[发明专利]一种单管软开关BUCK变换器

说明书

技术领域

本发明属于电子技术领域，涉及DC-DC功率变换器，尤其是一种单管软开关BUCK变换器。

技术背景

在大功率感应加热电源中，传统的调压调功方式为调节可控整流晶闸管导通角来调节逆变侧的母线电压进而进行调功。在电力半导体飞快发展的今天，IGBT已经越来越多地被应用于工业领域，IGBT具有体积小，耐电压高，易于开关等优点，但是也具有拖尾电流的缺点，这导致了它的关断损耗比较大，因此不宜在较高的频率下使用。

各种功率变换器，如开关电源，功率因子校正，都需要使用开关器件。开关器件工作在硬开关状态下会产生严重的开关损耗，限制了工作频率和效率的提高，同时还会产生较高的di/dt，du/dt，从而产生大的电磁干扰。为了克服硬开关的缺点，软开关技术被广泛应用。

传统的软开关电路主要是添加辅助开关管和一些电感电容等辅助元件实现软开关，这种软开关在控制上较难实现，增加的二极管的导通损耗也较大，因此很难在大功率上面使用。为了解决上述问题，准谐振软开关（单管软开关）被提出，但是传统的准谐振软开关对BUCK电路的开关占空比有一定要求，且同时增加了开关管的电压应力，对设备元件的要求很苛刻，这也增加了设备的成本。因此软开关至今尚未很好地普及。

发明内容

本发明的目的是提供一种单管软开关BUCK变换器，通过在BUCK电路中串入耦合变压器，并在反并联二极管旁边并接谐振电容，来实现软开关的目的，具有零电流导通，零电压关断的特点。

本发明技术方案如下：

一种单管软开关BUCK变换器，如图1所示，包括一个直流电源U_in、一个输入滤波电容C_in、一个IGBT开关管Q、一个续流二极管D₂、一个输出滤波电容C和一个输出电感L，还包括一个耦合变压器T_r、一个快恢复二极管D₁和一个谐振电容C_r；直流电源U_in的负极接地，直流电源U_in的正极接耦合变压器T_r的初级同名端pp，耦合变压器T_r的初级异名端pm接IGBT开关管Q的集电极，IGBT开关管Q的发射极通过输出电感L接输出滤波电容C的正极，滤波电容C的负极接地；输入滤波电容C_in的正极接直流电源U_in的正极，其负极接地；耦合变压器T_r的次级同名端sp接地，耦合变压器T_r的次级异名端sm接快恢复二极管D₁的正极，快恢复二极管D₁的负极接输出滤波电容C的正极；续流二极管D₂的正极接IGBT开关管Q的发射极，其负极接地；谐振电容C_r并联于续流二极管D₂的两端；负载R连接在输出滤波电容C的两端。所述耦合变压器T_r是变比为1:1的变压器，且初级电感和次级电感相等。

工作流程分析：当IGBT开关管Q导通时，由于耦合变压器的T_r的次级同名端sp感应出正电压，而由于快恢复二极管D₁的存在，使得耦合变压器的T_r的次级侧没有电流流过，因此耦合变压器的T_r的初级相当于一个电感（设电感量为L_r），此时IGBT开关管Q的电流线性上升，上升的斜率即为：因此IGBT开关管Q实现了零电流的开通；当IGBT开关管Q关断时，谐振电容C_r储存的电荷释放给输出电感L。因此C_r两端的电压U_Cr缓慢下降，由于IGBT开关管Q两端电压，其中U_F为耦合变压器的T_r的初级异名端电压，为谐振电容C_r正极电压，因此U_Q由零开始缓慢上升，上升的斜率为其中i是IGBT开关管Q关断瞬间流过输出电感L的电流，因此实现了开关管的零电压导通。IGBT开关管Q关断时刻起，耦合变压器的T_r的初级电感L_r在磁芯内存储的能量通过与次级异名端sm串联的快恢复二极管D1释放到输出滤波电容C上。