CN113489329B - 一种开关电源的控制方法及装置 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种开关电源的控制方法及装置，所述的开关电源至少包括主功率拓扑、输出电压检测反馈电路、控制IC、电源输入正端和电源输入负端，所述的主功率拓扑为有源钳位电路级联拓扑，所述的控制装置包括：输出电压检测电路、比较判断电路和逻辑控制电路；输出电压检测电路检测开关电源的输出电压，并将检测信号传递给比较判断电路，比较判断电路将检测信号与设定的阈值电压进行比较，判断开关电源的输出是否短路，输出短路判定信号，逻辑控制电路依据短路判定信号控制所述的钳位管的打开与关闭。本发明既能确保有源钳位电路级联拓扑工作在软开关状态，又能在输出短路的极端条件下系统输入均压单元保持均压状态。

Description

一种开关电源的控制方法及装置
技术领域
本发明涉及开关电源的控制方法及装置，适用于基于有源钳位电路级联拓扑的开关电源。
背景技术
在电力系统中很多场合需要超宽超高输入电压的取能电源，比如光伏、风能发电的控制系统，高压输电控制系统等系统的取能电源均与母线直接连接，其输入电压范围一般在200-1500VDC。为了满足超宽超高输入电压的需求，《电工技术杂志》2001年第5期中提出一种反激拓扑级联的拓扑，如图1所示，将该电路的原边电路拓展至2级或2级以上级联，此时原边电路包括：N级均压单元、N级初级开关单元、N级钳位电路单元、电源输入正端和电源输入负端，N为大于或等于2的正整数；各级均压单元至少包括一电容；各级初级开关单元至少包括串联连接的一初级绕组和一主功率开关管，各级初级开关单元中的初级绕组和主功率开关管位置可以交换，与各主功率开关管并联的二极管为该主功率开关管的体二极管；各级钳位电路单元为包括一电阻、一电容和一二极管组成的RCD无源钳位电路；各级均压单元串联后连接在电源输入正端和电源输入负端之间，每相邻两级均压单元之间形成均压串联点，各级初级开关单元与对应级的均压单元并联，各级初级开关单元中的主功率开关管的控制端施加同步的驱动信号，各级初级开关单元中的初级绕组同相控制且共磁芯，各级钳位单元与对应级的初级开关单元中的初级绕组并联，用于将对应的均压单元中的主功率开关管两端的电压钳位在一定数值的水平上，并基本保持不变，从而避免该主功率开关管上出现过大的电压应力。
上述图1所示电路具有自动均压的功能，但是该电路各级初级开关单元中的主功率开关管是硬开关状态，在超高输入电压条件下，各主功率开关管的开关损耗非常大，特别是高耐压的开关管器件其输出等效电容比较大，进一步加大了各主功率开关管的开关损耗，导致变换器效率低、产品可靠性低，产品设计的综合成本增加。
为了解决该公知电路的硬开关问题，降低主功率开关管的损耗，公开号为CN213243819U的中国专利申请文件中提出了一种软开关的高压输入反激变换器电路，如图2所示，该电路与图1不同之处在于至少有一级钳位电路单元为包括一电阻、一电容和一MOS管组成的有源钳位电路101，与该MOS管并联的二极管为其体二极管，图2所示电路的原边电路也能拓展至2级或2级以上级联，在本申请中将这类电路称之为有源钳位电路级联拓扑。
需要说明的是，采用有源钳位电路实现钳位主功率开关管两端的电压时，有源钳位电路既可以与对应级的初级开关单元中的初级绕组并联，也可以与对应级的初级开关单元中的主功率开关管并联，并且有源钳位的MOS管需要更换成P沟道MOS，类似图2那种用MOS管进行钳位的电路，这对于本领域的技术人员而言，属于公知常识。
图2所示电路通过引入有源钳位电路单元101，使得各主功率开关管在开通前漏源极之间的电压先降到0，实现各主功率开关管的ZVS(零电压开关：Zero VoltageSwitching)，降低变换器的损耗，其稳态时的工作原理在公开号为CN213243819U的中国专利申请文件中有详细阐述，在此不赘述。
图2所示的电路拓扑，目前公开的钳位管Q3和主功率开关管Q1、Q2的控制时序图主要分为图3所示的几种控制逻辑，从图3可知，不论是哪种控制方式，在主功率开关管Q1、Q2开通之前，钳位管Q3已经实现了至少1次的开通，然后经过一段死区时间td后主管再次导通，这些控制方案在电路稳态时均能够实现主功率开关管的ZVS。
但是在输出电压Vo短路时，会出现主功率开关管Q1电压击穿导致产品失效的情况，由于电路中设置了均压电路，本领域的技术人员没有意识到电路会再次出现电压不均衡的问题，导致相关问题一直无法从根本上予以解决解决，本申请的发明人经过大胆假设，小心求证，发现在输出电压Vo短路时会引起输入电容C1上的电压逐渐升高，从而出现电容C1和电容C2上的电压不均压，严重时就导致了主功率开关管Q1电压击穿，详细分析过程如下。
当图2所示的软开关型高压输入反激变换器电路在输出短路时，原边开通原边绕组N1、N2的激磁过程与稳态时相同。原边激磁结束后主功率MOS管Q1、Q2同时截止，此时次级二极管Do正向导通，而输出电压Vo端口为短路状态，因此次级绕组Ns同样被短路，在这个阶段时原边绕组N1、N2之间没有了互感，并且由于次级绕组Ns的短路，回路1中只存在漏感Lk1，其储存的能量会被充到电容C3，回路2中只存在漏感Lk2，其储存的能量会被充到电容C4。在主功率开关管Q1、Q2下一次同时导通前，钳位管Q3开通一段时间t1，电容C3上的电压Vc3会反向给原边绕组N1激磁，此时次级二极管Do同样会正向导通，同理次级绕组Ns也会短路，该条件下回路1、2中也只有漏感Lk1、Lk2存在，所以在时间t1内电容C3上的电压Vc3实际是在给漏感Lk1激磁，然后钳位管Q3关断进入死区时间td，在死区时间td内漏感Lk1会续流，其续流方向可能与回路1同向，也可能相反，续流方向主要受到时间t1的长短、电容C3的容值、漏感Lk1的感量大小的影响。当漏感Lk1在死区时间td内的续流方向与回路1方向一致时，电容C1和电容C2之间不会出现不均压现象；如果当漏感Lk1在死区时间td内的续流方向与回路1方向相反时，漏感Lk1储存的能量会被充到电容C1中，随着短路次数增多，电容C1上电压逐渐增大，导致电容C1、电容C2出现不均压，进而导致产品炸机。
从上述分析过程可知，调节钳位管Q3的导通时间t1、电容C3的容值、漏感Lk1的感量以及死区时间td的大小可以减小电容C1、电容C2不均压的风险，但是无法根除不均压风险，并且漏感Lk1的参数为变压器寄生参数，很难管控一致性，同时以上参数均会影响主功率MOS的ZVS状态，导致图2拓扑电路无法实现软开关。
发明内容
有鉴于此，本发明要解决的技术问题是提出一种开关电源的控制方法及装置，使得基于有源钳位电路级联拓扑的开关电源在输出短路时不会出现输入电容不均压的现象，提高产品的可靠性，并能确保各主功率开关管实现软开关。
为解决上述技术问题，本发明提供的开关电源的控制方法技术方案如下：
一种开关电源的控制方法，所述的开关电源至少包括主功率拓扑、输出电压检测反馈电路、控制IC、电源输入正端和电源输入负端，其特征在于：
所述的主功率拓扑为有源钳位电路级联拓扑，其原边电路包括：N级均压单元、N级初级开关单元和N级钳位电路单元，N为大于或等于2的正整数；各级均压单元至少包括一电容，各级均压单元串联后连接在所述的电源输入正端和所述的电源输入负端之间；各级初级开关单元至少包括串联连接的一初级绕组和一主功率开关管，各级初级开关单元与对应级的均压单元并联；各级钳位电路单元用于将对应的均压单元中的主功率开关管两端的电压钳位在一定数值的水平上，各级钳位电路单元中至少有一级为有源钳位电路，所述的有源钳位电路中至少包括一钳位管；
所述的控制方法包括如下步骤：
输出电压检测步骤，检测开关电源的输出电压，输出检测信号；
比较判断步骤，将检测信号与设定的阈值电压进行比较，判断开关电源的输出是否短路，输出短路判定信号；
逻辑控制步骤，依据短路判定信号控制所述的钳位管的打开与关闭。
进一步地，当检测信号大于或等于阈值电压时，输出短路判定信号维持不变，逻辑控制步骤控制所述的钳位管打开；当检测信号小于阈值电压时，输出短路判定信号翻转，逻辑控制步骤控制所述的钳位管的关闭，直至输出短路状态撤销，输出短路判定信号再次翻转，逻辑控制步骤重新控制所述的钳位管打开。
优选地，检测开关电源的输出电压为通过检测所述的电源输出正端的电压来实现。
进一步地，比较判断步骤输出的短路判定信号进行隔离后才提供至逻辑控制步骤。
优选地，检测开关电源的输出电压为通过检测辅助绕组的电压来实现。
优选地，所述的检测信号复用所述的输出电压检测反馈电路获得的相应的信号，或者通过独立检测获得。
优选地，所述的短路判定信号复用所述的输出电压检测反馈电路获得的相应的信号，或者通过独立检测获得。
优选地，所述的逻辑控制步骤由所述的控制IC来实现，或者由单独设计的逻辑门电路来实现。
对于地，本发明提供的开关电源的控制装置技术方案如下：
一种开关电源的控制装置，所述的开关电源至少包括主功率拓扑、输出电压检测反馈电路、控制IC、电源输入正端和电源输入负端，其特征在于：
所述的主功率拓扑为有源钳位电路级联拓扑，其原边电路包括：N级均压单元、N级初级开关单元和N级钳位电路单元，N为大于或等于2的正整数；各级均压单元至少包括一电容，各级均压单元串联后连接在所述的电源输入正端和所述的电源输入负端之间；各级初级开关单元至少包括串联连接的一初级绕组和一主功率开关管，各级初级开关单元与对应级的均压单元并联；各级钳位电路单元用于将对应的均压单元中的主功率开关管两端的电压钳位在一定数值的水平上，各级钳位电路单元中至少有一级为有源钳位电路，所述的有源钳位电路中至少包括一钳位管；
所述的控制装置包括如下电路：
输出电压检测电路，用于检测开关电源的输出电压，输出检测信号；
比较判断电路，用于将检测信号与设定的阈值电压进行比较，判断开关电源的输出是否短路，输出短路判定信号；
逻辑控制电路，用于依据短路判定信号控制所述的钳位管的打开与关闭。
进一步地，当检测信号大于或等于阈值电压时，输出短路判定信号维持不变，逻辑控制电路控制所述的钳位管打开；当检测信号小于阈值电压时，输出短路判定信号翻转，逻辑控制电路控制所述的钳位管的关闭，直至输出短路状态撤销，输出短路判定信号再次翻转，逻辑控制电路重新控制所述的钳位管打开。
优选地，检测开关电源的输出电压为通过检测所述的电源输出正端的电压来实现。
进一步地，比较判断步骤输出的短路判定信号进行隔离后才提供至逻辑控制电路。
优选地，检测开关电源的输出电压为通过检测辅助绕组的电压来实现。
优选地，输出电压检测电路与所述的输出电压检测反馈电路共用硬件电路，或者独立设计。
优选地，比较判断电路与所述的输出电压检测反馈电路共用硬件电路，或者独立设计。
优选地，所述的逻辑控制电路集成在所述的控制IC内部，或者通过独立设计逻辑门电路来实现。
与现有技术相比，本发明的有具有如下有益效果：
1、通过检测开关电源的输出状态实现对钳位管的驱动控制，既能确保有源钳位电路级联拓扑工作在软开关状态，提高电路效率，又能在输出短路的极端条件下使得输入均压单元保持均压状态，有效保护系统不损坏，提高产品的可靠性；
2、输出电压检测电路和比较判断电路功能简单，硬件电路成本低，易于设计，可靠性高，甚至可以直接共用输出电压检测反馈电路的硬件电路；
3、依据短路判定信号控制钳位管的打开与关闭即可实现发明目的，控制方式原理简单，易于实施。
附图说明
下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步的详细说明。
图1为现有公知技术的高耐压反激变换器电路的原理图；
图2为一种软开关的高压输入反激变换器电路图；
图3为目前公开的有源钳位控制方案示意图；
图4为本发明开关电源控制装置的第一实施例框图；
图5为本发明第一实施例的驱动时序示意图；
图6为本发明开关电源控制装置的第二实施例框图；
图7为本发明开关电源控制装置的第三实施例框图；
图8为本发明开关电源控制装置的第四实施例框图。
具体实施方式
需要说明的是，本申请相对于现有技术的贡献在于发现了导致背景技术所述技术缺陷的原因，该原因一旦找出，其解决方案就显而易见，故本申请需要将“发现原因”和“提出技术手段”共同认定为发明人需要跨越的技术障碍来评价创造性，为了使本发明更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
第一实施例
如图4所示为本发明开关电源控制装置的第一实施例框图，本实施例的控制装置的电路组成包括：输出电压检测电路、比较判断电路和逻辑控制电路，其中的逻辑控制电路集成在了开关电源的控制IC中，故图4中没有绘制独立的逻辑控制电路。
输出电压检测模块的功能为检测开关电源的输出端是否有输出电压，并输出检测信号到比较判断电路。比较判断电路的功能为将检测信号与设定的阈值电压进行比较，输出短路判定信号，进行隔离后输出到控制IC。控制IC为开关电源中的各主功率开关管(简称为主管)和钳位管提供正确的控制逻辑和时序，并输出主管驱动和钳位管驱动。
本实施例稳态时的工作原理与图2所示拓扑相同，当开关电源的输出端出现短路时的工作原理，结合图5所示驱动时序图分析如下：
在输出短路时，开关电源的输出电压Vo远低于正常电压，检测信号小于设定的阈值，此时比较判断电路判定为开关电源输出为短路状态，输出短路判定信号翻转，经隔离后传递到控制IC，此时控制IC根据设定的运算方案，关闭钳位管驱动，确保开关电源的输入均压单元保持均压状态。
当开关电源的输出短路状态撤销后，同样通过相同的反馈路径，重新打开钳位管驱动，确保有源钳位电路级联拓扑工作在软开关状态。
开关电源为了实现稳定工作，会设置输出电压检测反馈电路，用于实现闭环控制，为了节省电路成本、减小电路体积，本实施例中的输出电压检测电路、比较判断电路可以与输出电压检测反馈电路共用相同的硬件电路，对成本要求和体积不高的场合，也可以独立设计。
第二实施例
如图6所示为本发明开关电源控制装置的第二实施例框图，考虑到控制IC的设计和成本昂贵，当如图3公开的控制方案对应的集成电路基本已经设计完成并上市，为了避免改动控制IC中的控制逻辑，可以外置设计逻辑门电路实现对钳位管的驱动控制。控制IC输出的钳位管驱动信号与比较判断步骤输出的短路判定信号均作为逻辑门电路的输入端，经过逻辑运算后输出最终的钳位管驱动。本实施例添加逻辑门运算模块的控制方案工作原理与第一实施例一样，可实现如图5所示的驱动时序图。
第三实施例
如图7所示为本发明开关电源装置的第三实施例框图，在开关电源中常用辅助绕组来给控制IC供电，因为辅助绕组Na与输出绕组Ns同名端相同，故辅助绕组电压与输出电压成正比例关系，因此可通过检测辅助绕组电压来等效检测输出电压。通过辅助绕组Na与次级绕组Ns之间的变压器隔离，已实现了输出电压检测电路输出的检测信号的隔离，简化了比较判断电路的设计，不需要再做隔离处理。本实施例通过检测辅助绕组电压的控制方案工作原理与第一实施例一样，可实现如图5所示的驱动时序图。
第四实施例
如图8所示为本发明开关电源的控制装置的第四实施例框图，同样采用检测辅助绕组电压来等效检测输出电压，并将钳位管驱动控制部分使用外置的逻辑门电路替代。本实施例的控制方案工作原理仍然与第一实施例一样，可实现如图5所示的驱动时序图。
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，均落在本发明权利保护范围之内。

Claims (14)

1.一种开关电源的控制方法，所述的开关电源至少包括主功率拓扑、输出电压检测反馈电路、控制IC、电源输入正端和电源输入负端，其特征在于：
所述的主功率拓扑为有源钳位电路级联拓扑，其原边电路包括：N级均压单元、N级初级开关单元和N级钳位电路单元，N为大于或等于2的正整数；各级均压单元至少包括一电容，各级均压单元串联后连接在所述的电源输入正端和所述的电源输入负端之间；各级初级开关单元至少包括串联连接的一初级绕组和一主功率开关管，各级初级开关单元与对应级的均压单元并联；各级钳位电路单元用于将对应的均压单元中的主功率开关管两端的电压钳位在一定数值的水平上，各级钳位电路单元中至少有一级为有源钳位电路，所述的有源钳位电路中至少包括一钳位管；
所述的控制方法包括如下步骤：
输出电压检测步骤，检测开关电源的输出电压，输出检测信号；
比较判断步骤，将检测信号与设定的阈值电压进行比较，判断开关电源的输出是否短路，输出短路判定信号；
逻辑控制步骤，依据短路判定信号控制所述的钳位管的打开与关闭；
当检测信号大于或等于阈值电压时，输出短路判定信号维持不变，逻辑控制步骤控制所述的钳位管打开；当检测信号小于阈值电压时，输出短路判定信号翻转，逻辑控制步骤控制所述的钳位管的关闭，直至输出短路状态撤销，输出短路判定信号再次翻转，逻辑控制步骤重新控制所述的钳位管打开。
2.根据权利要求1所述的开关电源的控制方法，其特征在于：检测开关电源的输出电压为通过检测所述的电源输出正端的电压来实现。
3.根据权利要求2所述的开关电源的控制方法，其特征在于：比较判断步骤输出的短路判定信号进行隔离后才提供至逻辑控制步骤。
4.根据权利要求1所述的开关电源的控制方法，其特征在于：检测开关电源的输出电压为通过检测辅助绕组的电压来实现。
5.根据权利要求1所述的开关电源的控制方法，其特征在于：所述的检测信号复用所述的输出电压检测反馈电路获得的相应的信号，或者通过独立检测获得。
6.根据权利要求1所述的开关电源的控制方法，其特征在于：所述的短路判定信号复用所述的输出电压检测反馈电路获得的相应的信号，或者通过独立检测获得。
7.根据权利要求1所述的开关电源的控制方法，其特征在于：所述的逻辑控制步骤由所述的控制IC来实现，或者由单独设计的逻辑门电路来实现。
8.一种开关电源的控制装置，所述的开关电源至少包括主功率拓扑、输出电压检测反馈电路、控制IC、电源输入正端和电源输入负端，其特征在于：
所述的主功率拓扑为有源钳位电路级联拓扑，其原边电路包括：N级均压单元、N级初级开关单元和N级钳位电路单元，N为大于或等于2的正整数；各级均压单元至少包括一电容，各级均压单元串联后连接在所述的电源输入正端和所述的电源输入负端之间；各级初级开关单元至少包括串联连接的一初级绕组和一主功率开关管，各级初级开关单元与对应级的均压单元并联；各级钳位电路单元用于将对应的均压单元中的主功率开关管两端的电压钳位在一定数值的水平上，各级钳位电路单元中至少有一级为有源钳位电路，所述的有源钳位电路中至少包括一钳位管；
所述的控制装置包括如下电路：
输出电压检测电路，用于检测开关电源的输出电压，输出检测信号；
比较判断电路，用于将检测信号与设定的阈值电压进行比较，判断开关电源的输出是否短路，输出短路判定信号；
逻辑控制电路，用于依据短路判定信号控制所述的钳位管的打开与关闭；
当检测信号大于或等于阈值电压时，输出短路判定信号维持不变，逻辑控制电路控制所述的钳位管打开；当检测信号小于阈值电压时，输出短路判定信号翻转，逻辑控制电路控制所述的钳位管的关闭，直至输出短路状态撤销，输出短路判定信号再次翻转，逻辑控制电路重新控制所述的钳位管打开。
9.根据权利要求8所述的开关电源的控制装置，其特征在于：检测开关电源的输出电压为通过检测所述的电源输出正端的电压来实现。
10.根据权利要求8所述的开关电源的控制装置，其特征在于：比较判断步骤输出的短路判定信号进行隔离后才提供至逻辑控制电路。
11.根据权利要求8所述的开关电源的控制装置，其特征在于：检测开关电源的输出电压为通过检测辅助绕组的电压来实现。
12.根据权利要求8所述的开关电源的控制装置，其特征在于：输出电压检测电路与所述的输出电压检测反馈电路共用硬件电路，或者独立设计。
13.根据权利要求8所述的开关电源的控制装置，其特征在于：比较判断电路与所述的输出电压检测反馈电路共用硬件电路，或者独立设计。
14.根据权利要求8所述的开关电源的控制装置，其特征在于：所述的逻辑控制电路集成在所述的控制IC内部，或者通过独立设计逻辑门电路来实现。
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