CN113098294A - 串联电容直流-直流转换器的零电压开关实现装置 - Google Patents

Abstract

本公开提供一种串联电容直流‑直流转换器的零电压开关实现装置，包括：功率降压电路，用于将高压直流电转换为交流电；ZVS电路，用于对功率降压电路的开关节点的寄生电容进行充放电；输出滤波电路，用于将功率降压电路提供的交流电稳定为直流电，为输出负载提供能量；以及零电压检测及死区时间控制电路，用于检测ZVS电路是否完成及产生相应的死区时间，包括零电压检测模块和死区时间控制电路。

Description

串联电容直流-直流转换器的零电压开关实现装置

技术领域

本公开涉及电路技术领域，尤其涉及一种串联电容直流-直流转换器的零电压开关实现装置。

背景技术

现有的高压直流-直流转换器由于使用高压功率开关，导致开关节点存在很大的寄生电容，因此需要采用ZVS(Zero-Voltage Switching，零电压开关)技术来提高转换效率。

传统的谐振式直流-直流转换器，可以实现功率开关的ZVS，但往往需要采用耐压值更高的功率开关。而一般耐压值越高的功率开关，导通电阻和寄生电容越大，会带来更大的导通损耗与开关损耗，恶化能量转换效率。串联电容直流-直流转换器具有降低功率开关耐压值，提高占空比等优点，被广泛应用在高压直流-直流转换器中。由于输入电源电压较高，功率开关一般需要采用高压MOS(Metal-Oxide-Semiconductor，金属氧化物半导体)管，导致开关节点存在较大的寄生电容，开关切换时，寄生电容上的电荷将被放电而浪费，严重降低了转换效率。为提高转换器的效率，现有的串联电容直流-直流转换器需要采用ZVS技术。

如图1所示为串联电容直流-直流转换器利用外加电感电容的谐振作用实现ZVS的结构示意图【参考文献Tu C，Chen R，Ngo K.Series-Resonator Buck Converter-Viability Demonstration[J]，IEEE Transactions on Power Electronics，2021，PP(99)：1-1.】。电感L_ZVS与电容C_ZVS构成谐振电路101，S_AH、S_AL、S_BH、S_BL是转换器的功率开关，在开关节点SWA、SWB、SWC点的寄生电容分别为C_AL、C_BL和C_CL。当功率开关切换时，开关节点较大的电压变化会使功率开关有较大的电流流过，严重增加了功率开关的开关损耗和电流压力。而在飞电容C_Fly和开关节点SWA之间接上由电感L_ZVS和电容C_ZVS组成的ZVS电路101以挽回功率开关的开关损耗和降低电流压力。其工作原理为：功率开关打开之前，开关节点寄生电容通过L_ZVS和C_ZVS组成的ZVS电路完成充放电。图2为图1所示的串联电容直流-直流转换器实现ZVS的关键波形。以功率开关S_AH实现ZVS为例，L_ZVS和C_ZVS谐振时，谐振电路101通过飞电容C_Fly对SWC点寄生电容C_CL进行充电，由于C_Fly两端电压差保持在V_in/2，因此当t₈时刻，C_ZVS两端电压VC_ZVS达到V_in/2时，ZVS电路完成对C_CL的充电至V_in，S_AH以零电压打开，开启损耗显著降低。其它功率开关实现ZVS的工作原理与S_AH相同。如图2所示，L_ZVS与C_ZVS谐振时，V_CZVS变化范围为-V_in/2～+V_in/2，所有的功率开关均需要采用耐压值为V_in的高压器件，S_AH、S_AL、S_BL功率开关电压压力增大了一倍。未实现ZVS的串联电容直流-直流转换器，只有S_BH需要采用耐压值为V_in的高压器件，其它三个功率开关耐压值仅为V_in/2。一般耐压值越高的功率开关，导通电阻和寄生电容越大，会带来更大的导通损耗与开关损耗，恶化能量转换效率。因此，谐振式ZVS技术会增加功率开关的电压压力，从而减弱ZVS技术带来的效率优势。

发明内容

(一)要解决的技术问题

基于上述问题，本公开提供了一种串联电容直流-直流转换器的零电压开关实现装置，以缓解现有技术中谐振式ZVS技术会增加功率开关的电压压力，从而减弱ZVS技术带来的效率优势等技术问题。

(二)技术方案

本公开提供一种串联电容直流-直流转换器的零电压开关实现装置，包括：功率降压电路，用于将高压直流电转换为交流电，包括：功率开关S_AH，与输入电压V_in相连；飞电容C_Fly，一端通过开关节点SWC与所述功率开关S_AH相连；功率开S_AL，通过开关节点SWA与所述飞电容C_Fly的另一端相连；功率开关S_BH，通过开关节点SWC与所述功率开关S_AH相连；以及功率开关S_BL，通过开关节点SWB与所述功率开关S_BH相连；ZVS电路，用于对功率降压电路的开关节点的寄生电容进行充放电，所述ZVS电路的两端分别与所述开关节点SWA和开关节点SWB相连，包括串联设置的电感L_ZVS以及电容C_ZVS；输出滤波电路，用于将功率降压电路提供的交流电稳定为直流电，为输出负载提供能量，包括：分别连接于所述ZVS两端且并联设置的电感L_A和电感L_B；以及电容C，与电感L_A和电感L_B相连；以及零电压检测及死区时间控制电路，用于检测ZVS电路是否完成及产生相应的死区时间，包括零电压检测模块和死区时间控制电路。

根据本公开实施例，在状态1时，由电感L_ZVS和L_A的电流差值为开关节点SWA和SWC的寄生电容C_AL和C_CL充电，对功率开关S_AH处的寄生电容C_AH进行放电，由于飞电容C_Fly两端电压保持在输入电压的一半，开关节点SWC的电位随着开关节点SWA的电位逐渐上升。

根据本公开实施例，在状态2时，开关节点SWA点电位上升至输入电压的一半，SWC点电位上升至输入电压，零电压检测模块检测到功率开关S_AH源漏两端电压差为0后，死区时间控制电路控制S_AH打开，开关节点SWA的电位比SWB点电位高，电感L_ZVS对应的电流i_LZVS的电流由SWB流向SWA并逐渐减小至0后反向。

根据本公开实施例，在状态3时，功率开关S_AH关断，电感L_ZVS对应的电流i_LZVS与电感L_A电流方向相同，寄生电容C_AL和C_CL放电，寄生电容C_AH充电。

根据本公开实施例，在状态4时，功率开关S_AL开启，由S_AL的源极流向漏极的电流等于流过电感L_A、L_B和功率开关S_BL的电流之和，电感L_ZVS的电流大于电感L_B的电流。

根据本公开实施例，在状态5时，功率开关S_BL关断，电感L_ZVS与L_B的电流差值为开关节点SWB的寄生电容C_BL充电，对功率开关S_BH的寄生电容C_BH进行放电，开关节点SWB点的电位逐渐上升。

根据本公开实施例，在状态6时，零电压检测及死区时间控制电路检测到开关节点SWB的电位上升至功率开关S_BH的漏极电位V_in/2，死区时间控制电路控制功率开关S_BH打开；开关节点SWB的电位比开关节点SWA点电位高，由SWA流向SWB的ZVS电感电流iL_ZVS逐渐减小至0后反向。

根据本公开实施例，在状态7时，功率开关S_BH关断，电感L_ZVS对应的电流i_LZVS与电感L_B电流方向相同，寄生电容C_BL放电，寄生电容C_BH充电。

根据本公开实施例，在状态8时，功率开关S_BL开启，由功率开关S_BL的源极流向漏极的电流等于流过电感L_A、L_B和功率开关S_AL的电流之和，电感L_ZVS对应的电流i_LZVS大于电感L_A的电流。

根据本公开实施例，功率开关S_AH和S_AL、飞电容C_Fly以及电感L_A构成子转换器PhaseA，功率开关S_BH和S_BL、以及电感L_B构成子转换器PhaseB，当电感电流I_LA、I_LB的方向与ZVS电感L_ZVS电流i_LZVS方向相反时，i_LZVS必须比电感电流I_LA、I_LB大，ZVS电感电流的峰值与电感电流I_LA、I_LB最小值的差值分别为I_diff，minA、I_diff，minB，可由式(1)、(2)表示。

L_ZVS的能量必须比寄生电容的能量大，才能实现功率开关的ZVS；在分别满足PhaseA和PhaseB功率开关零电压打开的条件下，ZVS电感的取值L_ZVS，A、L_ZVS，B，可由式(3)和(4)表示，最终ZVS电感L_ZVS选取L_ZVS，A和L_ZVS，B中较小值，以满足两相功率开关均能实现ZVS的条件；

其中，D_A为PhaseA的占空比，D_B为PhaseB的占空比，f_sw为转换器的工作频率。

(三)有益效果

从上述技术方案可以看出，本公开串联电容直流-直流转换器的零电压开关实现装置至少具有以下有益效果其中之一或其中一部分：

(1)不会增加功率开关的耐压值；

(2)能够有效提高转换器的转换效率。

附图说明

图1为现有技术中串联电容直流-直流转换器利用外加电感电容的谐振作用实现ZVS的结构示意图。

图2为图1所示的串联电容直流-直流转换器实现ZVS的关键波形示意图。

图3为本公开实施例用于串联电容式直流-直流转换器的ZVS实现方法的框架及原理示意图。

图4为本公开实施例的串联电容直流-直流转换器ZVS实现方法的电路拓扑结构示意图。

图5为图4所示的串联电容直流-直流转换器ZVS实现方法的工作状态1-8的示意图。

图6为图4所示的串联电容直流-直流转换器ZVS实现方法的工作波形图。

图7为本公开实施例的零电压检测及死区时间控制电路的工作原理示意图。

图8为本公开实施例的零电压检测电路2041、非交叠时钟2042和最大死区时间电路2043的工作时序示意图。

图9为本公开实施例的各功率开关和电容的耐压值示意图。

具体实施方式

本公开提供了一种串联电容直流-直流转换器的零电压开关实现装置，通过采用外加电感电容来实现串联电容直流-直流转换器的零电压开关，在能够实现高效率的同时，不增加功率开关的电压压力。

为使本公开的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本公开进一步详细说明。

在本公开实施例中，提供一种串联电容直流-直流转换器的零电压开关实现装置，结合图3至图9所示所示，所述串联电容直流-直流转换器的零电压开关实现装置，包括：

功率降压电路，用于将高压直流电转换为交流电，包括：

功率开关S_AH，与输入电压V_in相连；

飞电容C_Fly，一端通过开关节点SWC与所述功率开关S_AH相连；

功率开S_AL，通过开关节点SWA与所述飞电容C_Fly的另一端相连；

功率开关S_BH，通过开关节点SWC与所述功率开关S_AH相连；以及

功率开关S_BL，通过开关节点SWB与所述功率开关S_BH相连；

ZVS电路，用于对功率降压电路的开关节点的寄生电容进行充放电，所述ZVS电路的两端分别与所述开关节点SWA和开关节点SWB相连，包括串联设置的电感L_ZVS以及电容C_ZVS；

输出滤波电路，用于将功率降压电路提供的交流电稳定为直流电，为输出负载提供能量，包括：

分别连接于所述ZVS两端且并联设置的电感L_A和电感L_B；以及电容C，与电感L_A和电感L_B相连；以及

零电压检测及死区时间控制电路，用于检测ZVS电路是否完成及产生相应的死区时间，包括零电压检测模块和死区时间控制电路。

根据本公开实施例，本公开用于串联电容式直流-直流转换器的ZVS实现方法如图3所示，包括：(功率降压电路201，ZVS电路202，输出滤波电路203，零电压检测及死区时间控制电路204。)

根据本公开实施例，功率开关S_AH和S_AL、飞电容C_Fly以及电感L_A构成的子转换器PhaseA；功率开关S_BH和S_BL、以及电感L_B构成的子转换器PhaseB。

根据本公开实施例，本公开提供的串联电容式直流-直流转换器ZVS电路的工作原理为：(根据转换器的工作时序，可以将功率降压电路201、ZVS电路202和输出滤波电路203工作分为8个状态，Mode1-8。

在Mode1，由电感L_ZVS和L_A的电流差值为开关节点SWA和SWC的寄生电容C_AL和C_CL充电，对C_AH进行放电，由于飞电容C_Fly两端电压保持在V_in/2，开关节点SWC的电位随着开关节点SWA的电位逐渐上升。

在Mode2，开关节点SWA点电位上升至V_in/2，SWC点电位上升至V_in，ZVS检测模块检测到功率开关S_AH源漏两端电压差为0后，死区时间控制电路控制S_AH打开。开关节点SWA的电位比SWB点电位高，ZVS电感电流iL_ZVS的电流由SWB流向SWA并逐渐减小至0后反向。

在Mode3，功率开关S_AH关断，i_LZVS与电感L_A电流方向相同，寄生电容C_AL和C_CL放电，C_AH充电。

在Mode4，功率开关S_AL开启，由S_AL的源极流向漏极的电流等于流过L_A、L_B和S_BL的电流之和，电感L_ZVS的电流大于L_B的电流。

在Mode5，功率开关S_BL关断，电感L_ZVS与L_B的电流差值为开关节点SWB的寄生电容C_BL充电，对C_BH进行放电，SWB点的电位逐渐上升。

在Mode6，ZVS检测模块检测到开关节点SWB的电位上升至功率开关S_BH的漏极电位V_in/2，死区时间控制电路控制S_BH打开。开关节点SWB的电位比SWA点电位高，由SWA流向SWB的ZVS电感电流i_LZVS逐渐减小至0后反向。

在Mode7，功率开关S_BH关断，ZVS电感电流与电感L_B电流方向相同，寄生电容C_BL放电，C_BH充电。

在Mode8，功率开关S_BL开启，由S_BL的源极流向漏极的电流等于流过L_A、L_B和S_AL的电流之和，电感L_ZVS的电流大于L_A的电流。

根据本公开实施例，说明各个电路的组成以及作用：

其中，功率降压电路201，包含四个功率开关S_AH、S_AL、S_BH、S_BL和飞电容C_Fly，用于将高压直流电转换为交流电；ZVS电路202，包括电感、电容，用于对功率级电路的开关节点寄生电容进行充放电；输出滤波电路203，包括电感、电容，用于将功率降压电路提供的交流电稳定为直流电为输出负载提供能量；零电压检测及死区时间控制电路204，用于检测ZVS是否完成及产生相应的死区时间。

根据本公开实施例，请参见图4，图4为本公开串联电容直流-直流转换器ZVS实现方法的电路拓扑结构示意图。如图4所示，C_BH和C_AH分别为功率开关S_BH和S_AH源端与漏端之间的寄生电容，C_AL、C_BL和C_CL分别为开关节点SWA、SWB和SWC点对地的寄生电容。

本公开提出一种适用串联电容直流-直流转换器的准方波(quasi square wave)ZVS实现方法。

请参见图5和图6，图5为图4所示本公开提供的串联电容直流-直流转换器ZVS实现方法的工作状态图，图6为图4所示本公开提供的ZVS实现方法的工作波形图。根据工作状态图和波形图，可将其工作状态分为8个部分。

Model[t₀-t₁]：PhaseA的高边功率开关S_AH和低边功率开关S_AL关断，寄生电容C_AL、C_CL和C_AH与ZVS电感L_ZVS谐振，C_AH通过谐振电流对其进行放电至V_CAH＝0，流过C_AL和C_CL的谐振电流分别对其进行充电至V_CAL＝V_in/2、V_CcL＝V_in。此时，主电感电流I_LA方向与L_ZVS电流i_LZVS方向相反，C_AL、C_CL和C_AH的谐振电流之和等于I_LA与i_LZVS电流的差值，且该谐振电流随着i_LZVS增大而减小。

当C_AL的电压从0升高至V_in/2，C_CL的电压从V_in/2升高至V_in，C_AH的电压由V_in/2降低至0之后，谐振电流开始流过S_AH的体二极管。通常体二极管导通会造成较大的功率损耗。因此，需要ZVS检测和死区时间控制电路204为S_AH与S_AL的开启产生合适的死区时间来减小这部分损耗。

Mode2[t₁-t₂]：开关节点SWA点电位上升至V_in/2，SWC点电位上升至V_in，L_ZVS电感两端电压为V_in/2，i_LZVS在S_AH开启时间段D_AT内增加(D_A为PhaseA的占空比)。ZVS电感电流必须大于I_LA，才能有足够的能量给寄生电容充放电，否则，S_AH无法实现ZVS开启。此时，流过S_AH的电流为I_LA与i_LZVS之和。

Mode3[t₂-t₃]：功率开关S_AH关断，I_LA的方向和i_LZVS的方向相同，寄生电容C_AL、C_CL和C_AH的谐振电流之和等于I_LA与i_LZVS之和，谐振电流方向与Mode1下的方向相反。为了减小体二极管的损耗，同样需要设置合适的死区时间。

Mode4[t₃-t₄]：功率开关S_AL和S_BL打开，PhaseA与PhaseB进入续流阶段，L_ZVS两端电压差为0，其电流保持恒定。流过S_AL的电流i_SAL绝对值等于主电感电流I_LA与ZVS电感电流i_LZVS之和。

Mode5[t₄-t₅]：PhaseB的高边功率开关S_BH和低边功率开关S_BL关断，寄生电容C_BL和C_BH与L_ZVS谐振，C_BH通过谐振电流对其进行放电至V_CBH＝0，流过C_BL的电流对其进行充电至V_CAL＝V_in/2。此时，主电感电流I_LB方向与L_ZVS电流方向相反，所以流过C_BL和C_BH的电流之和等于I_LB与i_LZVS电流的差值。当C_BL的电压从0升高至V_in/2、C_BH的电压由V_in/2降低至0之后，谐振电流开始流过S_BH的体二极管。为减小S_BH体二极管损耗，需要设置合适的死区时间。

Mode6[t₅-t₆]：C_BH的电压减小为0，C_BL的电压升高至V_in/2后，PhaseB的S_BH以ZVS的方式打开。L_ZVS两端电压为V_in/2，i_LZVS在功率开关S_BH开启时间段D_BT内线性增加(D_B为PhaseB的占空比)。i_LZVS必须大于IL_B，才能有足够的能量给寄生电容充放电，否则，S_BH无法实现ZVS开启。此时，流过S_BH电流为I_LB与i_LZVS之和。

Mode7[t₆-t₇]：S_BH关断，I_LB的方向和i_LZVS的方向相同，C_BL和C_BH的谐振电流之和等于I_LB与i_LZVS之和，谐振电流方向与Mode5下的方向相反。在Mode7下，ZVS检测和死区时间控制电路204需要产生的合适死区时间，来减小体二极管的损耗。

Mode8[t₇-t₈]：S_BL和S_AL打开，PhaseA与PhaseB进入续流阶段，L_ZVS两端电压差为0，其电流保持恒定。流过S_BL的电流i_SBL绝对值等于I_LB与i_LZVS之和。

当主电感电流I_LA、I_LB的方向与ZVS电感L_ZVS电流i_LZVS方向相反时，i_LZVS必须比主电感电流大，ZVS电感电流的峰值与主电感电流最小值的差值分别为I_diff，minA、I_diff，minB，可由式(1)、(2)表示。

L_ZVS的能量必须比寄生电容的能量大，才能实现功率开关的ZVS。在分别满足PhaseA和PhaseB功率开关零电压打开的条件下，ZVS电感的取值L_ZVS，A、L_ZVS，B，可由式(3)和(4)表示。最终ZVS电感L_ZVS选取L_ZVS，A和L_ZVS，B中较小值，以满足两相功率开关均能实现ZVS的条件。

其中，f_sw为直流-直流转换器转换器的工作频率。

根据本公开实施例，零电压检测和死区时间控制电路204，用于检测ZVS是否完成及产生相应的死区时间。请参见图7，图7是本公开的ZVS检测和死区控制电路，CLK是控制信号，V_H、V_L分别为高边功率开关和低边功率开关的栅端控制信号。零电压检测电路2041、非交叠时钟2042和最大死区时间电路2043的工作时序，如图8所示。零电压检测电路2041，用于判断ZVS是否完成，当V_SW电位大于或等于功率开关漏极电压时，输出反馈信号V_FB变为高电平，使能高边功率开关驱动信号。非交叠时钟电路2042，用于产生非交叠控制信号V_up和V_down，避免同一相的高边功率开关和低边功率同时开关导通。

最大死区时间电路2043，用于避免ZVS电路对开关节点寄生电容充电时间大于CLK信号高电平时间导致高边功率开关在一个周期内未开启，使系统工作进入错误状态。如果在最大死区时间之内V_FB变为高电平，则以V_FB作为高边功率开关控制信号的使能信号；如果在最大死区时间之内V_FB未能变为高电平，则以V_MaxDeadTime作为高边功率开关控制信号的使能信号。

由于该电路一般输入电源电压较高，各功率开关需采用高压功率器件，具体各功率开关和电容的耐压值请参见图9。由于C_ZVS仅用于平衡转换器两相开关节点的直流电压，C_ZVS两端电压维持在0V左右，不会增加功率开关的耐压值，因此该ZVS实现方法没有增加各功率开关的电压压力。

本公开的关键点在于：实现串联电容转换器ZVS且不增加功率开关耐压值。

通过所提出的技术，在两个开关节点SWA和SWB之间引入一对电感电容L_ZVS和C_ZVS组成ZVS电路，在死区时间内依次对功率级开关节点寄生电容进行充电，并利用零电压检测及死区时间控制电路来判断ZVS是否完成。因此，通过计算在死区时间内所需要传输的电荷量，即可推算出所需要的L_ZVS和C_ZVS，实现转换器的ZVS。同时，由于C_ZVS仅用于平衡转换器两相开关节点的直流电压，C_ZVS两端电压维持在0V左右，不会增加功率开关的耐压值，因此该ZVS实现方法没有增加各功率开关的电压压力，各种情况的对比参考如下表1所示：

耐压值	未实现ZVS	谐振ZVS技术	准方波ZVS技术
				V<sub>in</sub>	S<sub>BH</sub>	无	S<sub>BH</sub>
V<sub>in</sub>/2	S<sub>AH</sub>，S<sub>AL</sub>，S<sub>BL</sub>	S<sub>AH</sub>，S<sub>BH</sub>，S<sub>AL</sub>，S<sub>BL</sub>	S<sub>AH</sub>，S<sub>AL</sub>，S<sub>BL</sub>

表1

至此，已经结合附图对本公开实施例进行了详细描述。需要说明的是，在附图或说明书正文中，未绘示或描述的实现方式，均为所属技术领域中普通技术人员所知的形式，并未进行详细说明。此外，上述对各元件和方法的定义并不仅限于实施例中提到的各种具体结构、形状或方式，本领域普通技术人员可对其进行简单地更改或替换。

依据以上描述，本领域技术人员应当对本公开串联电容直流-直流转换器的零电压开关实现装置有了清楚的认识。

综上所述，本公开提供了一种串联电容直流-直流转换器的零电压开关实现装置，在两个开关节点之间引入一对电感L_ZVS和电容C_ZVS组成ZVS网络，在死区时间内依次对功率级开关节点寄生电容进行充电，并利用零电压检测及死区时间控制电路来判断ZVS是否完成。因此，通过计算在死区时间内所需要传输的电荷量，即可推算出所需要的L_ZVS和C_ZVS，实现转换器的ZVS。同时，由于C_ZVS仅用于平衡转换器两相开关节点的直流电压，C_ZVS两端电压维持在0V左右，不会增加功率开关的耐压值，因此该ZVS实现方法没有增加各功率开关的电压压力。本发明提出的串联电容直流-直流转换器ZVS实现方法，相比于现有技术可以不增加功率开关的耐压值，相应的，能够进一步提高转换器的效率。

还需要说明的是，实施例中提到的方向用语，例如“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”等，仅是参考附图的方向，并非用来限制本公开的保护范围。贯穿附图，相同的元素由相同或相近的附图标记来表示。在可能导致对本公开的理解造成混淆时，将省略常规结构或构造。

并且图中各部件的形状和尺寸不反映真实大小和比例，而仅示意本公开实施例的内容。另外，在权利要求中，不应将位于括号之间的任何参考符号构造成对权利要求的限制。

再者，单词“包含”不排除存在未列在权利要求中的元件或步骤。位于元件之前的单词“一”或“一个”不排除存在多个这样的元件。

说明书与权利要求中所使用的序数例如“第一”、“第二”、“第三”等的用词，以修饰相应的元件，其本身并不意味着该元件有任何的序数，也不代表某一元件与另一元件的顺序、或是制造方法上的顺序，该些序数的使用仅用来使具有某命名的一元件得以和另一具有相同命名的元件能做出清楚区分。

此外，除非特别描述或必须依序发生的步骤，上述步骤的顺序并无限制于以上所列，且可根据所需设计而变化或重新安排。并且上述实施例可基于设计及可靠度的考虑，彼此混合搭配使用或与其他实施例混合搭配使用，即不同实施例中的技术特征可以自由组合形成更多的实施例。

本领域那些技术人员可以理解，可以对实施例中的设备中的模块进行自适应性地改变并且把它们设置在与该实施例不同的一个或多个设备中。可以把实施例中的模块或单元或组件组合成一个模块或单元或组件，以及此外可以把它们分成多个子模块或子单元或子组件。除了这样的特征和/或过程或者单元中的至少一些是相互排斥之外，可以采用任何组合对本说明书(包括伴随的权利要求、摘要和附图)中公开的所有特征以及如此公开的任何方法或者设备的所有过程或单元进行组合。除非另外明确陈述，本说明书(包括伴随的权利要求、摘要和附图)中公开的每个特征可以由提供相同、等同或相似目的的替代特征来代替。并且，在列举了若干装置的单元权利要求中，这些装置中的若干个可以是通过同一个硬件项来具体体现。

以上所述的具体实施例，对本公开的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本公开的具体实施例而已，并不用于限制本公开，凡在本公开的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本公开的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种串联电容直流-直流转换器的零电压开关实现装置，包括：

功率降压电路，用于将高压直流电转换为交流电，包括：

功率开关S_AH，与输入电压V_in相连；

飞电容C_Fly，一端通过开关节点SWC与所述功率开关S_AH相连；

功率开S_AL，通过开关节点SWA与所述飞电容C_Fly的另一端相连；

功率开关S_BH，通过开关节点SWC与所述功率开关S_AH相连；以及

功率开关S_BL，通过开关节点SWB与所述功率开关S_BH相连；

ZVS电路，用于对功率降压电路的开关节点的寄生电容进行充放电，所述ZVS电路的两端分别与所述开关节点SWA和开关节点SWB相连，包括串联设置的电感L_ZVS以及电容C_ZVs；

输出滤波电路，用于将功率降压电路提供的交流电稳定为直流电，为输出负载提供能量，包括：

分别连接于所述ZVS两端且并联设置的电感L_A和电感L_B；以及

电容C，与电感L_A和电感L_B相连；以及

零电压检测及死区时间控制电路，用于检测ZVS电路是否完成及产生相应的死区时间，包括零电压检测模块和死区时间控制电路。

2.根据权利要求1所述的串联电容直流-直流转换器的零电压开关实现装置，

在状态1时，由电感L_ZVS和L_A的电流差值为开关节点SWA和SWC的寄生电容C_AL和C_CL充电，对功率开关S_AH处的寄生电容C_AH进行放电，由于飞电容C_Fly两端电压保持在输入电压的一半，开关节点SWC的电位随着开关节点SWA的电位逐渐上升。

3.根据权利要求1所述的串联电容直流-直流转换器的零电压开关实现装置，

在状态2时，开关节点SWA点电位上升至输入电压的一半，SWC点电位上升至输入电压，零电压检测模块检测到功率开关S_AH源漏两端电压差为0后，死区时间控制电路控制S_AH打开，开关节点SWA的电位比SWB点电位高，电感L_ZVS对应的电流i_LZVS的电流由SWB流向SWA并逐渐减小至0后反向。

4.根据权利要求1所述的串联电容直流-直流转换器的零电压开关实现装置，

在状态3时，功率开关S_AH关断，电感L_ZVS对应的电流i_LZVS与电感L_A电流方向相同，寄生电容C_AL和C_CL放电，寄生电容C_AH充电。

5.根据权利要求1所述的串联电容直流-直流转换器的零电压开关实现装置，

在状态4时，功率开关S_AL开启，由S_AL的源极流向漏极的电流等于流过电感L_A、L_B和功率开关S_BL的电流之和，电感L_ZVS的电流大于电感L_B的电流。

6.根据权利要求1所述的串联电容直流-直流转换器的零电压开关实现装置，

在状态5时，功率开关S_BL关断，电感L_ZVS与L_B的电流差值为开关节点SWB的寄生电容C_BL充电，对功率开关S_BH的寄生电容C_BH进行放电，开关节点SWB点的电位逐渐上升。

7.根据权利要求1所述的串联电容直流-直流转换器的零电压开关实现装置，

在状态6时，零电压检测及死区时间控制电路检测到开关节点SWB的电位上升至功率开关S_BH的漏极电位V_in/2，死区时间控制电路控制功率开关S_BH打开；开关节点SWB的电位比开关节点SWA点电位高，由SWA流向SWB的ZVS电感电流iL_ZVS逐渐减小至0后反向。

8.根据权利要求1所述的串联电容直流-直流转换器的零电压开关实现装置，

在状态7时，功率开关S_BH关断，电感L_ZVS对应的电流i_LZVS与电感L_B电流方向相同，寄生电容C_BL放电，寄生电容C_BH充电。

9.根据权利要求1所述的串联电容直流-直流转换器的零电压开关实现装置，

在状态8时，功率开关S_BL开启，由功率开关S_BL的源极流向漏极的电流等于流过电感L_A、L_B和功率开关S_AL的电流之和，电感L_ZVS对应的电流i_LZVS大于电感L_A的电流。

10.根据权利要求1所述的串联电容直流-直流转换器的零电压开关实现装置，功率开关S_AH和S_AL、飞电容C_Fly以及电感L_A构成子转换器PhaseA，功率开关S_BH和S_BL、以及电感L_B构成子转换器PhaseB，当电感电流I_LA、I_LB的方向与ZVS电感L_ZVS电流i_LZVS方向相反时，i_LZVS必须比电感电流I_LA、I_LB大，ZVS电感电流的峰值与电感电流I_LA、I_LB最小值的差值分别为I_diff，minA、I_diff，minB，可由式(1)、(2)表示。

L_ZVS的能量必须比寄生电容的能量大，才能实现功率开关的ZVS；在分别满足PhaseA和PhaseB功率开关零电压打开的条件下，ZVS电感的取值L_ZVS，A、L_ZVS，B，可由式(3)和(4)表示，最终ZVS电感L_ZVS选取L_ZVS，A和L_ZVS，B中较小值，以满足两相功率开关均能实现ZVS的条件；

其中，D_A为PhaseA的占空比，D_B为PhaseB的占空比，f_sw为转换器的工作频率。

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