CN115765480A - 一种针对宽电压输入范围的开关管串联反激拓扑电路 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种针对宽电压输入范围的开关管串联反激拓扑电路，基于反激控制器与开关管S2的驱动电路、高压分压钳位单元、辅助开关管驱动单元、限流防反灌电路、高压RCD的缓冲电路、变压器、二次侧二极管、开关管S1的驱动电路、开关管S1和开关管S2构建串联开关管驱动模拟电路，使多个开关管在高压场景下进行分压，扩大开关管选取范围，提升开关管可靠性，解决传统反激变换器的高开关管应力问题，同时改善变换器效率，拓宽变换器的应用范围。同时本发明通过稳压二极管，辅助二极管实现辅助开关管的自通断，避免额外的数字驱动降低成本，并降低开关管电压应力，适用于宽范围高压输入的反激DC/DC变换器拓扑设计。
Description
技术领域
本发明属于高压辅助电源应用技术领域，尤其是一种针对宽电压输入范围的开关管串联反激拓扑电路。
背景技术
近年来，随着科技进步，电力电子技术的不断突破，对于设备的场景需求越发严苛，低成本小型化高效率成为了设备研发的普遍需求。而对于宽范围高压输入的特殊场景，往往需要在变换装置中引入小型化低成本及高效可靠的辅助电源，以为整体设备的控制、采样等电路供电。而通常对于需要多电平的辅助电源往往采用反激变换拓扑，但是传统的反激拓扑采用单开关管结构，其应力特性难以应对高压输入、二次侧反射电压以及电压尖峰的叠加负担。亟需提出一种针对宽电压输入范围的开关管串联反激拓扑，实现低成本宽范围高效运行。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的不足，提出一种针对宽电压输入范围的开关管串联反激拓扑电路，通过稳压二极管的特性构建串联开关管驱动模拟电路，使多个开关管在高压场景下进行分压，扩大开关管选取范围，提升开关管可靠性，解决传统反激变换器的高开关管应力问题，同时改善变换器效率，拓宽变换器的应用范围。
本发明解决其技术问题是采取以下技术方案实现的：
一种针对宽电压输入范围的开关管串联反激拓扑电路，包括反激控制器与开关管S2的驱动电路、高压分压钳位单元、辅助开关管驱动单元、限流防反灌电路、高压RCD的缓冲电路、变压器、二次侧二极管、开关管S1的驱动电路、开关管S1和开关管S2，其中，电源输入正极分别连接限流防反灌电路的一端和高压RCD的缓冲电路的一端，限流防反灌电路的另一端分别连接高压分压钳位单元一端和辅助开关管驱动单元一端，高压分压钳位单元的另一端连接电源输入负极，高压RCD的缓冲电路串联开关管S1、开关管S2和电源输入负极，辅助开关管驱动单元的另一端分别连接开关管S1的另一端和开关管S2的一端，变压器的一次侧并联在高压RCD的缓冲电路的两端，变压器的二次侧连接二次侧二极管的一端，二次侧二极管的另一端连接输出电压，反激控制器与开关管S2的驱动电路并联在开关管S2的两侧，开关管S1的驱动电路并联在开关管S1的两侧。
而且，所述反激控制器连接开关管S2的栅极，开关管S2的驱动电路并联在开关管S2的源极和漏极，用于电路保护，调整输出并为开关管S2提供特定需求频率与占空比的驱动信号，所述开关管S1的驱动电路并联在开关管S1的源极和漏极。
而且，所述高压分压钳位单元包括高压钳位二极管Z1和电容C1，其中，限流防反灌电路的一端分别连接高压钳位二极管Z1的阴极和电容C1的一端，高压钳位二极管Z1的阳极和电容C1的另一端连接电源输入负极。
而且，所述辅助开关管驱动单元包括低压钳位二极管Z2和电容C2，限流防反灌电路的一端分别连接低压钳位二极管Z2的阴极、电容C2的一端和开关管S1的栅极，低压钳位二极管Z2的阳极和电容C2的另一端连接开关管S1的源极。
而且，所述限流防反灌电路包括高压限流电阻R1与二极管D1，电源输入正极连接二极管D1的正极，二极管D1的负极连接高压限流电阻R1的一端，高压限流电阻R1的另一端连接高压分压钳位单元的一端，限流防反灌电路用于防止在低压运行条件下，开关管S2关断时，其漏源极电压高于输入电压场景时导致的电流反灌现象，保证低压运行时辅助开关管驱动的恒导通，并且通过调节限流电阻阻值，结合电容C1和电容C2，改变电容充放电时间，调整驱动电压的电平状态。
而且，所述高压RCD的缓冲电路用于抑制开关管S2关断时的电压振荡，变压器用于电气隔离及高增益电压转换。
而且，所述二次侧二极管包括二极管D和电容Cout，其中电压输出端的正极分别连接二极管D的负极和电容Cout的一端，二极管D的正极分别连接电容Cout的另一端，二次侧二极管用于输出电压反激稳压输出。
本发明的优点和积极效果是：
本发明基于反激控制器与开关管S2的驱动电路、高压分压钳位单元、辅助开关管驱动单元、限流防反灌电路、高压RCD的缓冲电路、变压器、二次侧二极管、开关管S1的驱动电路、开关管S1和开关管S2构建串联开关管驱动模拟电路，使多个开关管在高压场景下进行分压，扩大开关管选取范围，提升开关管可靠性，解决传统反激变换器的高开关管应力问题，同时改善变换器效率，拓宽变换器的应用范围。同时本发明通过稳压二极管，辅助二极管实现辅助开关管的自通断，避免额外的数字驱动降低成本，并降低开关管电压应力，适用于宽范围高压输入的反激DC/DC变换器拓扑设计。
附图说明
图1为本发明的电路结构图；
图2为本发明具体实施例300V输入典型波形图；
图3为本发明电路300V输入模态图；
图4为本发明具体实施例1500V输入典型波形图；
图5为本发明电路1500V输入模态图。
具体实施方式
以下结合附图对本发明做进一步详述。
一种针对宽电压输入范围的开关管串联反激拓扑电路，如图1所示，包括反激控制器与开关管S2的驱动电路1、高压分压钳位单元2、辅助开关管驱动单元3、限流防反灌电路4、高压RCD的缓冲电路5、变压器6、二次侧二极管7、开关管S1的驱动电路、开关管S1和开关管S2，其中，电源输入正极分别连接限流防反灌电路的一端和高压RCD的缓冲电路的一端，限流防反灌电路的另一端分别连接高压分压钳位单元一端和辅助开关管驱动单元一端，高压分压钳位单元的另一端连接电源输入负极，高压RCD的缓冲电路串联开关管S1、开关管S2和电源输入负极，辅助开关管驱动单元的另一端分别连接开关管S1的另一端和开关管S2的一端，变压器的一次侧并联在高压RCD的缓冲电路的两端，变压器的二次侧连接二次侧二极管的一端，二次侧二极管的另一端连接输出电压，反激控制器与开关管S2的驱动电路并联在开关管S2的两侧，开关管S1的驱动电路并联在开关管S1的两侧。
反激控制器连接开关管S2的栅极，开关管S2的驱动电路并联在开关管S2的源极和漏极，用于电路保护，调整输出电压并为开关管S2提供特定需求频率与占空比的驱动信号，所述开关管S1的驱动电路并联在开关管S1的源极和漏极。
高压分压钳位单元包括高压钳位二极管Z1和电容C1，其中，限流防反灌电路的一端分别连接高压钳位二极管Z1的阴极和电容C1的一端，高压钳位二极管Z1的阳极和电容C1的另一端连接电源输入负极。
辅助开关管驱动单元包括低压钳位二极管Z2和电容C2，限流防反灌电路的一端分别连接低压钳位二极管Z2的阴极、电容C2的一端和开关管S1的栅极，低压钳位二极管Z2的阳极和电容C2的另一端连接开关管S1的源极。
限流防反灌电路包括高压限流电阻R1与二极管D1，电源输入正极连接二极管D1的正极，二极管D1的负极连接高压限流电阻R1的一端，高压限流电阻R1的另一端连接高压分压钳位单元的一端，限流防反灌电路用于防止在低压运行条件下，开关管S2关断时其漏源极电压高于输入电压场景时导致的电流反灌现象，保证低压运行时辅助开关管驱动的恒导通，并且通过调节限流电阻阻值，结合电容C1和电容C2，改变电容充放电时间，调整驱动电压的电平状态。
高压RCD的缓冲电路用于抑制开关管S2关断时的电压振荡。
变压器用于电气隔离及高增益电压转换。
二次侧二极管包括二极管D和电容Cout，其中电压输出端的正极分别连接二极管D的负极和电容Cout的一端，二极管D的正极分别连接电容Cout的另一端，二次侧二极管用于输出电压反激稳压输出。
根据上述一种针对宽电压输入范围的开关管串联反激拓扑电路，通过输入300-1500V输入电压进行测试，以验证本发明的效果。
如图2所示为300V输入典型波形图，反激拓扑电路在300V电压下的工况如图3所示，包括5个阶段，分别为t0-t1阶段、t1-t2阶段、t2-t3阶段、t3-t4阶段和t4-t5阶段：
t0-t1阶段：开关管S2开始导通，其漏源极电压Vds2下降，开关管S2漏极电位下降，由于电容两端电压不能突变，低压钳位二极管Z2阴极电位开始下降，低压钳位二极管Z2处于导通状态，电容C1放电，电容C2充电，电容C2充电电流等于电容C1放电电流与低压钳位二极管Z2电流之和，电容C2电压上升。t1时刻电压上升至低压钳位二极管Z2的钳位电压。
t1-t2阶段：电流流经低压钳位二极管Z2，维持钳位电压，电容C2电压达到稳定，此时两个开关管均处于导通状态，变压器开始储能。
t2-t3阶段：t2时刻，开关管S2开始关断，其漏源极电压Vds2开始上升，开关管S2漏极电位上升，低压钳位二极管Z2阴极电位上升，二极管D1将会截止，电容C1开始充电，电容C2开始放电，电压仍高于开关管S1阈值电压。
t3-t4阶段：开关管S2处于截止状态，开关管S1仍处于导通状态，变压器副边开始释放能量。
t4-t5阶段：t4时刻变压器释放能量完毕，副边电流为0，变压器励磁电感开始与开关管S2的Coss2谐振，开关管S2两端电压开始振荡，t5时刻下降至Vin-nVo，低压钳位二极管Z2阴极电位下降，电容C1放电，电容C2电压上升。
如图4所示为1500V输入典型波形图，反激拓扑电路在1500V电压下的工况如图5所示，包括5个阶段，分别为t0-t1阶段、t1-t2阶段、t2-t3阶段、t3-t4阶段和t4-t5阶段：
t0-t1：开关管S2开始导通，Vds2下降，开关管S2漏极电位下降，由于电容两端电压不能突变，低压钳位二极管Z2阴极电位开始下降，低压钳位二极管Z2处于导通状态，电容C1放电，电容C2充电，C2充电电流等于C1放电电流与二极管电流之和，C2电压上升。
t1-t2：t1时刻电容C2电压未达到稳压管的钳位电压，在该时间段内，电容C1电压变化较小，放电电流较小，此时由电阻R1提供C2的充电电流，由于该充电电流较小，电压上升缓慢，但仍大于开关管S1开通阈值电压，从而开关管S1与开关管S2均开通，变压器原边电流上升，开始储能。
t2-t3：t2时刻，开关管S2开始关断，其漏源极电压Vds2开始上升，开关管S2漏极电位上升，低压钳位二极管Z2阴极电位上升，上升至1200V时，高压钳位二极管Z1工作，高压钳位二极管Z1流过维持电流，其两端电压钳位在1200V，且二极管D1仍处于导通状态，电容C1开始充电，电容C2开始放电，由于此时二极管D1没有工作在截止区，电容C2放电电流较大，其两端电压将会迅速下降至0V。
t3-t4：开关管S1，开关管S2都处于截止状态，变压器副边开始释放能量。
t4-t5：t4时刻变压器释放能量完毕，副边电流为0，变压器励磁电感开始与开关管S2的Coss2谐振，开关管S2两端电压开始振荡，t5时刻达到所选谷底，开关管S1开通，低压钳位二极管Z2阴极电位下降，电容C1放电，电容C2电压上升。
需要强调的是，本发明所述的实施例是说明性的，而不是限定性的，因此本发明包括并不限于具体实施方式中所述的实施例，凡是由本领域技术人员根据本发明的技术方案得出的其他实施方式，同样属于本发明保护的范围。
Claims (7)
1.一种针对宽电压输入范围的开关管串联反激拓扑电路，其特征在于：包括反激控制器与开关管S2的驱动电路、高压分压钳位单元、辅助开关管驱动单元、限流防反灌电路、高压RCD的缓冲电路、变压器、二次侧二极管、开关管S1的驱动电路、开关管S1和开关管S2，其中，电源输入正极分别连接限流防反灌电路的一端和高压RCD的缓冲电路的一端，限流防反灌电路的另一端分别连接高压分压钳位单元一端和辅助开关管驱动单元一端，高压分压钳位单元的另一端连接电源输入负极，高压RCD的缓冲电路串联开关管S1、开关管S2和电源输入负极，辅助开关管驱动单元的另一端分别连接开关管S1的另一端和开关管S2的一端，变压器的一次侧并联在高压RCD的缓冲电路的两端，变压器的二次侧连接二次侧二极管的一端，二次侧二极管的另一端连接输出电压，反激控制器与开关管S2的驱动电路并联在开关管S2的两侧，开关管S1的驱动电路并联在开关管S1的两侧。
2.根据权利要求1所述的一种针对宽电压输入范围的开关管串联反激拓扑电路，其特征在于：所述反激控制器连接开关管S2的栅极，开关管S2的驱动电路并联在开关管S2的源极和漏极之间，用于电路保护，调整输出电压并为开关管S2提供特定需求频率与占空比的驱动信号，所述开关管S1的驱动电路并联在开关管S1的源极和漏极之间。
3.根据权利要求1所述的一种针对宽电压输入范围的开关管串联反激拓扑电路，其特征在于：所述高压分压钳位单元包括高压钳位二极管Z1和电容C1，其中，限流防反灌电路的一端分别连接高压钳位二极管Z1的阴极和电容C1的一端，高压钳位二极管Z1的阳极和电容C1的另一端连接电源输入负极。
4.根据权利要求1所述的一种针对宽电压输入范围的开关管串联反激拓扑电路，其特征在于：所述辅助开关管驱动单元包括低压钳位二极管Z2和电容C2，限流防反灌电路的一端分别连接低压钳位二极管Z2的阴极、电容C2的一端和开关管S1的栅极，低压钳位二极管Z2的阳极和电容C2的另一端连接开关管S1的源极。
5.根据权利要求1所述的一种针对宽电压输入范围的开关管串联反激拓扑电路，其特征在于：所述限流防反灌电路包括高压限流电阻R1与二极管D1，电源输入正极连接二极管D1的正极，二极管D1的负极连接高压限流电阻R1的一端，高压限流电阻R1的另一端连接高压分压钳位单元的一端，限流防反灌电路用于防止在低压运行条件下，开关管S2关断时，其漏源极电压高于输入电压场景时导致的电流反灌现象，保证低压运行时辅助开关管驱动的恒导通，并且通过调节限流电阻阻值，结合电容C1和电容C2，改变电容充放电时间，调整驱动电压的电平状态。
6.根据权利要求1所述的一种针对宽电压输入范围的开关管串联反激拓扑电路，其特征在于：所述高压RCD的缓冲电路用于抑制开关管S2关断时的电压振荡，变压器用于电气隔离及高增益电压转换。
7.根据权利要求1所述的一种针对宽电压输入范围的开关管串联反激拓扑电路，其特征在于：所述二次侧二极管包括二极管D和电容Cout，其中电压输出端的正极分别连接二极管D的负极和电容Cout的一端，二极管D的正极分别连接电容Cout的另一端，二次侧二极管用于输出电压反激稳压输出。
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Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN116961399A (zh) * | 2023-06-13 | 2023-10-27 | 西南交通大学 | 基于输出反向的反激与降压单元的无桥降压型pfc变换器 |
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2022
- 2022-11-30 CN CN202211517573.2A patent/CN115765480A/zh active Pending
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|---|---|---|---|---|
| CN116961399A (zh) * | 2023-06-13 | 2023-10-27 | 西南交通大学 | 基于输出反向的反激与降压单元的无桥降压型pfc变换器 |
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