CN101404454A - 集成磁元件的有源钳位正反激变换器 - Google Patents
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Abstract
一种集成磁元件的有源钳位正反激变换器，包括原边电路(1)、包括滤波电路和整流电路的副边整流及电容滤波电路(3)和连接该两者的集成磁电路(2)，集成磁电路(2)由至少三个磁柱的铁芯组成，其中一根磁柱上分别缠绕有原边绕组(Np)和副边绕组，形成变压器磁路；另一磁柱上缠绕电感绕组(NL)，形成电感磁路；还具有至少一个磁柱形成变压器磁路与电感磁路的公共磁路；变压器磁路磁柱和电感磁路的磁柱上分别设有气隙；原边绕组(Np)连接变换器原边电路(1)，副边绕组连接副边整流及电容滤波电路(3)的整流电路，电感绕组(NL)连接副边整流及电容滤波电路(3)的滤波电路，整流电路和滤波电路连接输出端。本发明体积小，重量轻。
Description
技术领域
本发明涉及一种变换器，确切的说涉及一种集成磁元件的有源钳位正反激变换器。
背景技术
电力电子技术的飞速发展，对变换器的功率密度、效率、输出纹波以及动态性能不断提出更高的要求，尤其是微处理器的飞速发展对为其供电的模块电源更是提出了极大的挑战。人们在应用多种技术手段来提高模块电源性能的同时，越来越发现磁性元件(简称磁件，包括电感、变压器)是限制变换器体积、重量、效率的一个重要因素。据美国电源制造者协会(PSMA)统计，磁件体积在DC-DC模块中占到总体积的20％以上、重量占总重的30％以上、损耗也占有相当比例；另外，磁件还是影响电源输出动态性能和输出纹波的一个重要因素。
图1所示是传统的有源钳位正反激变换器副边为全桥整流的典型电路，变换器具有变压器T1和滤波电感L1；变换器工作时变压器铁心存在直流偏磁，直流偏磁随负载电流的增大而增大；直流偏磁的励磁电流在变压器原边绕组Np中流通，方向从a点流入、从b点流出；滤波电感L1中的负载电流方向为从e流入、从f流出。显然，传统的有源钳位正反激(FFAC)变换器中具有变压器及电感两个磁性元件，根据上述可知存在所占体积、重量都较大的问题。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种减小体积、减轻重量的将磁元件集成在一起的有源钳位正反激变换器。
为了解决上述问题，本发明采取以下技术方案：
一种集成磁元件的有源钳位正反激变换器，包括有源钳位正反激变换器原边电路(1)、副边整流及电容滤波电路(3)，所述副边整流及电容滤波电路(3)包括滤波电路和整流电路，上述原边电路(1)和副边整流及电容滤波电路(3)通过集成磁电路(2)连接，所述变换器的集成磁电路(2)由至少三个磁柱的铁芯组成，磁柱上分别缠绕线圈形成原边绕组(Np)、副边绕组和电感绕组(NL)，其中原边绕组(Np)与副边绕组绕在同一磁柱上，形成变压器磁路；电感绕组(NL)绕在另一磁柱，形成电感磁路；还具有至少一个磁柱形成变压器磁路与电感磁路的公共磁路；上述变压器磁路的磁柱和电感磁路的磁柱上分别设有气隙；原边绕组(Np)连接所述变换器原边电路(1)，副边绕组连接上述副边整流及电容滤波电路(3)的整流电路，电感绕组(NL)连接所述副边整流及电容滤波电路(3)的滤波电路，所述整流电路和滤波电路连接输出端。
上述集成磁电路(2)可以由开口相对的两个E型铁芯组成，原边绕组(Np)和副边绕组缠绕在一侧的铁芯上，形成变压器磁路；电感绕组(NL)缠绕在另一侧铁芯上，形成电感磁路；铁芯的中心柱连接为公共磁路，外侧的两个磁柱上设有气隙。
所述副边整流及电容滤波电路(3)可采用全波整流或全桥整流电路。
变换器的副边整流及电容滤波电路(3)可由整流二极管(D1、D2、D3、D4)和滤波电容(C2)组成，所述四个整流二极管(D1、D2、D3、D4)组成全桥整流电路；副边绕组(Ns)的一端与第一整流二极管(D1)的阳极、第三整流二极管(D3)的阴极相连，另一端与第二整流二极管(D2)的阳极、第四整流二极管(D4)的阴极相连；电感绕组(NL)与滤波电容(C2)串联后，与第一、二整流二极管(D1、D2)的阴极和第三、四整流二极管(D3、D4)的阳极相连。
所述副边绕组可为具有中心抽头的三端绕组结构，为绕组(Ns1、Ns2)。
变换器的副边整流及电容滤波电路(3)可由整流二极管(D1、D2)和滤波电容(C2)组成，上述两个整流二极管(D1、D2)组成全波整流电路；副边绕组(Ns1、Ns2)的首端与第一整流二极管(D1)的阴极相连，尾端与与第二整流二极管(D2)的阴极相连；第一、二整流二极管(D1、D2)的阳极相连连接电路的输出负极；电感绕组(NL)与滤波电容(C2)串联后，与副边绕组(Ns1、Ns2)的中心抽头和整流二极管(D1、D2)的公共阳极相连；或上述副边绕组(Ns1、Ns2)的首端与第一整流二极管(D1)的阳极相连，尾端与与第二整流二极管(D2)的阳极相连；电感绕组(NL)与滤波电容(C2)串联后，与整流二极管(D1、D2)的公共阴极和副边绕组(Ns1、Ns2)的中间抽头相连，同时副边绕组(Ns1、Ns2)的中间抽头连接电路的输出负极。
变换器的副边整流及电容滤波电路(3)可由四个整流MOS管和滤波电容组成，所述四个整流MOS管组成全桥整流电路；副边绕组的一端与第一整流MOS管的源极、第三整流MOS管的漏极相连，另一端与第二整流MOS管的源极、第四整流MOS管的漏极相连；电感绕组与滤波电容串联后，与第一、二整流MOS管的漏极和第三、四整流MOS管的源极相连。
变换器的副边整流及电容滤波电路(3)可由整流MOS管(QS1、QS2)和滤波电容(C2)组成，上述两个整流MOS管(QS1、QS2)组成全波整流电路；副边绕组(Ns1、Ns2)的首端与第一整流MOS管(QS1)的漏极相连，尾端与与第二整流MOS管(QS2)的漏极相连；第一、二整流MOS管(QS1、QS2)的源极相连连接电路的输出负极；电感绕组(NL)与滤波电容(C2)串联后，与副边绕组(Ns1、Ns2)的中心抽头和整流MOS管(QS1、QS2)的公共源极相连；或上述副边绕组的首端与第一整流MOS管的源极相连，尾端与与第二整流MOS管的源极相连；电感绕组与滤波电容串联后，与上述两个整流MOS管的公共漏极和副边绕组的中间抽头相连，同时副边绕组的中间抽头连接电路的输出负极。
在所述副边绕组和副边整流及电容滤波电路(3)的整流电路之间还可串联有谐振电感(Lr)。
本发明的有益效果为：本发明的原边绕组产生的直流偏磁与电感绕组产生的直流偏磁在集成磁元件的公共磁路部分方向相反，趋向相互抵消；因此公共磁路中的磁通密度大大降低，原边绕组产生的直流偏磁与电感绕组产生的直流偏磁都随负载电流的增大而增大，因此公共磁路中的磁通密度可以在不同的负载条件下都保持较低，从而使该部分磁路可以用截面较小的磁柱实现，有效减小了磁元件铁心的总体积和总重量。
附图说明
图1是传统有源钳位正反激变换器副边为全桥整流电路的原理图；
图2是本发明的第一种集成磁元件的结构示意图；
图3是本发明含有第一种集成磁元件的有源钳位正反激变换器电路图；
图4是副边为全波整流，整流管共阴极连接的有源钳位正反激变换器原理图；
图5是副边为全波整流，整流管共阳极连接的有源钳位正反激变换器原理图；
图6是本发明的第二种集成磁元件的结构示意图；
图7是本发明含有第二种集成磁元件，副边为全波整流，整流管共阴极连接的有源钳位正反激变换器电路图；
图8是本发明含有第二种集成磁元件，副边为全波整流，整流管共阳极连接的有源钳位正反激变换器电路图；
图9是图8所示电路用同步整流MOS管替代二极管后的电路图；
图10是零电压开关有源钳位正反激变换器的原理图；
图11是本发明含有第一种集成磁元件的零电压开关有源钳位正反激变换器的电路图。
具体实施方式
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
图2所示是本发明第一种集成磁元件的结构图，其功能相当于图1中的变压器T1和滤波电感L1。该集成磁元件的铁心至少包含三个磁柱，本实施例中由开口相对的两个E型铁芯组成，原边绕组Np和副边绕组缠绕在一侧的铁芯上，形成变压器磁路；电感绕组NL缠绕在另一侧铁芯上，形成电感磁路；铁芯的中心磁柱形成变压器磁路与电感磁路的公共磁路，其上没有绕组；绕有绕组的磁柱(变压器绕组和电感绕组的磁柱)中设置适当气隙，分别获得电路正常工作所需的变压器磁阻和电感磁阻，没有绕组的磁柱即公共磁路部分则不设气隙或设置很小的气隙保持磁阻相对较小，防止变压器绕组与电感绕组过度耦合。
图3是本发明含有第一种集成磁元件的有源钳位正反激变换器的电路图，其电路功能与图1所示变换器相同。其中有源钳位正反激变换器原边电路1是有源钳位电路，开关管Q1与集成磁元件2的原边绕组Np串联后与输入电压Vin两端连接；钳位管Q2与钳位电容C1串联后与原边绕组Np并联或与开关管Q1并联；变换器的副边整流及电容滤波电路3由是四个整流二极管D1、D2、D3、D4和滤波电容C2组成，所述四个整流二极管D1、D2、D3、D4组成全桥整流电路；副边绕组Ns的一端与第一整流二极管D1的阳极、第三整流二极管D3的阴极相连，另一端与第二整流二极管D2的阳极、第四整流二极管D4的阴极相连；电感绕组NL与滤波电容C2串联后，与第一、二整流二极管D1、D2的阴极和第三、四整流二极管D3、D4的阳极相连。电路工作时，集成磁元件的原边绕组Np中流过变压器励磁电流，励磁电流的直流偏流方向为从a流入、从b流出，在变压器磁柱中产生的直流偏磁方向为由下至上；集成磁元件的电感绕组NL中流过负载电流，方向为从e流入、从f流出，在电感磁柱中产生的直流偏磁方向为由上至下；原边绕组产生的直流偏磁与电感绕组产生的直流偏磁在集成磁元件的公共磁路部分趋向相互抵消；因此公共磁路中的磁通密度大大降低，原边绕组产生的直流偏磁与电感绕组产生的直流偏磁都随负载电流的增大而增大，因此公共磁路中的磁通密度可以在不同的负载条件下都保持较低，从而使该部分磁路可以用截面较小的磁柱实现，有效减小了磁元件铁心的总体积和总重量。
图4和图5是副边整流及电容滤波电路3为全波整流时的两种典型电路图，图4是整流管共阴极连接方式，图5是整流管共阳极连接方式。结合图6可知，变压器的副边绕组是具有中心抽头的三端绕组，变换器工作时副边绕组的两部分Ns1和Ns2交替流过负载电流。变压器原边绕组Np与电感L1的工作方式与图1所示变换器相同。
图6所示是本发明第二种集成磁元件的结构图，其功能相当于图4、图5中的变压器T1和滤波电感L1。该集成磁元件的铁心至少包含三个磁柱，原边绕组Np与副边绕组Ns1、Ns2绕在同一磁柱，形成变压器磁路；电感绕组NL绕在另一磁柱，形成电感磁路；另外还具有至少一个磁柱形成变压器磁路与电磁路的公共磁路；绕有绕组的磁柱(变压器磁路的磁柱和电感磁路的磁柱)中设置适当气隙，分别获得电路正常工作所需的变压器磁阻和电感磁阻，没有绕组的磁柱即公共磁路部分则不设气隙或设置很小的气隙保持磁阻相对较小，防止变压器绕组与电感绕组过度耦合。
图7、图8是本发明含有第二种集成磁元件的有源钳位正反激变换器的电路图，其电路功能分别与图4、图5所示变换器相同。其中有源钳位正反激变换器原边电路1与上述实施例相同，副边整流及电容滤波电路3由两个整流二极管D1、D2和滤波电容C2组成，上述两个整流二极管D1、D2组成全波整流电路；上述副边绕组Ns1、Ns2的首端与第一整流二极管D1的阳极相连，尾端与与第二整流二极管D2的阳极相连；电感绕组NL与滤波电容C2串联后，与整流二极管D1、D2的公共阴极和副边绕组Ns1、Ns2的中间抽头相连，同时副边绕组Ns1、Ns2的中间抽头连接电路的输出负极。
当然，副边整流及电容滤波电路3的连接关系也可以如图所示，副边绕组Ns1、Ns2的首端与第一整流二极管D1的阴极相连，尾端与与第二整流二极管D2的阴极相连；第一、二整流二极管D1、D2的阳极相连连接电路的输出负极；电感绕组NL与滤波电容C2串联后，与副边绕组Ns1、Ns2的中心抽头和整流二极管D1、D2的公共阳极相连。
上述图7、图8两个实施例电路工作时，集成磁元件的原边绕组Np中流过变压器励磁电流，励磁电流的直流偏流方向为从a流入、从b流出，在变压器磁柱中产生的直流偏磁方向为由下至上；集成磁元件的电感绕组NL中流过负载电流，方向为从e流入、从f流出，在电感磁柱中产生的直流偏磁方向为由上至下；原边绕组产生的直流偏磁与电感绕组产生的直流偏磁在集成磁元件的公共磁路部分趋向相互抵消；因此公共磁路中的磁通密度大大降低，原边绕组产生的直流偏磁与电感绕组产生的直流偏磁都随负载电流的增大而增大，因此公共磁路中的磁通密度可以在不同的负载条件下都保持较低，从而使该部分磁路可以用截面较小的磁柱实现，有效减小了磁元件铁心的总体积和总重量。
本发明所述变换器的整流二极管可以部分或全部采用同步整流MOS管替代，以获得更好的电气性能。同步整流MOS管的连接极性为：MOS管的源极和漏极分别替代整流二极管的阳极和阴极，使得MOS管的寄生体二极管与被替代的二极管极性一致。图9所示是本发明图8所示变换器的整流二极管采用同步整流MOS管替代后的电路图，MOS管Qs1、Qs2分别替代原二极管D1、D2。变换器的副边整流及电容滤波电路3由整流MOS管QS1、QS2和滤波电容C2组成，上述两个整流MOS管QS1、QS2组成全波整流电路；副边绕组Ns1、Ns2的首端与第一整流MOS管QS1的漏极相连，尾端与与第二整流MOS管QS2的漏极相连；第一、二整流MOS管QS1、QS2的源极相连连接电路的输出负极；电感绕组NL与滤波电容C2串联后，与副边绕组Ns1、Ns2的中心抽头和整流MOS管QS1、QS2的公共源极相连。
图10所示是有源钳位正反激变换器变压器的副边和副边整流及电容滤波电路之间增加一个串联的谐振电感Lr后实现了开关管零电压开通的变换器电路图。谐振电感串连在副边绕组回路，副边绕组的电流流过谐振电感，副边绕组的电流变化成为谐振电感励磁电流的变化。该变换器的变压器T1、滤波电感L1的工作方式与图1所示变换器相同。
图11所示是本发明含有第一种集成磁元件的零电压开关有源钳位正反激变换器电路图，其电路功能与图10所示变换器相同。其集成磁元件的工作方式与图3所示的集成磁元件的工作方式相同。
本发明集成磁元件的有源钳位正反激变换器是一种总体性能比较好的变换器，它结合了正激变换器和反激变换器的优点，一定程度上克服了二者的缺点，变压器的利用比较充分。通过引入谐振电感，比较容易实现开关管的零电压开通。
本发明不局限于上述实施举例，任何人在本发明的启示下得出的其它任何与本发明相同或相近似的产品，均落在本发明的保护范围之内。
Claims (9)
1、一种集成磁元件的有源钳位正反激变换器，包括有源钳位正反激变换器原边电路(1)、副边整流及电容滤波电路(3)，所述副边整流及电容滤波电路(3)包括滤波电路和整流电路，其特征在于：上述原边电路(1)和副边整流及电容滤波电路(3)通过集成磁电路(2)连接，所述变换器的集成磁电路(2)由至少三个磁柱的铁芯组成，磁柱上分别缠绕线圈形成原边绕组(Np)、副边绕组和电感绕组(NL)，
其中原边绕组(Np)与副边绕组绕在同一磁柱上，形成变压器磁路；
电感绕组(NL)绕在另一磁柱，形成电感磁路；
还具有至少一个磁柱形成变压器磁路与电感磁路的公共磁路；
上述变压器磁路的磁柱和电感磁路的磁柱上分别设有气隙；
原边绕组(Np)连接所述变换器原边电路(1)，副边绕组连接上述副边整流及电容滤波电路(3)的整流电路，电感绕组(NL)连接所述副边整流及电容滤波电路(3)的滤波电路，所述整流电路和滤波电路连接输出端。
2、根据权利要求1所述的集成磁元件的有源钳位正反激变换器，其特征在于，上述集成磁电路(2)由开口相对的两个E型铁芯组成，原边绕组(Np)和副边绕组缠绕在一侧的铁芯上，形成变压器磁路；电感绕组(NL)缠绕在另一侧铁芯上，形成电感磁路；铁芯的中心柱连接为公共磁路，外侧的两个磁柱上设有气隙。
3、根据权利要求1所述的集成磁元件的有源钳位正反激变换器，其特征在于，所述副边整流及电容滤波电路(3)采用全波整流或全桥整流电路。
4、根据权利要求3所述的集成磁元件的有源钳位正反激变换器，其特征在于，变换器的副边整流及电容滤波电路(3)由整流二极管(D1、D2、D3、D4)和滤波电容(C2)组成，所述四个整流二极管(D1、D2、D3、D4)组成全桥整流电路；副边绕组(Ns)的一端与第一整流二极管(D1)的阳极、第三整流二极管(D3)的阴极相连，另一端与第二整流二极管(D2)的阳极、第四整流二极管(D4)的阴极相连；电感绕组(NL)与滤波电容(C2)串联后，与第一、二整流二极管(D1、D2)的阴极和第三、四整流二极管(D3、D4)的阳极相连。
5、根据权利要求1或2或3所述的集成磁元件的有源钳位正反激变换器，其特征在于，所述副边绕组为具有中心抽头的三端绕组结构，为绕组(Ns1、Ns2)。
6、根据权利要求5所述的集成磁元件的有源钳位正反激变换器，其特征在于，变换器的副边整流及电容滤波电路(3)由整流二极管(D1、D2)和滤波电容(C2)组成，上述两个整流二极管(D1、D2)组成全波整流电路；副边绕组(Ns1、Ns2)的首端与第一整流二极管(D1)的阴极相连，尾端与与第二整流二极管(D2)的阴极相连；第一、二整流二极管(D1、D2)的阳极相连连接电路的输出负极；电感绕组(NL)与滤波电容(C2)串联后，与副边绕组(Ns1、Ns2)的中心抽头和整流二极管(D1、D2)的公共阳极相连；
或上述副边绕组(Ns1、Ns2)的首端与第一整流二极管(D1)的阳极相连，尾端与与第二整流二极管(D2)的阳极相连；电感绕组(NL)与滤波电容(C2)串联后，与整流二极管(D1、D2)的公共阴极和副边绕组(Ns1、Ns2)的中间抽头相连，同时副边绕组(Ns1、Ns2)的中间抽头连接电路的输出负极。
7、根据权利要求3所述的集成磁元件的有源钳位正反激变换器，其特征在于，变换器的副边整流及电容滤波电路(3)由四个整流MOS管和滤波电容组成，所述四个整流MOS管组成全桥整流电路；副边绕组的一端与第一整流MOS管的源极、第三整流MOS管的漏极相连，另一端与第二整流MOS管的源极、第四整流MOS管的漏极相连；电感绕组与滤波电容串联后，与第一、二整流MOS管的漏极和第三、四整流MOS管的源极相连。
8、根据权利要求3所述的集成磁元件的有源钳位正反激变换器，其特征在于，变换器的副边整流及电容滤波电路(3)由整流MOS管(QS1、QS2)和滤波电容(C2)组成，上述两个整流MOS管(QS1、QS2)组成全波整流电路；副边绕组(Ns1、Ns2)的首端与第一整流MOS管(QS1)的漏极相连，尾端与与第二整流MOS管(QS2)的漏极相连；第一、二整流MOS管(QS1、QS2)的源极相连连接电路的输出负极；电感绕组(NL)与滤波电容(C2)串联后，与副边绕组(Ns1、Ns2)的中心抽头和整流MOS管(QS1、QS2)的公共源极相连；
或上述副边绕组的首端与第一整流MOS管的源极相连，尾端与与第二整流MOS管的源极相连；电感绕组与滤波电容串联后，与上述两个整流MOS管的公共漏极和副边绕组的中间抽头相连，同时副边绕组的中间抽头连接电路的输出负极。
9、根据权利要求1或2或3或4或7或8所述的集成磁元件的有源钳位正反激变换器，其特征在于，在所述副边绕组和副边整流及电容滤波电路(3)的整流电路之间还串联有谐振电感(Lr)。
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