CN109217639A

CN109217639A - 一种反激式宽输入/输出电压范围的变换器

Info

Publication number: CN109217639A
Application number: CN201811134959.9A
Authority: CN
Inventors: 冯兴田; 邵康
Original assignee: China University of Petroleum East China
Current assignee: China University of Petroleum East China
Priority date: 2018-09-28
Filing date: 2018-09-28
Publication date: 2019-01-15

Abstract

本发明提出一种宽输入/输出电压范围的反激式变换器，将变换器中的变压器分为三个绕组和两个开关管进行设计，针对不同的输入/输出电压范围，通过控制两个开关管的工作状态，利用三个绕组间串并联原理将变换器分为四种工作模态，解决了变换器输入/输出电压范围窄，高低压切换难控制的问题；又可以通过改变变压器原、副边匝数比，缩小占空比的变化范围，便于硬件电路设计与实现，降低成本。

Description

一种反激式宽输入/输出电压范围的变换器

技术领域

本发明涉及一种变换器，具体地说，涉及一种反激式宽输入/输出电压范围的变换器。

背景技术

近年来，变换器被广泛应用在生活中的各个领域，得到了迅速的发展。变换器各方面性能都有很大的提升，宽范围输入/输出变换器在充电电源、分布式电源、测试电源等领域得到了广泛应用。为了使变换器适用于更多的应用场合、满足于不同应用需求，如何有效的扩宽变换器的输入/输出电压范围成为了研究热点与难点。

发明内容

本发明的技术方案是一种反激式宽输入/输出电压范围的变换器。

本发明的目的是基于反激电路，将变换器中的变压器分为三个绕组进行设计，通过对不同绕组设计不同方向的同名端，并利用不同绕组之间串并联的关系，扩宽变换器输入/输出电压范围、实现高低压随时切换控制；又可以通过改变变压器原、副边匝数比，缩小占空比的变化范围，利于磁性元件设计，降低成本。

本发明的目的可以通过以下方案实现：

设计电路采用反激拓扑，采用两个MOSFET开关管，分别为Q₁和Q₂。变压器的初级线圈由n₁、 n₂、n₃三部分组成，且匝数为n₁>n₂＝n₃；副边线圈为n₄。开关管Q₁、Q₂工作在不同状态，可以使变换器工作分为四种模态，即三种开一种关。

第一种工作模态：当输入为低压或者输出为高压时，开关管Q₁不工作、Q₂工作，初级线圈等效为n₁-n₃，此时变换器的输出范围为：

其中t_on为开关管开通时间，t_off为开关管关断时间，将t_on和t_off用占空比D来表示，T 为开关管的开关周期。

第二种工作模态：当输入或输出为中压时，开关管Q₁、Q₂同时工作，初级线圈等效为n₁，此时变换器的输出范围为：

第三种工作模态，当输入为高压或者输出为低压时，开关管Q₁工作、Q₂不工作，初级线圈等效为n₁+n₂，此时变换器的输出范围为：

第四种工作模态，当输入为高压时，开关管Q₁、Q₂均不工作，此时变换器不工作。

变换器开关管Q₁、Q₂的工作状态，是根据变换器在第二种工作模态时输入/输出电压与占空比之间的关系，画出的一条电压与占空比相关的曲线，根据曲线选取开关管Q₁、Q₂工作状态的切换点。

附图说明

图1是本文提出的反激电路的原理示意图；

图2是传统反激电路的原理示意图；

图3是输出电压随占空比变化的曲线；

具体实施方式

结合发明内容，对优选实施例作简要说明。应该强调的是，下述说明仅仅是示例性的，而不是为了限制本发明的范围及其应用。

本发明变换器适用于宽输入电压范围和宽输出电压范围，为了说明本发明拓扑结构的有效性，以输出宽电压范围为例。变换器以额定输入500V、输出800V，输出电压范围为100V～4000V。

常规反激变换器如图2所示，设此时变压器的比值为n₄:n₁＝8:5，额定情况下占空比为：

当输出电压为100V时，占空比为：

当输出电压为3000V时，占空比为：

当输出电压为4000V时，占空比为：

通过计算可以看出变换器在输出电压较小时，如U_o＝100V时，D＝0.11，占空比过小，实际应用中难以实现对电压的调节，不利于工作效率的提升，且会增大电路中磁性元件的设计难度；当输出电压较高时，如U_o＝3000V时，D＝0.8，U_o＝4000V时，D＝0.83，此时较小占空比的变化范围将会导致输出电压陡升或者陡降，不利于变换器的稳定性。

本发明提出的变换器在同等条件下，变压器的比值为n₄:n₁:n₂:n₃＝8:5:4:4。各开关管状态对应的电压增益如下：

当输出范围在400V～1000V时，此时变换器工作在第二种模态：Q₁、Q₂同时工作，初级线圈等效为n₁，此时变换器取输出800为例，占空比为：：

根据此状态下输出电压与占空比之间的关系画出两者相关的曲线，如图3所示。从图中可以看出当占空比过大时，调节占空比容易引起输出电压的陡升或陡降，不利于变换器的稳定性；当占空比过小时，不利于工作效率的提升，且会增大电路中磁性元件的设计难度。

本实施例根据输出电压随占空比变化的曲线选取400V和2000V为开关管Q₁、Q₂工作状态的切换点。

当输出电压范围为100V～400V时，变换器工作在第三种模态，Q₁工作、Q₂不工作，初级线圈等效为n₁+n₂，此时变换器取输出100为例，占空比为：

当输出电压范围为2000V～4000V时，变换器工作在第一种模态，开关管Q₁不工作、Q₂工作，初级线圈等效为n₁-n₃，此时变换器取输出4000为例，占空比为：

通过对比本发明提出的电路与传统电路在实施例中得到的占空比大小可以看出，本发明提出的电路避免了宽电压输出时占空比出现过大或过小的现象，整体缩小了占空比的变化范围，提高了变换器在高压区和低压区调压能力，便于磁性元件设计。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。

Claims

1.反激式宽输入/输出电压范围的变换器，包括输入端、变压器、开关管、输出电容和输出端，其特征是：变换器中变压器原边由三个绕组和两个开关管设计而成。

2.根据权利要求1所述的反激式宽输入/输出电压范围的变换器，其特征是：变压器原边三个绕组分别为n₁、n₂、n₃和Q₁、Q₂两个开关管组成，且匝数为n₁>n₂＝n₃。

3.根据权利要求2所述的变压器原边三个绕组分别为n₁、n₂、n₃，其特征是：通过对变压器原边绕组n₁、n₂、n₃取不同方向的同名端，利用不同绕组之间的串并联关系，拓宽变换器的宽输入/输出电压范围。

4.根据权利要求3所述的变换器的宽输入/输出电压范围，其特征是：当输入为低压或输出为高压时，开关管Q₁不工作、Q₂工作，初级线圈等效为n₁-n₃，此时变换器的输出范围为：

其中t_on为开关管开通时间，t_off为开关管关断时间，将t_on和t_off用占空比D来表示，T为开关管的开关周期。

5.根据权利要求3所述的变换器的宽输入/输出电压范围，其特征是：当输入或输出为中压时，开关管Q₁、Q₂同时工作，初级线圈等效为n₁，此时变换器的输出范围为：

6.根据权利要求3所述的变换器的宽输入/输出电压范围，其特征是：当输入为高压或输出为低压时，开关管Q₁工作、Q₂不工作，初级线圈等效为n₁+n₂，此时变换器的输出范围为：