CN108988652A - 反激有源钳位电路及其控制方法 - Google Patents

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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，反激有源钳位电路包括反激式开关电源、第一电容和第一开关管，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主功率开关管与原边绕组的公共端上；主功率开关管与原边绕组之公共端电压为节点电压，第一开关管关断后，在节点电压第一次达到输入电压时，开始计时，当节点电压在计时达到第一时间之前降为低阈值，则提前所述第一开关管下一周期的关断时刻；当计时达到第一时间时，节点电压大于低阈值，则延迟所述第一开关管下一周期的关断时刻。本发明针对不同输入电压和输出电压，均可以实现零电压开关，减小了电路中的能量损耗。

Description

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BCM或者DCM模式下时，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，开关管MA在主功率开关管M0关断期间的任意时间内导通，在主开关管M0开通的期间不导通。
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，在M0开通时，所述主功率开关管与原边绕组之公共端电压可能较大，具有较大的能量损耗。
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减小电路中能量损耗的反激有源钳位电路，解决现有技术存在的能量损耗较大的技术问题。
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；
主功率开关管与原边绕组之公共端电压为节点电压，第一开关管关断后，在节点电压第一次达到输入电压时，开始计时，当节点电压在计时达到第一时间之前降为低阈值，则提前所述第一开关管下一周期的关断时刻；当计时达到第一时间时，节点电压大于低阈值，则延迟所述第一开关管下一周期的关断时刻。
可选的，当原边绕组上的电压对第二时间的积分接近输入电压对主功率开关管开通时间的积分时，关断第一开关管；所述第二时间为主功率开关管关断时刻到第一开关管关断时刻的时间。
可选的，当原边绕组上的电压对第二时间积分和输入电压对主功率开关管开通时间的积分的差值达到第一阈值时，关断第一开关管；所述第一阈值有上限或/和下限，所述第二时间为主功率开关管关断时刻到第一开关管关断时刻的时间。
可选的，当原边绕组上的电压对第二时间的积分为输入电压对主功率开关管开通时间的积分的一定比例时，关断第一开关管，所述比例有上限或/和下限，所述第二时间为主功率开关管关断时刻到第一开关管关断时刻的时间。
可选的，所述输入电压及节点电压通过辅助绕组进行检测。
可选的，在计时达到第一时间时，开通所述主功率开关管。
可选的，若当节点电压在计时达到第一时间之前降为低阈值，则在节点电压达到低阈值时刻开通主功率开关管，否则，在计时达到第一时间时，开通主功率开关管。
可选的，所述反激有源钳位电路包括用于控制第一开关管关断的开关管控制电路，所述开关控制电路包括计时电路和逻辑电路，所述开关控制电路采样所述节点电压和输入电压，将所述节点电压和输入电压进行比较，当所述节点电压达到输入电压时，输出计时使能信号给所述计时电路，所述计时电路开始计时，当计时电路计时达到所述第一时间时，所述第一信号由第一状态变成第二状态；
将所述节点电压和低阈值进行比较，输出第二信号给逻辑电路，当所述节点电压达到低阈值时，所述第二信号由第一状态变为第二状态；
所述逻辑电路根据第一信号和第二信号由第一状态变为第二状态的先后顺序，调节下一周期第一开关管的关断时刻。
可选的，若第二信号由第一状态变为第二状态比第一信号由第一状态变为第二状态提前超过第二阈值，则提前所述第一开关管下一周期的关断时刻；若第一信号由第一状态变为第二状态，第二信号仍为第一状态，则延迟所述第一开关管下一周期的关断时刻。
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；
将主功率开关管与原边绕组之公共端电压记为节点电压，第一开关管关断后，在节点电压第一次达到输入电压时，开始计时，当节点电压在计时达到第一时间之前降为低阈值，则提前所述第一开关管下一周期的关断时刻；当计时达到第一时间时，节点电压大于低阈值，则延迟所述第一开关管下一周期的关断时刻。
可选的，当原边绕组上的电压对第二时间的积分接近输入电压对主功率开关管开通时间的积分时，关断第一开关管；所述第二时间为主功率开关管关断时刻到第一开关管关断时刻的时间。
可选的，当原边绕组上的电压对第二时间积分和输入电压对主功率开关管开通时间的积分的差值达到第一阈值时，关断第一开关管；所述第一阈值有上限或/和下限，所述第二时间为主功率开关管关断时刻到第一开关管关断时刻的时间。
可选的，当原边绕组上的电压对第二时间的积分为输入电压对主功率开关管开通时间的积分的一定比例时，关断第一开关管，所述比例有上限或/和下限，所述第二时间为主功率开关管关断时刻到第一开关管关断时刻的时间。
可选的，所述输入电压及节点电压通过辅助绕组进行检测。
可选的，在计时达到第一时间时，开通所述主功率开关管。
可选的，若当节点电压在计时达到第一时间之前降为低阈值，则在节点电压达到低阈值时刻开通主功率开关管，否则，在计时达到第一时间时，开通主功率开关管。
与现有技术相比，本发明之技术方案具有以下优点：本发明在第一开关管关断后，从节点电压第一次达到输入电压时开始计时，开始计时，当节点电压在计时达到第一时间之前降为低阈值，则提前所述第一开关管下一周期的关断时刻；当计时达到第一时间时，节点电压大于低阈值，则延迟所述第一开关管下一周期的关断时刻，使得在计时达到第一时间时节点电压为低阈值或在计时达到第一时间之前节点电压为低阈值，且在计时达到第一时间时或所述节点电压值为低阈值时，开通主功率开关管。本发明针对不同的输入电压和输出电压，均可以实现零电压开关(ZVS)，减小了电路中的能量损耗。
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；
图5开关管控制电路的一个实施例示意图。
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；
所述所述反激有源钳位电路包括开关管控制电路，用于控制第一开关管MA关断。主功率开关管M0与原边绕组L1之公共端电压为节点电压Vsw，第一开关管MA关断后，在节点电压Vsw第一次达到输入电压Vin时，开始计时，当节点电压Vsw在计时达到第一时间T1之前降为低阈值，则提前所述第一开关管MA下一周期的关断时刻；当计时达到第一时间T1时，节点电压Vsw大于低阈值，则延迟所述第一开关管MA下一周期的关断时刻。本发明所述的低阈值可以为零或者接近零的数值。
图4示意了本发明反激有源钳位电路的工作波形，给出了第一开关管MA和主功率开关管M0对应的开通和关断波形图。其中Vsw为节点电压，低阈值为零，Vin为输入电压，VL1为原边绕组上的电压，S1和S2分别为相应区域的面积，T1表示第一时间。
第一开关管MA的关断时刻利用伏秒平衡来实现，伏秒平衡在图4中的表现为S1＝S2。具体的，当原边绕组上的电压VL1对第二时间的积分接近输入电压Vin对主功率开关管开通时间的积分时，关断第一开关管；所述第二时间为主功率开关管关断时刻到第一开关管关断时刻的时间。
从图4中可以看出，通过调节第一开关管MA的关断时刻，本发明最终的目的是实现曲线m的工作波形，即在第一开关管MA关断后，从节点电压Vsw第一次达到输入电压开始计时，计时达到第一时间T1时，节点电压的值为低阈值。
若所述节点电压Vsw在计时达到第一时间T1前，所述节点电压Vsw已经降低为低阈值，如图4中的曲线n所示，则说明通过LM的负电流过大，应该减小该负电流，故提前所述第一开关管MA下一周期的关断时刻；
若所述节点电压Vsw在计时达到第一时间T1时，节点电压Vsw依然大于低阈值，如图4中的曲线1所示，则说明通过LM的负电流过小，应该增大该电流，故延迟所述第一开关管MA下一周期的关断时刻。
在实际中，调节第一开关管的关断时刻时，一般使得S1和S2不一定完全相等，可以留有一定的阈值。本发明给出两种使得面积留有阈值后相等的情况，但并不对此进行限制。分别如下：
1、当原边绕组上的电压对第二时间积分和输入电压对主功率开关管开通时间的积分的差值达到第一阈值时，关断第一开关管；所述第一阈值有上限或/和下限，所述第二时间为主功率开关管关断时刻到第一开关管关断时刻的时间。
2、当原边绕组上的电压对第二时间的积分为输入电压对主功率开关管开通时间的积分的一定比例时，关断第一开关管，所述比例有上限或/和下限，所述第二时间为主功率开关管关断时刻到第一开关管关断时刻的时间。
对于主功率开关管的开通也有两种方式，分别如下：
1.若在计时达到第一时间T1前，所述节点电压Vsw已经降低为低阈值，且其伏秒平衡的面积差在阈值内，则在节点电压达到低阈值时刻开通主功率开关管，否则，在计时达到第一时间时，开通主功率开关管。
2、在计时达到第一时间时，开通所述主功率开关管。
从而保证在主功率开关管开通时，电路中的能量损耗达到最小，且可以实现零电压开关(ZVS)。
所述第一时间T1指的是节点电压从输入电压Vin降到最小值的时间，和电路外部变化如输入电压Vin和输出电压Vo没有关系，仅仅由电路内部的LC决定，但实际中会计算出一个大略等于T1的时间进行计时。
此外，所述输入电压及节点电压除了直接进行测量外，还可以通过辅助绕组进行检测。由于节点电压一般较高，故给原边绕组增加辅助绕组，利用该辅助绕组可以检测到表征所述节点电压和输入电压的相应信号。
根据上述原理，图5给出一个开关管控制电路的实施例，所述开关控制电路包括计时电路、逻辑电路和2个比较器，比较器comp1的两个输入端分别采样所述节点电压Vsw和输入电压Vin，比较器comp1的输出端连接所述计时电路的使能端，所述计时电路的输出端连接逻辑电路的输入端；所述比较器comp2的第一输入端连接节点电压Vsw，所述比较器comp2的第二输入端接收为低阈值Vref，所述比较器comp2的输出端连接逻辑电路的输入端，所述逻辑电路的输出端连接所述第一开关管MA的控制端，控制第一开关管MA的关断时刻。
将所述节点电压Vsw和输入电压Vin进行比较，当所述节点电压Vsw达到输入电压Vin时，输出计时使能信号给所述计时电路，所述计时电路开始计时；
当计时电路计时达到所述第一时间T1时，所述第一信号V1由第一状态变成第二状态；
将所述节点电压Vsw和低阈值Vref进行比较，输出第二信号V2给逻辑电路，当所述节点电压达Vsw到低阈值Vref时，所述第二信号V2由第一状态变为第二状态；
所述逻辑电路根据第一信号V1和第二信号V2由第一状态变为第二状态的先后顺序，调节下一周期第一开关管MA的关断时刻。
所述的第一状态和第二状态分别为高电平和低电平或分别为低电平和高电平，仅是为了说明第一信号V1或第二信号V2的状态发生变化，且所述第一信号V1和第二信号V2的第一状态可以相同也可以不同，本发明不对此进行限制。
本发明调节的最终目的是，第一信号V1和第二信号V2同时由第一状态变为第二状态，实际中由于检测等原因，留有一定的时间阈值，即第二信号V2由第一状态变为第二状态比第一信号V1由第一状态变为第二状态提前第二阈值，所述第二阈值为零或者接近零的数值；
故若第二信号V2由第一状态变为第二状态比第一信号V1由第一状态变为第二状态提前超过第二阈值，则认为在计时达到第一时间T1前，节点电压Vsw已经降为低阈值，提前所述第一开关管MA下一周期的关断时刻；若第一信号V1由第一状态变为第二状态，第二信号V2仍为第一状态，则认为在计时达到第一时间T1时，节点电压Vsw的大于低阈值，延迟所述第一开关管MA下一周期的关断时刻。
图5中，逻辑电路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，中间存在驱动电路等，在此予以说明。
此外图5仅仅给出了一个实施例，本发明对比并不对此进行限制。
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 (10)

1.一种反激有源钳位电路，其特征在于：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，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；
主功率开关管与原边绕组之公共端电压为节点电压，第一开关管关断后，在节点电压第一次达到输入电压时，开始计时，当节点电压在计时达到第一时间之前降为低阈值，则提前所述第一开关管下一周期的关断时刻；当计时达到第一时间时，节点电压大于低阈值，则延迟所述第一开关管下一周期的关断时刻。
2.根据权利要求1所述的反激有源钳位电路，其特征在于：当原边绕组上的电压对第二时间的积分接近输入电压对主功率开关管开通时间的积分时，关断第一开关管；所述第二时间为主功率开关管关断时刻到第一开关管关断时刻的时间。
3.根据权利要求1所述的反激有源钳位电路，其特征在于：当原边绕组上的电压对第二时间积分和输入电压对主功率开关管开通时间的积分的差值达到第一阈值时，关断第一开关管；所述第一阈值有上限或/和下限，所述第二时间为主功率开关管关断时刻到第一开关管关断时刻的时间。
4.根据权利要求1所述的反激有源钳位电路，其特征在于：当原边绕组上的电压对第二时间的积分为输入电压对主功率开关管开通时间的积分的一定比例时，关断第一开关管，所述比例有上限或/和下限，所述第二时间为主功率开关管关断时刻到第一开关管关断时刻的时间。
5.根据权利要求1所述的反激有源钳位电路，其特征在于：所述输入电压及节点电压通过辅助绕组进行检测。
6.根据权利要求2-4任意一项所述的反激有源钳位电路，其特征在于：在计时达到第一时间时，开通所述主功率开关管。
7.根据权利要求2-4任意一项所述的反激有源钳位电路，其特征在于：若当节点电压在计时达到第一时间之前降为低阈值，则在节点电压达到低阈值时刻开通主功率开关管，否则，在计时达到第一时间时，开通主功率开关管。
8.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包括用于控制第一开关管关断的开关管控制电路，所述开关控制电路包括计时电路和逻辑电路；
所述开关控制电路采样所述节点电压和输入电压，将所述节点电压和输入电压进行比较，当所述节点电压达到输入电压时，输出计时使能信号给所述计时电路，所述计时电路开始计时，当计时电路计时达到所述第一时间时，所述第一信号由第一状态变成第二状态；
将所述节点电压和低阈值进行比较，输出第二信号给逻辑电路，当所述节点电压达到低阈值时，所述第二信号由第一状态变为第二状态；
所述逻辑电路根据第一信号和第二信号由第一状态变为第二状态的先后顺序，调节下一周期第一开关管的关断时刻。
9.根据权利要求8所述的反激有源钳位电路，其特征在于：
若第二信号由第一状态变为第二状态比第一信号由第一状态变为第二状态提前超过第二阈值，则提前所述第一开关管下一周期的关断时刻；
若第一信号由第一状态变为第二状态，第二信号仍为第一状态，则延迟所述第一开关管下一周期的关断时刻。
10.一种反激有源钳位电路的控制方法，基于反激有源钳位电路，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，其特征在于：
将主功率开关管与原边绕组之公共端电压记为节点电压，第一开关管关断后，在节点电压第一次达到输入电压时，开始计时，当节点电压在计时达到第一时间之前降为低阈值，则提前所述第一开关管下一周期的关断时刻；当计时达到第一时间时，节点电压大于低阈值，则延迟所述第一开关管下一周期的关断时刻。
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