CN113410994B - 一种有源钳位反激变换器及其控制方法 - Google Patents

一种有源钳位反激变换器及其控制方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种有源钳位反激变换器及其控制方法，在有源钳位反激变换器中，控制器检测副边绕组的电流，并在其接近零或者过零时刻，控制钳位开关管开通，实现钳位开关管在副边绕组电流接近零或者过零时刻开通。本发明消除现有双脉冲非互补模式或者单脉冲后沿非互补模式采用的第三绕组电压过零检测方式带来的死区谐振过程。避免了死区谐振过程的损耗和EMI骚扰，同时缩短变换器的工作周期，提升变换器的工作频率和效率。

Description

一种有源钳位反激变换器及其控制方法
技术领域
本发明涉及变换器技术领域，特别涉及一种有源钳位反激变换器及其控制方法。
背景技术
反激变换器因其成本低、拓扑简单等优点广泛应用于中小功率开关电源。在实际工作过程中，反激变换器由于漏感的存在，导致原边的能量不能全部传递到副边，留在原边的漏感能量与MOS管结电容之间谐振导致主开关管的漏极产生高频的电压尖峰。在产品设计过程中，为了减小主开关管的电压应力，通常的做法是添加适用的吸收电路，常见的吸收电路有RCD吸收电路、LCD吸收电路和有源钳位电路。其中，有源钳位电路添加额外的钳位开关管及较大的钳位电容，可以将漏感能量保存在钳位电容中，并回收此能量至变换器输入端。另外，由于漏感的电惯性，有源钳位电路在漏感能量的回收过程结束后通过反向励磁电流抽取主开关管漏端的结电容上的电荷，使得主开关管的漏极电压降低至零，从而实现主开关管的零电压开通(ZVS)，减小主开关管的开通损耗，进一步提高产品的功率密度。
请参考图1，图1为典型有源钳位反激变换器的电路图，有源钳位反激变换器100包括：漏感LK、励磁电感LM、钳位电容C_c、主开关管S1、钳位开关管S2、电流采样电阻RCS、变换器原边绕组NP、变换器副边绕组NS、整流二极管DR、变换器输出电容COUT、控制器120(即是该变换器的主控制芯片)以及隔离反馈电路130。控制器120通过采样变换器输出电压实现有源钳位反激变换器工作模式控制。
目前对于有源钳位反激变换器工作模式的控制分别为前沿非互补型、前沿非互补+QR控制型、后沿非互补型、互补型和双脉冲非互补型。控制类型繁多，但各有缺陷。
以现有双脉冲非互补控制模式为例，参考图2、图3所示，现有技术双脉冲非互补控制模式，第一脉冲时间为1/4的漏感与钳位电容的谐振周期，实现第一脉冲零电流关断，但其关断时刻为钳位电压最高点，主开关管漏极电压会快速钳位至Vin+nVo(Vin为输入电压，Vo为输出电压，Vin+nVo为输入电压加上输出反射到原边电感的钳位电压)，钳位开关管漏极和源极产生压差，会产生振荡。在第二脉冲打开时，会正激供电，导致副边功率管二次开通的问题。第二脉冲开启控制通过对辅助绕组过零检测，在延期3/4个谐振周期后实现开通，实现钳位开关管漏、源极电压波谷导通。该控制方法存在一个原边电感与开关管结电容的谐振周期的死区时间，该死区时间会带来谐振损耗和EMI问题，同时谐振时间为无用工作时间，降低了变换器的工作效率，限制了变换器的频率提升。
参考图6，现有技术单脉冲后沿非互补控制模式的反激变换器的时序如图所示。与现有双脉冲非互补控制模式时序一致，在T2-T3过程，钳位开关管体二极管导通替代钳位开关管开通，由于体二极管关断存在反向恢复过程，因此在T3关断时刻会产生更严重的震荡。
发明内容
鉴于现有技术的不足，本发明提供一种有源钳位反激变换器及其控制方法，解决双脉冲非互补控制模式和单脉冲后沿非互补模式下，钳位开关管后沿脉冲开通时，副边功率管二次开通的问题和第二脉冲开通控制带来的谐振过程问题，以及两种模式下T3时刻的震荡问题。
本发明提供一种有源钳位反激变换器的控制方法，检测过有源钳位反激变换器副边绕组的电流，当接近零或者过零时刻，控制有源钳位反激变换器的钳位开关管开通，实现副边绕组的电流过零后，无死区谐振过程开通钳位开关管。
作为一种适用情况，有源钳位反激变换器工作在双脉冲非互补模式，钳位开关管的第一次开通时刻是在有源钳位反激变换器的主开关管漏源极电压上升至Vin+nVo后开通，实现零电压开通，开通时间由有源钳位反激变换器的控制器设置，开通时间为有源钳位反激变换器的漏感和有源钳位反激变换器的谐振电容的1/2谐振周期或3/4谐振周期；当开通时间为1/2谐振周期时，钳位开关管第一次开通后的关断在钳位电压等于Vin+nVo时刻，关断后钳位管漏极和源极电压相等，不会发生振荡；当开通时间为3/4谐振周期时，钳位开关管第一次开通后的关断在漏感和谐振电容的谐振电流为零时刻，实现钳位管零电流关断，也可实现无振荡关断，且关断后钳位管源极电压会被钳位到Vin+nVo，高于钳位管漏极电压，钳位管体二极管会导通，平衡漏极和源极电压；钳位开关管的第二次开通在副边绕组的电流接近零或者过零时刻，钳位开关管实现零电压开通。作为另一种适用情况，有源钳位反激变换器工作在单脉冲后沿非互补模式，钳位开关管的开通在副边绕组的电流接近零或者过零时刻，钳位开关管实现零电压开通。
本发明还提供一种有源钳位反激变换器，应用上述控制方法，包括变换器、原边电路、副边电路、副边电流检测电路以及控制器，
原边电路包括原边电感、辅助绕组Lf、钳位电容C1、主开关管Q1、钳位开关管Q2和主控制器U1，钳位电容C1的一端与原边电感一端连接，钳位电容C1的另一端与钳位开关管Q2的漏极连接，原边电感的另一端与钳位开关管Q2的源极、主开关管Q1的漏极连接，主开关管Q1的源极与地连接，控制器分别与主开关管Q1栅极、钳位开关管Q2栅极、副边电流检测电路连接，用于接收反馈信号数据，且控制钳位开关管Q2和主开关管Q1，当有源钳位反激变换器副边绕组的电流接近零或者过零时，控制钳位开关管Q2开通，副边电流检测电路还和副边电路连接，用于采集副边电路中副边绕组电流大小并反馈给控制器。
术语解释：Vin为输入电压；Vo为输出电压；Vin+nVo为输入电压加上输出反射到原边电感的钳位电压。
附图说明
图1为有源钳位反激变换器的电路原理框图；
图2为现有技术双脉冲非互补控制模式反激变换器的原理图；
图3为现有技术双脉冲非互补控制模式反激变换器的时序图；
图4为本发明实施例一有源钳位反激变换器的原理图；
图5为本发明实施例一有源钳位反激变换器的时序图；
图6为为现有技术单脉冲后沿非互补控制模式反激变换器的时序图；
图7为本发明实施例二有源钳位反激变换器的时序。
具体实施方式
第一实施例
请参考图4，图4为本发明第一实施例的有源钳位反激变换器的原理图。包括：变换器、原边电路、副边电路、副边电流检测电路以及控制器。
原边电路包括励磁电感Lm、漏感Lk、辅助绕组Lf、钳位电容C1、主开关管Q1、钳位开关管Q2和主控制器U1。钳位电容C1的一端与漏感Lk一端连接，另一端与钳位开关管Q2的漏极连接；漏感Lk的另一端与励磁电感Lm的一端连接；励磁电感Lm的另一端与钳位开关管Q2的源极、主开关管Q1的漏极连接，钳位开关管Q2的栅极连接主控制器U1的Ili端，主开关管Q1的栅极连接主控制器U1的Li端，主开关管Q1的源极与地连接。
漏感Lk为寄生电感，与励磁电感Lm为一体，等效电路为漏感Lk与励磁电感Lm串联，漏感Lk和励磁电感Lm为原边电感。
副边电路包括去磁电感Ls、副边开关管Q3、副边储能电容C2和输出负载R3。去磁电感Ls的一端与储能电容C2一端、输出负载R3的一端和输出正端连接，另外一端与副边开关管Q3的漏极连接；副边开关管Q3的源极与副边储能电容C2另一端、输出负载R3的另一端和输出负端连接。
去磁电感Ls为副边电感(副边绕组)。
副边电流检测电路分别与主控制器U1和副边电路连接，用于采集副边绕组电流大小并反馈给主控制器U1。副边电流检测电路的一端连接主控制器U1的Isen端，副边电流检测电路的GND端连接副边开关管Q3的漏极，副边电流检测电路的dri端连接副边开关管Q3的栅极，副边电流检测电路的Isen端连接副边开关管Q3的源极。
本实施例为本发明控制方法应用于双脉冲非互补模式的反激变换器，钳位开光管Q2的第一脉冲开通时刻为主开关管Q1关断后延时若干时间，在主开关管Q1漏源极电压上升至Vin+nVo后开通，开通时间为漏感Lk和谐振电容容C1的谐振周期，由控制器参数设计实现。在钳位开关管Q2第一脉冲开通过程中，漏感Lk能量对钳位电容C1完成一次充放电。钳位开光管Q2关断时刻，谐振电流为零，钳位开关管漏、源极对地电压相等，为Vin+nVo，钳位开光管实现零电压、零电流关断。钳位开关管Q2第二脉冲打开时，副边绕组钳位电压小于或等于Vo，不会出现二次开通。
钳位开光管的第二脉冲开通控制，通过副边电流检测电路采样检测副边绕组电流接近零或者过零时刻，反馈给控制器，控制钳位开关管Q2的第二脉冲开通，实现钳位开关管Q2第二脉冲前无死区谐振过程，该时刻，钳位开关管Q2漏、源极对地电压相等，可实现第二脉冲零电压开通，开通时间由控制器参数设计实现。
请参考图5，图5为本发明第一实施例的有源钳位反激变换器的时序图，Q1为主开关管的栅极驱动波形，Q2为钳位开关管的栅极驱动波形，Q1：Vds为主开关管的漏源极电压波形，Q2：Vds为钳位开关管的漏源极电压波形，Nf为辅助绕组的电压波形，Ip为原边电感电流波形，Is为副边电感电流波形。
第1阶段(T0-T1)：该阶段为原边电感激磁过程。主开关管Q1导通，主开关管Q1的漏源极电压为零，钳位开关管Q2的漏源极电压保持上一周期关断时的钳位电压，辅助绕组Lf的电压等于-Vin*(Lf/Lm)0 . 5，原边电感电流线性上升，副边电感电流截止为零。
第2阶段(T1-T2)：该阶段为主开关管Q1关断到钳位开关管Q2开通的延时过程。T1时刻，主开关管Q1关断，主开关管Q1的漏源极电压为谐振上升，钳位开关管Q2的漏源极电压跟随主开关管Q1的漏源极电压下降，辅助绕组Lf的电压跟随主开关管Q1的漏源极上升，原边电感电流继续谐振上升，副边电感电流截止为零。T2时刻，钳位开关管Q2体二极管导通，钳位开关管Q2零电压开通，主开关管Q1的漏源极电压谐振上升至Vin+nVo，副边开关管Q3导通，励磁电感Lm和辅助绕组Lf被副边绕组钳位，原边电感电流开始下降。
第3阶段(T2-T4)：该阶段为漏感Lk与钳位电容C1谐振充放电过程。在前1/4谐振周期，主开关管Q1的漏源极电压继续谐振上升，钳位开关管Q2第一脉冲开通，漏源极电压约为零，辅助绕组Lf电压被副边绕组钳位；原边电感电流下降，副边电感电流上升。在1/4谐振周期时刻，主开关管Q1的漏源极电压达到最大，原边电感电流过零，副边电感电流到达最大值。在后1/2谐振周期，主开关管Q1的漏源极电压跟随漏感Lk和钳位电容C1谐振下降，钳位电容C1谐振放电，同时正激给副边电路，副边电感电流线性去磁叠加原边正激过来的耦合电流。T3时刻，主开关管Q1的漏源极钳位电压下降至Vin+nVo。当钳位开关管Q2在T3时刻关断，反激变换器时序如图5中T3-T4阶段的实线部分，可实现钳位开关管关断后漏极和源极电压相等，实现无振荡关断；
当钳位开关管Q2在T3时刻不关断，而在T4时刻关断，主开关管Q1的漏源极电压在T3时刻后跟随漏感Lk和钳位电容C1持续谐振下降，T4时刻，谐振电流为零。在T4时刻关断钳位开关管Q2，可实现零电流关断，反激变换器时序如图5中T3-T4阶段的虚线部分。
钳位开关管Q2在T3或T4时刻关断为最优。在实际应用中，钳位开关管可在T3-T4阶段任意时刻关断。T3-T4阶段钳位电压低于Vin+nVo，钳位开关管Q2关断后，主开关管Q1的漏源极钳位电压会上升至Vin+nVo，高于关断前电压，钳位开关管Q2的体二极管可导通续流，不会产生振荡。
第4阶段(T4-T5)：该过程为副边电路去磁过程。辅助绕组Lf受副边绕组钳位。T5时刻，副边绕组电流接近零或过零，钳位开关管Q2第二脉冲打开。
第5阶段(T5-T6)：该过程为钳位电容C1能量对原边电感反向励磁过程。T5时刻，钳位开关管Q2第二脉冲打开，钳位开关管Q2零电压导通，钳位电容C1对励磁电感Lm反向励磁，原边电感电流反向上升，主开关管Q1的漏源极电压谐振下降。
第6阶段(T6-T0)：该过程为原边电感反向去磁过程。由于第5阶段钳位电容C1对原边电感反向励磁。T6时刻，钳位开关管Q2关断，原边电感电流不能突变，维持电流惯性，对主开关管Q1结电容进行抽能量。主开关管Q1的漏源极电压下降至零，T0时刻主开关管Q1开通，实现零电压开通。
第二实施例
本发明第二实施例的有源钳位反激变换器的原理图与第一实施案例相同。本实施例与第一实施例相比，区别之处在于，有源钳位反激变换器为单脉冲后沿非互补模式，本模式区别于双脉冲非互补模式，无前沿脉冲放电过程，因此后沿脉冲打开时，钳位电容C1放电，会存在正激供电过程。
请参考图7，图7为本发明第二实施例的有源钳位反激变换器的时序图。Q1为主开关管的栅极驱动波形，Q2为钳位开关管的栅极驱动波形，Q1:Vds为主开关管的漏源极电压波形，Q2:Vds为钳位开关管的漏源极电压波形，Nf为辅助绕组的电压波形，Ip为原边电感电流波形，Is为副边电感电流波形。
第1阶段(T0-T1)：该阶段为原边电感激磁过程。主开关管Q1导通，主开关管Q1的漏源极电压为零，钳位开关管Q2的漏源极电压保持上一周期关断时的钳位电压，辅助绕组Lf的电压等于-Vin*Lf/Lm，原边电感电流线性上升，副边电感电流截止为零。
第2阶段(T1-T2)：该阶段为主开关管Q1关断到副边开关管Q3导通过程。T1时刻，主开关管Q1关断，主开关管Q1的漏源极电压谐振上升，钳位开关管Q2的漏源极电压跟随主开关管Q1的漏源极电压下降，辅助绕组Lf的电压跟随主开关管Q1的漏源极电压上升，原边电感电流继续谐振上升，副边电感电流截止为零。T2时刻，钳位开关管Q2漏源极电压下降为零时，钳位开关管Q2体二极管导通，主开关管Q1的漏源极电压谐振上升至Vin+nVo，副边开关管Q3导通，励磁电感Lm和辅助绕组Lf被副边绕组钳位。
第3阶段(T2-T3)：该阶段为漏感Lk与钳位电容C1谐振充电过程。主开关管Q1的漏源极电压继续谐振上升，T3时刻，谐振电流降到零，谐振电压达到最大值，由于钳位开关管Q2不开通，其体二极管反向截止，钳位电压C1被钳位，励磁电感Lm被输出钳位，因此T3时刻后，主开关管Q1的漏源极电压被钳位在Vin+nVo。
第4阶段(T3-T4)：该过程为副边电路去磁过程。辅助绕组Lf受副边绕组钳位。T4时刻，副边绕组电流接近零或过零，钳位开关管Q2后沿脉冲打开。
第5阶段(T4-T5)：该过程钳位电容C1和漏感Lk谐振过程，同时正激给副边电路供电。
第6阶段(T5-T6)：T5时刻，正激电流为零，励磁电感Lm退出副边钳位，参与到原边谐振。该过程C1及开关管结电容对励磁电流和漏感反向励磁。
第7阶段(T6-T0)：该过程为原边电感反向去磁过程。由于第6阶段钳位电容对原边电感反向励磁。T6时刻，钳位开关管关断，原边电感电流不能突变，维持电流惯性，对开关管结电容进行抽能量。主开关管的漏源极电压下降至零，T0时刻主开关管开通，实现零电压开通。
以上实施例的说明只是用于帮助理解本申请的发明构思，并不用以限制本发明，对于本技术领域的普通技术人员来说，凡在不脱离本发明原理的前提下，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 (5)

1.一种有源钳位反激变换器的控制方法，其特征在于：检测过有源钳位反激变换器副边绕组的电流，当副边绕组的电流接近零或者过零时刻，控制有源钳位反激变换器的钳位开关管开通，实现副边绕组的电流过零后，无死区谐振过程开通钳位开关管；所述有源钳位反激变换器工作在双脉冲非互补模式，钳位开关管的第一次开通时刻是在有源钳位反激变换器的主开关管漏源极电压上升至Vin+nVo后开通，Vin为输入电压，Vo为输出电压，Vin+nVo为输入电压加上输出反射到原边电感的钳位电压，实现零电压开通，开通时长由有源钳位反激变换器的控制器设置，开通时长为有源钳位反激变换器的漏感和有源钳位反激变换器的谐振电容的1/2谐振周期至3/4谐振周期，钳位开关管的第二次开通在副边绕组的电流接近零或者过零时刻，钳位开关管实现零电压开通。
2.根据权利要求1所述的控制方法，其特征在于，当所述开通时长为1/2谐振周期时，钳位开关管第一次开通后的关断在钳位电压等于Vin+nVo时刻，关断后钳位开关管漏极和源极电压相等，不会发生振荡。
3.根据权利要求1所述的控制方法，其特征在于，当所述开通时长为3/4谐振周期时，钳位开关管第一次开通后的关断在漏感和谐振电容的谐振电流为零时刻，实现钳位开关管零电流关断，也可实现无振荡关断，且关断后的钳位开关管源极电压会被钳位到Vin+nVo，高于钳位开关管漏极电压，钳位开关管体二极管会导通，平衡漏极和源极电压。
4.根据权利要求1所述的控制方法，其特征在于，当所述开通时长为1/2和3/4谐振周期之间时，钳位开关管第一次开通后的关断在钳位电压低于Vin+nVo时刻，关断后钳位开关管漏极电压高于源极电压，通过体二极管续流，不会发生振荡。
5.一种应用权利要求1所述控制方法的有源钳位反激变换器，其特征在于：包括变换器、原边电路、副边电路、副边电流检测电路以及控制器，
原边电路包括原边电感、辅助绕组Lf、钳位电容C1、主开关管Q1、钳位开关管Q2和主控制器U1，钳位电容C1的一端与原边电感一端连接，钳位电容C1的另一端与钳位开关管Q2的漏极连接，原边电感的另一端与钳位开关管Q2的源极、主开关管Q1的漏极连接，主开关管Q1的源极与地连接，控制器分别与主开关管Q1栅极、钳位开关管Q2栅极、副边电流检测电路连接，用于接收反馈信号数据，且控制钳位开关管Q2和主开关管Q1，副边电流检测电路还和副边电路连接，用于采集副边电路中副边绕组电流大小并反馈给主控制器U1；所述有源钳位反激变换器工作在双脉冲非互补模式，钳位开关管Q2的第一次开通时刻是在有源钳位反激变换器的主开关管Q1漏源极电压上升至Vin+nVo后开通，Vin为输入电压，Vo为输出电压，Vin+nVo为输入电压加上输出反射到原边电感的钳位电压，实现零电压开通，开通时长由有源钳位反激变换器的控制器设置，开通时长为有源钳位反激变换器的漏感和有源钳位反激变换器的谐振电容的1/2谐振周期至3/4谐振周期，钳位开关管的第二次开通在副边绕组的电流接近零或者过零时刻，钳位开关管实现零电压开通。
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