申请/专利权人：湖南大学

申请日：2024-01-08

公开（公告）日：2024-04-05

公开（公告）号：CN117526684B

主分类号：H02M1/00

分类号：H02M1/00;H02M3/158;H02M1/32

优先权：

专利状态码：有效-授权

法律状态：2024.04.05#授权;2024.02.27#实质审查的生效;2024.02.06#公开

摘要：本发明公开了一种基于有源钳位的低电流应力软开关Boost电路，该Boost变换器包括Boost主电路和辅助电路；Boost主电路包含主电路电感L、功率MOSFET主开关管S1和整流二极管Do；辅助电路包含一个辅助开关管S2、两个辅助电感Lr1、Lr2、一个辅助电容Cr和一个辅助二极管Dr。本发明通过控制辅助电路使得功率MOSFET主开关管S1零电压开通，减小开关损耗，避免硬开关电路中二极管的电流被强迫降低为零的过程，降低二极管的反向恢复损耗，提高变换器的效率。

主权项：1.一种基于有源钳位的低电流应力软开关Boost电路，其特征在于，包含Boost主电路和辅助电路；Boost主电路包含主电路电感L、功率MOSFET主开关管S1和功率二极管Do；辅助电路包含一个辅助开关管S2、两个辅助电感Lr1、Lr2、一个箝位电容Cr和一个辅助二极管Dr；所述主电路电感L一端与输入电源Vin的正极连接，另一端与功率MOSFET主开关管S1的漏极、辅助电感Lr1、Lr2的一端以及辅助开关管S2的源极连接，功率MOSFET主开关管S1的源极连接输入电源Vin的负极，辅助开关管S2的漏极与箝位电容Cr连接，箝位电容Cr的另一端与辅助电感Lr1的另一端以及功率二极管Do的阳极连接，辅助电感Lr2的另一端与辅助二极管Dr的阳极连接，功率二极管Do与辅助二极管Dr的阴极连接输出电源Vo的正极；输出电源Vo的负极连接功率MOSFET主开关管S1的源极；所述基于有源钳位的低电流应力软开关Boost电路的一个开关周期内共包含10个状态，其中，功率MOSFET主开关管的导通占空比为D，L代表主电路电感值，Cr代表箝位电容值，箝位电容Cr的两端电压为Vcr，iCrt为流过箝位电容Cr的电流，Lr1、Lr2分别为两个辅助电感值，iLr1t、iLr2t分别为流过辅助电感Lr1、Lr2的电流，iLt为流过主电路电感L的电流，CS1和CS2分别代表功率MOSFET主开关管S1和辅助开关管S2的寄生电容值，Vds1t为功率MOSFET主开关管S1漏极和源极两端电压，Vds2t为辅助开关管S2的漏极和源极两端电压，ids1t、ids2t分别为流过功率MOSFET主开关管S1和辅助开关管S2的漏极和源极的电流，iDot为流过功率二极管Do的电流，输入电压为Vin，输出电压为Vo，开关频率为fs，开关周期为Ts=1fs；具体如下：状态1：时间段[t0,t1]，功率MOSFET主开关管S1开通阶段；该时间段内，主电路电感L进行储能；其中，t0时刻之前，功率MOSFET主开关管S1在零电压条件下开通，且辅助电感Lr1、Lr2电流已完成换流，所以iLr1t=iLr2t=0，iCrt=0，Vds2t=Vcr；该时间段内，主电路电感L进行储能，其电流变化规律如1.1，IL为输入电流平均值；直到t1时刻，功率MOSFET主开关管S1关断，主电路电感L电流达到最大值； ；式中iLt0为iLt在t0时刻的电流值；状态2：时间段[t1,t2]，功率MOSFET主开关管S1关断；寄生电容CS1的电压无法突变，限制了功率MOSFET主开关管S1端电压的上升率，功率MOSFET主开关管S1实现了近似零电压关断；输入电流开始对寄生电容CS1和箝位电容Cr充电，并对辅助开关管S2的寄生电容CS2放电，Vds2t开始下降；状态2中，直到辅助开关管S2的反并联二极管导通，此过程结束； ；式中iLt1为iLt在t1时刻的电流值；状态3：时间段[t2,t3]，辅助开关管S2反并联二极管导通，电流将流过辅助开关管S2的反并联二极管，继续给箝位电容Cr充电，功率MOSFET主开关管S1关断，其两端电压Vds1t为Vo+Vcr；此时辅助电感Lr1、Lr2的端电压等于箝位电容Cr的电压Vcr；状态3中，时间段[t2,t3]，辅助开关管S2反并联二极管导通；Vds2t降至0，电流将流过辅助开关管S2的反并联二极管，继续给箝位电容Cr充电，功率MOSFET主开关管S1关断，其两端电压Vds1t为Vo+Vcr；此时辅助电感Lr1、Lr2的端电压等于箝位电容的电压Vcr，流过辅助电感Lr1、Lr2的电流iLr1t与电流iLr2t按1.3式的规律变化，基尔霍夫定理可得，流过辅助开关管S2反并联二极管的电流为ids2t=iLt-iLr1t-iLr2t，能量由输入侧传输至输出侧；当iLr1t+iLr2t=iLt时，此过程结束； ；状态4：时间段[t3,t4]，iLr1t+iLr2t=iLt；t3时刻，ids2t=0，辅助开关管S2的反并联二极管反向截止，Vds2t=Vcr，Vds1t=Vo；输入侧通过辅助电感Lr2、辅助二极管Dr以及辅助电感Lr1、功率二极管Do两条回路向输出侧进行能量传输，此时两个辅助电感Lr1、Lr2的端电压为0，流过辅助电感Lr1、Lr2的电流维持iLr1t+iLr2t=iLt；状态4中，当辅助开关管S2开通，该过程结束； ；式中iLr1t3为iLr1t在t3时刻的电流值，iLr2t3为iLr2t在t3时刻的电流值；状态5：时间段[t4,t5]，辅助开关管S2在零电流条件下开通，箝位电容Cr开始放电；功率MOSFET主开关管S1的端电压为Vds1t=Vo+Vcr；辅助电感Lr1、Lr2两端电压变为Vcr，流过辅助电感Lr1、Lr2的电流iLr1t与电流iLr2t规律变化；此时功率MOSFET主开关管S1的电流ids1t为0，辅助开关管S2的电流ids2t=iLr1t+iLr2t-iLt，流过功率二极管Do的电流为；状态5中，流过辅助电感Lr1、Lr2的电流iLr1t与电流iLr2t按1.5式的规律变化；当iLr1t=iLr2t=iLt时，此过程结束； ；式中iLr1t4为iLr1t在t4时刻的电流值，iLr2t4为iLr2t在t4时刻的电流值；状态6：时间段[t5,t6]，iLr1t=iLr2t=iLt；t5时刻，iLr1t5=iLr2t5=iLt5，此时iDot5为0，iLr1t5为iLr1t在t5时刻的电流值，iLr2t5为iLr2t在t5时刻的电流值，iLt5为iLt在t5时刻的电流值，iDot5为iDot在t5时刻的电流值；功率二极管Do自然关断；辅助电感Lr1的端电压被箝位电容Cr的电压Vcr钳位；在功率二极管Do关断瞬间，导致功率MOSFET主开关管S1的寄生电容进行放电，电流ids1t会从零开始反向增加，故功率MOSFET主开关管S1的Vds1t从Vo+Vcr开始下降，辅助电感Lr2的端电压会Vcr开始下降，该时间区间比较短，因此该过程iLr2t增加量非常小，忽略不计；状态6中，当辅助开关管S2关断时，此过程结束； ；状态7：时间段[t6,t7]，辅助开关管S2在t6时刻关断，辅助开关管S2的寄生电容CS2限制了辅助开关管S2的端电压的上升率，故辅助开关管S2近似零电压关断；由于此时，故辅助电感Lr1、Lr2中储存的能量会对功率MOSFET主开关管S1的寄生电容CS1和Cr进行放电，同时对辅助开关管S2的寄生电容CS2进行充电；此时iDot=iDot-ids2t，功率二极管Do进行续流；状态7中，当功率MOSFET主开关管S1的反并联二极管导通时，此过程结束； ；式中iLr1t6为iLr1t在t6时刻的电流值，iLr2t6为iLr2t在t6时刻的电流值；状态8：时间段[t7,t8]，功率MOSFET主开关管S1的反并联二极管自然导通，功率MOSFET主开关管S1满足零电压开通条件；辅助开关管S2的反并联二极管截止，流过功率二极管Do的电流为iDt=iLr1t；故ids1t0时，功率MOSFET主开关管S1均满足零电压开通条件；状态8中，当功率MOSFET主开关管S1开通时，此过程结束； ；式中iLr1t7为iLr1t在t7时刻的电流值，iLr2t7为iLr2t在t7时刻的电流值，iLt7为iLt在t7时刻的电流值；状态9：时间段[t8,t9]，功率MOSFET主开关管S1在零电压条件下开通，辅助电感Lr1、Lr2继续进行换流；状态9中，辅助电感Lr1、Lr2电流变化规律仍为式（1.8）；当辅助电感Lr1、Lr2的电流iLr1t、iLr2t降至0时，该过程结束；状态10：时间段[t9,t10]，辅助电感Lr1、Lr2中电流降至0，功率二极管Do、辅助二极管Dr电流线性下降到零，在这过程中，iLr1t和iLr2t的下降斜率为-VoLr1，在状态6[t5,t6]时间段内，iLr1tiLr2t，故Lr2中的电流会先降至0，辅助二极管Dr会比功率二极管先关断；功率二极管Do关断之后，iLr1t因为存在Lr1-CS2-Cr谐振环路，会产生谐振；该谐振过程的影响几乎忽略；电路将会重新回到状态1，进行下一个开关周期的工作过程。

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百度查询： 湖南大学 一种基于有源钳位的低电流应力软开关Boost电路

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