CN110266181B - 一种钳位电路及钳位方法 - Google Patents

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Abstract

本发明实施例公开了一种钳位电路，应用于开关电源，该钳位电路与开关电源内的功率开关管和恒定电压元件连接，该钳位电路包括：第一电容、第一二极管和第二二极管；其中，第一电容一端与第一二极管的阴极和第二二极管的阳极连接，另一端与功率开关管的漏极和恒定电压元件连接；第一二极管的阳极与功率开关管的源极连接；第二二极管的阴极与恒定电压元件连接。本发明实施例还同时公开了一种钳位方法。

Description

一种钳位电路及钳位方法
技术领域
本发明涉及电力电子技术领域，尤其涉及一种钳位电路及钳位方法。
背景技术
在开关电源中，高速开关电路产生的寄生电容和电感在二极管蓄积电荷的影响下，引起电压尖峰。电压尖峰不仅会对功率开关管的使用寿命产生影响，甚至还会直接损坏功率开关管。并且，电压尖峰也会带来较大的噪声干扰，对周围的电子设备产生干扰。针对降低或消除开关电源中功率开关管承受的电压尖峰主要存在电容吸收电路、RC吸收电路和RCD钳位电路等。
图1为电容吸收电路的示意图。如图1所示，是将电容C直接并联在功率开关管Q的两端，其方法结构简单，有一定的吸收效果，但是当功率增加时，吸收效果不明显。
图2为RC吸收电路的示意图。如图2所示，是将电容C和电阻R串联之后并联到功率开关管Q两端。当功率开关管Q关断时，开关电源中的感性器件通过电阻R向电容C充电，由于电阻R作用，该充电回路阻抗变大，并且并联的电容C相当于增大了功率开关管Q的电容容量，因此，功率开关管Q在关断时刻的电压尖峰得到抑制。RC吸收电路设计简单，器件较少，但是其吸收效果有限，并且吸收过程中存在耗能，降低了开关电源的效率。
图3为RCD钳位电路的示意图。如图3所示，是将电容C和二极管D串联，将电阻R与二极管并联，再将其整体并联在功率开关管Q两端。当功率开关管Q关断时，开关电源中的感性器件向功率开关管的寄生电容充电，在功率开关管两端电压达到电容C两端的电压时，二极管D导通，从而感性器件向电容C充电，使功率开关管Q两端电压被钳位到与电容C两端电压相当，延长了功率开关管Q两端电压上升的时间，抑制了电压尖峰。RCD钳位电路也是一种比较简单和低成本的吸收电路，比RC吸收电路的吸收效果好，但是吸收过程中也存在耗能，降低了开关电源的效率，并且如果相关参数设计不合适，钳位效果并不理想，甚至起不到抑制作用。
发明内容
为解决现有存在的技术问题，本发明实施例期望提供一种钳位电路及钳位方法，在抑制了功率开关管电压尖峰的同时，保证了开关电源的效率，且成本较低。
为达到上述目的，本发明实施例的技术方案是这样实现的：
本发明实施例提供了一种钳位电路，所述钳位电路应用于开关电源，所述钳位电路与所述开关电源内的功率开关管和恒定电压元件连接；所述钳位电路包括：第一电容、第一二极管和第二二极管；其中，
所述第一电容一端与所述第一二极管的阴极和所述第二二极管的阳极连接，另一端与所述功率开关管的漏极和所述恒定电压元件连接；
所述第一二极管的阳极与所述功率开关管的源极连接；
所述第二二极管的阴极与所述恒定电压元件连接。
在上述电路中，所述第一二极管，用于当所述功率开关管由开通状态转换为关断状态，所述功率开关管两端电压大于所述恒定电压元件的恒定电压时，由截止状态转换为导通状态。
在上述电路中，所述第一电容，用于当所述第一二极管由截止状态转换为导通状态之后，通过所述第一二极管吸收所述功率开关管关断产生的能量。
在上述电路中，所述第二二极管，用于当所述第一电容通过所述第一二极管吸收所述功率开关管关断产生的能量，至所述第一电容两端电压大于所述恒定电压元件的恒定电压时，由截止状态转换为导通状态。
在上述电路中，所述恒定电压元件，用于通过所述第二二极管吸收所述第一电容中的能量，至所述第一电容两端电压钳位到所述恒定电压元件的恒定电压。
在上述电路中，所述恒定电压元件为第二电容，或者电压源。
在上述电路中，所述第二电容的电容值大于所述第一电容的电容值，且所述功率开关管的开关频率大于所述第二电容的波纹频率。
本发明实施例提供了一种钳位方法，所述方法包括：
当功率开关管由开通状态转换为关断状态时，控制第一电容通过第一二极管吸收所述功率开关管关断产生的能量；
控制恒定电压元件通过第二二极管吸收所述第一电容中的能量，至所述第一电容两端电压钳位到所述恒定电压元件的恒定电压。
在上述方案中，所述控制第一电容通过第一二极管吸收所述功率开关管关断产生的能量之前，所述方法还包括：
当所述功率开关管两端电压大于所述恒定电压元件的恒定电压时，控制所述第一二极管由截止状态转换为导通状态。
在上述方案中，所述控制恒定电压元件通过第二二极管吸收所述第一电容中的能量之前，所述方法还包括：
当所述第一电容两端电压大于所述恒定电压元件的恒定电压，控制所述第二二极管由截止状态转换为导通状态。
由此可见，本发明实施例提供的一种钳位电路及钳位方法，应用于开关电源，钳位电路与开关电源内的功率开关管和恒定电压元件连接；钳位电路包括：第一电容、第一二极管和第二二极管；其中，第一电容一端与第一二极管的阴极和第二二极管的阳极连接，另一端与功率开关管的漏极和恒定电压元件连接；第一二极管的阳极与功率开关管的源极连接；第二二极管的阴极与恒定电压元件连接。采用该钳位电路，在抑制了功率开关管电压尖峰的同时，由于其中并不存在耗能元件，从而保证了开关电源的效率，且仅使用两个二极管和一个电容，成本较低。
附图说明
图1为电容吸收电路的示意图；
图2为RC吸收电路的示意图；
图3为RCD钳位电路的示意图；
图4为本发明实施例提供的一种钳位电路的示意图；
图5为本发明实施例提供的一种示例性的钳位电路应用于传统单相桥式BoostPFC电路的示意图；
图6为本发明实施例提供的一种示例性的钳位电路应用于基本无桥Boost PFC电路的示意图；
图7为本发明实施例提供的一种示例性的钳位电路应用于图腾无桥PFC电路的示意图；
图8为本发明实施例提供的一种示例性的钳位电路应用于正激电路的示意图；
图9为本发明实施例提供的一种示例性的钳位电路应用于反激电路的示意图；
图10为本发明实施例提供的一种钳位方法的流程示意图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。
实施例一
本发明实施例提供了一种钳位电路。图4为本发明实施例提供的一种钳位电路的示意图。
需要说明的是，在现有技术中，钳位是指将电路中某点的电压限制在规定电压的措施，是一种过压保护技术。相应的，钳位电路就是将电路中某点的电压限制在指定电压上，保持电压稳定的电路。本发明实施例提出的钳位电路，应用于开关电源，通过该钳位电路即可抑制开关电源中功率开关管电压尖峰，也就是将功率开关管的电压控制在某一指定电压上。
如图4所示，在开关电源中，钳位电路1与功率开关管2和恒定电压元件3连接，该钳位电路包括：第一电容C1、第一二极管D1和第二二极管D2。其中，第一电容C1一端与第一二极管D1的阴极和第二二极管D2的阳极连接，另一端与功率开关管2的漏极和恒定电压元件3连接，第一二极管D1的阳极与功率开关管2的源极连接，第二二极管D2的阴极与恒定电压元件3连接。
需要说明的是，在本发明的实施例中，恒定电压元件3的恒定电压为V0，具体的恒定电压本发明实施例不作限定。
可选的，在本发明的实施例中，恒定电压元件3为第二电容，或者电压源。具体的恒定电压元件3本发明实施例不作限定。
需要说明的是，在本发明的实施例中，第二电容的电容值大于第一电容C1的电容值，且功率开关管2的开关频率大于第二电容的纹波频率。
需要说明的是，在本发明的实施例中，钳位电路应用于开关电源，开关电源存在多种具体的电路连接方式，并且，不同的开关电源所采用的元器件可能存在差异。具体的开关电源本发明实施例不作限定。
下面根据上述电路连接，说明钳位电路1的工作流程。
在本发明的实施例中，第一二极管D1，当功率开关管2由开通状态转换为关断状态，功率开关管2两端电压大于恒定电压元件3的恒定电压V0时，由截止状态转换为导通状态。
需要说明的是，在本发明的实施例中，当功率开关管2由开通状态转换为关断状态时，功率开关管2两端电压将迅速升高，并且大于恒定电压元件3的恒定电压V0，从而使钳位电路1中第一二极管D1导通，即第一二极管D1由截止状态转换为导通状态。
在本发明的实施例中，第一电容C1，当第一二极管D1由截止状态转换为导通状态之后，通过第一二极管D1吸收功率开关管2关断产生的能量。
需要说明的是，在本发明的实施例中，由于第一二极管D1和第一电容C1连接，因此，当第一二极管D1由截止状态转换为导通状态之后，第一电容C1即可工作，通过第一二极管D1导通后的路径来吸收功率开关管2关断产生的能量。
可以理解的是，在本发明的实施例中，第一电容C1通过第一二极管D1吸收功率开关管2关断产生的能量，实际上就是使功率开关管2关断产生的能量对第一电容C1充电，从而可以降低功率开关管2两端电压。
在本发明的实施例中，第二二极管D2，当第一电容C1通过第一二极管D1吸收功率开关管2关断产生的能量，至第一电容C1两端电压大于恒定电压元件3的恒定电压V0时，由截止状态转换为导通状态。
可以理解的是，在本发明的实施例中，第一电容C1通过第一二极管D1吸收功率开关管2关断产生的能量，第一电容C1两端电压将持续上升。由于功率开关管2断开产生的能量较大，因此，第一电容C1两端电压将大于恒定电压元件3的恒定电压V0，从而使与第一电容C1连接的第二二极管D2由截止状态转换为导通状态。
在本发明的实施例中，恒定电压元件3，通过第二二极管D2吸收第一电容C1中的能量，至第一电容C1两端电压钳位到恒定电压元件3的恒定电压V0。
需要说明的是，在本发明的实施例中，由于第二二极管D2与恒定电压元件3连接，因此，当第二二极管D2由截止状态转换为导通状态之后，恒定电压元件3即可通过第二二极管D2吸收第一电容C1中的能量。
可以理解的是，在本发明的实施例中，恒定电压元件3两端为恒定电压V0，即使恒定电压元件3吸收第一电容C1中的能量，其两端电压始终为恒定电压V0，而第一电容C1与恒定电压元件3实际上是并联关系，因此，恒定电压元件3可以通过第二二极管D2吸收第一电容C1中的能量，使第一电容C1两端电压被钳位到恒定电压V0。
可以理解的是，在本发明的实施例中，若恒定电压元件3为第二电容，那么在第二二极管D2导通时，由于第二电容的电容值远大于第一电容C1的电容值，且功率开关管3的开关频率远大于第二电容的纹波频率，使第二电容即使通过第二二极管D2吸收第一电容C1的能量，其两端电压几乎保持不变，即处于恒定电压V0，从而将第一电容C1两端电压钳位到恒定电压V0，进一步也就将功率开关管2两端电压钳位到恒定电压V0。
可以理解的是，在本发明的实施例中，通过钳位电路1，最终可以控制功率开关管2在由开通状态转换为关断状态时，功率开关管2两端电压始终钳位在恒定电压V0处，从而抑制了功率开关管2关断产生的电压尖峰。此外，本发明的钳位电路不存在电阻等耗能元件，保证了开关电源的效率，且仅使用两个二极管和一个电容构成，元器件较少，设计简单，成本较低。
需要说明的是，在本发明的实施例中，开关电源中可能存在有多个功率开关管，因此，可以根据实际需要设置不同功率开关管的钳位电路以抑制电压尖峰。具体的开关电源中钳位电路的设置数量本发明实施例不作限定。
需要说明的是，在本发明的实施例中，钳位电路可以应用以下任意一种开关电源电路中：传统单相桥式升压(Boost)功率因数校正(Power Factor Correction，PFC)电路、基本无桥Boost PFC电路、图腾无桥PFC电路、正激电路和反激电路。
图5为本发明实施例提供的一种示例性的钳位电路应用于传统单相桥式BoostPFC电路的示意图。如图5所示，钳位电路包括：第一电容C1、第一二极管D1和第二二极管D2。第二电容C2为恒定电压元件，其电容量远大于第一电容C1的电容量，其两端电压，即该电路的输出电压为V0，为恒定电压，Q为功率开关管。
需要说明的是，在本发明的实施例中，如图5所示，第二二极管D2实际上是传统单相桥式Boost PFC电路中未接入钳位电路1前的一个续流二极管，可以直接将其作为钳位电路中的元器件进行共用。
在本发明的实施例中，如图5所示，当功率开关管Q由开通状态转换为关断状态的瞬间，功率开关管Q两端电压高于恒定电压V0，并且由于电路本身中的电感处在续流状态，第一二极管D1由截止状态转换为导通状态，第一电容C1通过第一二极管D1吸收功率开关管Q关断产生的能量，至第一电容C1两端电压大于恒定电压V0时，第二二极管D2由截止状态转换为导通状态，第二电容C2通过第二二极管D2吸收第一电容C1中的能量，至第一电容C1两端电压钳位到恒定电压V0，从而最终将功率开关管Q两端电压钳位到恒定电压V0。
图6为本发明实施例提供的一种示例性的钳位电路应用于基本无桥Boost PFC电路的示意图。如图6所示，该电路中实际上包含了两个钳位电路，分别用于抑制功率开关管Q1和功率开关管Q2。其中，抑制功率开关管Q1的钳位电路包括：第一二极管D1、第二二极管D2和第一电容C1，抑制功率开关管Q2的钳位电路包括：第一二极管D3、第二二极管D4和第一电容C2。第二电容C3为恒定电压元件，其电容量远大于第一电容C1和C2的电容量，其两端电压，即该电路的输出电压为V0，为恒定电压。
在本发明的实施例中，如图6所示，在交流电源AC输入的正半周，由功率开关管Q1作为电路中处在开关状态的为电感储能提供通路的可控功率开关管，当功率开关管Q1由开通状态转换为关断状态的瞬间，功率开关管Q1两端电压高于恒定电压V0，第一二极管D1导通，第一电容C1通过第一二极管D1吸收功率开关管Q关断产生的能量，由于第一电容C1持续充电，第一电容C1两端电压迅速高于恒定电压V0，第二二极管D2也就由截止状态转换为导通状态，从而将功率开关管Q1两端电压钳位到恒定电压V0。同理，在交流电源AC输入的负半周，由功率开关管Q2作为电路中处在开关状态的为电感储能提供通路的可控功率开关管，当功率开关管Q2由开通状态转换为关断状态的瞬间，通过第一二极管D3、第二二极管D4和第一电容C2将功率开关管Q2两端电压钳位到恒定电压V0。
图7为本发明实施例提供的一种示例性的钳位电路应用于图腾无桥PFC电路的示意图。如图7所示，该电路中包含了两个钳位电路，分别用于抑制功率开关管Q1和功率开关管Q2。其中，抑制功率开关管Q1的钳位电路包括：第一二极管D1、第二二极管D2和第一电容C1，抑制功率开关管Q2的钳位电路包括：第一二极管D3、第二二极管D4和第一电容C2。第二电容C3为恒定电压元件，其电容量远大于第一电容C1和C2的电容量，其两端电压，即该电路的输出电压为V0，为恒定电压。
需要说明的是，在本发明的实施例中，图7中两个钳位电路的工作原理与图6中两个钳位电路的工作原理一致，区别仅在于，图6中功率开关管Q1在交流电源AC的正半周进行控制，而图7中功率开关管Q1在交流电源AC的负半周进行控制，图6中功率开关管Q2在交流电源AC的负半周进行控制，而图7中功率开关管Q2在交流电源AC的正半周进行控制。因此，图7中钳位电路的工作原理在此不再赘述。
图8为本发明实施例提供的一种示例性的钳位电路应用于正激电路的示意图。如图8所示，钳位电路包括：第一电容C1、第一二极管D1和第二二极管D2。电压源为恒定电压元件，其两端电压为恒定电压Vin，Q为功率开关管。
在本发明的实施例中，如图8所示，当功率开关管Q由开通状态转换为关断状态的瞬间，功率开关管Q两端电压高于恒定电压Vin，第一二极管D1导通，第一电容C1通过第一二极管D1吸收功率开关管Q关断产生的能量，由于第一电容C1持续充电，第一电容C1两端电压迅速高于恒定电压Vin，第二二极管D2也就由截止状态转换为导通状态，从而将功率开关管Q1两端电压钳位到恒定电压Vin。
图9为本发明实施例提供的一种示例性的钳位电路应用于反激电路的示意图。如图9所示，钳位电路包括：第一电容C1、第一二极管D1和第二二极管D2。电压源为恒定电压元件，其两端电压为恒定电压Vin，Q为功率开关管。
需要说明的是，在本发明的实施例中，图9中钳位电路的工作原理与图8中钳位电路的工作原理完全一致。因此，图9中钳位电路的工作原理在此不再赘述。
本发明实施例提供的钳位电路，应用于开关电源，钳位电路与开关电源内的功率开关管和恒定电压元件连接；钳位电路包括：第一电容、第一二极管和第二二极管；其中，第一电容一端与第一二极管的阴极和第二二极管的阳极连接，另一端与功率开关管的漏极和恒定电压元件连接；第一二极管的阳极与功率开关管的源极连接；第二二极管的阴极与恒定电压元件连接。采用该钳位电路，在抑制了功率开关管电压尖峰的同时，由于其中并不存在耗能元件，从而保证了开关电源的效率，且仅使用两个二极管和一个电容，成本较低。
实施例二
本发明实施例提供了一种钳位方法。图10为本发明实施例提供的一种钳位方法的流程示意图。如图10所示，该方法可以包括S101和S102。
S101、当功率开关管由开通状态转换为关断状态时，控制第一电容通过第一二极管吸收功率开关管关断产生的能量。
需要说明的是，在本发明的实施例中，钳位电路应用于开关电源，与开关电源内的功率开关管和恒定电压元件连接，该钳位电路包括：第一电容、第一二极管和第二二极管。其中，第一电容一端与第一二极管的阴极和第二二极管的阳极连接，另一端与功率开关管的漏极和恒定电压元件连接，第一二极管的阳极与功率开关管的源极连接，第二二极管的阴极与恒定电压元件连接。
需要说明的是，在本发明的实施例中，钳位电路中第一电容通过第一二极管吸收功率开关管关断产生的能量之前，当功率开关管两端电压大于恒定电压元件的恒定电压时，第一二极管由截止状态转换为导通状态。
可以理解的是，在本发明的实施例中，功率开关管关断产生的能量将引起功率开关管两端电压升高，而只要功率开关管两端电压大于恒定电压元件的恒定电压，第一二极管即可由截止状态转换为导通状态，由于第一二极管与第一电容连接，因此，第一电容才能够通过第一二极管吸收功率开关管关断产生的能量，从而使功率开关管两端电压钳位到第一电容两端电压，避免功率开关管关断产生的能量导致其两端电压大于恒定电压元件的恒定电压。
S102、控制恒定电压元件通过第二二极管吸收第一电容中的能量，至第一电容两端电压钳位到恒定电压元件的恒定电压。
需要说明的是，在本发明的实施例中，钳位电路中恒定电压元件通过第二二极管吸收第一电容中的能量之前，当第一电容两端电压大于恒定电压元件的恒定电压时，第二二极管由截止状态转换为导通状态。
可以理解的是，在本发明的实施例中，第一电容通过第一二极管吸收功率开关管关断产生的能量，可以在一定时间内将功率开关管两端电压控制在恒定电压，然而，随着第一电容充电的持续，第一电容两端电压也将高于恒定电压，因此，第二二极管由截止状态转换为导通状态。而第二二极管与恒定电压元件连接，因此，恒定电压元件通过第二二极管吸收第一电容中的能量，将第一电容两端电压钳位到恒定电压，从而通过整个钳位电路的工作流程，将功率开关管两端电压钳位到恒定电压。
本发明实施例提供的钳位方法，钳位电路当功率开关管由开通状态转换为关断状态时，控制第一电容通过第一二极管吸收功率开关管关断产生的能量；控制恒定电压元件通过第二二极管吸收第一电容中的能量，至第一电容两端电压钳位到恒定电压元件的恒定电压。采用该方法，在抑制了功率开关管电压尖峰的同时，由于其中并不存在耗能元件，从而保证了开关电源的效率，且仅使用两个二极管和一个电容，成本较低。
以上所述，仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种钳位电路，其特征在于，所述钳位电路应用于开关电源，所述钳位电路与所述开关电源内的功率开关管和恒定电压元件连接；所述钳位电路包括：第一电容、第一二极管和第二二极管；其中，
所述第一电容一端与所述第一二极管的阴极和所述第二二极管的阳极连接，另一端与所述功率开关管的漏极和所述恒定电压元件连接；
所述第一二极管的阳极与所述功率开关管的源极连接；
所述第二二极管的阴极与所述恒定电压元件连接。
2.根据权利要求1所述的钳位电路，其特征在于，
所述第一二极管，用于当所述功率开关管由开通状态转换为关断状态，所述功率开关管两端电压大于所述恒定电压元件的恒定电压时，由截止状态转换为导通状态。
3.根据权利要求2所述的钳位电路，其特征在于，
所述第一电容，用于当所述第一二极管由截止状态转换为导通状态之后，通过所述第一二极管吸收所述功率开关管关断产生的能量。
4.根据权利要求3所述的钳位电路，其特征在于，
所述第二二极管，用于当所述第一电容通过所述第一二极管吸收所述功率开关管关断产生的能量，至所述第一电容两端电压大于所述恒定电压元件的恒定电压时，由截止状态转换为导通状态。
5.根据权利要求4所述的钳位电路，其特征在于，
所述恒定电压元件，用于通过所述第二二极管吸收所述第一电容中的能量，至所述第一电容两端电压钳位到所述恒定电压元件的恒定电压。
6.根据权利要求1所述的钳位电路，其特征在于，所述恒定电压元件为第二电容，或者电压源。
7.根据权利要求6所述的钳位电路，其特征在于，所述第二电容的电容值大于所述第一电容的电容值，且所述功率开关管的开关频率大于所述第二电容的纹波频率。
8.一种钳位方法，其特征在于，应用于钳位电路对开关电源的电压钳位，所述钳位电路与所述开关电源内的功率开关管和恒定电压元件连接；所述钳位电路包括：第一电容、第一二极管和第二二极管；所述第一电容一端与所述第一二极管的阴极和所述第二二极管的阳极连接，另一端与所述功率开关管的漏极和所述恒定电压元件连接；所述第一二极管的阳极与所述功率开关管的源极连接；所述第二二极管的阴极与所述恒定电压元件连接；所述方法包括：
当功率开关管由开通状态转换为关断状态时，控制第一电容通过第一二极管吸收所述功率开关管关断产生的能量；
控制恒定电压元件通过第二二极管吸收所述第一电容中的能量，至所述第一电容两端电压钳位到所述恒定电压元件的恒定电压。
9.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，所述控制第一电容通过第一二极管吸收所述功率开关管关断产生的能量之前，所述方法还包括：
当所述功率开关管两端电压大于所述恒定电压元件的恒定电压时，控制所述第一二极管由截止状态转换为导通状态。
10.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，所述控制恒定电压元件通过第二二极管吸收所述第一电容中的能量之前，所述方法还包括：
当所述第一电容两端电压大于所述恒定电压元件的恒定电压时，控制所述第二二极管由截止状态转换为导通状态。
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