CN107834832B - 一种电压尖峰吸收电路 - Google Patents

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Abstract

本发明实施例公开了一种电压尖峰吸收电路，包括母线尖峰吸收电路、能量回馈电路、保护电路以及能量吸收电路，其中，母线尖峰吸收电路的第一端与整流电路输出母线的正端电连接，第二端与整流电路输出母线的负端电连接；能量回馈电路的第一端与整流电路输出母线的正端电连接，第二端与保护电路的第一端电连接，并与母线尖峰吸收电路的第三端电连接，第三端与保护电路的第二端电连接；能量吸收电路的第一端与整流电路输出母线的正端电连接，第二端与整流电路输出母线的负端电连接，第三端与能量回馈电路的第三端电连接。本发明实施例公开的电压尖峰吸收电路具备结构简单、吸收效率和可靠性高等优势，适用于高功率密度电路的次级整流管电压尖峰吸收。

Description

一种电压尖峰吸收电路
技术领域
本发明实施例涉及开关电源领域，尤其涉及一种电压尖峰吸收电路。
背景技术
随着电力电子技术的发展，开关电源正趋向于小型化和轻量化。为了减小电源的体积和重量，可以提高开关频率。然而，随着开关频率的提高，开关损耗也越来越大，带来了效率降低和发热严重的问题。同时，由于工作在高频状态下，开关变压器漏感、分布电容等寄生参数的影响也不能忽略。在开关转换瞬间，电抗元件的能量充放致使功率器件承受很大的热量和电应力，并形成过电压。这不仅意味着设计人员必须选用昂贵的高耐压功率开关管，同时也给电源的可靠性带来潜在威胁，为此，需要设置各种缓冲吸收电路对其进行抑制。
目前，有很多种电压尖峰吸收电路能够实现缓冲吸收的目的，但是目前设计的电压尖峰吸收电路往往需要多重控制和较多的磁性元件，结构复杂，并且对产品的可靠性、体积、效率都存在影响。
发明内容
本发明提供一种电压尖峰吸收电路，以提高电压尖峰吸收电路的电磁兼容能力，简化电压尖峰吸收电路结构，提升电压尖峰吸收电路的吸收效率和可靠性。
第一方面，本发明实施例提供了一种电压尖峰吸收电路，包括母线尖峰吸收电路、能量回馈电路、保护电路以及能量吸收电路，其中，
所述母线尖峰吸收电路的第一端与整流电路输出母线的正端电连接，第二端与所述整流电路输出母线的负端电连接，用于吸收所述整流电路输出电压中的尖峰电压；
所述能量回馈电路的第一端与所述整流电路输出母线的正端电连接，第二端与所述保护电路的第一端电连接，并与所述母线尖峰吸收电路的第三端电连接，第三端与所述保护电路的第二端电连接，用于将通过所述能量回馈电路的第二端接收的所述母线尖峰吸收电路吸收的能量，通过所述能量回馈电路的第一端回馈到所述整流电路的母线；
所述保护电路用于保持所述能量回馈电路的第三端的电压稳定；
所述能量吸收电路的第一端与所述整流电路输出母线的正端电连接，第二端与所述整流电路输出母线的负端电连接，第三端与所述能量回馈电路的第三端电连接，用于保持所述能量回馈电路中的第三端的电压稳定，且当所述整流电路的输出关断时，泄放所述母线尖峰吸收电路和所述能量吸收电路中的能量。
第二方面，本发明实施例还提供了一种开关电源，包括第一方面提供的电压尖峰吸收电路、整流电路和滤波电路，其中，
所述整流电路输出母线的正端与所述电压尖峰吸收电路的输入端和所述滤波电路的输入端电连接，所述整流电路输出母线的负端与所述电压尖峰吸收电路的输出端和所述滤波电路的输出端电连接；
所述电压尖峰吸收电路的输入端为所述电压尖峰吸收电路的第一端，所述电压尖峰吸收电路的输出端为所述电压尖峰吸收电路的第二端；
所述滤波电路用于对所述电压尖峰吸收电路输出的电流进行滤波。
本发明实施例通过简化的电压尖峰吸收电路吸收整流电路输出端的尖峰电压，并将吸收的尖峰电压回馈至整流电路输出端的母线，解决现有电压尖峰吸收电路中结构复杂、可靠性和吸收效率低等问题，在保障电压尖峰吸收电路的可靠性和吸收效率的前提下，提高电压尖峰吸收电路的电磁兼容能力，并实现简化电压尖峰吸收电路结构、缩小电压尖峰吸收电路体积的效果。
附图说明
图1是本发明实施例一提供的一种电压尖峰吸收电路的示意图；
图2是本发明实施例一提供的一种电压尖峰吸收电路的结构示意图；
图3是本发明实施例二提供的一种开关电源的结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步的详细说明。可以理解的是，此处所描述的具体实施例仅仅用于解释本发明，而非对本发明的限定。另外还需要说明的是，为了便于描述，附图中仅示出了与本发明相关的部分而非全部结构。
实施例一
图1是本发明实施例一提供的一种电压尖峰吸收电路的示意图，图2是本发明实施例一提供的一种电压尖峰吸收电路的结构示意图，本实施例的电压尖峰吸收电路可适用于吸收高功率密度电路的次级整流管电压尖峰。如图1所示，电压尖峰吸收电路的具体结构如下：
一种电压尖峰吸收电路110，包括母线尖峰吸收电路111、能量回馈电路112、保护电路113以及能量吸收电路114，其中，
所述母线尖峰吸收电路111的第一端与整流电路120输出母线的正端电连接，第二端与所述整流电路120输出母线的负端电连接，用于吸收所述整流电路120输出电压中的尖峰电压。
其中，母线尖峰吸收电路111包括储能元件，储能元件可以是电容，母线尖峰吸收电路111通过储能元件对整流电路120输出电压中的尖峰电压进行吸收。
所述能量回馈电路112的第一端与所述整流电路120输出母线的正端电连接，第二端与所述保护电路113的第一端电连接，并与所述母线尖峰吸收电路 112的第三端电连接，第三端与所述保护电路113的第二端电连接，用于将通过所述能量回馈电路112的第二端接收的所述母线尖峰吸收电路111吸收的能量，通过所述能量回馈电路112的第一端回馈到所述整流电路120的母线。
其中，母线尖峰吸收电路112的第三端为储能元件距离整流电路120输出母线的正端较近的一端，也即，能量回馈电路112的第二端与母线尖峰吸收电路112中储能元件距离整流电路120输出母线的正端较近的一端电连接，能量回馈电路112的第三端与能量吸收电路114中储能元件距离整流电路120输出母线的正端较近的一端电连接。能量回馈电路112能够将母线尖峰吸收电路111 吸收的能量回馈到整流电路120的母线，从而减少电路损耗，提高产品的工作效率。
所述保护电路113用于保持所述能量回馈电路112的第三端的电压稳定。
其中，保护电路113的主要功能是保持能量回馈电路112第三端的电压稳定，保证能量回馈电路112的开通和关断。因此，能够起到稳压作用的电路结构或电路元器件都可以作为保护电路。
所述能量吸收电路114的第一端与所述整流电路120输出母线的正端电连接，第二端与所述整流电路120输出母线的负端电连接，第三端与所述能量回馈电路112的第三端电连接，用于保持所述能量回馈电路112中的第三端的电压稳定，且当所述整流电路120的输出关断时，泄放所述母线尖峰吸收电路111 和所述能量吸收电路114中的能量。
其中，能量吸收电路114可以是由电阻、电容和二极管构成的RCD吸收电路，也可以是由电阻和电容组成的RC吸收电路。RCD吸收电路对过电压的抑制要好于RC吸收电路。能量吸收电路114中的大阻值的吸收电阻，能够在一定程度上降低损耗。
如图2所示，在本发明的一个可选的实施例中，所述能量吸收电路114包括第一电阻R1、第一二极管D1、第一电容C1和第二电阻R2，其中，所述第一电阻R1、所述第一二极管D1以及所述第一电容C1串联连接于所述整流电路120输出母线的正端和负端，所述第二电阻R2与所述第一电容C1并联连接。
相应的，能量吸收电路114的第一端是第一电阻R1的第一端，能量吸收电路114的第二端是第一电容C1的第二端，能量吸收电路114的第三端是第一二极管D1的阴极。
具体的，第一电阻R1、第一二极管D1和第一电容C1可以组成一个RC滤波电路，保持所述能量回馈电路112中的第三端的电压稳定，能量吸收电路114 中的第二电阻R2用于泄放母线尖峰吸收电路111和能量吸收电路114中的能量。
如图2所示，在本发明的一个可选的实施例中，所述母线尖峰吸收电路111 包括第二电容C2和第二二极管D2，其中，所述第二二极管D2的阳极与所述整流电路120输出母线的正端电连接，阴极与所述第二电容C2的第一端电连接；所述第二电容C2第二端与所述整流电路120输出母线的负端电连接。
具体的，当整流电路120输出电压中存在尖峰电压时，母线尖峰吸收电路 111中的第二二极管D2导通，第二电容C2开始充电电压逐渐升高，从而实现对整流电路120输出电压中尖峰电压的吸收。
如图2所示，在本发明的一个可选的实施例中，所述能量回馈电路112包括PNP型金属-氧化物半导体场效应晶体管MOSFET，其中，所述PNP型 MOSFET的漏极与所述整流电路120输出母线的正端电连接，所述PNP型 MOSFET的门极与所述第一二极管D1的阴极电连接，所述PNP型MOSFET 的源极与所述第二电容C2的第一端电连接。
具体的，PNP型MOSFET的漏极作为能量回馈电路112的第一端，述PNP 型MOSFET的源极作为能量回馈电路112的第二端，PNP型MOSFET的门极作为能量回馈电路112的第三端。本发明实施例中的能量回馈电路112采用PNP 型MOSFET进行能量回馈，可以减少磁性元件的使用，同时避免多重控制电路，因此能够提高电路的电磁兼容能力，并且能够简化电路结构、缩小电路体积。
如图2所示，在本发明的一个可选的实施例中，所述保护电路113包括双向齐纳二极管，所述双向齐纳二极管的两端分别与所述PNP型MOSFET的门极和源极连接。
其中，齐纳二极管通常被作为稳压器或电压基准元件使用，双向齐纳二极管就如同两个齐纳二极管反向串联。因此，双向齐纳二极管的两端都能达到稳定电压的作用。
具体的，本发明实施例采用双向齐纳二极管作为保护电路113，通过将双向齐纳二极管的两端与PNP型MOSFET的门极和源极连接用来保持PNP型 MOSFET门极电压的稳定。
如图2所示，在本发明的一个可选的实施例中，所述的电压尖峰吸收电路 110，还包括第三电阻R3，所述第三电阻R3的第一端与所述第二二极管D2的阴极电连接，第二端与电源输出母线的正端电连接。
具体的，第三电阻R3的第二端与电源输出母线的正端电连接，用于提供输出电压。
相应的，本发明实施例中电压尖峰吸收电路110的工作原理为：当整流电路120输出电压中存在尖峰电压时，通过母线尖峰吸收电路111对尖峰电压进行吸收，随着能量的吸收，母线尖峰吸收电路111中的储能元件的电压升高，能量回馈电路112导通，并旁路掉母线尖峰吸收电路111中非储能元件，将能量回馈至整流电路120输出端的母线。当整流电路120的输出关断时，能量吸收电路114泄放母线尖峰吸收电路111和能量吸收电路114中的能量。此电路吸收效率高、可用于高功率密度电路的次级整流管电压尖峰吸收。
本发明实施例通过简化的电压尖峰吸收电路吸收整流电路输出端的尖峰电压，并将吸收的尖峰电压回馈至整流电路输出端的母线，解决现有电压尖峰吸收电路中结构复杂、可靠性和吸收效率低等问题，在保障电压尖峰吸收电路的可靠性和吸收效率的前提下，提高电压尖峰吸收电路的电磁兼容能力，并实现简化电压尖峰吸收电路结构、缩小电压尖峰吸收电路体积的效果。
实施例二
在上述实施例一的基础上，本发明实施例二提供了一种开关电源，如图3 所示为一种开关电源的结构示意图。
一种开关电源，包括电压尖峰吸收电路110、整流电路120和滤波电路130，其中，
所述整流电路120输出母线的正端与所述电压尖峰吸收电路110的输入端和所述滤波电路130的输入端电连接，所述整流电路120输出母线的负端与所述电压尖峰吸收电路110的输出端和所述滤波电路130的输出端电连接。
所述电压尖峰吸收电路110的输入端为所述电压尖峰吸收电路110的第一端，所述电压尖峰吸收电路110的输出端为所述电压尖峰吸收电路110的第二端。
所述滤波电路130用于对所述电压尖峰吸收电路110输出的电流进行滤波。
其中，整流电路120用于将开关电源输出的交流电转换为直流电，电压尖峰吸收电路110用于吸收整流电路120输出电压中的尖峰电压，滤波电路130 用于进一步对电压尖峰吸收电路110输出的电流进行滤波，去除电压尖峰吸收电路110输出的电压中的纹波。电压尖峰电路110设置在整流电路120与滤波电路130之间，通过较少的器件实现对输出电压中的尖峰电压的吸收。适用于现代产品高功率密度、高可靠性的发展需求。
本发明实施例中的开关电源中的电压尖峰吸收电路适用于高功率密度电路的次级整流管的电压尖峰吸收，避免了对开关电源中每个整流管输出电压中的尖峰电压的吸收，既能够提高尖峰电压的吸收效率，又能将吸收的尖峰电压回馈至输出电压，从而提高产品的工作效率。
进一步的，所述整流电路120包括降压式变换Buck电路、全桥电路、半桥电路、正激电路、反激电路、推挽电路或谐振电路。
其中，Buck电路是一种输出电压小于输入电压的单管不隔离直流变换器，具备效率高、可靠性好等优点，但元件布局和PCB(Printed Circuit Board，印制电路板)布线难度较大，输出电压纹波比较大，电路复杂、成本也较高。全桥电路和半桥电路不需要泄放电阻，其漏感中储存的能量直接反馈给总线，因此电路的工作效率相对较高。正激电路和反激电路最大区别是，当开关管关断时，正激电路的输出主要靠储能电感和续流二极 管来维持输出，而反激电路的输出主要靠变压器次级释放能量来维持输出。推挽电路是两不同极性晶体管连接的输出电路，以推挽方式存在于电路中，各负责正负半周的波形放大任务，电路工作时，两只对称的功率开关管每次只有一个导通，所以导通损耗小效率高。谐振电路为能发生谐振的电路，端口电压和电流波形相位相同的情况即为电路发生谐振。
进一步的，所述滤波电路130包括电感L和电容C，其中，
所述电感L第一端与所述电压尖峰吸收电路110中所述能量吸收电路112 的第一端电连接，第二端与所述电容C的第一端电连接，并作为所述滤波电路 130的输出端的正端子。
所述电容C的第二端与所述整流电路120输出母线的负端电连接，并作为所述滤波电路130的输出端的负端子。
其中，开关电源中滤波电路130的主要功能是滤除纹波，满足EMI(Electromagnetic Interference，电磁干扰)的需求。滤波电路130在实际设计中有很多要考虑的因素，包括电感L和电容C的特性，还要考虑滤波电路130的输入输出阻抗等。
注意，上述仅为本发明的较佳实施例及所运用技术原理。本领域技术人员会理解，本发明不限于这里所述的特定实施例，对本领域技术人员来说能够进行各种明显的变化、重新调整和替代而不会脱离本发明的保护范围。因此，虽然通过以上实施例对本发明进行了较为详细的说明，但是本发明不仅仅限于以上实施例，在不脱离本发明构思的情况下，还可以包括更多其他等效实施例，而本发明的范围由所附的权利要求范围决定。

Claims (9)

1.一种电压尖峰吸收电路，其特征在于，包括母线尖峰吸收电路、能量回馈电路、保护电路以及能量吸收电路，其中，
所述母线尖峰吸收电路的第一端与整流电路输出母线的正端电连接，第二端与所述整流电路输出母线的负端电连接，用于吸收所述整流电路输出电压中的尖峰电压；
所述能量回馈电路的第一端与所述整流电路输出母线的正端电连接，第二端与所述保护电路的第一端电连接，并与所述母线尖峰吸收电路的第三端电连接，第三端与所述保护电路的第二端电连接，用于将通过所述能量回馈电路的第二端接收的所述母线尖峰吸收电路吸收的能量，通过所述能量回馈电路的第一端回馈到所述整流电路的母线；
所述保护电路用于保持所述能量回馈电路的第三端的电压稳定；
所述能量吸收电路的第一端与所述整流电路输出母线的正端电连接，第二端与所述整流电路输出母线的负端电连接，第三端与所述能量回馈电路的第三端电连接，用于保持所述能量回馈电路中的第三端的电压稳定，且当所述整流电路的输出关断时，泄放所述母线尖峰吸收电路和所述能量吸收电路中的能量。
2.根据权利要求1所述的电压尖峰吸收电路，其特征在于，所述能量吸收电路包括第一电阻、第一二极管、第一电容和第二电阻，其中，
所述第一电阻、所述第一二极管以及所述第一电容依次串联连接于所述整流电路输出母线的正端和负端，所述第二电阻与所述第一电容并联连接。
3.根据权利要求2所述的电压尖峰吸收电路，其特征在于，所述母线尖峰吸收电路包括第二电容和第二二极管，其中，
所述第二二极管的阳极与所述整流电路输出母线的正端电连接，阴极与所述第二电容的第一端电连接；
所述第二电容第二端与所述整流电路输出母线的负端电连接。
4.根据权利要求3所述的电压尖峰吸收电路，其特征在于，所述能量回馈电路包括P型金属-氧化物半导体场效应晶体管MOSFET，其中，
所述P型MOSFET的漏极与所述整流电路输出母线的正端电连接，所述P型MOSFET的门极与所述第一二极管的阴极电连接，所述P型MOSFET的源极与所述第二电容的第一端电连接。
5.根据权利要求4所述的电压尖峰吸收电路，其特征在于，所述保护电路包括双向齐纳二极管，所述双向齐纳二极管的两端分别与所述P型MOSFET的门极和源极连接。
6.根据权利要求3所述的电压尖峰吸收电路，其特征在于，还包括第三电阻，所述第三电阻的第一端与所述第二二极管的阴极电连接，第二端与电源输出母线的正端电连接。
7.一种开关电源，其特征在于，包括权利要求1-6任一所述的电压尖峰吸收电路、整流电路和滤波电路，其中，
所述整流电路输出母线的正端与所述电压尖峰吸收电路的输入端的正端子和所述滤波电路的输入端的正端子电连接，所述整流电路输出母线的负端与所述电压尖峰吸收电路的输出端的负端子和所述滤波电路的输出端的负端子电连接；
所述电压尖峰吸收电路的输入端为所述电压尖峰吸收电路的第一端，所述电压尖峰吸收电路的输出端为所述电压尖峰吸收电路的第二端；
所述滤波电路用于对所述电压尖峰吸收电路输出的电流进行滤波。
8.根据权利要求7所述的开关电源，其特征在于，所述整流电路包括降压式变换Buck电路、全桥电路、半桥电路、正激电路、反激电路、推挽电路或谐振电路。
9.根据权利要求7所述的开关电源，其特征在于，所述滤波电路包括电感和电容，其中，
所述电感第一端与所述电压尖峰吸收电路中所述能量吸收电路的第一端电连接，第二端与所述电容的第一端电连接，并作为所述滤波电路的输出端的正端子；
所述电容的第二端与所述整流电路输出母线的负端电连接，并作为所述滤波电路的输出端的负端子。
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