CN110429805A - 一种开关电源高边有源钳位电路 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种开关电源高边有源钳位电路，包括延迟驱动电路，用于使功率开关管在脉宽调制器输出高电平时延迟开通，低电平时迅速关断；有源钳位电路，用于使钳位开关管漏极电压、通过钳位电容与变压器励磁电感谐振并向电源端回馈能量及实现变压器的无损磁复位、通过调整变压器励磁电感和钳位电容实现功率开关管的ZVS开关；自举驱动电路，用于将脉宽调制器输出的脉冲信号自举到钳位开关管的栅源两端，使脉宽调制器输出的脉冲信号直接控制钳位开关管的通断，实现功率开关管漏极电压钳位。本发明实现了变压器的无损磁复位和功率开关管漏极电压的钳位，从而实现功率开关管的ZVS开关，解决了有源钳位控制器在低电压下不能工作的问题。

Description

一种开关电源高边有源钳位电路
技术领域
本发明涉及开关电源技术领域，具体涉及开关电源电压钳位技术及变压器磁复位技术。
背景技术
开关电源广泛用于工业及国防领域，在航天、航空、船舶、兵器、铁路、通信、医疗电子、工业自动化设备等军民用电子系统中得到广泛应用。开关电源工作时，如果功率开关管的漏极电压不进行钳位，则在变压器漏感的作用下，会在功率开关管的漏极产生很高的尖峰电压，须选择更高耐压的功率开关管，造成功率开关管价格增加，功率开关管的导通电阻增加，效率下降。在功率开关管的漏极与输入地之间增加一电容就可以吸收尖峰，钳位开关管的漏极电压，但该电容吸收的能量会在功率开关管导通时被消耗浪费。采用有源钳位方法，当功率开关管截止时，电容吸收电压尖峰，当功率开关管导通时，通过与电容串接的钳位开关管阻止电容导通。适当的调整该电容的容量和变压器的励磁电感，在功率开关管截止时，电容与励磁电感发生谐振，电容上的能量回馈到电源，使得变压器能够无损磁复位，还可实现功率开关管的ZVS开关，减小功率开关管的开关损耗。
目前广泛使用的开关电源高边有源钳位电路，采用的是专门设计的有源钳位控制器芯片和有源钳位电路相结合以实现无损磁复位和功率开关管漏极的电压钳位。有源钳位控制器芯片引出端数很多，需要用到很多外围器件。控制器芯片工作电压一般要求在13.5V以上，控制器芯片比普通的单端输出脉宽调制器贵很多，还需用很多外围器件，不利于小型化应用，不能用于低压4-9V的工作电压。
发明内容
本发明的目的在于提供一种开关电源高边有源钳位电路，该开关电源高边有源钳位电路不仅结构简单、所需器件数少，利于小型化，还能用于低压供电的场所。
为实现上述目的，本发明采用了以下技术方案：
一种开关电源高边有源钳位电路，包括脉宽调制器N1、功率开关管G1及变压器T1、延迟驱动电路1、自举驱动电路2和有源钳位电路3；
所述延迟驱动电路1，用于使功率开关管G1在脉宽调制器输出高电平时延迟开通，低电平时迅速关断；具体用于使功率开关管G1在钳位开关管G2完全截止后开始导通，保证钳位电容C1上的电荷不流经功率开关管，使功率开关管G1处于较低开关损耗。
所述有源钳位电路3，包括钳位电容C1及钳位开关管G2，所述钳位电容C1的一端与电源输入端连接，钳位电容C1的另一端与钳位开关管G2的漏极连接；所述钳位开关管G2的源极与功率开关管G1的漏极连接，钳位开关管G2的栅极与自举驱动电路2的输出端连接；所述功率开关管G1的漏级与变压器T1的初级线圈的一输入端连接，变压器T1的初级线圈的另一输入端为电源输入端；所述有源钳位电路3，用于使钳位开关管G2漏极电压、通过钳位电容C1与变压器T1励磁电感谐振并向电源端回馈能量及实现变压器T1的无损磁复位、通过调整变压器T1励磁电感和钳位电容C1实现功率开关管的ZVS开关；
所述自举驱动电路2，用于将脉宽调制器N1输出的脉冲信号自举到钳位开关管G2的栅源两端，使脉宽调制器N1输出的脉冲信号直接控制钳位开关管G2的通断，从而实现功率开关管G1漏极电压钳位。
作为上述技术方案的进一步改进：
所述延迟驱动电路1包括第一二极管D1、第一电阻R1、第一电容C2、第一三极管Q1及第二三极管Q2；所述第一二极管D1的阴极与脉宽调制器N1的输出端连接，第一二极管D1的阳极与第一电容C2的一端连接；所述第一电容C2的另一端与输入地连接，所述第一电阻R1并联在第一二极管D1的两端；所述第一三极管Q1及第二三极管Q2的基极均与第一二极管D1的阳极连接，第一三极管Q1的集电极与脉宽调制器N1的供电电源端连接，第一三极管Q1及第二三极管Q2的发射极均与功率开关管G1的栅极连接，所述第二三极管Q2的集电极与输入地连接。
所述自举驱动电路2包括第二二极管D2、第二电阻R2、第三电阻R3、第四电阻R4、第二电容C3、第三三极管Q3、第四三极管Q4及第五三极管Q5；所述第二二极管D2的阳极与脉宽调制器N1的供电电源端连接，第二二极管D2的阴极与第四三极管Q4的集电极连接；所述第二电容C3的一端与第二二极管D2的阴极连接，第二电容C3的另一端与功率开关管G1的漏极连接；所述第二电阻R2的一端与脉宽调制器N1的输出端连接，第二电阻R2的另一端与第三三极管Q3的基极连接；所述第三电阻R3的一端与第二二极管D2的阴极连接，第三电阻R3的另一端与第三三极管Q3的集电极连接；所述第四电阻R4的一端与输入地连接，第四电阻R4的另一端与第三三极管Q3的发射极连接；所述第四三极管Q4及第五三极管Q5的基极均与第三三极管Q3的集电极连接，第四三极管Q4及第五三极管Q5的发射极均与钳位开关管G2的栅极连接，所述第五三极管Q5的集电极与功率开关管G1的漏极连接。
通过第二二极管D2和第二电容C3构成的自举电路，将第四三极管Q4的集电极电压进行了举升，其电压为功率开关管G1漏极电压与Vcc电压之和。脉宽调制器N1输出脉冲信号到延迟驱动电路1和自举驱动电路2的输入端。当脉冲信号处于高电平时，自举驱动电路2中的三极管Q3饱和导通，三极管Q3电路为射极跟随器，其集电极电压约等于功率开关管G1漏极电压，钳位开关管G2栅极通过第五三极管Q5放电，钳位开关管G2截止。通过延迟驱动，功率开关管G1在钳位开关管G2完全截止后才开始导通，保证了钳位电容C1上的电荷不流经功率开关管G1，功率开关管G1处于较低开关损耗。
其次，当脉冲信号处于低电平时，延迟驱动电路输出低电平，功率开关管G1截止。此时，第三三极管Q3截止，第三三极管Q3的集电极电压约等于功率开关管G1漏极电压与Vcc电压之和，钳位开关管G2栅极通过第四三极管Q4充电，钳位开关管G2导通，钳位电容C1对功率开关管G1的漏极电压进行钳位，然后与变压器励磁电感谐振并向电源端回馈能量，实现变压器的无损磁复位。
由以上技术方案可知，本发明通过自举驱动电路，实现了脉宽调制器N1输出高电平时钳位开关管G2关断、输出低电平时钳位开关管G2开通的要求。延迟驱动电路使功率开关管G1在脉宽调制器N1输出高电平时延迟开通低电平时迅速关断，功率开关管G1的延迟开通，使钳位电容C1上电荷不流经功率开关管G1，减小开关损耗，钳位电容C1能顺利的与变压器励磁电感谐振并向电源端回馈能量，实现变压器的无损磁复位，通过调整变压器励磁电感和钳位电容C1，还能实现功率开关管的ZVS开关。
附图说明
图1是本发明的电路原理图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步说明：
如图1所示的一种开关电源高边有源钳位电路，包括依次连接的延迟驱动电路1、自举驱动电路2和有源钳位电路3；延迟驱动电路1的输入端与脉宽调制器N1的输出端相连，延迟驱动电路1的输出端与功率开关管G1的栅极相连；自举驱动电路2的输入端与脉宽调制器N1的输出端相连，自举驱动电路2的输出端与钳位开关管G2的栅极相连，该自举驱动电路2的被举端与功率开关管G1的漏极相连，其举升电源端与脉宽调制器N1的供电电源端Vcc相连；有源钳位电路3的输入端与自举驱动电路2的输出端相连，有源钳位电路3的输出端与功率开关管G1的漏极相连。
延迟驱动电路1，用于使功率开关管G1在脉宽调制器N1输出高电平时延迟开通，低电平时迅速关断。功率开关管G1的延迟开通，使钳位电容C1不能通过功率开关管G1泄放电流，减小了功率开关管G1开关损耗，同时，使钳位电容C1能与变压器励磁电感谐振并向电源端回馈能量，实现变压器的无损磁复位。延迟驱动电路1是实现功率开关管ZVS开关的关键所在，通过延迟，电容C1上的电荷不流经功率开关管G1，钳位电容C1与变压器T1励磁电感谐振而实现功率开关管的ZVS开关。
延迟驱动电路1具体包括第一二极管D1、第一电阻R1、第一电容C2、第一三极管Q1及第二三极管Q2；第一二极管D1的阴极与脉宽调制器N1的输出端连接，第一二极管D1的阳极与第一电容C2的一端连接；第一电容C2的另一端与输入地连接，第一电阻R1并联在第一二极管D1的两端；第一三极管Q1及第二三极管Q2的基极均与第一二极管D1的阳极连接，第一三极管Q1的集电极与脉宽调制器N1的供电电源端Vcc连接，第一三极管Q1及第二三极管Q2的发射极均与功率开关管G1的栅极连接，第二三极管Q2的集电极与输入地连接。
自举驱动电路2，用于将脉宽调制器N1输出的脉冲信号自举到钳位开关管G2的栅源两端，使脉宽调制器N1输出的脉冲信号可以直接控制钳位开关管G2的通断，从而实现功率开关管G1漏极电压钳位。
自举驱动电路2具体包括第二二极管D2、第二电阻R2、第三电阻R3、第四电阻R4、第二电容C3、第三三极管Q3、第四三极管Q4及第五三极管Q5；第二二极管D2的阳极与脉宽调制器N1的供电电源端连接，第二二极管D2的阴极与第四三极管Q4的集电极连接；第二电容C3的一端与第二二极管D2的阴极连接，第二电容C3的另一端与功率开关管G1的漏极连接；第二电阻R2的一端与脉宽调制器N1的输出端连接，第二电阻R2的另一端与第三三极管Q3的基极连接；第三电阻R3的一端与第二二极管D2的阴极连接，第三电阻R3的另一端与第三三极管Q3的集电极连接；第四电阻R4的一端与输入地连接，第四电阻R4的另一端与第三三极管Q3的发射极连接；第四三极管Q4及第五三极管Q5的基极均与第三三极管Q3的集电极连接，第四三极管Q4及第五三极管Q5的发射极均与钳位开关管G2的栅极连接，第五三极管Q5的集电极与功率开关管G1的漏极连接。
通过第二二极管D2和第二电容C3构成的自举电路，将三极管Q4的集电极端电压进行了举升，其电压为功率开关管G1漏极电压与Vcc电压之和，当脉宽调制器N1输出高电平时，第三三极管Q3完全导通，第三三极管Q3所组成的电路为射极跟随器，第三三极管Q3的集电极电压约等于功率开关管G1漏极电压，钳位开关管G2栅极通过第五三极管Q5放电，钳位开关管G2截止；当脉宽调制器N1输出低电平时，三极管Q3截止，第三三极管Q3的集电极电压约等于功率开关管G1漏极电压与Vcc电压之和，钳位开关管G2栅极通过三极管Q4充电，钳位开关管G2导通。
有源钳位电路3，用于将钳位开关管G2漏极电压、与变压器T1励磁电感谐振并向电源端回馈能量及实现变压器的无损磁复位、通过调整变压器T1励磁电感和钳位电容C1实现功率开关管的ZVS开关。
该有源钳位电路3包括钳位电容C1，钳位开关管G2；钳位电容C1的一端与电源输入端连接，钳位电容C1的另一端与钳位开关管G2的漏极连接；钳位开关管G2的源极与功率开关管G1的漏极连接，钳位开关管G2的栅极与自举驱动电路2的输出端连接。当脉宽调制器N1输出低电平信号，钳位开关管G2导通，电容C1对功率开关管G1漏极进行电压钳位并对变压器进行无损磁复位；当脉宽调制器N1输出高电平信号，钳位开关管G2截止，电容C1不能进行充放电。
本发明的工作原理：
通过第二二极管D2和第二电容C3构成的自举电路，将第四三极管Q4的集电极电压进行了举升，其电压为功率开关管G1漏极电压与Vcc电压之和。脉宽调制器N1输出脉冲信号到延迟驱动电路1和自举驱动电路2的输入端。当脉冲信号处于高电平时，自举驱动电路2中的三极管Q3饱和导通，三极管Q3电路为射极跟随器，其集电极电压约等于功率开关管G1漏极电压，钳位开关管G2栅极通过第五三极管Q5放电，钳位开关管G2截止。通过延迟驱动电路1，功率开关管G1在钳位开关管G2完全截止后才开始导通，保证了钳位电容C1上的电荷不流经功率开关管G1，功率开关管G1处于较低开关损耗。
其次，当脉冲信号处于低电平时，延迟驱动电路输出低电平，功率开关管G1截止。此时，第三三极管Q3截止，第三三极管Q3的集电极电压约等于功率开关管G1漏极电压与Vcc电压之和，钳位开关管G2栅极通过第四三极管Q4充电，钳位开关管G2导通，钳位电容C1对功率开关管G1的漏极电压进行钳位，然后与变压器励磁电感谐振并向电源端回馈能量，实现变压器的无损磁复位。
以上所述的实施例仅仅是对本发明的优选实施方式进行描述，并非对本发明的范围进行限定，在不脱离本发明设计精神的前提下，本领域普通技术人员对本发明的技术方案作出的各种变形和改进，均应落入本发明权利要求书确定的保护范围内。

Claims (6)

1.一种开关电源高边有源钳位电路，包括脉宽调制器、功率开关管及变压器，其特征在于：还包括延迟驱动电路、自举驱动电路和有源钳位电路；
所述延迟驱动电路，用于使功率开关管在脉宽调制器输出高电平时延迟开通，低电平时迅速关断；
所述有源钳位电路，包括钳位电容及钳位开关管；用于使钳位开关管漏极电压、通过钳位电容与变压器励磁电感谐振并向电源端回馈能量及实现变压器的无损磁复位、通过调整变压器励磁电感和钳位电容实现功率开关管的ZVS开关；
所述自举驱动电路，用于将脉宽调制器输出的脉冲信号自举到钳位开关管的栅源两端，使脉宽调制器输出的脉冲信号直接控制钳位开关管的通断，从而实现功率开关管漏极电压钳位。
2.根据权利要求1所述的开关电源高边有源钳位电路，其特征在于：所述延迟驱动电路，具体用于使功率开关管在钳位开关管完全截止后开始导通，保证钳位电容上的电荷不流经功率开关管，使功率开关管处于较低开关损耗。
3.根据权利要求1所述的开关电源高边有源钳位电路，其特征在于：所述延迟驱动电路包括第一二极管、第一电阻、第一电容、第一三极管及第二三极管；
所述第一二极管的阴极与脉宽调制器的输出端连接，第一二极管的阳极与第一电容的一端连接；所述第一电容的另一端与输入地连接，所述第一电阻并联在第一二极管的两端；
所述第一三极管及第二三极管的基极均与第一二极管的阳极连接，第一三极管的集电极与脉宽调制器的供电电源端连接，第一三极管及第二三极管的发射极均与功率开关管的栅极连接，所述第二三极管的集电极与输入地连接。
4.根据权利要求1所述的开关电源高边有源钳位电路，其特征在于：所述自举驱动电路包括第二二极管、第二电阻、第三电阻、第四电阻、第二电容、第三三极管、第四三极管及第五三极管；
所述第二二极管的阳极与脉宽调制器的供电电源端连接，第二二极管的阴极与第四三极管的集电极连接；所述第二电容的一端与第二二极管的阴极连接，第二电容的另一端与功率开关管的漏极连接；所述第二电阻的一端与脉宽调制器的输出端连接，第二电阻的另一端与第三三极管的基极连接；
所述第三电阻的一端与第二二极管的阴极连接，第三电阻的另一端与第三三极管的集电极连接；所述第四电阻的一端与输入地连接，第四电阻的另一端与第三三极管的发射极连接；
所述第四三极管及五三极管的基极均与第三三极管的集电极连接，第四三极管及五三极管的发射极均与钳位开关管的栅极连接，所述第五三极管的集电极与功率开关管的漏极连接。
5.根据权利要求1所述的开关电源高边有源钳位电路，其特征在于：所述钳位电容的一端与电源输入端连接，钳位电容的另一端与钳位开关管的漏极连接；所述钳位开关管的源极与功率开关管的漏极连接，钳位开关管的栅极与自举驱动电路的输出端连接。
6.根据权利要求1所述的开关电源高边有源钳位电路，其特征在于：所述功率开关管的漏级与变压器的初级线圈的一输入端连接，变压器的初级线圈的另一输入端为电源输入端。
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