CN2453603Y - 一种单端正向直流至直流转换器 - Google Patents
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Abstract
本实用新型公开了一种单端正向直流至直流转换器,该转换器在变压器的初级绕组侧增加一个辅助绕组,用以控制有源箝位开关管的通断,使得当主开关管断开时,有源箝位开关管导通,进而将变压器的磁通复位,并将主开关管的漏源电压箝位在较低水平。本实用新型简单可靠,能使现有的控制电路得以简化,进而减小转换器的体积,以及减小主开关管的电应压力,提高功率密度。
Description
本实用新型涉及一种直流至直流转换器，尤其是一种使变压器磁通有源复位的单端正向直流至直流转换器。
单端正向直流至直流转换器用来将输入的直流电压转换成不同输出的直流电压以提供给负载。这种转换器通常包括一个电连接在输入电压源和负载之间的变压器、功率开关管、有源箝拉开关管、箝位电容、整流电路和滤波电路，通过功率开关管的通、断向变压器的次级提供正向输出功率。
为了让变压器的泄漏电感放电，在功率开关管断开期间需要使变压器磁通复位，在多种变压器磁通复位方法中，有源复位因其效率较高而被广泛采用。为此，在单端正向直流至直流转换器中通常采用有源箝位开关管、箝位电容使变压器磁通有源复位，同时将功率开关管上的电压箝位在一个较低水平，减少开关器件电应压力和消除变压器次级整流电路中的开关管上不应有的空载时间。有源箝位开关管的驱动，一般由专门的控制电路对功率开关管的驱动信号进行反相延时处理后，得到箝位开关管的驱动信号，或者控制电路采用专用集成电路芯片产生两路驱动信号，其中一路包含箝位开关管的驱动信号。在上述控制电路中，需要使用隔离器件，如脉冲变压器、光电耦合器来隔离两路驱动信号。因此，控制电路元件数目多、工作过程复杂、可靠性不高，而且成本高、体积大、功率密度提高比较困难。
针对上述现有技术中的问题，本实用新型的目的是提供一种单端正向直流至直流转换器，它简单可靠，能使现有的控制电路得以简化，同时能使现有变压器磁通可靠复位，以及减小开关器件的电应压力。
为达到上述目的，本实用新型采用的技术方案是：
从上述本实用新型采用的技术方案可以看出，本实用新型的本质是在变压器的初级绕组侧增加一个辅助绕组，用以控制箝位开关管的通断，使得当主开关管断开时，有源箝位开关管导通，进而将变压器的磁通复位，并将主开关管的漏源电压箝位在较低水平。由于仅增加一个辅助绕组，且该绕组仅用于控制箝位开关管，所需匝数很少，而且在控制箝位开关管过程中不需对电路的任何参数进行调试，因此，本实用新型简单可靠，能使现有的控制电路得以简化，进而减小转换器的体积，同时由于当主开关管断开时，有源箝位开关管导通，因此能当主开关管断开时使变压器磁通可靠复位，并减小了主开关管的电应压力，有利于提高转换器的功率密度。
下面结合附图和本实用新型不同的实施方式对本实用新型作进一步说明。
图1是本实用新型第一个实施方式的电路原理图；
图2是本实用新型第二个实施方式的电路原理图；
图3是本实用新型第三个实施方式的电路原理图；
图4是本实用新型第四个实施方式的电路原理图；
图5是本实用新型第五个实施方式的电路原理图；
图6是本实用新型第六个实施方式的电路原理图；
图7是本实用新型第七个实施方式的电路原理图；
图8是本实用新型第八个实施方式的电路原理图；
图9是本实用新型第九个实施方式的电路原理图；
由于本实用新型的所有实施方式的工作原理相类似，现以第一个实施方式为例叙述本实用新型的工作原理。参考图1。变压器各绕组同名端如图1所示。当主开关管6在控制电路8的控制下导通时，加载于变压器1的初级绕组2两端的电压为直流电压，极性为21端为正、22端为负；次级绕组3的电压极性同样为31端为正、32端为负，输入电压源能量经变压器1、整流电路9、滤波电路10传输到输出端，同时变压器初级励磁电流线性增加，参考图9的Ton段。当主开关管关断时，由于变压器励磁电感反电动势的作用，变压器初级绕组上的电压极性反转，变为22端为正、21端为负，变压器辅助绕组4的41为正、42为负，产生的电压正好可以可靠驱动有源箝位开关管7导通并对箝位电容5充电，从而将变压器1中储存的磁能转化成箝位电容5储存的电能，参考图9中的Toff段。这样不仅实现了变压器1的磁通复位，而且将主开关管6关断时的漏源电压箝位在一个较低的水平。
变压器1的初级、次级以及辅助绕组的匝数取决于负载所要的输出电压和箝位开关管所需要的启动电压。例如，通信行业典型的输入电压是48伏，而需要的典型的输出电压是5伏，假如箝位开关管需要的启动电压为10伏左右，则初级、次级以及辅助绕组的匝数比大约为10∶1∶2。
由于箝位电容5的电容量足够大，因此箝位电容5两端的电压与时间的关系可以忽略不计。在稳态条件下，初级绕组上的电压秒乘积在初级开关导通和断开期间相等，因此可表示为：
(Vin)·(Ton)=(Vc)·(Toff)
或Vc=(Vin)·(D/1-D)
其中D是占空比，Ton、Toff分别是主开关管导通和断开的时间，Vc为箝位电容5上的电压。
本实用新型的所有技术实施方案采用的电器元件相同，电器元件的作用关系也相同，所有实施方案所述的单端正向直流至直流转换器均包括一个电连接在输入电压源和输出电压源之间的变压器1，在变压器1的初级绕组端连接有源箝位开关管7、箝位电容5、主开关管6，控制电路8与主开关管6栅极相连，以控制主开关管6以一定的频率通断，当主开关管导通时，通过连接在变压器1的次级绕组3的整流电路9和滤波电路10向负载端传输能量。不同实施方案的区别在于变压器1初级端的有源箝位开关管7、箝位电容5、主开关管6、变压器辅助绕组4和输入电压源的连接关系不同，因此下面以不同实施方案的变压器初级端的连接关系阐述本实用新型的不同的实施方式。
下面是本实用新型的第一个实施方式，参考图1。在该实施方式中，变压器辅助绕组4的42端与主开关管6的漏极、有源箝位开关管7的源极、变压器初级绕组的22端相连接，41端连接有源箝位开关管7的栅极，主开关管6的源极与输入电压源负极连接，箝位电容5的一端与有源箝位开关管7的漏极连接、另一端与变压器初级绕组的21端、输入电压源的正极相连接，变压器初级绕组的21端、次级绕组的31端和辅助绕组的42端为同名端。在该实施方式中，有源箝位开关管7和主开关管6均为N沟道MOS管。
下面是本实用新型的第二个实施方式，参考图2。在该实施方式中，变压器辅助绕组4的42端与箝位电容5的一端及有源箝位开关管7的源极相连，41端连接有源箝位开关管7的栅极，箝位电容5的另一端与主开关管6的漏极、变压器初级绕组的22端相连接，主开关管6的源极与输入电压源负极连接，有源箝位开关管7的漏极与变压器初级绕组的21端及输入电压源的正极相连接，变压器初级绕组的21端、次级绕组的31端和辅助绕组的42端为同名端。在该实施方式中，有源箝位开关管7和主开关管6均为N沟道MOS管。
下面是本实用新型的第三个实施方式，参考图3。在该实施方式中，变压器辅助绕组4的41端与有源箝位开关管7的源极及箝位电容5的一端相连接，42端连接有源箝位开关管7的栅极，主开关管6的源极与输入电压负极连接，箝位电容5的一端与有源箝位开关管7的漏极连接、另一端与变压器初级绕组的21端、输入电压源的正极相连接，变压器初级绕组的21端、次极绕组的31端和辅助绕组的42端为同名端。在该实施方式中，有源箝位开关管7和主开关管6均为N沟道MOS管。
下面是本实用新型的第二个实施方式，参考图2。在该实施方式中，变压器辅助绕组4的42端与箝位电容5的一端及有源箝位开关管7的源极相连，41端连接有源箝位开关管7的栅极，箝位电容5的另一端与主开关管6的漏极、变压器初级绕组的22端相连接，主开关管6的源极与输入电压源负极连接，有源箝位开磁管7的漏极与变压器初级绕组的21端及输入电压源的正极相连接，变压器初级绕组的21端、次级绕组的31端和辅助绕组的41端为同名端。在该实施方式中，有源箝位开关管7和主开关管6均为N沟道MOS管。
下面是本实用新型第三个实施方式，参考图3。在该实施方式中，变压器辅助绕组(4)的(41)端与有源箝位开关管(7)的源极及箝位电容(5)的一端相连接，(42)端连接有源箝位开关管(7)的栅极，主开关管(6)的漏极与有源箝位开关管(7)的漏极及变压器初级绕组的(22)端相连接，主开关管(6)的源极与输入电压源负极连接，电容(5)的另一端与变压器初级绕组的(21)端及输入电压源的正极相连接，变压器初级绕组的(21)端、次级绕组的(31)端和辅助绕组的(42)端为同名端。在该实施方式中，有源箝位开关管7为P沟道MOS管，主开关管6为N沟道MOS管。
下面是本实用新型的第四个实施方式，参考图4。在该实施方式中，变压器辅助绕组的4的42端与有源箝位开关管7的源极、变压器初级绕组的21端及输入电压源正极相连接，41端连接有源箝位开关管7的栅极，箝位电容5的一端与有源箝位开关管7的漏极连接、另一端与主开关管6的漏极、变压器初级绕组的22端相连接，主开关管6的源极与输入电压源负极连接，变压器初级绕组的21端、次级绕组的31端和辅助绕组的41端为同名端。在该实施方式中，有源箝位开关管7为P沟道MOS管，主开关管6为N沟道MOS管。
下面是本实用新型的第五个实施方式，参考图5。在该实施方式中，变压器辅助绕组42端与主开关管6的漏极、有源箝位开关管7的源极、变压器初级绕组的22端相连接，41端连接有源箝位开关管7的栅极，主开关管6的源极与输入电压源负极连接，箝位电容5的一端与有源箝位开关管7的漏极连接、另一端与主开关管的源极、输入电压源的负极相连接，变压器初级绕组21端与输入电压源正极相连接，变压器初级绕组的(21)端、次级绕组的31端和辅助绕组的42端为同名端。在该实施方式中，有源箝位开关管7和主开关管6均为N沟道MOS管。
下面是本实用新型第六个实施方式，参考图6。在该实施方式中，变压器辅助绕组(4)在变压器(1)的初级绕组端与有源箝位开关管(7)和箝位电容(5)组成的串联电路连接，共同构成有源箝位电路是按照下述方案进行的：辅助绕组(4)的(42)端与箝位电容(5)的一端及源箝位开关管(7)的源极相连，(41)端连接有源箝位开关管(7)的栅极，箝位电容(5)的另一端与主开关管(6)的漏极、变压器初级绕组的(22)端相连接，主开关管(6)的源极与输入电压源负极及有源箝位开关管(7)的漏极相连接，变压器初级绕组的(21)端与输入电压源正极相连接，变压器初级绕组的(21)端、次级绕组的(31)端和辅助绕组的(42)端为同名端。在该实施方式中，有源箝位开关管7和主开关管6均为N沟道MOS管。
下面是本实用新型第七个实施方式，参考图7。在该实施方式中，变压器辅助绕组4的41端与有源箝位开关管7的源极及箝位电容5的一端相连接，42端连接有源箝位开关管7的栅极，主开关管6的漏极与有源箝位开关管7的漏极及变压器初级绕组22端相连接，箝位电容5的另一端与主开关管6的源极及输入电压源负极相连接，变压器初级绕组的21端与输入电压源正极相连接，变压器初级绕组的21端、次级绕组的31端和辅助绕组的42端为同名端。在该实施方式中，有源箝位开关管7为P沟道MOS管，主开关管6为N沟道MOS管。
下面是本实用新型的第八个实施方式，参考图8。在该实施方式中，变压器辅助绕组4的42端与有源箝位开关管7的源极、主开关管6的源极及输入电压源负极相连接，41端连接有源箝位开关管7的栅极，箝位电容5的一端与有源箝位开关管7的漏极连接、另一端与主开关管6的漏极、变压器初级绕组的22端相连接，变压器初级绕组的21端与输入电压源正极相连接，变压器初级绕组的21端、次级绕组的31端和辅助绕组的41端为同名端。在该实施方式中，有源箝位开关管7为P沟道MOS管，主开关管6为N沟道MOS管。
上面说明的是在变压器的初级绕组侧增加一个辅助绕组，用以控制箝位开关管进而使变压器的磁通复位，并能将主开关管的漏源电压降低在较低水平的单端正向直流至直流转换器，由于本实用新型的最佳实施方式已被阐明，由本领域普通技术人员作出的任何通过在变压器的初级绕组侧增加一个辅助绕组，用以控制箝位开关管进而使变压器的磁通复位的电路改型都不会脱离本实用新型的范围。
Claims (9)
1、一种单端正向直流至直流转换器，包括一个电连接在输入电压源和输出电压源之间的变压器(1)，在变压器(1)的初级绕组端连接有源箝位开关管(7)、箝位电容(5)、主开关管(6)，控制电路(8)与主开关管(6)栅极相连，以控制主开关管(6)以一定的频率通断，当主开关管导通时，通过连接在变压器(1)的次级绕组(3)的整流电路(9)和滤波电路(10)向负载端传输能量，其特征在于：所述转换器还包括一个变压器辅助绕组(4)，该辅助绕组(4)在变压器(1)的初级绕组端与有源箝位开关管(7)和箝位电容(5)组成的串联电路连接，共同构成有源箝位电路，用以控制有源箝位开关管(7)，使得当主开关管(6)导通时，有源箝位开关管(7)断开，当主开关管(6)断开时，有源箝位开关管(7)导通，进而将变压器(1)的磁通复位，并将主开关管(6)的漏源电压箝位在较低水平。
2、根据权利要求1所述的单端正向直流至直流转换器，其特征在于：所述辅助绕组(4)在变压器(1)的初级绕组端与有源箝位开关管(7)和箝位电容(5)组成的串联电路连接，共同构成有源箝位电路是按照下述方案进行的：辅助绕组(4)的(42)端与主开关管(6)的漏极、有源箝位开关管(7)的源极、变压器初级绕组的(22)端相连接，(41)端连接有源箝位开关管(7)的栅极，主开关管(6)的源极与输入电压源负极连接，箝位电容(5)的一端与有源箝位开关管(7)的漏极连接、另一端与变压器初级绕组的(21)端、输入电压源的正极相连接，变压器初级绕组的(21)端、次极绕组的(31)端和辅助绕组的(42)端为同名端。
3、根据权利要求1所述的单端正向直流至直流转换器，其特征在于：所述辅助绕组(4)在变压器(1)的初级绕组端与有源箝位开关管(7)和箝位电容(5)组成的串联电路连接，共同构成有源箝位电路是按照下述方案进行的：辅助绕组(4)的(42)端与箝位电容(5)的一端及有源箝位开关管(7)的源极相连，(41)端连接有源箝位开关管(7)的栅极，箝位电容(5)的另一端与主开关管(6)的漏极、变压器初级绕组的(22)端相连接，主开关管(6)的源极与输入电压源负极连接，有源箝位开关管(7)的漏极与变压器初级绕组的(21)端及输入电压源的正极相连接，变压器初级绕组的(21)端、次级绕组的(31)端和辅助绕组的(42)端为同名端。
4、根据权利要求1所述的单端正向直流至直流转换器，其特征在于：所述辅助绕组(4)在变压器(1)的初级绕组端与有源箝位开关管(7)和箝位电容(5)组成的串联电路连接，共同构成有源箝位电路是按照下述方案进行的：辅助绕组(4)的(41)端与有源箝位开关管(7)的源极及箝位电容(5)的一端相连接，(42)端连接有源箝位开关管(7)的栅极，主开关管(6)的漏极与有源箝位开关管(7)的漏极及变压器初级绕组的(22)端相连接，主开关管(6)的源极与输入电压源负极连接，箝位电容(5)的另一端与变压器初级绕组的(21)端及输入电压源的正极相连接，变压器初级绕组的(21)端、次级绕组的(31)端和辅助绕组的(42)端为同名端。
5、根据权利要求1所述的单端正向直流至直流转换器，其特征在于：所述辅助绕组(4)在变压器(1)的初级绕组端与有源箝位开关管(7)和箝位电容(5)组成的串联电路连接，共同构成有源箝位电路是按照下述方案进行的：辅助绕组(4)的(42)端与有源箝位开关管(7)的源极、变压器初级绕组的(21)端及输入电压源正极相连接，(41)端连接有源箝位开关管(7)的栅极，箝位电容(5)的一端与有源箝位开关管(7)的漏极连接、另一端与主开关管(6)的漏极、变压器初级绕组的(22)端相连接，主开关管(6)的源极与输入电压源负极连接，变压器初级绕组的(21)端、次级绕组的(31)端和辅助绕组的(41)端为同名端。
6、根据权利要求1所述的单端正向直流至直流转换器，其特征在于：所述辅助绕组(4)在变压器(1)的初级绕组端与有源箝位开关管(7)和箝位电容(5)组成的串联电路连接，共同构成有源箝位电路是按照下述方案进行的：辅助绕组(4)的(42)端与主开关管(6)的漏极、有源箝位开关管(7)的源极、变压器初级绕组的(22)端相连接，(41)端连接有源箝位开关管(7)的栅极，主开关管(6)的源极与输入电压源负极连接，箝位电容(5)的一端与有源箝位开关管(7)的漏极连接、另一端与主开关管的源极、输入电压源的负极相连接，变压器初级绕组(21)端与输入电压源正极相连接，变压器初级绕组的(21)端、次级绕组的(31)端和辅助绕组的(42)端为同名端。
7、根据权利要求1所述的单端正向直流至直流转换器，其特征在于：所述辅助绕组(4)在变压器(1)的初级绕组端与有源箝位开关管(7)和箝位电容(5)组成的串联电路连接，共同构成有源箝位电路是按照下述方案进行的：辅助绕组(4)的(42)端与箝位电容(5)的一端及有源箝位开关管(7)的源极相连，(41)端连接有源箝位开关管(7)的栅极，箝位电容(5)的另一端与主开关管(6)的漏极、变压器初级绕组的(22)端相连接，主开关管(6)的源极与输入电压源负极及有源箝位开关管(7)的漏极相连接，变压器初级绕组的(21)端与输入电压源正极相连接，变压器初级绕组的(21)端、次级绕组的(31)端和辅助绕组的(42)端为同名端。
8、根据权利要求1所述的单端正向直流至直流转换器，其特征在于：所述辅助绕组(4)在变压器(1)的初级绕组端与有源箝位开关管(7)和箝位电容(5)组成的串联电路连接，共同构成有源箝位电路是按照下述方案进行的：辅助绕组(4)的(41)端与有源箝位开关管(7)的源极及箝位电容(5)的一端相连接，(42)端连接有源箝位开关管(7)的栅极，主开关管(6)的漏极与有源箝位开关管(7)的漏极及变压器初级绕组的(22)端相连接，箝位电容(5)的另一端与主开关管(6)的源极入输入电压源负极相连接，变压器初级绕组的(21)端与输入电压源正极相连接，变压器初级绕组的(21)端、次级绕组的(31)端和辅助绕组的(42)端为同名端。
9、根据权利要求1所述的单端正向直流至直流转换器，其特征在于：所述辅助绕组(4)在变压器(1)的初级绕组端与有源箝位开关管(7)和箝位电容(5)组成的串联电路连接，共同构成有源箝位电路是按照下述方案进行的：辅助绕组(4)的(42)端与有源箝位开关管(7)的源极、主开关管(6)的源极及输入电压源负极相连接，(41)端连接有源箝位开关管(7)的栅极，箝位电容(5)的一端与有源箝位开关管(7)的漏极连接、另一端与主开关管(6)的漏极、变压器初级绕组的(22)端相连接，变压器初级绕组的(21)端与输入电压源正极相连接，变压器初级绕组的(21)端、次级绕组的(31)端和辅助绕组的(41)端为同名端。
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