路。

本实用新型的有益效果是：通过引入耦合电感元件取代现有BUCK变换器中的电感，不需要增加磁芯即可实现软开关技术，简化结构、降低成本；而包含励磁电感和漏感，能够降低磁的损耗，避免磁芯出现饱和；同时，通过耦合电感元件中的副边线圈和第二开关管形成的辅助支路，使得第一开关管、第二二极管的电压应力小，因此在宽占空比范围内第一开关管和第二开关管均能实现软开关，实现零电压开通，能应用于宽占空比的场合。

附图说明

图1为本实用新型一种适用于宽占空比的BUCK变换器的结构示意图；

图2为本实用新型一种适用于宽占空比的BUCK变换器工作过程中的参数示意图。

具体实施方式

为了使本技术领域的人员更好地理解本申请方案，下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本申请一部分的实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，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例，都应当属于本申请保护的范围。

本申请的说明书和权利要求书及附图中的术语“第一”、“第二”、“第三”等仅用于区别不同对象，而不是用于描述特定顺序。此外，术语“包括”和“具有”以及它们任何变形，意图在于覆盖不排他的包含。在本文中提及“实施例”意味着，结合实施例描述的特定特征、结构或特性可以包含在本申请的至少一个实施例中。在说明书中的各个位置出现该短语并不一定均是指相同的实施例，也不是与其它实施例互斥的独立的或备选的实施例。本领域技术人员显式地和隐式地理解的是，本文所描述的实施例可以与其它实施例相结合。

下面结合说明书附图和具体实施例对本实用新型作进一步解释和说明。

参照图1，本实用新型实施例提供了一种适用于宽占空比的BUCK变换器，包括第一单元A、第二单元B、第三单元C、耦合电感元件、第一电容C1和电源V_in；

耦合电感元件包括励磁电感L_m、漏感L_r、原边线圈N₁和副边线圈N₂，励磁电感L_m与原边线圈N₁并联，漏感L_r一端连接第二单元B的第二端和第三单元C的第一端，漏感L_r另一端连接励磁电感L_m一端，励磁电感L_m另一端连接副边线圈N₂一端以及第一电容C1一端，第一电容C1另一端连接第一单元A的第一端、第三单元C的第二端和电源V_in的负极，第一电容C1用于与负载R并联连接，副边线圈N₂另一端连接第一单元A的第二端，其中原边线圈N₁与漏感L_r连接的一端、副边线圈N₂与第一单元A连接的一端为同名端，N₁:N₂＝1:N；

第二单元B的第一端连接电源V_in的正极，第二单元B包括第一开关管S₁、第一二极管D1和第二电容C2，第二电容C2与第一二极管D1并联，第一二极管D1的正极连接第一开关管S₁的发射极，第一二极管D1的负极连接第一开关管S₁的集电极，第一开关管S₁的集电极作为第二单元B的第一端，第一开关管S₁的发射极作为第二单元B的第二端；

第一单元A包括第二开关管S₁₁、第二二极管D2和第三电容C3，第三电容C3与第二二极管D2并联，第二二极管D2的正极连接第二开关管S₁₁的发射极，第二二极管D2的负极连接第二开关管S₁₁的集电极，第二开关管S₁₁的集电极作为第一单元A的第一端，第二开关管S₁₁的发射极作为第一单元A的第二端；

第三单元C包括第三开关管S₂、第三二极管D3和第四电容C4，第四电容C4与第三二极管D3并联，第三二极管D3的正极连接第三开关管S₂的发射极，第三二极管D3的负极连接第三开关管S₂的集电极，第三开关管S₂的集电极作为第三单元C的第一端，第三开关管S₂的发射极作为第三单元C的第二端。

本实施例中，图2对开关管的控制信号S₁、S₁₁、S₂可根据需要进行调整。

如图2所示，下面详细描述本实用新型的具体工作过程：

(1)(t₁～t₂)，在t₁时刻之前，辅助电路中串联的可控开关管(第二开关管S₁₁)导通，第一开关管S₁导通，漏感电流i_Lr增大，辅助电路中的电流i_D减小，在t₁时刻，辅助电路中的电流i_D和漏感电压V_L减小为零，辅助电路中串联的可控开关管(第二开关管S₁₁)也随之零电流软开关关断。本阶段中，漏感L_r和励磁电感L_m被V_in-V_out充电，由于等效的励磁电感L_m很大，此阶段中励磁电流i_Lm保持不变，励磁电感L_m电压近似为V_in-V_out。其中，本实施例的辅助电路指的是副边线圈所在的支路。

(2)(t₂～t₃)，在t₂时刻，第一开关管S₁关断，并联在其上的电容开始被

(第一开关管S₁所在支路电流)充电，第三开关管S₂并联的电容开始被

(第三开关管S₂所在支路电流)放电，第三开关管S₂的集射极之间电压

开始下降。

(3)(t₃～t₄)，在t₃时刻，第三开关管S₂的集射极之间电压

下降为零，电流

经过并联第三开关管S₂的反并联二极管继续流通，第三开关管S₂零电压软开关导通，本阶段中，漏感L_r和励磁电感L_m被-v_out放电，励磁电感L_m电压近似为-v_out，可控开关管(第二开关管S₁₁)的关断电压为：

即N>1。

(4)(t₄～t₅)，在t₄时刻，辅助电路中串联的可控开关管(第二开关管S₁₁)开通，励磁电感L_m电压被钳位为-V_out/N,辅助电路中的电流i_D增大，电流

增大，漏感电流

减小。

(5)(t₅～t₆)，在t₅时刻，电流

已经从负值增大为正值，第三开关管S₂关断，消除了反向恢复问题，第三开关管S₂软开关关断，漏感L_r、与第三开关管S₂并联的电容、与第一开关管S₁并联的电容开始谐振，集射级电压

在并联的电容的作用下，从零开始增大充电，与第一开关管S₁并联的电容放电。谐振过程如下式所示：

其中，C_S为与第一开关管S₁并联的电容以及与第三开关管S₂并联的电容的和，t为时间。

(6)(t₆～t₇)，在t₆时刻，第一开关管的集射级电压

减小为零，第一开关管S₁的电流

经过其反并联二极管流通，实现零电压软开关开通，本阶段励磁电感L_m电压被钳位为-V_out/N,辅助电流i_D减小，电流

增大，漏感电流

增大。

(7)(t₇～t₈)，在t₇时刻，第一开关管S₁的电流

增大为零，至t₈时刻，辅助电流i_D减小至零，整个开关周期结束。

本实用新型添加了一个辅助绕组N₂和辅助的可控型第二开关管形成耦合电感零电压软开关，第一开关管电压应力低、只需要一个磁芯且不易饱和，即使在宽占空比下也可实现两个主开关管(第一开关管和第三开关管)和第二开关管实现软开关，实现零电压开通，不存在反向恢复问题，尤其是第二开关管的软开关更容易实现，辅助电路的开关管在第一开关管导通的大部分时间里保持着断开状态，第二开关管在第三开关管导通的大部分时间里保持着断开状态，第二开关管在第三开关管关断前

开通即可，如此可有效地减小辅助电路电流的平均值，降低了辅助电路的导通损耗、提高了变换器的效率，也进一步缓解了轻载下效率过低的问题，该BUCK变换器大适合于宽占空比下使用。

本实施例还提供一种电路，包括上述适用于宽占空比的BUCK变换器以及负载。

本实施例还提供一种设备，包括上述电路。

以上是对本实用新型的较佳实施进行了具体说明，但本实用新型并不限于实施方式，熟悉本领域的技术人员在不违背本实用新型精神的前提下还可做作出种种的等同变形或替换，这些等同的变形或替换均包含在本申请权利要求所限定的范围内。

Claims (4)

1.一种适用于宽占空比的BUCK变换器，其特征在于，包括：第一单元、第二单元、第三单元、耦合电感元件、第一电容和电源；

所述耦合电感元件包括励磁电感、漏感、原边线圈和副边线圈，所述励磁电感与所述原边线圈并联，所述漏感一端连接所述第二单元的第二端和所述第三单元的第一端，所述漏感另一端连接所述励磁电感一端，所述励磁电感另一端连接所述副边线圈一端以及所述第一电容一端，所述第一电容另一端连接所述第一单元的第一端、所述第三单元的第二端和所述电源的负极，所述第一电容用于与负载并联连接，所述副边线圈另一端连接所述第一单元的第二端，其中所述原边线圈与所述漏感连接的一端、所述副边线圈与所述第一单元连接的一端为同名端；

所述第二单元的第一端连接所述电源的正极，所述第二单元包括第一开关管、第一二极管和第二电容，所述第二电容与所述第一二极管并联，所述第一二极管的正极连接所述第一开关管的发射极，所述第一二极管的负极连接所述第一开关管的集电极，所述第一开关管的集电极作为所述第二单元的第一端，所述第一开关管的发射极作为所述第二单元的第二端；

所述第一单元包括第二开关管、第二二极管和第三电容，所述第三电容与所述第二二极管并联，所述第二二极管的正极连接所述第二开关管的发射极，所述第二二极管的负极连接所述第二开关管的集电极，所述第二开关管的集电极作为所述第一单元的第一端，所述第二开关管的发射极作为所述第一单元的第二端；

所述第三单元包括第三开关管、第三二极管和第四电容，所述第四电容与所述第三二极管并联，所述第三二极管的正极连接所述第三开关管的发射极，所述第三二极管的负极连接所述第三开关管的集电极，所述第三开关管的集电极作为所述第三单元的第一端，所述第三开关管的发射极作为所述第三单元的第二端。

2.根据权利要求1所述的BUCK变换器，其特征在于：所述电源为直流电源。

3.一种电路，其特征在于：包括如权利要求1或2所述适用于宽占空比的BUCK变换器以及所述负载。

4.一种设备，其特征在于：包括如权利要求3所述的电路。

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