CN113131745A - 一种反激电源的控制方法及控制电路 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种反激电源的控制方法及控制电路，所适用的反激电源包括反激变换器和第三绕组单元；所述的反激变换器至少包括由初级绕组和次级绕组组成的主功率变压器，以及主功率开关管；所述的第三绕组单元至少包括第三绕组、辅助供电电容、辅助供电整流管和检测第三绕组电压的绕组电压检测单元；其特征在于：通过控制电路控制辅助供电整流管在主功率开关管关断后第一次开通，以实现变压器去磁期间第三绕组单元向控制电路供电以及辅助供电整流管的零电压开通；在主功率开关管开通前第二次开通，以实现初级侧主功率开关管的零电压开通。本发明能解决反激电源在高频下的开关损耗过大的问题，提升电路的效率，适用于小功率，小输出电流场合。

Description

一种反激电源的控制方法及控制电路
技术领域
本发明涉及电源电路，特别涉及反激电源电路的控制方法及控制电路。
背景技术
随着科学技术的进步，开关电源朝着高频化的方向发展，高频化能够减小开关电源的体积，提高开关电源的功率密度，但是高频化也会带来开关器件损耗增加的问题，降低电源的效率，因此如何在高频的情况下实现开关器件的零电压开通、零电流关断成为开关领域研究的重点。
在中小功率领域，反激电路拓扑具有电路结构简单，功率器件较少，性能优异的特点，因此得到了大量的实际应用。在反激拓扑的工作模式中，根据电感电流不同，一般存在三种模式：连续模式、断续模式和临界模式，在连续模式中，由于电感电流连续，因此难以实现开关管的零电压开通和零电流开通，而在断续模式下，副边整流管能够实现零电流关断，且主功率开关管可以实现零电压开通。
图1是一种副边采用同步管整流的反激变换器电路，其中包括原边控制器U1和副边控制器U2分别对初级和次级的开关单元进行控制，其控制策略为：通过对次级侧开关单元的导通时间进行延时，从而由输出电容Co在次级侧绕组中产生一反向电流，当次级侧开关整流管SR关闭后，在死区时间内，该电流通过初级绕组与初级侧开关管S1的寄生电容谐振，抽取寄生电容上的电荷，当寄生电容上电压为零时开通初级侧开关管S1从而实现主功率管的零电压开通(ZVS)，其工作关键波形如图2所示，这种控制方式存在以下缺点：
1.通过次级侧输出电容Co存储的能量泄放回馈至初级侧绕组，从而实现主功率管的零电压开通，会导致电路的输出功率降低，同时电路的效率降低。
2.电路必须工作在临界导通模式，根据谐振反激变换器工作原理，输入电压越高、负载越轻，则工作频率越高，因此在高压轻载的情况下，工作频率会很高，由此带来的开关损耗会严重影响效率。因此该模式适合工作在重载或者满载的情况下。
专利号为US8964420B2的美国专利提供了一种针对反激变换器在准谐振模式下，高压输入和低压输入主开关管不能完全实现零电压开通的问题，提出了一种新的控制方式，类似的，其在初级侧开关管开通前，将次级侧同步整流管开通时间进行延时，从而产生一反向电流，此电流能够实现初级侧开关管的零电压开通，进一步通过检测输入电压的高低来控制次级侧同步整流管的开通延时的大小，从而实现在不同输入电压下都能够实现初级侧主功率管的零电压开通，此种控制方式存在以下2个问题：
1.同步整流管在次级侧励磁时是一种硬开关，在输出电压较高，负向电流较大时会产生较大的开关管损耗，且同步整流管的应力较高，虽然实现了初级侧主功率管的零电压开通，但效率难以得到提高。
2.宽电压下实现主功率管零电压开通需要检测输入电压来调节负向电流的大小，增加了控制电路的复杂性。
发明内容
针对现有技术的不足，本发明要解决的技术问题是提供一种能够实现初级侧零电压开关的反激电源的控制方法及控制电路，解决反激电源在高频下的开关损耗过大的问题，提升电路的效率。本发明适用于小功率，小输出电流场合。
为解决上述技术问题，本发明提供的反激电源的控制方法技术方案如下：
一种反激电源的控制方法，所适用的反激电源包括反激变换器和第三绕组单元；所述的反激变换器至少包括由初级绕组和次级绕组组成的主功率变压器，以及主功率开关管；所述的第三绕组单元至少包括第三绕组、辅助供电电容、辅助供电整流管和检测第三绕组电压的绕组电压检测单元；所述的控制电路用于为所述的主功率开关管和所述的辅助供电整流管提供控制信号，其特征在于：通过控制电路控制辅助供电整流管在主功率开关管关断后、开通前各开通一次，其中在主功率开关管关断后第一次开通，以实现变压器去磁期间第三绕组单元向控制电路供电以及辅助供电整流管的零电压开通；在主功率开关管开通前第二次开通，以实现初级侧主功率开关管的零电压开通。
进一步地，通过控制电路控制所述的反激电源在一个工作周期内依次按如下阶段工作：
初级绕组正向激磁阶段，主功率开关管开通，初级绕组开始正向激磁，当激磁电流上升到设定值时主功率开关管关闭，结束初级绕组正向激磁阶段，初级绕组开始去磁；
辅助供电电容充电阶段，主功率开关管和辅助供电整流管均关闭，反激电源处于第一死区时间，之后辅助供电整流管第一次开通，变压器中储存的能量通过第三绕组向辅助供电电容充电，当充电电流为零时辅助供电整流管关闭，结束辅助供电电容充电阶段；第三绕组激磁阶段，主功率开关管和辅助供电整流管均关闭，反激电源处于第二死区时间，之后辅助供电整流管第二次开通，辅助供电电容通过辅助供电整流管对第三绕组励磁，当激磁电流达到设定阈值时辅助供电整流管关闭，结束第三绕组激磁阶段；
主功率开关零电压开通阶段，主功率开关管和辅助供电整流管均关闭，反激电源处于第三死区时间，在第三死区时间内，主功率开关管两端电压谐振到零，控制住功率开关管开通。
进一步地，初级绕组按预定频率进行激磁与去磁。
进一步地，预定频率随反激电源输出功率增加而增加。
进一步地，第二死区时间随输出功率减小而增大。
进一步地，第三绕组激磁阶段持续时间随输入电压的增加而增加。
进一步地，输入电压为通过直接检测输入电压源获得、通过检测主功率开关管两端电压间接获得、通过检测第三绕组两端电压间接获得、通过检测激磁电流上升斜率间接获得或通过检测变压器激磁电流上升时间及下降时间的比值间接获得。
进一步地，绕组电压检测单元为通过电阻或互感器检测第三绕组上的电压。
对应地，本发明提供的反激电源的控制电路技术方案如下：
一种反激电源的控制电路，所适用的反激电源包括反激变换器和第三绕组单元；所述的反激变换器至少包括由初级绕组和次级绕组组成的主功率变压器，以及主功率开关管；所述的第三绕组单元至少包括第三绕组、辅助供电电容、辅助供电整流管和检测第三绕组电压的绕组电压检测单元；所述的控制电路用于为所述的主功率开关管和所述的辅助供电整流管提供控制信号，其特征在于：
控制电路控制辅助供电整流管在主功率开关管关断后、开通前各开通一次，其中在主功率开关管关断后第一次开通，以实现变压器去磁期间第三绕组单元向控制电路供电；在主功率开关管开通前第二次开通，以实现初级侧主功率开关管的零电压开通。
进一步地，控制电路控制所述的反激电源在一个工作周期内依次按如下阶段工作：
初级绕组正向激磁阶段，主功率开关管开通，初级绕组开始正向激磁，当激磁电流上升到设定值时主功率开关管关闭，结束初级绕组正向激磁阶段，初级绕组开始去磁；
辅助供电电容充电阶段，主功率开关管和辅助供电整流管均关闭，反激电源处于第一死区时间，之后辅助供电整流管第一次开通，变压器中储存的能量通过第三绕组向辅助供电电容充电，当充电电流为零时辅助供电整流管关闭，结束辅助供电电容充电阶段；第三绕组激磁阶段，主功率开关管和辅助供电整流管均关闭，反激电源处于第二死区时间，之后辅助供电整流管第二次开通，辅助供电电容通过辅助供电整流管对第三绕组励磁，当激磁电流达到设定阈值时辅助供电整流管关闭，结束第三绕组激磁阶段；
主功率开关零电压开通阶段，主功率开关管和辅助供电整流管均关闭，反激电源处于第三死区时间，在第三死区时间内，主功率开关管两端电压谐振到零，控制住功率开关管开通。
进一步地，初级绕组按预定频率进行激磁与去磁。
进一步地，预定频率随反激电源输出功率增加而增加。
进一步地，第二死区时间随输出功率减小而增大。
进一步地，第三绕组激磁阶段持续时间随输入电压的增加而增加。
进一步地，输入电压为通过直接检测输入电压源获得、通过检测主功率开关管两端电压间接获得、通过检测第三绕组两端电压间接获得、通过检测激磁电流上升斜率间接获得或通过检测变压器激磁电流上升时间及下降时间的比值间接获得。
进一步地，绕组电压检测单元为通过电阻或互感器检测第三绕组上的电压。
与现有技术相比，本发明具有以下技术效果：
1、反激电源通过将第三绕组单元中的辅助供电整流管设计为可控的开关管，既可以实现第三绕组单元对控制电路的正常供电，又可以将多余的能量回馈到反激电源的输入端，本发明在继承这些优势的基础上，还在第三绕组向辅助供电电容充电时实现了辅助供电整流管的零电压开通，使全部的充电电流通过辅助供电整流管而不是其体寄生二极管，降低了第三绕组向辅助供电电容充电时的损耗，同时由于充电电流不经过寄生二极管，因此辅助供电整流管不存在反向恢复的问题，进一步降低了第三绕组上的能量损耗；
2、通过硬件参数调节，设定第三绕组激磁阶段时间和第三死区时间，可以实现在全电压范围内实现主开关管零电压开通，有效的降低了主功率开关管的开通损耗，进一步提升了电路的效率，特别是在输入电压较高的情况下可以明显的降低主开关管的开通损耗。
附图说明
图1为现有次级侧带同步整流电路原理图；
图2为现有的一种次级侧控制策略实现初级侧开关管ZVS的工作波形图；
图3为本发明第一实施例的反激电源电路结构示意图；
图4为本发明第一实施例的反激电源电路控制波形图；
图5为本发明第二实施例的反激电源电路结构示意图；
图6为本发明第三实施例的反激电源电路结构示意图。
具体实施方式
体现本公开特征与优点的典型实施例将在后段的说明中结合附图详细叙述。应理解的是本公开能够在不同的实施例上具有各种的变化，这些变化皆不脱离本公开的范围，且其中的说明及附图在本质上当作对这些变化进行说明，而非用于限制本公开。
第一实施例
如图3所示为本发明第一实施例的反激电源电路原理图框图，包括反激变换器11、本发明的控制电路22和第三绕组单元33。
反激变换器11包括由初级绕组和次级绕组组成的主功率变压器、主功率开关管Q1、输入电容C1、整流二极管D1、输出电容C2和反馈电路；输入电容C1并联在反激电源的输入正Vi+和输入地GND0之间，初级绕组和主功率开关管Q1串联后也并联在反激电源的输入正Vi+和输入地GND0之间，整流二极管D1的阳极连接次级绕组的一端，整流二极管D1的阴极同时连接输出电容C2的一端、反馈电路的输入端和反激电源的输出正Vo+，次级绕组的另一端同时连接输出电容C2的另一端和输出地GND1，反馈电路的输出端输出反馈信号；
第三绕组单元33包括第三绕组、辅助供电电容C3、辅助供电整流管Q2和检测第三绕组电压的绕组电压检测单元，辅助供电电容C3并联在供电端Vcc和输入地GND0之间，第三绕组一端同时连接供电端Vcc和绕组电压检测单元的输入端、另一端经辅助供电整流管Q2后连接至输入地GND0，绕组电压检测单元的输出端输出绕组电压；
控制电路22用于为主功率开关管Q1和辅助供电整流管Q2提供控制信号，包括供电端Vcc、绕组电压输入端、反馈信号输入端、主功率开关管Q1的控制信号输出端G_Q1、辅助供电整流管Q2的控制信号输出端G_Q2。
如图4所示的为本实施例的控制波形图，其中：
t0时刻，控制电路22输出控制信号G_Q1控制主功率开关管Q1导通，此时原边绕组激磁电流I_ds开始线性上升，为正向激磁阶段。
t1时刻，激磁电流I_ds上升到设定值，控制电路22输出控制信号G_Q1控制主功率开关管Q1关断。
t1～t2时刻，此时控制电路22输出控制信号G_G1控制主功率开关管Q1关断，控制电路22输出控制信号G_Q2控制辅助供电整流管Q2关断，此时主功率变压器次级利用二极管D1进行整流，初级绕组开始去磁。
t2时刻，控制电路22输出控制信号G_Q2控制辅助供电整流管Q2导通，进入充电阶段，变压器中储存的能量通过第三绕组向辅助供电电容C3充电，同时向控制电路22供电。
t2～t3时刻，控制电路22输出控制信号G_Q2控制辅助供电整流管Q2关断，当第三绕组上两端的电压开始谐振时，则表明变压器能量传输完毕，至t3时刻，此时充电电流I_Q2为零。
t3～t4时刻，主功率开关管Q1与辅助供电整流管Q2仍然保持关断，为第二死区时间，该段时间长度可以根据负载大小确定，负载越小，该段时间越长。原因在于开关频率越低，越能够降低轻载下的主功率开关管的开关损耗，而死区时间越长，表明开关频率降低，故负载与死区时间的长度为负相关。
t4～t5时刻，控制电路22输出控制信号G_Q2控制辅助供电整流管Q2导通，辅助供电电容C3通过辅助供电整流管Q2对第三绕组励磁，为第三绕组激磁阶段，根据输入电压调节激磁阶段的时间长度，可以控制产生的激磁电流I_ds大小，输入电压越高，要实现主功率开关管ZVS，则所需第三绕组上的激磁电流越大，故第三绕组激磁时间越长。第三绕组激磁阶段产生的激磁电流被用作主功率开关管实现ZVS，理论上此阶段产生的激磁电流满足ZVS要求时结束，为了能够实施，当激磁电流达到设定阈值时结束第三绕组激磁阶段。另外，输入电压的获得可以通过直接检测输入电压源获得，还可以通过检测主功率开关管两端电压、通过检测第三绕组两端电压、通过检测激磁电流上升斜率或通过检测变压器激磁电流上升时间及下降时间的比值间接获得。
t5时刻，控制电路22输出控制信号G_Q2控制辅助供电整流管Q2关闭，激磁电流I_ds转移到初级绕组。
t5～t6时刻，主功率开关管Q1与辅助供电整流管Q2保持关闭，为第三死区时间，激磁电流I_ds为负向电流，通过初级绕组经过主功率开关管Q1寄生二极管流向反激电源输入正Vi+。
t6时刻，主功率开关管Q1两端电压Vds可以在死区谐振至零，控制电路22输出控制信号G_Q1控制主功率开关管Q1导通，实现主功率开关管Q1零电压开通。
需要说明的是，初级绕组按预定频率进行激磁与去磁，原因在于开关频率越低，越能够降低轻载下的主功率开关管的开关损耗。进一步地，预定频率随反激电源输出功率增加而增加，原因在于当负载较轻时，预定频率减小，可降主功率开关管的开关损耗，当负载较重时，预定频率升高，可减小电感体积。
第二实施例
如图5所示为发明第二实施例的反激电源电路原理图框图，相较于图3电路原理图框图的差别在于所适用的反激电源使用第四绕组来对主开关管Q1两端电压进行检测，此种检测方式相较与图3是隔离采样，控制方式与图4所示波形相同。
第三实施例
如图6所示为本发明第三实施例的反激电源电路原理图框图，与图3的差别在于所适用的反激电源第三绕组不为控制电路供电，而是由第四绕组、整流二极管D2和输出电容C4组成的输出电路为控制电路供电，控制方式与图4所示波形时序相同。
按照本发明的上述内容，利用本领域的普通技术知识和惯用手段，在不脱离本发明上述基本技术思想前提下，本发明中具体实施电路还可以做出其它多种形式的修改、替换或变更，如在反激变换器11中增加钳位电路，将反激变换器11中的整流二极管D1变更为同步整流管，均落在本发明权利保护范围之内。

Claims (16)

1.一种反激电源的控制方法，所适用的反激电源包括反激变换器和第三绕组单元；所述的反激变换器至少包括由初级绕组和次级绕组组成的主功率变压器，以及主功率开关管；所述的第三绕组单元至少包括第三绕组、辅助供电电容、辅助供电整流管和检测第三绕组电压的绕组电压检测单元；所述的控制电路用于为所述的主功率开关管和所述的辅助供电整流管提供控制信号，其特征在于：通过控制电路控制辅助供电整流管在主功率开关管关断后、开通前各开通一次，其中在主功率开关管关断后第一次开通，以实现变压器去磁期间第三绕组单元向控制电路供电以及辅助供电整流管的零电压开通；在主功率开关管开通前第二次开通，以实现初级侧主功率开关管的零电压开通。
2.根据权利要求1所述的控制方法，其特征在于：通过控制电路控制所述的反激电源在一个工作周期内依次按如下阶段工作；
初级绕组正向激磁阶段，主功率开关管开通，初级绕组开始正向激磁，当激磁电流上升到设定值时主功率开关管关闭，结束初级绕组正向激磁阶段，初级绕组开始去磁；
辅助供电电容充电阶段，主功率开关管和辅助供电整流管均关闭，反激电源处于第一死区时间，之后辅助供电整流管第一次开通，变压器中储存的能量通过第三绕组向辅助供电电容充电，当充电电流为零时辅助供电整流管关闭，结束辅助供电电容充电阶段；第三绕组激磁阶段，主功率开关管和辅助供电整流管均关闭，反激电源处于第二死区时间，之后辅助供电整流管第二次开通，辅助供电电容通过辅助供电整流管对第三绕组励磁，当激磁电流达到设定阈值时辅助供电整流管关闭，结束第三绕组激磁阶段；
主功率开关零电压开通阶段，主功率开关管和辅助供电整流管均关闭，反激电源处于第三死区时间，在第三死区时间内，主功率开关管两端电压谐振到零，控制住功率开关管开通。
3.根据权利要求2所述的反激电源的控制方法，其特征在于：初级绕组按预定频率进行激磁与去磁。
4.根据权利要求3所述的反激电源的控制方法，其特征在于：预定频率随反激电源输出功率增加而增加。
5.根据权利要求2所述的反激电源的控制方法，其特征在于：第二死区时间随输出功率减小而增大。
6.根据权利要求2所述的反激电源的控制方法，其特征在于：第三绕组激磁阶段持续时间随输入电压的增加而增加。
7.根据权利要求6所述的反激电源的控制方法，其特征在于：输入电压为通过直接检测输入电压源获得、通过检测主功率开关管两端电压间接获得、通过检测第三绕组两端电压间接获得、通过检测激磁电流上升斜率间接获得或通过检测变压器激磁电流上升时间及下降时间的比值间接获得。
8.根据权利要求1至7任一项所述的反激电源的控制方法，其特征在于：绕组电压检测单元为通过电阻或互感器检测第三绕组上的电压。
9.一种反激电源的控制电路，所适用的反激电源包括反激变换器和第三绕组单元；所述的反激变换器至少包括由初级绕组和次级绕组组成的主功率变压器，以及主功率开关管；所述的第三绕组单元至少包括第三绕组、辅助供电电容、辅助供电整流管和检测第三绕组电压的绕组电压检测单元；所述的控制电路用于为所述的主功率开关管和所述的辅助供电整流管提供控制信号，其特征在于：
控制电路控制辅助供电整流管在主功率开关管关断后、开通前各开通一次，其中在主功率开关管关断后第一次开通，以实现变压器去磁期间第三绕组单元向控制电路供电；在主功率开关管开通前第二次开通，以实现初级侧主功率开关管的零电压开通。
10.根据权利要求9所述的控制电路，其特征在于：控制电路控制所述的反激电源在一个工作周期内依次按如下阶段工作；
初级绕组正向激磁阶段，主功率开关管开通，初级绕组开始正向激磁，当激磁电流上升到设定值时主功率开关管关闭，结束初级绕组正向激磁阶段，初级绕组开始去磁；
辅助供电电容充电阶段，主功率开关管和辅助供电整流管均关闭，反激电源处于第一死区时间，之后辅助供电整流管第一次开通，变压器中储存的能量通过第三绕组向辅助供电电容充电，当充电电流为零时辅助供电整流管关闭，结束辅助供电电容充电阶段；第三绕组激磁阶段，主功率开关管和辅助供电整流管均关闭，反激电源处于第二死区时间，之后辅助供电整流管第二次开通，辅助供电电容通过辅助供电整流管对第三绕组励磁，当激磁电流达到设定阈值时辅助供电整流管关闭，结束第三绕组激磁阶段；
主功率开关零电压开通阶段，主功率开关管和辅助供电整流管均关闭，反激电源处于第三死区时间，在第三死区时间内，主功率开关管两端电压谐振到零，控制住功率开关管开通。
11.根据权利要求10所述的反激电源的控制电路，其特征在于：初级绕组按预定频率进行激磁与去磁。
12.根据权利要求11所述的反激电源的控制电路，其特征在于：预定频率随反激电源输出功率增加而增加。
13.根据权利要求10所述的反激电源的控制电路，其特征在于：第二死区时间随输出功率减小而增大。
14.根据权利要求10所述的反激电源的控制电路，其特征在于：第三绕组激磁阶段持续时间随输入电压的增加而增加。
15.根据权利要求14所述的反激电源的控制电路，其特征在于：输入电压为通过直接检测输入电压源获得、通过检测主功率开关管两端电压间接获得、通过检测第三绕组两端电压间接获得、通过检测激磁电流上升斜率间接获得或通过检测变压器激磁电流上升时间及下降时间的比值间接获得。
16.根据权利要求9至15任一项所述的反激电源的控制电路，其特征在于：绕组电压检测单元为通过电阻或互感器检测第三绕组上的电压。
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