CN110460239A - 一种有源钳位反激变换器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种有源钳位反激变换器，包括有源钳位电路、隔离反馈模块和控制器，其特征在于：有源钳位电路包括主钳位电路和辅钳位电路；隔离反馈模块用于检测负载电流，并产生一与该负载电流相关的电流检测信号传送至控制器；控制器根据电流检测信号控制有源钳位反激变换器的工作模式，当电流检测信号高于预定值时，进入双钳位工作模式；当电流检测信号达到或低于预定值时，进入单钳位工作模式。本发明对比于现有技术，利用模式切换保证了重载时电路的效率，同时提高了负载变轻时效率，同时消除了电路中漏感振荡问题，利用钳位开关管驱动过渡的方案，提高系统稳定性，延长器件使用寿命。

Description

一种有源钳位反激变换器

技术领域

本发明涉及开关变换器领域，具体地说是涉及一种有源钳位反激变换器。

背景技术

传统的有源钳位电路由钳位开关管和钳位电容串联组成，并联在主功率开关管或主功率变压器原边绕组两端，具备有源钳位电路的反激变换器一般称之为有源钳位反激变换器，有源钳位反激变换器不仅可以吸收漏感能量，还能将漏感能量回馈到输出端并且实现开关管的软开关，相比较普通反激变换器提高了效率，因此传统有源钳位反激变换器受到设计者青睐。

传统有源钳位反激变换器在负载较重时能够实现主管的ZVS(Zero VoltageSwitch，零电压开关)，同时能够消除漏感振荡，具有较高的效率。但是，随着负载变轻，变压器的磁化电流增加，导致变压器损耗增加明显，使效率降低。

美国专利US9991800B2《Switched mode power supply with efficientoperation at light loads and method therefor》提出了一种有源钳位到反激的切换方案：基于传统有源钳位反激变换器电路，在负载较重时采用有源钳位方案，当负载变轻时采用反激工作模式。该工作模式切换方案虽然解决了负载变轻时变压器的磁化电流增加导致效率低下的问题，但是在反激工作模式下主管不能实现ZVS，为硬开关状态，会增加开通损耗，同时断续休止阶段漏感振荡严重(这是公知的)，反激工作模式工作波形图如图1所示。

美国专利US9973098B2《Fixed frequency discontinuous conductionmodeflyback power converters employing zero voltage switching》提出了另外一种有源钳位反激变换器及控制方法，电路拓扑如图2所示，包括主功率变压器T1、有源钳位电路、主功率开关管S1，以及二极管Dout和Cout组成的输出整流滤波电路，其中主功率变压器T1的原边绕组还包括激磁电感Lm和漏感Lk，此为公知技术，不同于传统有源钳位反激电路，其有源钳位电路为二极管Dc与钳位电容Cc并联再与钳位开关管S2串联的电路。该专利提出的方案能实现轻载时主功率开关管S1的ZVS，同时解决断续休止阶段的振荡问题，但是在重载时变压器去磁阶段漏感振荡较为明显，重载时工作波形图如图3所示。

发明内容

有鉴于此，本发明要解决的技术问题是，提出一种有源钳位反激变换器，保证在较大的负载变化范围内能够实现开关管的软开关，并且消除漏感振荡问题，提高电路工作效率。

为解决上述技术问题，本发明提出的有源钳位反激变换器技术方案如下：

一种有源钳位反激变换器，包括有源钳位电路、隔离反馈模块和控制器，其特征在于：

有源钳位电路包括主钳位电路和辅钳位电路；主钳位电路包括主钳位开关管和主钳位电容，主钳位开关管和主钳位电容串联后并联在主功率开关管或主功率变压器原边绕组两端；

辅钳位电路包括辅钳位开关管和辅钳位电容，辅钳位开关管和辅钳位电容串联后并联在主功率变压器原边绕组两端，辅钳位电路还包括与辅钳位电容并联的二极管，二极管的阳极与有源钳位反激变换器的输入正电联接，二极管的阴极与输入地电联接；

隔离反馈模块用于检测有源钳位反激变换器的负载电流，并产生一与该负载电流相关的电流检测信号传送至控制器；

控制器根据电流检测信号控制有源钳位反激变换器的工作模式，当电流检测信号高于预定值时，控制器控制有源钳位反激变换器进入双钳位工作模式；当电流检测信号达到或低于预定值时，控制器控制有源钳位反激变换器进入单钳位工作模式。

优选地，当有源钳位反激变换器从双钳位工作模式过渡到单钳位工作模式时，主钳位开关管的驱动信号脉宽逐渐减小，减小至一设定最小值时，然后消失。

优选地，当有源钳位反激变换器从单钳位工作模式过渡到双钳位工作模式时，主钳位开关管的驱动信号脉宽从一设定最小值以一定的步长逐渐增加(即软启动方式)，使主钳位开关管驱动信号脉宽达到正常工作时的脉宽，所谓正常工作，表示电路处于稳态时的工作状态。

术语解释：

(1)电联接：含义包括直接或间接连接，并且还包括感应耦合之类的连接方式，比如，本发明中记载的“二极管Dc的阴极与输入地电联接”，就是间接连接，二极管Dc的阴极与输入地GND之间还连接有开关管S3和开关管S1。

(2)双钳位工作模式：每个循环周期包含：激磁阶段，主钳位开关管和辅钳位开关管零电压开通阶段，去磁阶段，电流钳位阶段，主开关管零电压开通阶段，具体如下：

激磁阶段，主功率开关管S1导通，主钳位开关管S2、辅钳位开关管S3关断；

主钳位开关管和辅钳位开关管零电压开通阶段，主功率开关管S1关断，当主开关管S1漏源两端电压上升至最大值、主钳位开关管和辅钳位开关管漏源两端电压下降为零时，主钳位开关管S2和辅钳位开关管S3零电压导通；

去磁阶段，主钳位开关管S2和辅钳位开关管S3导通，主功率开关管S1继续关断，至副边电流下降为零，主钳位开关管S2关断；

电流钳位阶段，主钳位开关管S2关断，主功率开关管S1仍处于关断状态，辅钳位开关管S3处于导通状态，谐振电流在辅钳位二极管Dc、辅钳位开关管S3、原边激磁电感Lm和漏感Lk组成回路中续流；

主开关管零电压开通阶段，主钳位开关管S2仍处于关断状态，此时辅钳位开关管S3关断，电感电流给主功率开关管S1输出电容放电、主钳位开关管S2、辅钳位开关管S3输出电容充电，当主功率开关管S1漏源两端电压下降为零后其体二极管导通，主功率开关管S1导通。

(3)单钳位工作模式：每个循环周期包含：激磁阶段，辅钳位开关管零电压开通阶段，去磁阶段，电流钳位阶段，主开关管零电压开通阶段，具体如下：

激磁阶段，主功率开关管S1导通，主钳位开关管S2、辅钳位开关管S3关断；

辅钳位开关管零电压开通阶段，主功率开关管S1关断，主钳位开关管S2关断，当主开关管S1漏源两端电压上升至最大值、辅钳位开关管漏源两端电压下降为零时，辅钳位开关管S3导通，辅钳位开关管S3零电压导通；

去磁阶段，主功率开关管S1关断，主钳位开关管S2关断，辅钳位开关管S3导通，该阶段在副边电流下降为零时结束；

电流钳位阶段，主功率开关管S1关断，主钳位开关管S2关断，辅钳位开关管S3仍处于导通状态，谐振电流在辅钳位二极管Dc、辅钳位开关管S3、原边激磁电感Lm和漏感Lk组成回路中续流；

主开关管零电压开通阶段，主钳位开关管S2仍处于关断状态，此时辅钳位开关管S3关断，电感电流给主功率开关管S1输出电容放电、主钳位开关管S2、辅钳位开关管S3输出电容充电，当主功率开关管S1漏源两端电压下降为零后其体二极管导通，主功率开关管S1导通。

本发明原理及具体实施方式将在实施例中进行详细分析说明，在此不赘述。与现有技术方案相比，本发明具有以下有益效果：

1.在轻载和满载工作条件下，电路中开关管均实现了ZVS，能降低开关损耗，提高工作效率，并且相对于US9991800B2美国专利方案，能减小轻载时变压器磁化电流，提高轻载效率。

2.利用主钳位电容吸收重载时漏感谐振电流，从而能改善重载时漏感振荡，并且还利用辅钳位电路的二极管解决了断续休止阶段的振荡问题。

3.利用模式切换主钳位开关管的过渡方式，消耗在单钳位工作模式时主钳位电容积累的漏感能量，使系统在模式切换时稳定，提高了系统的稳定性。

附图说明

图1US9991800B2美国专利方案轻载时反激工作模式工作波形图；

图2US9973098B2美国专利方案有源钳位反激变换器原理图；

图3US9973098B2美国专利方案重载时工作波形图；

图4本发明一种有源钳位反激变换器原理图；

图5本发明双钳位工作模式工作波形图；

图6本发明单钳位工作模式工作波形图；

图7本发明从双钳位工作模式过渡到单钳位工作模式驱动波形图；

图8本发明从单钳位工作模式过渡到双钳位工作模式驱动波形图。

具体实施方式

以图4所示本发明有源钳位反激变换器原理图为基础，做以下详细说明。

图4与图2不同之处在于，有源钳位电路包括主钳位电路和辅钳位电路；主钳位电路包括主钳位开关管S2和主钳位电容Cr，主钳位开关管S2和主钳位电容Cr串联后并联在主功率变压器T1原边绕组两端；辅钳位电路包括辅钳位开关管S3和辅钳位电容Cc，辅钳位开关管S3和辅钳位电容Cc串联后并联在主功率变压器T1原边绕组两端，辅钳位电路还包括与辅钳位电容Cc并联的二极管Dc，二极管Dc的阳极与有源钳位反激变换器的输入正Vi+电联接，二极管Dc的阴极与输入地电联接。

需要说明的是，主钳位电路还可以与主功率开关管S1并联，也就图4的电路结构还有另外变形，即：

有源钳位电路包括主钳位电路和辅钳位电路；主钳位电路包括主钳位开关管S2和主钳位电容Cr，主钳位开关管S2和主钳位电容Cr串联后并联在主功率开关管S1两端；辅钳位电路包括辅钳位开关管S3和辅钳位电容Cc，辅钳位开关管S3和辅钳位电容Cc串联后并联在主功率变压器T1原边绕组两端，辅钳位电路还包括与辅钳位电容Cc并联的二极管Dc，二极管Dc的阳极与有源钳位反激变换器的输入正Vi+电联接，二极管Dc的阴极与输入地电联接。

上述变形为本领域的技术人员容易想到的等同替换。

图1与图2不同之处还在于图4中还画出了“控制器”和“隔离反馈模块”，开关变换器中一般都有这两个组件，但是具体的功能却各不相同，本发明的“控制器”和“隔离反馈模块”的功能如下：

隔离反馈模块：用于检测负载电流，并产生一与该负载电流相关的电流检测信号传送至控制器。

控制器：根据电流检测信号控制有源钳位反激变换器的工作模式，当控制器接收的电流检测信号高于预定值时，控制器控制有源钳位反激变换器进入双钳位工作模式，当控制器接收的电流检测信号达到或低于预定值时，控制器控制有源钳位反激变换器进入单钳位工作模式。

需要说明的是，本发明使用到了隔离反馈模块和控制器这两个基本功能电路单元，由于本发明的创新点在于电路的架构设计，其中的电路单元的具体构成不是本发明的创新点所在，因此本领域的技术人员直接使用其掌握的实现相应功能的电路单元就能实施本发明的电路架构方案，如采用隔离光耦、采样电阻和比较器组成隔离反馈模块，采用单片机或者设计专门的控制芯片作为本发明的控制器，至于各个电路单元中元器件如何连接、相应参数如何确定，属于在保证整体电路功能的条件下，可以由所属技术领域的技术人员根据具体情况的需要做出具体选择的情形，这些都是所述技术领域的技术人员可以理解并且能够实现的，在此不赘述。

双钳位工作模式下，控制器控制相应的开关管的导通和关断，工作波形图如图5所示，Vgs1为主功率开关管S1的驱动信号、Vgs2为主钳位开关管S2的驱动信号、Vgs3为辅钳位开关管S3的驱动信号、Vds_s1为主功率开关管S1的漏源两端电压、I_Dout为输出二极管Dout输出电流、Im为激磁电感电流、Ik为漏感电流。

每个循环周期包含：激磁阶段，主钳位开关管和辅钳位开关管零电压开通阶段，去磁阶段，电流钳位阶段，主开关管零电压开通阶段，具体工作原理如下：

①激磁阶段(t0～t1)

从t0时刻起至t1时刻止。t0时刻，主功率开关管S1导通，主钳位开关管S2、辅钳位开关管S3关断。原边电流流经激磁电感Lm进行激磁，主功率变压器T1激磁电流线性增加，副边整流二极管Dout截止，主功率变压器T1存储能量。

②主钳位开关管和辅钳位开关管零电压开通阶段(t1～t2)

从t1时刻起至t2时刻止。t1时刻，主功率开关管S1关断。原边电流给主功率开关管S1输出电容充电、主钳位开关管S2和辅钳位开关管S3的输出电容放电，主钳位电容Cr、辅钳位电容Cc两端电压保持不变。当主开关管S1漏源两端电压Vds_s1上升至最大值、主钳位开关管S2、辅钳位开关管S3漏源两端电压Vds_s2、Vds_s3下降为零。t2时刻，主钳位开关管S2和辅钳位开关管S3的驱动信号Vgs2、Vgs3产生，主钳位开关管S2和辅钳位开关管S3实现零电压导通。

③去磁阶段(t2～t3)

从t2时刻起至t3时刻止。t2时刻，主钳位开关管S2和辅钳位开关管S3导通，主功率开关管S1继续关断。原边激磁电感Lm两端电压被副边输出钳位。主钳位电容Cr、辅钳位电容Cc与变压器漏感Lk谐振，谐振电流先经主钳位开关管S2、辅钳位开关管S3对主钳位电容Cr、辅钳位电容Cc进行充电，然后经主钳位开关管S2、辅钳位开关管S3对主钳位电容Cr、辅钳位电容Cc进行放电。在放电阶段，储存在主钳位电容Cr、辅钳位电容Cc中的漏感能量一部分通过主功率变压器T1传递到副边，一部分能量储存在漏感Lk中，提高了漏感能量利用率。t3时刻，副边电流下降为零，主钳位开关管S2关断。

④电流钳位阶段(t3～t5)

从t3时刻起至t5时刻止。t3时刻，主钳位开关管S2关断，主功率开关管S1仍处于关断状态，辅钳位开关管S3处于导通状态。由于原边激磁电感Lm失去副边输出钳位以及主钳位开关管的关断，辅钳位电容Cc与原边激磁电感Lm和漏感Lk发生谐振。谐振电流经辅钳位开关管S3对辅钳位电容Cc进行放电。t4时刻，辅钳位电容Cc两端电压被谐振电流放电至零电压，使辅钳位二极管Dc正向导通(此处不计二极管压降)，所以辅钳位电容Cc两端电压被钳位至零电压，辅钳位电容Cc与原边激磁电感Lm和漏感Lk谐振停止，谐振电流在辅钳位二极管Dc、原边激磁电感Lm和漏感Lk组成回路中续流，直至t5时刻。

⑤主开关管零电压开通阶段(t5～t6)

从t5时刻起至t6时刻止。t5时刻，辅钳位开关管S3关断，由于电感电流不能突变，此时主功率开关管S1输出电容放电、主钳位开关管S2、辅钳位开关管S3的输出电容充电，当主功率开关管S1漏源两端电压下降为零后其体二极管导通。t6时刻，主功率开关管S1的驱动信号Vgs1产生，主功率开关管S1实现零电压开通。主功率开关管S1导通后进入下一个循环周期。

单钳位工作模式下，控制器控制相应的开关管的导通和关断，工作波形图如图6所示。

每个循环周期包含：激磁阶段，辅钳位开关管零电压开通阶段，去磁阶段，电流钳位阶段，主开关管零电压开通阶段，具体工作原理如下：

①激磁阶段(t0～t1)

从t0时刻起至t1时刻止。t0时刻，主功率开关管S1导通，主钳位开关管S2、辅钳位开关管S3关断。原边电流流经激磁电感Lm进行激磁，主功率变压器T1激磁电流线性增加，副边整流二极管Dout截止，主功率变压器T1存储能量。

②辅钳位开关管零电压开通阶段(t1～t2)

从t1时刻起至t2时刻止。t1时刻，主功率开关管S1关断。原边电流给主功率开关管S1输出电容充电、辅钳位开关管S3输出电容放电。当主功率开关管S1漏源两端电压Vds_s1上升至最大值，辅钳位开关管S3漏源两端电压Vds_s3下降为零。t2时刻，辅钳位开关管S3的驱动信号Vgs3产生，辅钳位开关管S3实现零电压导通，主钳位开关管S2仍处于关断状态。

③去磁阶段(t2～t3)

从t2时刻起至t3时刻止。t2时刻，辅钳位开关管S3导通，主功率开关管S1、主钳位开关管S2仍处于关断状态。原边激磁电感Lm两端电压被副边输出钳位。辅钳位电容Cc与变压器漏感Lk谐振，谐振电流先经辅钳位开关管S3对辅钳位电容Cc进行充电，然后经辅钳位开关管S3对辅钳位电容Cc进行放电。在放电阶段，储存在辅钳位电容Cc中的漏感能量一部分通过主功率变压器T1传递到副边，一部分能量储存在漏感Lk中，提高了漏感能量利用率。t3时刻，副边电流下降为零，原边激磁电感Lm失去副边输出钳位。

④电流钳位阶段(t3～t5)

从t3时刻起至t5时刻止。t3时刻，辅钳位开关管S3仍处于导通状态，主功率开关管S1、主钳位开关管S2仍处于关断状态。由于原边激磁电感Lm失去副边输出钳位，辅钳位电容Cc与原边激磁电感Lm和漏感Lk发生谐振。t4时刻，辅钳位电容Cc两端电压被谐振电流放电至零电压，使辅钳位二极管Dc正向导通(此处不计二极管压降)，所以辅钳位电容Cc两端电压被钳位至零电压，辅钳位电容Cc与原边激磁电感Lm和漏感Lk谐振停止，谐振电流在辅钳位二极管Dc、原边激磁电感Lm和漏感Lk组成回路中续流，直至t5时刻。

⑤主开关管零电压开通阶段(t5～t6)

从t5时刻起至t6时刻止。t5时刻，辅钳位开关管S3关断，由于电感电流不能突变，此时主功率开关管S1输出电容放电、辅钳位开关管S3的输出电容充电，当主开关管S1漏源两端电压下降为零后其体二极管导通。t6时刻，主功率开关管S1的驱动信号Vgs1产生，主功率开关管S1实现零电压开通。主功率开关管S1导通后进入下一个循环周期。

控制器依据电流检测信号控制电路工作模式的切换存在开关管的过渡变换，具体如下：

当控制器依据电流检测信号控制电路从双钳位工作模式切换至单钳位工作模式时，采用如图7所示驱动波形进行过渡，主钳位开关管S2的驱动信号脉宽逐渐减小，经过数个开关周期后减小至一设定最小值时，然后消失。使用该方式能够消除主钳位开关管S2脉冲突然消失导致电路工作不稳定的问题，提高系统工作稳定性。

当控制器依据电流检测信号控制电路从单钳位工作模式切换至双钳位工作模式时，采用如图8所示驱动波形进行过渡，主钳位开关管S2的驱动信号脉宽从一设定最小值采用软启动方式，以一定的步长逐渐增加，使主钳位开关管S2驱动信号脉宽达到正常工作时的脉宽，所谓正常工作，表示电路稳态时的工作状态。主钳位开关管S2驱动信号脉宽采用该方式进行从单钳位工作模式切换至双钳位工作模式过渡，是因为在单钳位工作模式下，主钳位电容Cr积累了较大的漏感能量，主钳位开关管S2直接以较大的脉宽开通将造成能量的大量释放，导致电路不稳定。所以通过主钳位管S2的驱动信号脉宽从一设定最小值采用软启动方式，即以一定的步长逐渐增加，可以利用主钳位开关管S2的沟道阻抗消耗部分能量，使电路工作状态平滑过渡。

以上实施例的说明只是用于帮助理解本申请的发明构思，并不用以限制本发明，对于本技术领域的普通技术人员来说，凡在不脱离本发明原理的前提下，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。另外，本发明中涉及到的所有“电联接”和“连接”关系，均并非单指构件直接相接，而是指可根据具体实施情况，通过添加或减少联接辅件，来组成更优的联接结构，本发明中明确用“电联接”的地方只是为了强调此含义，但并不排除用“连接”的地方也具备这样的含义。本发明创造中的各个技术特征，在不互相矛盾冲突的前提下可以交互组合。

Claims (3)

1.一种有源钳位反激变换器，包括有源钳位电路、隔离反馈模块和控制器，其特征在于：

有源钳位电路包括主钳位电路和辅钳位电路；主钳位电路包括主钳位开关管和主钳位电容，主钳位开关管和主钳位电容串联后并联在主功率开关管或主功率变压器原边绕组两端；

辅钳位电路包括辅钳位开关管和辅钳位电容，辅钳位开关管和辅钳位电容串联后并联在主功率变压器原边绕组两端，辅钳位电路还包括与辅钳位电容并联的二极管，二极管的阳极与有源钳位反激变换器的输入正电联接，二极管的阴极与输入地电联接；

隔离反馈模块用于检测有源钳位反激变换器的负载电流，并产生一与该负载电流相关的电流检测信号传送至控制器；

控制器根据电流检测信号控制有源钳位反激变换器的工作模式，当电流检测信号高于预定值时，控制器控制有源钳位反激变换器进入双钳位工作模式；当电流检测信号达到或低于预定值时，控制器控制有源钳位反激变换器进入单钳位工作模式。

2.根据权利要求1所述的有源钳位反激变换器，其特征在于：有源钳位反激变换器从双钳位工作模式过渡到单钳位工作模式时，主钳位开关管的驱动信号脉宽逐渐减小，减小至一设定最小值时，然后消失。

3.根据权利要求1所述的有源钳位反激变换器，其特征在于：有源钳位反激变换器从单钳位工作模式过渡到双钳位工作模式时，主钳位开关管的驱动信号脉宽从一设定最小值以一定的步长逐渐增加，使主钳位开关管驱动信号脉宽达到正常工作时的脉宽。