CN113381615A - 用于隔离电压变换器的能量回收电路及方法 - Google Patents

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Abstract

公开了一种隔离电压变换器以及用于该变换器的能量回收电路及方法，该能量回收电路包括：辅助开关管和回收控制电路，该辅助开关管与钳位电容器串联耦接以构成第一电路分支，该第一电路分支与原边绕组并联耦接，或者与原边开关管并联耦接。回收控制电路提供辅助开关管的控制信号，在钳位电容器的充电过程中导通辅助开关管，并在钳位电容器随后的放电过程结束时关断辅助开关管，其中根据辅助开关电压信号和辅助开关电流信号来监测钳位电容器的充电过程。

Description

用于隔离电压变换器的能量回收电路及方法
技术领域
本发明主要涉及一种电子电路，尤其但不排他地涉及用于隔离电压变换器的能量回收电路以及能量回收方法。
背景技术
反激电路作为隔离电路被广泛应用在交流转直流变换器中。消除反激电路的电压尖峰和减小反激电路中的电压应力等诸多研究一直在持续地开展。吸收电路因其结构简单和低成本而得到了广泛地使用。图1是现有的吸收电路10的电路图。吸收电路10包括吸收电阻器Rsn、钳位电容器Csn和二极管Dsn，因此也被称为RCD吸收电路。当原边控制器11提供的原边控制信号Gp关断原边开关管Mp时，变压器T1的漏感Lk通过二极管Dsn对钳位电容Csn充电，以将漏感能量转移并存储至钳位电容Csn。在钳位电容Csn的充电过程结束之后，存储于钳位电容Csn上的能量在吸收电阻器Rsn耗尽。采用图1所示的吸收电路10，反激电路的电压尖峰可以得到很好的抑制，但由于漏感能量是被消耗掉而不是被回收，反激电路的效率并没有得到实质的改善。
因此，发明人想要提出一种结构简单且成本较低的解决方案，在抑制反激电路电压尖峰的同时，对变压器的漏感能量进行回收，以改善反激电路的效率。
发明内容
针对现有技术中的一个或多个问题，本发明的目的是提供一种隔离电压变换器及其能量回收电路和回收方法，既能抑制电压尖峰，又可以对变压器的漏感能量进行回收，以提高隔离电压变换器的效率。
在本发明的一个方面，提供一种用于隔离电压变换器的能量回收电路，该隔离电压变换器包括具有原边绕组的变压器和与原边绕组串联的原边开关管，该能量回收电路包括：辅助开关管，与钳位电容器串联耦接以构成第一电路分支，该第一电路分支与原边绕组并联耦接，或者与原边开关管并联耦接；以及回收控制电路，提供辅助开关管的控制信号，在钳位电容器的充电过程中导通辅助开关管，并在钳位电容器随后的放电过程结束时关断辅助开关管，其中回收控制电路根据辅助开关电压信号和辅助开关电流信号来监测钳位电容器的充电过程，基于辅助开关电流信号，钳位电容器的充电过程被计时为第一时长，钳位电容器随后的放电过程被计时为第二时长。
在本发明的又一个方面，提供一种隔离电压变换器，包括变压器的原边绕组、与原边绕组串联耦接的原边开关管、钳位电容器，以及如前所述的能量回收电路。
在本发明的再一个方面，提供一种用于隔离电压变换器的能量回收的方法，该隔离电压变换器包括具有原边绕组的变压器、与原边绕组串联耦接的原边开关管、与原边绕组并联耦接或者与原边开关并联耦接的第一分支电路，该第一分支电路由辅助开关管与钳位电容串联耦接而成，该方法包括：关断原边开关管；基于辅助开关电压信号和辅助开关电流信号，在钳位电容器的充电过程中导通辅助开关管；将钳位电容器的充电过程计时为第一时长，将钳位电容器随后的放电过程计时为第二时长；以及在钳位电容器随后的放电过程结束时刻关断辅助开关管。
根据本发明的实施例，不仅可以抑制反激电路电压尖峰，而且可以对变压器的漏感能量进行回收，从而改善反激电路的效率，同时本发明实施例的结构简单且成本较低。
附图说明
为了更好地理解本发明，将根据以下附图对本发明进行详细描述：
图1是现有的吸收电路10的电路图；
图2是根据本发明一实施例的用于反激电路的能量回收电路20的电路原理图；
图3是根据本发明一实施例的回收控制电路201的电路原理图；
图4是根据本发明一实施例的图3所示回收控制电路201的工作波形图；
图5是根据本发明一实施例的计时器30的电路原理图；
图6是根据本发明一实施例的图5所示计时器30的工作波形图；
图7是根据本发明又一实施例的计时器40的电路原理图；
图8是根据本发明一实施例的图7所示计时器40的工作波形图；
图9A是根据本发明一实施例的能量回收电路50的电路原理图；
图9B是根据本发明又一实施例的能量回收电路60的电路原理图；
图10是根据本发明再一实施例的能量回收电路70的电路原理图；
图11是根据本发明一实施例的图10所示能量回收电路70的工作波形图；
图12是根据本发明一实施例的用于隔离电压变换器的能量回收方法的流程图。
具体实施方式
下面将详细描述本发明的隔离谐振变换器及控制方法的具体实施例，应当注意，这里描述的实施例只用于举例说明，并不用于限制本发明。在以下描述中，为了提供对本发明的透彻理解，阐述了大量特定细节。然而，对于本领域普通技术人员显而易见的是：不必采用这些特定细节来实施本发明。在其他实例中，为了避免混淆本发明，未具体描述公知的电路、材料或方法。
在整个说明书中，对“一个实施例”、“实施例”、“一个示例”或“示例”的提及意味着：结合该实施例或示例描述的特定特征、结构或特性被包含在本发明至少一个实施例中。因此，在整个说明书的各个地方出现的短语“在一个实施例中”、“在实施例中”、“一个示例”或“示例”不一定都指同一实施例或示例。此外，可以以任何适当的组合和/或子组合将特定的特征、结构或特性组合在一个或多个实施例或示例中。此外，本领域普通技术人员应当理解，在此提供的附图都是为了说明的目的，并且附图不一定是按比例绘制的。应当理解，当称元件“连接到”或“耦接到”另一元件时，它可以是直接连接或耦接到另一元件或者可以存在中间元件。相反，当称元件“直接连接到”或“直接耦接到”另一元件时，不存在中间元件。相同的附图标记指示相同的元件。这里使用的术语“和/或”包括一个或多个相关列出的项目的任何和所有组合。
图2是根据本发明一实施例的用于反激电路的能量回收电路20的电路原理图。能量回收电路20包括与钳位电容器Csn串联耦接的辅助开关管Ma以及产生辅助开关控制信号Ga的回收控制电路201。在图2所示的实施例中，辅助开关管Ma与回收控制电路201集成在一个集成电路IC1中。集成电路IC1具有第一端WP、第二端SW以及第三端DS。图3是根据本发明一实施例的回收控制电路201的电路原理图。结合图2和图3，本领域的普通技术人员应当可以意识到，第二端SW耦接至辅助开关管Ma的源极端，第一端WP耦接至第二端SW，并耦接至原边开关管Mp，第三端DS耦接至辅助开关管Ma的漏级端。能量回收电路20可提供一个简单的可插入方案来回收反激电路中变压器的漏感能量。
在图3所示的实施例中，回收控制电路201包括辅助开关导通控制单元11、定时器3和逻辑电路1。辅助开关导通控制单元11被配置为基于辅助开关电压信号Vdsa和辅助开关电流信号Ich来产生辅助开关导通信号Maon。其中辅助开关电压信号Vdsa代表辅助开关Ma的漏源电压，可以通过多种检测方式得到，例如分压电路或者其他传统的电压检测电路。相似地，辅助开关电流信号Ich代表流过辅助开关管Ma的电流，可以采用不同的检测方式得到，例如电流检测电阻、电流镜或其他传统的电流检测电路。当原边开关管Mp关断，变压器T1的漏感能量被传递至钳位电容Csn，因此电流从原边绕组La开始，流经辅助开关Ma的体二极管，去充电钳位电容Csn。由于体二极管的正向导通压降，辅助开关管Ma的漏源电压下降至小于零，辅助开关管Ma实现零电压导通。
辅助开关导通控制单元11包括辅助开关电压比较器5、辅助开关电流比较器7和与门9。辅助开关电压比较器5用于将辅助开关电压信号Vdsa和电压参考信号Vref相比较，在输出端产生辅助开关电压监测信号Vmon。当辅助开关电压信号Vdsa减小至电压参考信号Vref时，辅助开关电压检测信号Vmon翻转至高电平。电压参考信号Vref的值可能是零、-300mV或者其它合适的值。辅助开关电流比较器7用于将辅助开关电流信号Ich与第一电流参考信号Iref1相比较，以产生辅助开关电流监测信号Imon。其中当辅助开关电流信号Ich增大到第一电流参考信号Iref1时，辅助开关电流监测信号Imon翻转为高电平。第一电流参考信号Iref1在不同的应用中可能具有不同的值。与门9基于辅助开关电压监测信号Vmon和辅助开关电流监测信号Imon，在输出端提供辅助开关导通信号Maon。本领域的普通技术人员应当理解，辅助开关Ma可以在对钳位电容Csn充电过程中的任意时刻导通，只要在辅助开关电流信号Ich变负之前即可。
对钳位电容Csn的充电结束后，根据电荷守恒原理，钳位电容Csn立即开始放电。计时器3对钳位电容Csn的充电过程和随后的放电过程进行计时，以在钳位电容Csn的放电过程结束时，产生辅助开关关断信号Maoff。定时器3的工作机制将会在后面描述。在图3所示的实施例中，代表流过原边开关管Mp电流的原边开关管电流信号Ip被检测，以指示是否有电流从第二端SW流进原边开关管Mp。在辅助开关管Mp处于导通状态期间，一旦检测到原边开关管电流信号Ip指示有电流从第二端SW流入原边开关管Mp，这说明原边开关管Mp已经被导通，并会引起直通问题。或门6立即提供辅助开关关断信号Maoff，为了保护的目的，将辅助开关管Ma关断。逻辑电路1包括RS触发电路，该RS触发电路具有接收辅助开关导通信号Maon的置位端和接收辅助开关关断信号Maoff的复位端，在输出端提供辅助开关控制信号Ga。
图4是根据本发明一实施例的图3所示回收控制电路201的工作波形图。如图4所示，在t0时刻，基于原边开关信号Gp，原边开关管Mp被关断。如前所述，电流从原边绕组La流经辅助开关管Ma的体二极管，流向钳位电容器Csn，对钳位电容器Csn进行充电。在t1时刻，辅助开关电压信号Vdsa减小到零，辅助开关电流信号Ich增加到其正峰值Ich_peak。在随后的t1～t2时间段，钳位电容器Csn被充电，钳位电容器Csn两端的电压Vc增大，同时辅助开关电流信号Ich从正峰值Ich_peak减小。在t2时刻，辅助开关电流信号Ich减小至零。在随后的t2～t3时段，钳位电容器Csn被放电，钳位电容器Csn两端的电压Vc开始减小，同时辅助开关电流信号Ich反向增大。在时刻t3，辅助开关电流信号Ich增大至负峰值-Ich_peak。根据电荷守恒原理，钳位电容器Csn的充电过程(t1～t2时段)与钳位电容器Csn的放电过程(t2～t3)具有相同的持续时间。
图5是根据本发明一实施例的计时器30的电路原理图。图6是根据本发明一实施例的图5所示计时器30的工作波形图。计时器30包括辅助开关电流转换电路31、计时电容器C3、比较器37、第一可控电流源33以及第二可控电流源35。辅助开关电流转换电路31用于接收辅助开关电流信号Ich以产生正半周信号Ichp和负半周信号Ichn。正半周信号Ichp在钳位电容器Csn的充电过程期间具有一个窗口，即正半周信号Ichp在t1～t2时段有效。类似地，负半周信号Ichn在钳位电容器Csn的放电过程期间具有一个窗口，也就是说，在t2～t3时段，负半周信号Ichn有效。基于正半周信号Ichp，第一可控电流源33产生用于充电计时电容器C3的第一电流I1。基于负半周信号Ichn，第二可控电流源35产生用于放电计时电容器C3的第二电流I2。由于第一电流I1与第二电流I2的电流值相同，计时电容器C3两端的电压VC3在t3时刻为零。比较器37被配置为将计时电容器C3两端的电压VC3与零电压比较，以产生辅助开关关断信号Maoff，以在t3时刻关断辅助开关管Ma。
图7是根据本发明又一实施例的计时器40的电路原理图。图8是根据本发明一实施例的图7所示计时器40的工作波形图。与图5所示的计时器30相比，不同之处在于，图7所示的计时器40进一步包括与计时电容器C3不同的另一计时电容器C4、与计时电容器C3并联耦接的第一可控开关S1、与计时电容器C4并联耦接的第二可控开关S2。在t1～t2时段，第一电流I1对计时电容器C3充电，而在t2～t3时段，第二电流I2对计时电容器C4充电。比较器37将计时电容器C3两端的电压VC3同计时电容器C4两端的电压VC4相比较，以产生辅助开关关断信号Maoff。
在一个实施例中，正半周信号Ichp与负半周信号Ichn为电流信号本身，第一可控电流源33和第二可控电流源35可以被忽略。在另一个实施例中，计时器3可以用数字电路来实现。辅助开关电流信号Ich的过零点被检测，当钳位电容器Csn在随后的放电过程从过零点开始放电的时间达到钳位电容器Csn的充电过程所需的时长时，辅助开关关断信号Maoff产生。
图9A是根据本发明一实施例的能量回收电路50的电路图。在图9A所示的实施例中，辅助开关管Ma与钳位电容器Csn的分支与原边开关管Mp并联耦接。图9B是根据本发明另一实施例的能量回收电路60的电路图。在图9B所示的实施例中，回收控制电路201集成在芯片IC1中。芯片IC1具有第一端SW、第二端WP、耦接至辅助开关Ma栅极端的第三端G，以及耦接至辅助开关Ma源级端的第四端S。
图10是根据本发明再一实施例的能量回收电路70的电路图。在图10所示的实施例中，当辅助开关电流信号Ich经过过零点从负变正时，辅助开关Ma被关断。与上述实施例不同，能量回收电路70包括过零检测器4。过零检测器4用于获取辅助开关电流信号Ich由负到正的过零点。如前所述，在钳位电容器Csn的充电过程中，辅助开关电流信号Ich增大到一个负峰值。如果辅助开关Ma继续保持导通，辅助开关电流信号Ich将从负峰值减小到零，然后变正。图11是根据本发明一实施例的图10所示能量回收电路70的工作波形图。如图11所示，辅助开关电流信号Ich在时刻t3达到负峰值，并在时刻t4过零。应当注意的是，图11中钳位电容器Csn的放电时段(t2～t4)不等于钳位电容器Csn的充电时段(t1～t2)。这是因为，在充电过程中辅助开关的平均电流不等于在放电过程辅助开关的平均电流。这一实施例与前述实施例不同。然而，电荷守恒仍然成立，时段t1～t2不等于t2～t4。
过零检测器4包括零电流比较器41和单触发电路42。零电流比较器41将辅助开关电流信号Ich与第二参考电流信号Iref2相比较。第二电流信号Iref2典型值为0。单触发电路42用于接收零电流比较器41的输出信号，基于此输出信号在输出端产生脉冲，因此可以获取辅助开关电流信号Ich由负到正的过零点。在图10所示的实施例中，辅助开关电流信号Ich被提供至零电流比较器41的反相输入端，第二电流参考信号Iref2被提供至零电流比较器41的同相输入端，因此单触发电路42被下降沿触发。在另一实施例中，辅助开关电流信号Ich被提供至零电流比较器41的同相输入端，第二电流参考信号Iref2倍提供至零电流比较器41的反相输入端，因此单触发电路42由上升沿触发。在其他实施例中，零电流比较器41也可由任何能实现过零点获取的常用电路来实现。
图12是根据本发明一实施例的用于隔离电压变换器的能量回收方法的流程图。该隔离电压变换器包括具有原边绕组的变压器、与原边绕组串联耦接的原边开关管、与原边绕组或原边开关管并联的支路，该支路包括串联耦接的辅助开关与钳位电容，该能量回收方法包括步骤1201～1204。
在步骤1201，关断原边开关管。
在步骤1202，基于辅助开关电压信号和辅助开关电流信号，在钳位电容器的充电期间导通辅助开关管。
在步骤1203，在第一时长内计时钳位电容器的充电过程，在第二时长内计时钳位电容器随后的立即放电过程。
在步骤1204，在钳位电容器随后的立即放电过程结束时关断辅助开关管。
在本发明的一个实施例中，在钳位电容器的充电期间内导通辅助开关管的步骤包括：基于辅助开关电压信号和辅助开关电流信号来监测钳位电容器的充电过程；在辅助开关电压信号减小到零后、辅助开关电流变负之前导通辅助开关。
在本发明的另一个实施例中，第一时长等于第二时长。
在本发明的再一个实施例中，第二时长不等于第一时长。随后的立即放电过程结束点为辅助开关电流从负到正的过零点。
注意，在上文描述的流程图中，框中所标注的功能也可以按照不同于图7中所示的顺序发生。例如，两个接连地表示的方框实际上可以基本并行地执行，它们有时也可以按相反的顺序执行，这取决于所涉及的具体功能。
在说明书中，相关术语例如第一和第二等可以只是用于将一个实体或动作与另一个实体或动作区分开，而不必或不意味着在这些实体或动作之间的任意实体这种关系或者顺序。数字顺序例如“第一”、“第二”、“第三”等仅仅指的是多个中的不同个体，并不意味着任何顺序或序列，除非权利要求语言有具体限定。在任何一个权利要求中的文本的顺序并不意问这处理步骤必须以根据这种顺序的临时或逻辑顺序进行，除非权利要求语言有具体规定。在不脱离本发明范围的情况下，这些处理步骤可以按照任意顺序互换，只要这种互换不会是的权利要求语言矛盾并且不会出现逻辑上荒谬。
上述的一些特定实施例仅仅以示例性的方式对本发明进行说明，这些实施例不是完全详尽的，并不用于限定本发明的范围。对于公开的实施例进行变化和修改都是可能的，其他可行的选择性实施例和对实施例中元件的等同变化可以被本技术领域的普通技术人员所了解。本发明所公开的实施例的其他变化和修改并不超出本发明的精神和保护范围。

Claims (17)

1.一种用于隔离电压变换器的能量回收电路，该隔离电压变换器包括具有原边绕组的变压器和与原边绕组串联的原边开关管，该能量回收电路包括：
辅助开关管，与钳位电容器串联耦接以构成第一电路分支，该第一电路分支与原边绕组并联耦接，或者与原边开关管并联耦接；以及
回收控制电路，提供辅助开关管的控制信号，在钳位电容器的充电过程中导通辅助开关管，并在钳位电容器随后的放电过程结束时关断辅助开关管，其中回收控制电路根据辅助开关电压信号和辅助开关电流信号来监测钳位电容器的充电过程，基于辅助开关电流信号，钳位电容器的充电过程被计时为第一时长，钳位电容器随后的放电过程被计时为第二时长。
2.如权利要求1所述的能量回收电路，其中第二时长等于第一时长，能量回收电路包括提供辅助开关关断信号的计时器，该计时器包括：
辅助开关电流转换电路，用于接收辅助开关电流信号，在钳位电容器的充电过程中提供正半周信号，并在钳位电容器的放电过程中提供负半周信号；
计时电容器，基于正半周信号充电计时电容器，基于负半周信号放电计时电容器；以及
比较电路，将计时电容器两端的电压与零电压相比较，产生辅助开关关断信号。
3.如权利要求2所述的能量回收电路，其中计时器进一步包括：
第一可控电流源，基于充电计时电容器的正半周信号产生第一电流；以及
第二可控电流源，基于放电计时电容器的负半周信号产生第二电流，其中第一电流的数值与第二电流的数值相等。
4.如权利要求1所述的能量回收电路，其中第二时长等于第一时长，其中回收控制电路包括产生辅助开关关断信号的计时器，该计时器包括：
辅助开关电流转换电路，接收辅助开关电流信号，在钳位电容器的充电期间提供正半周信号，在钳位电容器的放电期间提供负半周信号；
第一计时电容器，基于正半周信号对第一计时电容器充电；
第二计时电容器，基于负半周信号对第二计时电容器充电；
第一可控开关，与第一计时电容器并联耦接，受辅助开关关断信号控制；
第二可控开关，与第二计时电容器并联耦接，受辅助开关关断信号控制；以及
比较电路，将第一计时电容器两端的电压与第二计时电容器两端的电压相比较，以产生辅助开关关断信号。
5.如权利要求4所述的能量回收电路，其中计时器进一步包括：
第一可控电流源，基于正半周信号产生第一电流以充电第一计时电容器；
第二可控电流源，基于负半周信号产生第二电流以充电第二计时电容器，其中第一电流与第二电流具有相同的数值。
6.如权利要求1所述的能量回收电路，其中回收控制电路包括过零检测器，该过零检测器用于在辅助开关电流信号由负变正的过零点关断辅助开关管。
7.如权利要求1所述的能量回收电路，其中回收控制电路包括提供辅助开关导通信号的辅助开关导通控制单元，该辅助开关导通控制单元包括：
辅助开关电压比较器，将辅助开关电压信号与电压参考信号相比较，提供辅助开关电压监测信号；
辅助开关电流比较器，将辅助开关电流信号与第一参考电流相比较，提供辅助开关电流监测信号；以及
与门，基于辅助开关电压检测信号和辅助开关电流检测信号，产生辅助开关导通信号。
8.如权利要求1所述的能量回收电路，其中回收控制电路包括逻辑电路，该逻辑电路包括：
RS触发电路，具有接收辅助开关导通信号的置位端和接收辅助开关关断信号的复位端，在输出端提供辅助开关控制信号。
9.如权利要求1所述的能量回收电路，其中回收控制电路被集成在一集成电路中，该集成电路包括耦接至辅助开关管源级端的第一端、耦接至集成电路第一端并耦接至原边开关管的第二端、以及耦接至辅助开关管漏级端的第三端。
10.如权利要求9所述的能量回收电路，其中当原边开关电流信号指示电流经该集成电路的第二端流进原边开关管时，辅助开关管被关断。
11.一种隔离电压变换器，包括：
变压器的原边绕组；
与原边绕组串联耦接的原边开关管；
钳位电容器；以及
如权利要求1至10任一项所述的能量回收电路。
12.一种用于隔离电压变换器的能量回收的方法，该隔离电压变换器包括具有原边绕组的变压器、与原边绕组串联耦接的原边开关管、与原边绕组并联耦接或者与原边开关管并联耦接的第一分支电路，该第一分支电路由辅助开关管与钳位电容串联耦接而成，该方法包括：
关断原边开关管；
基于辅助开关电压信号和辅助开关电流信号，在钳位电容器的充电过程中导通辅助开关管；
将钳位电容器的充电过程计时为第一时长，将钳位电容器随后的放电过程计时为第二时长；以及
在钳位电容器随后的放电过程结束时刻关断辅助开关管。
13.如权利要求12所述的方法，其中第二时长等于第一时长，将钳位电容器的充电过程计时为第一时长，将钳位电容器随后的放电过程计时为第二时长的步骤包括：
在辅助开关电流信号的正半周对以第一电流对计时电容器进行充电；以及
在辅助开关电流信号的负半周以第二电流对计时电容器进行放电，其中第一电流的数值等于第二电流的数值。
14.如权利要求13所述的方法，其中在钳位电容器随后的放电过程结束时刻关断辅助开关管的步骤包括将计时电容器两端的电压与零电压进行比较。
15.如权利要求12所述的方法，其中第二时长等于第一时长，其中将钳位电容器的充电过程计时为第一时长，将钳位电容器随后的放电过程计时为第二时长的步骤包括：
在辅助开关电流信号的正半周对以第一电流对第一计时电容器进行充电；以及
在辅助开关电流信号的负半周以第二电流对第二计时电容器进行充电，其中第一电流的数值等于第二电流的数值。
16.如权利要求15所述的方法，其中在钳位电容器随后的放电过程结束时刻关断辅助开关管的步骤包括：
将第一计时电容器两端的电压与第二计时电容器两端的电压进行比较；以及
在辅助开关管关断后放电第一计时电容器和第二计时电容器。
17.如权利要求12所述的方法，其中在辅助开关电流信号由负变正的过零点将辅助开关管关断。
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