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CN110212770A - 软开关反激变换器 - Google Patents

软开关反激变换器 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种软开关反激变换器，包括用于连接直流电源的正输入端子和负输入端子、变压器和主开关管，变压器的原边和主开关管依次串联连接在正输入端子和负输入端子之间；软开关反激变换器还包括辅助谐振电路，辅助谐振电路包括谐振电感、谐振电容和辅助开关管，且谐振电感、谐振电容和辅助开关管依次串联连接后与主开关管并联连接；软开关反激变换器还包括控制单元，控制单元连接到主开关管和辅助开关管的控制端，并通过向主开关管和辅助开关管发送驱动信号控制主开关管零电压导通。本发明通过辅助谐振电路的特性，实现了主开关管软开关特性的同时，避免了传统谐振反激电路循环能量大、轻载效率低等问题。

Description

软开关反激变换器
技术领域
本发明实施例涉及开关电路领域，更具体地说，涉及一种软开关反激变换器。
背景技术
如图1所示，为传统的反激变换器的示意图，反激变换器的原边由一个开关管Q和变压器T1的原边绕组组成，反激变换器的副边由一个二极管D、电容C和变压器T1的副边绕组组成，通过控制开关管Q的通断来实现能量的传递。由于该反激变换器具有电路拓扑简单、成本低、体积小等特点，应用非常广泛。
反激变换器主要类型有：准谐振反激变换器、有源钳位反激变换器和非对称半桥反激变换器；其中：
准谐振反激变换器实现了开关管漏极与源极电压的谷底开通，可以降低开关损耗。但准谐振反激变换器的开关频率随负载的减小而增加，严重影响了轻载效率，且开关频率受输入电压影响较大。
有源钳位反激变换器，可以实现反激变换器的软开关特性。但有源钳位反激变换器的开关管电压应力大，此外，由于其互补控制方式，循环能量大、轻载效率低。
非对称半桥反激变换器同样可以实现主开关管和辅助开关管的零电压开通。但非对称半桥反激变换器的谐振损耗高，开关管电流应力大，轻载效率低。
发明内容
本发明实施例提供一种软开关反激变换器，旨在解决在现有反激变换器中，如何避免循环能量大、轻载效率低的问题。
本发明实施例解决上述技术问题的技术方案是，提供一种软开关反激变换器，包括用于连接直流电源的正输入端子和负输入端子、变压器和主开关管，所述变压器的原边和主开关管依次串联连接在所述正输入端子和负输入端子之间；所述软开关反激变换器还包括辅助谐振电路，所述辅助谐振电路包括谐振电感、谐振电容和辅助开关管，且所述谐振电感、谐振电容和辅助开关管依次串联连接后与所述主开关管并联连接；所述软开关反激变换器还包括控制单元，所述控制单元连接到所述主开关管和辅助开关管的控制端，并通过向所述主开关管和辅助开关管发送驱动信号控制所述主开关管零电压导通。
进一步地，所述主开关管包括体二极管，所述主开关管的体二极管在所述辅助开关管导通达到预设时长后导通，且所述控制单元在所述主开关管的体二极管导通后向所述主开关管输出导通电平。
进一步地，所述主开关管为NMOS或IGBT，所述辅助开关管为三极管。
特别地，所述软开关反激变换器还包括第一二极管，所述第一二极管的阳极与所述正输入端子连接，所述第一二极管的阴极与所述变压器的原边的同名端连接。
进一步地，所述软开关反激变换器还包括第一吸收回路，所述第一吸收回路的一端连接到所述第一二极管和所述变压器的原边的同名端的连接点，所述第一吸收回路的另一端连接到所述变压器的原边的异名端和所述主开关管的连接点。
进一步地，所述第一吸收回路包括第二二极管、第一电阻和第一电容；所述第二二极管的阳极连接到所述变压器的原边的异名端和所述主开关管的连接点，所述第二二极管的阴极分别经由并联连接的所述第一电阻和第一电容连接到所述第一二极管和所述变压器的原边的同名端的连接点。
特别地，所述软开关反激变换器还包括第二电容和第三电容；所述第二电容和第三电容依次串联连接在所述正输入端子和负输入端子之间，且所述第二电容和第三电容的连接点连接到所述辅助开关管的发射极。
进一步地，所述软开关反激变换器还包括第二吸收回路，所述第二吸收回路的一端连接到所述第一二极管和所述变压器的原边的同名端的连接点，所述第二吸收回路的另一端连接到所述变压器的原边的异名端和所述主开关管的连接点。
进一步地，所述第二吸收回路包括第三二极管、第二电阻和第四电容；所述第三二极管的阳极连接到所述变压器的原边的异名端和所述主开关管的连接点，所述第三二极管的阴极分别经由并联连接的所述第二电阻和第四电容连接到所述第一二极管和所述变压器的原边的同名端的连接点。
特别地，所述控制单元向所述主开关管和辅助开关管发送的驱动信号为脉冲宽度调制信号。
本发明实施例的软开关反激变换器具有以下技术效果：通过辅助谐振电路的特性，实现了主开关管软开关特性的同时，避免了传统谐振反激电路循环能量大、轻载效率低等问题。
附图说明
图1是传统的反激式开关电源电路的示意图；
图2是本发明提供的软开关反激变换器的第一实施例的示意图；
图3是本发明实施例提供的软开关反激变换器的电路工作波形图；
图4是未加第一二极管D1的软开关反激变换器的电路工作波形图；
图5是本发明提供的软开关反激变换器的第二实施例的示意图；
图6是本发明提供的软开关反激变换器的第三实施例的示意图；
图7是本发明提供的软开关反激变换器的第四实施例的示意图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
如图2所示，是本发明提供的软开关反激变换器的第一实施例的示意图，该软开关反激变换器包括用于连接直流电源Vin的正输入端子和负输入端子、变压器T和主开关管S1，变压器T的原边(包括变压器的漏感Ll和励磁电感Lm)和主开关管S1依次串联连接在正输入端子和负输入端子之间。变压器T的副边则具有一个二极管D0、电容C0，并向负载R输出电压Vo，上述二极管D0、电容C0用于提高输出电压Vo的质量。
特别地，本发明实施例提供的软开关反激变换器还包括辅助谐振电路1，该辅助谐振电路1包括谐振电感Lr、谐振电容Cr和辅助开关管Sa，且谐振电感Lr、谐振电容Cr和辅助开关管Sa依次串联连接后与主开关管S1并联连接；上述软开关反激变换器还包括控制单元，该控制单元连接到主开关管S1和辅助开关管Sa的控制端，并通过向主开关管S1和辅助开关管Sa发送驱动信号(具体可采用脉冲宽度调制信号)控制主开关管S1零电压导通。
本发明提供的软开关反激变换器通过辅助谐振电路的特性，实现了主开关管软开关特性的同时，避免了传统谐振反激电路循环能量大、轻载效率低等问题。
优选地，上述主开关管S1可为NMOS(N-Metal-Oxide-Semiconductor，N型金属-氧化物-半导体)或IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor，绝缘栅双极型晶体管)，辅助开关管Sa可选取低成本的三极管。
具体地，当主开关管S1为NMOS时，主开关管S1的漏极连接到变压器T的原边的异名端，主开关管S1的源极连接到负输入端子，主开关管S1的栅极为主开关管S1的控制端，并连接到上述控制单元。
当主开关管S1为IGBT时，主开关管S1的集电极连接到变压器T的原边的异名端，主开关管S1的发射极连接到负输入端子，主开关管S1的栅极为主开关管S1的控制端，并连接到上述控制单元。
当辅助开关管Sa为三极管时，辅助开关管Sa的集电极连接到谐振电容Cr，辅助开关管Sa的发射极连接到负输入端子，辅助开关管Sa的栅极为辅助开关管Sa的控制端，并连接到上述控制单元。
如图3所示，是本发明实施例提供的软开关反激变换器的电路工作波形图，上述主开关管S1包括体二极管Da，控制单元先控制辅助开关管Sa导通，辅助开关管Sa导通后，辅助谐振电路1中谐振电感Lr与谐振电容Cr产生谐振，主开关管S1的体二极管Da在辅助开关管Sa导通达到预设时长(图3中t0～t1时段)后导通。其中，预设时长与辅助谐振电路1中谐振电感Lr与谐振电容Cr的参数相关，谐振电感Lr与谐振电容Cr的参数可根据实际需求选型；且控制单元在主开关管S1的体二极管Da导通后向主开关管S1输出导通电平，使主开关管S1实现零电压导通。主开关管S1和辅助开关管Sa的导通时长(占空比)根据实际情况如输出功率确定。
特别地，本发明实施例提供的软开关反激变换器还包括第一二极管D1，该第一二极管D1的阳极与正输入端子连接，第一二极管D1的阴极与变压器T的原边的同名端连接。如图4所示，是未加第一二极管D1的软开关反激变换器的电路工作波形图，对比图3中的主开关管S1电流iS1，可以明显看出，加过第一二极管D1比未加第一二极管D1的主开关管S1开通前的谐振电流更大、更稳定。
如图5所示，是本发明提供的软开关反激变换器的第二实施例的示意图，该软开关反激变换器还可包括第一吸收回路2，该第一吸收回路2的一端连接到第一二极管D1和变压器T的原边的同名端的连接点，第一吸收回路2的另一端连接到变压器T的原边的异名端和主开关管S1的连接点。本发明实施例提供的第一吸收回路2，减小主开关管S1应力的同时，不会影响电路的软开关特性。
进一步地，上述第一吸收回路2可包括第二二极管D2、第一电阻R1和第一电容C1。其中，第二二极管D2的阳极连接到变压器T的原边的异名端和主开关管S1的连接点，第二二极管D2的阴极分别经由并联连接的第一电阻R1和第一电容C1连接到第一二极管D1和变压器T的原边的同名端的连接点。
如图6所示，是本发明提供的软开关反激变换器的第三实施例的示意图，该软开关反激变换器还可包括第二电容Cin1和第三电容Cin2；该第二电容Cin1和第三电容Cin2依次串联连接在正输入端子和负输入端子之间，且第二电容Cin1和第三电容Cin2的连接点连接到上述辅助开关管Sa的发射极。
本发明实施例提供的软开关反激变换器在直流电源Vin的输入端跨接电解电容即第二电容Cin1和第三电容Cin2，能吸收本电路中电感性负载的无功电流，减少无功消耗；减小电路的交流信号通过电源的耦合机会。
在第三实施例的基础上，依然适用于吸收电路的添加，用以减小主开关管S1的应力。如图7所示，是本发明提供的软开关反激变换器的第四实施例的示意图，上述软开关反激变换器还可包括第二吸收回路3，该第二吸收回路3的一端连接到第一二极管D1和变压器T的原边的同名端的连接点，第二吸收回路3的另一端连接到变压器T的原边的异名端和主开关管S1的连接点。
具体地，上述第二吸收回路3可包括第三二极管D3、第二电阻R2和第四电容C4；其中，第三二极管D3的阳极连接到变压器T的原边的异名端和主开关管S1的连接点，第三二极管D3的阴极分别经由并联连接的第二电阻R2和第四电容C4连接到第一二极管D1和变压器T的原边的同名端的连接点。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。

Claims (10)

1.一种软开关反激变换器，包括用于连接直流电源的正输入端子和负输入端子、变压器和主开关管，所述变压器的原边和主开关管依次串联连接在所述正输入端子和负输入端子之间；其特征在于，所述软开关反激变换器还包括辅助谐振电路，所述辅助谐振电路包括谐振电感、谐振电容和辅助开关管，且所述谐振电感、谐振电容和辅助开关管依次串联连接后与所述主开关管并联连接；所述软开关反激变换器还包括控制单元，所述控制单元连接到所述主开关管和辅助开关管的控制端，并通过向所述主开关管和辅助开关管发送驱动信号控制所述主开关管零电压导通。
2.根据权利要求1所述的软开关反激变换器，其特征在于，所述主开关管包括体二极管，所述主开关管的体二极管在所述辅助开关管导通达到预设时长后导通，且所述控制单元在所述主开关管的体二极管导通后向所述主开关管输出导通电平。
3.根据权利要求2所述的软开关反激变换器，其特征在于，所述主开关管为NMOS或IGBT，所述辅助开关管为三极管。
4.根据权利要求3所述的软开关反激变换器，其特征在于，所述软开关反激变换器还包括第一二极管，所述第一二极管的阳极与所述正输入端子连接，所述第一二极管的阴极与所述变压器的原边的同名端连接。
5.根据权利要求4所述的软开关反激变换器，其特征在于，所述软开关反激变换器还包括第一吸收回路，所述第一吸收回路的一端连接到所述第一二极管和所述变压器的原边的同名端的连接点，所述第一吸收回路的另一端连接到所述变压器的原边的异名端和所述主开关管的连接点。
6.根据权利要求5所述的软开关反激变换器，其特征在于，所述第一吸收回路包括第二二极管、第一电阻和第一电容；所述第二二极管的阳极连接到所述变压器的原边的异名端和所述主开关管的连接点，所述第二二极管的阴极分别经由并联连接的所述第一电阻和第一电容连接到所述第一二极管和所述变压器的原边的同名端的连接点。
7.根据权利要求4所述的软开关反激变换器，其特征在于，所述软开关反激变换器还包括第二电容和第三电容；所述第二电容和第三电容依次串联连接在所述正输入端子和负输入端子之间，且所述第二电容和第三电容的连接点连接到所述辅助开关管的发射极。
8.根据权利要求7所述的软开关反激变换器，其特征在于，所述软开关反激变换器还包括第二吸收回路，所述第二吸收回路的一端连接到所述第一二极管和所述变压器的原边的同名端的连接点，所述第二吸收回路的另一端连接到所述变压器的原边的异名端和所述主开关管的连接点。
9.根据权利要求8所述的软开关反激变换器，其特征在于，所述第二吸收回路包括第三二极管、第二电阻和第四电容；所述第三二极管的阳极连接到所述变压器的原边的异名端和所述主开关管的连接点，所述第三二极管的阴极分别经由并联连接的所述第二电阻和第四电容连接到所述第一二极管和所述变压器的原边的同名端的连接点。
10.根据权利要求1所述的软开关反激变换器，其特征在于，所述控制单元向所述主开关管和辅助开关管发送的驱动信号为脉冲宽度调制信号。
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