CN117335670A - 一种低损耗高效率功率变换器 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种低损耗高效率功率变换器，原边采用低端有源钳位电路，副边采用同步整流电路；低端有源钳位电路中的钳位支路由辅助开关管VT2与钳位电容Cc串联组成，并联在功率主开关管VT1漏源极两侧。辅助开关管VT2为P沟道的MOSFET。辅助开关管VT2的驱动电路为由电阻、电容、二极管构成的电平位移电路。正激同步整流电路包括多个并联的MOSFET。电路结构简单、低损耗高效率的功率变换技术，提升电源模块整体的效率。
Description
技术领域
本发明涉及一种电源技术，尤其涉及一种低损耗高效率功率变换器。
背景技术
随着市场对电源模块的需求越来越广泛，电源的低损耗、高效率、高功率密度成为发展趋势。目前缺少一种能自主可控的、可靠性高、环境适应性强的电源模块电路。
对于大功率高密度DC/DC模块电源，输出功率较大，输入范围较宽，且效率要求高，体积较小，需要采用尽可能少的器件，目前的电路方案一般采用正激拓扑结构。
正激变换器主功率开关管导通时，输入端能量通过变压器传输到负载侧，此时变压器磁芯在正向电流的作用下工作在第一象限；主功率开关管关断时，输入侧能量无法传输到负载侧，变压器磁芯利用率低，此时磁芯沿着磁滞回线返回；若是在关断时间内磁芯无法回到磁滞回线的起始位置，经历若干开关周期后，磁芯将会进入饱和区，磁芯的磁导率急剧下降，变压器相当于短路状态。因此，需要添加额外的辅助电路实现变压器的磁芯复位，避免变压器进入饱和状态。
现有技术中，应用的正激变换器常用的磁芯复位方式为RCD钳位和有源钳位：
如图1所示，为RCD复位的正激变换器，RCD复位方式结构简单，由二极管Dc、钳位电容Cc以及电阻Rc组成。开关管S1关断时，二极管Dc导通，变压器磁化能量储存在钳位电容Cc中；开关管S1导通时，钳位电容Cc中的能量消耗电阻Rc上。
如图2所示，为高端有源钳位正激变换器，有源钳位正激变换器开关特性已经非常接近理想状态，控制简单，可以实现主、辅开关管的零电压开通；主功率开关管关断时，钳位支路导通辅助变压器磁芯复位，此时变压器磁芯在磁滞回线中由第一象限向第三象限移动，极大地提高了变压器磁芯的利用率；在磁芯复位过程中，变压器漏感中的能量通过钳位支路回馈到输入端，降低能量的损耗。变压器副边绕组上感应出正负交替的方波电压，死区时间足够短，为副边使用电压自驱同步整流提供了极大的便利。高端有源钳位中钳位支路由N沟道的开关管VT2与钳位电容Cc串联组成，并联在变压器T原边绕组两侧。
传统的整流器一般采用功率二极管，由于其通态压降较高,正向压降为0.6V～2V不等，因而整流损耗较大。
现有技术的缺点：
RCD复位的缺点是：开关管S1关断时变压器的磁化能量大部分消耗在电阻Rc上，增加了损耗，降低整体效率。
高端有源钳位电路的缺点是：由于辅助开关管VT2源极电位浮动，需要专门的驱动芯片或者隔离变压器进行驱动，驱动电路较为复杂。
常规的正激拓扑采用二极管整流缺点是：随着电源模块输出电压的不断降低，输出电流的持续增加，整流电路损耗也将越来越大，成为致使整机效率低下的主要原因，因而传统的二极管整流方式已经无法满足高效率的要求。
有鉴于此，特提出本发明。
发明内容
本发明的目的是提供了一种低损耗高效率功率变换器，以解决现有技术中存在的上述技术问题。
本发明的目的是通过以下技术方案实现的：
本发明的低损耗高效率功率变换器，原边采用低端有源钳位电路，副边采用正激同步整流电路；
所述低端有源钳位电路中的钳位支路由辅助开关管VT2与钳位电容Cc串联组成，并联在功率主开关管VT1漏源极两侧。
与现有技术相比，本发明所提供的低损耗高效率功率变换器，电路结构简单、低损耗高效率的功率变换技术，提升电源模块整体的效率。
附图说明
图1为现有技术中正激变换器的RCD复位电路原理图；
图2为现有技术中高端有源钳位正激变换器电路原理图；
图3为本发明实施例提供的低损耗高效率功率变换器的原理结构示意图；
图4为本发明实施例功率部分原理图；
图5为本发明实施例控制部分原理图；
图6为本发明实施例反馈部分原理图；
图3中：
T为主变压器，N1,N2为原副边绕组，Lm为寄生励磁电感；
VT1为主开关管，D1为开关管VT1的体二极管，Cr为开关管VT1的寄生电容；
VT2为辅助开关管，D2为开关管VT2的体二极管；
Cc为钳位电容；
Lo为滤波电感器；
S3为同步整流开关管，D3为开关管S3的体二极管；
S4为同步续流开关管，D4为开关管S4的体二极管；
Co为输出滤波电容；
Ro为输出负载。
具体实施方式
下面结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述；显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例，这并不构成对本发明的限制。基于本发明的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明的保护范围。
首先对本文中可能使用的术语进行如下说明：
术语“和/或”是表示两者任一或两者同时均可实现，例如，X和/或Y表示既包括“X”或“Y”的情况也包括“X和Y”的三种情况。
术语“包括”、“包含”、“含有”、“具有”或其它类似语义的描述，应被解释为非排它性的包括。
术语“由……组成”表示排除任何未明确列出的技术特征要素。若将该术语用于权利要求中，则该术语将使权利要求成为封闭式，使其不包含除明确列出的技术特征要素以外的技术特征要素，但与其相关的常规杂质除外。如果该术语只是出现在权利要求的某子句中，那么其仅限定在该子句中明确列出的要素，其他子句中所记载的要素并不被排除在整体权利要求之外。
本发明实施例中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员公知的现有技术。本发明实施例中未注明具体条件者，按照本领域常规条件或制造商建议的条件进行。本发明实施例中所用试剂或仪器未注明生产厂商者，均为可以通过市售购买获得的常规产品。
本发明的低损耗高效率功率变换器，原边采用低端有源钳位电路，副边采用同步整流电路；
所述低端有源钳位电路中的钳位支路由辅助开关管VT2与钳位电容Cc串联组成，并联在功率主开关管VT1漏源极两侧。
所述辅助开关管VT2为P沟道的MOSFET。
所述辅助开关管VT2的驱动电路为由电阻、电容、二极管构成的电平位移电路。
所述同步整流电路包括多个并联的MOSFET。
综上可见，本发明实施例的低损耗高效率功率变换器，电路结构简单、低损耗高效率的功率变换技术，提升电源模块整体的效率。
为了更加清晰地展现出本发明所提供的技术方案及所产生的技术效果，下面以具体实施例对本发明实施例所提供的进行详细描述。
实施例1
如图3所示：
一种基于本项低损耗高效率功率变换技术研究得到，低端有源钳位正激同步整流方案的原理结构图，其中:
T为主变压器，N1,N2为原副边绕组，Lm为寄生励磁电感；
VT1为主开关管，D1为开关管VT1的体二极管，Cr为开关管VT1的寄生电容；
VT2为辅助开关管，D2为开关管VT2的体二极管；
Cc为钳位电容；
Lo为滤波电感器；
S3为同步整流开关管，D3为开关管S3的体二极管；
S4为同步续流开关管，D4为开关管S4的体二极管；
Co为输出滤波电容；
Ro为输出负载。
低端有源钳位中钳位支路由P沟道的开关管VT2与钳位电容Cc串联组成，并联在功率主开关管VT1漏源极两侧。由于开关管VT1关断时，变压器励磁电流需要流经辅助开关管VT2的体二极管D2进行磁芯复位，因此辅助开关管VT必须为P沟道的MOSFET。相较于N沟道的MOS管，相同电压规格下P沟的MOS管通态电阻大，成本高，但是流经开关管VT2的电流为较小值的变压器励磁电流，因此辅助开关管VT2的通态损耗可忽略不计。而且驱动P沟道开关管VT2仅需由一个电阻、电容、二极管构成的电平位移电路，驱动电路相对简单。因此本方案选择低端有源钳位电路作为主要钳位方式。
用具有导通低电阻、正向压降小，反向电流小、阻断电压高等优点的功率MOSFET代替传统的整流二极管，图3中S3,S4可以有效地降低整流电路的损耗，提高变换器的效率。因而在设计中采用同步整流技术。
应用同步整流技术，可使变换器的效率提高，但是MOSFET毕竟是个功率器件，同样存在损耗，其损耗由门极驱动损耗、开关损耗和导通损耗三部分组成。
为了进一步减小MOSFET的导通损耗，提高变换器效率，由于功率M0SFET具有正温度系数的特性，在并联使用时能够实现自均流。所以可以将多个MOSFET并联使用来解决整流管的损耗问题。可结合设计需求进行选择,本申请对此不做限定。
本次低损耗高效率功率变换的原理图如图4至图6所示：
图4为功率部分原理，图5为控制部分原理，图6为反馈部分原理。
本发明技术方案带来的有益效果：
本发明原边通过使用低端有源钳位电路，相较于RC钳位，降低了原边损耗，提升了效率；
相较于高端有源钳位电路可以省掉单独的驱动电路单元，节约了元器件数量，降低失效风险提升了电源模块的可靠性；
同时极短的死区时间为副边同步整流提供了便利。
本发明副边整流电路部分通过使用同步整流技术，有效降低了整流损耗提高了整体效率。具有较高的实用价值和推广价值。
本发明的技术关键点：
低端有源钳位技术
低压大电流整流技术
降低电路中各部分的损耗，提升了整机效率
以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案,而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明,本领域的普通技术人员应当理解:其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改,或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换:而这些修改或者替换,并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围,其均应涵盖在本发明的权利要求和说明书的范围当中。
本文背景技术部分公开的信息仅仅旨在加深对本发明的总体背景技术的理解，而不应当被视为承认或以任何形式暗示该信息构成已为本领域技术人员所公知的现有技术。
Claims (4)
1.一种低损耗高效率功率变换器，其特征在于，原边采用低端有源钳位电路，副边采用同步整流电路；
所述低端有源钳位电路中的钳位支路由辅助开关管VT2与钳位电容Cc串联组成，并联在功率主开关管VT1漏源极两侧。
2.根据权利要求1所述的低损耗高效率功率变换器，其特征在于，所述辅助开关管VT2为P沟道的MOSFET。
3.根据权利要求2所述的低损耗高效率功率变换器，其特征在于，所述辅助开关管VT2的驱动电路为由电阻、电容、二极管构成的电平位移电路。
4.根据权利要求1、2或3所述的低损耗高效率功率变换器，其特征在于，所述同步整流电路包括多个并联的MOSFET。
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