CN113922646B - 一种用于隔离型同步整流二次电源的防电流倒灌电路 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种用于隔离型同步整流二次电源的防电流倒灌电路，包括置于隔离型同步整流二次电源的输出电感与输出电容之间的电流采样放大电路K1、比较电路K2和屏蔽电路K3；电流采样放大电路K1对输出电感电流进行实时采样放大，并将采样放大值输出至比较电路K2；比较电路K2将输出电感电流的采样放大值与设定值相比较，当低于设定值时，比较电路K2输出高电平控制信号，否则为低电平；屏蔽电路K3用于实时检测原边开关管的驱动信号，当原边开关管的驱动信号产生时，屏蔽电路K3将比较电路K2的输出信号强制拉低。该防电流倒灌控制电路具有效率高，适用于各种电路拓扑，对于提高隔离型二次电源的综合性能具有重要实际价值。

Description

一种用于隔离型同步整流二次电源的防电流倒灌电路
技术领域
本发明涉及一种用于隔离型同步整流二次电源的防电流倒灌电路，属于电学技术领域。
背景技术
同步整流技术利用可控的开关管替代二极管实现整流功能，可显著降低航天器二次电源系统的功率损耗，大幅度提升工作效率。但同时同步整流技术的引入会导致严重的电流倒灌问题，严重威胁航天器二次电源的在轨长期可靠工作。
目前国内外具有防电流倒灌功能的同步整流控制芯片，绝大多数仅适用于非隔离型二次电源，且不具备抗辐照特性，工作温度范围小，无法在航天器隔离型同步整流电源中应用。
发明内容
本发明解决的技术问题是：克服现有技术的不足，提出一种用于隔离型同步整流二次电源的防电流倒灌电路，利用镜像电流源对输出电感电流进行采样放大，通过比较采样值与设定值，进而控制隔离型同步整流电源的副边开关管的驱动信号，实现输出电感电流过零前关断副边开关管，以有效抑制倒灌电流，提高电路的可靠性与安全性，适用于各种隔离型同步整流电源拓扑。
本发明解决技术的方案是：
一种用于隔离型同步整流二次电源的防电流倒灌电路，包括置于隔离型同步整流二次电源的输出电感与输出电容之间的电流采样放大电路K1、比较电路K2和屏蔽电路K3，
电流采样放大电路K1对输出电感电流进行实时采样放大，并将采样放大值输出至比较电路K2；比较电路K2将输出电感电流的采样放大值与设定值相比较，当低于设定值时，比较电路K2输出高电平控制信号，否则为低电平；屏蔽电路K3用于实时检测原边开关管的驱动信号，当原边开关管的驱动信号产生时，屏蔽电路K3将比较电路K2的输出信号强制拉低；驱动控制电路接收比较电路K2的输出控制信号，当为高电平时，驱动控制电路关闭副边开关管驱动信号，从而实现当输出电感电流过零前关闭副边开关管的控制逻辑功能。
进一步的，所述电流采样放大电路K1包括三极管Q1、Q2、Q3、电阻R1、R2、R3、R4、R5、R6、R7及电容C1、C2；所述电阻R1、R2的一端与电容C1的一端相接，电阻R1的另一端与电阻R3的一端连接，电阻R2、R3的另一端分别接至三极管Q1、Q2的射极，三极管Q1的基极、集电极与三极管Q2的基极相接，三极管Q2的集电极与三极管Q3的基极相接，三极管Q3的射极接至三极管Q1的射极，三极管Q3的集电极与电阻R7的一端相接，电阻R7的另一端接至地，电阻R4一端与Q1的集电极相接，另一端与电容C1、电阻R5、R6相接于P1点，电阻R5的另一端与三极管Q3的基极相接，电阻R6的另一端接至地，电容C2与电阻R7并联相接。
进一步的，电阻R1对输出电感电流进行实时采样，将电流值转换为电压值。
进一步的，三极管Q1、Q2、Q3、电阻R2、R3、R4、R5、R6、R7构成的镜像电流源放大电路对采样值进行线性放大，电阻R7两端电压值VR7为输出电感电流的采样放大值，也即电流采样放大电路K1的输出信号。
进一步的，所述比较电路K2包括比较器U1及VREF直流电源，比较器U1的输入正端接至VREF直流电源，输入负端与电阻R7的一端相接，输出端P2点接至二次电源驱动控制电路。
进一步的，比较器U1的输入负端接收电流采样放大电路K1的输出信号VR7，并将其与输入正端的设定值VREF比较，当VR7小于VREF时，比较器U1的输出，即P2点输出高电平，否则输出低电平。
进一步的，所述屏蔽电路K3包括电阻R8、R9、电容C3、二极管D1、三极管Q4；电阻R8一端与驱动控制电路输出的原边开关管驱动信号相接于P4点，电阻R8另一端与电容C3的一端相接，电容C3的另一端与电阻R9、二极管D1的阴极、三极管Q4的基极相接于P3点，电阻R9的另一端与二极管D1的阳极接至地，三极管Q4的集电极接至P2点，三极管Q4的射极接至地。
进一步的，当原边驱动信号产生时，即P4点电压升高，则P3点电压随之升高，三极管Q4导通，将P2点电压强制拉低。
进一步的，当原边驱动信号未产生时，P4点电压为低，三极管Q4关断，屏蔽电路K3放开对P2点的控制。
进一步的，防电流倒灌电路的输出，即为P2点电压，二次电源的驱动控制电路接收P2点的电压信号，当P2点电压为高时，表明输出电感电流过小，存在倒灌风险，此时驱动控制电路关闭副边开关管的驱动信号，使副边开关管关断，防止电流倒灌；当P2点电压为低时，驱动控制电路按控制逻辑正常输出副边开关管驱动信号。
本发明与现有技术相比的有益效果是：
(1)本发明利用镜像电流源对输出电感电流进行采样放大，通过比较采样值与设定值，进而控制隔离型同步整流电源的副边开关管的驱动信号，实现输出电感电流过零前关断副边开关管，以有效抑制倒灌电流，提高电路的可靠性与安全性，适用于各种隔离型同步整流电源拓扑；
(2)本发明通过实时检测输出电感电流值，实现输出电感电流过零前对副边开关管的关断控制，MATLAB Simulink仿真结果表明当二次电源工作于强制连续导通模式时，该防电流倒灌控制电路可有效抑制倒灌电流值，良好解决电流倒灌问题；
(3)无论二次电源工作于任何导通模式下，该防电流倒灌控制电路均不影响二次电源的正常工作及环路稳定性，该防电流倒灌控制电路具有效率高，器件少，简单可靠，适用于各种隔离型电路拓扑等优点。
附图说明
图1为本发明电路应用于半桥-全波整流拓扑时的电路图；
图2为本发明电路工作于强制连续导通模式(FCCM)MATLAB Simulink仿真波形图；
图3为本发明电路工作于连续导通模式(CCM)MATLAB Simulink仿真波形图。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明作进一步阐述。
本发明提出的用于隔离型同步整流二次电源的防电流倒灌控制方法，由三部分构成，第一部分为输出电感电流的采样放大电路K1。其中，Q1和Q2构成镜像电流源，R2、R7、Q3构成放大电路。R1为精密采样电阻，用于将输出电感电流采样为电压信号。C1用于稳定各三极管的静态工作点。C2对输出电感电流采样电压进行滤波。第二部分为比较电路K2，其中U1为比较器。通过比较输出电感电流采样电压与设定基准值VREF来控制副边开关管的驱动信号。第三部分为屏蔽电路K3，用于解决电流采样放大电路的延时问题。
假定流过输出电感L1的电流为IL，流过采样电阻R1的电流为IR1，Q1的基极电流和集电极电流分别为Ib1和Ic1，Q2的基极电流和集电极电流分别为Ib2和Ic2，Q3的基极电流和集电极电流分别为Ib3和Ic3。则流过R2和R3的电流分别为：
IR2＝Ic1+Ic3+Ib1+Ib3 (1)
IR3＝Ic2+Ib2 (2)
由基尔霍夫电压定律可知：
VR1+VR3+Veb2＝VR2+Veb1 (3)
其中Veb1和Veb2分别为Q1和Q2的射极-基极电压。理想情况下镜像电流源中Q1和Q2的参数完全一致，则有Veb1＝Veb2。将式(1)和式(2)代入式(3)中并化简可得：
IR1R1+(Ic2+Ib2)R3＝(Ic1+Ic3+Ib1+Ib3)R2 (4)
由于镜像电流源中Ib1＝Ib2，Ic1＝Ic2，且当取R2＝R3时，进一步化简可得：
IR1R1＝(Ic3+Ib3)R2 (5)
则电流采样放大电路K1的输出电压，即R7两端的电压为：
其中βQ3为Q3的电流放大系数，当βQ3>>1时，R7两端的电压与流过精密采样电阻的电流IR1近似成线性关系。
同时，由于流过电阻R2的电流IR2为毫安级，而输出电感电流往往为数安级，因此流过输出电感的电流与流过精密采样电阻的电流基本相等，即：
IL＝IR1+IR2≈IR1 (7)
因此式(6)也可写为：
通过设定比较器U1的基准电压VREF，实现当输出电感电流降至一定值后，R7的电压VR7将小于VREF，此时比较器U1的输出电压由低变高，进而控制副边开关管的驱动关断，防止电流倒灌。
屏蔽电路K3用于解决防电流倒灌电路的延迟问题，电流倒灌问题主要发生于原边开关管关断而副边开关管导通期间，输出电容的倒灌能量无法向输入端释放，只能释放于副边开关管导致其损坏。当原边开关管开通时，倒灌能量可向输入端释放因此此时不必关断副边开关管。当原边驱动产生后，输出电感电流开始增大，但起初输出电感电流的采样放大值VR7仍低于基准电压VREF，因此副边开关管不能跟随原边开关管的开通而开通，电流仍只能通过体二极管流通，导致过大的功率损耗和过低的工作效率。为解决防电流倒灌电路的延迟问题，引入屏蔽电路K3实时检测原边开关管驱动信号，当原边驱动产生时，P3点电压变高，三极管Q4导通，将P2点电压强制拉低，从而无论输出电感电流是否过小，副边开关管均能跟随原边开关管同步开通。
使用MATLAB Simulink软件对本发明提出的一种用于隔离型同步整流二次电源的防电流反灌电路进行仿真及验证，主功率拓扑采用半桥-全波整流拓扑，其中输出电感量为5.5uH，Vin＝54V，Vout＝25V，变压器匝比Nps＝3:4，开关管工作频率为100kHz，基准电压VREF为0.3V，电路图如图1所示。
二次电源工作于强制连续导通模式(FCCM)的仿真结果如图2所示。IL为输出电感的电流波形，VR7为电流采样放大电路K1的输出电压，Vgs-M1为原边开关管M1的驱动波形，Vgs-M4为与M1同开的副边开关管M4的驱动波形，VU1OUT为防电流倒灌电路的输出点P2的电压波形。由图2可知，当二次电源工作于FCCM模式时，输出电感电流存在过零点。但当输出电感电流IL降至0.24A时，采样电压VR7降至基准值VREF以下，使得副边开关管的驱动关闭，实现在电流倒灌之前关断副边开关管。同时，原边开关管的驱动产生时，虽然采样电压VR7还未上升至基准值以上，但由于屏蔽电路的存在，P2点电压被强制拉低，副边开关管的驱动正常产生。
二次电源工作于连续导通模式(CCM)时的仿真结果如图3所示。此时电感电流不存在过零点，采样电压VR7始终高于基准值VREF，因此P2点电压始终为低，驱动控制电路按正常驱动逻辑输出原副边开关管驱动信号。
目前国内外具有防电流倒灌功能的同步整流控制芯片，绝大多数仅适用于非隔离型二次电源，且不具备抗辐照特性，工作温度范围小，无法在航天器隔离型同步整流电源中应用。本发明提出的一种用于隔离型同步整流二次电源的防电流反灌电路，通过实时检测输出电感电流实现输出电感电流过零前对副边开关管的关断控制。
MATLAB Simulink仿真结果表明当二次电源工作于强制连续导通模式(FCCM，Forced Current Continuous Mode)时，该防电流倒灌控制电路可有效抑制倒灌电流值，良好解决电流倒灌问题。同时无论二次电源工作于任何导通模式下，该防电流倒灌控制电路均不影响二次电源的正常工作及环路稳定性。该防电流倒灌控制电路具有效率高，器件少，简单可靠，适用于各种隔离型电路拓扑等优点。
本发明虽然已以较佳实施例公开如上，但其并不是用来限定本发明，任何本领域技术人员在不脱离本发明的精神和范围内，都可以利用上述揭示的方法和技术内容对本发明技术方案做出可能的变动和修改，因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化及修饰，均属于本发明技术方案的保护范围。

Claims (4)

1.一种用于隔离型同步整流二次电源的防电流倒灌电路，其特征在于，包括置于隔离型同步整流二次电源的输出电感与输出电容之间的电流采样放大电路K1、比较电路K2和屏蔽电路K3，
电流采样放大电路K1对输出电感电流进行实时采样放大，并将采样放大值输出至比较电路K2；比较电路K2将输出电感电流的采样放大值与设定值相比较，当低于设定值时，比较电路K2输出高电平控制信号，否则为低电平；屏蔽电路K3用于实时检测原边开关管的驱动信号，当原边开关管的驱动信号产生时，屏蔽电路K3将比较电路K2的输出信号强制拉低；驱动控制电路接收比较电路K2的输出控制信号，当为高电平时，驱动控制电路关闭副边开关管驱动信号，从而实现当输出电感电流过零前关闭副边开关管的控制逻辑功能；
所述电流采样放大电路K1包括三极管Q1、Q2、Q3、电阻R1、R2、R3、R4、R5、R6、R7及电容C1、C2；所述电阻R1、R2的一端与电容C1的一端相接，电阻R1的另一端与电阻R3的一端连接，电阻R2、R3的另一端分别接至三极管Q1、Q2的射极，三极管Q1的基极、集电极与三极管Q2的基极相接，三极管Q2的集电极与三极管Q3的基极相接，三极管Q3的射极接至三极管Q1的射极，三极管Q3的集电极与电阻R7的一端相接，电阻R7的另一端接至地，电阻R4一端与Q1的集电极相接，另一端与电容C1、电阻R5、R6相接于P1点，电阻R5的另一端与三极管Q3的基极相接，电阻R6的另一端接至地，电容C2与电阻R7并联相接；
电阻R1对输出电感电流进行实时采样，将电流值转换为电压值；
三极管Q1、Q2、Q3、电阻R2、R3、R4、R5、R6、R7构成的镜像电流源放大电路对采样值进行线性放大，电阻R7两端电压值VR7为输出电感电流的采样放大值，也即电流采样放大电路K1的输出信号；
所述比较电路K2包括比较器U1及VREF直流电源，比较器U1的输入正端接至VREF直流电源，输入负端与电阻R7的一端相接，输出端P2点接至二次电源驱动控制电路；
比较器U1的输入负端接收电流采样放大电路K1的输出信号VR7，并将其与输入正端的设定值VREF比较，当VR7小于VREF时，比较器U1的输出，即P2点输出高电平，否则输出低电平；
所述屏蔽电路K3包括电阻R8、R9、电容C3、二极管D1、三极管Q4；电阻R8一端与驱动控制电路输出的原边开关管驱动信号相接于P4点，电阻R8另一端与电容C3的一端相接，电容C3的另一端与电阻R9、二极管D1的阴极、三极管Q4的基极相接于P3点，电阻R9的另一端与二极管D1的阳极接至地，三极管Q4的集电极接至P2点，三极管Q4的射极接至地。
2.根据权利要求1所述的一种用于隔离型同步整流二次电源的防电流倒灌电路，其特征在于，当原边驱动信号产生时，即P4点电压升高，则P3点电压随之升高，三极管Q4导通，将P2点电压强制拉低。
3.根据权利要求2所述的一种用于隔离型同步整流二次电源的防电流倒灌电路，其特征在于，当原边驱动信号未产生时，P4点电压为低，三极管Q4关断，屏蔽电路K3放开对P2点的控制。
4.根据权利要求1所述的一种用于隔离型同步整流二次电源的防电流倒灌电路，其特征在于，防电流倒灌电路的输出，即为P2点电压，二次电源的驱动控制电路接收P2点的电压信号，当P2点电压为高时，表明输出电感电流过小，存在倒灌风险，此时驱动控制电路关闭副边开关管的驱动信号，使副边开关管关断，防止电流倒灌；当P2点电压为低时，驱动控制电路按控制逻辑正常输出副边开关管驱动信号。
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GR01 Patent grant
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CB03 Change of inventor or designer information

Inventor after: Wang Chao

Inventor after: Qin Siming

Inventor after: Xu Wei

Inventor after: Wang Han

Inventor after: Wang Bangxing

Inventor before: Wang Chao

Inventor before: Wang Peifei

Inventor before: Xu Wei

Inventor before: Wang Han

Inventor before: Wang Bangxing