CN105915060A - 具有副边绕组磁复位功能的正激变换电路及其复位方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种具有副边绕组磁复位功能的正激变换电路，包括正激变换器主电路、励磁能量存储电路和励磁能量转移电路，正激变换器主电路包括高频变压器T1、开关管Q1、二极管D1、二极管D2、电感L1和电容C1；励磁能量存储电路包括二极管D3和电容C2，二极管D3的阳极与二极管D1的阴极连接，二极管D3的阴极与电容C2的一端连接，电容C2的另一端与二极管D1的阳极连接；励磁能量转移电路包括二极管D4和电感L2，二极管D4的阳极与二极管D3的阴极连接，二极管D4的阴极与电感L2的一端连接；本发明还公开了一种具有副边绕组磁复位功能的正激变换电路的复位方法。本发明的设计合理，能量利用率高，便于推广使用。

Description

具有副边绕组磁复位功能的正激变换电路及其复位方法
技术领域
本发明属于开关电源技术领域，具体涉及一种具有副边绕组磁复位功能的正激变换电路及其复位方法。
背景技术
在众多的开关电源电路拓扑中，正激变换器电路结构简单、成本低、输入输出电气隔离、工作可靠性高等诸多优异的性能特点，使其受到业界广泛关注。由于正激变换器的变压器磁芯单向磁化且本身没有磁复位功能，可能引起磁芯饱和等问题，在很大程度上限制了正激变换器的推广，所以必须附加磁复位电路来避免磁芯饱和。目前正激变换器磁复位电路的种类较多，但大部分都需要外加其他电路，不利于电源模块的小型化。
常见的磁复位方式主要包括：RCD电路磁复位、复位绕组磁复位、LCD谐振磁复位、有源钳位等，其主要机理是将开关管关断后变压器上的励磁能量返还给输入电源，或者将这些能量消耗在电阻或者其他耗能器件上。RCD钳位技术具有线路简单等优点，其不足是将励磁能量消耗在箝位电阻中，降低了系统的整体效率。有源钳位技术实现磁复位是一种性能优良的方法，其不足是增加了变换器电路的复杂性及其设计难度与成本。采用磁复位绕组的正激变换器的优点是技术成熟可靠，励磁能量可回馈到输入电源中，但是附加的磁复位绕组使得变压器结构复杂化，并增加了功率开关管的电压应力。
发明内容
本发明所要解决的技术问题在于针对上述现有技术中的不足，提供一种具有副边绕组磁复位功能的正激变换电路，其电路结构简单，设计合理，能量利用率高，实现方便且成本低，实用性强，使用寿命长，便于推广使用。
为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：一种具有副边绕组磁复位功能的正激变换电路，其特征在于：包括正激变换器主电路、励磁能量存储电路和励磁能量转移电路，所述励磁能量转移电路与励磁能量存储电路连接，所述励磁能量存储电路和励磁能量转移电路均与正激变换器主电路连接；所述正激变换器主电路包括高频变压器T1、开关管Q1、二极管D1、二极管D2、电感L1和电容C1，所述开关管Q1的栅极与外部控制器的输出端连接，所述开关管Q1的漏极与高频变压器T1的一次绕组W1的一端连接，所述高频变压器T1的一次绕组W1的另一端为正激变换器主电路的正极电压输入端IN+且与外部电源的正极输出端连接，所述开关管Q1的源极为正激变换器主电路的负极电压输入端IN-且与外部电源的负极输出端连接，所述二极管D1的阳极与高频变压器T1的二次绕组W2的一端连接，所述二极管D1的阴极和二极管D2的阴极均与电感L1的一端连接，所述电感L1的另一端与电容C1的一端连接且为正激变换器主电路的正极电压输出端OUT+，所述二极管D2的阳极和电容C1的另一端均与高频变压器T1的二次绕组W2的另一端连接且为正激变换器主电路的负极电压输出端OUT-；所述励磁能量存储电路包括二极管D3和电容C2，所述二极管D3的阳极与二极管D1的阴极连接，所述二极管D3的阴极与电容C2的一端连接，所述电容C2的另一端与二极管D1的阳极连接；所述励磁能量转移电路包括二极管D4和电感L2，所述二极管D4的阳极与二极管D3的阴极连接，所述二极管D4的阴极与电感L2的一端连接，所述电感L2的另一端与正激变换器主电路的正极电压输出端OUT+连接。
上述的具有副边绕组磁复位功能的正激变换电路，其特征在于：所述开关管Q1为NMOS开关管。
本发明还公开了一种方法步骤简单、实现方法、实用性强的具有副边绕组磁复位功能的正激变换电路的复位方法，其特征在于，该方法的具体过程为：
外部控制器输出PWM脉冲，控制开关管Q1周期性导通和关断；
在开关管Q1导通结束即将关断的瞬间，高频变压器T1的励磁能量达到最大值，电容C2的电压已放电到零；
当开关管Q1关断时，高频变压器T1的二次绕组W2的电压为上负下正，二极管D1反偏关断，二极管D2导通续流，此时二极管D2、电感L1、电容C1和接在正激变换器主电路的负极电压输出端OUT-与正极电压输出端OUT+之间的负载电阻RL构成了放能回路，继续对负载电阻RL提供能量；同时，二极管D3导通，二极管D3与电容C2构成了励磁能量存储电路，高频变压器T1的二次绕组W2通过二极管D2和二极管D3给电容C2充电，将高频变压器T1的励磁能量转移到电容C2中，高频变压器T1的励磁电流逐渐减小，直到减小为零，在下一个导通周期到来之前，高频变压器T1的励磁能量全部转移到电容C2中，电容C2两端的电压充电到最大值；电感L2、二极管D2、二极管D3、二极管D4和负载电阻RL构成了能量释放回路，电感L2向负载电阻RL提供能量；
在开关管Q1关断期间，当二极管D3的阴极端的电压大于正激变换器主电路的输出电压Vo时，二极管D4导通，在高频变压器T1的励磁电流减小为零之前，一部分励磁电流通过电感L2流向输出端，向负载电阻RL提供能量；另一部分励磁电流继续对电容C2充电，电容C2两端电压继续增加，直到励磁电流减小为零；在高频变压器T1的励磁电流减小为零且下一个开关开通周期未到来时，电容C2将通过二极管D4、电感L2向负载电阻RL提供能量，直到二极管D3的阴极端电压等于输出电压Vo；此时，电容C2停止放能，电容C2两端的电压不再变化，电感L2、负载电阻RL、二极管D2、二极管D3和二极管D4构成了能量释放回路，向负载电阻RL释放能量，直到下一个开关开通周期到来；
当下一个开关开通周期到来时，开关管Q1导通，外部电源电压Vi加在高频变压器T1的一次绕组W1两端，高频变压器T1将电压从一次绕组W1耦合到二次绕组W2，此时，高频变压器T1的一次绕组W1的电压为上正下负，与一次绕组W1耦合的二次绕组W2的电压也为上正下负，二极管D1导通，通过电感L1对电容C1充电并对负载电阻RL提供能量；此时，正激变换器主电路正常工作；同时，由于电容C2两端电压不能突变，使得二极管D3的阴极端的电压随之迅速升高，并高于二极管D3的阳极端的电压，二极管D3不导通，电容C2放电并通过电感L2向负载电阻RL转移能量，同时对电感L2充电，直到电容C2的电压减小到零，即电容C2中所储存的全部能量通过由二极管D4和电感L2组成的励磁能量转移电路传输给负载电阻RL；当电容C2的电压减小到零时，开关管Q1仍处于导通状态，此时高频变压器T1的二次绕组W2、二极管D1、二极管D3、二极管D4、电感L2和负载电阻RL构成了能量释放回路，向负载电阻RL释放能量，同时对电感L2充电，直到下一个关断周期到来。
本发明与现有技术相比具有以下优点：
1、本发明的具有副边绕组磁复位功能的正激变换电路，电路结构简单，磁复位回路位于变压器副边，设计合理，能量利用率高，实现方便且成本低。
2、本发明的具有副边绕组磁复位功能的正激变换电路，能够结合正激变换器电路和反激变换器电路的优点，输入输出电气隔离，易于多路输出，整体电路功耗低，变压器磁芯利用率高，实用性强。
3、本发明的具有副边绕组磁复位功能的正激变换电路，工作稳定性和可靠性高，磁复位回路结构简单，器件简单，功耗低，变压器利用率高，能量传输效率高，使用寿命长，便于推广使用。
4、在开关电源中使用本发明的具有副边绕组磁复位功能的正激变换电路后，开关电源的工作安全性和可靠性更高，励磁能量存储电路以及加以辅助的励磁能量转移电路能够使能量利用率提高，在中小功率场合应用较多，可广泛应用于计算机、医疗通信、工业控制、航天设备等领域。
5、本发明的具有副边绕组磁复位功能的正激变换电路的复位方法，方法步骤简单，设计合理，实现方便。
下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。
附图说明
图1为本发明具有副边绕组磁复位功能的正激变换电路的电路原理框图。
图2为本发明具有副边绕组磁复位功能的正激变换电路的电路原理图。
附图标记说明:
1—正激变换器主电路；2—励磁能量存储电路；3—励磁能量转移电路。
具体实施方式
如图1所示，本发明的具有副边绕组磁复位功能的正激变换电路，包括正激变换器主电路1、励磁能量存储电路2和励磁能量转移电路3，所述励磁能量转移电路3与励磁能量存储电路2连接，所述励磁能量存储电路2和励磁能量转移电路3均与正激变换器主电路1连接。如图2所示，所述正激变换器主电路1包括高频变压器T1、开关管Q1、二极管D1、二极管D2、电感L1和电容C1，所述开关管Q1的栅极与外部控制器的输出端连接，所述开关管Q1的漏极与高频变压器T1的一次绕组W1的一端连接，所述高频变压器T1的一次绕组W1的另一端为正激变换器主电路1的正极电压输入端IN+且与外部电源的正极输出端连接，所述开关管Q1的源极为正激变换器主电路1的负极电压输入端IN-且与外部电源的负极输出端连接，所述二极管D1的阳极与高频变压器T1的二次绕组W2的一端连接，所述二极管D1的阴极和二极管D2的阴极均与电感L1的一端连接，所述电感L1的另一端与电容C1的一端连接且为正激变换器主电路1的正极电压输出端OUT+，所述二极管D2的阳极和电容C1的另一端均与高频变压器T1的二次绕组W2的另一端连接且为正激变换器主电路1的负极电压输出端OUT-；所述励磁能量存储电路2包括二极管D3和电容C2，所述二极管D3的阳极与二极管D1的阴极连接，所述二极管D3的阴极与电容C2的一端连接，所述电容C2的另一端与二极管D1的阳极连接；所述励磁能量转移电路3包括二极管D4和电感L2，所述二极管D4的阳极与二极管D3的阴极连接，所述二极管D4的阴极与电感L2的一端连接，所述电感L2的另一端与正激变换器主电路1的正极电压输出端OUT+连接。其中，二极管D1为整流二极管，二极管D2为续流二极管，电感L1为滤波电感，电容C1为输出滤波电容；负载电阻RL接在正激变换器主电路的负极电压输出端OUT-与正极电压输出端OUT+之间。
本实施例中，所述开关管Q1为NMOS开关管。
本发明的具有副边绕组磁复位功能的正激变换电路的复位方法，具体过程为：
外部控制器输出PWM脉冲，控制开关管Q1周期性导通和关断；
在开关管Q1导通结束即将关断的瞬间，高频变压器T1的励磁能量达到最大值，电容C2的电压已放电到零；
当开关管Q1关断时，高频变压器T1的二次绕组W2的电压为上负下正，二极管D1反偏关断，二极管D2导通续流，此时二极管D2、电感L1、电容C1和接在正激变换器主电路1的负极电压输出端OUT-与正极电压输出端OUT+之间的负载电阻RL构成了放能回路，继续对负载电阻RL提供能量；同时，二极管D3导通，二极管D3与电容C2构成了励磁能量存储电路2，高频变压器T1的二次绕组W2通过二极管D2和二极管D3给电容C2充电，将高频变压器T1的励磁能量转移到电容C2中，高频变压器T1的励磁电流逐渐减小，直到减小为零，在下一个导通周期到来之前，高频变压器T1的励磁能量全部转移到电容C2中，电容C2两端的电压充电到最大值；电感L2、二极管D2、二极管D3、二极管D4和负载电阻RL构成了能量释放回路，电感L2向负载电阻RL提供能量；
在开关管Q1关断期间，当二极管D3的阴极端的电压大于正激变换器主电路1的输出电压Vo时，二极管D4导通，在高频变压器T1的励磁电流减小为零之前，一部分励磁电流通过电感L2流向输出端，向负载电阻RL提供能量；另一部分励磁电流继续对电容C2充电，电容C2两端电压继续增加，直到励磁电流减小为零；在高频变压器T1的励磁电流减小为零且下一个开关开通周期未到来时，电容C2将通过二极管D4、电感L2向负载电阻RL提供能量，直到二极管D3的阴极端电压等于输出电压Vo；此时，电容C2停止放能，电容C2两端的电压不再变化，电感L2、负载电阻RL、二极管D2、二极管D3和二极管D4构成了能量释放回路，向负载电阻RL释放能量，直到下一个开关开通周期到来；
当下一个开关开通周期到来时，开关管Q1导通，外部电源电压Vi加在高频变压器T1的一次绕组W1两端，高频变压器T1将电压从一次绕组W1耦合到二次绕组W2，此时，高频变压器T1的一次绕组W1的电压为上正下负，与一次绕组W1耦合的二次绕组W2的电压也为上正下负，二极管D1导通，通过电感L1对电容C1充电并对负载电阻RL提供能量；此时，正激变换器主电路1正常工作；同时，由于电容C2两端电压不能突变，使得二极管D3的阴极端的电压随之迅速升高，并高于二极管D3的阳极端的电压，二极管D3不导通，电容C2放电并通过电感L2向负载电阻RL转移能量，同时对电感L2充电，直到电容C2的电压减小到零，即电容C2中所储存的全部能量通过由二极管D4和电感L2组成的励磁能量转移电路3传输给负载电阻RL；当电容C2的电压减小到零时，开关管Q1仍处于导通状态，此时高频变压器T1的二次绕组W2、二极管D1、二极管D3、二极管D4、电感L2和负载电阻RL构成了能量释放回路，向负载电阻RL释放能量，同时对电感L2充电，直到下一个关断周期到来。
以上所述，仅是本发明的较佳实施例，并非对本发明作任何限制，凡是根据本发明技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、变更以及等效结构变化，均仍属于本发明技术方案的保护范围内。

Claims (3)

1.一种具有副边绕组磁复位功能的正激变换电路，其特征在于：包括正激变换器主电路(1)、励磁能量存储电路(2)和励磁能量转移电路(3)，所述励磁能量转移电路(3)与励磁能量存储电路(2)连接，所述励磁能量存储电路(2)和励磁能量转移电路(3)均与正激变换器主电路(1)连接；所述正激变换器主电路(1)包括高频变压器T1、开关管Q1、二极管D1、二极管D2、电感L1和电容C1，所述开关管Q1的栅极与外部控制器的输出端连接，所述开关管Q1的漏极与高频变压器T1的一次绕组W1的一端连接，所述高频变压器T1的一次绕组W1的另一端为正激变换器主电路(1)的正极电压输入端IN+且与外部电源的正极输出端连接，所述开关管Q1的源极为正激变换器主电路(1)的负极电压输入端IN-且与外部电源的负极输出端连接，所述二极管D1的阳极与高频变压器T1的二次绕组W2的一端连接，所述二极管D1的阴极和二极管D2的阴极均与电感L1的一端连接，所述电感L1的另一端与电容C1的一端连接且为正激变换器主电路(1)的正极电压输出端OUT+，所述二极管D2的阳极和电容C1的另一端均与高频变压器T1的二次绕组W2的另一端连接且为正激变换器主电路(1)的负极电压输出端OUT-；所述励磁能量存储电路(2)包括二极管D3和电容C2，所述二极管D3的阳极与二极管D1的阴极连接，所述二极管D3的阴极与电容C2的一端连接，所述电容C2的另一端与二极管D1的阳极连接；所述励磁能量转移电路(3)包括二极管D4和电感L2，所述二极管D4的阳极与二极管D3的阴极连接，所述二极管D4的阴极与电感L2的一端连接，所述电感L2的另一端与正激变换器主电路(1)的正极电压输出端OUT+连接。
2.按照权利要求1所述的具有副边绕组磁复位功能的正激变换电路，其特征在于：所述开关管Q1为NMOS开关管。
3.一种如权利要求1所述的具有副边绕组磁复位功能的正激变换电路的复位方法，其特征在于，该方法的具体过程为：
外部控制器输出PWM脉冲，控制开关管Q1周期性导通和关断；
在开关管Q1导通结束即将关断的瞬间，高频变压器T1的励磁能量达到最大值，电容C2的电压已放电到零；
当开关管Q1关断时，高频变压器T1的二次绕组W2的电压为上负下正，二极管D1反偏关断，二极管D2导通续流，此时二极管D2、电感L1、电容C1和接在正激变换器主电路(1)的负极电压输出端OUT-与正极电压输出端OUT+之间的负载电阻RL构成了放能回路，继续对负载电阻RL提供能量；同时，二极管D3导通，二极管D3与电容C2构成了励磁能量存储电路(2)，高频变压器T1的二次绕组W2通过二极管D2和二极管D3给电容C2充电，将高频变压器T1的励磁能量转移到电容C2中，高频变压器T1的励磁电流逐渐减小，直到减小为零，在下一个导通周期到来之前，高频变压器T1的励磁能量全部转移到电容C2中，电容C2两端的电压充电到最大值；电感L2、二极管D2、二极管D3、二极管D4和负载电阻RL构成了能量释放回路，电感L2向负载电阻RL提供能量；
在开关管Q1关断期间，当二极管D3的阴极端的电压大于正激变换器主电路(1)的输出电压Vo时，二极管D4导通，在高频变压器T1的励磁电流减小为零之前，一部分励磁电流通过电感L2流向输出端，向负载电阻RL提供能量；另一部分励磁电流继续对电容C2充电，电容C2两端电压继续增加，直到励磁电流减小为零；在高频变压器T1的励磁电流减小为零且下一个开关开通周期未到来时，电容C2将通过二极管D4、电感L2向负载电阻RL提供能量，直到二极管D3的阴极端电压等于输出电压Vo；此时，电容C2停止放能，电容C2两端的电压不再变化，电感L2、负载电阻RL、二极管D2、二极管D3和二极管D4构成了能量释放回路，向负载电阻RL释放能量，直到下一个开关开通周期到来；
当下一个开关开通周期到来时，开关管Q1导通，外部电源电压Vi加在高频变压器T1的一次绕组W1两端，高频变压器T1将电压从一次绕组W1耦合到二次绕组W2，此时，高频变压器T1的一次绕组W1的电压为上正下负，与一次绕组W1耦合的二次绕组W2的电压也为上正下负，二极管D1导通，通过电感L1对电容C1充电并对负载电阻RL提供能量；此时，正激变换器主电路(1)正常工作；同时，由于电容C2两端电压不能突变，使得二极管D3的阴极端的电压随之迅速升高，并高于二极管D3的阳极端的电压，二极管D3不导通，电容C2放电并通过电感L2向负载电阻RL转移能量，同时对电感L2充电，直到电容C2的电压减小到零，即电容C2中所储存的全部能量通过由二极管D4和电感L2组成的励磁能量转移电路(3)传输给负载电阻RL；当电容C2的电压减小到零时，开关管Q1仍处于导通状态，此时高频变压器T1的二次绕组W2、二极管D1、二极管D3、二极管D4、电感L2和负载电阻RL构成了能量释放回路，向负载电阻RL释放能量，同时对电感L2充电，直到下一个关断周期到来。
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Inventor after: Yuan Cuiping

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