CN110829843A - Lcd箝位单管正激变换器及电子设备 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种LCD箝位单管正激变换器及电子设备，该LCD箝位单管正激变换器包括正激变压器、单向开关电路、和箝位磁复位电路，其中，箝位磁复位电路包括耦合电容、第一二极管及反激变压器，其中第一二极管的负极连接预设电源的正极，第一二极管的正极连接反激变压器的初级绕组第一端，并通过耦合电容连接正激变压器的初级绕组第二端，反激变压器的初级绕组第二端连接预设电源的负极，反激变压器的次级绕组用于连接负载。本发明能够实现正激变压器的磁复位能量的有效利用，并消除对输入电源端的反向冲击电流干扰。在单向开关电路导通期间使正激变压器次级向负载输出，还能使得变换器输出电压纹波小和滤波参数小，易于稳压调节和模块化设计。

Description

LCD箝位单管正激变换器及电子设备
技术领域
本发明涉及电力变换技术领域，特别是涉及一种LCD箝位单管正激变换器及包括该LCD箝位单管正激变换器的电子设备。
背景技术
LCD磁复位单管正激变换器是目前常见的一种正激变换器，其电路结构如图1所示。其中，开关S'导通时，预设电源Uin'对励磁电感Lm'充电，励磁电感Lm'存储磁场能。电容Cc'对电感Lc'充电，电感Lc'存储磁场能。当开关S'关断时，励磁电感Lm'需要放电，为电容Cc'和Cs'充电。此时励磁电感Lm'的磁场能转换为电容Cc'和Cs'的电场能，这个过程称为正激变压器的磁复位过程。在磁复位过程中，正激变压器的磁复位能量(即励磁电感Lm'在前一个周期的储能)将通过电感Lc'回送到预设电源Uin'，给预设电源Uin'造成反向电流冲击。
由于单管正激变换器常作为二次变换的辅助电源，其供电电源Uin'通常是整个大系统的工作电源，因此对电源Uin'的反向电流冲击会对系统产生干扰，实际系统中通常需要另加滤波电路消除这种干扰，增加额外的隐形成本。因此，如何在不通过额外滤波电路的情况下，消除磁复位能量对预设电源的反向电流冲击干扰，是目前亟待解决的问题。
发明内容
基于此，有必要提供一种LCD箝位单管正激变换器及包括其的电子设备，能够消除磁复位能量对预设电源的反向电流冲击干扰。
本发明第一方面提供一种LCD箝位单管正激变换器，包括：正激变压器、单向开关电路、和箝位磁复位电路，所述正激变压器的初级绕组第一端连接预设电源的正极，所述正激变压器的初级绕组第二端通过所述单向开关电路连接所述预设电源的负极，所述正激变压器的次级绕组用于连接负载，其中，所述箝位磁复位电路包括耦合电容、第一二极管及反激变压器，其中所述第一二极管的负极连接所述预设电源的正极，所述第一二极管的正极连接所述反激变压器的初级绕组第一端，并通过所述耦合电容连接所述正激变压器的初级绕组第二端，所述反激变压器的初级绕组第二端连接所述预设电源的负极，所述反激变压器的次级绕组用于连接所述负载。
可选地，所述箝位磁复位电路还包括第二二极管，所述第二二极管的正极连接所述反激变压器的初级绕组第一端，所述第二二极管的负极连接所述第一二极管的正极。
可选地，所述单向开关电路包括并联的开关及第一电容。
可选地，所述LCD箝位单管正激变换器还包括输入保护电路，所述输入保护电路一端连接所述预设电压的正极，另一端连接所述正激变压器的初级绕组第一端，所述输入保护电路用于阻隔所述第一电容对所述预设电源放电。
可选地，所述输入保护电路包括第七二极管，所述第七二极管的正极连接所述预设电压的正极，所述第七二极管的负极连接所述正激变压器的初级绕组第一端。
可选地，所述LCD箝位单管正激变换器还包括第一电感，所述第一电感连接在所述预设电源的正极和所述正激变压器的初级绕组第一端之间。
可选地，所述LCD箝位单管正激变换器还包括第一整流滤波电路，所述正激变压器的次级绕组通过所述第一整流滤波电路连接所述负载。
可选地，所述LCD箝位单管正激变换器还包括第二整流滤波电路，所述反激变压器的次级绕组通过所述第二整流滤波电路连接所述负载。
可选地，所述LCD箝位单管正激变换器还包括RC滤波电路，所述正激变压器的次级绕组和所述反激变压器的次级绕组分别通过所述RC滤波电路连接所述负载。
本发明另一方面还提供一种电子设备，所述电子设备包括如上述任一项所述的LCD箝位单管正激变换器。
根据以上LCD箝位单管正激变换器及电子设备，在单向开关电路的关断期间，使反激变压器的的次级向负载输出电流，同时抑制初级向电源端的回馈电流。实现正激变压器的磁复位能量的有效利用，并消除对输入电源端的反向冲击电流干扰。在单向开关电路导通期间使正激变压器次级向负载输出，在功率开关关断期间使反激变压器次级向负载输出，这样在开关周期的开通和关断期间都存在输出脉冲，使得变换器输出电压纹波小和滤波参数小，易于稳压调节和模块化设计。
附图说明
图1为相关技术中的LCD磁复位单管正激变换器的电路图；
图2为本发明一实施例的LCD箝位单管正激变换器的电路结构示意图；
图3为本发明另一实施例的LCD箝位单管正激变换器的电路结构示意图；
图4为本发明又一实施例的LCD箝位单管正激变换器的电路结构示意图；
图5为本发明又一实施例的LCD箝位单管正激变换器的电路结构示意图；
图6为本发明一实施例的LCD箝位单管正激变换器的工作时序波形示意图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
在一个实施例中，提供一种LCD箝位单管正激变换器10，如图2所示，该LCD箝位单管正激变换器包括正激变压器Tr 1、箝位磁复位电路101和单向开关电路102，其中正激变压器Tr 1的初级绕组(其励磁电感为Lm)第一端连接一预设电源的正极，正激变压器Tr 1的初级绕组第二端通过单向开关电路102连接预设电源的负极，正激变压器的次级绕组用于间接连接负载，优选地通过整流滤波电路连接负载。箝位磁复位电路101包括耦合电容Cc、第一二极管D1、反激变压器Tr2，其中第一二极管的负极连接预设电源的正极，第一二极管的正极连接反激变压器Tr2的初级绕组(其励磁电感为Lc，也称耦合电感)第一端，并通过耦合电容Cc连接正激变压器的初级绕组第二端，反激变压器Tr2的初级绕组第二端连接预设电源的负极，反激变压器Tr2的次级绕组用于通过整流滤波电路连接负载。
本实施例中，单向开关电路102按一定的占空比周期性导通，其导通时，耦合电容Cc通过导通的单向开关电路对耦合电感Lc放电，使得耦合电容Cc中存储的电场能转换为耦合电感Lc的磁场能，同时正激变压器Tr 1的初级绕组通过输入电源Uin励磁存储磁场能。
当单向开关电路102关断时，正激变压器Tr 1的初级绕组向耦合电容Cc放电实现磁复位，将励磁电感Lm存储的磁场能转换为耦合电容Cc的电场能，同时反激变压器Tr2的次级向负载放电，将在本开关周期存储的磁场能转换为对负载的电能输出。
其中，正激变压器Tr 1的初级绕组在单向开关电路导通时存储的能量又称为磁复位能量。根据以上分析可知，在每个开关周期内，励磁电感Lm的磁复位能量将在下一个开关周期单向开关电路关断时，通过反激变压器Tr2转送给负载，而不会回送至预设电源，从而避免了对输入电压的反向电流冲击Uin，提升系统可靠性。此外，无需通过额外的滤波电路消除该反向电流冲击干扰，因此可降低电路成本。另一方面，励磁电感Lm的磁复位能量传输到负载，既提高了系统效率，还能减小输入端电源的容量和输入滤波负担，减小前级供电系统的成本。又一方面，由于在单向开关导通时段由正激变压器的次级回路向负载输出，单向开关关断时段由反激变压器的次级回路向负载输出，因此电路的输出纹波较小，输出滤波参数小，有利于提高输出电压波形质量和减小输出滤波成本。
在一些实施例中，如图3所示，箝位磁复位电路101还包括第二二极管D2，第二二极管D2的正极连接反激变压器Tr2的初级绕组第一端，第二二极管的负极连接第一二极管D1的正极。其中，第二二极管D2阻止预设输入电源通过反激变压器Tr2的初级绕组给耦合电容充电，有利于减小LCD箝位单管正激变换器的启动电流和启动时间，并由于其单向导电性，可抑制磁复位期间的反向谐振电流。
在一些实施例中，单向开关电路102包括并联的开关S和第一电容CS，开关S和第一电容CS并联后一端连接正激变压器Tr 1的初级绕组第二端，另一端连接预设电源的负极。其中，第一电容CS包括开关的寄生电容和开关外接的缓冲电容，可限制开关S的关断电压尖峰冲击，实现开关S的零电压关断。此外，由于正激变压器漏感的存在和反激变压器初级励磁电感的存在，开关S可实现零电流导通。可选地，如图3所示，该单向开关电路102还可包括第八二极管DS，其中第八二极管DS的正极连接预设电源的负极，第八二极管DS的负极连接正激变压器Tr 1的初级绕组第二端。可选地，第八二极管DS可以是开关S的寄生二极管，也可以是外接的二极管元件。可选地，单向开关电路102可采用GTR、MOSFET和IGBT等半控型功率开关器件。
在一些实施例中，如图4所示，LCD箝位单管正激变换器还包括输入保护电路103，输入保护电路103一端连接预设电源的正极，另一端连接正激变压器Tr 1的初级绕组第一端，输入保护电路103用于阻隔第一电容CS对预设电源谐振放电。可选地，输入保护电路103可选用单向导电元件来阻隔第一电容CS对预设电源放电。例如图4所示，输入保护电路103包括第七二极管D7，第七二极管D7的正极连接预设电压的正极，第七二极管D7的负极连接反激变压器Tr2的初级绕组第一端。第七二极管D7抑制了第一电容CS向预设电源谐振放电的反向放电通路，使得开关S在开通前管压降处于最高值。
在一些实施例中，LCD箝位单管正激变换器还包括第一电感Lk，第一电感Lk连接在预设电源的正极和正激变压器Tr 1的初级绕组第一端之间。第一电感Lk的功能等同正激变压器的初级漏感。
在一些实施例中，如图5所示，LCD箝位单管正激变换器还包括第一整流滤波电路104、第二整流滤波电路105和可选的RC滤波电路106。其中，正激变压器Tr 1的次级绕组通过第一整流滤波电路连接负载，第一整流滤波电路104用于对正激变压器Tr 1次级绕组的输出电压进行整流处理和滤波处理。反激变压器Tr2的次级绕组通过第二整流滤波电路105连接负载，第二整流滤波电路105用于对反激变压器Tr2次级绕组的输出电压进行整流处理和滤波处理。可选地，RC滤波电路106用于对正激变压器Tr 1次级绕组的整流滤波输出电压和反激变压器Tr2次级绕组的整流滤波输出电压进行二次滤波处理。
根据以上LCD箝位单管正激变换器，在单向开关电路的关断期间，使反激变压器的次级向负载输出电流，同时电路设计抑制初级向电源端的回馈电流。实现正激变压器的磁复位能量的有效利用，并消除对输入电源端的反向冲击电流干扰。在单向开关电路导通期间使正激变压器次级向负载输出，在功率开关关断期间使反激变压器次级向负载输出，这样在开关周期的开通和关断期间都存在输出脉冲，使得变换器输出电压纹波小和滤波参数小，易于稳压调节和模块化设计。
下面以一个具体案例对本发明的LCD箝位单管正激变换器的工作流程进行详细说明。本实施例中，假设耦合电容Cc足够大(例如Cc＞＞d2T2/Lc，和Cc＞＞d2T2/(Lm+Lk)，式中d为开关S的驱动脉冲占空比)，使得在一个开关周期内，耦合电容Cc两端的电压基本保持恒定，或围绕一个恒定值小范围波动而不发生极性变化，则变换器工作在箝位磁复位方式。以图5所示的电路结构和图6所示的工作时序波形为例，该LCD箝位单管正激变换器在各时区的工作模态分析如下：
(1)时区[t0,t1]：
t0时刻开关S导通，励磁电感Lm在电压源Uin的作用下存储磁场能，电流回路为：Uin→Lm→S，正激变压器原边电流ip线性增加；同时，正激变压器二次侧的整流二极管D3导通，续流二极管D4反偏截止。
电容Cc对反激变压器的初级电感Lc放电，Cc的电场能转换为反激变压器Tr2的磁场能，电流回路为：Cc→S→Lc→D2。反激变压器初级电流ic线性增加，反激变压器Tr2通过初级励磁存储能量，反激变压器二次侧的整流二极管D5反偏截止。由于电容Cc很大使得变换器工作在箝位状态，电容Cc的电压uCc基本不变或略有下降。
开关S导通期间，开关两端压降uCs为零。在t1时刻关断开关S时，在开关寄生电容Cs的作用下开关实现零电压关断。
(2)时区[t1,t2]：
t1时刻关断开关S，励磁电流im向寄生电容CS充电，开关两端电容电压
Figure BDA0002271199590000091
急剧升高。电流回路为：Uin→Lm→Cs，t2时刻电容电压达到输入电源电压Uin。
这期间虽然开关S关断，但由于寄生电容Cs快速充电，励磁电流im上升趋势不变，正激变压器各绕组电压极性不变，次级二极管D3仍然有正向电流。
同时，电容Cc的电压通过寄生电容Cs维持对反激变压器的初级电感Lc放电，电流回路为：Cc→Cs→Lc→D2。
(3)时区[t2,t3]：
在t2时刻电容电压
Figure BDA0002271199590000093
达到输入电源电压Uin后，正激变压器Tr1各绕组电压极性反向，励磁电流开始复位续流。正激变压器Tr1的励磁复位电流im主要通过电容Cc续流，励磁电感Lm的磁场能转换为电容Cc的电场能，电流回路为：Lm→Cc→D1。同时，励磁复位电流im也继续向寄生电容CS充电，时区[t2,t3]期间可使寄生电容CS电压达到最大值：uCs＝Uin+uCc。
由于电容Cc放电回路中断，t2时刻反激变压器Tr2各绕组电压极性反向。Tr2的磁场能由初级和次级同时释放。一方面，Tr2初级电感Lc释放的能量反馈给电源，使得iin的电流反向；另一方面，Tr2的次级向输出放电，二极管D5导通，将磁场能转换为电能输出。由于设计使得输入电压Uin大于反激变压器Tr2次级回路等效输出电压，使得流向电源端的反向电流iin远小于通过二极管D5的输出电流iD5，理论上该反向电流iin被抑制。一般情况下，这期间反激变压器Tr2的储能将释放完毕。
(4)时区[t3,t4]：
t3时刻正激变压器的磁复位电流im下降到零，由于寄生电容CS的电压高于输入电源电压，寄生电容CS向电源谐振放电，直到寄生电容CS的电压等于电源电压，一个开关周期结束。
采用上述结构，具有如下有益效果：
(1)保留了单管LCD箝位单管正激变换器结构简单，高频电气隔离，以及功率容量大(与反激变换器相比)的优点。
(2)消除或抑制了单管LCD箝位单管正激变换器的磁复位能量对输入电源的反向电流冲击。
(3)减小了输入端电源的容量和滤波负担，减小了前级供电系统的成本。
(4)单管LCD箝位单管正激变换器的磁复位能量转到输出端被有效使用，提高了变换器效率。
(5)变换器输出纹波小，输出电压波形波动小，输出电压波形质量高。
(6)输出滤波参数小，有利于变换器的小型模块化设计。
(7)功率开关管实现了零电流导通和零电压关断，系统的可靠性高。
(8)功率开关管的软开关范围宽，功率开关管的管压降无尖峰震荡，该变换器结构特别适合于高压输入应用场合。
本发明还提供一种电子设备，该电子设备包括如上述任一实施例所述的LCD箝位单管正激变换器。
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 (10)

1.一种LCD箝位单管正激变换器，包括：正激变压器、单向开关电路、和箝位磁复位电路，所述正激变压器的初级绕组第一端连接预设电源的正极，所述正激变压器的初级绕组第二端通过所述单向开关电路连接所述预设电源的负极，所述正激变压器的次级绕组用于连接负载，其特征在于，
所述箝位磁复位电路包括耦合电容、第一二极管及反激变压器，其中所述第一二极管的负极连接所述预设电源的正极，所述第一二极管的正极连接所述反激变压器的初级绕组第一端，并通过所述耦合电容连接所述正激变压器的初级绕组第二端，所述反激变压器的初级绕组第二端连接所述预设电源的负极，所述反激变压器的次级绕组用于连接所述负载。
2.根据权利要求1所述的LCD箝位单管正激变换器，其特征在于，所述箝位磁复位电路还包括第二二极管，所述第二二极管的正极连接所述反激变压器的初级绕组第一端，所述第二二极管的负极连接所述第一二极管的正极。
3.根据权利要求1所述的LCD箝位单管正激变换器，其特征在于，所述单向开关电路包括并联的开关及第一电容。
4.根据权利要求3所述的LCD箝位单管正激变换器，其特征在于，所述LCD箝位单管正激变换器还包括输入保护电路，所述输入保护电路一端连接所述预设电压的正极，另一端连接所述正激变压器的初级绕组第一端，所述输入保护电路用于阻隔所述第一电容对所述预设电源放电。
5.根据权利要求4所述的LCD箝位单管正激变换器，其特征在于，所述输入保护电路包括第七二极管，所述第七二极管的正极连接所述预设电压的正极，所述第七二极管的负极连接所述正激变压器的初级绕组第一端。
6.根据权利要求1-5任一项所述的LCD箝位单管正激变换器，其特征在于，所述LCD箝位单管正激变换器还包括第一电感，所述第一电感连接在所述预设电源的正极和所述正激变压器的初级绕组第一端之间。
7.根据权利要求1-5任一项所述的LCD箝位单管正激变换器，其特征在于，所述LCD箝位单管正激变换器还包括第一整流滤波电路，所述正激变压器的次级绕组通过所述第一整流滤波电路连接所述负载。
8.根据权利要求1-5任一项所述的LCD箝位单管正激变换器，其特征在于，所述LCD箝位单管正激变换器还包括第二整流滤波电路，所述反激变压器的次级绕组通过所述第二整流滤波电路连接所述负载。
9.根据权利要求1-5任一项所述的LCD箝位单管正激变换器，其特征在于，所述LCD箝位单管正激变换器还包括RC滤波电路，所述正激变压器的次级绕组和所述反激变压器的次级绕组分别通过所述RC滤波电路连接所述负载。
10.一种电子设备，其特征在于，所述电子设备包括如权利要求1-9任一项所述的LCD箝位单管正激变换器。
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