一种次级控制准谐振的开关电源变换器
技术领域
本发明涉及开关电源技术领域,尤其涉及一种次级控制准谐振的开关电源变换器。
背景技术
目前,反激式开关电源变换器多采用固定频率的PWM(脉冲宽度调制)控制模式和可变频率的PFM(脉冲频率调制)准谐振控制模式,在常规的PWM控制模式的电源变换器中,功率开关管处于硬开关状态,不是零电压关断,开关损耗大,电源变换器的转换效率低;在可变频率的PFM准谐振开关模式电源变换器中,功率开关管在谐振电容Cr两端的谐振电压波的波谷底处导通,能降低部分开通损耗,而在开关管关断时,开关管两端电压从零快速上升,开关管电流从最大处快速下降,因此,开关管两端电压和电流不可避免存在重叠区,电压、电流波形的交叠产生了开关损耗,该损耗随开关频率的提高而急速增加。
无论是固定频率的PWM控制模式和可变频率的PFM准谐振控制模式,其在功率开关管关断后,变压器初级电感绕组储存的能量切换到次级电感绕组,变压器次级绕组的反激电压快速上升直到高于输出电压,此时次级整流二极管导通,在这个过程中,次级电感绕组的感生电流由最小增到最大的变化率很大,而整流二极管从截止到导通需要恢复时间,因此,高频工作时会带来整流二极管导通时的较大损耗和尖峰电压,从而使二极管电压应力高,使电源EMI(电磁干扰)特性不良。为了降低整流二极管导通时的电流变化率,一般采用整流二极管串联电感来实现,但电感在整流管导通期内储存了能量,在整流管关断时需要反向释放,会增大整流管关断时的尖峰和损耗。
在反激式开关电源变换器中,要将高频开关的开关管的关断损耗降低,需要降低电压和电流的变化率,一般主要通过在开关管两端并联电容降低电压和电流的变化率,或者采用有源钳位电路来降低关断损耗,而在开关管两端并联电容在开关管关断期内储存的部分能量将会在开关管开通的时候直接短路电容,将带来很大的损耗甚至损坏开关管,而采用有源钳位电路则控制复杂,降低关断损耗的效果非常有限。
发明内容
本发明提供一种次级控制准谐振的开关电源变换器,通过将原有的开关控制器、开关管、谐振电容、变压器、整流二极管、极性电容,与增设的二极管、变压器、开关管和仅由电阻、电容、三极管和稳压管组成的准谐振控制电路重新搭建成开关电源变换器的内部电路以保证原开关管的零电压关断和原次级整流管的电流及电压较小的变化率的技术问题。
为解决以上技术问题,本发明提供一种次级控制准谐振的开关电源变换器,设有接入供电电源的电源输入正极端、电源输入负极端和接出负载的电源输出正极端、电源输出负极端,还设有开关控制器,所述电源输入负极端连接所述开关控制器的电源负端和电流侦测电阻的一端,所述电流侦测电阻的另一端连接所述开关控制器的开关电流侦测端和第一开关管的电压输出端,所述第一开关管的控制端连接所述开关控制器的开关控制输出端,所述第一开关管的电压输入端连接第一变压器的初级绕组的异名端,所述第一变压器的初级绕组的同名端连接所述电源输入正极端;
所述第一变压器的次级绕组的异名端、第一二极管的阳极、准谐振控制电路的电源正端、第二二极管的阴极、极性电容的正极端连接所述电源输出正极端,所述第一二极管的阴极连接谐振电容后连接所述第一变压器的次级绕组的同名端、次级整流管的整流输入端和所述准谐振控制电路的控制信号输入端;
所述准谐振控制电路的电源负端、所述次级整流管的整流输出端、第二开关管的电压输出端、第二变压器的次级绕组的同名端、所述极性电容的负极端连接所述电源输出负极端,所述准谐振控制电路的控制信号输出端连接所述第二开关管的控制端;
所述第二开关管的电压输入端连接所述第二变压器的初级绕组的异名端,所述第二变压器的初级绕组的同名端连接所述第一二极管的阴极,所述第二变压器的次级绕组的异名端连接所述第二二极管的阳极。
具体地,所述准谐振控制电路中设有第一三极管、第二三极管、第三三极管、第一电阻、第二电阻、第三电阻、第一稳压管、第二稳压管、第一电容和第二电容;
所述第一三极管的集电极连接所述准谐振控制电路的电源正端,所述准谐振控制电路的电源正端连接所述第一电阻后连接所述第一三极管的基极和所述第一稳压管的阴极,所述第一三极管的发射极连接所述第一电容的一端和所述第二三极管的集电极,所述第一电容的另一端、所述第一稳压管的阳极、所述第二稳压管的阳极、所述第二电阻的一端和所述第三三极管的集电极连接所述准谐振控制电路的电源负端;
所述准谐振控制电路的控制信号输入端连接串联的所述第二电容与所述第三电阻后连接所述第二稳压管的阴极、所述第二电阻的另一端、所述第二三极管的基极和所述第三三极管的基极,所述第二三极管的发射极与所述第三三极管的发射极连接所述准谐振控制电路的控制信号输出端。
优选地,所述第一开关管和第二开关管为N沟道MOS管或NPN双极型晶体三极管或绝缘栅双极型晶体三极管。
特别地,当所述第一开关管和第二开关管为N沟道MOS管时,所述第一开关管的控制端或所述第二开关管的控制端为栅极,所述第一开关管的电压输入端或所述第二开关管的电压输入端为漏极,所述第一开关管的电压输出端或所述第二开关管的电压输出端为源极。
特别地,当所述第一开关管和第二开关管为NPN双极型晶体三极管时,所述第一开关管的控制端或所述第二开关管的控制端为基极,所述第一开关管的电压输入端或所述第二开关管的电压输入端为集电极,所述第一开关管的电压输出端或所述第二开关管的电压输出端为发射极。
特别地,当所述第一开关管和第二开关管为绝缘栅双极晶体三极管时,所述第一开关管的控制端或所述第二开关管的控制端为栅极,所述第一开关管的电压输入端或所述第二开关管的电压输入端为集电极,所述第一开关管的电压输出端或所述第二开关管的电压输出端为发射极。
优选地,所述次级整流管为整流二极管或场效应管整流模块。
特别地,当所述次级整流管为整流二极管时,所述次级整流管的整流输入端为阴极,所述次级整流管的整流输出端为阳极。
优选地,所述第一三极管、第二三极管为NPN双极型晶体三极管,所述第三三极管为PNP双极型晶体三极管。
本发明提供的一种次级控制准谐振的开关电源变换器,将原谐振电容调整到原变压器的次级端,该谐振电容储存的能量被泄放到电源输出端,其电容电压从零开始谐振上升,因而使原开关管的电压也可以从零开始谐振上升,从而实现了原开关管的零电压关断,极大地降低了现有PWM控制模式或者PFM准谐振开关控制模式下的开关电源变换器的开关损耗,变换器的转换效率高;
同时,原变压器次级端的谐振电容的放电回路与原变压器初级端的原开关管完全阻断,实现了软开关,而避免了原有技术中谐振电容带来的开关管容性开通而出现流过开关管的电流过大,从而保护开关管不被损坏;
再则,原谐振电容的电容电压从零开始谐振上升,变压器次级端的电流是从流过谐振电容的小电流自然过渡到流过次级整流管,电流变化率低,整流管实现软开通,效率高,无电压尖峰,EMI特性好,开关电源变换器的工作频率可以进一步提高,从而在装置上,能够使电源体积进一步缩小,降低成本。
附图说明
图1是本发明实施例提供的原有技术中的可变频率的PFM准谐振开关模式电源变换器的电路原理图;
图2是本发明实施例提供的图1中的开关管两端的电压波形图;
图3-1是本发明实施例提供的一种次级控制准谐振的开关电源变换器的电路连接图;
图3-2是本发明实施例提供的图3-1中的第一开关管和第二开关管为N沟道MOS管、次级整流管为整流二极管的电路连接图;
图4是本发明实施例提供的图3-1中的准谐振控制电路的电路连接图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图,对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。以下元器件的取值大小仅为较佳实施例,不构成对本发明保护范围的限制。
参见图1,是本发明实施例提供的原有技术中的可变频率的PFM准谐振开关模式电源变换器的电路原理图。在本实施例中,在原有技术中的反激式开关电源变换器中,无论是固定频率的PWM控制模式和可变频率的PFM准谐振控制模式,要将高频开关的开关管的关断损耗降低,需要降低电压和电流的变化率,一般主要通过图1采用的在开关管两端并联谐振电容Cr来降低电压和电流的变化率,或者采用有源钳位电路来降低关断损耗,但有源钳位电路则控制复杂,本发明没有对其进行进一步研究。
如图1,原有技术中的反激式开关电源变换器中设有接入供电电源的电源输入正极端Vin+、电源输入负极端Vin-和接出负载的电源输出正极端Vout+、电源输出负极端Vout-,还设有开关控制器KC,所述电源输入负极端Vin-连接所述开关控制器KC的电源负端KC_PIN1和电流侦测电阻Rs的一端,所述电流侦测电阻Rs的另一端连接所述开关控制器KC的开关电流侦测端KC_PIN2和开关管KQ1的电压输出端KQ1_PIN1,所述开关管KQ1的控制端KQ1_PIN2连接所述开关控制器KC的开关控制输出端KC_PIN2,在所述开关管KQ1的电压输出端KQ1_PIN1和电压输入端KQ1_PIN3之间并联有谐振电容Cr,所述开关管KQ1的电压输入端KQ1_PIN3还连接二极管D1的阳极和变压器T1的初级绕组T1_1的异名端(图中带有黑点的那端为同名端,未带黑点的为异名端),所述二极管D1的阴极连接并联RC电路1后与所述变压器T1的初级绕组T1_1的同名端共同连接所述电源输入正极端Vin+,所述变压器T1的次级绕组T1_2的异名端正向连接整流二极管Di后连接电源输出正极端Vout+和极性电容EC的正极端,所述极性电容EC的负极端和所述变压器T1的次级绕组T1_2的同名端连接所述电源输出负极端Vout-。
在图1这个电路中,结合图2,图2是本发明实施例提供的图1中的开关管KQ1两端的电压波形图,功率开关管KQ1在谐振电容Cr两端的谐振电压波的波谷底处导通,能降低部分开通损耗,但在开关管KQ1关断时,开关管KQ1两端电压从零快速上升,开关管KQ1电流从最大处快速下降,因此,开关管KQ1两端电压和电流不可避免存在重叠区,将带来关断损耗。而在开关管KQ1关断后,变压器T1的初级绕组T1_1储存的能量切换到次级绕组T1_2,变压器T1的次级绕组T1_2的反激电压快速上升直到高于输出电压,此时整流二极管Di导通,在这个过程中,次级绕组T1_2的感生电流由最小增到最大的变化率很大,而整流二极管Di从截止到导通需要恢复时间,因此,高频工作时会带来整流二极管Di导通时的较大损耗和尖峰电压,从而使二极管Di电压应力高,使电源EMI(电磁干扰)特性不良。
由此,本发明提供一种次级控制准谐振的开关电源变换器,通过将原有的开关控制器KC、开关管KQ1、谐振电容Cr、变压器T1、整流二极管Di、极性电容EC,与增设的二极管、变压器、开关管和仅由电阻、电容、三极管和稳压管组成的准谐振控制电路重新搭建成开关电源变换器的内部电路。
参见图3-1,是本发明实施例提供的一种次级控制准谐振的开关电源变换器的电路连接图。在本实施例中,所述的一种次级控制准谐振的开关电源变换器,保留原有的接入供电电源的电源输入正极端Vin+、电源输入负极端Vin-和接出负载的电源输出正极端Vout+、电源输出负极端Vout-,以及开关控制器KC、电流侦测电阻Rs、谐振电容Cr、变压器T1(以下均为第一变压器T1)、整流二极管Di(以下均为次级整流管Di)、极性电容EC,与增设的二极管、变压器、开关管KQ1和仅由电阻、电容、三极管和稳压管组成的准谐振控制电路2重新搭建成开关电源变换器的内部电路,其连接关系如下:
所述电源输入负极端Vin-连接所述开关控制器KC的电源负端KC_PIN1和所述电流侦测电阻Rs的一端,所述电流侦测电阻Rs的另一端连接所述开关控制器KC的开关电流侦测端KC_PIN2和第一开关管KQ1的电压输出端KQ1_PIN1,所述第一开关管KQ1的控制端KQ1_PIN2连接所述开关控制器KC的开关控制输出端KC_PIN3,所述第一开关管KQ1的电压输入端KQ1_PIN3连接第一变压器T1的初级绕组T1_1的异名端,所述第一变压器T1的初级绕组T1_1的同名端连接所述电源输入正极端Vin+;
所述第一变压器T1的次级绕组T1_2的异名端、第一二极管D1的阳极、所述准谐振控制电路2的电源正端20、第二二极管D2的阴极、所述极性电容EC的正极端连接所述电源输出正极端Vout+,所述第一二极管D1的阴极连接所述谐振电容Cr后连接所述第一变压器T1的次级绕组T1_2的同名端、次级整流管Di的整流输入端Di_1和所述准谐振控制电路2的控制信号输入端21;
所述准谐振控制电路2的电源负端22、所述次级整流管Di的整流输出端Di_2、第二开关管KQ2的电压输出端KQ2_PIN1、第二变压器T2的次级绕组T2_1的同名端、所述极性电容EC的负极端连接所述电源输出负极端Vout-,所述准谐振控制电路2的控制信号输出端23连接所述第二开关管KQ2的控制端KQ2_PIN2;
所述第二开关管KQ2的电压输入端KQ2_PIN3连接所述第二变压器T2的初级绕组T2_1的异名端,所述第二变压器T2的初级绕组T2_1的同名端连接所述第一二极管D1的阴极,所述第二变压器T2的次级绕组T2_2的异名端连接所述第二二极管D2的阳极。
需要说明的是,所述第一开关管KQ1和第二开关管KQ2可以为N沟道MOS管或NPN双极型晶体三极管或绝缘栅双极型晶体三极管。
当所述第一开关管KQ1和第二开关管KQ2为N沟道MOS管时,所述第一开关管KQ1的控制端KQ1_PIN2或所述第二开关管KQ2的控制端KQ2_PIN2为栅极G,所述第一开关管KQ1的电压输入端KQ1_PIN3或所述第二开关管KQ2的电压输入端KQ2_PIN3为漏极D,所述第一开关管KQ1的电压输出端KQ1_PIN1或所述第二开关管KQ2的电压输出端KQ2_PIN1为源极S。
当所述第一开关管KQ1和第二开关管KQ2为NPN双极型晶体三极管时,所述第一开关管KQ1的控制端KQ1_PIN2或所述第二开关管KQ2的控制端KQ2_PIN2为基极B,所述第一开关管KQ1的电压输入端KQ1_PIN3或所述第二开关管KQ2的电压输入端KQ2_PIN3为集电极C,所述第一开关管KQ1的电压输出端KQ1_PIN1或所述第二开关管KQ2的电压输出端KQ2_PIN1为发射极E。
当所述第一开关管KQ1和第二开关管KQ2为绝缘栅双极晶体三极管时,所述第一开关管KQ1的控制端KQ1_PIN2或所述第二开关管KQ2的控制端KQ2_PIN2为栅极G,所述第一开关管KQ1的电压输入端KQ1_PIN3或所述第二开关管KQ2的电压输入端KQ2_PIN3为集电极C,所述第一开关管KQ1的电压输出端KQ1_PIN1或所述第二开关管KQ2的电压输出端KQ2_PIN1为发射极E。
还需要说明的是,所述次级整流管Di为整流二极管或场效应管整流模块,而场效应管模块是以场效应管为主器件的具有整流输入端Di_1和整流输出端Di_2的电路模块。当所述次级整流管Di为整流二极管时,所述次级整流管Di的整流输入端Di_1为阴极,所述次级整流管Di的整流输出端Di_2为阳极。
结合上述说明,参见图3-2,是本发明实施例提供的图3-1中的第一开关管和第二开关管KQ2为N沟道MOS管、次级整流管Di为整流二极管的电路连接图。而当开关管KQ1为N沟道MOS管、NPN双极型晶体三极管或绝缘栅双极型晶体三极管,次级整流管Di为整流二极管、场效应管整流模块的其他五种排列组合下的电路连接图参照图3-1,很容易得出,此处不再举图进行说明。
进一步需要说明的是,参见图4是本发明实施例提供的图3-1中的准谐振控制电路2的电路连接图。所述准谐振控制电路2中设有第一三极管Q1、第二三极管Q2、第三三极管Q3、第一电阻R1、第二电阻R2、第一稳压管Dv1、第二稳压管Dv2、第一电容C1和第二电容C2;
所述第一三极管Q1的集电极C连接所述准谐振控制电路2的电源正端20,所述准谐振控制电路2的电源正端20连接所述第一电阻R1后连接所述第一三极管Q1的基极B和所述第一稳压管Dv1的阴极,所述第一三极管Q1的发射极E连接所述第一电容C1的一端和所述第二三极管Q2的集电极C,所述第一电容C1的另一端、所述第一稳压管Dv1的阳极、所述第二稳压管Dv2的阳极、所述第二电阻R2的一端和所述第三三极管Q3的集电极C连接所述准谐振控制电路2的电源负端22;
所述准谐振控制电路2的控制信号输入端21连接串联的所述第二电容C2与所述第三电阻R3后连接所述第二稳压管Dv2的阴极、所述第二电阻R2的另一端、所述第二三极管Q2的基极B和所述第三三极管Q3的基极B,所述第二三极管Q2的发射极E与所述第三三极管Q3的发射极E连接所述准谐振控制电路2的控制信号输出端23。
其中,所述第一三极管Q1、第二三极管Q2为NPN双极型晶体三极管,所述第三三极管Q3为PNP双极型晶体三极管。
再次参见图3-1和图4,本发明实施例提供的一种次级控制准谐振的开关电源变换器,当其所述开关控制器KC使所述第一开关管KQ1导通时,所述第一变压器T1的初级绕组T1_1储能,其次级绕组T1_2的感生电压为同名端为正,所述次级整流管Di反偏截止,所述准谐振控制电路2内部的所述第一电容C1、第二电阻R2、第三电阻R3、第二稳压管Dv2组成的初级开关上升沿侦测电路和延时电路,经所述第一三极管Q1、第二三极管Q2输出驱动所述第二开关管KQ2导通,所述谐振电容Cr与所述第二变压器T2的初级绕组T2_1谐振,所述谐振电容Cr在所述第一开关管KQ1关断期间内储存的能量转储到所述第二变压器T2中,当延迟时间达到设定值后,所述第二开关管KQ2关断,所述第二二极管D2导通,所述第二变压器T2中的能量向电源输出端(所述电源输出正极端Vout+和电源输出负极端Vout-)释放,这个过程所述谐振电容Cr的能量释放到所述电源输出端,所述谐振电容Cr的端电压将复位到接近零;
当所述开关控制器KC使所述第一开关管KQ1关断时,所述第一变压器T1的初级绕组T1_1的感生电压为异名端为正,所述第一开关管KQ1正偏导通,其次级绕组T1_2和所述谐振电容Cr谐振,所述谐振电容Cr的端电压从零开始谐振上升,由于所述第一变压器T1的互感作用,所述第一开关管KQ1的电压输入端KQ1_PIN3与电压输出端KQ1_PIN1之间的电压也将谐振上升,此时,所述第一开关管KQ1的电压输入端KQ1_PIN3的电流已降为零,因此,所述第一开关管KQ1是接近零损耗的关断。在所述谐振电容Cr的端电压从零开始谐振上升的过程中,此时的电压低于输出电压,所述次级整流管Di反偏截止,所述第一变压器T1的次级绕组T1_2只有小电流流向所述谐振电容Cr,当所述谐振电容Cr的端电压上升到超过输出电压时,所述次级整流管Di自然软开通,开通损耗小,所述第一变压器T1的次级绕组T1_2的电流开始切换到流向输出,电流的变化率比较低,所述次级整流管Di两端无电压尖峰,应力小,EMI特性比较好,整个开关电源变换器的工作频率可以进一步提高,从而使电源体积可以缩小,成本降低。
以上所述是本发明的优选实施方式,应当指出,对于本技术领域的普通技术人员来说,在不脱离本发明原理的前提下,还可以做出若干改进和润饰,这些改进和润饰也视为本发明的保护范围。