CN101697452A - 具有可控限压电路的谐振电路及其动态控制方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种具有可控限压电路的谐振电路，包括谐振元件，还包括可控限压电路，其包括电压检测和控制电路、第一开关管和第二开关管，所述第一开关管和所述第二开关管反向串接后并联连接在所述谐振元件上，所述电压检测和控制电路的电压检测端耦合到所述谐振元件上，所述电压检测和控制电路的输出端耦合到所述第一开关管和所述第二开关管的驱动极上。还公开了一种相应的可控限压电路以及相应的谐振电路动态控制方法。本发明能对谐振过程中的过压进行箝位，降低谐振的峰值，避免出现较高的谐振电压而导致较高的电压应力和电流应力，提高电路工作的可靠性。
Description
技术领域
本发明涉及功率变换电路，特别是涉及一种具有可控限压电路的谐振电路及其动态控制方法。
背景技术
谐振电路是一种高效率的功率变换电路，通过谐振来达到高效率的功率变换的目的。这里所说的谐振电路，包括并联谐振电路、串联谐振电路、LLC谐振电路等所有通过开关频率来控制输出电压的电路，即：
Vout＝F(fs，C1，C2...，L1，L2，...)
其中，Vout是输出电压，fs是开关频率，C1、C2…是参与谐振过程的电容，L1、L2…是参与谐振过程的电感。这个关系式中默认的条件是，输入电压Vin保持不变。
图1是一个典型的谐振电路。其中L2可以是单独的电感，也可以是T1的寄生电感；Lr可以是单独的电感，也可以是T1的寄生电感。
其典型工作过程是：通过Cr和Lr的谐振过程，来输出传递能量；其中L2也可以参与谐振过程。
在现有的拓扑中，如果输出的负载从有比较大的变化，或者输出的电压从一定输出电压跳变到另一输出电压，或者输出短路瞬间，由于固有的谐振过程，在Cr上会产生较高的谐振电压，同时Lr上会有较大的谐振电流。
这个谐振过程会产生较高的电压应力和电流应力，有可能会对电路的可靠性产生危害。
发明内容
本发明的主要目的就是针对现有技术的不足，提供一种具有可控限压电路的谐振电路及其动态控制方法，对谐振元件谐振时的过压进行箝位，提高电路工作可靠性。
本发明的另一目的是提供一种能对谐振元件谐振时的过压进行箝位的可控限压电路。
为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：
一种具有可控限压电路的谐振电路，包括谐振元件，还包括可控限压电路，其包括电压检测和控制电路、第一开关管和第二开关管，所述第一开关管和所述第二开关管反向串接后并联连接在所述谐振元件上，所述电压检测和控制电路的电压检测端耦合到所述谐振元件上，所述电压检测和控制电路的输出端耦合到所述第一开关管和所述第二开关管的驱动极上。
优选地，所述谐振电路为不对称半桥谐振电路、对称半桥谐振电路、全桥谐振电路或三电平谐振电路，所述谐振元件为谐振电容或谐振电感。
优选地，所述谐振电路为不对称半桥谐振电路或全桥谐振电路，所述谐振元件为谐振电容，所述第一开关管和所述第二开关管为源极相接的MOSFET，所述电压检测和控制电路包括相对称设置的第一分压电路、第一并联型电压基准、第一限流电阻和第二分压电路、第二并联型电压基准、第二限流电阻，所述第一分压电路与所述第一开关管并联连接，所述第一并联型电压基准的基准端与所述第一分压电路的分压节点相连，所述第一并联型电压基准的阴极与所述第一开关管的栅极相连，并通过所述第一限流电阻与所述第一开关管的漏极相连，所述第一并联型电压基准的阳极与所述第一、二开关管的源极相连。
优选地，所述谐振电路为对称半桥谐振电路，所述谐振元件包括第一谐振电容和第二谐振电容，对应于所述第一谐振电容和所述第二谐振电容分别设置有一个所述可控限压电路。
一种谐振电路的动态控制方法，所述谐振电路包括谐振元件，所述方法包括以下步骤：
a.电压检测和控制电路检测所述谐振元件上的电压；和
b.当检测到过电压时，电压检测和控制电路控制并联连接在所述谐振元件上的、反向串接的第一开关管和第二开关管进入放大状态。
优选地，所述谐振电路为不对称半桥谐振电路、对称半桥谐振电路、全桥谐振电路或三电平谐振电路，所述谐振元件为谐振电容或谐振电感。
优选地，所述谐振电路为不对称半桥谐振电路或全桥谐振电路，所述谐振元件为谐振电容，所述第一开关管和所述第二开关管为源极相接的MOSFET，所述电压检测和控制电路包括相对称设置的第一分压电路、第一并联型电压基准、第一限流电阻和第二分压电路、第二并联型电压基准、第二限流电阻，所述第一分压电路与所述第一开关管并联连接，所述第一并联型电压基准的基准端与所述第一分压电路的分压节点相连，所述第一并联型电压基准的阴极与所述第一开关管的栅极相连，并通过所述第一限流电阻与所述第一开关管的漏极相连，所述第一并联型电压基准的阳极与所述第一、二开关管的源极相连。
优选地，所述谐振电路为对称半桥谐振电路，所述谐振元件包括第一谐振电容和第二谐振电容，分别对所述第一谐振电容和所述第二谐振电容实施所述步骤a和所述步骤b。
一种用于谐振元件的可控限压电路，包括电压检测和控制电路、第一开关管和第二开关管，所述第一开关管和所述第二开关管反向串接后并联连接在所述谐振元件上，所述电压检测和控制电路的电压检测端耦合到所述谐振元件上，所述电压检测和控制电路的输出端耦合到所述第一开关管和所述第二开关管的驱动极上。
优选地，所述谐振元件为谐振电容，所述第一开关管和所述第二开关管为源极相接的MOSFET(Metal Oxide Semiconductor Field EffectTransistor，金属氧化物半导体场效应晶体管)，所述电压检测和控制电路包括相对称设置的第一分压电路、第一并联型电压基准、第一限流电阻和第二分压电路、第二并联型电压基准、第二限流电阻，所述第一分压电路与所述第一开关管并联连接，所述第一并联型电压基准的基准端与所述第一分压电路的分压节点相连，所述第一并联型电压基准的阴极与所述第一开关管的栅极相连，并通过所述第一限流电阻与所述第一开关管的漏极相连，所述第一并联型电压基准的阳极与所述第一、二开关管的源极相连。
本发明有益的技术效果是：
根据本发明，在谐振电路中设置可控限压电路，其包括电压检测和控制电路、第一开关管和第二开关管，第一开关管和第二开关管反向串接后并联连接在谐振元件上，电压检测和控制电路的电压检测端耦合到谐振元件上，电压检测和控制电路的输出端耦合到第一开关管和第二开关管的驱动极上，当检测到过电压时，电压检测和控制电路控制第一开关管和第二开关管进入放大状态，从而使第一、二开关管支路起到对谐振元件的过压箝位作用，藉此能够降低谐振的峰值，避免谐振元件上出现较高的谐振电压而导致较高的电压应力和电流应力，从而有效地保护了电路，提高了电路工作的可靠性。
附图说明
图1为一个典型的谐振电路原理图；
图2为本发明一种实施例的不对称半桥谐振电路原理图；
图3为本发明另一种实施例的不对称半桥谐振电路原理图；
图4为本发明一种实施例的对称半桥谐振电路原理图；
图5为本发明一种实施例的全桥谐振电路原理图；
图6为本发明另一种实施例的全桥谐振电路原理图
图7为本发明一种实施例的三电平谐振电路原理图；
图8为本发明另一种实施例的三电平谐振电路原理图；
图9为本发明一种实施例的电压检测和控制电路原理图；
图10为图9在第二开关管的寄生体二极管导通时的等效电路；
本发明的特征及优点将通过实施例结合附图进行详细说明。
具体实施方式
请参考图2，一种实施例的不对称半桥谐振电路包括谐振电容Cr、谐振电感Lr和可控限压电路。该可控限压电路包括电压检测和控制电路、第一开关管Ss1和第二开关管Ss2，第一开关管Ss1和第二开关管Ss2反向串接后并联连接在谐振电容Cr上。电压检测和控制电路的电压检测端耦合到谐振电容Cr上，电压检测和控制电路的输出端耦合到第一开关管Ss1和第二开关管Ss2的驱动极上。优选地，第一开关管Ss1和第二开关管Ss2采用MOSFET，第一开关管Ss1和第二开关管Ss2的源极对接，漏极分别接在谐振电容Cr的两端。
利用上述可控限压电路对谐振电路进行动态控制的方法如下：
电路谐振时，由电压检测和控制电路检测谐振元件(本实施例为谐振电容Cr)上的电压，当检测到谐振电容Cr上的电压超过设定的限值时，电压检测和控制电路控制并联连接在谐振元件上的第一开关管Ss 1和第二开关管Ss2进入放大状态，利用第一、二开关管支路给Cr放电，从而使谐振电容Cr上的电压维持在一个设定的电压值，以起到对谐振电容Cr的过压箝位作用，降低谐振的峰值。
通过设置可控限压电路，能够避免谐振元件上出现较高的谐振电压而导致较高的电压应力和电流应力，从而有效地保护了谐振电路，提高了电路工作的可靠性。
请参考图3，该实施例的不对称半桥谐振电路与上一实施例的区别在于，可控限压电路用于检测和限制谐振电感Lr上的过电压，即第一开关管Ss1和第二开关管Ss2反向串接后并联连接在谐振电感Lr上，同时电压检测和控制电路的电压检测端耦合到谐振电感Lr上。其工作原理与上一实施例是类似的。
本发明的谐振电路不仅包括前述的不对称半桥谐振电路、还包括(但不限于)对称半桥谐振电路、全桥谐振电路和三电平谐振电路，工作原理与前述实施例是类似的。
请参考图4，一种实施例的对称半桥谐振电路包括谐振电感Lr、两个谐振电容Cr1和可控限压电路，其中，可控限压电路用于检测和限制谐振电感Lr上的过电压，即第一开关管Ss1和第二开关管Ss2反向串接后并联连接在谐振电感Lr上，电压检测和控制电路的电压检测端耦合到谐振电感Lr上，电压检测和控制电路的输出端耦合到第一开关管Ss1和第二开关管Ss2的驱动极上。
在另一种实施例的对称半桥谐振电路，设置两个可控限压电路，分别用于检测和限制两个谐振电容Cr1上的过电压。
请参考图5，一种实施例的全桥谐振电路包括谐振电感Lr、谐振电容Cr和可控限压电路，其中，可控限压电路用于检测和限制谐振电容Cr上的过电压，即第一开关管Ss1和第二开关管Ss2反向串接后并联连接在谐振电容Cr上，电压检测和控制电路的电压检测端耦合到谐振电容Cr上，电压检测和控制电路的输出端耦合到第一开关管Ss1和第二开关管Ss2的驱动极上。
请参考图6，该实施例的全桥谐振电路与上一实施例的区别在于，可控限压电路用于检测和限制谐振电感Lr上的过电压，即第一开关管Ss1和第二开关管Ss2反向串接后并联连接在谐振电感Lr上，同时电压检测和控制电路的电压检测端耦合到谐振电感Lr上。其工作原理与上一实施例是类似的。
请参考图7，一种实施例的三电平谐振电路包括谐振电感Lr、谐振电容Cr和可控限压电路，其中，可控限压电路用于检测和限制谐振电容Cr上的过电压，即第一开关管Ss1和第二开关管Ss2反向串接后并联连接在谐振电容Cr上，电压检测和控制电路的电压检测端耦合到谐振电容Cr上，电压检测和控制电路的输出端耦合到第一开关管Ss1和第二开关管Ss2的驱动极上。
请参考图8，该实施例的三电平谐振电路与上一实施例的区别在于，可控限压电路用于检测和限制谐振电感Lr上的过电压，即第一开关管Ss1和第二开关管Ss2反向串接后并联连接在谐振电感Lr上，同时电压检测和控制电路的电压检测端耦合到谐振电感Lr上。其工作原理与上一实施例是类似的。
请参考图9，在一种实施例中，谐振电路为不对称半桥谐振电路或全桥谐振电路，谐振元件为谐振电容Cr，第一开关管Ss1和第二开关管Ss2为源极相接的MOSFET，电压检测和控制电路包括第一分压电路、第一并联型电压基准U1、第一限流电阻R1、第二分压电路、第二并联型电压基准U2和第二限流电阻R4。第一分压电路包括串接的第一分压电阻R2和第二分压电阻R3，第二分压电路包括串接的第三分压电阻R5和第四分压电阻R6。
第一分压电路、第一并联型电压基准U1、第一限流电阻R1和第二分压电路、第二并联型电压基准U2和第二限流电阻R4呈对称设置。第一分压电路与第一开关管Ss1并联连接，第一并联型电压基准U1的基准端与第一分压电路的分压节点相连，第一并联型电压基准U1的阴极与第一开关管Ss1的栅极相连，并通过第一限流电阻R1与第一开关管Ss1的漏极相连，第一并联型电压基准U1的阳极与第一、二开关管的源极相连。第二分压电路与第二开关管Ss2并联连接，第二并联型电压基准U2的基准端与第二分压电路的分压节点相连，第二并联型电压基准U2的阴极与第二开关管Ss2的栅极相连，并通过第二限流电阻R4与第二开关管Ss2的漏极相连，第二并联型电压基准U2的阳极与第一、二开关管的源极相连。
以上示例的电压检测和控制电路形成谐振尖峰吸收电路，它可以直接接到任何一种需要做谐振尖峰吸收的谐振电路上。由于该吸收电路是对称的2个电路组合在一起，故可以吸收正反向的过压。在第二开关管Ss2的寄生体二极管导通时，该吸收电路的等效电路如图10所示。请参考图9和图10，第一、二分压电阻R2、R3组成一个分压电路，假设需要第一开关管Ss1箝位的电压是Vo，第一并联型电压基准U1的基准电压是2.5V，则
。谐振电容Cr的电压小于Vo时，第一开关管Ss1不开通。在谐振电容Cr的电压超过Vo的时候，第一并联型电压基准U1的输出电压逐步升高，第一开关管Ss1进入放大状态，将谐振电容Cr的电压箝位到Vo。
在另一些实施例中，电压检测和控制电路包含分离的电压检测电路和驱动电路，具体可采用各种常规的电路结构来实现。
上述实施例中的第一开关管和第二开关管也可以是功率三极管、IGBT(Insolated Gate Bipolar Transistor，绝缘栅双极型晶体管)等半导体器件。
在另一方面，本发明还提供一种谐振电路的动态控制方法，包括谐振元件，所述方法包括以下步骤：电压检测和控制电路检测谐振元件上的电压；当检测到过电压时，电压检测和控制电路控制并联连接在谐振元件上的、反向串接的第一开关管和第二开关管进入放大状态。
本发明动态控制方法的多种实施例可参考前述谐振电路实施例的内容来具体实施，例如，该方法既可以应用于对称或不对称半桥谐振电路，也可以在全桥谐振电路、各种三电平的变形电路上实现，此处不再赘述。
以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换，都应当视为属于本发明的保护范围。
Claims (10)
1.一种具有可控限压电路的谐振电路，包括谐振元件，其特征在于，还包括可控限压电路，其包括电压检测和控制电路、第一开关管和第二开关管，所述第一开关管和所述第二开关管反向串接后并联连接在所述谐振元件上，所述电压检测和控制电路的电压检测端耦合到所述谐振元件上，所述电压检测和控制电路的输出端耦合到所述第一开关管和所述第二开关管的驱动极上。
2.如权利要求1所述的谐振电路，其特征在于，所述谐振电路为不对称半桥谐振电路、对称半桥谐振电路、全桥谐振电路或三电平谐振电路，所述谐振元件为谐振电容或谐振电感。
3.如权利要求1所述的谐振电路，其特征在于，所述谐振电路为不对称半桥谐振电路或全桥谐振电路，所述谐振元件为谐振电容，所述第一开关管和所述第二开关管为源极相接的MOSFET，所述电压检测和控制电路包括相对称设置的第一分压电路、第一并联型电压基准、第一限流电阻和第二分压电路、第二并联型电压基准、第二限流电阻，所述第一分压电路与所述第一开关管并联连接，所述第一并联型电压基准的基准端与所述第一分压电路的分压节点相连，所述第一并联型电压基准的阴极与所述第一开关管的栅极相连，并通过所述第一限流电阻与所述第一开关管的漏极相连，所述第一并联型电压基准的阳极与所述第一、二开关管的源极相连。
4.如权利要求1所述的谐振电路，其特征在于，所述谐振电路为对称半桥谐振电路，所述谐振元件包括第一谐振电容和第二谐振电容，对应于所述第一谐振电容和所述第二谐振电容分别设置有一个所述可控限压电路。
5.一种谐振电路的动态控制方法，所述谐振电路包括谐振元件，其特征在于，所述方法包括以下步骤：
a.电压检测和控制电路检测所述谐振元件上的电压；和
b.当检测到过电压时，电压检测和控制电路控制并联连接在所述谐振元件上的、反向串接的第一开关管和第二开关管进入放大状态。
6.如权利要求5所述的动态控制方法，其特征在于，所述谐振电路为不对称半桥谐振电路、对称半桥谐振电路、全桥谐振电路或三电平谐振电路，所述谐振元件为谐振电容或谐振电感。
7.如权利要求5所述的动态控制方法，其特征在于，所述谐振电路为不对称半桥谐振电路或全桥谐振电路，所述谐振元件为谐振电容，所述第一开关管和所述第二开关管为源极相接的MOSFET，所述电压检测和控制电路包括相对称设置的第一分压电路、第一并联型电压基准、第一限流电阻和第二分压电路、第二并联型电压基准、第二限流电阻，所述第一分压电路与所述第一开关管并联连接，所述第一并联型电压基准的基准端与所述第一分压电路的分压节点相连，所述第一并联型电压基准的阴极与所述第一开关管的栅极相连，并通过所述第一限流电阻与所述第一开关管的漏极相连，所述第一并联型电压基准的阳极与所述第一、二开关管的源极相连。
8.如权利要求5所述的动态控制方法，其特征在于，所述谐振电路为对称半桥谐振电路，所述谐振元件包括第一谐振电容和第二谐振电容，分别对所述第一谐振电容和所述第二谐振电容实施所述步骤a和所述步骤b。
9.一种用于谐振元件的可控限压电路，其特征在于，包括电压检测和控制电路、第一开关管和第二开关管，所述第一开关管和所述第二开关管反向串接后并联连接在所述谐振元件上，所述电压检测和控制电路的电压检测端耦合到所述谐振元件上，所述电压检测和控制电路的输出端耦合到所述第一开关管和所述第二开关管的驱动极上。
10.如权利要求9所述的可控限压电路，其特征在于，所述谐振元件为谐振电容，所述第一开关管和所述第二开关管为源极相接的MOSFET，所述电压检测和控制电路包括相对称设置的第一分压电路、第一并联型电压基准、第一限流电阻和第二分压电路、第二并联型电压基准、第二限流电阻，所述第一分压电路与所述第一开关管并联连接，所述第一并联型电压基准的基准端与所述第一分压电路的分压节点相连，所述第一并联型电压基准的阴极与所述第一开关管的栅极相连，并通过所述第一限流电阻与所述第一开关管的漏极相连，所述第一并联型电压基准的阳极与所述第一、二开关管的源极相连。
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