[发明专利]同步整流Buck变换器全软开关电路及调制方法

权利要求书

1.一种同步整流Buck变换器全软开关电路，其特征在于，包括直流输入电源V_i、主滤波电感L、辅助电感L_r、输出滤波电容C_o、箝位电容C_r、MOSFET功率晶体管主开关Q₁、MOSFET功率晶体管同步整流开关Q₂、MOSFET功率晶体管辅助开关Q_r、辅助功率二极管D_r、第一回馈二极管D_P1和第二回馈二极管D_P2；所述直流输入电源V_i与MOSFET功率晶体管主开关Q₁串联组成第一支路，所述第一支路与所述MOSFET功率晶体管同步整流开关Q₂、所述箝位电容C_r并联组成第二支路，所述MOSFET功率晶体管辅助开关Q_r与所述辅助电感L_r、所述辅助功率二极管D_r串联组成第三支路，所述第三支路与主滤波电感L并联组成第四支路，所述第二支路与第四支路串联组成第五支路，所述第五支路与输出滤波电容C_o并联并对负载R_L供电；所述MOSFET功率晶体管辅助开关Q_r的漏极与所述辅助电感L_r的第一端、所述第二回馈二极管D_P2的阳极连接，所述辅助功率二极管D_r的阴极与所述辅助电感L_r的第二端、第一回馈二极管D_P1的阳极连接，所述辅助功率二极管D_r的阳极与所述主滤波电感L的第二端、输出滤波电容C_o的第一端连接；所述MOSFET功率晶体管辅助开关Q_r的源极、所述MOSFET功率晶体管主开关Q₁的源极和所述MOSFET功率晶体管同步整流开关Q₂的漏极连接；MOSFET功率晶体管主开关Q₁的漏极与所述第二回馈二极管D_P2的阴极、第一回馈二极管D_P1的阴极、直流输入电源V_i的正极连接；第一回馈二极管D_P1的阴极、所述第二回馈二极管D_P2的阴极连接电源V_i的正极；MOSFET功率晶体管主开关Q₁的源极与所述主滤波电感L的第一端、所述箝位电容C_r的第一端连接；所述箝位电容C_r的第二端与所述MOSFET功率晶体管同步整流开关Q₂的源极、输出滤波电容C_o的第二端、电阻R_L的第二端连接。

2.根据权利要求1所述的同步整流Buck变换器全软开关电路，其特征在于，所述第一回馈二极管D_P1的阳极与所述辅助电感L_r的第二端连接；所述第一回馈二极管D_P1的阴极、所述第二回馈二极管D_P2的阴极与所述MOSFET功率晶体管主开关Q₁的漏极连接。

3.一种根据权利要求2所述同步整流Buck变换器全软开关电路的调制方法，其特征在于，包括：

t₀～t₁阶段：t₀时刻，MOSFET功率晶体管主开关Q₁的反并联二极管导通，流过主滤波电感L与辅助电感L_r的总电流，MOSFET功率晶体管主开关Q₁两端电压为零，MOSFET功率晶体管主开关Q₁以零电压条件软开通；此后主滤波电感L的电流线性增加，辅助电感L_r电流线性减小；

t₁～t₂阶段：t₁时刻，辅助电感L_r的电流线性下降到零；辅助电感L_r与MOSFET功率晶体管同步整流开关Q₂等效电容C_p2开始谐振，辅助电感L_r的电流从零开始反向增加，主滤波电感L电流继续以上一阶段的变化斜率线性增加；

t₂～t₃阶段：t₂时刻，辅助电感L_r两端电压下降到零，等效电容C_p2两端电压增加到V_i-V_o；第一回馈二极管D_P1正向偏置，辅助电感L_r两端电压与等效电容C_p2两端电压同时被箝位；辅助电感L_r电流在MOSFET功率晶体管主开关Q₁、MOSFET功率晶体管辅助开关Q_r和第一回馈二极管D_P1中环流，电流保持不变，主滤波电感L的电流继续线性增加；

t₃～t₄阶段：t₃时刻，MOSFET功率晶体管主开关Q₁与MOSFET功率晶体管辅助开关Q_r同时关断，辅助电感L_r电流立即流过MOSFET功率晶体管辅助开关Q_r的反并联二极管；箝位电容C_r与主滤波电感L和辅助电感L_r并联谐振，箝位电容C_r流过的电流为主滤波电感L和辅助电感L_r的电流之和，箝位电容C_r被放电，电压开始减小；

t₄～t₅阶段：t₄时刻，箝位电容C_r电压下降至零，MOSFET功率晶体管同步整流开关Q₂的寄生反并联二极管开始导通；主滤波电感L电压下降至-V_o，辅助电感L_r的电压增加至V_i；因此，主滤波电感L的电流开始线性减小，辅助电感L_r的电流从负电流开始线性增加；

t₅～t₆阶段：t₅时刻，MOSFET功率晶体管同步整流开关Q₂零电压开通，主滤波电感L与辅助电感L_r的电流继续以上一阶段的变化斜率线性变化；

t₆～t₇阶段：t₆时刻，辅助电感L_r的反向电流线性增加至零；辅助电感L_r与MOSFET功率晶体管辅助开关Q_r等效电容C_p1、C_p2开始串联谐振，在谐振过程中，谐振电路的能量或因阻尼消耗，或传输到输入电源而被转移，最终达到稳态；在此过程中，主滤波电感L两端电压仍然等于-V_o，电流继续以上一阶段的变化斜率线性减小；

t₇～t₈阶段：t₇时刻，辅助电感L_r与等效电容C_p1、C_p2寄生串联谐振结束；此阶段，进入续流阶段，主滤波电感L的电流继续以上一阶段的变化斜率线性减小；

t₈～t₉阶段：t₈时刻，MOSFET功率晶体管辅助开关Q_r开通；因辅助电感L_r的作用，在MOSFET功率晶体管辅助开关Q_r开通过程中，流过MOSFET功率晶体管辅助开关Q_r的电流为0，因此MOSFET功率晶体管辅助开关Q_r以零电流开通；由于等效电容C_p1的影响，MOSFET功率晶体管辅助开关Q_r实际开通过程有功率损耗，形成容性开通损耗；MOSFET功率晶体管辅助开关Q_r导通后，辅助电感L_r两端电压为V_o，流过辅助电感L_r的电流开始线性增加，主滤波电感L的电流继续以上一阶段的变化斜率线性减小；

t₉～t₁₀阶段：t₉时刻，流过辅助电感L_r的电流与流过主滤波电感L的电流之和已正向流过MOSFET功率晶体管同步整流开关Q₂的漏源极，MOSFET功率晶体管同步整流开关Q₂关断；由于箝位电容C_r的箝位作用，在MOSFET功率晶体管同步整流开关Q₂关断过程中，MOSFET功率晶体管同步整流开关Q₂两端电压上升较小，实现了MOSFET功率晶体管同步整流开关Q₂零电压关断；Q₂关断后，辅助电感L_r与主滤波电感L的电流之和流过箝位电容C_r，箝位电容C_r与主滤波电感L、辅助电感L_r开始谐振，箝位电容C_r电压以谐振规律上升；

t₁₀～t₀阶段：t₁₀时刻，箝位电容C_r的电压上升到等于输入电压V_i，因此MOSFET功率晶体管主开关Q₁的反并联二极管正向偏置导通续流，以为MOSFET功率晶体管主开关Q₁零电压开通提供了条件，流过MOSFET功率晶体管主开关Q₁反并联二极管的电流为主滤波电感L与辅助电感L_r的电流之和；此后，电感的电压为V_i-V_o，电流开始线性增加；而辅助电感L_r的电压为-(V_i-V_o)，电流线性减小。