CN109167511A - 无损同步吸收电路、升压和降压开关电源电路 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种无损同步吸收电路、升压和降压开关电源电路，该无损同步吸收电路，包括在开关器件断开时，由第一二极管、吸收电容和第二二极管构成充电回路，用于使吸收电容通过第一二极管和第二二极管吸收开关器件产生的尖峰电压能量；由吸收电容和总线电容构成放电回路，用于在吸收电容吸收的电压高于总线电容的电压时，对总线电容进行放电，以使吸收电容的电压能量反馈到总线电容上，实现电压能量的无损吸收。本发明能够有效抑制开关器件在断开时的尖峰电压,以及实现无损吸收和抑制共模干扰。
Description
技术领域
本发明涉及开关电源技术领域，特别涉及一种无损同步吸收电路、升压开关电源电路和降压开关电源电路。
背景技术
在开关电源技术领域中，开关电源的主要元器件为开关器件，由于开关器件在电源回路中需要通过导线与其它元器件电路连接，而导线、甚至开关器件的引脚存在寄生电感，则在开关器件的连接回路中导线的长度和宽度均影响寄生电感的大小，同时导线在印刷电路板中布局走线方式影响了寄生电感的大小。图1是开关器件输出回路的简易原理图。请参考图1，开关器件Q1通过导线与电容C1构成电流回路，由于导线及开关器件Q1的引脚、甚至电容C1的引脚存在寄生电感。图2为开关器件输出回路寄生电感的等效电路原理图，在开关器件Q1的串联回路中包括寄生电感Ls1和Ls2，并接在开关器件Q1两端的为开关器件Q1的寄生电容Coss，则在开关器件Q1截止时，根据寄生电感Ls1和Ls2两端的电流不能突变的特性，则寄生电感的电流i对开关器件Q1的寄生电容Coss进行充电，充电后就会在开关器件Q1的输出端引起尖峰电压，当较高的尖峰电压超过开关器件Q1的额定电压时，会导致开关器件Q1被击穿而损坏。其中，开关器件Q1的接通或者断开由脉冲驱动信号控制。
为了抑制开关器件在截止时产生的尖峰电压，因此需要在开关器件输出端并接一个吸收电路。图3是开关器件的输出端并联吸收电路的原理图，图4是开关器件输出回路寄生电感等效电路在开关器件接通时的电流回路示意图，图5是开关器件输出回路寄生电感等效电路在开关器件断开时的电流回路示意图。请参考图4，开关器件Q1的工作原理如下：当开关器件Q1导通时，电流i经过寄生电感Ls1、开关器件Q1和寄生电感Ls2构成导通回路。请参考图5，当开关器件Q1截止时，开关器件Q1断开通路，由于寄生电感Ls1和寄生电感Ls2两端的电流不能突变，则电流经寄生电感Ls1吸收电路和寄生电感Ls2构成导通回路，而不经过开关器件Q1，从而通过吸收电路抑制由于寄生电感而导致的尖峰电压。
现有技术中常见的吸收电路为RC吸收电路和RCD吸收电路。这些吸收电路的基本工作原理就是在开关器件截止时为该开关器件提供旁路换流，以吸收储存在寄生电感中的能量，并使开关器件输出端的电压被钳位，从而抑制尖峰电压。此种方案虽然有一定的效果，可以降低开关电源尖峰电压的幅值，但是降低的尖峰电压的能量需要被电路中的电阻发热转换成大量的热量，降低了开关电源的转换效率，即由于电阻的存在而构成了有损吸收电路，同时为了不增大吸收电路的损耗，吸收电容的容值大小的选型会被受到限制，导致抑制尖峰电压的能力也受到限制。
由此，在一些开关电源拓扑结构中，根据器件大小和布局的优势，可以考虑去掉电阻，而使用电容做为无损吸收回路，例如升压(Boost)开关电源电路。图6为Boost开关电源的电路原理图。请参考图6，Boost开关电源包括输入端Vi和输出端Vo，并接在输入端Vi的滤波电容C1和开关器件Q1，输入端Vi的正端与开关器件Q1的输出端正极之间连接有功率电感L1，输出端Vo的正端与开关器件Q1的输出端正极之间正向连接有续流二极管D1，开关器件Q1的输出端之间并接有吸收电容Cs，吸收电容的正端与续流二极管D1的阴极连接，输出端Vo之间并接有总线电容Cbus。在开关器件Q1截止时，二极管D1和吸收电容Cs构成吸收电路。
Boost开关电源的工作原理如下：图7是Boost开关电源在开关器件导通时的电流回路示意图。请参考图7，当开关器件Q1导通时，功率电感L1的电流经过开关器件Q1的输出端正极和负极回到滤波电容C1的负端，以为功率电感L1储存能量。此时，吸收电路不接通回路。
图8是Boost开关电源在开关器件截止时的充电电流回路示意图。请参考图8，当开关器件Q1断开时，开关器件Q1开路，续流二极管D1和吸收电容Cs构成充电回路，其中箭头方向为充电回路的电流方向，功率电感L1的电流i经续流二极管D1、吸收电容Cs回到输入端Vi的负端形成导通回路。此时开关器件Q1断开时等效的寄生电感和/或功率电感L1产生的尖峰电压能量被吸收电容Cs充电吸收，从而抑制开关器件Q1两端产生的尖峰电压。同时续流二极管D1和总线电容Cbus构成功率回路，请参考图8，功率电感L1通过二极管D1换流后对总线电容Cbus进行充电。由此可知，续流二极管D1在吸收回路和功率回路中共用，因此需要具备较好的反向恢复特性以及较低的结电压等特性，用以保证电路的性能和可靠性，特别地，此种电路用法需要保证开关器件Q1和二极管D1在结构布局上需要靠的比较近，且器件封装带来的寄生电感要必须小，否则无法用此电路来实现无损吸收。
图9是Boost开关电源吸收电容在放电时的电流回路示意图。请参考图9，因吸收电容Cs和总线电容Cbus的连接方式构成充放电回路，当吸收电容由于充电获得的尖峰电压能量使其两端的电压VCs大于总线电容Cbus两端的电压VCbus时，即VCs>VCbus时，吸收电容Cs放电对总线电容Cbus进行充电，以使吸收电容的电压能量反馈到总线电容上，实现电压能量的无损吸收，如图中箭头方向为电流方向。
图10是图9中充电回路的共模干扰等效图，请参考图10，开关器件Q1两端对大地的等效电容分别为电容CY1和电容CY2，吸收电容Cs两端对大地的等效电容分别为CY3和CY4，续流二极管D1的结电容为Cd1。由于吸收电容Cs参考地为系统地，而系统地对大地之间的电位固定不变，则吸收电容Cs两端对大地的电位也不会变化，即电容CY3和电容CY4的电压为恒定值不会随时间变化，故流经电容CY3和CY4的对大地电流为0，即i3＝i4＝0。而VCY2＝VCY3也为恒定值，故流经电容CY2的电流i2＝-i3＝0。对电容CY1、续流二极管D1和电容CY4的环路来说，得到VCY1+VD1(VCd1)+VCY4＝0，又由于VCY4为恒定值，则i1＝CY1×d(VD1)/dt＝-CY1×d(VD1)/dt。由于在开关器件Q1开关过程中，d(VD1)≠0，则i1≠0，i1+i2＝i1≠0，故开关器件Q1在开关时存在对大地的电流，即存在共模干扰。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是，克服以上不足，提供了一种无损同步吸收电路，以抑制开关器件在断开时产生的尖峰电压，以实现无损吸收和抑制共模干扰。
为了解决上述技术问题，本发明提供一种无损同步吸收电路，包括与开关器件串联的第一二极管、总线电容、第二二极管，所述第一二极管的阴极和总线电容的公共交点与第二二极管的阳极和总线电容的公共交点之间连接有吸收电容，所述开关器件的接通或者断开由脉冲驱动信号控制；在开关器件断开时，所述第一二极管、吸收电容和第二二极管构成充电回路，用于使吸收电容通过第一二极管和第二二极管吸收开关器件产生的尖峰电压能量；所述吸收电容和总线电容构成放电回路，用于在吸收电容吸收的电压高于总线电容的电压时，对总线电容进行放电，以使吸收电容的电压能量反馈到总线电容上，实现电压能量的无损吸收。
进一步的，本发明提供的无损同步吸收电路，所述放电回路中串联有电阻和/或电感。
进一步的，本发明提供的无损同步吸收电路，所述充电回路串联有开关器件。
进一步的，本发明提供的无损同步吸收电路，所述开关器件为结型场效应晶体管、双极型晶体管、绝缘栅双极型晶体管、金属氧化物半导体场效应晶体管、V型槽场效应晶体管、二极管、变压器、晶闸管或光电耦合器。
进一步的，本发明提供的无损同步吸收电路，所述充电回路中的至少一个二极管采用结型场效应晶体管、双极型晶体管、绝缘栅双极型晶体管、金属氧化物半导体场效应晶体管或V型槽场效应晶体管替代，当替代充电回路中的至少一个二极管时，所述结型场效应晶体管、双极型晶体管、绝缘栅双极型晶体管、金属氧化物半导体场效应晶体管或V型槽场效应晶体管的导通方向与充电回路的电流方向相同。
进一步的，本发明提供的无损同步吸收电路，所述绝缘栅双极型晶体管或金属氧化物半导体场效应晶体管集成有二极管。
进一步的，本发明提供的无损同步吸收电路，所述充电回路中的至少一个二极管采用集成有二极管的绝缘栅双极型晶体管或金属氧化物半导体场效应晶体管替代时，在使用绝缘栅双极型晶体管或金属氧化物半导体场效应晶体管的导通特性时，绝缘栅双极型晶体管或金属氧化物半导体场效应晶体管的导通方向与充电回路的电流方向相同；在使用二极管的单向导通特性时，绝缘栅双极型晶体管或金属氧化物半导体场效应晶体管中集成的二极管的导通方向与充电回路的电流方向相同。
进一步的，本发明提供的无损同步吸收电路，在开关器件断开时，所述第一二极管、总线电容和第二二极管构成阻碍回路，用于阻止主功率电流通过阻碍回路进行分流对总线电容进行充电。
为了解决上述技术问题，本发明还提供一种升压开关电源电路，包括输入端和输出端，所述输入端之间并接有滤波电容和开关器件，所述输出端之间并接有总线电容，所述输入端正极与开关器件的输出端正极之间连接有功率电感，还包括正向连接在开关器件的输出端正极与总线电容的正端之间的第五二极管，还包括并接在开关器件与总线电容之间如上述的无损同步吸收电路，在开关器件断开时，所述功率电感、第五二极管和总线电容构成功率回路，用于使主功率电流通过第五二极管对总线电容进行充电。
为了解决上述技术问题，本发明还提供一种降压开关电源电路，包括输入端和输出端，所述输入端的负极与输出端的负极连接，所述输入端之间并接有总线电容，所述输出端之间并接有滤波电容，所述输入端正极与输出端正极之间串接有开关器件和功率电感，其中开关器件的输出端正极与输入端正极连接，开关器件的输出端负极与功率电感连接，还包括并接在开关器件的输出端负极和功率电感的公共交点与输出端负极之间反向连接第五二极管，以及并接在开关器件与总线电容之间如上述的无损同步吸收电路，在开关器件断开时，所述第五二极管、功率电感和滤波电容构成功率回路，用于使主功率电流通过功率电感对滤波电容进行充电。
本发明提供的无损同步吸收电路、升压开关电源电路和降压开关电源电路，充电回路和放电回路是在开关器件断开时同时进行的，且吸收电容吸收的尖峰电压能量反馈到总线电容上，因此称为无损同步吸收电路。
本发明在使用时，无损同步吸收电路并接在开关器件的输出端与总线电容之间。在开关器件断开时，由第一二极管、吸收电容和第二二极管构成充电回路，用于使吸收电容吸收开关器件在断开时产生的尖峰电压能量以及抑制开关器件产生的共模干扰。与现有技术相比，其充电回路的电流方向为单向，在开关器件断开时，开关器件的寄生电感以及主功率电感由于电感两端电流不能突变的特性，电流经第一二极管、吸收电容和第二二极管构成回路，从而对吸收电容进行充电，以吸收尖峰电压能量，从而有效抑制尖峰电压能量的电压值，防止较高的尖峰电压损坏开关器件。本发明的充电回路采用了上下对称式的双二极管结构，能有效抑制开关器件产生的共模干扰。由于本发明为无损吸收，所以充电回路中对吸收电容容值大小的选择没有限制，容值选择越大，对开关器件的尖峰电压的抑制能力越强，从而有效解决尖峰电压的问题。本发明的吸收电路是针对每个开关器件进行独立设计的，因此可以突破各开关器件之间必需紧凑布局布线的限制，从而让各开关器件布局更灵活，更有利于产品布局多样化的设计。
本发明提供的无损同步吸收电路和开关电源电路，在开关器件断开时，由吸收电容和总线电容构成放电回路，在吸收电容吸收的电压高于总线电容的电压时，吸收电容对总线电容进行放电，以使吸收电容的电压能量反馈到总线电容上，以实现电压能量的无损吸收。
附图说明
图1是开关器件输出回路的简易原理图；
图2是开关器件输出回路寄生电感等效电路的原理图；
图3是开关器件的输出端并联吸收电路的原理图；
图4是开关器件输出回路寄生电感等效电路在开关器件接通时的电流回路示意图；
图5是开关器件输出回路寄生电感等效电路在开关器件断开时的电流回路示意图；
图6为Boost开关电源电路的原理图；
图7是Boost开关电源在开关器件接通时的电流回路示意图；
图8是Boost开关电源在开关器件断开时的充电电流回路示意图；
图9是Boost开关电源在开关器件断开时的放电电流回路示意图；
图10是传统的吸收电路中充电回路对大地的共模干扰等效电路图；
图11是本发明实施例的吸收电路的原理图；
图12是本发明实施例的吸收电路在开关器件接通时的电流回路示意图；
图13是本发明实施例的吸收电路在开关器件断开时的充电电流回路示意图；
图14是本发明实施例的吸收电路在开关器件断开时的放电电流回路示意图；
图15是本发明实施例的吸收电路在开关器件断开时的阻碍回路示意图；
图16是本发明实施例的升压开关电源电路的原理图；
图17是本发明实施例的降压开关电路电路的原理图；
图18至图20是本发明实施例的吸收电路的充电回路采用绝缘栅双极型晶体管或金属氧化物半导体场效应晶体管替代二极管的原理图；
图21是本发明实施例的吸收电路的充电回路中串联二极管的原理图；
图22是本发明实施例的吸收电路的放电回路中采用电感的原理图；
图23是本发明施例的吸收电路的放电回路中采用电阻的原理图；
图24是本发明实施例的充电回路对大地的共模干扰等效电路图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作详细描述：
实施例一
请参考图11，本发明实施例一提供一种无损同步吸收电路，包括与开关器件Q1串联的第一二极管Ds1、总线电容Cbus和第二二极管Ds2，所述第一二极管Ds1的阴极和总线电容Cbus的公共交点与第二二极管Ds2的阳极和总线电容Cbus的公共交点之间连接有吸收电容Cs1，所述开关器件的接通或者断开由脉冲驱动信号控制。即由第一二极管Ds1、总线电容Cbus、第二二极管Ds2和吸收电容Cs1构成的元损同步吸收电路并接在开关器件Q1的两端。
请参考图11，开关器件Q1可以为场效应晶体管。其具体连接关系如下：开关器件Q1的漏极接第一二极管Ds1的阳极，第一二极管Ds1与总线电容Cbus的一端连接，总线电容Cbus的另一端接第二二极管Ds2的阳极，第二二极管Ds2的阴极接开关器件Q1的源极，开关器件Q1的栅极接脉冲驱动信号。
请参考图12，在开关器件Q1接通时，电流i经开关器件Q1构成导通回路。
请参考图13，在开关器件Q1断开时，所述第一二极管Ds1、吸收电容Cs1和第二二极管Ds2构成充电回路，用于使吸收电容Cs1吸收开关器件Q1在断开时产生的尖峰电压能量。本发明实施例的充电回路的电流方向为单向，在开关器件Q1断开时，开关器件Q1的寄生电感以及主功率电感由于电感两端电流不能突变的特性，电流经第一二极管Ds1、吸收电容Cs1和第二二极管Ds2构成回路，从而对吸收电容Cs1进行充电，以吸收尖峰电压能量，从而抑制尖峰电压能量，防止较高的尖峰电压损坏开关器件Q1。与现有技术相比，本发明的充电回路为对称式双二极管结构，即第一二极管Ds1和第二二极管Ds2对称设置，且第一二极管Ds1和第二二极管Ds2的规格相同。不仅能抑制电压尖峰，同时双二极管结构还能有效抑制开关器件产生的共模干扰。其次本发明实施例的充电回路通过对吸收电容Cs1的储能容量的选择，可以有效限制尖峰电压值处于较安全范围。再次，因吸收电路是针对每个开关器件单独实施的，而且是无损吸收的，那么就可以突破各开关器件之间必需紧凑布局布线的限制。
请参考图14，在开关器件Q1断开时，所述吸收电容Cs1和总线电容Cbus构成放电回路，当吸收电容Cs1两端吸收的电压高于总线电容Cbus两端的电压时，即VCs1>VCbus时，吸收电容Cs1对总线电容Cbus进行放电，以使吸收电容Cs1的电压能量反馈到总线电容Cbus，实现电压能量的无损吸收，同时降低吸收电容的电压能量。因此，本发明实施例一提供的无损同步吸收电路，其吸收尖峰电压能量的效果更好。
请参考图15，在开关器件Q1断开时，所述第一二极管Ds1、总线电容Cbus和第二二极管Ds2构成阻碍回路，用于阻止主功率电流通过阻碍回路进行分流对总线电容Cbus进行充电。其中阻碍回路的阻抗、感抗或者环路电压压降值大于主功率电流回路对应的阻抗、感抗或者环路电压压降值。因为阻碍回路和主功率电流回路在电路上属于并联的关系，所以阻碍环路的功能就是阻止主功率电流从吸收环路经过进入到总线电容中。例如本发明实施例采用两个相同的二极管，其总压降大于常规功率回路中的一个续流二极管的压降，故本发明实施例的阻碍回路的电压压降值大于主功率回路的环路电压压降值，从而实现阻碍作用。也就是说，若想使阻碍回路不起作用，在开关器件Q1断开时，必需有大于两个二极管压降总和以上的电压值，才能触发阻碍回路导通。因此，在设计时，为了不触发阻碍回路导通，阻碍回路的阻抗、感抗或者环路电压压降值大于主功率电流回路对应的阻抗、感抗或者环路电压压降值。
与现有技术相比，本发明使主功率回路与吸收电路通过阻碍回路分离开，主功率电流回路与吸收电路各自彼此独立，不共用续流二极管同时对吸收电容Cs1和总线电容Cbus进行充电，吸收电路不会承担较大的功率避免了大功率电路对吸收电路的影响，同时因电路分离，主功率器件的选型更加灵活，不受吸收电路功能的影响，保护了吸收电路的可靠性。
本发明实施例一提供的无损同步吸收电路，其充电回路和放电回路是在开关器件Q1断开时同时进行的，且吸收电容吸收的尖峰电压能量反馈到总线电容上，因此称为无损同步吸收电路。
本发明实施例一中的开关器件Q1可以为可以为结型场效应管(JFET)、双极型晶体管(BJT)、绝缘栅双极型晶体管(IGBT)、金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)或者V型槽场效应管(Vertical Metal Oxide
Semiconductor，VMOS)、二极管、变压器、晶闸管和光电耦合器中的一种以上。即可以是上述开关器件中的一个，也可以是上述开关器件2种以上组合，例如两个结型场效应晶体管串接组合。本发明实施例一中的开关器件Q1为结型场效应管(JFET)、双极型晶体管(BJT)、绝缘栅双极型晶体管(IGBT)、金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)或者V型槽场效应管(Vertical Metal Oxide Semiconductor，VMOS)时，其衬底可以是硅，也可以是锗，甚至是氮化镓等类似衬底。还可以在绝缘栅双极型晶体管、金属氧化物半导体场效应晶体管的漏源极之间或者集电极与发射极之间反向集成有二极管。此时绝缘栅双极型晶体管、金属氧化物半导体场效应晶体管的基极或者栅极由脉冲驱动信号控制，以使绝缘栅双极型晶体管、金属氧化物半导体场效应晶体管接通或者断开。当开关器件为结型场效应管(JFET)、双极型晶体管(BJT)、绝缘栅双极型晶体管(IGBT)、金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)或者V型槽场效应管(Vertical Metal Oxide Semiconductor，VMOS)时，其导通为开关器件的接通状态，其截止为开关器件的断开状态。以金属氧化物半导体场效应晶体管为例进行说明。即在金属氧化物半导体场效应晶体管的漏极连接集成二极管的阴极，金属氧化物半导体场效应晶体管的源极连接集成二极管的阳极。当选择没有集成二极管的金属氧化物半导体场效应晶体管作为开关器件时，可以在金属氧化物半导体场效应晶体管的输出端之间反向并接一二极管。也就是说，带有集成二极管的金属氧化物半导体场效应晶体管可以是一体结构的半导体器件，也可以是分立的两个半导体器件通过导线连接而成。当开关器件Q1使用反向集成二极管的金属氧化物半导体场效应晶体管时，相关电路在印刷电路板(PCB)布局布线时，可以不单独设置反向集成二极管的位置分布及导线连接，因此，具有布局布线结构简单，减少器件个数及减少焊接工艺的效果。开关器件Q1为金属氧化物半导体场效应晶体管时，目的是实现接通或者断开的开关特性，因此，只要具备开关特性的金属氧化物半导体场效应晶体管均可，例如将金属氧化物半导体场效应晶体管中的栅极与源极引脚短接，使用二极管的开关特性作为开关器件。再例如使用上述反向集成二极管的金属氧化物半导体场效应晶体管使用二极管的单向导通的特性作为开关使用。集成二极管的金属氧化物半导体场效应晶体管一方面是为了可能需要使用二极管的单向导通特性，另一方面是为了覆盖更多的器件造型。开关器件Q1为反向集成有二极管的金属氧化物半导体场效应晶体管时，可以有两个导通方向，根据电流流向选择哪个方向导通，请参考图11，当开关器件Q1向下导通时，使用金属氧化物半导体场效应晶体管的导通特性。当开关器件Q1向上导通时，使用反向集成的二极管的单向导通特性。
作为一种变形，本发明实施例一提供的无损同步吸收电路，所述充电回路中可以串联有电阻、电感和/或二极管。请参考图21，图21中示例了在充电回路中串联两个二极管的方案，即增加了一个二极管，为了与图11中的方案相区分，串接的两个二极管分别用Ds11和Ds12表示。本发明实施例的充电回路中的各元器件在印刷电路板(PCB)中位置分布必需靠近设置，并且导线尽可能的短，以减小充电回路中的寄生电感，从而减小尖峰电压能量。当充电回路中串联电阻、电感和/或二极管时，同样要求位置分布靠近设置的关系。
作为另外一种变形，所述放电回路也可以串联有电阻和/或电感。其中电感可以为导线连接的寄生电感。在放电回路中，各元器件之间的位置关系分布不受影响，可以不要求靠近设置。请参考图11、图22和图23，将放电回路中的串联有电感L2或电阻R1。此时，电感L2和电阻R1起连通作用，用于形成电流回路。
上述变形可以单独进行，也可以混合进行，其目的是实现对本发明实施例的无损同步吸收电路拓展和补充。
请参考图16，本发明实施例还提供一种升压开关电源电路(Boost开关电源电路)，包括输入端Vi和输出端Vo，所述输入端Vi之间并接有滤波电容C1和开关器件Q1，所述输出端Vo之间并接有总线电容Cbus，所述输入端Vi正极与开关器件Q1的输出端Vo正极之间连接有功率电感L1，还包括正向连接在开关器件Q1的输出端Vo正极与总线电容Cbus的正端之间的第五二极管D5，还包括并接在开关器件Q1与总线电容Cbus之间如上述的无损同步吸收电路，在开关器件Q1断开时，所述功率电感L1、第五二极管D5和总线电容Cbus构成功率回路，用于使主功率电流通过第五二极管D5对总线电容Cbus进行充电；在开关器件Q1断开时，所述第一二极管Ds1、吸收电容Cs1和第二二极管Ds2构成充电回路，用于使吸收电容Cs1吸收开关器件Q1在断开时产生的尖峰电压能量；在开关器件Q1断开时，所述吸收电容Cs1和总线电容Cbus构成放电回路，当吸收电容Cs1两端吸收的电压高于总线电容Cbus两端的电压时，即VCs1>VCbus时，吸收电容Cs1对总线电容Cbus进行放电，以使吸收电容Cs1的电压能量反馈到总线电容Cbus，实现电压能量的无损吸收。此时，由第一二极管Ds1、总线电容Cbus和第二二极管Ds2构成阻碍回路，阻止了功率回路的主功率电流通过阻碍回路进行分流对总线电容Cbus进行充电。
请参考图17，本发明实施例还提供一种降压开关电源电路(Buck开关电源电路)，包括输入端Vi和输出端Vo，所述输入端Vi的负极与输出端Vo的负极连接，所述输入端Vi之间并接有总线电容Cbus，所述输出端Vo之间并接有滤波电容C1，所述输入端Vi正极与输出端Vo正极之间串接有开关器件Q1和功率电感L1，其中开关器件Q1的输出端Vo正极与输入端Vi正极连接，开关器件Q1的输出端Vo负极与功率电感L1连接，还包括并接在开关器件Q1的输出端Vo负极和功率电感L1的公共交点与输出端Vo负极之间反向连接第五二极管D5，以及并接在开关器件Q1与总线电容Cbus之间如上述的无损同步吸收电路，在开关器件Q1断开时，所述第五二极管D5、功率电感L1和滤波电容C1构成功率回路，用于使主功率电流通过功率电感L1对滤波电容C1进行充电。此时，由第一二极管Ds1总线电容Cbus和第二二极管Ds2构成阻碍回路，阻止了功率回路的主功率电流通过阻碍回路进行分流对总线电容Cbus进行充电；在开关器件Q1断开时，所述第一二极管Ds1、吸收电容Cs1和第二二极管Ds2构成充电回路，用于使吸收电容Cs1吸收开关器件Q1在断开时产生的尖峰电压能量；在开关器件Q1断开时，所述吸收电容Cs1和总线电容Cbus构成放电回路，当吸收电容Cs1两端吸收的电压高于总线电容Cbus两端的电压时，即VCs1>VCbus时，吸收电容Cs1对总线电容Cbus进行放电，以使吸收电容Cs1的电压能量反馈到总线电容Cbus，实现电压能量的无损吸收。
作为较佳的实施方式，本发明实施例一提供的无损同步吸收电路，所述吸收电容Cs1为无感电容。所述二极管为无感二极管。其中，无感电容，是指电容无引脚或引脚较短。其中无感二极管，是指二极管无引脚或者引脚较短。无感电容或者无感二极管的设置，是为了减少电流回路中的寄生电感，降低尖峰电压能量。
实施例二
本发明实施例二是在实施例一的基础上改进而成，其区域在于，所述充电回路中的第一二极管Ds1和第二二极管Ds2中的至少一个二极管采用结型场效应晶体管、双极型晶体管、绝缘栅双极型晶体管、金属氧化物半导体场效应晶体管或V型槽场效应晶体管替代，当替代充电回路中的至少一个二极管时，所述结型场效应晶体管、双极型晶体管、绝缘栅双极型晶体管、金属氧化物半导体场效应晶体管或V型槽场效应晶体管的导通方向与充电回路的电流方向相同。
其中，所述绝缘栅双极型晶体管或金属氧化物半导体场效应晶体管可以集成有二极管。所述充电回路中的至少一个二极管采用集成有二极管的绝缘栅双极型晶体管或金属氧化物半导体场效应晶体管替代时，在使用绝缘栅双极型晶体管或金属氧化物半导体场效应晶体管的导通特性时，绝缘栅双极型晶体管或金属氧化物半导体场效应晶体管的导通方向与充电回路的电流方向相同；在使用二极管的单向导通特性时，绝缘栅双极型晶体管或金属氧化物半导体场效应晶体管中集成的二极管的导通方向与充电回路的电流方向相同。请参考图11、图18和图19，本发明实施例二中将实施例一中的第一二极管Ds1采用集成有二极管的第一绝缘栅双极型晶体管或金属氧化物半导体场效应晶体管Qs1替代。图18中使用了集成有二极管的第一绝缘栅双极型晶体管或金属氧化物半导体场效应晶体管Qs1中的二极管的单向导通特性，使第一绝缘栅双极型晶体管或金属氧化物半导体场效应晶体管Qs1中二极管的导通方向与充电回路的电流方向相同。此时第一绝缘栅双极型晶体管或金属氧化物半导体场效应晶体管Qs1的基极或者栅极可以悬空或者接低电平。图19是使用了集成有二极管的绝缘栅双极型晶体管或金属氧化物半导体场效应晶体管的开关特性时使绝缘栅双极型晶体管或金属氧化物半导体场效应晶体管的导通方向与充电回路的电流方向相同。此时集成有二极管的第一绝缘栅双极型晶体管或金属氧化物半导体场效应晶体管Qs1基极或者栅极由外部脉冲驱动信号控制绝缘栅双极型晶体管或金属氧化物半导体场效应晶体管Qs1的导通或者截止。
请参考图20，本发明实施例二中还可以将实施例一中的第一二极管Ds1和第一二极管Ds1全部替代。例如采用集成有二极管的第一绝缘栅双极型晶体管或金属氧化物半导体场效应晶体管Qs1替代第一二极管Ds1，采用集成有二极管的第二绝缘栅双极型晶体管或金属氧化物半导体场效应晶体管Qs2替代第二二极管Ds2。此时，替代的绝缘栅双极型晶体管或金属氧化物半导体场效应晶体管导通方向需与充电回路的电流方向相同。
本发明实施例中总线电容Cbus，也称为母线电容Cbus，包括输入端类型和输出端类型。输入端类型是指并接在输入端，输出端类型是指并接在输出端。
本发明实施例主要针对桥臂管。其中桥臂管是指存在这样一种闭合环路，它只由至少两个开关器件和与至少一个电压源组成，则在这种环路结构中，其中的开关器件就称为桥臂管。请参考图6，开关器件Q1通过二极管D1和总线电容Cbus(总线电容Cbus的本质为电压源)连接形成一闭合环路，且此环路只由两个开关器件(Q1和D1)和一电压源(Cbus)组成，满足桥臂管环路定义要求，所以Q1和D1均属于桥臂管；同理请参考图11，也即为本发明所提到的吸收电路，开关器件Q1通过第一二极管Ds1、第二二极管Ds2与总线电容Cbus(总线电容Cbus的本质为电压源)连接形成一个环路，也满足桥臂管环路定义要求，所以这些管子(Q1、Ds1和Ds2)也都属于桥臂管。
图24是本发明实施例的充电回路对大地的共模干扰等效电路图，请参考图24，开关器件Q1两端对大地的等效电容分别为电容CY1和电容CY2，吸收电容Cs两端对大地的等效电容分别为CY3和CY4，第一二极管Ds1的结电容为Cd1，第二二极管Ds2的结电容为Cd2。由于吸收电容Cs是以系统地位参考地，而系统地对大地之间的电位相对恒定，也即电容CY3和电容CY4的电压固定不变，故流经电容CY3和CY4的对大地电流为0，即i3＝i4＝0。而对于电容CY2、第二二极管Ds2和电容CY3的环路来说，根据环路电压为0，得到：
VCY2-VDs2-VCY3＝0 (公式1)。
对于电容CY1、第一二极管Ds1和电容CY4的环路来说，其环路电压为0，得到：
VCY1+VDs1-VCY4＝0 (公式2)。
将公式1代入公式4，将公式2代入公式3分别得到：
由于CY3、CY4电压恒定，则d(VCY3)＝0，d(VCY4)＝0，分别对公式5和公式6化简得到：
又由于在吸收环路中，Ds1与Ds2的电流相同，若Ds1与Ds2采用相同型号的器件，则其寄生参数相同，相同电流下产生的电压降也相同，即VDs1＝VDs2，对大地产生的寄生电容也会相同，即CY1＝CY2，则得到：
由于公式9可知，本发明实施例的充电回路中采用对称的二极管结构，能够抑制开关器件两端对大地产生的共模干扰。
本发明实施例提供的无损同步吸收电路，适用于不间断电源(UPS)、逆变器、无线充电等开关电源或者非开关电源中。
本发明不限于上述具体实施方式，凡在本发明的权利要求书的精神和范围之内所作出的各种变化和润饰，均在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种无损同步吸收电路，其特征在于，包括与开关器件串联的第一二极管、总线电容、第二二极管，所述第一二极管的阴极和总线电容的公共交点与第二二极管的阳极和总线电容的公共交点之间连接有吸收电容，所述开关器件的接通或者断开由脉冲驱动信号控制；在开关器件断开时，所述第一二极管、吸收电容和第二二极管构成充电回路，用于使吸收电容通过第一二极管和第二二极管吸收开关器件产生的尖峰电压能量；所述吸收电容和总线电容构成放电回路，用于在吸收电容吸收的电压高于总线电容的电压时，对总线电容进行放电，以使吸收电容的电压能量反馈到总线电容上，实现电压能量的无损吸收。
2.如权利要求1所述的无损同步吸收电路，其特征在于，所述放电回路中串联有电阻和/或电感。
3.如权利要求1所述的无损同步吸收电路，其特征在于，所述充电回路串联有开关器件。
4.如权利要求1或3所述的无损同步吸收电路，其特征在于，所述开关器件为结型场效应晶体管、双极型晶体管、绝缘栅双极型晶体管、金属氧化物半导体场效应晶体管、V型槽场效应晶体管、二极管、变压器、晶闸管或光电耦合器。
5.如权利要求4所述的无损同步吸收电路，其特征在于，所述充电回路中的至少一个二极管采用结型场效应晶体管、双极型晶体管、绝缘栅双极型晶体管、金属氧化物半导体场效应晶体管或V型槽场效应晶体管替代，当替代充电回路中的至少一个二极管时，所述结型场效应晶体管、双极型晶体管、绝缘栅双极型晶体管、金属氧化物半导体场效应晶体管或V型槽场效应晶体管的导通方向与充电回路的电流方向相同。
6.如权利要求5所述的无损同步吸收电路，其特征在于，所述绝缘栅双极型晶体管或金属氧化物半导体场效应晶体管集成有二极管。
7.如权利要求6所述的无损同步吸收电路，其特征在于，所述充电回路中的至少一个二极管采用集成有二极管的绝缘栅双极型晶体管或金属氧化物半导体场效应晶体管替代时，在使用绝缘栅双极型晶体管或金属氧化物半导体场效应晶体管的导通特性时，绝缘栅双极型晶体管或金属氧化物半导体场效应晶体管的导通方向与充电回路的电流方向相同；在使用二极管的单向导通特性时，绝缘栅双极型晶体管或金属氧化物半导体场效应晶体管中集成的二极管的导通方向与充电回路的电流方向相同。
8.如权利要求1所述的无损同步吸收电路，其特征在于，在开关器件断开时，所述第一二极管、总线电容和第二二极管构成阻碍回路，用于阻止主功率电流通过阻碍回路进行分流对总线电容进行充电。
9.一种升压开关电源电路，其特征在于，包括输入端和输出端，所述输入端之间并接有滤波电容和开关器件，所述输出端之间并接有总线电容，所述输入端正极与开关器件的输出端正极之间连接有功率电感，还包括正向连接在开关器件的输出端正极与总线电容的正端之间的第五二极管，还包括并接在开关器件与总线电容之间如权利要求1至8中任一项所述的无损同步吸收电路，在开关器件断开时，所述功率电感、第五二极管和总线电容构成功率回路，用于使主功率电流通过第五二极管对总线电容进行充电。
10.一种降压开关电源电路，其特征在于，包括输入端和输出端，所述输入端的负极与输出端的负极连接，所述输入端之间并接有总线电容，所述输出端之间并接有滤波电容，所述输入端正极与输出端正极之间串接有开关器件和功率电感，其中开关器件的输出端正极与输入端正极连接，开关器件的输出端负极与功率电感连接，还包括并接在开关器件的输出端负极和功率电感的公共交点与输出端负极之间反向连接第五二极管，以及并接在开关器件与总线电容之间如权利要求1至8中任一项所述的无损同步吸收电路，在开关器件断开时，所述第五二极管、功率电感和滤波电容构成功率回路，用于使主功率电流通过功率电感对滤波电容进行充电。
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|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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