CN110729904B - 全桥变换器电路变压器及全桥变换器电路 - Google Patents

全桥变换器电路变压器及全桥变换器电路 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种全桥变换器电路变压器及全桥变换器电路，通过第一初级线圈和第二初级线圈构成的变压器，在应用到全桥变换器电路中，有效地降低高频段时全桥变换器电路的输出电压的振幅，改善全桥变换器电路的传导性能。

Description

全桥变换器电路变压器及全桥变换器电路
技术领域
本发明涉及开关电源技术领域，特别是涉及一种全桥变换器电路变压器及全桥变换器电路。
背景技术
全桥变换器作为开关电源中的重要组成部分，有利于实现高效大功率的开关电源。图1为全桥变换器基本电路图，全桥变换器的基本电路结构如图1所示，由四个功率开关管和一个高频变压器等组成。电路工作情况由激励信号进行控制，对角线上的两个开关管同时导通或截止，便可将直流变成交流。当开关管BG1、BG2被激励串联导通，开关管BG3与BG4分别截止时，电源通过BG1、BG2和变压器绕组Np向负载供电；当BG3、BG4被激励串联导通，BG1与BG2分别截止时，电源通过BG3、BG4和变压器绕组Np上，次级绕组输出交流电压通过整流变成直流电压向负载供电。
如图1所示，功率开关管BG1～BG4的集电极分别接二极管D11～D14，其作用是抑制晶体管从导通转向截止瞬间变压器漏感及部分磁化能量产生的尖峰电压。例如当BG1与BG2由导通转向截止时，Np绕组中产生下正上负的感应电势，则漏感等储能通过D13和D14释放，从而BG1与BG2承受的电压钳位于特定电压，BG13、BG14上电压分别钳位于D13和D14的管压降。
为了是逆变电路输出对称矩形波，激励信号脉宽应相同，功率开关管的参数应尽量选得一致，但实际上BG1、BG2与BG3、BG4的参数不可能绝对相等，因此在正负半周中，通过变压器初级绕组的电流是不相等的，从而使铁芯磁芯产生单向偏磁现象。这种影响就是通常所说的随机磁化不平衡，严重时将导致磁芯饱和，波形畸变。为此可在变压器的初级绕组串联电容器隔直流。
开关电源变换器工作时，功率开关管快速的开通和关断，全桥变换器的BG1、BG2(BG3、BG4)同步和开通和关断时，流过开关管BG1～BG4和变压器的电流会快速的变化，快速的电流变化会产生交变电磁波辐射，形成辐射干扰；变压器绕组和开关管、整流管的连接点会产生周期电压矩形波，矩形电压波形的上升沿河下降沿电压快速的变化，矩形电压形含有丰富高频谐波，高频谐波通过寄生电容耦合到各个电子线路中形成传导干扰。
传统的全桥变换器在使用时，存在这样一个现象，同一个设计方案，批量做成产品后，不同产品传导干扰性能一致性不好，即传导性能不好。
对于理想的全桥变换器，BG1～BG4的参数完全一样，BG1和BG2同时关断、同时导通，BG3和BG4同时关断、同时导通。例如，一个理想的全桥变换器，在某时刻BG3、BG4处于关断状态，BG1，BG2导通状态；当BG1、BG2接收到关断信号时，同时关断，变压器的电压开始反转，上桥臂A点开始下降和下桥臂B点开始上升，A点和B点同步变化且速率相同方向相反。
如图1所示，图A点和B点对地分别有寄生耦合电容Ca、Cb，由于A点和B点在电路中是对称的两个点，一般的Ca≈Cb；为方便分析，假设Ca＝Cb，在理想变换器中因为A点和B点以同步变化且速率相同方向相反，流过电容Ca的共模电流为ICMa，流过电容Cb的共模电流为ICMb；ICMa、ICMb同步变化且大小相同方向相反，所以图2为理想情况下的共模电流波形图。如图2所示，ICMa+ICMb＝0；这部分的共模电流将会在内部抵消，没有串扰到输入线路中，整体电路的共模干扰就会较小，传导干扰性能良好。
在实际应用中由于几个原因，A点和B点做不到的同步变化速率相同方向相反。原因：一、每个开关管的驱动信号的同步性和驱动能力有差异，导致开关管开通和关断有差异；二、开关的的栅极电容、门限电压的差异导致开通和关断的差异；三、开关管的漏源极的电容不一样，导致关断后，漏源电容大的桥臂变化速度慢，漏源电容小的桥臂变化速度快。这几个主要原因导致A点和B点的波形不对称，Ca、Cb流过的共模电流就不能相互抵消，形成对外干扰。
例如，图3为实际情况下的共模电流波形图。如图3所示，在某时刻工作状态是BG3、BG4处于关断状态，BG1，BG2导通状态；当BG1、BG2同时接收到关断信号时，但因为差异性，BG2先关断，B点电压因为变压的励磁和漏感能量开始上升；由于BG1还没关断，A点电压保持不变，直至BG1关断时，A点电压开始才开始下降；B点会继续上升至输入电压正极，A点继续下降输入地。在这个过程A点和B点的上升和下降不对称，流过寄生电容Ca的共模电流ICMa和流过寄生电容Cb的共模电流ICMb，会不同步，所以ICMa+ICMb≠0，传导性能就会变差。
综上，在全桥变换器的实际应用中，上桥臂A点和下桥臂B点的电压难以完全同步，容易导致传导性能差。
发明内容
基于此，有必要针对传统的全桥变换器上桥臂的电压和下桥臂的电压难以完全同步导致传导性能变差的问题，提供了一种全桥变换器电路变压器及全桥变换器电路。
一种全桥变换器电路变压器，包括第一初级线圈、第二初级线圈和次级线圈；
第一初级线圈的第一端用于连接上桥臂；
第二初级线圈的第一端连接第一初级线圈的第二端，第二初级线圈的第二端用于连接下桥臂；
第二初级线圈的第一端连接第一初级线圈的第二端；
次级线圈两端用于接入负载。
上述全桥变换器电路变压器，通过第一初级线圈与第二初级线圈的设置，在应用到全桥变换器电路中，有效地降低高频段时全桥变换器电路的输出电压的振幅，改善全桥变换器电路的传导性能。
在其中一个实施例中，第一初级线圈和第二初级线圈圈数相同。
在其中一个实施例中，第一初级线圈和第二初级线圈并行绕制。
在其中一个实施例中，还包括滤波稳压电路；
滤波稳压电路连接第一初级线圈的第二端，用于稳定第一初级线圈的第二端的电压。
在其中一个实施例中，滤波稳压电路包括第一电容；
第一电容的一端连接第一初级线圈的第二端，第一电容的另一端用于连接全桥变换器电路的第一输入端。
在其中一个实施例中，滤波稳压电路包括第二电容；
第二电容的一端连接第一初级线圈的第二端，第二电容的另一端用于连接全桥变换器电路的第二输入端。
在其中一个实施例中，滤波稳压电路包括第三电容和第四电容；
第三电容的一端连接第一初级线圈的第二端，第三电容的另一端用于连接全桥变换器电路的第一输入端；
第四电容的一端连接第一初级线圈的第二端，第四电容的另一端用于连接全桥变换器电路的第二输入端。
在其中一个实施例中，第三电容与第四电容的电容容量相同。
在其中一个实施例中，滤波稳压电路包括第一二极管；
第一二极管的负极连接第一初级线圈的第二端，第一二极管的正极用于连接全桥变换器电路的第一输入端。
在其中一个实施例中，滤波稳压电路包括第二二极管；
第二二极管的正极连接第一初级线圈的第二端，第二二极管的负极用于连接全桥变换器电路的第一输入端。
在其中一个实施例中，滤波稳压电路包括第三二极管和第四二极管；
第三二极管的正极连接第一初级线圈的第二端，第三二极管的负极用于连接全桥变换器电路的第一输入端；
第四二极管的负极连接第一初级线圈的第二端，第四二极管的正极用于连接全桥变换器电路的第二输入端。
一种全桥变换器电路，包括第一开关管、第二开关管、第三开关管、第四开关管以及上述任一实施例的全桥变换器电路变压器；
第一开关管的集电极连接第三开关管的集电极；第一开关管的发射极连接第四开关管的集电极，以构成上桥臂；
第三开关管的发射极连接第二开关管的集电极，以构成下桥臂；
第二开关管的发射极连接第四开关管的发射极。
上述全桥变换器电路，通过第一初级线圈与第二初级线圈的设置，有效地降低高频段时全桥变换器电路的输出电压的振幅，改善全桥变换器电路的传导性能。
附图说明
图1为全桥变换器基本电路图；
图2为理想情况下的共模电流波形图；
图3为实际情况下的共模电流波形图；
图4为一实施方式的全桥变换器电路变压器结构示意图；
图5为另一实施方式的全桥变换器电路变压器结构示意图；
图6为一实施方式的电容滤波稳压电路图；
图7为另一实施方式的电容滤波稳压电路图；
图8为又一实施方式的电容滤波稳压电路图；
图9为一实施方式的二极管滤波稳压电路图；
图10为另一实施方式的二极管滤波稳压电路图；
图11为又一实施方式的二极管滤波稳压电路图；
图12为一实施方式的全桥变换器电路图；
图13为另一实施方式的全桥变换器电路图。
具体实施方式
为了更好地理解本发明的目的、技术方案以及技术效果，以下结合附图和实施例对本发明进行进一步的讲解说明。同时声明，以下所描述的实施例仅用于解释本发明，并不用于限定本发明
本发明实施例提供了一种全桥变换器电路变压器。
图4为一实施方式的全桥变换器电路变压器结构示意图，如图4所示，一实施方式的全桥变换器电路变压器包括第一初级线圈Np1、第二初级线圈Np2、次级线圈Ns；
第一初级线圈Np1的第一端用于连接上桥臂A点；
第二初级线圈Np2的第一端连接第一初级线圈Np1的第二端，第二初级线圈Np2的第二端用于连接下桥臂B点；
其中，第一初级线圈Np1的第一端连接上桥臂A，根据全桥变换器的输入电压，电流自上桥臂BG1流向下桥臂BG2，或自下桥臂BG3流向上桥臂BG4。
次级线圈Ns用于接入负载。
在其中一个实施例中，第一初级线圈和第二初级线圈圈数相同。
在其中一个实施例中，第一初级线圈和第二初级线圈并行绕制。
图5为另一实施方式的全桥变换器电路变压器结构示意图，如图5所示，另一实施方式的全桥变换器电路变压器还包括滤波稳压电路；
滤波稳压电路连接第一初级线圈Np1的第二端，用于稳定第一初级线圈Np1的第二端的电压。
其中，通过滤波稳压电路消除第一初级线圈Np1的第二端的共模噪声，进一步降低全桥变换器电路处于高频段时的输出电压振幅，改善传导性能。
在其中一个实施例中，滤波稳压电路可选用具有滤波稳压特性的电路模块或元件，包括电容器或二极管等。
在其中一个实施例中，如图5所示，次级线圈Ns包括第一次级线圈Ns1和第二次级线圈Ns2。
在其中一个实施例中，图6为一实施方式的电容滤波稳压电路图，如图6所示，滤波稳压电路包括第一电容C1；
第一电容C1的一端连接第一初级线圈Np1的第二端，第一电容C1的另一端用于连接全桥变换器电路的第一输入端Vin+。
其中，通过第一电容C1使第一初级线圈Np1的第二端的电位无法突变，有效地钳制第一初级线圈Np1的第二端的电位，以降低共模电流，抑制共模噪声。
其中，全桥变换器电路包括两个输入端，第一输入端Vin+直接或间接连接全桥变换器电路中两开关管的集电极的公共端，第二输入端Vin-直接或间接连接全桥变换器电路中另外两开关管的发射极的公共端。
在其中一个实施例中，图7为另一实施方式的电容滤波稳压电路图，如图7所示，滤波稳压电路包括第二电容C2；
第二电容C2的一端连接第一初级线圈Np1的第二端，第二电容C2的另一端用于连接全桥变换器电路的第二输入端Vin-。
其中，通过第二电容C2使第一初级线圈Np1的第二端的电位无法突变，有效地钳制第一初级线圈Np1的第二端的电位，以降低共模电流，抑制共模噪声。
在其中一个实施例中，图8为又一实施方式的电容滤波稳压电路图，如图8所示，滤波稳压电路包括第三电容C3和第四电容C4；
第三电容C3的一端连接第一初级线圈Np1的第二端，第三电容C3的另一端用于连接全桥变换器电路的第一输入端Vin+；
第四电容C4的一端连接第一初级线圈Np1的第二端，第四电容C4的另一端用于连接全桥变换器电路的第二输入端Vin-。
在其中一个实施例中，第三电容C3与第四电容C4选用电容值相同的电容。
在其中一个实施例中，第一电容C1、第二电容C2、第三电容C3和第四电容C4均选用高频低阻抗电容器。
在其中一个实施例中，图9为一实施方式的二极管滤波稳压电路图，如图9所示，滤波稳压电路包括第一二极管D1；
第一二极管D1的负极连接第一初级线圈Np1的第二端，第一二极管D1的正极用于接地。
通过第一二极管D1稳定第一初级线圈Np1的第二端的电位，以降低共模电流，抑制共模噪声。
在其中一个实施例中，图10为另一实施方式的二极管滤波稳压电路图，如图10所示，滤波稳压电路包括第二二极管D2；
第二二极管D2的正极连接第一初级线圈Np1的第二端，第二二极管D2的负极用于连接全桥变换器电路的第一输入端Vin+。
在其中一个实施例中，图11为又一实施方式的二极管滤波稳压电路图，如图11所示，滤波稳压电路包括第三二极管D3和第四二极管D4；
第三二极管D3的正极连接第一初级线圈Np1的第二端，第三二极管D3的负极用于连接全桥变换器电路的第一输入端Vin+；
第四二极管D4的负极连接第一初级线圈Np1的第二端，第四二极管D4的正极用于连接全桥变换器电路的第二输入端Vin-。
如图5所示，现以无隔直电容的全桥变换器电路为例说明本发明最优实施例的原理，本发明将变压器的初级绕组设计成两个，分别为第一初级线圈Np1和第二初级线圈Np2，第一初级线圈Np1的匝数和第二初级线圈Np2的匝数相等，第一初级线圈Np1的第一端和第二初级线圈Np2的第一端为同名端，将第一初级线圈Np1的第二端和第二初级线圈Np2的第一端相连。构成全桥变换器变压器。因为两个初级线圈绕制在同一个变压器磁芯上，耦合良好，第一初级线圈Np1的电压和第二初级线圈Np2的电压相同。
通过在第一初级线圈Np1的的第二端连接稳压滤波电路100，滤波稳压电路通过给高频信号提供低阻抗通路，滤除高频信号，使第一初级线圈Np1的第二端保持电压稳定。由于两个初级绕组的电压相同，滤波稳压电路的电压等于输入电压的一半，处于电压的中心点。
在开关开通或关断不同步的情况下，例如，在某时刻BG3、BG4处于关断状态，BG1，BG2导通状态；当BG1、BG2同时接收到关断信号时，但因为差异性，BG2先关断，BG1继续保持导通，此时因为滤波稳压电路的存在，第一初级线圈Np1的第二端等于滤波稳压电路的电位，第一初级线圈Np1的第一端电位等于输入电压第一端的电位，即第一初级线圈Np1的电压此时保持不变；又因为两个绕组的电压相等，第二初级线圈Np2的电压也不会变化，故在BG2关断时，B点电压并不会上升，而是保持不变。直至BG1关断后，A点电压不再被钳位在输入电压的第一端，A点和B点将同时变换方向，A点电压开始下降，B点电压开始上升；因为滤波稳压电路稳住了中间抽头的电压，变压器的第二初级线圈Np2和第二初级线圈Np2的电压相等，A点B点电压会被绕组钳位，保持变化速率相同方向相反，使得流过Ca、Cb的共模电流ICMa、ICMb大小相等反向相反，从而改善全桥变换器电路的传导性能。
对于开关管漏源端的电容不一样的情况，同理，因为滤波稳压电路稳住了中间抽头的电压，变压器的第一初级线圈Np1和第二初级线圈Np2的电压相等，A点B点电压会被绕组钳位，保持变化速率相同方向相反，使得流过Ca、Cb的共模电流ICMa、ICMb大小相等反向相反，从而改善全桥变换器电路的传导性能。
更优地，通过把第一初级线圈Np1和第二初级线圈Np2并行绕制，变压器的初级绕组总分布电容会增加。这样全桥变换器开关管由导通进入截止时，绕组电压转变方向时，因为绕组电容的电压不能瞬间变化，绕组电压转变的速度也会变慢，上桥臂或下桥臂的上升沿和下降沿变缓慢，从而减少了高频分量，这样上桥臂A点流过Ca的共模电流会减小，同理，下桥臂B点流过Cb的共模电流也减小。从而达到减小共模干扰的效果。在开关同步问题不那么严重的情况下，只要采用第一初级线圈Np1和第二初级线圈Np2并行绕制的方法，也能达到改善传导干扰的效果。
滤波稳压电路的作用是提供高频低阻抗通路，提供了上桥臂A点电位和下桥臂B点电位之间的中间电位，通过直接或间接的连接方式钳位住第一初级线圈Np1的第二端和第二初级线圈Np2的第一端；再利用第一初级线圈Np1和第二初级线圈Np2绕制在同一磁芯上，有良好的耦合关系，第一初级线圈Np1和第二初级线圈Np2电压相等的关系，使非理想情况下，A点和B点电位在上升沿和下降沿保持同步变化、速率相同方向相反的特征。
上述任一实施例的全桥变换器电路变压器，通过第一初级线圈Np1与第二初级线圈Np2，在应用到全桥变换器电路中，有效地降低高频段时全桥变换器电路的输出电压的振幅，改善全桥变换器电路的传导性能。
本发明实施例还提供一种全桥变换器电路。
图12为一实施方式的全桥变换器电路图，如图12所示，一实施方式的全桥变换器电路包括第一开关管BG1、第二开关管BG2、第三开关管BG3、第四开关管BG4以及上述任一实施例的全桥变换器电路变压器；
第一开关管BG1的集电极连接第三开关管BG3的集电极；第一开关管BG1的发射极连接第四开关管BG4的集电极，以构成上桥臂A；
第三开关管BG3的发射极连接第二开关管BG2的集电极，以构成下桥臂B；
第三开关管BG3的发射极连接第二开关管BG2的发射极。
其中，第一开关管BG1与第二开关管BG2构成一对管，第三开关管BG3与第四开关管BG4构成另一对管，根据全桥变换器电路接收到的开关信号，两对管交替导通，使得全桥变换器电路的第一输入端Vin+的电流依次流经第一开关管BG1、第一初级线圈Np1、第二初级线圈Np2、第二开关管BG2到全桥变换器电路的第二输入端Vin-；或全桥变换器电路的第一输入端Vin+的电流依次流经第三开关管BG3、第二初级线圈Np2、第一初级线圈Np1、第四开关管BG4到全桥变换器电路的第二输入端Vin-。
在其中一个实施例中，图13为另一实施方式的全桥变换器电路图，如图13所示，还包括隔直电容Cin。
第一初级线圈Np1的第一端通过隔直电容Cin连接上桥臂A。
在其中一个实施例中，第二初级线圈Np2的第二端通过隔直电容Cin连接上桥臂B。
在其中一个实施例中，滤波稳压电路通过隔直电容Cin连接第一初级线圈Np1的第二端。
上述任一实施例的全桥变换器电路，第一开关管BG1和第二开关管BG2构成对管，第三开关管BG3和第四开关管BG4构成对管，在两对管依次开启时，通过第一初级线圈Np1与第二初级线圈Np2组成的变压器，有效地降低高频段时全桥变换器电路的共模电压的振幅，改善全桥变换器电路的传导性能。以上实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。
以上实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (12)

1.一种全桥变换器电路变压器，其特征在于，包括第一初级线圈、第二初级线圈、次级线圈和滤波稳压电路；
所述第一初级线圈的第一端用于连接上桥臂；
所述第二初级线圈的第一端连接所述第一初级线圈的第二端，所述第二初级线圈的第二端用于连接下桥臂；
所述次级线圈两端用于接入负载；
所述滤波稳压电路连接所述第一初级线圈的第二端，用于稳定所述第一初级线圈的第二端的电压；
所述滤波稳压电路包括第一二极管；
所述第一二极管的负极连接所述第一初级线圈的第二端，所述第一二极管的正极用于接地。
2.根据权利要求1所述的全桥变换器电路变压器，其特征在于，所述第一初级线圈和所述第二初级线圈圈数相同。
3.根据权利要求1所述的全桥变换器电路变压器，其特征在于，所述第一初级线圈和所述第二初级线圈并行绕制。
4.根据权利要求1所述的全桥变换器电路变压器，其特征在于，所述次级线圈包括第一次级线圈和第二次级线圈。
5.根据权利要求4所述的全桥变换器电路变压器，其特征在于，第一初级线圈的第一端和第二初级线圈的第一端为同名端。
6.一种全桥变换器电路变压器，其特征在于，包括第一初级线圈、第二初级线圈、次级线圈和滤波稳压电路；
所述第一初级线圈的第一端用于连接上桥臂；
所述第二初级线圈的第一端连接所述第一初级线圈的第二端，所述第二初级线圈的第二端用于连接下桥臂；
所述次级线圈两端用于接入负载；
所述滤波稳压电路连接所述第一初级线圈的第二端，用于稳定所述第一初级线圈的第二端的电压；
所述滤波稳压电路包括第三二极管和第四二极管；
所述第三二极管的正极连接所述第一初级线圈的第二端，所述第三二极管的负极用于连接全桥变换器电路的第一输入端；
所述第四二极管的负极连接所述第一初级线圈的第二端，所述第四二极管的正极用于连接全桥变换器电路的第二输入端。
7.一种全桥变换器电路变压器，其特征在于，包括第一初级线圈、第二初级线圈、次级线圈和滤波稳压电路；
所述第一初级线圈的第一端用于连接上桥臂；
所述第二初级线圈的第一端连接所述第一初级线圈的第二端，所述第二初级线圈的第二端用于连接下桥臂；
所述次级线圈两端用于接入负载；
所述滤波稳压电路连接所述第一初级线圈的第二端，用于稳定所述第一初级线圈的第二端的电压；
所述滤波稳压电路包括第二二极管；
所述第二二极管的正极连接所述第一初级线圈的第二端，所述第二二极管的负极用于连接全桥变换器电路的第一输入端。
8.根据权利要求7所述的全桥变换器电路变压器，其特征在于，所述第一初级线圈和所述第二初级线圈圈数相同。
9.根据权利要求7所述的全桥变换器电路变压器，其特征在于，所述第一初级线圈和所述第二初级线圈并行绕制。
10.根据权利要求7所述的全桥变换器电路变压器，其特征在于，所述次级线圈包括第一次级线圈和第二次级线圈。
11.根据权利要求10所述的全桥变换器电路变压器，其特征在于，第一初级线圈的第一端和第二初级线圈的第一端为同名端。
12.一种全桥变换器电路，其特征在于，包括第一开关管、第二开关管、第三开关管、第四开关管以及如权利要求1至11任意一项所述的全桥变换器电路变压器；
所述第一开关管的集电极连接所述第三开关管的集电极；所述第一开关管的发射极连接所述第四开关管的集电极，以构成所述上桥臂；
所述第三开关管的发射极连接所述第二开关管的集电极，以构成所述下桥臂；
所述第二开关管的发射极连接所述第四开关管的发射极。
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