本發(fā)明涉及電子技術(shù)領(lǐng)域，更具體地，涉及一種三態(tài)Boost電路及其調(diào)制方法。

背景技術(shù)：

目前，隨著能源危機(jī)日益加劇，擁有更高效率的電源成為必然需求。在低壓大電流場(chǎng)合中，開(kāi)關(guān)管損耗和電感電流損耗構(gòu)成了電路損耗的絕大部分，減少這一部分損耗將節(jié)省大量的熱損，對(duì)于開(kāi)關(guān)器件的穩(wěn)定運(yùn)行、電路拓?fù)涞霓D(zhuǎn)換效率以及工作環(huán)境的安全具有重要意義。

傳統(tǒng)的Boost電路因可以實(shí)現(xiàn)升壓作用而得到廣泛應(yīng)用，但傳統(tǒng)的Boost電路由于電感磁芯損耗大，且同步整流管存在硬關(guān)斷損耗，使得傳統(tǒng)的Boost電路無(wú)法滿(mǎn)足效率密度要求極高的應(yīng)用。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明提供一種克服上述問(wèn)題或者至少部分地解決上述問(wèn)題的一種三態(tài)Boost電路及其調(diào)制方法。

根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)方面，提供一種三態(tài)Boost電路，包括：

第一支路、第二支路、第三支路和第四支路，所述第一支路與所述第二支路并聯(lián)，所述第二支路與所述第三支路串聯(lián)，所述第四支路與所述第三支路并聯(lián)；

其中，所述第一支路包括：電容和整流管，所述電容和所述整流管串聯(lián)；

所述第二支路包括：功率開(kāi)關(guān)管；

所述第三支路包括：第一電感；

所述第四支路包括：第二電感和雙向開(kāi)關(guān)管，所述第二電感和所述雙向開(kāi)關(guān)管串聯(lián)。

其中，所述雙向開(kāi)關(guān)管包括：

第一開(kāi)關(guān)管和第二開(kāi)關(guān)管；

其中，所述第一開(kāi)關(guān)管的源極與所述第一電感的一次側(cè)連接以及所述第一開(kāi)關(guān)管的漏極與所述第二電感的二次側(cè)連接；

所述第二開(kāi)關(guān)管的源極與所述第一電感的二次側(cè)連接，所述第二開(kāi)關(guān)管的漏極與所述第二電感的一次側(cè)連接。

根據(jù)本發(fā)明的另一方面，本發(fā)明提供一種三態(tài)Boost電路的調(diào)制方法，包括：

S1、開(kāi)通所述功率開(kāi)關(guān)管和所述雙向開(kāi)關(guān)管；

S2、當(dāng)通過(guò)所述第二電感的電流為零時(shí)，關(guān)斷所述雙向開(kāi)關(guān)管；

S3、當(dāng)通過(guò)所述第一電感的電流達(dá)到最大時(shí)，關(guān)斷所述功率開(kāi)關(guān)管，使得所述整流管導(dǎo)通；

S4、當(dāng)所述整流管在結(jié)束導(dǎo)通前的預(yù)設(shè)時(shí)刻，開(kāi)通所述雙向開(kāi)關(guān)管；

S5、當(dāng)通過(guò)所述第二電感的電流等于通過(guò)所述第一電感的電流時(shí)，關(guān)斷所述整流管，調(diào)制結(jié)束。

其中，步驟S1包括：

開(kāi)通所述功率開(kāi)關(guān)管和所述雙向開(kāi)關(guān)管；

確定通過(guò)所述第一電感的電流變化率和通過(guò)所述第二電感的電流變化率。

其中，步驟S2包括：

基于第一電流變化率計(jì)算式，確定通過(guò)所述第二電感的電流；

當(dāng)通過(guò)所述第二電感的電流為零時(shí)，關(guān)斷所述雙向開(kāi)關(guān)管。

其中，所述第一電流變化率計(jì)算式為：

其中，i_L為通過(guò)所述第一電感的電流、t為時(shí)間、u_DC為所述電壓源電壓、L為所述第一電感大小，i_Lr為通過(guò)所述第二電感的電流、L_r為所述第二電感大小。

其中，i_Lr為通過(guò)所述第二電感的電流、L_r為所述第二電感大小。

其中，步驟S3包括：

基于第二電流變化率計(jì)算式，確定通過(guò)所述第一電感的電流；

當(dāng)通過(guò)所述第一電感的電流達(dá)到最大時(shí)，關(guān)斷所述功率開(kāi)關(guān)管，使得所述整流管導(dǎo)通。

其中，所述第二電流變化率計(jì)算式為：

其中，u_DS4＝i_L*R_DS(on)、u_DC為所述電壓源電壓、u₀為初始電壓、R_DS(on)為導(dǎo)通電阻、t為時(shí)間、i_Lr為通過(guò)所述第二電感的電流、L為所述第一電感大小、L_r為所述第二電感大小。

其中，步驟S5包括：

基于第二電流變化率計(jì)算式，確定通過(guò)所述第一電感的電流和通過(guò)所述第二電感的電流；

當(dāng)通過(guò)所述第一電感的電流等于通過(guò)所述第二電感的電流時(shí)，關(guān)斷所述整流管，調(diào)制結(jié)束。

其中，步驟S5后，還包括：

獲取所述三態(tài)Boost電路的區(qū)間占比情況，所述三態(tài)Boost電路的區(qū)間占比為：

t₂-t₀＝D_cT

t₅-t₂＝D_disT

t₀-t₅＝D_fT

D_cT+D_disT+D_fT＝1

其中，D_cT為所述第一電感充電區(qū)間、D_disT為所述第一電感放電區(qū)間、D_fT為所述第一電感和所述第二電感內(nèi)部環(huán)流區(qū)間、t₀為步驟S1時(shí)刻、t₂為步驟S3時(shí)刻、t₅為步驟S5時(shí)刻。

本發(fā)明通過(guò)在傳統(tǒng)Boost電路的基礎(chǔ)上進(jìn)行改進(jìn)，并提供一種三態(tài)Boost電路的調(diào)制方法，使電感電流內(nèi)部續(xù)流，從而降低電感紋波電流，減小磁芯損耗，提高了Boost電路的效率。

附圖說(shuō)明

圖1為本發(fā)明實(shí)施例提供的一種三態(tài)Boost電路圖；

圖2為本發(fā)明實(shí)施例提供的一種三態(tài)Boost電路調(diào)制方法流程圖；

圖3為本發(fā)明實(shí)施例提供的三態(tài)Boost電路t₀時(shí)刻調(diào)制示意圖；

圖4為本發(fā)明實(shí)施例提供的三態(tài)Boost電路t₁時(shí)刻調(diào)制示意圖；

圖5為本發(fā)明實(shí)施例提供的三態(tài)Boost電路t₂時(shí)刻調(diào)制示意圖；

圖6為本發(fā)明實(shí)施例提供的三態(tài)Boost電路t₃時(shí)刻調(diào)制示意圖；

圖7為本發(fā)明實(shí)施例提供的三態(tài)Boost電路t₄時(shí)刻調(diào)制示意圖；

圖8為本發(fā)明實(shí)施例提供的三態(tài)Boost電路t₅時(shí)刻調(diào)制示意圖；

圖9為本發(fā)明實(shí)施例提供的三態(tài)Boost電路的驅(qū)動(dòng)和電流波形示意圖；

圖10為本發(fā)明實(shí)施例提供的三態(tài)Boost電路調(diào)制后工作效率數(shù)據(jù)示意圖；

圖11為本發(fā)明實(shí)施例提供的傳統(tǒng)Boost電路調(diào)制后工作效率數(shù)據(jù)示意圖。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖和實(shí)施例，對(duì)本發(fā)明的具體實(shí)施方式作進(jìn)一步詳細(xì)描述。以下實(shí)施例用于說(shuō)明本發(fā)明，但不用來(lái)限制本發(fā)明的范圍。

圖1是本發(fā)明實(shí)施例提供的一種三態(tài)Boost電路圖，包括：

第一支路、第二支路、第三支路和第四支路，所述第一支路與所述第二支路并聯(lián)，所述第二支路與所述第三支路串聯(lián)，所述第四支路與所述第三支路并聯(lián)；

其中，所述第一支路包括：電容和整流管，所述電容和所述整流管串聯(lián)；

所述第二支路包括：功率開(kāi)關(guān)管；

所述第三支路包括：第一電感；

所述第四支路包括：第二電感和雙向開(kāi)關(guān)管，所述第二電感和所述雙向開(kāi)關(guān)管串聯(lián)。

具體的，如圖1所示，第一支路包括：輸出電容C₀和功率MOSFET管Q₂，所述輸出電容C₀和功率MOSFET管Q₂串聯(lián)，其中，所述功率MOSFET管Q₂即為所述整流管；

第二支路包括：功率MOSFET管Q₁，所述功率MOSFET管Q₁即為所述功率開(kāi)關(guān)管；

第三支路包括：主電感L，所述主電感L即為所述第一電感；

第四支路包括：輔助電感L_r、功率MOSFET管Q_r1及功率MOSFET管Q_r2，所述輔助電感L_r即為所述第二電感，所述功率MOSFET管Q_r1和功率MOSFET管Q_r2即為所述雙向開(kāi)關(guān)管。

需要說(shuō)明的是，三態(tài)Boost電路由于主電感L和輔助電感L_r的內(nèi)部環(huán)流，相對(duì)于傳統(tǒng)的Boost電路模式，增加了一個(gè)控制自由度，因此可以改變?nèi)龖B(tài)Boost電路的內(nèi)部環(huán)流時(shí)間，對(duì)電路進(jìn)行控制。

本發(fā)明實(shí)施例通過(guò)在Boost電路拓?fù)渖线M(jìn)行改進(jìn)，引入三態(tài)Boost電路的內(nèi)部環(huán)流時(shí)間使電感電流內(nèi)部續(xù)流，從而降低電感紋波電流，減小電感磁芯損耗，提高Boost電路工作效率。

在圖1所述實(shí)施例的基礎(chǔ)上，所述雙向開(kāi)關(guān)管包括：

第一開(kāi)關(guān)管和第二開(kāi)關(guān)管；

其中，所述第一開(kāi)關(guān)管的源極與所述第一電感的一次側(cè)連接以及所述第一開(kāi)關(guān)管的漏極與所述第二電感的二次側(cè)連接；

所述第二開(kāi)關(guān)管的源極與所述第一電感的二次側(cè)連接，所述第二開(kāi)關(guān)管的漏極與所述第二電感的一次側(cè)連接。

具體的，所述第一開(kāi)關(guān)管具體表現(xiàn)為功率MOSFET管Q_r1，所述第二開(kāi)關(guān)管具體表現(xiàn)為功率MOSFET管Q_r2，所述功率MOSFET管Q_r1的源極與所述主電感L的一次側(cè)連接以及所述MOSFET管Q_r1的漏極與所述輔助電感L_r的二次側(cè)連接；

所述功率MOSFET管Q_r2的源極與所述主電感L的二次側(cè)連接，所述功率MOSFET管Q_r2的漏極與所述輔助電感L_r的一次側(cè)連接。

在圖1所述實(shí)施例的基礎(chǔ)上，圖2是本發(fā)明實(shí)施例提供的一種三態(tài)Boost電路調(diào)制方法，包括S1至S5：

S1、開(kāi)通所述功率開(kāi)關(guān)管和所述雙向開(kāi)關(guān)管；

S2、當(dāng)通過(guò)所述第二電感的電流為零時(shí)，關(guān)斷所述雙向開(kāi)關(guān)管；

S3、當(dāng)通過(guò)所述第一電感的電流達(dá)到最大時(shí)，關(guān)斷所述功率開(kāi)關(guān)管，使得所述整流管導(dǎo)通；

S4、當(dāng)所述整流管在結(jié)束導(dǎo)通前的預(yù)設(shè)時(shí)刻，開(kāi)通所述雙向開(kāi)關(guān)管；

S5、當(dāng)通過(guò)所述第二電感的電流等于通過(guò)所述第一電感的電流時(shí)，關(guān)斷所述整流管，調(diào)制結(jié)束。

S1中，如圖3所示，圖3為本發(fā)明實(shí)施例提供的三態(tài)Boost電路t₀時(shí)刻調(diào)制示意圖，在預(yù)設(shè)的t₀時(shí)刻，開(kāi)通功率開(kāi)關(guān)管Q₁、功率MOSFET管Q_r1及功率MOSFET管Q_r2，使得主電感L因承受正向電壓而通過(guò)主電感L的電流開(kāi)始增加，輔助電感L_r因承受負(fù)向電壓，通過(guò)輔助電感的電流L_r的電流開(kāi)始減小。

S2中，如圖4所示，圖4為本發(fā)明實(shí)施例提供的三態(tài)Boost電路t₁時(shí)刻調(diào)制示意圖，當(dāng)通過(guò)輔助電感的電流L_r減小為0時(shí)，關(guān)斷功率MOSFET管Q_r1及功率MOSFET管Q_r2，此時(shí)時(shí)刻為t₁，使得僅有主電感L在正向電壓作用下電流增加，儲(chǔ)存能量，電路進(jìn)入普通Boost電路主開(kāi)關(guān)閉合階段，通過(guò)主電感L的電流變化率保持不變。

S3中，如圖5所示，圖5為本發(fā)明實(shí)施例提供的三態(tài)Boost電路t₂時(shí)刻調(diào)制示意圖，當(dāng)通過(guò)主電感L的電流達(dá)到最大值，關(guān)斷功率開(kāi)關(guān)管Q₁，此時(shí)時(shí)刻為t₂，使得同步整流管Q₂的體二極管續(xù)流，Q₂管兩端電壓下降至接近0V，如圖6所示，圖6為本發(fā)明實(shí)施例提供的三態(tài)Boost電路t₃時(shí)刻調(diào)制示意圖，t₃時(shí)刻同步整流管Q₂導(dǎo)通。

S4中，如圖7所示，圖7為本發(fā)明實(shí)施例提供的三態(tài)Boost電路t₄時(shí)刻調(diào)制示意圖，當(dāng)同步整流管Q₂導(dǎo)通，主電感L因承受反向電壓使得通過(guò)主電感L的電流逐漸減小，在預(yù)設(shè)的t₄時(shí)刻，開(kāi)通功率MOSFET管Q_r1及功率MOSFET管Q_r2，使得輔助電感L_r因承受正向電壓而通過(guò)輔助電感L_r的電流上升，而通過(guò)主電感L的電流繼續(xù)下降。

S5中，如圖8所示，圖8為本發(fā)明實(shí)施例提供的三態(tài)Boost電路t₅時(shí)刻調(diào)制示意圖，當(dāng)通過(guò)輔助電感L_r的電流等于通過(guò)主電感L的電流時(shí)，為了避免輸出電流反向流入輸入直流電壓源DC，關(guān)斷同步整流管Q₂，即同步整流管Q₂的體二極管無(wú)反向恢復(fù)損耗，實(shí)現(xiàn)了零電流關(guān)斷。

本發(fā)明實(shí)施例提供了一種三態(tài)Boost電路的調(diào)制方法，通過(guò)調(diào)制三態(tài)Boost電路的內(nèi)部環(huán)流時(shí)間，使得電感電流內(nèi)部續(xù)流，從而降低電感紋波電流，使同步整流管電流自然下降到零后再關(guān)閉，消除了反向恢復(fù)損耗。

在圖2所述實(shí)施例的基礎(chǔ)上，步驟S1包括：

開(kāi)通所述功率開(kāi)關(guān)管和所述雙向開(kāi)關(guān)管；

確定通過(guò)所述第一電感的電流變化率和通過(guò)所述第二電感的電流變化率。

在圖2所述實(shí)施例的基礎(chǔ)上，步驟S2包括：

基于第一電流變化率計(jì)算式，確定通過(guò)所述第二電感的電流；

當(dāng)通過(guò)所述第二電感的電流為零時(shí)，關(guān)斷所述雙向開(kāi)關(guān)管。

在上述實(shí)施例的基礎(chǔ)上，所述第一電流變化率計(jì)算式為：

其中，i_L為通過(guò)所述第一電感的電流、t為時(shí)間、u_DC為所述電壓源電壓、L為所述第一電感大小，i_Lr為通過(guò)所述第二電感的電流、L_r為所述第二電感大小。

在圖2所述實(shí)施例的基礎(chǔ)上，步驟S3包括：

基于第二電流變化率計(jì)算式，確定通過(guò)所述第一電感的電流；

當(dāng)通過(guò)所述第一電感的電流達(dá)到最大時(shí)，關(guān)斷所述功率開(kāi)關(guān)管，使得所述整流管導(dǎo)通。

所述整流管的體二極管導(dǎo)通，所述整流管的電壓為0。

需要說(shuō)明的是，所述同步整流管Q₂的體二極管導(dǎo)通，同步整流管的電壓為0的這段時(shí)間極短，是為了防止功率開(kāi)關(guān)管Q₁和同步整流管Q₂直通短路而加入的死區(qū)時(shí)間。

本發(fā)明實(shí)施例通過(guò)加入死區(qū)時(shí)間，從而防止功率開(kāi)關(guān)管Q₁和同步整流管Q₂直通短路，增加了三態(tài)Boost電路調(diào)制的穩(wěn)定性。

在圖2所述實(shí)施例的基礎(chǔ)上，所述第二電流變化率計(jì)算式為：

其中，u_DS4＝i_L*R_DS(on)、u_DC為所述電壓源電壓、u₀為初始電壓、R_DS(on)為導(dǎo)通電阻、t為時(shí)間、i_Lr為通過(guò)所述第二電感的電流、L為所述第一電感大小、L_r為所述第二電感大小。

在圖2所述實(shí)施例的基礎(chǔ)上，步驟S5包括：

基于第二電流變化率計(jì)算式，確定通過(guò)所述第一電感的電流和通過(guò)所述第二電感的電流；

當(dāng)通過(guò)所述第一電感的電流等于通過(guò)所述第二電感的電流時(shí)，關(guān)斷所述整流管，調(diào)制結(jié)束。

具體的，調(diào)制結(jié)束后，通過(guò)輔助電感L_r的電流與通過(guò)主電感L的電流在功率MOSFET管Q_r1與功率MOSFET管Q_r2中形成內(nèi)部環(huán)流，由于Q_r1與Q_r2的溝道電阻極小，所以通過(guò)輔助電感L_r的電流與通過(guò)主電感L的電流基本不變，主電感L和輔助電感L_r的兩端電壓之和接近于0。

在圖2所述實(shí)施例的基礎(chǔ)上，步驟S5后，還包括：

獲取所述三態(tài)Boost電路的區(qū)間占比情況，所述三態(tài)Boost電路的區(qū)間占比為：

t₂-t₀＝D_cT

t₅-t₂＝D_disT

t₀-t₅＝D_fT

D_cT+D_disT+D_fT＝1

其中，D_cT為所述第一電感充電區(qū)間、D_disT為所述第一電感放電區(qū)間、D_fT為所述第一電感和所述第二電感內(nèi)部環(huán)流區(qū)間、t₀為步驟S1時(shí)刻、t₂為步驟S3時(shí)刻、t₅為步驟S5時(shí)刻。

需要說(shuō)明的是，相比于傳統(tǒng)的Boost電路，三態(tài)Boost電路由于增加了輔助電感L_r、功率MOSFET管Q_r1與功率MOSFET管Q_r2構(gòu)成的雙向開(kāi)關(guān)管，在穩(wěn)態(tài)時(shí)，工作周期(時(shí)長(zhǎng)T)分為三個(gè)主要區(qū)間，即主電感L充電區(qū)間D_cT，主電感L放電區(qū)間D_disT，主電感L與輔助電感L_r環(huán)流區(qū)間D_fT。在主電感L電流環(huán)流期間，電流在主電感L、功率MOSFET管Q_r1、功率MOSFET管Q_r2與輔助電感L_r中循環(huán)，功率開(kāi)關(guān)管Q₁、同步整流管Q₂均關(guān)斷，功率MOSFET管Q_r1、功率MOSFET管Q_r2開(kāi)通。忽略死區(qū)時(shí)間和開(kāi)關(guān)暫態(tài)過(guò)程，區(qū)間占比滿(mǎn)足下式：

t₂-t₀＝D_cT

t₅-t₂＝D_disT

t₀-t₅＝D_fT

D_cT+D_disT+D_fT＝1

其中，t₀為步驟S1時(shí)刻、t₂為步驟S3時(shí)刻、t₅為步驟S5時(shí)刻。

可以理解的是，由于D_disT恒定，因此可避免傳統(tǒng)Boost電路單周期輸出能量的驟變，輸出電壓超調(diào)和負(fù)調(diào)不易出現(xiàn)。

具體的，若電壓源額定輸入電壓為30V，額定輸出電壓為50V，頻率為50kHz，主電感L選擇為42μH，輔助電感L_r為2μH，輸出電容C₀為80μF，阻性負(fù)載為10Ω，主電感L放電時(shí)間控制為恒定占空比D_disT等于0.3，按照?qǐng)D9所示的驅(qū)動(dòng)波形圖對(duì)三態(tài)Boost電路進(jìn)行調(diào)制，圖9為三態(tài)Boost電路的驅(qū)動(dòng)波形示意圖，根據(jù)公式計(jì)算電感的磁芯損耗：

P＝K_fe0f^αΔB^βV

其中，K_fe0為材料系數(shù)、α≈1.2-1.7、β≈2.6-2.8、B為磁感應(yīng)強(qiáng)度。

調(diào)制后的三態(tài)Boost電路實(shí)測(cè)效率如圖10所示，傳統(tǒng)的Boost電路調(diào)制后效率如圖11所示，對(duì)比可得，三態(tài)Boost電路調(diào)制后的效率要優(yōu)于傳統(tǒng)Boost電路調(diào)制后效率。

本發(fā)明實(shí)施例通過(guò)增加三態(tài)Boost電路的內(nèi)部環(huán)流時(shí)間，從而減小電流紋波，使得磁感應(yīng)強(qiáng)度變化量減小，磁芯損耗降低，并且在同樣條件下調(diào)制后的三態(tài)Boost電路的效率要優(yōu)于傳統(tǒng)Boost電路。

最后，本申請(qǐng)的方法僅為較佳的實(shí)施方案，并非用于限定本發(fā)明的保護(hù)范圍。凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)，所作的任何修改、等同替換、改進(jìn)等，均應(yīng)包含在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。