CN111180178A

CN111180178A - 一种磁保持装置及方法

Info

Publication number: CN111180178A
Application number: CN202010055997.6A
Authority: CN
Inventors: 王德斌; 王康
Original assignee: Xingtai Zizhong Electronic Technology Co ltd
Current assignee: Xingtai Zizhong Electronic Technology Co ltd
Priority date: 2020-01-16
Filing date: 2020-01-16
Publication date: 2020-05-19

Abstract

本发明公开了一种磁保持装置及方法，在主变压器的磁性材料上面，另外增加一个独立绕组。该绕组的两端通过一个全桥整流电路后，与一个MOS管连接。在控制电路中按照以下方式来控制该MOS管的通断：在全桥电路对角桥臂开关管都导通时，该MOS管保持关闭状态，独立绕组中没有电流流过；在全桥电路对角桥臂开关管关闭的瞬间打开该MOS管，确保磁芯的初级线圈中没有电流流过时，该MOS管保持导通状态，独立绕组中有电流流过。在常规的全桥电路中，在每半个工作周期中，磁芯的磁通密度变化量是ΔB＝Bm+Br。在本发明的具备磁保持功能的全桥电路中，磁芯的磁通密度变化量是ΔB＝2Bm。该方法可以大幅提高主变压器磁性材料的利用效率。

Description

一种磁保持装置及方法

技术领域

本发明涉及电力电子领域，具体来说，在各种开关电源或使用电力电子技术进行电能传输或变换的装置中，使用了磁性材料做变压器的电路中，涉及一种磁保持装置及方法。

背景技术

在各种开关电源或使用电力电子技术进行电能传输或变换的装置中，大量地使用了磁性材料作为变压器的主要部件。然而，如何高效使用磁性材料，一直是这个领域的一大技术难题。我们知道，在大功率开关电源中，普遍使用全桥电路，而不是单端电路，主要原因之一就是全桥电路中主变压器磁芯是双向励磁，而单端电路中主变压器磁芯是单向励磁，同样的磁性材料在全桥电路中的利用效率远远大于在单端电路中的利用效率。具体说来，假如开关电源工作时，每个周期中主变压器磁芯在电流最大时对应的磁通密度是Bm,在电流等于零时对应的磁通密度是Br(剩磁)，那么在开关电源工作的半个周期中，单端电路对应的磁通密度变化量是ΔB＝Bm–Br，全桥电路对应的磁通密度变化量是ΔB＝Bm+Br。由此可见，相对于单端电路，全桥电路中主变压器磁性材料的利用效率是非常高的。这种效率提高所带来的直接效益就是：在同样的输出功率条件下，可以选用更小体积和更小质量的磁性材料；如果选用同样体积的磁性材料，则可以减少磁芯上绕制的初级和次级线圈的匝数，从而减少铜线的使用量和人工费用，提升经济效益和社会效益。

那么，在全桥电路中，能否进一步大幅提高主变压器磁芯材料的利用效率呢？针对这一技术问题，目前尚未提出有效的解决方案。

发明内容

针对相关技术中的问题，本发明在正确地分析了全桥电路中主变压器磁性材料工作机制后，创造性地提出了一种磁保持装置及方法，从而可以大幅提高主变压器磁性材料的利用效率。

在主变压器的磁性材料上面，除了正常地绕制变压器初级线圈和次级线圈外，另外再增加一个独立的绕组，该绕组可以是单圈或两圈，我们称之为磁保持绕组。该绕组的两端通过一个全桥整流电路后，把线圈中感应的交流电整流成直流电，然后把直流电的正极与一个MOS管的D极连接，把直流电的负极与该MOS管的S极连接。我们将该MOS管称之为磁保持开关管。在控制电路中按照以下方式来控制该MOS管的通断：在主电路的全桥电路对角桥臂开关管都导通时，磁芯的初级线圈中有电流流过，磁保持开关管保持关闭状态，磁保持绕组中没有电流流过；在全桥电路对角桥臂至少有一个开关管关闭的瞬间打开磁保持开关管，确保磁芯的初级线圈中没有电流流过时，磁保持开关管保持导通状态，磁保持绕组中有电流流过。由此可以看出，磁保持绕组不会影响变压器把电能从初级绕组传送到次级绕组，仅仅在变压器不进行能量传送时起到一个磁保持的作用。具体说来，在常规的全桥电路中，磁芯的工作状态是这样的：在每半个工作周期中，磁芯的磁化从-Br到+Bm(或者从+Br到-Bm)，在变压器初级和次级电流都等于零时，磁芯的磁通密度从+Bm回到+Br(或者从-Bm回到-Br)，也就是说，在每半个工作周期中，磁芯的磁通密度变化量是ΔB＝Bm+Br。在本发明的具备磁保持功能的全桥电路中，磁芯的工作状态是这样的：在每半个工作周期中，磁芯的磁化从-Bm到+Bm(或者从+Bm到-Bm)，在变压器初级和次级电流都等于零时，由于磁保持绕组两端连线的磁保持开关管保持导通状态，磁保持绕组中始终有电流流过，因此，磁芯的磁通密度仍然保持在+Bm(或者-Bm)，也就是说，在每半个工作周期中，磁芯的磁通密度变化量是ΔB＝2Bm；Bm是变压器初级线圈流过最大电流时对应的磁通密度。

在常用的纳米晶磁性材料或铁氧体磁性材料中，Bs(饱和磁通密度)是Br的2到5倍左右，在正常工作中，如果取Bm＝2Br,磁性材料的利用率最低可以提升33％.

本发明的技术方案是这样实现的：

根据本发明的一个方面，提供了一种磁保持电路，该电路由磁保持绕组和控制电路组成。

进一步的，在全桥电路的主变压器的磁性材料上面，除了正常地绕制变压器初级线圈和次级线圈外，另外再增加一个独立的绕组，该绕组可以是单圈或两圈，我们称之为磁保持绕组。

根据本发明的另一个方面，提供了一个控制电路，该电路根据磁芯的工作状态，确保磁保持绕组按照预设的要求短路或开路。磁保持绕组的一端(称之为A端)与高频二极管D1的负极，D2的正极相连接，磁保持绕组的另一端(称之为B端)与高频二极管D4的负极，D3的正极相连接，D1的正极与D4的正极相连接，然后与电阻R2的一端相连接，电阻R2的另一端与场效应管Q1的S极和电阻R1的一端连接，电阻R1的另一端与场效应管Q1的G极连接，场效应管Q1的D极与高频二极管D2，D3的负极相连接。

本发明提供的一种磁保持装置及方法，其工作原理包括以下步骤：磁保持绕组的两端通过一个全桥整流电路后，把线圈中感应的交流电整流成直流电，然后把直流电的正极与MOS管Q1的D极连接，把直流电的负极通过一个电阻R2后与该MOS管的S极连接。在控制电路中按照以下方式来控制该MOS管的通断：在全桥电路对角桥臂开关管都导通时，磁芯的初级线圈中有电流流过，磁保持开关管保持关闭状态，磁保持绕组中没有电流流过；在全桥电路对角桥臂至少有一个开关管关闭的瞬间打开磁保持开关管，确保磁芯的初级线圈中没有电流流过时，磁保持开关管保持导通状态，磁保持绕组中有电流流过。由此可以看出，磁保持绕组不会影响变压器把电能从初级绕组传送到次级绕组，仅仅在变压器不进行能量传送时起到一个磁保持的作用，使得磁芯在初级没有电流流过时磁芯仍然保持在最大磁化状态±Bm附近，不会退回到±Br。

本发明的有益效果为：

通过在全桥电路主变压器的磁性材料上面，另外增加一个独立的磁保持绕组，使得变压器磁芯的利用效率大为上升，降低了开关电源的材料成本和人工成本，该电路可以用在任何一个全桥电路中，因此，应用领域极其广泛。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一个实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这个附图获得其他的附图。

图1是根据本发明实施例的一种磁保持装置及方法的控制电路，该电路用来控制磁保持绕组电流的通断。

具体实施方式

为进一步说明该实施例，本发明提供有附图，该附图为本发明揭露内容的一部分，其主要用以说明实施例，并可配合说明书的相关描述来解释实施例的运作原理，配合参考这些内容，本领域普通技术人员应能理解其它可能的实施方式以及本发明的优点，类似的组件符号通常用来表示类似的组件。

根据本发明的实施例，提供了一种磁保持电路，该电路由磁保持绕组和控制电路组成。

磁保持绕组的两端通过一个全桥整流电路后，把线圈中感应的交流电整流成直流电，然后把直流电的正极与MOS管Q1的D极连接，把直流电的负极通过一个电阻R2后与该MOS管的S极连接。我们将该MOS管称之为磁保持开关管。在控制电路中按照以下方式来控制该MOS管的通断：在全桥电路对角桥臂开关管都导通时，磁芯的初级线圈中有电流流过，磁保持开关管保持关闭状态，磁保持绕组中没有电流流过；在全桥电路对角桥臂至少有一个开关管关闭的瞬间打开磁保持开关管，确保磁芯的初级线圈中没有电流流过时，磁保持开关管保持导通状态，磁保持绕组中有电流流过。由此可以看出，磁保持绕组不会影响变压器把电能从初级绕组传送到次级绕组，仅仅在变压器不进行能量传送时起到一个磁保持的作用，使得磁芯在初级没有电流流过时磁芯仍然保持在最大磁化状态±Bm附近，不会退回到±Br。

综上所述，借助于本发明的上述技术方案，通过在全桥电路的主变压器的磁性材料上面，另外增加一个独立的磁保持绕组，使得变压器磁芯的利用效率大为上升，降低了开关电源的材料成本和人工成本，该电路可以用在任何一个全桥电路中，因此，应用领域极其广泛。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，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。

Claims

1.一种磁保持装置及方法，其特征在于，在主变压器的磁性材料上面，除了正常地绕制变压器初级线圈和次级线圈外，另外再增加一个独立的绕组，该绕组可以是单圈或两圈，称之为磁保持绕组。

2.根据权利要求1所述的一种磁保持装置及方法，其特征在于，磁保持绕组的两端通过一个全桥整流电路后，把线圈中感应的交流电整流成直流电，然后把直流电的正极与一个MOS管的D极连接，把直流电的负极与该MOS管的S极连接。我们将该MOS管称之为磁保持开关管。在控制电路中按照以下方式来控制该MOS管的通断：在主电路的全桥电路对角桥臂开关管都导通时，磁芯的初级线圈中有电流流过，磁保持开关管保持关闭状态，磁保持绕组中没有电流流过；在全桥电路对角桥臂至少有一个开关管关闭的瞬间打开磁保持开关管，确保磁芯的初级线圈中没有电流流过时，磁保持开关管保持导通状态，磁保持绕组中有电流流过。

3.根据权利要求2所述的一种磁保持装置及方法，其特征在于，磁保持绕组不会影响变压器把电能从初级绕组传送到次级绕组，仅仅在变压器不进行能量传送时起到一个磁保持的作用。具体说来，在常规的全桥电路中，磁芯的工作状态是这样的：在每半个工作周期中，磁芯的磁化从-Br到+Bm(或者从+Br到-Bm)，在变压器初级和次级电流都等于零时，磁芯的磁通密度从+Bm回到+Br(或者从-Bm回到-Br)，也就是说，在每半个工作周期中，磁芯的磁通密度变化量是ΔB＝Bm+Br。在本发明的具备磁保持功能的全桥电路中，磁芯的工作状态是这样的：在每半个工作周期中，磁芯的磁化从-Bm到+Bm(或者从+Bm到-Bm)，在变压器初级和次级电流都等于零时，由于磁保持绕组两端连线的磁保持开关管保持导通状态，磁保持绕组中始终有电流流过，因此，磁芯的磁通密度仍然保持在+Bm(或者-Bm)，也就是说，在每半个工作周期中，磁芯的磁通密度变化量是ΔB＝2Bm；Bm是变压器初级线圈流过最大电流时对应的磁通密度。