CN107742975A - 关断能量回收方法及电路 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种关断能量回收的方法和电路，其中，关断能量回收电路，包括电容C1、二极管D1和DC‑DC变换器，DC‑DC变换器由反激电路构成，反激电路包括变压器T1、变压器T1的原边绕组所形成的原边电路及变压器T1的副边绕组所形成的副边电路；其中，二极管D1的阳极引出作为关断能量回收电路的第一输入端，用于与功率开关管的一端连接；二极管D1的阴极与电容C1的正极连接，电容C1的负极引出作为关断能量回收电路的第二输入端，用于与功率开关管的另一端连接；电容C1的两端还与反激电路的原边电路连接，反激电路的副边电路的输出端引出作为关断能量回收电路的输出端，用于与外部供电端连接。
Description
技术领域
本发明涉及一种开关关断能量回收方法及电路，特别涉及不对称半桥反激电路的主开关管关断能量的回收方法及电路。
背景技术
现有不对称半桥反激电路的主开关管(即功率开关管)作为电子开关(以下简称为开关)，在开通或关断时，在电压和电流的交叠区会产生损耗。传统的方法一般是修改电路参数，降低开关损耗。该方法通用性差。不对称半桥反激电路由于其励磁电流可反向，因此可以实现零电压开通，从而降低开通损耗。但不对称半桥反激电路的主功率管在关断时电流大，因此关断损耗大，发热严重，不利于电源模块的小型化。可以通过传统的方法修改电路参数，降低关断能量，从而降低开关的关断损耗。但该方法降低损耗的幅度有限，而且会影响开关的开通过程，可能会破坏零电压开通的条件。
另一个比较简单的降低关断损耗的方法，就是给开关并联一个电容，通过电容降低开关关断过程中的电压上升速度，降低电压和电流的交叠区域，从而降低关断损耗。但该方法会对开关的开通过程有影响，对于不对称半桥反激电路来说，在主开关管并联电容后，实现零电压开通的难度增大，要实现零电压开通，就要增大反向励磁电流，辅开关管的关断损耗以及变压器损耗就会随之上升。
所以，目前不对称半桥反激电路的主开关管关断能量的回收控制，存在以下问题：
(1)主开关管关断损耗大，不利于电源模块的小型化；
(2)若通过给主开关并联电容，虽然减小主开关的关断损耗，但该方法会对开关的开通过程有影响，会增加辅开关管的关断损耗，且会增加零电压开通的难度。
发明内容
有鉴于此，本发明要解决的技术问题之一是克服现有方法的不足，提供一种关断能量回收的方法，将开关关断过程的能量储存到电容中，减小开关关断损耗，并将存储的能量返回到外部供电端，提高整个系统的效率，同时，添加的模块不影响开关的开通过程。对应地，本发明要解决的技术问题之二是提供一种开关关断能量回收电路。
本发明解决上述技术问题的方法发明构思如下：
一种开关关断能量回收方法，利用储能环节存储开关关断的能量，并采用能量反馈环节将储能环节的能量返回到外部供电端，同时加入单向导通环节，使得添加的关断能量回收模块不影响开关的开通过程。
对应地，本发明解决上述技术问题的产品发明构思如下：
一种开关关断能量回收电路，其特征在于，利用电容存储开关关断的能量，并采用开关电源将储能环节的能量返回到外部供电端，同时加入二极管，使得添加的关断能量回收模块不影响开关的开通过程。
具体地，本发明提供一种关断能量回收电路，适用于功率开关管的关断能量回收控制，包括电容C1、二极管D1和DC-DC变换器，DC-DC变换器由反激电路构成，反激电路包括变压器T1、变压器T1的原边绕组所形成的原边电路及变压器T1的副边绕组所形成的副边电路；其中，二极管D1的阳极引出作为关断能量回收电路的第一输入端，用于与功率开关管的一端连接；二极管D1的阴极与电容C1的正极连接，电容C1的负极引出作为关断能量回收电路的第二输入端，用于与功率开关管的另一端连接；电容C1的两端还与反激电路的原边电路连接，反激电路的副边电路的输出端引出作为关断能量回收电路的输出端，用于与外部供电端连接。
优选地，所述反激电路的原边电路还包括开关G1，副边电路还包括二极管D2；其中，电容C1的正极与变压器T1原边绕组的异名端连接，变压器T1原边绕组的同名端与开关G1的漏极连接，开关G1的源极与电容C1的负极连接；变压器T1副边绕组的同名端与二极管D2的阳极连接，二极管D2的阴极引出作为关断能量回收电路的第一输出端，用于与外部供电端的正极连接；变压器T1副边绕组的异名端引出作为关断能量回收电路的第二输出端，用于与外部供电端的负极连接。
优选地，储能环节的电容C1选用具有压电效应的电容，即随着电压上升，电容容量下降的电容。
本发明还提供一种关断能量回收电路，适用于功率开关管的关断能量回收控制，包括储能模块、单向导通模块和能量反馈模块，单向导通模块与储能模块串联后形成串联支路，串联支路的两端引出作为关断能量回收电路的输入端，用于与功率开关管并联；能量反馈模块的输入端与储能模块并联，能量反馈模块的输出端引出作为关断能量回收电路的输出端，用于与外部供电端并联。
优选地，所述储能模块由电容C1构成；所述单向导通模块，由二极管D1构成；所述能量反馈模块，由DC-DC变换器构成，DC-DC变换器为反激电路，包括变压器T1、变压器T1的原边绕组所形成的原边电路及变压器T1的副边绕组所形成的副边电路；其中，二极管D1的阳极引出作为关断能量回收电路的第一输入端，用于与功率开关管的一端连接；二极管D1的阴极与电容C1的正极连接，电容C1的负极引出作为关断能量回收电路的第二输入端，用于与功率开关管的另一端连接；电容C1的两端还与反激电路的原边电路连接，反激电路的副边电路的输出端引出作为关断能量回收电路的输出端，用于与外部供电端连接。
优选地，所述反激电路的原边电路还包括开关G1，副边电路还包括二极管D2；其中，电容C1的正极与变压器T1原边绕组的异名端连接，变压器T1原边绕组的同名端与开关G1的漏极连接，开关G1的源极与电容C1的负极连接；变压器T1副边绕组的同名端与二极管D2的阳极连接，二极管D2的阴极引出作为关断能量回收电路的第一输出端，用于与外部供电端的正极连接；变压器副边绕组的异名端引出作为关断能量回收电路的第二输出端，用于与外部供电端的负极连接。
对应地，本发明再提供一种关断能量回收方法，适用于功率开关管的关断能量回收控制，包括如下步骤，储能步骤，当功率开关管从导通变成关断时，二极管D1导通，使原来在功率开关管上的关断能量转移到二极管D1和电容C1构成的串联支路，电容C1通过二极管D1对关断能量进行储能；能量反馈步骤，在功率开关管关断时，反激电路的开关G1也是断开的，关断能量通过反激电路由原边电路传递至副边电路，用以通过副边电路将关断能量回馈至外部供电端；单向导通步骤，当功率开关管从关断变成导通时，二极管D1关断与电容C1所构成的串联支路，使得电容C1不影响功率开关管的开通过程。
优选地，所述开关G1和开关S1是同时开通，但开关G1的导通时间是固定的，在开关G1导通结束后，励磁电感Lm1就通过二极管D2释放能量到外部供电端，而省去了二极管D1为励磁电感Lm1电流续流的过程。
本发明还提供一种关断能量回收方法，适用于功率开关管的关断能量回收控制，包括如下步骤，储能步骤，当功率开关管从导通变成关断时，单向导通模块处于导通状态，使原来在功率开关管上的电流转移到单向导通模块与储能模块串联后形成的串联支路，储能模块通过单向导通模块对关断能量进行储能；能量反馈步骤，在功率开关管关断时，反激电路传递能量，即反激电路通过变压器T1将关断能量由原边传递至副边，用以通过副边电路将关断能量回馈至外部供电端；单向导通步骤，当功率开关管从关断变成导通时，单向导通模块处于关断状态，以关断储能模块与功率开关管的通路，使得储能模块不影响功率开关管的开通过程。
优选地，所述储能模块由电容C1构成；单向导通模块，由二极管D1构成；能量反馈模块，由反激电路构成，反激电路包括变压器T1、变压器T1的原边绕组所形成的原边电路及变压器T1的副边绕组所形成的副边电路，原边电路包括开关G1，副边电路包括二极管D2；其中，储能步骤，当功率开关管从导通变成关断时，二极管D1导通，使原来在功率开关管上的电流转移到二极管D1和电容C1构成的串联支路，电容C1通过二极管D1对关断能量进行储能；能量反馈步骤，在功率开关管关断时，反激电路的开关G1也是断开的，反激电路通过变压器T1将关断能量由原边传递至副边，用以通过副边电路将关断能量回馈至外部供电端；单向导通步骤，当功率开关管从关断变成导通时，二极管D1关断，以关断电容C1与功率开关管的通路，使得电容C1不影响功率开关管的开通过程。
本发明开关关断能量回收方案的有益效果为：
(1)降低开关在关断过程的损耗；
(2)不影响开关的开通过程；
(3)将原来的关断损耗回收并返回到供电端，实现能量的回收利用；
(4)该结构通用性强，可用于所有开关关断能量大的场合。
附图说明
图1为本发明开关的关断能量回收方法的原理框图；
图2为本发明开关的关断能量回收电路的第一实施例原理图；
图3为本发明开关的关断能量回收电路应用到不对称半桥反激电路的原理图；
图4为本发明开关的关断能量回收电路的第一实施例工作曲线图。
具体实施方式
本发明的发明构思为利用电容存储开关关断的能量，并采用开关电源将储能环节的能量返回到开关电源的供电端，同时加入二极管，使得添加的模块不影响开关的开通过程。
图1为本发明开关的关断能量回收方法的原理框图，本发明的关断能量回收方法由单向导通环节、储能环节以及能量反馈环节组成。单向导通环节与储能环节串联，然后并联在开关上；能量反馈环节的输入端与储能环节并联，能量反馈环节的输出端与外部供电端并联。
图1的方法原理框图，即可对应地理解为本发明开关的关断能量回收电路的原理框图，即本发明的关断能量回收电路由单向导通模块、储能模块以及能量反馈模块组成。单向导通模块与储能模块串联，然后并联在开关上；能量反馈模块的输入端与储能模块并联，能量反馈模块的输出端与外部供电端并联。
第一实施例
图2为本发明开关的关断能量回收电路的第一实施例原理图，其中，单向导通模块由二极管D1构成，储能模块由电容C1构成，能量反馈模块为DC-DC变换器，DC-DC变换器由反激电路构成，反激电路包括变压器T1、变压器T1的原边绕组所形成的原边电路及变压器T1的副边绕组所形成的副边电路；反激电路的原边电路还包括开关G1，副边电路还包括二极管D2。
本发明开关的关断能量回收电路的第一实施例的连接关系如下：
二极管D1的阳极引出作为关断能量回收电路的第一输入端，用于与功率开关S1的一端连接；二极管D1的阴极与电容C1的正极连接，电容C1的负极引出作为关断能量回收电路的第二输入端，用于与功率开关S1的另一端连接。电容C1的正极还与变压器T1原边绕组的异名端连接，变压器T1原边绕组的同名端与开关G1的漏极连接，开关G1的源极与电容C1的负极连接。变压器T1副边绕组的同名端与二极管D2的阳极连接，二极管D2的阴极引出作为关断能量回收电路的第一输出端，用于与供电端的正极连接；变压器T1副边绕组的异名端引出作为关断能量回收电路的第二输出端，用于与供电端的负极连接。其中，功率开关S1的一端和另一端，在本实施例中即是功率开关S1的漏极和源极。
优选地，储能环节的电容C1可选用具有压电效应的电容，即随着电压上升，电容容量下降的电容。选用的原因在于，1)能量从储能环节返回到外部供电端是存在损耗的，储能环节的能量越少，损耗越低，而对于相同的电压，电容容量越小，储存的能量就越少，损耗也就越低。2)储能环节的电容容量越大，开关关断过程的电压上升速度越慢，开关关断损耗越小；3)开关的关断过程时间比较短，如果电容容量较大，在开关关断过程结束时，电容电压才上升一点，因此，电容在电压较低时降低了关断损耗，电容电压升高后影响不了关断损耗；4)综合前面三点可知，电容在电压低时容量要大，在电压高时容量要小。如此即可进一步减小开关损耗。
图3为本发明开关的关断能量回收电路应用到不对称半桥反激电路的原理图。一种DC-DC电源，由不对称反激电路构成，包括输入电容Cin、主开关管S1、辅开关管S2、变压器T2、二极管D3、输出电容C3和关断能量回收电路，关断能量回收电路的输入端连接在开关S1的两端，关断能量回收电路的输出端连接在DC-DC电源的供电端。在本实施例中，DC-DC电源的供电端即是本发明的关断能量回收电路的外部供电端，其处于本发明的关断能量回收电路的外部，属于关断能量回收电路的外接端子。其中，图2、3中所标Lm*(包括原理图中的Lm1、Lm2等)都只是等效电感。
本发明第一实施例关断能量回收电路应用到DC-DC电源的工作过程曲线如图4所示，该关断能量回收电路的工作原理如下：
稳定工作时，开关G1和开关S1是同时开通同时关断的，工作过程如下：
A.当开关S1从导通变成关断时，开关S1的电压上升，二极管D1导通，原来在开关S1上的电流转移到二极管D1和电容C1构成的串联支路，电容C1通过二极管D1对关断能量进行储能，使得开关S1电压上升过程中，开关S1的电流减小，降低了开关S1在关断过程的损耗。
B.在开关S1关断时，开关G1也是断开的，反激电路通过变压器T1将电容C1所存储的关断能量由原边传递至副边，即二极管D2导通，励磁电感Lm1通过二极管D2向供电端释放能量，直到励磁电感Lm1电流变为0A，此后二极管D2关断。
C.当开关S1从关断变成导通时，二极管D1截止，以关断电容C1与功率开关管的通路，使得电容C1不影响开关S1的开通过程。
D.开关S1从关断变成导通时，开关G1也从关断变成导通，电容C1通过励磁电感Lm1放电，电容C1电压下降，励磁电感Lm1电流上升，直到电容C1电压变为0V，二极管D1导通，将电容C1电压钳位在0V，励磁电感Lm1电流不变。
E.重复A～D。
本发明电路中的电容C1与二极管D1串联后形成串联支路，串联支路的两端与开关S1的两端并联连接，使得开关S1电压上升过程中，开关S1的电流减小，降低了开关S1在关断过程的损耗。反激电路的原边电路连接于电容C1的两端，即原边电路的两输入端并联在电容C1的两端，反激电路的副边电路与供电端连接，如此，开关S1的关断能量即可通过DC-DC变换器的反激电路反馈回供电端。此种电路结构通用性强，可用于所有开关关断能量大的场合。
现以将本发明开关的能量反馈电路应用于一个60W的不对称半桥反激变换器的功率开关S1中为例，设该变换器的输入电压为36V，输出电压为12V，输出电流为5A，在采用现有技术的降低关断损耗的原变换器电路中，开关S1的损耗为0.79W。添加本发明能量回收电路后的变换器电路中，开关S1的损耗变为0.30W，降为原损耗的37.97％。
第二实施例
第二实施例的原理图与第一实施例相同，只是控制方式不同。开关G1和开关S1的开通同时刻相同，但开关G1的导通时间是固定的，开关G1导通结束后，励磁电感Lm1就通过二极管D2释放能量到供电端。工作原理与第一实施例不同之处在于通断时序方式不同，去掉了二极管D1为励磁电感Lm1电流续流的过程，但最终结果是一样的，在此不赘述。
以上仅是本发明优选的实施方式，本发明所属领域的技术人员还可以对上述具体实施方式进行变更和修改。因此，本发明并不局限于上面揭示和描述的具体控制方式，对本发明的一些修改和变更也应当落入本发明的权利要求的保护范围内。此外，尽管本说明书中使用了一些特定的术语，但这些术语只是为了方便说明，并不对本发明构成任何限制。
Claims (10)
1.一种关断能量回收电路，适用于功率开关管的关断能量回收控制，其特征在于：
包括电容C1、二极管D1和DC-DC变换器，DC-DC变换器由反激电路构成，反激电路包括变压器T1、变压器T1的原边绕组所形成的原边电路及变压器T1的副边绕组所形成的副边电路；其中，
二极管D1的阳极引出作为关断能量回收电路的第一输入端，用于与功率开关管的一端连接；二极管D1的阴极与电容C1的正极连接，电容C1的负极引出作为关断能量回收电路的第二输入端，用于与功率开关管的另一端连接；电容C1的两端还与反激电路的原边电路连接，反激电路的副边电路的输出端引出作为关断能量回收电路的输出端，用于与外部供电端连接。
2.根据权利要求1所述的关断能量回收电路，其特征在于：所述反激电路的原边电路还包括开关G1，副边电路还包括二极管D2；其中，
电容C1的正极与变压器T1原边绕组的异名端连接，变压器T1原边绕组的同名端与开关G1的漏极连接，开关G1的源极与电容C1的负极连接；
变压器T1副边绕组的同名端与二极管D2的阳极连接，二极管D2的阴极引出作为关断能量回收电路的第一输出端，用于与外部供电端的正极连接；变压器T1副边绕组的异名端引出作为关断能量回收电路的第二输出端，用于与外部供电端的负极连接。
3.根据权利要求1所述的关断能量回收电路，其特征在于：所述电容C1，选用具有压电效应的电容，即随着电压上升，电容容量下降的电容。
4.一种关断能量回收电路，适用于功率开关管的关断能量回收控制，其特征在于：
包括储能模块、单向导通模块和能量反馈模块，
单向导通模块与储能模块串联后形成串联支路，串联支路的两端引出作为关断能量回收电路的输入端，用于与功率开关管并联；
能量反馈模块的输入端与储能模块并联，能量反馈模块的输出端引出作为关断能量回收电路的输出端，用于与外部供电端并联。
5.根据权利要求4所述的关断能量回收电路，其特征在于：所述储能模块由电容C1构成；所述单向导通模块，由二极管D1构成；所述能量反馈模块，由DC-DC变换器构成，DC-DC变换器为反激电路，包括变压器T1、变压器T1的原边绕组所形成的原边电路及变压器T1的副边绕组所形成的副边电路；其中，
二极管D1的阳极引出作为关断能量回收电路的第一输入端，用于与功率开关管的一端连接；二极管D1的阴极与电容C1的正极连接，电容C1的负极引出作为关断能量回收电路的第二输入端，用于与功率开关管的另一端连接；电容C1的两端还与反激电路的原边电路连接，反激电路的副边电路的输出端引出作为关断能量回收电路的输出端，用于与外部供电端连接。
6.根据权利要求5所述的关断能量回收电路，其特征在于：所述反激电路的原边电路还包括开关G1，副边电路还包括二极管D2；其中，
电容C1的正极与变压器T1原边绕组的异名端连接，变压器T1原边绕组的同名端与开关G1的漏极连接，开关G1的源极与电容C1的负极连接；
变压器T1副边绕组的同名端与二极管D2的阳极连接，二极管D2的阴极引出作为关断能量回收电路的第一输出端，用于与外部供电端的正极连接；变压器副边绕组的异名端引出作为关断能量回收电路的第二输出端，用于与外部供电端的负极连接。
7.一种关断能量回收方法，适用于功率开关管的关断能量回收控制，包括如下步骤，储能步骤，当功率开关管从导通变成关断时，二极管D1导通，使原来在功率开关管上的关断能量转移到二极管D1和电容C1构成的串联支路，电容C1通过二极管D1对关断能量进行储能；
能量反馈步骤，在功率开关管关断时，反激电路的开关G1也是断开的，关断能量通过反激电路由原边电路传递至副边电路，用以通过副边电路将关断能量回馈至外部供电端；
单向导通步骤，当功率开关管从关断变成导通时，二极管D1关断与电容C1所构成的串联支路，使得电容C1不影响功率开关管的开通过程。
8.根据权利要求7所述的关断能量回收方法，其特征在于：所述开关G1和开关S1是同时开通，但开关G1的导通时间是固定的，在开关G1导通结束后，励磁电感Lm1就通过二极管D2释放能量到外部供电端，而省去了二极管D1为励磁电感Lm1电流续流的过程。
9.一种关断能量回收方法，适用于功率开关管的关断能量回收控制，包括如下步骤，
储能步骤，当功率开关管从导通变成关断时，单向导通模块处于导通状态，使原来在功率开关管上的电流转移到单向导通模块与储能模块串联后形成的串联支路，储能模块通过单向导通模块对关断能量进行储能；
能量反馈步骤，在功率开关管关断时，反激电路传递能量，即反激电路通过变压器T1将关断能量由原边传递至副边，用以通过副边电路将关断能量回馈至外部供电端；
单向导通步骤，当功率开关管从关断变成导通时，单向导通模块处于关断状态，以关断储能模块与功率开关管的通路，使得储能模块不影响功率开关管的开通过程。
10.根据权利要求9所述的关断能量回收方法，其特征在于：所述储能模块由电容C1构成；单向导通模块，由二极管D1构成；能量反馈模块，由反激电路构成，反激电路包括变压器T1、变压器T1的原边绕组所形成的原边电路及变压器T1的副边绕组所形成的副边电路，原边电路包括开关G1，副边电路包括二极管D2；其中，
储能步骤，当功率开关管从导通变成关断时，二极管D1导通，使原来在功率开关管上的电流转移到二极管D1和电容C1构成的串联支路，电容C1通过二极管D1对关断能量进行储能；
能量反馈步骤，在功率开关管关断时，反激电路的开关G1也是断开的，反激电路通过变压器T1将关断能量由原边传递至副边，用以通过副边电路将关断能量回馈至外部供电端；
单向导通步骤，当功率开关管从关断变成导通时，二极管D1关断，以关断电容C1与功率开关管的通路，使得电容C1不影响功率开关管的开通过程。
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Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN110518789A (zh) * | 2019-08-06 | 2019-11-29 | 科华恒盛股份有限公司 | 一种软开关电路及电力电子设备 |
| CN112583267A (zh) * | 2020-12-15 | 2021-03-30 | 山特电子（深圳）有限公司 | 双向dc-dc变换器及包括其的不间断电源 |
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2017
- 2017-11-02 CN CN201711063142.2A patent/CN107742975A/zh not_active Withdrawn
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