CN101527526A - 一种自激式电源变换电路 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种自激式电源变换电路，它由开关体302、高频变压器、电容器304、电容器Cx、二极管308组成；高频变压器的初级线圈中心抽头301C与电源一端连接，电容器304被连接在所述初级线圈的301A端和开关体302的第一端子，开关体302的第一端子、第三端子之间反向连接二极管308，开关体302的第三端子连接到公共端GND，开关体302的第二端子被连接到初级线圈301B端；公共端GND与电源另一端连接。本发明电源转换效率高，是利用LC电路的充放电过程的自动更替来实现持续的自激震荡。

Description

一种自激式电源变换电路

所属技术领域

本发明涉及电源变换器电路，更具体的是涉及利用半导体器件，将一种电源形态转换成另一种电源形态的电路；本发明电路中不存在产生激励信号的震荡器，属于自激式电源变换器；本发明中，输入和输出被高频变压器完全隔离，属离线式电源变换器。

背景技术

电源一般都需要转换后才能被各种电器设备所使用，比如交流变直流，高压变低压，直流变交流等，电源变换的方法是多样的。凡是利用半导体功率器件作为开关，将一种电源形态转换成另一种电源形态的电路，叫做开关变换电路，又称为开关电源。

电源变换器按激励方式，可以分为两大类：自激式和他激式。其中，他激式电路中必须要有产生激励信号的震荡器、驱动电路、辅助电源等，电路结构复杂，所需元器件较多，成本较高。不是本发明所讨论的范畴。自激式离线电源变换器的典型代表为罗埃耶式和约翰逊式变换器。

图1图解了罗埃耶式电源变换器10的例子。该电路是美国科学家罗埃耶(G.H.Royer)于1955年发明的。它的巧妙之处就在于，利用高频变压器的磁芯饱和来实现自激震荡。此后，以该技术为基础的各种形式的电源变换器不断被研制出来，取代了早期的旋转式和机械振子式换流设备。在当时被广泛应用于航天及军事电子设备上。

在今天，罗埃耶式电源变换器未能得到广泛地应用。究其原因，是该电路存在许多缺点。譬如：(1)高频输出变压器(101)的磁芯必须饱和才能实现持续的自激震荡，对磁芯材料有特殊的要求，一般要具有矩形磁滞回线，要有较高的磁通密度。(2)半导体功率器件(102、103)的能量损耗很大，即或在轻负载时也是如此。(3)工作频率较低。(4)必须要有一组独立的驱动线圈(1011)。(5)电路的平衡性能较差(晶体管102、103的参数是有差异的)。

图2图解了约翰逊式电源变换器20的例子。该电路是美国科学家约翰逊(J.L.Jensen)于1957年研制成功的。其工作原理在本质上与上述罗埃耶式电源变换器是没有区别的，也要依赖高频变压器的磁芯饱和来实现持续的自激震荡。其不同点在于，约翰逊式比罗埃耶式多了一个高频变压器(202)，该变压器专门用于驱动、控制晶体管(203、204)工作状态的转换，它也需要磁芯饱和来实现持续的自激震荡。而输出变压器(201)在线性状态就可实现电压变换和功率传输。故约翰逊式电源变换器也称为双变压器罗埃耶式电源变换器。由于采用了独立的饱和驱动变压器，相对于罗埃耶式，约翰逊式电源变换器是一次技术进步，其的电路性能有较大的改善。主要表现为：(1)晶体管(203、204)的损耗减小了。(2)电路的工作频率有所提高，输出变压器(201)的体积可以变小。(3)电路的平衡性能有所改善。但是，其命运和罗埃耶式一样，在今天也只局限在某些领域的应用，譬如UPS电源的逆变部分。主要原因有二，第一、需要两个变压器；第二、驱动变压器和罗埃耶式中的一样，对磁芯材料有特殊的要求，一般要具有矩形磁滞回线，要有较高的磁通密度。

对于本领域的技术人员，上述两类电源变换器的工作原理应该是了解和熟悉的，在这里不再详细描述其工作过程。自激式离线电源变换器除上述两个经典电路以外，还有许多相似或相近的电路。如目前常见的、用于小功率的RCC变换电路(又叫自激回扫变换器，输出功率一般在50W以下)等。在这里里不再一一加以描述。概括地说，自激式离线电源变换器现有技术存在的缺点或不足在于以下几方面：

需要一个单独的驱动变压器(如约翰逊式)，或一组单独的驱动线圈(如罗埃耶式和RCC式)等元器件构成的驱动单元。

需要变压器的磁芯饱和(如罗埃耶式、约翰逊式)，或晶体管电流饱和(如RCC式)才能实现持续的自激震荡。

电源转换效率低。驱动损耗和晶体管开关损耗较大，电路中的元件，除电容和电感元件外，还有电阻元件，其电阻损耗也很大。

电源输入侧需要大容量的电容，如平滑用电解电容(多数电路中还兼起振电容的作用)。如果输入是交流市电压或以上的电源，经整流后，还需要耐高电压的平滑用电解电容。

输入电源是交流时(譬如220V/50HZ)，若无功率因数校正电路，其功率因数很低。

因此，希望提供一种能够能克服上述缺点的、结构简单的、低成本的新型自激式离线电源变换器。

发明内容

为克服上述技术不足，本发明提供了一种能够能克服上述缺点的、结构简单的、低成本的新型自激式离线电源变换器。

本发明是这样实现上述优点的；

它主要由开关体302、高频变压器301、电容器304、电容器Cx、二极管308组成；

所述的开关体302至少有三个连接端子；包括第一端子，第二端子、第三端子，其中第一端子为开关体控制端，第二端子和第三端子之间的导通或断开由第一端子控制。

所述高频变压器301的初级线圈由电感3011和电感3012的异名端子串联而成，两电感的串联点形成初级线圈中心抽头301C，电容器304被连接在所述初级线圈的301A端和开关体302的第一端子，开关体302的第一端子、第三端子之间反向连接二极管308，开关体302的第三端子连接到公共端GND，开关体302的第二端子被连接到所述初级线圈301B端；电容器Cx连接在初极线圈301B端和公共端GND之间，初级线圈中心抽头301C与电源一端连接；公共端GND与电源另一端连接。

初级线圈301A端和共端GND之间连接有开关体303，开关体303的第三端子连接到公共端GND，开关体303第一端子、第三端子之间反向连接二极管309，开关体303的第二端子被连接到初级线圈301A端。在初级线圈301B端和所述开关体303的第一端子之间连接电容器305。

开关体302的第一端子和公共端GND之间连接有电容器306；在开关体303的第一端子和公共端GND之间连接有电容器307。

开关体302、303可以由MOSFET提供，MOSFET栅极、漏极、源极分别对应开关体第一端子、第二端子、第三端子；其开关体也可以使用其它元件提供，包括SCR、IGBT、晶体管等，实现开关体功能。

本电路可以被独立使用，也可以被其他电路组合使用。

相对于现有的自激式变换器，本发明提供的电源变换器是一次技术进步，是就原理上的一次突破。其目标实现过程迥异。主要表现为以下几个方面：

(1)已有技术需要高频变压器的磁芯饱和(如罗埃耶式、约翰逊式)，或晶体管电流饱和(如RCC式)才能实现持续的自激震荡。本发明是利用LC电路的充放电过程的自动更替来实现持续的自激震荡。

(2)本发明中的电感，在储存或释放能量时，有两种方式：当与之串联的开关处于闭合状态时，表现为纯电感式，当与之串联的开关处于截止状态时，与电容器串联构成LC式。而且这两种方式是交替进行的。

(3)本发明中，负载所获得的能量由两部分组成，一部分能量由LC电路提供，另一部分能量经由电感(一段线圈)和开关体提供。开关体的功率应力因LC电路的分流而大为减小。作为开关的半导体器件，不是负载能量传递的唯一通道，而是实现持续的自激震荡的通道。这是现有技术所不具备的。已有技术中，作为开关的晶体管，是能量传递、储存的唯一通道，也就是说，只有当作为开关的晶体管导通时，才有能量被储存或传递到负载。

(4)本发明中，LC电路在为负载提供能量的同时，兼具驱动开关的导通和截止。现有技术需要一个单独的驱动变压器、线圈或其它的元器件构成的驱动单元。

(5)电源转换效率高。已有技术的输入功率被分解为三大部分：驱动功耗、晶体管开关损耗和输出功率。在本发明中，作为开关的半导体器件的功率应力小，开关损耗少。LC电路在为负载提供能量的同时，兼具驱动开关的导通和截止，故驱动损耗极小。

本发明结构简单的、成本低。

附图说明

图1背景技术罗埃式电源变换电路的结构；

图2背景技术约翰逊式电源变换电路结构；

图3-1本发明实施方式一结构图；

图3-2本发明实施方式二结构图。

具体实施方式

将参考附图详细描述本发明。

参考下面有关优选实施案例的详细描述，本领域的技术人员可以在细节层面上了解自激式变换器以及其额外优点和目标的实现。图3-1图解了本发明一个基本的自激式变换电路例子。包括由高频变压器301，电容器304、电容器Cx、二极管308，开关体302构成。高频变压器301的初级线圈由电感3011和电感3012的异名端子串联而成，电感3011和电容器304被串联在电源端和开关体302的栅极之间，电感3012和开关体302被串联在电源端和公共端GND之间，电容器Cx、与开关体302并联，开关体302栅极、源极之间反向连接二极管308。

其工作原理如下：接通电源Vi时间，Vi通过电感3011，电容器304以及开关体302的栅极和源极之间的电容C_GS，产生充电电流，即LC被Vi充电。当开关体302的栅极电压被充至开启电压值时，开关体302导通，Vi对电感3012充电。初极线圈产生自感电势V_φ，有301A为正极，301B为负极。经过T＝2π√LC的时间后，LC中的电流下降，302的栅极电压下降，当低于开启电压值时，开关体302截止。自感电势V_φ极性反向，有301B为正极，301A为负极，此时，LC中的能量和电感3012中的能量被迅速释放到负载。自感电势V_φ通过电容Cx、二极管308，对电容器304反向充电，开关体302维持截止状态，经过T＝2π√LC的时间后，LC被Vi再次充电，当302的栅极电容被充至开启电压值时，开关体302再次导通。如此周而复始，实现变换器的持续震荡，在变压器301的次极线圈两端获得交变电压，实现电压交换、功率传输和电气隔离。

实施例2图解了自激式变换器31的例子。图3_2所示的示例性自激式变换器31，由高频变压器301，MOSFET器件提供的开关体302、303，电容器304、305、306、307，二极管308、309组成。电感3011和电感3012的异名端子串联，构成高频变压器301的初级线圈，两电感的串联点是初级线圈中心抽头301C。电容器304、306被串联在初级线圈的301A端和变换器公共端GND之间，两个电容器之间中点被连接到302的栅极，302的源级连接到公共端GND，栅、源之间反向连接二极管308。302的漏极被连接到初级线圈301B端。电容器305、307被串联在初级线圈301B端和变换器公共端GND之间，两个电容器之间中点被连接到303的栅极，303的源极连接到公共端GND，栅、源之间反向连接二极管309。303的漏极被连接到初线圈301A端。初级线圈中心抽头301C与电源正端连接。公共端GND与电源负端连接。

图32示例性自激式离线变换器的工作原理要点：(1)电容器304、306以及302栅极和源极之间的电容C_GS，与电感3011一起，构成了能量传递和储存的第一LC通路。同时肩负驱动开关体302的任务。电容器305、307以及303栅极和源极之间的电容C_GS，与电感3012一起，构成了能量传递和储存的第二LC通路。同时肩负驱动开关体303的任务。(2)第一LC充电期间，开关体302是导通的，电感3012被充电，开关体303是截至的。(3)开关的导通宽度T_ON由T＝2π√LC决定的。T_ON≥T。开关体导通与截止状态的交替转换，完全依赖于LC电路的充放电过程的自动更替。这点是有别于现有的自激式离线变换器的工作原理。并且实现了“零电压”的软开启。LC电路承担负载的一部分能量传递和储存，同时也兼具驱动开关体的导通与截止，并且没有采用阻性元件，其驱动损耗极小。(4)负载所获得的能量由两部分组成，一部分能量由LC电路提供，另一部分能量经由一电感和开关体提供。开关体的功率应力因LC电路的分流而大为减小。这也是现有技术所不具备底(5)电感3011在储存或释放能量时，有两种方式：当与之串联的开关体303处于闭合状态时，表现为纯电感式，当开关体303处于截止状态时，电感3011与电容(304、306、C_GS)串联构成LC式。(6)电感3012在储存或释放能量时，有两种方式：当与之串联的开关体302处于闭合状态时，表现为纯电感式，当开关体302处于截止状态时，电感3012与电容(305、307、C_GS)串联构成LC式。(7)电容器304放电时，二极管308成为其负端的放电通路。同时，电容器306以及开关体302栅、源极之间的输入电容通过该二极管将其残留电荷释放。一样的道理，电容器305放电时，二极管309成为其负端的放电通路。同时，电容器307以及开关体303栅、源极之间的输入电容通过该二极管将其残留电荷释放。(8)当开关体303闭合时，电容器304通过开关303、二极管308，将其残留电荷释放。当开关体302闭合时，电容器305通过开关体302、二极管309，将其残留电荷释放。

结合上述工作原理要点，对本发明是如何实现持续的自激震荡给予详细的描述。由于各元器件的参数是有差异的，接通电源Vi时，总有一个开关体先导通，假设开关体302先导通的，其工作过程如下：接通电源Vi时，V_i通过电感3011，电容器304、306以及302栅极和源极之间的电容CGS，产生电流I_A，即第一LC被Vi充电。当302的栅极电压被充至开启电压值时，开关体302导通，Vi对电感3012充电，产生电流I_B。初级线圈中有净电流(I_B-I_A)＞0，初级线圈产生的自感电势VΦ，有301A为正极，301B为负极。经过T＝2π√LC的时间后，第一LC中的电流下降，302的栅极电压下降，当低于开启电压值时，开关体302截止。自感电势VΦ极性反向，有301B为正极，301A为负极。此时，第一LC中的能量和电感3012中的能量被迅速释放到负载。电容器305、307以及303栅极和源极之间输入电容被电压Vi充电，产生电流I_B，即第二LC被Vi充电。开关体303导通，Vi对电感3011充电，产生电流I_A。初级线圈中有净电流(I_A-I_B)＞0。经过T＝2π√LC的时间后，第二LC中的电流下降，303的栅极电压下降，当低于开启电压值时，开关体303截止。自感电势VΦ极性再次反向，即301A为正极，301B为负极。第二LC中的能量和电感3011中的能量被迅速释放到负载。电容器304、306以及302栅极和源极之间的电容C_GS被电压Vi充电，即第一LC被Vi再次充电，产生电流I_A。开关体302又导通。Vi对电感3012又开始充电，产生电流I_B。初级线圈中有净电流(I_B-I_A)＞0。于是，在经历与上述完全一样的过程以后，开关体302再次进入截止状态，而开关体303却再次进入导通状态。如此周而复始，在变压器301初级线圈中产生交变净电流，在次级线圈两端获得交流电压，实现电压交变、功率传输和电气隔离。

上述自激式离线变换器电路的优选实施事例中需要补充说明的问题：(1)电容器306和307不是必须的。即或没有，电路也是完整的，也能正常工作。但由MOSFET器件提供的开关体302、303，其栅极和源极之间的输入电容电量是有限的，一般只有数百至几千皮法。限制了LC电路的电能通过的能力。为了扩大电路能量传递和储存的容量，在其两端分别并联有电容器306和307。其电容值应当满足如下条件：[(C₃₀₆+C_GS)/(C₃₀₆+C_GS+C₃₀₄)]*Vi≥Vg。其中，C_GS为栅极与源极之间的输入电容，Vg为控制的开启电压值，C₃₀₄＝C₃₀₅，C₃₀₆＝C₃₀₇。(2)MOSFET器件302、303的漏极和源极成了开关通道，而栅极与源极之间的输入电容C_GS构成了控制端通路，同时也LC电路的组成部分。然而应当理解，也可以使用其他的元器件，包括SCR、GTO、IGBT、三极管等，实现开关体302、303的功能。譬如，用三极管代替图3_1或3_2中的MOSFET器件时，三极管的发射极和集电极构成了一个开关通道，而基极和发射极之间的PN节，构成了控制端通路，同时也是LC电路的充电路径。(3)上述优选实施事例中的变换器，由两个开关组成，结构形式上属推挽式变换器。即自激式离线推挽变换器。然而应当理解，其结构形式是不被限制的。譬如，参考图31中的示例变换器，取消其中的开关体303，电容器305、307，二极管309后，其结构形式发生了变化，但示例变换器仍然按上述原理正常工作的，且保留了上述变换器的绝大部分优点。

Claims (5)

1.一种自激式电源变换电路，主要由开关体(302)、高频变压器(301)、电容器(304)、电容器Cx、二极管(308)组成；

所述的开关体(302)至少有三个连接端子；包括第一端子，第二端子、第三端子，其中第一端子为开关体控制端，第二端子和第三端子之间的导通或断开由第一端子控制；

所述高频变压器(301)的初级线圈由电感(3011)和电感(3012)的异名端子串联而成，两电感的串联点形成初级线圈中心抽头(301C)，电容器(304)被连接在所述初级线圈的(301A)端和开关体(302)的第一端子，开关体(302)的第一端子、第三端子之间反向连接二极管(308)，开关体(302)的第三端子连接到公共端GND，开关体(302)的第二端子被连接到所述初级线圈(301B)端；电容器Cx连接在初极线圈301B端和公共端GND之间，初级线圈中心抽头(301C)与电源一端连接；公共端GND与电源另一端连接。

2.如权利要求1所述一种自激式电源变换电路，其特征在于，初级线圈(301A)端和共端GND之间连接有开关体(303)，开关体(303)的第三端子连接到公共端GND，开关体(303)第一端子、第三端子之间反向连接二极管(309)，开关体(303)的第二端子被连接到初级线圈(301A)端。在初级线圈(301B)端和所述开关体(303)的第一端子之间连接电容器(305)。

3.如权利要求1或2所述一种自激式电源变换电路，其特征在于，在开关体(302)的第一端子和公共端GND之间连接有电容器(306)；在开关体(303)的第一端子和公共端GND之间连接有电容器(307)。

4.如权利要求1或2或3所述自激式电源变换电路，其特征在于，所述的开关体(302)、(303)由MOSFET提供，MOSFET栅极、漏极、源极分别对应开关体第一端子、第二端子、第三端子；其开关体也可以使用其它元件提供，包括SCR、GTO、IGBT、晶体管类，实现开关体功能。

5.如权利要求1或2或3或4所述一种自激式电源变换电路，其特征在于，它可以被独立使用，也可以被其他电路组合使用。

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