[發明專利]一種無源無損軟開關的Boost變換器和控制方法

在審

• 申請號: 202110249355.4
• 申請日: 2021-03-08
• 公開（公告）號: CN113014097A
• 公開（公告）日: 2021-06-22
• 發明（設計）人: 劉芳;萬江湖;李勇;劉玲
• 申請（專利權）人: 中南大學
• 主分類號: H02M3/158
• 分類號: H02M3/158;H02M1/08
• 代理公司: 廣州容大知識產權代理事務所(普通合伙) 44326
• 代理人: 劉新年

1.一種無源無損軟開關的Boost變換器，其特征在于，包括電源V_i、功率MOSFET主開關Q、第一輔助電感L_a、第二輔助電感L_r、輔助箝位電容C_r、第一輔助續流二極管D_r1和第二輔助續流二極管D_r2；

所述功率MOSFET主開關Q的源極連接所述電源V_i的負極，所述功率MOSFET主開關Q的漏極連接所述第一輔助電感L_a的第二端，所述第一輔助電感L_a的第一端連接所述電源V_i的正極；所述第二輔助電感L_r的第一端連接所述第二輔助續流二極管D_r2的陽極，所述第二輔助電感L_r的第一端連接所述功率MOSFET主開關Q的源極；所述第二輔助續流二極管D_r2的陰極連接所述第一輔助續流二極管D_r1的陽極，所述第一輔助續流二極管D_r1的陰極連接所述電源V_i的正極。

2.根據權利要求1所述的無源無損軟開關的Boost變換器，其特征在于，還包括主濾波電感L和功率二極管D，所述主濾波電感L的第一端連接所述電源V_i的正極，所述主濾波電感L的第二端連接所述第一輔助電感L_a的第一端；所述功率二極管D的第一端連接所述第一輔助電感L_a的第一端，功率二極管D的第二端連接所述功率MOSFET主開關Q的漏極。

3.根據權利要求2所述的無源無損軟開關的Boost變換器，其特征在于，還包括輸出儲能電容C_o和負載R_L；所述輸出儲能電容C_o的第一端連接所述功率二極管D的第二端，所述輸出儲能電容C_o的第二段連接所述功率MOSFET主開關Q的漏極；所述負載R_L與所述輸出儲能電容C_o并聯。

4.根據權利要求3所述的無源無損軟開關的Boost變換器，其特征在于，所述第二輔助電感L_r與所述第二輔助續流二極管D_r2串聯組成第一支路，所述第一支路與所述第一輔助續流二極管D_r1串聯組成第二支路，所述第二支路與所述電源V_i并聯組成第三支路，所述第三支路與所述主濾波電感L串聯組成第四支路，所述第二支路與所述輔助箝位電容C_r串聯組成第五支路，所述第五支路與所述功率MOSFET主開關Q并聯組成第六支路，所述第六支路與所述第一輔助電感L_a串聯組成第七支路，所述第七支路與所述第四支路并聯組成第八支路，所述第八支路與所述功率二極管D串聯組成第九支路，所述第九支路與所述輸出儲能電容C_o并聯。

5.根據權利要求4所述的無源無損軟開關的Boost變換器，其特征在于，所述主濾波電感L的容量為100μH，所述輸出儲能電容C_o容量為80μF，所述第一輔助電感L_a容量為1μH，所述第二輔助電感L_r容量為3μH，所述輔助箝位電容C_r的容量為10nF。

6.一種根據權利要求5所述無源無損軟開關的Boost變換器的控制方法，其特征在于，包括：

t₀～t₁階段：t₀時刻，功率MOSFET主開關Q關斷，輔助箝位電容C_r兩端電壓為-V_i，電感電流流過輔助箝位電容C_r，對輔助箝位電容C_r以近似恒定電流放電，輔助箝位電容C_r電壓絕對值線性下降；

t₁～t₂階段：t₁時刻，主濾波電感L電壓上升到等于-(V_o-V_i)，功率二極管D開通，主濾波電感L兩端電壓被箝位至-(V_o-V_i)，主濾波電感L通過功率二極管放電至輸出，電流線性下降；

t₂～t₃階段：t₂時刻，第一輔助電感L_a電流i_La下降到0；若第一輔助電感L_a儲能達到預設值，第一輔助電感L_a電流i_La下降為0時，輔助箝位電容C_r電壓將上升至大于V_o；當輔助箝位電容C_r電壓大于V_o時，第二輔助續流二極管D_r2正向偏置，輔助箝位電容C_r通過第一輔助電感L_a和第二輔助電感L_r諧振放電，直到輔助箝位電容C_r電壓等于V_o時，放電電流達到最大，此后放電電流逐步減小，主濾波電感L繼續放電至輸出端；

t₃～t₄階段：t₃時刻，第二輔助電感L_r電流下降至零，輔助箝位電容C_r電壓小于V_i+V_o；第二輔助續流二極管D_r2截止，電路進入續流階段；

t₄～t₅階段：t₄時刻，功率MOSFET主開關Q受控開通；第一輔助電感L_a電流為0，因此，功率MOSFET主開關Q開通瞬間電流近似為零，Q開通后，L_a電流上升；

t₅～t₆階段：t₅時刻，第一輔助電感L_a電流i_La等于主濾波電感L電流i_L，功率二極管D自然關斷，反向恢復電流大大減小；主濾波電感L與第一輔助電感L_a電壓之和等于V_i，主濾波電感L與第一輔助電感L_a電流線性上升；輔助箝位電容C_r繼續通過與第二輔助電感L_r諧振放電，當輔助箝位電容C_r電壓放電到0，第二輔助電感L_r電流達到最大，輔助箝位電容C_r被反向充電，電壓增加；

t₆～t₇階段：t₆時刻，輔助箝位電容C_r電壓上升至V_i時，第一輔助續流二極管D_r1正向偏置導通，輔助箝位電容C_r、第二輔助電感L_r電壓被V_i箝位，輔助箝位電容C_r電壓不變，第二輔助電感L_r電流線性減小；

t₇～t₀階段：t₇時刻，第二輔助電感L_r電流下降到0，僅主濾波電感L在正向電壓作用下電流線性上升，電路進入開通階段。