CN105763063A - 一种带rcd箝位的单管变换器及其控制方法 - Google Patents

一种带rcd箝位的单管变换器及其控制方法 Download PDF

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Abstract

一种带RCD箝位的单管变换器，本申请变压器Tr有原边N1和副边N2，开关管Q1内有二极管D1，开关管Q1的源极端与输入电源负极相连，开关管Q1的漏极端与电感Lr、二极管Db阳极端相连，变压器Tr的原边N1的同名端与电容Cb、电阻Rb共同与输入电源正极相连，变压器Tr的原边N1的异名端与电感Lr相连，二极管Db阳极端与电容Cb、电阻Rb相连，变压器Tr的同名端与二极管D2阳极相连，变压器Tr的异名端与输出端相连，二极管D2阴极与滤波电容Co相连，输出滤波的电容Co与负载电阻Ro并联在输出端。本发明解决了传统带RCD箝位的单端正激变换器的输出整流二极管的寄生振荡、反向恢复的问题，减少了磁性元件的使用。

Description

一种带RCD箝位的单管变换器及其控制方法
技术领域
本发明涉及电力电子变换器领域，特别是涉及一种带RCD箝位的单管变换器及其控制方法。
背景技术
带RCD箝位的单端正激变换器电路结构简单、输入输出电气隔离、易于多路输出、占空比可大于0.5、功率开关电压应力低等优点，因而广泛应用于中小功率电源变换。但是传统带RCD箝位的单端正激变换器存在输出整流二极管反向恢复、电压振荡等缺点，而且由于滤波单元采用大电感与电容结合的电路，使得变换器的体积普遍较大，占用空间大。传统双管正激变换器通过调节开关管的占空比来进行调节控制，调节方式单一，无法有针对性地进行调节以提高变换器的效率，因此需要设计一种带RCD箝位的单管变换器及其控制方法来解决以上问题。
与现有技术相比授权公告号：CN100511942，专利名称正反激双向DC-DC变换器的控制方法，对比专利正反激双向DC-DC变换器的控制方法主要侧重于变换器传输能量的方式以及双向控制方法，而本申请所写专利主要侧重于提出新的拓扑，解决变换器体积大以及输出整流二极管寄生振荡问题的问题。提出控制方法也不是针对双向变换器。
与现有技术相比授权公告号：CN104143919A，专利名称双向直流变换器，对比专利双向直流变换器主要提出一种双向直流变换器，解决开关元件的软开关问题的同时提高变压器的效率。而所写专利提出变换器主要解决变换器体积大以及输出整流二极管寄生振荡问题的问题，本申请所解决问题不同，同时，提出控制方法、拓扑也不同，应用场合也不同。
与现有技术相比授权公告号：CN101030732，专利名称输出电流纹波最小化正激式磁集成变换器，对比专利输出电流纹波最小化正激式磁集成变换器针对正激式变换器输出电流纹波大的缺点，给出一种变压器和电感的磁集成方案，该专利侧重于变换器的磁集成方案，副边仍存在输出滤波电感，且并未变换器的控制方案并未在专利中提及。
与现有技术相比授权公告号：CN201008125，专利名称有源钳位磁集成变换器，对比文件有源钳位磁集成变换器针对有源箝位正激变换器输出电流纹波大的缺点，给出一种变压器和电感的磁集成方案。该专利侧重于变换器的磁集成方案，副边仍存在输出滤波电感，且并未变换器的控制方案并未在专利中提及。
发明内容
为了解决上述存在的问题，本发明提供一种带RCD箝位的单管变换器及其控制方法，输出滤波电路只保留一个电容滤波，一方面减少了磁性元件的使用，使得滤波电路的体积减小，另一方面解决了整流二极管的寄生振荡、反向恢复的问题。同时对变换器分段优化组合控制方案，该控制方案可以结合不同的优化目标，有针对性地调节控制方式，使变换器工作更为高效，为达此目的，本发明提供一种带RCD箝位的单管变换器，包括变压器Tr、开关管Q1、二极管Db、二极管D2，电感Lr、电容Cb、电容Co、电阻Rb和电阻Ro，其特征在于：所述变压器Tr有原边N1和副边N2，所述开关管Q1内有二极管D1，所述开关管Q1的源极端与输入电源负极相连，所述开关管Q1的漏极端与电感Lr、二极管Db阳极端相连，所述变压器Tr的原边N1的同名端与电容Cb、电阻Rb共同与输入电源正极相连，所述变压器Tr的原边N1的异名端与电感Lr相连，所述二极管Db阳极端与电容Cb、电阻Rb相连，所述变压器Tr的同名端与二极管D2阳极相连，所述变压器Tr的异名端与输出端相连，所述二极管D2阴极与滤波电容Co相连，输出滤波的电容Co与负载电阻Ro并联在输出端。
本发明的进一步改进，所述电感Lr为外加电感或由变压器Tr漏感提供，本发明可根据实际安装需要采用外加电感或由变压器Tr漏感提供。
本发明的进一步改进，所述开关管Q1为MOS管或晶体管IGBT或三极管，本发明使用时候所述MOS管可由IGBT、三极管替换，替换原则如下：MOS管的漏极对应三极管、IGBT的集电极，MOS管的源极对应三极管、IGBT的发射极，使用者可根据实际情况进行选择。
本发明一种带RCD箝位的单管变换器的控制方法，所述控制方法采用第一电压传感器采样输入电压Vinf，作为分段控制器的一个输入信号，同时，采用第二电压传感器采样输出电压Vof，与参考电压Vref经过减法器产生误差信号Ve，再经过电压调节器产生输出信号为Voe，与三角载波发生器产生的输出信号Vc，通过比较器产生信号Vr，作为分段控制器的另一个输入信号。通过分段控制器对该信号进行判断，为开关管Q1提供驱动信号uQ1，再设定输入电压参考值Vin1、Vin2，其中Vin1<Vin2。当输入电压Vin大于Vin2或小于Vin1时，控制方式选择器保持占空比D大小不变，通过变频调节器调节开关频率fs得出调制信号；当输入电压Vin大小在两个标准值Vin1、Vin2之间时，控制方式选择器保持频率fs不变，通过恒频脉宽调节器调节占空比D的大小得出调制信号。最后通过或门电路对上述产生的两种调制信号进行选择，为开关管Q1提供驱动信号uQ1。
与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：
1、该电路结构比传统的变换器结构减少了一个大电感和一个二极管，减少了元器件，特别是磁性元件的使用，减小了变换器的体积、重量；
2、从根本上解决了输出整流二极管反向恢复、寄生振荡的问题；
3、组合控制方案可以针对不同的优化目标，使用变换器更加高效；
4、灵活度高可针对不同变换器、不同的优化目标，划分不同工作模式的边界点，有针对性的研究更加高效的控制策略。
附图说明
图1为带RCD箝位的单管变换器的电路图；
图1中符号名称：变压器Tr，开关管Q1，二极管Db、D2，电感Lr、电容Cb、Co，电阻Rb、Ro；
图2为带RCD箝位的单管变换器的工作波形；
图3为带RCD箝位的单管变换器的工作模态；
图4为带RCD箝位的单管变换器的控制调制策略示意图；
图5为带RCD箝位的单管变换器的控制策略示意图（分段控制器）。
具体实施方式
下面结合附图与具体实施方式对本发明作进一步详细描述：
本发明提供一种带RCD箝位的单管变换器及其控制方法，输出滤波电路只保留一个电容滤波，一方面减少了磁性元件的使用，使得滤波电路的体积减小，另一方面解决了整流二极管的寄生振荡、反向恢复的问题。同时对变换器分段优化组合控制方案，该控制方案可以结合不同的优化目标，有针对性地调节控制方式，使变换器工作更为高效。
带RCD箝位的单管变换器电路拓扑如图1所示，包括变压器Tr（原边N1、副边N2），开关管Q1（D1为其体二极管），二极管Db、D2，电感Lr（可由变压器漏感提供）、电容Cb、Co，电阻Rb、Ro。所述开关管可为MOS管。开关管Q1（D1为其体二极管）源极端与输入电源负极相连，漏极端与电感Lr、二极管Db阳极端相连。变压器原边同名端与电容Cb、电阻Rb共同与输入电源正极相连，异名端与电感Lr相连。二极管Db阳极端与电容Cb、电阻Rb相连。变压器同名端与二极管D2阳极相连，异名端与输出端相连。二极管D2阴极与滤波电容Co相连，输出滤波电容Co与负载电阻Ro并联在输出端。所述MOS管可由IGBT、三极管替换，替换原则如下：所述MOS管的漏极对应三极管、IGBT的集电极，所述MOS管的源极对应三极管、IGBT的发射极。所述变换器原边电感Lr可以是外加电感，也可由变压器漏感提供。内电感双管正激变换器的工作波形如图2所示。
该变换器在一个周期内的工作模态如图3所示，具体分析如下：
[t0,t1]：电路工作模态如图(a)所示。在t0时刻，开关管Q1，谐振电感电流iLr值为零，即。t0时刻之后，+Vin加在变压器原边，iLr开始增加，电源能量传递给负载，变压器被正向磁化。变压器原边极性为上正下负，则变压器副边二极管D2导通。t1时刻，Q1关断，此模态结束。
[t1,t2]：电路工作模态如图(b)所示。t1时刻，Q1关断，iLr流经电容Cb、电阻Rb和二极管Db组成的RCD吸收电路，此时，iLr开始下降，变压器进行磁复位。变压器原边始终有电流正向流过，副边二极管D2继续导通。t2时刻，iLr下降至零，此模态结束。
[t2,t3]：电路工作模态如图(c)所示。t2时刻，iLr下降至零，变压器原边没有电流流过，副边输出电容给负载供电，直到开关管Q1开通，该模态结束，开始下一个周期的工作。
本专利提出以输入电压大小作为变换器工作模式划分依据，可针对不同变换器、不同的优化目标，有针对性的研究更加高效的控制策略。采用第一电压传感器1采样输入电压(Vinf)，作为分段控制器6的一个输入信号。同时，采用第二电压传感器2采样输出电压(Vof)，与参考电压(Vref)经过减法器产生误差信号(Ve)，再经过电压调节器3产生输出信号为(Voe)，与三角载波发生器4产生的输出信号(Vc)，通过比较器5产生信号(Vr)，作为分段控制器6的另一个输入信号。其示意图如图4所示。
分段选择控制器5工作方式为：设定输入电压参考值Vin1、Vin2，其中Vin1<Vin2。当输入电压Vin大于Vin2或小于Vin1时，控制方式选择器61保持占空比D大小不变，通过变频调节器62调节开关频率fs得出调制信号；当输入电压Vin大小在两个标准值Vin1、Vin2之间时，控制方式选择器61保持频率fs不变，通过恒频脉宽调节器63调节占空比D的大小得出调制信号。最后通过或门电路64对上述产生的两种调制信号进行选择，为开关管Q1提供驱动信号(uQ1)。其示意图如图5所示。
以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非是对本发明作任何其他形式的限制，而依据本发明的技术实质所作的任何修改或等同变化，仍属于本发明所要求保护的范围。

Claims (4)

1.一种带RCD箝位的单管变换器，包括变压器Tr、开关管Q1、二极管Db、二极管D2，电感Lr、电容Cb、电容Co、电阻Rb和电阻Ro，其特征在于：所述变压器Tr有原边N1和副边N2，所述开关管Q1内有二极管D1，所述开关管Q1的源极端与输入电源负极相连，所述开关管Q1的漏极端与电感Lr、二极管Db阳极端相连，所述变压器Tr的原边N1的同名端与电容Cb、电阻Rb共同与输入电源正极相连，所述变压器Tr的原边N1的异名端与电感Lr相连，所述二极管Db阳极端与电容Cb、电阻Rb相连，所述变压器Tr的同名端与二极管D2阳极相连，所述变压器Tr的异名端与输出端相连，所述二极管D2阴极与滤波电容Co相连，输出滤波的电容Co与负载电阻Ro并联在输出端。
2.根据权利要求1所述的一种带RCD箝位的单管变换器，其特征在于：所述电感Lr为外加电感或由变压器Tr漏感提供。
3.根据权利要求1所述的一种带RCD箝位的单管变换器，其特征在于：所述开关管Q1为MOS管或晶体管IGBT或三极管。
4.一种带RCD箝位的单管变换器的控制方法，其特征在于：所述控制方法采用第一电压传感器（1）采样输入电压Vinf，作为分段控制器（6）的一个输入信号，同时，采用第二电压传感器（2）采样输出电压Vof，与参考电压Vref经过减法器产生误差信号Ve，再经过电压调节器（3）产生输出信号为Voe，与三角载波发生器（4）产生的输出信号Vc，通过比较器（5）产生信号Vr，作为分段控制器（6）的另一个输入信号，通过分段控制器（6）对该信号进行判断，为开关管Q1提供驱动信号uQ1，再设定输入电压参考值Vin1、Vin2，其中Vin1<Vin2；
当输入电压Vin大于Vin2或小于Vin1时，控制方式选择器（61）保持占空比D大小不变，通过变频调节器（62）调节开关频率fs得出调制信号；当输入电压Vin大小在两个标准值Vin1、Vin2之间时，控制方式选择器（61）保持频率fs不变，通过恒频脉宽调节器（63）调节占空比D的大小得出调制信号，最后通过或门电路（64）对上述产生的两种调制信号进行选择，为开关管Q1提供驱动信号uQ1。
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