CN110932554B - 一种隔离型输入零纹波开关变换器 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种开关变换器,既可以实现电压隔离,就可以实现整个变换器的零纹波输入,从而降低低频传导噪声。而且变换器中的所用电感和变压器都集成到一个磁性器件上,为整体实现高集成度小体积电源提供基础。
Description
技术领域
本发明涉及一种开关变换器,特别涉及一种隔离型输入零纹波开关变换器。
背景技术
开关电源由于体积小、效率高而得到广泛的应用,但是由于开关电源在开关导通和关断过程中,会导致较大的电流纹波和噪声,由此会对外界环境产生干扰,影响其他设备的正常工作。基于开关电源的这一缺点,使得它不能应用于对电流纹波噪声比较敏感的场合。
为了降低干扰,有学者通过降低开关电源输入电流的纹波,从而降低基波频率处的干扰,减弱电源对供电网络的干扰。在输入零纹波专利方面,国内已有相关专利,通过在基本拓扑的基础上添加电感电容实现输入电流零纹波,但大部分都是非隔离的拓扑,而且所添加的元器件比较多,不利于集成化。
发明内容
有鉴于此,本发明解决的技术问题是克服现有方法的不足,提出一种隔离型输入零纹波开关变换器方案,在实现电压隔离传输的基础上,可以极大地降低输入电流的纹波,并且变换器中的电感以及变压器可以集成到一个磁性器件上,为整体上实现高集成度的变换器提供基础。
本发明的发明构思为利用两电感电流的差构成变换器的输入电流,使得变换器可以实现零纹波输入,为了实现电压隔离,因此需要添加变压器,将上述的两电感集成到变压器中,利用一个磁性器件实现两电感以及一个变压器的功能。
本发明提供如下技术方案:
一种隔离型输入零纹波开关变换器,其特征在于:包括输入端正、输入端负、变压器W1、变压器W2、电感L1~L3、开关管Q1~Q4、电容Cr、电容Co、输出端正和输出端负;
输入端正与变压器W1的原边绕组P1的同名端电连接,变压器W1绕组的异名端与开关管Q1的漏极、开关管Q2的漏极电连接,开关管Q2的源极与电容Cr的负端、变压器W2的副边绕阻S1的同名端电连接,电容Cr的正端与开关管Q4的漏极电连接,开关管Q1的源极、开关管Q4的源极和变压器W2的副边绕阻S1的异名端分别与输入端负电连接;变压器W1的副边绕组S1的同名端与电感L1的一端、电感L3的一端、变压器W2原边绕阻P1的异名端电连接,变压器W1的副边绕组S1的异名端与电感L1的另一端、电感L2的一端电连接,电感L2的另一端与电感L3的另一端、变压器W2的原边绕阻P1的同名端电连接;变压器W2的副边绕组S2的同名端与电容Co的正端电连接作为输出端正,电容Co的负端与开关管Q3的源极电连接作为输出端负,开关管Q3的漏极与变压器W2的副边绕组S2的异名端电连接。
作为本发明的另一种同等替代方案:
一种隔离型输入零纹波开关变换器,其特征在于:包括输入端正、输入端负、变压器W1、变压器W2、电感L1~L3、开关管Q1~Q4、电容Cr、电容Co、输出端正、输出端负;
输入端正与变压器W1的原边绕组P1的同名端电连接,变压器W1的原边绕组P1的异名端与开关管Q1的漏极、开关管Q2的漏极电连接,开关管Q2的源极与变压器W2的副边绕阻S1的同名端电连接,开关管Q1的源极和变压器W2的副边绕阻S1的异名端分别与输入端负电连接;变压器W1的副边绕组S1的同名端与电感L1的一端、电感L3的一端、变压器W2原边绕阻P1的异名端电连接,变压器W1的副边绕组S1的异名端与电感L1的另一端、电感L2的一端电连接,电感L2的另一端与电感L3的另一端、变压器W2的原边绕阻P1的同名端电连接;变压器W2的副边绕组S2的同名端与电容Cr的负端、电容Co的正端电连接作为输出端正,电容Co的负端与开关管Q3的源极电连接作为输出端负,开关管Q3的漏极和开关管Q4的源极与变压器W2的副边绕组S2的异名端电连接,开关管Q4的漏极与电容Cr的正端电连接。
优选的,变压器W1、电感L1、电感L2、电感L3、变压器W2集成到同一磁性器件上。
优选的,开关管Q1~Q4采用栅极驱动,开关管Q1和开关管Q4驱动含死区相同,开关管Q2和开关管Q3驱动含死区相同,开关管Q1的驱动与开关管Q2的驱动含死区互补。
电连接含义:包括直接或间接连接,并且包括感应耦合之类的连接方式,可根据具体实施情况,通过添加或减少连接辅件,来组成更优的连接结构。
在实际应用中,在该拓扑基础上,合理设置电感感量以及控制信号,就可以实现电流纹波为零。在忽略死区的情况下,开关管Q1和开关管Q4驱动相同,开关管Q2和开关管Q3驱动相同,开关管Q1的驱动与开关管Q2的驱动互补。设开关管Q1的占空比为D,通过分析该拓扑的稳态关系以及纹波电流可知,当占空比以及电感感量满足以下情况时,无论负载是多少,都可以实现输入零纹波。
本发明的有益效果在于:在实现电压隔离传输的基础上,通过利用两电感电流的差构成变换器的输入电流,可以极大地降低输入电流的纹波,并且变换器中的所有电感和变压器可以集成到一个磁性器件上,为整体上实现高集成度的变换器提供基础。
附图说明
图1为本发明第一实施例电路原理图;
图2为本发明第一实施例开关管Q1开通时各开关管的驱动时序;
图3为本发明第一实施例开关管Q1关断时各开关管的驱动时序;
图4为本发明第一实施稳态电流工作曲线;
图5为本发明第二实施例电路原理图。
具体实施方式
本发明的发明构思为利用两电感电流的差构成变换器的输入电流,使得变换器可以实现零纹波输入,同时将电感与变压器集成在一起,使得整个变换器既可以实现零纹波输入,又可以实现电压隔离。
第一实施例
图1为本发明第一实施例电路原理图,一种隔离型输入零纹波开关变换器,包括输入电压源Vin、变压器W1、变压器W2、电感L1~L3、开关管Q1~Q4、电容Cr、电容Co和负载电阻R1;其连接关系为:
输入电压Vin的正端与变压器W1的原边绕组P1的同名端电连接,变压器W1绕组的异名端与开关管Q1的漏极、开关管Q2的漏极电连接,开关管Q2的源极与电容Cr的负端、变压器W2的副边绕阻S1的同名端电连接,电容Cr的正端与开关管Q4的漏极电连接,开关管Q1的源极、开关管Q4的源极和变压器W2的副边绕阻S1的异名端分别与输入电压Vin的负端电连接;变压器W1的副边绕组S1的同名端与电感L1的一端、电感L3的一端、变压器W2原边绕阻P1的异名端电连接,变压器W1的副边绕组S1的异名端与电感L1的另一端、电感L2的一端电连接,电感L2的另一端与电感L3的另一端、变压器W2的原边绕阻P1的同名端电连接;变压器W2的副边绕组S2的同名端与电容Co的正端电连接,电容Co的负端与开关管Q3的源极电连接,开关管Q3的漏极与变压器W2的副边绕组S2的异名端电连接,负载电阻R1并联在电容Co两端。
在忽略死区的情况下,开关管Q1和开关管Q4驱动相同,开关管Q2和开关管Q3驱动相同,开关管Q1的驱动与开关管Q2的驱动互补。实际应用中,开关过程时间不为0,若在各开关的通断之间不添加死区,会引起的电压或电流尖峰。
为了避免电压电流尖峰,在开关管Q1开通过程中,各开关管的驱动时序如图2,g1~g4分别代表Q1~Q4的驱动。这样设置死区的原因如下:若开关管Q2在开关管Q1开通前关断,则输入电流会给开关管Q2的漏源电容充电,使得开关管Q2会产生电压尖峰,因此,开关管Q2需要在开关管Q1开通后才关断;若开关管Q1、开关管Q2和开关管Q3同时导通,则会导致输出电容Co被短路,出现电流尖峰,为了避免输出电容Co短路,开关管Q3需要在开关管Q1导通前关断;若开关管Q1、开关管Q2、开关管Q4同时导通,则会造成电容Cr短路,为了避免电容Cr短路,开关管Q4需要在开关管Q2关断后导通。
在开关管Q1关断过程中,各开关管的驱动时序如图3。这样设置死区的原因如下:若开关管Q2在开关管Q1关断后导通,则输入电流会给开关管Q2的漏源电容充电,使得开关管Q2会产生电压尖峰,因此,开关管Q2需要在开关管Q1关断前导通;若开关管Q1、开关管Q2和开关管Q3同时导通,则会导致输出电容Co被短路,出现电流尖峰,为了避免输出电容Co短路,开关管Q3需要在开关管Q1关断后导通;若开关管Q1、开关管Q2、开关管Q4同时导通,则会造成电容Cr短路,为了避免电容Cr短路,开关管Q4需要在开关管Q2导通前关断。
添加上述死区后,开关管Q1和开关管Q4驱动近似相同,开关管Q2和开关管Q3驱动近似相同,开关管Q1的驱动与开关管Q2的驱动近似互补。
下面结合具体的例子说明工作过程。功率级参数如下:输入电压为12V,输出电阻为10Ω,Q1占空比为50%,电感L1为2uH,电感L2为2uH,电感L3为6uH,各变压器的匝比为1,电容Cr为2.2uF,电容Co为100uF,各驱动之间的死区为10ns,开关频率300kHz。该变换器的工作过程的稳态电流工作曲线如图4,其中g1代表开关管Q1的驱动,电感电流的正方向为流进原理图中电感上的圆圈的方向,IL1代表电感L1的电流,IL2代表电感L2的电流,IL3代表电感L3的电流。在电路稳态工作时,根据各电感的伏秒平衡关系可知,
第一阶段:g1高电平,开关管Q1导通。电感L1的电流上升,电感L2的电流也上升,电感L1和电感L2的电流上升速相同,因此电感L1和电感L2的电流的差相同。由于变压器W1的匝比为1,根据电路图可知,变换器的输入电流等于电感L1的电流减去电感L2的电流,由于两电流的差保持不变,因此输入电流不变;
第二阶段:g1低电平,开关管Q1截止。电感L1的电流下降,电感L2的电流也下降,电感L1和电感L2的电流下降速相同,变换器的输入电流等于电感L1的电流减去电感L2的电流,因此输入电流不变。
由于变换器在以上两大阶段都保持电流不变,因此,整个过程都能实现零纹波输入。
由于非互补工作模式的伏秒平衡表达式与互补工作模式不同,因此,上面的输出电压的表达式不适用于非互补工作模式。
第二实施例
图2为本发明第二实施例原理图,本实施例与第一实施例的不同之处在于:输入电压Vin的正端与变压器W1的原边绕组P1的同名端电连接,变压器W1的原边绕组P1的异名端与开关管Q1的漏极、开关管Q2的漏极电连接,开关管Q2的源极与变压器W2的副边绕阻S1的同名端电连接,开关管Q1的源极和变压器W2的副边绕阻S1的异名端分别与输入电压Vin的负端电连接;变压器W2的副边绕组S2的同名端与电容Cr的负端、电容Co的正端电连接,电容Co的负端与开关管Q3的源极电连接,开关管Q3的漏极和开关管Q4的源极与变压器W2的副边绕组S2的异名端电连接,开关管Q4的漏极与电容Cr的正端电连接,负载电阻R1并联在电容Co两端。
第二实施例与第一实施例相比,开关管Q4和电容Cr连接在变压器W2的副边绕阻S2的两端,当输出电压为低压时,开关管Q4和电容Cr可以选择耐压更低的器件。在实际应用中,可以根据具体电路的电压电流来选择采用方案一或方案二。第二实施例的工作原理与第一实施例相同,这里不再赘述。
以上仅是本发明优选的实施方式,本发明所属领域的技术人员还可以对上述具体实施方式进行变更和修改。因此,本发明并不局限于上面揭示和描述的具体控制方式,对本发明的一些修改和变更也应当落入本发明的权利要求的保护范围内。此外,尽管本说明书中使用了一些特定的术语,但这些术语只是为了方便说明,并不对本发明构成任何限制。
Claims (4)
1.一种隔离型输入零纹波开关变换器,其特征在于:包括输入端正、输入端负、变压器W1、变压器W2、电感L1~L3、开关管Q1~Q4、电容Cr、电容Co、输出端正和输出端负;
输入端正与变压器W1的原边绕组P1的同名端电连接,变压器W1的副边绕组S1的异名端与开关管Q1的漏极、开关管Q2的漏极电连接,开关管Q2的源极与电容Cr的负端、变压器W2的副边绕阻S1的同名端电连接,电容Cr的正端与开关管Q4的漏极电连接,开关管Q1的源极、开关管Q4的源极和变压器W2的副边绕阻S1的异名端分别与输入端负电连接;变压器W1的副边绕组S1的同名端与电感L1的一端、电感L3的一端、变压器W2原边绕阻P1的异名端电连接,变压器W1的副边绕组S1的异名端与电感L1的另一端、电感L2的一端电连接,电感L2的另一端与电感L3的另一端、变压器W2的原边绕阻P1的同名端电连接;变压器W2的副边绕组S2的同名端与电容Co的正端电连接作为输出端正,电容Co的负端与开关管Q3的源极电连接作为输出端负,开关管Q3的漏极与变压器W2的副边绕组S2的异名端电连接。
2.一种隔离型输入零纹波开关变换器,其特征在于:包括输入端正、输入端负、变压器W1、变压器W2、电感L1~L3、开关管Q1~Q4、电容Cr、电容Co、输出端正、输出端负;
输入端正与变压器W1的原边绕组P1的同名端电连接,变压器W1的原边绕组P1的异名端与开关管Q1的漏极、开关管Q2的漏极电连接,开关管Q2的源极与变压器W2的副边绕阻S1的同名端电连接,开关管Q1的源极和变压器W2的副边绕阻S1的异名端分别与输入端负电连接;变压器W1的副边绕组S1的同名端与电感L1的一端、电感L3的一端、变压器W2原边绕阻P1的异名端电连接,变压器W1的副边绕组S1的异名端与电感L1的另一端、电感L2的一端电连接,电感L2的另一端与电感L3的另一端、变压器W2的原边绕阻P1的同名端电连接;变压器W2的副边绕组S2的同名端与电容Cr的负端、电容Co的正端电连接作为输出端正,电容Co的负端与开关管Q3的源极电连接作为输出端负,开关管Q3的漏极和开关管Q4的源极与变压器W2的副边绕组S2的异名端电连接,开关管Q4的漏极与电容Cr的正端电连接。
3.根据权利要求1或2所述的隔离型输入零纹波开关变换器,其特征在于:变压器W1、电感L1~L3、变压器W2都集成到一个磁性器件上。
4.根据权利要求1或2所述的隔离型输入零纹波开关变换器,其特征在于:开关管Q1~Q4采用栅极驱动,开关管Q1跟开关管Q4的驱动频率相同但是两者的导通时间存在一段死区延时,开关管Q2跟开关管Q3的驱动频率相同但是两者的导通时间存在一段死区延时,开关管Q1跟开关管Q3之间存在死区互补,开关管Q2跟开关管Q4之间存在死区互补。
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