CN112202325A - 一种单开关管有源吸收电路 - Google Patents
一种单开关管有源吸收电路 Download PDFInfo
- Publication number
- CN112202325A CN112202325A CN202011086432.0A CN202011086432A CN112202325A CN 112202325 A CN112202325 A CN 112202325A CN 202011086432 A CN202011086432 A CN 202011086432A CN 112202325 A CN112202325 A CN 112202325A
- Authority
- CN
- China
- Prior art keywords
- circuit
- current
- switch tube
- absorption circuit
- diode
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Pending
Links
- 238000010521 absorption reaction Methods 0.000 title claims abstract description 70
- 238000005070 sampling Methods 0.000 claims abstract description 15
- 238000002347 injection Methods 0.000 claims abstract description 14
- 239000007924 injection Substances 0.000 claims abstract description 14
- 230000035882 stress Effects 0.000 description 17
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 10
- 239000003990 capacitor Substances 0.000 description 9
- 238000000034 method Methods 0.000 description 4
- 230000000694 effects Effects 0.000 description 3
- 239000008186 active pharmaceutical agent Substances 0.000 description 2
- 230000005684 electric field Effects 0.000 description 2
- 238000010438 heat treatment Methods 0.000 description 2
- 230000000087 stabilizing effect Effects 0.000 description 2
- 230000008646 thermal stress Effects 0.000 description 2
- 230000009286 beneficial effect Effects 0.000 description 1
- 230000000903 blocking effect Effects 0.000 description 1
- 230000007423 decrease Effects 0.000 description 1
- 230000007547 defect Effects 0.000 description 1
- 230000007812 deficiency Effects 0.000 description 1
- 238000001514 detection method Methods 0.000 description 1
- 238000004146 energy storage Methods 0.000 description 1
- 230000006872 improvement Effects 0.000 description 1
- 238000012986 modification Methods 0.000 description 1
- 230000004048 modification Effects 0.000 description 1
- 230000008569 process Effects 0.000 description 1
- 230000004044 response Effects 0.000 description 1
- 230000001020 rhythmical effect Effects 0.000 description 1
- 230000000630 rising effect Effects 0.000 description 1
Images
Classifications
-
- H—ELECTRICITY
- H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
- H02M—APPARATUS FOR CONVERSION BETWEEN AC AND AC, BETWEEN AC AND DC, OR BETWEEN DC AND DC, AND FOR USE WITH MAINS OR SIMILAR POWER SUPPLY SYSTEMS; CONVERSION OF DC OR AC INPUT POWER INTO SURGE OUTPUT POWER; CONTROL OR REGULATION THEREOF
- H02M1/00—Details of apparatus for conversion
- H02M1/32—Means for protecting converters other than automatic disconnection
- H02M1/34—Snubber circuits
-
- H—ELECTRICITY
- H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
- H02M—APPARATUS FOR CONVERSION BETWEEN AC AND AC, BETWEEN AC AND DC, OR BETWEEN DC AND DC, AND FOR USE WITH MAINS OR SIMILAR POWER SUPPLY SYSTEMS; CONVERSION OF DC OR AC INPUT POWER INTO SURGE OUTPUT POWER; CONTROL OR REGULATION THEREOF
- H02M1/00—Details of apparatus for conversion
- H02M1/32—Means for protecting converters other than automatic disconnection
- H02M1/34—Snubber circuits
- H02M1/342—Active non-dissipative snubbers
-
- Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
- Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
- Y02B—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES RELATED TO BUILDINGS, e.g. HOUSING, HOUSE APPLIANCES OR RELATED END-USER APPLICATIONS
- Y02B70/00—Technologies for an efficient end-user side electric power management and consumption
- Y02B70/10—Technologies improving the efficiency by using switched-mode power supplies [SMPS], i.e. efficient power electronics conversion e.g. power factor correction or reduction of losses in power supplies or efficient standby modes
Landscapes
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Power Engineering (AREA)
- Dc-Dc Converters (AREA)
Abstract
本发明提供一种单开关管有源吸收电路，包括电感（L1），电流注入变压器（T1），输出二极管（D1），主开关管（M1），电流采样电阻（R1），加法放大器（U1），滞环比较器（U2）、取小电路（U3）和驱动电路（U4），电流采样电阻（R1）和电流注入变压器(T1)分别用来对主功率开关管(M1)和输出二极管(D1)支路中的电流进行检测，加法放大器(U1)用来对主功率开关管支路的电流及输出二极管(D1)中的电流进行加和操作。本发明的有源吸收电路，将Boost电路开关管上的电流峰值限制在合理的水平，减小了主功率开关管上的电流应力，提高了可靠性，同时开关变换器的功率密度和效率实现了提升，将Boost电路电感中所储存的磁场能有节奏地释放到母线和负载中。
Description
技术领域
本发明涉及电力电子技术领域，特别是涉及一种有源吸收电路。
背景技术
在电力电子领域中广泛采用各种吸收电路，如RC型吸收电路，RCD型吸收电路以及各种无损吸收电路，这些吸收电路的主要问题是：无法兼顾开关电路中开关管及输出二极管上的电压及电流应力，或者在减小开关管两端电压应力的同时加重了分流支路开关管上的电流应力。
常见的吸收电路主要分为有源吸收电路及无源吸收电路两种：有源是指通过对辅助三极管或MOSFET的控制，减小主功率MOSFET上的电压和电流应力，通常情况下，有源吸收电路需要额外的三极管或MOSFET，因而也需要额外的电压源；无源是指不需要额外的三极管或MOSFET，只需要电阻、电容、电感、变压器及二极管等无源器件，通过MOSFET开通或关断瞬间，由无源器件构造有损或无损电流通路，对电流进行耗散或导流，无源吸收电路进一步分为有损吸收电路及无损吸收电路。
因此，有必要开发一种新型的有源吸收电路，解决现有技术的不足。
发明内容
为了克服现有的有源吸收电路的不足，本发明提出一种单开关管的有源吸收电路，技术方案如下：
一种单开关管有源吸收电路，包括电感（L1），电流注入变压器（T1），输出二极管（D1），主开关管（M1），电流采样电阻（R1），加法放大器（U1），滞环比较器（U2）、取小电路（U3）和驱动电路（U4），所述电流采样电阻（R1）和电流注入变压器(T1)分别用来对主功率开关管(M1)和输出二极管(D1)支路中的电流进行检测，加法放大器(U1)用来对主功率开关管M1支路的电流及输出二极管(D1)中的电流进行加和操作。
进一步的，所述加法放大器(U1)进一步连接稳压二极管（ZD1）。
进一步的，所述滞环比较器（U2）进一步连接稳压二极管（ZD2）。
进一步的，所述加法放大器可以由二极管和三极管替换。
进一步的，所述滞环比较器可以由二极管和三极管替换。
进一步的，所述取小电路及驱动电路可以由二极管和三极管替换。
采用本发明的单开关管有源吸收电路，有益效果如下：
1. 采用单开关管及电流采样电阻及相关电路构成的峰值电流采样及限流电路，电流注入变压器等构成有源吸收电路，可以以极快的速度（例如0.4uS以内），将Boost电路开关管上的电流峰值限制在合理的水平，减小了主功率开关管上的电流应力，提高了可靠性，同时开关变换器的功率密度实现了有效提升；
2. 单开关管有源吸收电路，将Boost电路电感中所储存的磁场能有节奏地释放到母线和负载中，实现变换器效率的有效提升。
附图说明
图1：现有技术的无源有损型RC吸收电路示意图。
图2：现有技术的无源有损型RCD型吸收电路示意图。
图3：现有技术的无源无损型吸收电路示意图。
图4：现有技术的有源吸收电路示意图。
图5：本发明的单开关管有源吸收电路原理图。
图6：本发明的单开关管有源吸收电路工作原理图。
具体实施方式
下面将详细参考本发明的优选实施例，其示例在附图中示出，虽然将结合优选实施例描述本发明，但是本领域技术人员应该理解，这些实施例并不是将本发明限制于这些实施例，相反，本发明旨在覆盖可包括在由所附权利要求限定的本发明的精神和范围内的替代、修改和等同物。此外，在本发明的以下详细描述中，阐述了许多具体细节以便提供对本发明的透彻理解，然而，对于本领域技术人员来说显而易见的是，可以在没有这些具体细节的情况下实施本发明。
开关电源中常见的吸收电路主要有以下几种：
第一种为RC型无源吸收电路，如图1所示现有技术的无源有损型RC吸收电路示意图，常用的无源有损型RC吸收电路通常连接在开关电源中开关管M11的两端，或电感L11的两端，用来对主开关管M11两端或电感L11两端的电压突变进行吸收，RC型吸收电路比较简单，但存在Boost电路主开关管吸收效果有限，电阻发热严重的问题。
第二种为RCD型无源吸收电路，图2为现有技术的无源有损型RCD型吸收电路示意图，RCD型吸收电路有两种：并联于分流支路开关管两端的电压上升速率限制RCD吸收电路，以及并联于限流电感两端的箝位吸收电路，将电阻R21及电容C21并联后再与二极管D21并联在电感L21的两端，或者将电阻R22及二极管D23并联后再与电容C22并联在开关管M21两端。与图1所示的RC型吸收电路相比，图2所示的RCD型吸收电路对主开关管两端的电压应力可实现更好的控制，但电阻的发热仍较严重。
第三种为常用无源无损型吸收电路，常用的无源无损型吸收电路如图3所示，当主开关管M31关断时，电感L31通过电容C31和二极管D31续流，将限流电感中的磁场能转换为电容C31中的电场能，当M31再次导通时，电容C31中的电场能通过M31t，电感L32及二极管D32释放，该吸收电路对主开关管M31两端电压应力控制的效果较好，但该吸收电路存在的主要问题是：主开关管M31导通时，电容C31将通过M31的DS极放电，因此该方法在解决主开关管M31电压应力的同时，加重了主开关管M31的DS两极之间所流过电流的应力。
第四种为有源吸收电路，常用的有源吸收电路如图4所示，在主开关管M41打开前的瞬间，辅助开关管M42导通，从而将主开关管M41的导通损耗减小到0，电感L42，电感L43，二极管D42及二极管D43构成续流通路，主功率开关管M41关断时，电感L41通过续流通路续流，从而减小主功率开关管上的电压应力，常用有源吸收电路所存在的问题是：
（1）虽然主开关管M41导通时的开关损耗为0，但辅助开关管M42仍有开关及导通损耗；
（2）增加了一个辅助开关管M42，同时该辅助开关管M42需增加相应的低边/高边驱动电路，电路的复杂性增加，可靠性降低；
（3）辅开关管支路仍需增加必要的吸收（Snubber）器件，如图4中的二极管D41，二极管D42，二极管D43，电感L42，电感L43和电容C41等，导致电路的复杂性进一步增加。
有源吸收电路的以上问题，导致其只是在轻载到中载的范围内，能够起到提高效率，减小元器件应力的作用，当负载较重时，有源吸收电路能起到的作用非常有限，其电路效果不如设计良好的无源吸收电路。
因此，有必要研究不采用辅助开关管，只采用单只主开关管的吸收电路，并辅之以两个支路的电流检测及电流滞环控制电路，在主功率开关管MOSFET开通的瞬间，通过有限次的开关动作，将Boost电路电感中的能量有节奏地释放到母线或负载上。
请参考图5本发明的单开关管有源吸收电路原理图，本发明采用单开关管的有源吸收电路实现，其目的是通过该有源吸收电路，控制主功率开关管M1中的电压，电流应力，减小主功率开关管M1中的热耗，实现开关变换器的效率和可靠性的提升，为达到以上目的，电路主要由电感L1，电流注入变压器T1，输出二极管D1，主开关管M1，电流采样电阻R1，加法放大器U1，滞环比较器U2、取小电路U3和驱动电路U4组成，电流采样电阻R1和电流注入变压器T1分别用来对主功率开关管M1和输出二极管D1支路中的电流进行检测，加法放大器U1用来对主功率开关管M1支路的电流及输出二极管D1中的电流进行加和操作，图中稳压二极管ZD1作为放大器的基准电压，稳压二极管ZD2作为比较器的基准电压，Din是来自控制电路的占空比输入，Cb是回线电流。
本发明主要采用“疏”而非“堵”或“耗”的方法，将功率输入端口输入的大部分能量释放到母线上，从而达到减小功率电路中开关管上的电压、电流应力及热应力，提高可靠性的目的。
进一步参考图6本发明的单开关管有源吸收电路工作原理图，电路的工作过程分为以下几个阶段：
（1）t1-t2阶段：t1时刻，当控制电路占空比输入Din变为高电平时，取小电路U3输出高电平，经驱动电路U4后驱动主开关管M1导通，此时流经电流采样电阻R1的电流线性增长，当回线电流到达A点时，电流采样电阻R1中的电流超过滞环比较器U2的电流上限，此时加法放大器U1输出高电平，滞环比较器U2输出低电平，取小电路U3输出低电平，驱动电路U4关断主开关管M1，因为电路中各元器件存在延迟，回线电流Cb继续上冲，直到t2时刻。
（2）t2-t3阶段：t2时刻，滞环比较器U2和取小电路U3输出低电平，驱动电路U4驱动主开关管M1关断，回线电流Cb线性减小，当回线电流Cb到达B点时，电流采样电阻R1中的电流达到滞环比较器U2的电流下限，此时加法放大器U1输出低电平，滞环比较器U2和取小电路U3输出高电平，驱动电路U4驱开主开关管M1。同样，因为电路中各元器件存在延迟，回线电流Cb继续回落，直到t3时刻。
（3）t3-t4阶段：主开关管M1第二次导通阶段。
（4）t4-t5阶段：主开关管M1第二次关断阶段。
（5）t5-t6阶段：主开关管M1第三次导通阶段。
（6）t6-t7阶段：主开关管M1第三次关断阶段。
（7）t7-t8阶段：此时流过电流采样电阻R1中的电流已不足以触发主开关管M1再次关断，因此主开关管M1处于导通状态。
（8）t8~t9阶段：此时来自控制电路的占空比Din输出低电平，主开关管M1关断。
本发明的单开关管有源吸收电路主要通过以下几个方面减小主功率开关管M1中的电流应力和热应力：
（1）通过快速响应的滞环比较器电路，可将主开关管M1中的电流峰值限定在预设电流值以下，从而减小主开关管M1中的电流应力；
（2）在t2~t3阶段或t4~t5阶段或t6~t7阶段，当主开关管M1断开后，Boost电感续流，将能量通过电流注入变压器T1及输出二极管D1释放到母线和负载中，一方面，因为主开关管M1断开，减小了主开关管M1中的电流应力；另一方面，电流的续流行为将电感中的磁场能释放到母线和负载中，提高了开关变换器的效率。
（3）在t2~t3或t4~t5阶段或t6~t7阶段，当主开关管M1断开后，电流通过电流注入变压器T1注入到加法放大器U1中，电流注入变压器T1所输出的信号与电流采样电阻R1的输出信号相同，当电流注入变压器T1输出的电流信号较大时，加法放大器U1输出高电平，滞环比较器U2输出低电平，取小电路U3输出低电平，驱动电路U4使主开关管M1保持关断。因此，电流注入变压器T1主要控制t2~t3阶段的时间宽度，使主开关管M1不会发生反复的震荡，从而将主开关管M1的热耗控制在合理的水平。
通过对电路的参数包括滞环电平、开关次数等进行合理设计，可以使本发明单开关管有源吸收电路的热耗有效降低，提高可靠性。
本专利主要对不增加辅助开关管的单开关管有源吸收电路进行阐述，通过主开关管的多次开关，将电感、电容等储能元器件中的能量有节奏地释放到母线上或负载中，与普通的无源吸收电路相比，本专利采用有源设计，对主开关管的开通和关断进行有节奏地控制，属于开通型有源吸收电路。
与普通的有源吸收电路相比，本专利无需增加辅助开关管，只采用单只主开关管即可控制电路中能量的高效传导，实现效率、可靠性和功率密度的提高。
本领域技术人员可以理解的是，本发明不仅局限于图5中所描述的限流电路，还可延伸至以下三种情况：
1. 采用二极管、三极管电路实现图5中的加法放大器、滞环比较器、取小电路及驱动电路；
2. 在电路中增加无源吸收电路，对各器件上的应力进行控制；
3. 采用各种Boost电路的变种电路，如交叠Boost，多相Boost拓扑等Boost拓扑，或Buck电路，Buck-Boost拓扑及这些拓扑的变种拓扑，在这些拓扑中实现单开关管吸收电路，同样属于本专利的保护范围。
Claims (6)
1.一种单开关管有源吸收电路，其特征在于，包括电感（L1），电流注入变压器（T1），输出二极管（D1），主开关管（M1），电流采样电阻（R1），加法放大器（U1），滞环比较器（U2）、取小电路（U3）和驱动电路（U4），所述电流采样电阻（R1）和电流注入变压器(T1)分别用来对主功率开关管(M1)和输出二极管(D1)支路中的电流进行检测，加法放大器(U1)用来对主功率开关管M1支路的电流及输出二极管(D1)中的电流进行加和操作。
2.如权利要求1所述的单开关管有源吸收电路，其特征在于，所述加法放大器(U1)进一步连接稳压二极管（ZD1）。
3.如权利要求1所述的单开关管有源吸收电路，其特征在于，所述滞环比较器（U2）进一步连接稳压二极管（ZD2）。
4.如权利要求1所述的单开关管有源吸收电路，其特征在于，所述加法放大器可以由二极管和三极管替换。
5.如权利要求1所述的单开关管有源吸收电路，其特征在于，所述滞环比较器可以由二极管和三极管替换。
6.如权利要求1所述的单开关管有源吸收电路，其特征在于，所述取小电路及驱动电路可以由二极管和三极管替换。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN202011086432.0A CN112202325A (zh) | 2020-10-12 | 2020-10-12 | 一种单开关管有源吸收电路 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN202011086432.0A CN112202325A (zh) | 2020-10-12 | 2020-10-12 | 一种单开关管有源吸收电路 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| CN112202325A true CN112202325A (zh) | 2021-01-08 |
Family
ID=74008630
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| CN202011086432.0A Pending CN112202325A (zh) | 2020-10-12 | 2020-10-12 | 一种单开关管有源吸收电路 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| CN (1) | CN112202325A (zh) |
Citations (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN103384432A (zh) * | 2012-05-02 | 2013-11-06 | 快捷韩国半导体有限公司 | Led驱动器ic、其驱动方法以及使用led驱动器ic的led发光装置ic和驱动方法 |
| CN104362672A (zh) * | 2014-10-27 | 2015-02-18 | 国家电网公司 | 一种风力发电系统 |
| US20190124735A1 (en) * | 2016-06-22 | 2019-04-25 | China Resources Powtech (Shanghai) Co., Ltd. | Single-segment linear constant-power led driving circuit and method |
| CN110927418A (zh) * | 2019-12-12 | 2020-03-27 | 深圳市航天新源科技有限公司 | 一种基于开关限流原理的分流器电路及其系统 |
-
2020
- 2020-10-12 CN CN202011086432.0A patent/CN112202325A/zh active Pending
Patent Citations (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN103384432A (zh) * | 2012-05-02 | 2013-11-06 | 快捷韩国半导体有限公司 | Led驱动器ic、其驱动方法以及使用led驱动器ic的led发光装置ic和驱动方法 |
| CN104362672A (zh) * | 2014-10-27 | 2015-02-18 | 国家电网公司 | 一种风力发电系统 |
| US20190124735A1 (en) * | 2016-06-22 | 2019-04-25 | China Resources Powtech (Shanghai) Co., Ltd. | Single-segment linear constant-power led driving circuit and method |
| CN110927418A (zh) * | 2019-12-12 | 2020-03-27 | 深圳市航天新源科技有限公司 | 一种基于开关限流原理的分流器电路及其系统 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| CN105846682B (zh) | 一种正反激变换器的新型混合控制方式 | |
| Wang | A new family of zero-current-switching (ZCS) PWM converters | |
| CN110798075B (zh) | 控制电路以及应用其的开关变换器 | |
| EP2713488A1 (en) | Electronic converter, and related lighting system and method of operating an electronic converter | |
| US10298128B2 (en) | Multi-switch power converter | |
| CN111064364B (zh) | 同步整流Buck变换器全软开关电路及其控制方法 | |
| CN112087146B (zh) | 一种不对称半桥反激变换器的控制方法及电路 | |
| CN106230258B (zh) | 功率开关管的驱动方法及电路及电源系统 | |
| CN109217660B (zh) | 直流/直流升压变换器 | |
| CN110277912B (zh) | 一种直流升压变换电路 | |
| CN111049388A (zh) | 一种准谐振控制电路 | |
| Ghodke et al. | ZVZCS, dual, two-transistor forward DC-DC converter with peak voltage of Vin/2, high input and high power application | |
| CN112290619A (zh) | 一种带有自动功率限制功能的电池均衡器 | |
| JPH07163139A (ja) | 高効率スイッチング方式レギュレータ | |
| CN113067456B (zh) | 一种基于自供电技术降低待机功耗的方法及应用 | |
| CN112202325A (zh) | 一种单开关管有源吸收电路 | |
| CN210579385U (zh) | 一种buck拓扑抑制电流过冲的时序控制电路 | |
| CN108322053A (zh) | 一种降压式变换电路 | |
| Yahaya et al. | Experimental analysis of a new zero-voltage switching synchronous rectifier buck converter | |
| KR20090066954A (ko) | 무손실 역률 개선 회로 | |
| CN105978372A (zh) | 一种拓扑电路以及半桥拓扑电路以及三相全桥拓扑电路 | |
| CN107659239B (zh) | 交流电机调速电路 | |
| US11581885B2 (en) | Pre-charge control circuit and method of controlling the same | |
| Chattopadhyay et al. | A new family of active clamp PWM dc-dc converters with ZVS for main switch and ZCS for auxiliary switch | |
| Lindroth et al. | Methods of improving efficiency in wide input range boost converters at low input voltages |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| WD01 | Invention patent application deemed withdrawn after publication | ||
| WD01 | Invention patent application deemed withdrawn after publication |
Application publication date: 20210108 |