CN113078825A - 可提高反激式电源效率的开关管谐振电路以及反激式电源 - Google Patents

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朱维钧
梁文武
臧欣
许立强
严亚兵
余斌
李刚
徐浩
吴晋波
洪权
徐彪
肖豪龙
尹超勇
刘志豪
龚禹生
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Abstract

本发明公开了一种可提高反激式电源效率的开关管谐振电路以及反激式电源，本发明可提高反激式电源效率的开关管谐振电路包括用于与反激主变压器TX1的原边相连的整流后母线和接地线，所述接地线上串接有主开关管S1，所述接地线上用于与反激主变压器TX1的原边相连的连接端、整流后母线之间连接有串联布置的二极管D1和阻容吸收电路，所述二极管D1上并联布置有用于实现谐振软开关的辅助开关管S2。本发明通过在传统的反激式电源的二极管D1上并联布置有用于实现谐振软开关的辅助开关管S2，使得本发明可提高反激式电源效率的开关管谐振电路可实现软开关，降低损耗，提高效率。

Description

可提高反激式电源效率的开关管谐振电路以及反激式电源
技术领域
本发明涉及电源技术，具体涉及一种可提高反激式电源效率的开关管谐振电路以及反激式电源。
背景技术
反激式电源因其结构简单、外围器件少、性能稳定、成本低，在小功率场合是目前应用最多的电源拓扑。但是，反激式电源因其变压器利用率低，开关管电流不连续，损耗较大，因而效率比较低，在大功率场合应用受到限制。大功率直流电源常用拓扑比如说正激、全桥，电源效率高，但其拓扑复杂，外围器件多，成本高；且控制算法复杂，全桥还有桥臂直通的风险，稳定性低。
发明内容
本发明要解决的技术问题：针对现有技术的上述问题，提供一种可提高反激式电源效率的开关管谐振电路以及反激式电源，本发明通过在传统的反激式电源的二极管D1上并联布置有用于实现谐振软开关的辅助开关管S2，可实现软开关，降低损耗，提高效率。
为了解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为：
一种可提高反激式电源效率的开关管谐振电路，其特征在于，包括用于与反激主变压器TX1的原边相连的整流后母线和接地线，所述接地线上串接有主开关管S1，所述接地线上用于与反激主变压器TX1的原边相连的连接端、整流后母线之间连接有串联布置的二极管D1和阻容吸收电路，所述二极管D1上并联布置有用于实现谐振软开关的辅助开关管S2。
可选地，所述阻容吸收电路包括并联连接的吸收电阻和吸收电容。
可选地，所述主开关管S1、辅助开关管S2均为MOS管。
此外，本发明还提供一种前述可提高反激式电源效率的开关管谐振电路的应用方法，包括实现谐振软开关的步骤：首先闭合主开关管S1、关断辅助开关管S2，使得整流后母线上的整流电压通过主开关管S1给反激主变压器TX1原边励磁、储存能量；然后断开主开关管S1、使得反激主变压器TX1的能量传递给副边，同时导通辅助开关管S2，反激主变压器TX1的原边绕组的漏感与电容谐振，且当谐振电压为零时，主开关管S1开通，实现零电压开通。
此外，本发明还提供一种反激式电源，包括依次相连的整流电路、开关管谐振电路以及反激主变压器TX1，所述开关管谐振电路为所述的可提高反激式电源效率的开关管谐振电路。
可选地，所述整流电路包含用于对市电输入进行整流使输入波形更为平滑的滤波电路。
可选地，所述反激主变压器TX1的副边包含用于对输出电压的滤波使输出电压更为平滑的输出滤波电路。
可选地，所述输出滤波电路中包含整流电流。
可选地，所述整流电流为全桥整流电路。
可选地，还包括控制单元，所述控制单元包括相互连接的控制器和PWM信号发生器，所述主开关管S1、辅助开关管S2的控制端分别与PWM信号发生器的输出端相连。
和现有技术相比，本发明具有下述优点：本发明可提高反激式电源效率的开关管谐振电路包括用于与反激主变压器TX1的原边相连的整流后母线和接地线，所述接地线上串接有主开关管S1，所述接地线上用于与反激主变压器TX1的原边相连的连接端、整流后母线之间连接有串联布置的二极管D1和阻容吸收电路，所述二极管D1上并联布置有用于实现谐振软开关的辅助开关管S2。本发明通过在传统的反激式电源的二极管D1上并联布置有用于实现谐振软开关的辅助开关管S2，可实现软开关，降低损耗，提高效率。
附图说明
图1为本发明实施例中开关管谐振电路的电路原理示意图。
图2为本发明实施例中开关管谐振电路的等效电路示意图。
图3为本发明实施例中开关管谐振电路的工作状态转换示意图。
图4为本发明实施例中时刻T0～T1的等效状态示意图。
图5为本发明实施例中时刻T1～T2的等效状态示意图。
图6为本发明实施例中时刻T4～T5的等效状态示意图。
图7为本发明实施例中时刻T5～T6的等效状态示意图。
图8为本发明实施例中反激式电源的基本结构示意图。
具体实施方式
如图1所示，本实施例可提高反激式电源效率的开关管谐振电路包括用于与反激主变压器TX1的原边相连的整流后母线1和接地线2，接地线2上串接有主开关管S1，接地线2上用于与反激主变压器TX1的原边相连的连接端、整流后母线1之间连接有串联布置的二极管D1和阻容吸收电路3，二极管D1上并联布置有用于实现谐振软开关的辅助开关管S2。
如图1所示，阻容吸收电路3包括并联连接的吸收电阻31和吸收电容32。
本实施例中，主开关管S1、辅助开关管S2均为MOS管，G级为驱动栅极用于连接驱动信号，此外也可以根据需要采用其他可控开关，同样也可以实现谐振软开关。
本实施例还提供一种前述可提高反激式电源效率的开关管谐振电路的应用方法，包括实现谐振软开关的步骤：首先闭合主开关管S1、关断辅助开关管S2，使得整流后母线1上的整流电压通过主开关管S1给反激主变压器TX1原边励磁、储存能量；然后断开主开关管S1、使得反激主变压器TX1的能量传递给副边，同时导通辅助开关管S2，反激主变压器TX1的原边绕组的漏感与电容谐振，且当谐振电压为零时，主开关管S1开通，实现零电压开通。
本实施例可提高反激式电源效率的开关管谐振电路的等效电路如图2所示，其中Vin表示输入电压，Vc表示钳位电压，Lr表示谐振电感，iLr表示谐振电流，Cclamp表示钳位电容，iCclamp表示吸收电流，Lm表示反激主变压器TX1的变压器励磁电感(主励磁电感)，iLm表示励磁电流，D1表示钳位二极管，Co表示负载电容，Vout表示输出电压，isec表示输出电流，Cr表示谐振电容。
本实施例可提高反激式电源效率的开关管谐振电路的整个运行过程基于以下假想条件：
1、主开关管S1、辅助开关管S2为理想的开关元器件。
2、励磁电流是非零且正向(如图2所示)。
3、Lr(包含变压器内部所有漏感和外加电感)比反激主变压器TX1的变压器励磁电感Lm小的多(一般取Lm的5％～10％)。
4、Lr中存储有足够的能量能够彻底的泄放Cr，使主开关管S1的体二极管导通，满足：
Figure BDA0003075898740000031
其中Toff表示关断时间。
5、Lr和Cclamp的半个谐振周期比主开关管S1的最大Toff长，其中：
Toff≈(1-D)Ts，其中D表示占空比，Ts表示开关时间。
如图3所示，实现谐振软开关的步骤可分为T0～T7共8个周期来分析。
时刻T0～T1：在T0时刻，主开关管S1工作(on)，辅助开关管S2断开(off)。如图3和图4所示，此时，反激主变压器TX1副边的输出二极管D1与辅助开关管S2的反并二极管一样都被反向偏置，反激主变压器TX1的变压器励磁电感Lm以及谐振电感Lr被线性充电，就如正常的反激变压器电感模式一样.在开始的时候，变压器原边应该有一个有负向转为正向的过程，输入电压Vin给谐振电感Lr和励磁电感Lm充电，此时励磁电流iLm和谐振iLr相等。
时刻T1～T2：在T1时刻，主开关管S1断开(off)，辅助开关管S2保持断开(off)。如图3和图5所示，此时主开关管S1的节电容或者外加电容将被励磁电流充电，此电流等于谐振电感的电流，(此时实际上也是谐振模式，只是因为谐振电容Cr很小，所以此段时间很断，所以可以看作是线性充电。
时刻T2～T3：在T2时刻，主开关管S1保持断开(off)，辅助开关管S2保持断开(off)。如图3所示，此时电流通过辅助开关管S2的体内二极管续流，将电压钳位在一个合理的范围内。
时刻T3～T4：在T3时刻，主开关管S1保持断开(off)，辅助开关管S2闭合(on)。如图3所示，此时电流通过辅助开关管S2续流，谐振电感Lr和谐振电容Cr谐振，并给输出Vout供给能。
时刻T4～T5：在T4时刻，主开关管S1保持断开(off)，辅助开关管S2断开(off)。如图3和图6所示，此时将箝位电容Cclamp从谐振网络中移除，新的谐振网络(谐振电容Cr与谐振电感Lr)开始谐振，在谐振电容Cr开始谐振(放电)的时刻，反激主变压器TX1原边的电压被箝位在NVO，此时Vin通过谐振电感Lr和反激主变压器TX1的变压器励磁电感Lm以及输出形成新的谐振网络，并通过输出二极管电流iDR给输出提供能量。
时刻T5～T6：在T5时刻，主开关管S1保持断开(off)，辅助开关管S2断开(off)。如图3和图7所示，假设在谐振电感Lr中存储的能量比谐振电容Cr中存储的能量大，在这个时刻，谐振电容Cr将会被充分放电，以至需主开关管S1的体二极管开始续流，所以此时谐振电感Lr被箝制在Vin+NVO，此后在电流没有反向前开通主开关管S1就可以得到“ZVS”(zerovoltage switch，零电压开关)，输入电压Vin通过反激主变压器TX1的变压器励磁电感Lm和谐振电感Lr充电，充电电流即为iLm，并且输出断开，此时电流即为励磁电流。
时刻T6～T7：在T5时刻，主开关管S1闭合(on)，辅助开关管S2断开(off)。如图3所示，此时励磁电流iLm线性增长，将能量储存在反激主变压器TX1的变压器励磁电感Lm中。
如图8所示，本实施例还提供一种反激式电源，包括依次相连的整流电路4、开关管谐振电路5以及反激主变压器TX1，开关管谐振电路5为前述可提高反激式电源效率的开关管谐振电路。
本实施例中，整流电路4包含用于对市电输入进行整流使输入波形更为平滑的滤波电路。
本实施例中，反激主变压器TX1的副边包含用于对输出电压的滤波使输出电压更为平滑的输出滤波电路6。
本实施例中，输出滤波电路6中包含整流电流。
本实施例中，整流电流为全桥整流电路。
此外，本实施例还包括控制单元，控制单元包括相互连接的控制器和PWM信号发生器，主开关管S1、辅助开关管S2的控制端分别与PWM信号发生器的输出端相连。此外，控制单元也可以采用外置的方式，利用现有的控制单元同样也可以实现对主开关管S1、辅助开关管S2的控制。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，本发明的保护范围并不仅局限于上述实施例，凡属于本发明思路下的技术方案均属于本发明的保护范围。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理前提下的若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种可提高反激式电源效率的开关管谐振电路，其特征在于，包括用于与反激主变压器TX1的原边相连的整流后母线(1)和接地线(2)，所述接地线(2)上串接有主开关管S1，所述接地线(2)上用于与反激主变压器TX1的原边相连的连接端、整流后母线(1)之间连接有串联布置的二极管D1和阻容吸收电路(3)，所述二极管D1上并联布置有用于实现谐振软开关的辅助开关管S2。
2.根据权利要求1所述的可提高反激式电源效率的开关管谐振电路，其特征在于，所述阻容吸收电路(3)包括并联连接的吸收电阻(31)和吸收电容(32)。
3.根据权利要求2所述的可提高反激式电源效率的开关管谐振电路，其特征在于，所述主开关管S1、辅助开关管S2均为MOS管。
4.一种权利要求1～3中任意一项所述可提高反激式电源效率的开关管谐振电路的应用方法，其特征在于，包括实现谐振软开关的步骤：首先闭合主开关管S1、关断辅助开关管S2，使得整流后母线(1)上的整流电压通过主开关管S1给反激主变压器TX1原边励磁、储存能量；然后断开主开关管S1、使得反激主变压器TX1的能量传递给副边，同时导通辅助开关管S2，反激主变压器TX1的原边绕组的漏感与电容谐振，且当谐振电压为零时，主开关管S1开通，实现零电压开通。
5.一种反激式电源，其特征在于，包括依次相连的整流电路(4)、开关管谐振电路(5)以及反激主变压器TX1，所述开关管谐振电路(5)为权利要求1～3中任意一项所述的可提高反激式电源效率的开关管谐振电路。
6.根据权利要求5所述的反激式电源，其特征在于，所述整流电路(4)包含用于对市电输入进行整流使输入波形更为平滑的滤波电路。
7.根据权利要求6所述的反激式电源，其特征在于，所述反激主变压器TX1的副边包含用于对输出电压的滤波使输出电压更为平滑的输出滤波电路(6)。
8.根据权利要求7所述的反激式电源，其特征在于，所述输出滤波电路(6)中包含整流电流。
9.根据权利要求8所述的反激式电源，其特征在于，所述整流电流为全桥整流电路。
10.根据权利要求9所述的反激式电源，其特征在于，还包括控制单元，所述控制单元包括相互连接的控制器和PWM信号发生器，所述主开关管S1、辅助开关管S2的控制端分别与PWM信号发生器的输出端相连。
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