CN107749716B - 一种反激有源钳位电路及其控制方法 - Google Patents

一种反激有源钳位电路及其控制方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种反激有源钳位电路及其控制方法，所述反激有源钳位电路包括反激式开关电源，还包括第一电容和第一开关管，所述第一电容的一端与输入电源的高电位端连接，另一端与所述第一开关管的第一端连接，所述第一开关管的第二端连接于所述主功率开关管与所述原边绕组的公共端上；根据主功率开关管导通且第一开关管关断的时间和所述磁化电感两端的电压，调节第一开关管的关断时刻。本发明在临界导通模式(BCM)或断续导通模式(DCM)下，调节和控制第一开关管的关断时刻，有利于降低损耗。尤其是在临界导通模式下，在磁化电感上产生轻微负电流，使得主功率开关管导通之前，对主功率开关管与原边绕组的公共端(主功率开关管的漏极)放电。

Description

一种反激有源钳位电路及其控制方法
技术领域
本发明涉及一种电力电子技术领域，特别涉及一种反激有源钳位电路及其控制方法。
背景技术
反激式开关电源是一种隔离式开关电源，广泛应用于交流直流(AC/DC)和直流直流(DC/DC)转换，并在输入级和输出级之间提供绝缘隔离。反激式开关电源包括主功率开关管、变压器和副边整流管，所述变压器包括原边绕组和副边绕组，所述主功率开关管与所述原边绕组连接，所述副边整流管与所述副边绕组连接，由原边控制电路控制主功率开关管的开关状态，位于副边的副边整流管在主功率开关管关断后导通续流。
有源钳位拓扑结构是在反激式开关电源的主功率开关管之漏极连接一个电容，在主功率开关管之漏极与电容之间连接一个开关管，所述的电容与输入电源连接。主功率开关管导通后关断时，漏极关断瞬间，关断波形的瞬间尖峰和高次谐波通过电容耦合到电源上，达到主功率开关管漏极电压钳位的目的，降低主功率开关管的关断损耗，从而降低开关电源的功率损耗。
如图1所示，示意了一种反激有源钳位电路，当系统工作于临界导通模式(BCM)或者断续导通模式(DCM)时，在每个开关周期开始时，磁化电流接近于零。现有技术一般是通过如图2的方式控制开关管MA的开通和关断，主功率开关管M0开通时，开关管MA关断，主功率开关管M0关断时，开关管MA开通。
LM为原边绕组中的磁化电感，现有技术利用图2中的控制方式控制开关管MA的关断，由于在主功率开关管M0开通之前，没有针对开关管MA关断时刻的精确控制，可能会造成LM上负电流过大而增加导通损耗的技术问题。而且，BCM和DCM模式对于是否需要负电流的情况不同，现有技术没有对此进行区分判断和控制。
发明内容
有鉴于此，本发明的目的是提供一种通过控制开关管的关断时刻来降低主功率开关管开通损耗的反激有源钳位电路，解决现有技术存在的主功率开关管开通损耗大的技术问题。
为实现上述目的，本发明提供了一种反激有源钳位电路，包括主功率开关管、变压器和副边整流管，所述变压器包括原边绕组和副边绕组，所述原边绕组包括磁化电感，所述主功率开关管与所述原边绕组连接，所述副边整流管与所述副边绕组连接，由原边控制电路控制主功率开关管的开关状态，副边整流管在主功率开关管关断后导通续流；
所述反激有源钳位电路还包括第一电容和第一开关管，所述第一电容的一端与输入电源的高电位端连接，另一端与所述第一开关管的第一端连接，所述第一开关管的第二端连接于所述主功率开关管与所述原边绕组的公共端上；
判断所述反激有源钳位电路的工作模式，若工作在临界导通模式或断续导通模式时，则根据主功率开关管导通且第一开关管关断的时间和所述磁化电感两端的电压，调节第一开关管的关断时刻。
可选的，所述反激有源钳位电路还包括用于控制所述第一开关管关断的开关管控制电路，所述开关管控制电路包括第二电容，检测磁化电感两端的电压，并得到表征磁化电感两端电压的电流信号，在主功率开关管导通且第一开关管关断期间，所述电流信号对所述第二电容充电，在主功率开关管关断且第一开关管导通期间，所述电流信号对所述第二电容放电，在放电过程中，第二电容上的电压降至相应参考信号时，则控制所述第一开关管关断。
可选的，所述第一开关管的关断时刻至所述主功率开关管的导通时刻的时间为第一时间，当所述第一时间达到阈值时间时，则判断所述反激有源钳位电路工作在断续导通模式，否则为临界导通模式。
可选的，所述反激有源钳位电路工作在临界导通模式下时，在第一开关管关断后，检测主功率开关管与原边绕组之公共端的电压或电压变化率，当一段时间所述主功率开关管与原边绕组之公共端的电压或主功率开关管与原边绕组之公共端的电压变化率达到相应阈值时，则提前或延迟所述第一开关管下一周期的关断时刻。
可选的，所述开关控制电路还包括辅助绕组、第一电阻和比较电路，所述辅助绕组与所述变压器耦合，所述第一电阻与所述辅助绕组连接以采样辅助绕组的电压，所述第一电阻上的电压表征所述磁化电感两端的电压，采样所述第一电阻上的电流，得到所述表征磁化电感两端电压的电流信号，所述电流信号输至所述第二电容，所述第二电容上的电压接入所述比较电路的第一输入端，所述参考信号接入所述比较电路的第二输入端，所述比较电路的输出端与所述第一开关管的控制端连接。
可选的，在第一开关管关断后，主功率开关管导通前，保持所述第二电容两端电压等于初始电压。
可选的，当所述主功率开关管与原边绕组之公共端的电压或电压变化率低于相应阈值时，通过增大所述参考信号来提前所述第一开关管的关断时刻；当所述主功率开关管与原边绕组之公共端的电压或电压变化率高于相应阈值时，通过降低所述参考信号来延迟所述第一开关管的关断时刻。
可选的，当所述主功率开关管与原边绕组之公共端的电压或电压变化率低于相应阈值时，通过减小所述第二电容或增大对第二电容的放电电流来提前所述第一开关管的关断时刻；当所述主功率开关管与原边绕组之公共端的电压或电压变化率高于相应阈值时，通过增大所述第二电容或减小对第二电容的放电电流来延迟所述第一开关管的关断时刻。
本发明还提供一种反激有源钳位电路的控制方法，
基于所述反激有源钳位电路，所述反激有源钳位电路包括主功率开关管、变压器和副边整流管，所述变压器包括原边绕组和副边绕组，所述原边绕组包括磁化电感，所述主功率开关管与所述原边绕组连接，所述副边整流管与所述副边绕组连接，由原边控制电路控制主功率开关管的开关状态，副边整流管在主功率开关管关断后导通续流；
所述反激有源钳位电路还包括第一电容和第一开关管，所述第一电容的一端与输入电源的高电位端连接，另一端与所述第一开关管的第一端连接，所述第一开关管的第二端连接于所述主功率开关管与所述原边绕组的公共端上；
判断所述反激有源钳位电路的工作模式，若工作在临界导通模式或断续导通模式时，根据主功率开关管导通且第一开关管关断的时间和所述磁化电感两端的电压，调节第一开关管的关断时刻。
可选的，所述反激有源钳位电路还包括用于控制所述第一开关管关断的开关管控制电路，所述开关管控制电路包括第二电容，检测磁化电感两端的电压，并得到表征磁化电感两端电压的电流信号，在主功率开关管导通且第一开关管关断期间，所述电流信号对所述第二电容充电，在主功率开关管关断且第一开关管导通期间，所述电流信号对所述第二电容放电，在放电过程中，第二电容上的电压降至相应参考信号时，则控制所述第一开关管关断。
可选的，所述第一开关管的关断时刻至所述主功率开关管的导通时刻的时间为第一时间，当所述第一时间达到阈值时间时，则判断所述反激有源钳位电路工作在断续导通模式，否则为临界导通模式。
可选的，所述反激有源钳位电路工作在临界导通模式下时，在第一开关管关断后，检测主功率开关管与原边绕组之公共端的电压或电压变化率，当一段时间所述主功率开关管与原边绕组之公共端的电压或主功率开关管与原边绕组之公共端的电压变化率达到相应阈值时，则提前或延迟所述第一开关管下一周期的关断时刻。
与现有技术相比，本发明之技术方案具有以下优点：本发明在临界导通模式(BCM)或断续导通模式(DCM)下，调节和控制第一开关管的关断时刻，有利于降低损耗。尤其是在临界导通模式下，在磁化电感上产生负电流，使得主功率开关管导通之前，对主功率开关管与原边绕组的公共端(主功率开关管的漏极)放电，从而控制磁化电感上具有轻微的负电流，从而降低开通损耗，也有利于导通损耗的降低。
附图说明
图1为现有技术反激有源钳位电路的电路结构示意图；
图2为现有技术反激有源钳位电路的控制波形示意图；
图3为本发明反激有源钳位电路的电路结构示意图；
图4为本发明反激有源钳位电路的波形示意图。
具体实施方式
以下结合附图对本发明的优选实施例进行详细描述，但本发明并不仅仅限于这些实施例。本发明涵盖任何在本发明的精神和范围上做的替代、修改、等效方法以及方案。
为了使公众对本发明有彻底的了解，在以下本发明优选实施例中详细说明了具体的细节，而对本领域技术人员来说没有这些细节的描述也可以完全理解本发明。
在下列段落中参照附图以举例方式更具体地描述本发明。需说明的是，附图均采用较为简化的形式且均使用非精准的比例，仅用以方便、明晰地辅助说明本发明实施例的目的。
如图3所示，示意了本发明反激有源钳位电路的电路结构，包括主功率开关管M0、变压器和副边整流管D1，所述变压器包括原边绕组L1和副边绕组L2，所述原边绕组L1包括磁化电感LM，所述主功率开关管M0与所述原边绕组L1连接，所述副边整流管D1与所述副边绕组L2连接，由原边控制电路控制主功率开关管M0的开关状态，副边整流管D1在主功率开关管M0关断后导通续流；
所述反激有源钳位电路还包括第一电容C1和第一开关管MA，所述第一电容C1的一端与输入电源的高电位端连接，另一端与所述第一开关管MA的第一端连接，所述第一开关管MA的第二端连接于所述主功率开关管M0与所述原边绕组L1的公共端上；
根据主功率开关管M0导通且第一开关管MA关断的时间和所述磁化电感LM两端的电压，调节第一开关管MA的关断时刻。主要利用伏秒平衡来实现，具体为：当主功率开关管M0导通，第一开关管MA关断时，磁化电感LM上的电压为Vin-VSW，当主功率开关管M0关断，第一开关管MA开通时，LM上的电压为VA，利用LM上电压的伏秒平衡来决定MA的关断时间。
从电路实现上，则由开关管控制电路实现，如图3所示，所述开关管控制电路包括第二电容C2，检测磁化电感LM两端的电压，并得到表征磁化电感LM两端电压的电流信号，在主功率开关管M0导通且第一开关管MA关断期间，所述电流信号对所述第二电容C2充电，在主功率开关管M0关断且第一开关管MA导通期间，所述电流信号对所述第二电容C2放电，在放电过程中，第二电容C2上的电压降至相应参考信号Vref时，则控制所述第一开关管M0关断。
本发明主要针对反激有源钳位电路的两种工作模式，即临界导通模式(BCM)和断续导通模式(DCM)，在判断反激有源钳位电路工作在BCM或DCM模式下，就可以利用伏秒平衡，控制所述第一开关管的关断时刻，以减小功耗。进一步地，还需要进行BCM或DCM模式的判断，即判断属于BCM还是DCM，因为不同的工作模式下，降低功耗的方式存在不同。关于BCM或DCM模式的判断方式如下：所述第一开关管的关断时刻至所述主功率开关管的导通时刻的时间为第一时间，当所述第一时间达到阈值时间时，则判断所述反激有源钳位电路工作在断续导通模式，否则为临界导通模式。
对于磁化电感LM两端电压的检测有多种实现方式，本实施例利用辅助绕组，所述开关控制电路还包括辅助绕组LN、第一电阻R1和比较电路U1，所述辅助绕组LN与所述变压器耦合，所述第一电阻R1与所述辅助绕组L2连接以采样辅助绕组LN的电压，所述第一电阻R1上的电压表征所述磁化电感LM两端的电压，采样所述第一电阻R1上的电流，具体实现时，通过采样到的电流来调节电流源i1，所述电流源i1经采样电流调节，例如通过比例K进行调节，得到所述表征磁化电感LM两端电压的电流信号，所述电流信号输至所述第二电容C2，所述第二电容C2上的电压接入所述比较电路U1的第一输入端，所述参考信号Vref接入所述比较电路U1的第二输入端，所述比较电路U1的输出端与所述第一开关管MA的控制端连接。该电路的原理主要利用对电容充放电的形式，根据主功率开关管M0导通且第一开关管MA关断的时间，所述磁化电感LM两端的电压，调节第一开关管MA的关断时刻，释放第一开关管MA漏极的能量，以减小开通损耗。在第一开关管关断后，主功率开关管导通前，保持所述第二电容两端电压等于初始电压，初始电压为设定值，其大小可以根据实际应用进行设置，例如，在断续导通模式下，磁化电感LM上不需要负电流，否则反而会增加导通损耗，所以，所述初始电压可以设置成等于所述参考信号，这样可以使得在主功率开关管开通前，磁化电感上没有负电流，有助于降低导通损耗；在连续导通模式下，使得主功率开关管开通之前，控制磁化电感LM上具有轻微的负电流，利用该负电流对VSW进行放电，可以减小M0的开通损耗，因此，所述初始电压可以设置成略大于所述参考信号，从而实现LM上有轻微的负电流。
对于DCM模式来说，由于不需要控制磁化电感LM上负电流的大小，则以上电路和方法就能够可以达到较佳的技术效果。对于BCM模式来说，可以通过进一步的技术手段来控制负电流的大小，实现更为精确的调节。
图3中，比较电路U1的输出端与第一开关管MA的控制端连接只是为了便于示意，实际中二者不一定直接连接，中间存在控制或逻辑转换电路等，在此予以说明。
本发明工作在BCM模式时，为了防止在第一开关管MA关断后出现负电流过大而产生能量损失，故通过主功率开关管与原边绕组之公共端的电压下降速度来判断，若MA关断后出现负电流过大则所述公共端的电压下降较快，可以通过至少两种手段进行判断。第一、根据所述公共端的电压Vsw处的电压变化率
Figure BDA0001448410490000081
来判断，当所述电压或电压变化率低于相应阈值时，由于此处电压变化率为负值，虽然其绝对值是偏大的，但是此时仍按照负数对待，当其低于相应阈值时，则提前所述第一开关管下一周期的关断时刻。第二、预设一个时间段，在该时间段内若发生公共端的电压Vsw低于相应阈值，则提前所述第一开关管下一周期的关断时刻。以上两种手段从具体的实现电路上会存在差异，但本质上都是检测电压的变化率。从而实现主功率开关管M0开通前，磁化电感LM上具有负电流，且该负电流不太大，刚好用于给电压VSW放电，减小主功率开关管M0的开通损耗，又不会增加导通损耗。体现在图3的电路中，即当电压VSW的下降速率/>
Figure BDA0001448410490000091
达到某一阈值或VSW下降到一定阈值的时间时，判断负电流的值过大，则调高参考信号Vref的值，以提前所述第一开关管下一周期的关断时刻，使得负电流变小。以上只是用了低于相应阈值的情况为例进行了介绍，在高于该相应阈值时，则可延迟所述第一开关管下一周期的关断时刻。即当所述主功率开关管与原边绕组之公共端的电压或电压变化率低于相应阈值时，通过增大所述参考信号来提前所述第一开关管的关断时刻；当所述主功率开关管与原边绕组之公共端的电压或电压变化率高于相应阈值时，通过降低所述参考信号来延迟所述第一开关管的关断时刻。
如图4所示，示意了本发明反激有源钳位电路的工作波形。伏秒平衡在图4中的体现是S1＝S2，S1，S2分别为相应区域的面积，图4中的电流iLM为通过LM上的电流，由于伏秒平衡的特性，故iLM在t1时刻的电流和其在t3时刻的电流值相等，t3为第一开关管的关断时刻。图中的电压和电流值的波形均为示意，实践中，电流iLM并不一定是线性变化的，磁化电感LM上的电压VLM也并非恒压，图中示意只是为了便于示意，而不构成对本发明的限制。除了通过调节所述参考信号的方式，还可以采用调节第二电容或对第二电容的放电电流来实现，即当所述主功率开关管与原边绕组之公共端的电压或电压变化率低于相应阈值时，通过减小所述第二电容或增大对第二电容的放电电流(通过调节采样电流控制电流源i1的比例系数实现)来提前所述第一开关管的关断时刻；当所述主功率开关管与原边绕组之公共端的电压或电压变化率高于相应阈值时，通过增大所述第二电容或减小对第二电容的放电电流来延迟所述第一开关管的关断时刻。
虽然以上将实施例分开说明和阐述，但涉及部分共通之技术，在本领域普通技术人员看来，可以在实施例之间进行替换和整合，涉及其中一个实施例未明确记载的内容，则可参考有记载的另一个实施例。
以上所述的实施方式，并不构成对该技术方案保护范围的限定。任何在上述实施方式的精神和原则之内所作的修改、等同替换和改进等，均应包含在该技术方案的保护范围之内。

Claims (12)

1.一种反激有源钳位电路，包括主功率开关管、变压器和副边整流管，所述变压器包括原边绕组和副边绕组，所述原边绕组包括磁化电感，所述主功率开关管与所述原边绕组连接，所述副边整流管与所述副边绕组连接，由原边控制电路控制主功率开关管的开关状态，副边整流管在主功率开关管关断后导通续流；
所述反激有源钳位电路还包括第一电容和第一开关管，所述第一电容的一端与输入电源的高电位端连接，另一端与所述第一开关管的第一端连接，所述第一开关管的第二端连接于所述主功率开关管与所述原边绕组的公共端上；
判断所述反激有源钳位电路的工作模式，若工作在临界导通模式或断续导通模式时，则根据主功率开关管导通且第一开关管关断的时间和所述磁化电感两端的电压，调节第一开关管的关断时刻。
2.根据权利要求1所述的反激有源钳位电路，其特征在于，所述反激有源钳位电路还包括用于控制所述第一开关管关断的开关管控制电路，所述开关管控制电路包括第二电容，检测磁化电感两端的电压，并得到表征磁化电感两端电压的电流信号，在主功率开关管导通且第一开关管关断期间，所述电流信号对所述第二电容充电，在主功率开关管关断且第一开关管导通期间，所述电流信号对所述第二电容放电，在放电过程中，第二电容上的电压降至相应参考信号时，则控制所述第一开关管关断。
3.根据权利要求2所述的反激有源钳位电路，其特征在于，所述第一开关管的关断时刻至所述主功率开关管的导通时刻的时间为第一时间，当所述第一时间达到阈值时间时，则判断所述反激有源钳位电路工作在断续导通模式，否则为临界导通模式。
4.根据权利要求3所述的反激有源钳位电路，其特征在于，所述反激有源钳位电路工作在临界导通模式下时，在第一开关管关断后，检测主功率开关管与原边绕组之公共端的电压或电压变化率，当一段时间所述主功率开关管与原边绕组之公共端的电压达到相应阈值或主功率开关管与原边绕组之公共端的电压变化率达到相应阈值时，则提前或延迟所述第一开关管下一周期的关断时刻。
5.根据权利要求2所述的反激有源钳位电路，其特征在于，所述开关管控制电路还包括辅助绕组、第一电阻和比较电路，所述辅助绕组与所述变压器耦合，所述第一电阻与所述辅助绕组连接以采样辅助绕组的电压，所述第一电阻上的电压表征所述磁化电感两端的电压，采样所述第一电阻上的电流，得到所述表征磁化电感两端电压的电流信号，所述电流信号输至所述第二电容，所述第二电容上的电压接入所述比较电路的第一输入端，所述参考信号接入所述比较电路的第二输入端，所述比较电路的输出端与所述第一开关管的控制端连接。
6.根据权利要求4所述的反激有源钳位电路，其特征在于，在第一开关管关断后，主功率开关管导通前，保持所述第二电容两端电压等于初始电压。
7.根据权利要求4所述的反激有源钳位电路，其特征在于，当所述主功率开关管与原边绕组之公共端的电压或电压变化率低于相应阈值时，通过增大所述参考信号来提前所述第一开关管的关断时刻；当所述主功率开关管与原边绕组之公共端的电压或电压变化率高于相应阈值时，通过降低所述参考信号来延迟所述第一开关管的关断时刻。
8.根据权利要求4所述的反激有源钳位电路，其特征在于，当所述主功率开关管与原边绕组之公共端的电压或电压变化率低于相应阈值时，通过减小所述第二电容或增大对第二电容的放电电流来提前所述第一开关管的关断时刻；当所述主功率开关管与原边绕组之公共端的电压或电压变化率高于相应阈值时，通过增大所述第二电容或减小对第二电容的放电电流来延迟所述第一开关管的关断时刻。
9.一种反激有源钳位电路的控制方法，其特征在于，基于所述反激有源钳位电路，所述反激有源钳位电路包括主功率开关管、变压器和副边整流管，所述变压器包括原边绕组和副边绕组，所述原边绕组包括磁化电感，所述主功率开关管与所述原边绕组连接，所述副边整流管与所述副边绕组连接，由原边控制电路控制主功率开关管的开关状态，副边整流管在主功率开关管关断后导通续流；
所述反激有源钳位电路还包括第一电容和第一开关管，所述第一电容的一端与输入电源的高电位端连接，另一端与所述第一开关管的第一端连接，所述第一开关管的第二端连接于所述主功率开关管与所述原边绕组的公共端上；
判断所述反激有源钳位电路的工作模式，若工作在临界导通模式或断续导通模式时，根据主功率开关管导通且第一开关管关断的时间和所述磁化电感两端的电压，调节第一开关管的关断时刻。
10.根据权利要求9所述的反激有源钳位电路的控制方法，其特征在于，所述反激有源钳位电路还包括用于控制所述第一开关管关断的开关管控制电路，所述开关管控制电路包括第二电容，检测磁化电感两端的电压，并得到表征磁化电感两端电压的电流信号，在主功率开关管导通且第一开关管关断期间，所述电流信号对所述第二电容充电，在主功率开关管关断且第一开关管导通期间，所述电流信号对所述第二电容放电，在放电过程中，第二电容上的电压降至相应参考信号时，则控制所述第一开关管关断。
11.根据权利要求9所述的反激有源钳位电路的控制方法，其特征在于，所述第一开关管的关断时刻至所述主功率开关管的导通时刻的时间为第一时间，当所述第一时间达到阈值时间时，则判断所述反激有源钳位电路工作在断续导通模式，否则为临界导通模式。
12.根据权利要求11所述的反激有源钳位电路的控制方法，其特征在于，所述反激有源钳位电路工作在临界导通模式下时，在第一开关管关断后，检测主功率开关管与原边绕组之公共端的电压或电压变化率，当一段时间所述主功率开关管与原边绕组之公共端的电压达到相应阈值或主功率开关管与原边绕组之公共端的电压变化率达到相应阈值时，则提前或延迟所述第一开关管下一周期的关断时刻。
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