CN109980909A - 一种变压器漏感能量吸收电路及其控制方法 - Google Patents

一种变压器漏感能量吸收电路及其控制方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种变压器漏感能量吸收电路及其控制方法，吸收电路包含主功率开关管，以及两个电容，结构简单可靠。其控制方法为，漏感能量通过第一电容C1、第二电容C2以及主功率开关管的寄生电容给主功率开关管提供导通能量，主功率开关管提供吸收漏感能量的通道并消耗漏感能量。当主功率开关管关断后，短暂不完全导通时间Tc吸收变压器漏感能量，降低开关管两端的电压尖峰。

Description

一种变压器漏感能量吸收电路及其控制方法
技术领域
本发明涉及吸收电路技术领域，特别涉及开关电源的变压器漏感能量吸收电路及其控制方法。
背景技术
开关电源具有宽电压输入、效率高、体积小及电流大的优点，因此广泛运用于铁路系统及关联设备中。
中大功率、低电压输出的应用场合，由于输入、输出电流较大，隔离型开关电源的主功率开关管一般使用MOSFET来降低导通损耗，尤其是输出整流功率管。由于MOSFET漏极和源极间有寄生体二极管，因此在关断后存在电荷的反向恢复现象，漏、源极间会产生振荡的电压尖峰，所以在开关电源的电路中需要增加一个吸收电路。吸收电路的作用是为了使MOSFET上振荡的电压不超过器件的标称耐压值。
现有的吸收电路大部分是由电阻和电容组成的RC电路或由电阻、电容和二极管组成的RCD电路，图1为现有技术中的RC吸收电路。
但是，在高电压输入、大功率、平面变压器的应用场合，由于MOSFET关断后漏、源极电压平台较高，加之变压器的漏感能量较大，导致RC吸收电路吸收后的振荡电压尖峰还是很高，吸收电路的吸收效果不好，并且吸收的能量是由电阻R1来消耗掉，电阻R1承受很大的功耗。
发明内容
有鉴于此，本发明要解决的技术问题是，提供一种变压器漏感能量吸收电路及其控制方法，解决现有吸收电路吸收漏感能量效果较差导致主功率MOSFET漏、源极振荡电压尖峰较高的问题。
为解决上述技术问题，本发明采用的方案是：
一种变压器漏感能量吸收电路，连接在变压器副边绕组的同名端和输出地之间，包含主功率开关管、第一电容、第一电阻；第一电容C1的一端与主功率开关管的漏极电连接变压器副边绕组的同名端，第一电容C1的另一端与主功率开关管的栅极电连接后与第一电阻的一端电连接，第一电阻的另一端连接外部驱动信号；主功率开关管的源极接输出地。
一种变压器漏感能量吸收电路，连接在变压器原边绕组的异名端和输入地之间，包含主功率开关管、第一电容、第一电阻；第一电容C1的一端与主功率开关管的漏极电连接变压器原边绕组的异名端，第一电容C1的另一端与主功率开关管的栅极电连接后与第一电阻的一端电连接，第一电阻的另一端连接外部驱动信号；主功率开关管的源极接输入地。
优选的，一种变压器漏感能量吸收电路，还包括第二电容，第二电容的一端连接主功率开关管的栅极，第二电容的另一端连接主功率开关管的源极。
优选的，所述的主功率开关管为N沟道MOSFET。
一种变压器漏感能量吸收电路的控制方法，通过调整第一电容和第二电容的容值，使得所述的主功率开关管在关断后的短暂不完全导通时间Tc内吸收漏感能量，Tc远小于主功率开关管的关断时间，且第一电容、第二电容容值需满足：
优选的，在所述的短暂不完全导通时间Tc内，主功率开关管栅源极电压大于导通门限电压，但短暂不完全导通时间Tc内主功率开关管没有完全导通，主功率开关管工作在可变电阻区，随后主功率开关管关断。
本发明还提供上述吸收电路的控制方法，其特征在于通过调整第一电容C1、第二电容C2的容值，使得主功率开关管在关断后的短暂不完全导通时间Tc内吸收漏感能量，Tc远小于主功率开关管的关断时间。第一电容C1、第二电容容值C2需满足：
其中Vg为主功率开关管栅源极电压，Vdsp为主功率开关管漏源极期望的尖峰电压，Cgd为主功率开关管的栅、漏极间寄生电容，Cgs为主功率开关管的栅、源极间寄生电容，Vgth为主功率开关管的导通门限。
本发明的控制方法中，在时间Tc内，主功率开关管栅源极电压大于导通门限电压，但由于时间Tc太短，使得在短暂的时间内主功率开关管没有完全导通，主功率开关管工作在可变电阻区，随后主功率开关管关断。
本发明的一种变压器漏感能量吸收电路及其控制方法具有以下技术优势：
1、吸收电路仅包含主功率开关管以及两个电容，简单可靠；
2、通过使主功率开关管工作在可变电阻区消耗漏感能量，解决了漏感能量较大而RC吸收电路吸收效果不明显、电阻功耗高的问题；
3、通过调整电容C1、电容C2的取值，可以兼容不同导通门限的主功率开关管；
附图说明
图1为传统漏感能量吸收电路：RC吸收电路；
图2为本发明第一实施例电路原理图；
图3为本发明第二实施例电路原理图；
图4为本发明第三实施例电路原理图；
图5为第一实施例一个开关周期内，端口GATE、主功率开关管栅、源极电压和漏、源极电压的波形图；
图6为第一实施例反激变换器副边同步整流电路在图4的t1-t5时刻的等效原理图。
具体实施例
第一实施例
下面将结合附图及实施例对本发明进一步说明，但不应以此限制本发明的保护范围。
如图2所示，本实施例的变压器漏感能量吸收电路，包括：一变压器副边绕组N1、一PWM输出端口GATE、一N沟道MOSFET TR1、一电阻R1、一电容C1、一电容C2、一输出电压Vo、一输出电压地0V。变压器绕组N1的一端与输出电压Vo相连，变压器绕组N1的另一端与MOSFET TR1的漏极相连后与电容C1的一端相连，电容C1的另一端与MOSFET TR1的栅极相连后与电容C2的一端相连，电容C2的另一端与MOSFET TR1的源极相连后与输出电压地0V相连，外部的驱动信号通过PWM输出端口GATE输入给电阻R1的一端，电阻R1的另一端与MOSFET TR1的栅极相连。
电路的工作原理如下：
如图5所示，在t0-t1时刻，端口GATE输出一定值高电平，假设该值为m，m大于MOSFET TR1的导通门限Vgth，通过电阻R1对MOSFET TR1栅极充电，MOSFET TR1完全导通，漏、源极电压Vds为0，此时变压器绕组N1同名端对异名端电压为负。
在t1时刻，端口GATE由高电平变为低电平，并通过电阻R1对MOSFET TR1栅极放电，MOSFET TR1关断，MOSFET TR1反向恢复，此时变压器绕组N1同名端对异名端电压为正，此时电路的等效原理图如图6所示。
在t1-t2时刻，输出电压、变压器绕组N1电压、漏感能量同时对MOSFET TR1的漏源极寄生电容充电，漏源极电压Vds上升。由于寄生电容Cds的容值很小，漏源极电压Vds快速上升，上升波形可简化为一斜率k的直线，此时MOSFET TR1栅极的电压Vg在复频域可表达为：
式中：S代表复频域中的变量。
通过拉布拉斯反变换，可得此时MOSFET TR1栅极电压Vg在时域可表达为
因此，MOSFET TR1的栅极电压随着Vds上升而上升，在t2时刻，当栅极电压Vg满足
Vg(t)＞Vgth
MOSFET TR1进入不完全导通状态。
在t2-t3时刻，MOSFET TR1漏源极处于可变电阻区，通过输出电压、变压器绕组N1形成一个通路消耗漏感能量，降低电压尖峰。
在t3-t4时刻，MOSFET TR1的栅极电压随着Vds下降而下降，当栅极电压Vg满足
Vg(t)＜Vgth
MOSFET TR1关断。
在t4-t5时刻，漏源极电压Vds为一定值的高电平，假设该值为n，此时MOSFET TR1栅极电压Vg在复频域可表达为
通过拉布拉斯反变换，可得此时MOSFET TR1栅极电压Vg在时域可表达为
因此MOSFET TR1的栅极电压会以时间常数为1/(R1(C1+C2))的函数快速衰减，MOSFET TR1在t4-t5时刻始终处于关断状态。
第二实施例
图3为本发明第二实施例的电路图，其工作原理和第一实施例完全一样，唯一的不同点是，没有电容C2，电容C1的取值需满足：
其他所有工作过程和实施例一完全一样，在此不再赘述。
第三实施例
图4为本发明第三实施例的电路图，其工作原理和第一实施例完全一样，唯一的不同点是，本实施例的变压器漏感能量吸收电路应用于变压器原边，包括：一变压器原边绕组、一输入电压，变压器原边绕组N2的同名端与输入电压VIN相连，变压器原边绕组N2的另一端与MOSFET TR1的漏极相连后与电容C1的一端相连，电容C1的另一端与MOSFET TR1的栅极相连后与电容C2的一端相连，电容C2的另一端与MOSFET TR1的源极相连后与输入地相连，外部的驱动信号通过PWM输出端口GATE输入给电阻R1的一端，电阻R1的另一端与MOSFET TR1的栅极相连。
其他所有工作过程和实施例一完全一样，在此不再赘述。
第四实施例
在第三实施例的基础上，去掉电容C2，工作原理与第二实施例相同。
基于本发明的实施例，本领域的技术人员在不付出创造性劳动的前提下所获得的其他实施例，均属于本发明保护的范围。另外，本申请文件中提及到的电连接，并非单指构件直接相接，而是指可根据具体实施情况，通过添加或减少辅件，来组成更优的连接结构。

Claims (6)

1.一种变压器漏感能量吸收电路，其特征在于：连接在变压器副边绕组的同名端和输出地之间，包含主功率开关管、第一电容、第一电阻；第一电容C1的一端与主功率开关管的漏极电连接变压器副边绕组的同名端，第一电容C1的另一端与主功率开关管的栅极电连接后与第一电阻的一端电连接，第一电阻的另一端连接外部驱动信号；主功率开关管的源极接输出地。
2.一种变压器漏感能量吸收电路，其特征在于：连接在变压器原边绕组的异名端和输入地之间，包含主功率开关管、第一电容、第一电阻；第一电容C1的一端与主功率开关管的漏极电连接变压器原边绕组的异名端，第一电容C1的另一端与主功率开关管的栅极电连接后与第一电阻的一端电连接，第一电阻的另一端连接外部驱动信号；主功率开关管的源极接输入地。
3.根据权利要求1或2所述的一种变压器漏感能量吸收电路，其特征在于：还包括第二电容，第二电容的一端连接主功率开关管的栅极，第二电容的另一端连接主功率开关管的源极。
4.根据权利要求3所述的一种变压器漏感能量吸收电路，其特征在于：所述的主功率开关管为N沟道MOSFET。
5.一种变压器漏感能量吸收电路的控制方法，其特征在于：通过调整第一电容和第二电容的容值，使得所述的主功率开关管在关断后的短暂不完全导通时间Tc内吸收漏感能量，Tc远小于主功率开关管的关断时间，且第一电容、第二电容容值需满足：
6.根据权利要求5所述的一种变压器漏感能量吸收电路的控制方法，其特征在于：在所述的短暂不完全导通时间Tc内，主功率开关管栅源极电压大于导通门限电压，但短暂不完全导通时间Tc内主功率开关管没有完全导通，主功率开关管工作在可变电阻区，随后主功率开关管关断。
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