CN114865922A - 一种控制方式平滑切换的有源箝位反激变换器 - Google Patents

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裴高飞
纪飞
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Abstract

本发明公开一种控制方式平滑切换的有源箝位反激变换器，属于电力电子领域，包括电压源Vin、输入电容C1、箝位电容Cc、下管MOS管Q1、上管MOS管Q2、原边绕组T1、输出电容C101、负载RL和二极管D101；箝位电容Cc的一端连接电压源Vin的输入端，另一端连接上管MOS管Q2的漏极；上管MOS管Q2的源极和下管MOS管Q1的漏极相连，并连接到所述变压器T1绕组的一端；所述下管MOS管Q1的源极和原边地相连；所述输出电容C101和所述负载RL并联在所述变压器T1绕组的另一端。本发明兼顾两种工作模式的各自优点，在适当的负载区间用迟滞回差比较的方法来平滑切换两种工作模式，可以在全负载范围，各种输入输出条件下实现高效率，高功率密度的优秀工作性能。

Description

一种控制方式平滑切换的有源箝位反激变换器
技术领域
本发明涉及电力电子技术领域，特别涉及一种控制方式平滑切换的有源箝位反激变换器。
背景技术
现有传统反激变换器为了提高效率，使用同步整流反激变换器；但是反激变换器固有的漏感损耗和主开关管硬开关损耗，极大影响了变换器的效率。现在为了提高效率出现了有源箝位反激变换器，实现了漏感的回收和主开关管的软开关特性，极大提高了变换器的效率。
有源箝位反激变换器有两种不同的工作模式，分别为互补式和非互补式工作模式。两种模式工作特点的不同决定了其各自适合的工作负载条件。互补式工作模式可以有效减小开关周期，提高工作频率，适合高频高功率密度应用，适用于重载条件；非互补工作模态可以有效增大开关周期，降低工作频率，提高变换器效率和性能，提升能源利用率，适用于轻载条件。
互补式有源箝位反激变换器的缺点是：在负载降低时，其工作频率会快速增加，导致变换器损耗增加；太高的开关频率使控制器本身也很难正常工作。而非互补式有源箝位反激变换器的缺点是：在满载或更大负载条件下，不能提供更高的工作频率，导致变换器不能使用小体积的变压器来实现小型化。
发明内容
本发明的目的在于提供一种互补式和非互补式平滑切换的有源箝位反激变换器，以解决电源变换器轻载工作频率太高导致损耗太大，或者满载工作频率不够高变压器不能小型化，这两者不能调和的问题。
为解决上述技术问题，本发明提供了一种控制方式平滑切换的有源箝位反激变换器，包括电压源Vin、输入电容C1、箝位电容Cc、下管MOS管Q1、上管MOS管Q2、原边绕组T1、输出电容C101、负载RL和二极管D101；
箝位电容Cc的一端连接电压源Vin的输入端，另一端连接上管MOS管Q2的漏极；上管MOS管Q2的源极和下管MOS管Q1的漏极相连，并连接到所述变压器T1绕组的一端；所述下管MOS管Q1的源极和原边地相连；
所述输出电容C101和所述负载RL并联在所述变压器T1绕组的另一端。
在一种实施方式中，所述控制方式平滑切换的有源箝位反激变换器还包括主控IC、驱动电路、光耦、副边反馈电路；
所述负载RL连接所述副边反馈电路，所述副边反馈电路、所述光耦、所述主控IC和所述驱动电路依次相连；
所述主控IC的外围设置电阻R1、R2，用来设定平滑切换时对应的负载电流大小值；所述主控IC的外围设置电容C2、C3，用来设定死区时间，以实现特定的工作频率。
在一种实施方式中，所述驱动电路同时与下管MOS管Q1的栅极和上管MOS管Q2的栅极连接。
在一种实施方式中，所述电阻R1、R2的一端连接所述主控IC，另一端接地；所述电容C2、C3的一端连接所述主控IC，另一端接地。
在一种实施方式中，所述输入电容C1并联在所述电压源Vin的两端，所述电压源Vin的输出端接原边地。
在本发明提供的一种控制方式平滑切换的有源箝位反激变换器电路，兼顾两种工作模式的各自优点，在适当的负载区间用迟滞回差比较的方法来平滑切换两种工作模式，可以在全负载范围，各种输入输出条件下实现高效率，高功率密度的优秀工作性能。
附图说明
图1是本发明提供的一种控制方式平滑切换的有源箝位反激变换器电路示意图；
图2是有源箝位反激变换器高边箝位示意图；
图3是有源箝位反激变换器低边箝位示意图；
图4是频率与负载关系工作模态示意图；
图5是反馈信号与负载关系示意图；
图6是互补式有源箝位反激变换器工作波形示意图；
图7是非互补式有源箝位反激变换器工作波形示意图。
具体实施方式
以下结合附图和具体实施例对本发明提出的一种互补式和非互补式有源箝位反激变换器作进一步详细说明。根据下面说明和权利要求书，本发明的优点和特征将更清楚。需说明的是，附图均采用非常简化的形式且均使用非精准的比例，仅用以方便、明晰地辅助说明本发明实施例的目的。
本发明提供了一种互补式和非互补式有源箝位反激变换器，其电路结构如图1所示，包括电压源Vin、输入电容C1、箝位电容Cc、下管MOS管Q1、上管MOS管Q2、变压器原边绕组T1、输出电容C101、负载RL和二极管D101；箝位电容Cc的一端连接电压源Vin的输入端，另一端连接上管MOS管Q2的漏极；上管MOS管Q2的源极和下管MOS管Q1的漏极相连，并连接到所述变压器原边绕组T1的一端；所述下管MOS管Q1的源极和原边地相连；所述输出电容C101和所述负载RL并联在所述变压器原边绕组T1的另一端。所述输入电容C1并联在所述电压源Vin的两端，所述电压源Vin的输出端接原边地。
所述控制方式平滑切换的有源箝位反激变换器还包括主控IC、驱动电路、光耦、副边反馈电路。所述驱动电路同时与下管MOS管Q1的栅极和上管MOS管Q2的栅极连接；所述负载RL连接所述副边反馈电路，所述副边反馈电路、所述光耦、所述主控IC和所述驱动电路依次相连。所述主控IC的外围设置电阻R1、R2，用来设定平滑切换时对应的负载电流大小值；所述主控IC的外围设置电容C2、C3，用来设定死区时间，以实现特定的工作频率；其中所述电阻R1、R2的一端连接所述主控IC，另一端接地；所述电容C2、C3的一端连接所述主控IC，另一端接地。
互补式有源钳位反激变换器工作模式采用上管MOS管和下管MOS管使用互补工作方式工作。上管MOS管关断后延迟一死区时间后下管MOS管开通。下管MOS管关断后延迟一死区时间后上管MOS管开通。
非互补式有源钳位反激变换器工作模式是上管MOS管和下管MOS管使用非互补工作方式。上管MOS管关断后延迟一死区时间后，上管MOS管再次开通一小段固定时间后马上关断，即上管MOS管在一个工作周期内会开通两次。上管MOS管第二次关断后延迟一死区时间后，下管MOS管开通。下管MOS管关断后延迟一死区时间后，上管MOS管开通。
互补式和非互补式有源箝位反激变换器的电路拓扑还可以分为高边箝位反激变换器和低边箝位反激变换器。高边箝位反激变换器拓扑如图2所示，上管功率MOS管(即Q2)的D端(即漏极)串联箝位电容Cc后连接到输入母线，而上管功率MOS管的S端(即源极)直接连接到变压器原边绕组T1动点一端。低边箝位反激变换器拓扑如图3所示，功率MOS管(即Q2)S端连接到地，D端串联箝位电容Cc后连接到变压器原边绕组T1动点一端。
电源工作状态从满载向轻载变化过程：
(1)电源在重载或满载工作条件时，电源工作在互补式有源箝位反激变换器模态，随着负载从满载慢慢减小负载，工作频率也会渐渐增加；
(2)图4所示，当负载减小到Io2时，电源工作模态会从互补式切换到非互补式，设计合适的非互补式高端驱动信号的最小死区时间Td3可以让工作频率的突变很小，使电源工作状态平滑过渡。
电源工作状态从轻载向满载变化过程：
(1)当电源在轻载工作条件时，电源工作在非互补式有源箝位反激变换器模态，随着负载从轻载慢慢增加负载，工作频率也会渐渐增加；
(2)图4所示，当负载增加到Io1时，电源工作模态会从非互补式切换到互补式，设计合适的互补式高端驱动信号的最小死区时间Td3可以让工作频率的突变很小，使电源工作状态平滑过渡。
(3)当负载继续增大时，互补式工作的电源开关频率会随着负载的增加而渐渐减小。直到负载增加到过流保护点发生保护为止。
本发明通过设定与负载大小一一对应的反馈信号，如图5所示，来设定互补模式或非互补模式控制。当负载从重载降低到Io2时工作模式从互补式切换为非互补式，当负载从Io2增加到Io1时原工作模式从非互补式切换为互补式，负载回差值是Io1-Io2；Io1和Io2是指输出负载电流大小。使用反馈信号迟滞回差比较信号实现两种工作模式之间的平滑切换。负载大小Io1和Io2可以分别用控制芯片的外置电阻来设定具体负载值的大小。主控芯片外置电阻R1设定Io1对应反馈电压VFB1，外置电阻R2设定Io2对应反馈电压VFB2。
本发明能够在电路负载增大到一定阈值时，能够自动切换到互补式有源箝位反激变换器工作模式，如图6所示：
(1)上管MOS管和下管MOS管的驱动波形是互补式的，两个驱动信号存在死区时间；
(2)互补式有源钳位反激变换器工作频率随负载减小而提高。
本发明能够在电路负载降低到一定阈值时，能够自动切换到非互补式有源箝位反激变换器工作模式，如图7所示：
(1)上管MOS管和下管MOS管的驱动波形是非互补式的，其中上管MOS管的驱动信号在一个周期内有两个脉冲波形，两个脉冲波形之间有延迟时间Td3；
(2)非互补式有源钳位反激变换器工作频率随负载减小而减小。
两种工作模态的平滑切换过程本质上是工作状态的动态过渡过程。所以两种工作状态在变化过程中的对应工作频率的突变不能太大，防止发生两种工作状态之间发生振荡的不稳定情况出现。所以非互补式有源箝位反激变换器工作状态中的死区时间Td3的设定也可以用控制器外部的电容C2来设定一个合理值，以做到在两种工作状态切换时能平滑过渡。
当电源负载降低到极轻载时，如图4所示的Io3，电源工作模式进入突发模式(BurstMode)，在该模式使用有限个数周期的非互补式有源箝位反激变换器在较高频率工作，使用控制器外部的电容C3来设置固定的死区时间Td4(Td4>Td3)让驱动信号工作在设定的较高固定工作频率。突发模式中具体驱动脉冲信号个数由反馈信号平均值设定。
本发明的电路在负载发生变化的过程中能够实现互补式和非互补式两种工作模式的平滑切换，兼顾重载和轻载电路工作状态，有利于提高电源系统开关频率，提高系统效率和功率密度。在重载条件下用互补式工作模态可以有效减小开关周期，提高工作频率，适合高频高功率密度应用。在轻载条件下非互补工作模态可以有效增大开关周期，降低工作频率，提高变换器效率和性能，提升能源利用率。兼顾两种工作模式的各自优点，在适当的负载区间用迟滞回差比较的方法来平滑切换两种工作模式。
上述描述仅是对本发明较佳实施例的描述，并非对本发明范围的任何限定，本发明领域的普通技术人员根据上述揭示内容做的任何变更、修饰，均属于权利要求书的保护范围。

Claims (5)

1.一种控制方式平滑切换的有源箝位反激变换器，其特征在于，包括电压源Vin、输入电容C1、箝位电容Cc、下管MOS管Q1、上管MOS管Q2、原边绕组T1、输出电容C101、负载RL和二极管D101；
箝位电容Cc的一端连接电压源Vin的输入端，另一端连接上管MOS管Q2的漏极；上管MOS管Q2的源极和下管MOS管Q1的漏极相连，并连接到所述变压器T1绕组的一端；所述下管MOS管Q1的源极和原边地相连；
所述输出电容C101和所述负载RL并联在所述变压器T1绕组的另一端。
2.如权利要求1所述的控制方式平滑切换的有源箝位反激变换器，其特征在于，所述控制方式平滑切换的有源箝位反激变换器还包括主控IC、驱动电路、光耦、副边反馈电路；
所述负载RL连接所述副边反馈电路，所述副边反馈电路、所述光耦、所述主控IC和所述驱动电路依次相连；
所述主控IC的外围设置电阻R1、R2，用来设定平滑切换时对应的负载电流大小值；所述主控IC的外围设置电容C2、C3，用来设定死区时间，以实现特定的工作频率。
3.如权利要求2所述的控制方式平滑切换的有源箝位反激变换器，其特征在于，所述驱动电路同时与下管MOS管Q1的栅极和上管MOS管Q2的栅极连接。
4.如权利要求2所述的控制方式平滑切换的有源箝位反激变换器，其特征在于，所述电阻R1、R2的一端连接所述主控IC，另一端接地；所述电容C2、C3的一端连接所述主控IC，另一端接地。
5.如权利要求1所述的控制方式平滑切换的有源箝位反激变换器，其特征在于，所述输入电容C1并联在所述电压源Vin的两端，所述电压源Vin的输出端接原边地。
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WO2024065588A1 (zh) * 2022-09-30 2024-04-04 华为数字能源技术有限公司 变换器及其控制方法

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