CN101272089B - 一种直流变换器功率开关管电压尖峰吸收电路 - Google Patents

Abstract

一种直流变换器功率开关管电压尖峰吸收电路，包括：变压器T1、第一整流功率管Q1、第二整流功率管Q2、第一箝位二极管Ds1、第一箝位二极管Ds2、吸收电容Cs、吸收开关管Qs、防电流反灌二级管Df、续流二极管D、滤波电感L、驱动电阻R、保护二极管Dp；主要特点在于：所述吸收开关管Qs由桥臂方波通过驱动电阻R驱动，所述吸收电路的输出连接至电源的输出；本发明能有效地吸收功率开关管的电压尖峰，降低其电压应力，提高变换器效率，具有结构相对简单，性能可靠等特点。

Description

一种直流变换器功率开关管电压尖峰吸收电路

技术领域

本发明涉及开关电源，具体地说，是指一种对开关型直流变换器功率开关管电压尖峰进行吸收箝位的电路。

背景技术

开关型直流变换器中功率开关管通常工作在硬开关状态，换流时变压器的原边、副边存在寄生振荡，功率开关管通常承受着较高的尖峰电压。

图1是副边为全波整流的直流变换器原理图。变压器全波整流回路中的整流功率管Q1、Q2，在原边开关管同时截止期间续流。续流时，Q1、Q2流过的电流之和等于流过输出电感Lo的电流。当变压器T原边重新出现反向激励时，整流功率管Q1或Q2两端会有很大的尖峰电压，如图2所示。

图3是传统反激电路的原理图。通常在原边主功率开关管Q3关断时，在Q3两端会产生很高的尖峰电压，如图4所示。Q3开通时，副边整流功率管Q4会产生很高的尖峰电压，如图5所示。

上述功率管两端的尖峰电压通常会给直流变换器带来诸多不利影响，如提高了功率管额外的电压应力等级，降低变换器整机效率，电磁干扰严重等。

工程上通常采取吸收电路来抑制尖峰，常规方法有RC吸收电路、RCD吸收电路等。以RCD吸收电路为例，如图6所示，在图2所示电路副边整流功率管的两端增加RCD吸收电路。尖峰电压通过箝位二极管Ds1、Ds2箝位于吸收电容Cs端电压VCs。由于吸收电容Cs相对较大，VCs相对稳定，Rs与Cs并联，对Cs起放电作用，调整Rs到合适值，就可以维持合理的VCs值，从而抑制尖峰电压的最大幅值。显然，RCD吸收是完全有损的，变压器漏感越大，Q2、Q3的反向恢复特性越差，维持一定VCs就要求Rs越小。Rs确定后，其损耗为：VCs²/Rs，此损耗在相当大程度制约着变换器整机效率的提高。

发明内容

本发明要解决的是现有技术存在的上述问题，旨在提出一种新的吸收电路，它将上述采用RCD吸收电路所完全损耗的能量转移到输出或输入，能有效的降低功率开关管的电压尖峰，从而提高变换器的效率。

为此，本发明采用以下的技术方案：一种直流变换器功率开关管电压尖峰吸收电路，所述的变换器包括主变压器、一个或多个功率开关管，所述的吸收电路包括与所述的功率开关管一一对应的一个或多个箝位二极管、一个吸收电容、一个吸收开关管、一个防电流反灌二极管、一个续流二极管、一个滤波电感和一个驱动电阻，其特征在于所述的箝位二极管的阳极分别与功率开关管的漏极相连接，箝位二极管的阴极与吸收电容的一端和吸收开关管的集电极相连接，吸收开关管的发射极与防电流反灌二极管的阳极相连，防电流反灌二极管的阴极与续流二极管的阴极以及滤波电感的一端相连，滤波电感的另一端与变换器输出正端相连接，吸收电容的另一端、续流二极管的阳极接至输出地，吸收开关管的基极串联一驱动电阻后接至任一被吸收箝位的功率开关管的漏极。

根据本发明，在吸收开关管的基极和发射极之间还设有一个保护二极管，所述的保护二极管的阴极接到吸收开关管的基极，阳极接到吸收开关管的发射极。

本发明还以采用以下技术方案：一种直流变换器功率开关管电压尖峰吸收电路，所述的变换器包括主变压器、一个或多个功率开关管，所述的吸收电路包括与所述的功率开关管相对应的一个或多个箝位二极管、一个吸收电容、一个MOS管、一个续流二极管、一个滤波电感和一个驱动电阻，其特征在于所述的箝位二极管的阳极分别与功率开关管的漏极相连接，箝位二极管的阴极与吸收电容的一端和MOS管的漏极相连接，MOS管的源极与续流二极管的阴极以及滤波电感的一端相连，滤波电感的另一端与变换器输出正端相连接，吸收电容的另一端、续流二极管的阳极接至输出地，MOS管的门极串联一驱动电阻后接至任一被吸收箝位的功率开关管的漏极。

根据本发明，在MOS管的门极和源极之间还设有一个由保护电阻、稳压管和保护二极管组成的保护电路，所述的保护电阻的一端和稳压管的阴极连接到MOS管的门极，稳压管(Zp)的阳极连接到保护二极管的阳极，保护二极管的阴极与保护电阻的另一端和MOS管的源极相连。

本发明能通过对滤波电感L感量的调整有效地控制吸收能量向副边输出端或原边输入端的转移，在具体实施中将予以详细叙述。

附图说明

图1是全波同步整流原理图。

图2是全波同步整流功率管承受的尖峰电压示意图。

图3是反激电路原理图。

图4是反激电路原边主功率开关管承受的尖峰电压示意图。

图5为反激电路副边整流功率管承受的尖峰电压示意图

图6是全波整流电路RCD吸收电路原理图

图7是本发明在桥式全波整流电路应用的原理图。

图8是本发明在桥式全波整流电路应用的工作时序图。

图9是本发明采用功率MOS管作吸收开关管Qs在桥式全波整流电路中应用的原理图。

图10是本发明在反激电路原边应用的原理图。

图11是本发明在反激电路原边应用的工作时序图

图12是本发明采用功率MOS管作吸收开关管Qs在反激电路原边应用的原理图。

图13是本发明在反激电路副边应用的原理图。

图14是本发明在反激电路副原边应用的工作时序图。

图15是本发明采用功率MOS管作吸收开关管Qs在反激电路副边应用的原理图。

具体实施方式

实施例一

图7是本发明在桥式全波整流电路应用的原理图。由于本实施例的吸收电路用于变换器副边的功率开关管，因而功率开关管即为整流功率管。所述的变换器包括主变压器T1、第一整流功率管Q1和第二整流功率管Q2，所述的吸收电路包括与所述的整流功率管相对应的第一箝位二极管Ds1、第二箝位二极管Ds2、一个吸收电容Cs、一个吸收开关管Qs、一个保护二极管Dp、一个防电流反灌二极管Df、一个续流二极管D、一个滤波电感L和一个驱动电阻R，所述的箝位二极管Ds1、Ds2的阳极分别与整流功率管Q1、Q2的漏极相连接，箝位二极管Ds1、Ds2的阴极与吸收电容Cs的一端和吸收开关管Qs的集电极相连接，吸收开关管Qs的发射极与保护二极管Dp的阳极以及防电流反灌二极管Df的阳极相连，防电流反灌二极管Df的阴极与续流二极管D的阴极以及滤波电感L的一端相连，滤波电感L的另一端与变换器输出正端相连接，吸收电容Cs的另一端、续流二极管D的阳极接至输出地，吸收开关管Qs的基极与保护二极管Dp的阴极和驱动电阻R的一端相连，驱动电阻R的另一端与第一整流功率管Q1的漏极相连。

在技术背景中所论述的尖峰电压通过箝位二极管Ds1、Ds2箝位于吸收电容Cs端电压VCs，吸收电容Cs相对较大，VCs相对稳定。

图8是图7所示电路的工作时序图。

在稳态工作时，输出电感Lo两端电压伏秒平衡，得到下式：

Vin/n*2D＝Vout*(1-2D)(1)

上式中，Vin为变换器的输入电压，D为变换器的工作占空比，n为变压器的原副边匝比，Vout为变换器的输出电压。

输出整流功率管Q1，Q2两端电压Vds理论上是占空比为D，幅值为VdsQ1＝VdsQ2＝2*Vin/n的方波。换流时，寄生振荡产生的尖峰电压通过箝位二极管Ds1、Ds2箝位于吸收电容Cs端电压VCs。VCs略大于2*Vin/n。吸收开关管Qs的驱动取自Q1的被吸收箝位端桥臂，忽略驱动电阻R及滤波电感L上的电压。稳态工作原理如下：

(1)0到D*Ts，整流功率管Q1关断，VdsQ1的电压为2*Vin/n，通过R驱动吸收功率管Qs，吸收功率管Qs导通，吸收电容Cs能量通过Qs向输出电感L充电，滤波电感L储能增加，电感电流增加：

$\mathrm{Ll}*\frac{\mathrm{\ΔILl}}{\mathrm{Don}*\mathrm{Ts}}=\mathrm{VdsQ}1-\mathrm{VbeQs}-\mathrm{VDf}-\mathrm{Vout}---\left(2\right)$

(2)D*Ts到Ts，整流功率管Q1导通，吸收功率管Qs关断，VdsQ1的电压为0，吸收功率管Qs关断，滤波电感L电流通过续流二极管D续流，能量转移到输出，储能减少，电感电流减小：

$\mathrm{Ll}*\frac{\mathrm{\ΔILl}}{\mathrm{Doff}*\mathrm{Ts}}=\mathrm{Vout}+\mathrm{VD}---\left(3\right)$

上边两个式子中：Ll为滤波电感的电感量，ΔILl为滤波电感的电流变化量，VbeQs为吸收开关管Qs基极到发射极饱和压降，VDf为防电流反灌二极管Df正向压降，VD为续流二极管D续流正向压降，Vout为变换器的输出电压。D*Ts为一个开关周期内Qs导通时间，Doff*Ts为Qs关断，续流二极管D续流时间，Ts为一个开关周期。

由(2)、(3)式，忽略VbeQs、VDp、VD，结合(1)式，我们可以得到Doff＝1-Don。考虑到VbeQs、VDf、VD的压降，可以得到Doff＜1-D，可以得到吸收电路工作在滤波电感L电流断续状态，接近临界连续。故调整滤波电感L感量可以调整吸收电容Cs上馈送至输出端Vout的能量，调整吸收电容Cs电压VCs，从而吸收箝位同步整流管的尖峰电压。

图9是本发明采用功率MOS管作吸收开关管Qs在桥式全波整流电路中应用的原理图。针对功率MOS管特性，在其门极、源极间并联了起保护作用的电阻Rp、稳压管Zp、二极管Dp，工作原理与图7所示电路相同。

实施例二

图10是本发明在反激电路原边应用的原理图。所述的变换器包括变压器T1和原边功率开关管Q3，所述的吸收电路包括箝位二极管Ds、吸收电容Cs、吸收开关管Qs、防电流反灌二极管Df、续流二极管D、滤波电感L、驱动电阻R、保护二极管Dp。所述的箝位二极管Ds的阳极与反激电路原边主功率管Q3的被吸收箝位端桥臂即Q3的漏极相连接，箝位二极管Ds的阴极与吸收电容Cs的一端相连接，该结点上还接有吸收开关管Qs的集电极，吸收开关管Qs的发射极与防电流反灌二极管Df的阳极相连，防电流反灌二极管Df的阴极与续流二极管D的阴极以及滤波电感L的一端相连，滤波电感L的另一端与变换器输入相连接，吸收电容Cs的另一端、续流二极管D的阳极接至输入地，保护二极管Dp的阴极、阳极分别接到吸收开关管Qs的基极、发射极，吸收开关管Qs的基极通过驱动电阻R接至Q3的漏极。

图11是图10所示电路的工作时序图，吸收电路工作原理和本发明实施例一相同，吸收电路工作在滤波电感L电流断续状态，接近临界连续。调整滤波电感L感量可以调整吸收电容Cs上馈送至输入端Vin的能量，调整吸收电容Cs电压VCs，从而吸收箝位反激电路原边主功率管Q3漏源极电压尖峰。

图12是本发明采用功率MOS管作吸收开关管Qs在反激电路原边应用的原理图。

实施例三

图13是本发明在反激电路副边应用的原理图。所述的吸收电路包括：变压器T1、副边整流功率管Q4箝位二极管Ds、吸收电容Cs、吸收开关管Qs、防电流反灌二极管Df、续流二极管D、滤波电感L、驱动电阻R、保护二极管Dp。所述的箝位二极管Ds的阳极与反激电路副边功率管整流管Q5的被吸收箝位端桥臂即Q5的漏极相连接，箝位二极管Ds的阴极与吸收电容Cs的一端相连接，该结点上还接有吸收开关管Qs的集电极，吸收开关管Qs的发射极与防电流反灌二极管Df的阳极相连，防电流反灌二极管Df的阴极与续流二极管D的阴极以及滤波电感L的一端相连，滤波电感L的另一端与变换器输入相连接，吸收电容Cs的另一端、续流二极管D的阳极接至输入地，保护二极管Dp的阴极、阳极分别接到吸收开关管Qs的基极、发射极，吸收开关管Qs的基极通过驱动电阻R接至Q5的漏极。

图14是图13所示电路的工作时序图，吸收电路工作原理和本发明实施例一相同，吸收电路工作在滤波电感L电流断续状态，接近临界连续。调整滤波电感L感量可以调整吸收电容Cs上馈送至输出端Vout的能量，调整吸收电容Cs电压VCs，从而吸收箝位反激电路副边功率整流管Q5漏源极电压尖峰。

图15是本发明采用功率MOS管作吸收开关管Qs在反激电路副边应用的原理图。

Claims (4)

1.一种直流变换器功率开关管电压尖峰吸收电路，所述的变换器包括主变压器(T1)、一个或多个功率开关管(Q1、Q2、Q3、Q4)，所述的吸收电路包括与所述的功率开关管一一对应的一个或多个箝位二极管(Ds1、Ds2)、一个吸收电容(Cs)、一个吸收开关管(Qs)、一个防电流反灌二极管(Df)、一个续流二极管(D)、一个滤波电感(L)和一个驱动电阻(R)，其特征在于所述的箝位二极管(Ds1、Ds2)的阳极分别与功率开关管(Q1、Q2)的漏极相连接，箝位二极管(Ds1、Ds2)的阴极与吸收电容(Cs)的一端和吸收开关管(Qs)的集电极相连接，吸收开关管(Qs)的发射极与防电流反灌二极管(Df)的阳极相连，防电流反灌二极管(Df)的阴极与续流二极管(D)的阴极以及滤波电感(L)的一端相连，滤波电感(L)的另一端与变换器输出正端相连接，吸收电容(Cs)的另一端、续流二极管(D)的阳极接至输出地，吸收开关管(Qs)的基极串联一驱动电阻(R)后接至任一被吸收箝位的功率开关管(Q1、Q2、Q3、Q4)的漏极。

2.如权利要求1所述的直流变换器功率开关管电压尖峰吸收电路，其特征在于在吸收开关管(Qs)的基极和发射极之间还设有一个保护二极管(Dp)，所述的保护二极管(Dp)的阴极接到吸收开关管(Qs)的基极，阳极接到吸收开关管(Qs)的发射极。

3.一种直流变换器功率开关管电压尖峰吸收电路，所述的变换器包括主变压器(T1)、一个或多个功率开关管(Q1、Q2、Q3、Q4)，所述的吸收电路包括与所述的功率开关管一一对应的一个或多个箝位二极管(Ds1、Ds2)、一个吸收电容(Cs)、一个MOS管(Qs)、一个续流二极管(D)、一个滤波电感(L)和一个驱动电阻(R)，其特征在于所述的箝位二极管(Ds1、Ds2)的阳极分别与功率开关管(Q1、Q2)的漏极相连接，箝位二极管(Ds1、Ds2)的阴极与吸收电容(Cs)的一端和MOS管(Qs)的漏极相连接，MOS管(Qs)的源极与续流二极管(D)的阴极以及滤波电感(L)的一端相连，滤波电感(L)的另一端与变换器输出正端相连接，吸收电容(Cs)的另一端、续流二极管(D)的阳极接至输出地，MOS管(Qs)的门极串联一驱动电阻(R)后接至任一被吸收箝位的功率开关管(Q1、Q2、Q3、Q4)的漏极。

4.如权利要求3所述的直流变换器功率开关管电压尖峰吸收电路，其特征在于在MOS管(Qs)的门极和源极之间还设有一个由保护电阻(Rp)、稳压管(Zp)和保护二极管(Dp)组成的保护电路，所述的保护电阻(Rp)的一端和稳压管(Zp)的阴极连接到MOS管(Qs)的门极，稳压管(Zp)的阳极连接到保护二极管(Dp)的阳极，保护二极管(Dp)的阴极与保护电阻(Rp)的另一端和MOS管(Qs)的源极相连。

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