CN1337085A - 用于开关模式电源的过载保护 - Google Patents

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Abstract

当零电压开关电源的主开关晶体管(Q1)导通时,电压(VR7)在与该晶体管串联的测流电阻器(R7)上形成。测流电阻器上的电压连接到控制电路(Q2、Q3)的比较器(Q3)的第一输入(基极)。该比较器的第二输入(发射极)连接到电容器(C6),该电容器形成根据电源输出电压(IDOUT2)变化的电压(VC6)。在晶体管给定的导通间隔期间,根据测流电阻器电压和电容器电压之间的差值触发比较器(Q3)。比较器(Q3)的输出连接到晶体管的基极,用于根据电流引起脉冲控制晶体管的关闭时刻。在过载条件下,当关闭晶体管时,反向的集电极电流流过晶体管的基极集电极结。在晶体管正向导通期间,该反向集电极电流在测流电阻器上生成一电压(负),该电压与测流电阻器的电压极性相反。所测反向电流产生的电压打开二极管(D10)开关并以降低正向集电极峰值电流的方式充电连接到控制电路比较器的电容器。从而,晶体管中的正向峰值电流比没有保护出现的峰值低。

Description

用于开关模式电源的过载保护
本发明涉及电源的保护电路。
                        背景
1999年3月2日颁发的名称为“具有连接到变压器线圈电感器的正向变换器”、发明人为W.V.Fitzgerald美国专利5,877,946(Fitzgerald专利)中描述了一种电源，这种工作在零电压开关(ZVS)和正向模式的电源包括连接到主变压器初级线圈的主开关晶体管。由变压器的次级线圈形成的电压形成输出电源。当晶体管导通时，电流脉冲在变压器的初级线圈和晶体管中形成。在与晶体管串联的测流电阻器也形成一电压。测流电阻器的电压连接到控制电路比较器的第一输入。比较器的第二输入连接到一电容器，该电容器形成一种根据电源输出电压变化的电压，用于提供调节。
在晶体管给定的导通间隔期间，当测流电阻器电压超过和电容器电压所建立的比较器门限电压时，触发比较器。比较器的输出连接到晶体管的基极，用于根据电流引起脉冲控制晶体管的关闭时刻。
在正常工作中，在主变压器初级线圈形成的电压降低电源电感两端的电压。此电压与变压器给定次级线圈产生的输出电压成正比。次级线圈产生的输出电压由变压器的匝数比而提高。当开关晶体管在每个周期结束关闭时，从变压器次级线圈侧反射的负电压脉冲降低晶体管的集电极电压。
如果在其中一个次级线圈出现过载情形，则在主开关晶体管上形成过多的集电极电压。过压由与谐振电容器谐振的谐振电源电感中过多的循环电流引起，谐振电容器连接到主开关晶体管的集电极以形成ZVS。
如果在其中一个次级线圈上出现严重的过载，使电源不能被调节，由于变压器匝数比反映的电压降低，变压器初级线圈两端的电压也下降。结果是晶体管的集电极电压可能变得过高。
当次级线圈产生的输出电压不能被调节时，控制电路建立电流的最高限。在过载条件下，晶体管还允许最高电流流过电源电感。但是，电源电感中存储的能量不能传递到晶体管的负载。当晶体管在周期结束关闭时，存储的能量在谐振电容器中产生谐振电流，并使晶体管的集电极电压明显超过正常的工作电压，可能超过晶体管的击穿电压额定值。因为，在过载条件下，每个周期期间存储在电源电感中的能量不能传递到负载，该能量经反向或负电流返回到激活晶体管的未调节电源。希望能够减少所得到的过多的集电极电压。
                  综述
在实现发明的一个方面中，当晶体管被关闭时，反向负电流沿与正向集电极电流相反的方向选择路由通过晶体管的基极集电极结，当晶体管打开时，出现正向集电极电流。在晶体管正向导通期间，反向的集电极电流在上述测流电阻器上生成一电压，它的极性与晶体管的极性相反。在过载期间，所测反向电流产生的电压打开一二极管开关，并以降低正向集电极峰值电流的方式改变连接到控制电路比较器第二输入的电容器的电荷。从而，晶体管中的正向峰值电流比没有保护出现的峰值低。结果是有利防止了过高的集电极电压。
                  附图
图1举例说明表示本发明电路可示范性实施例的示意图；和
图2a和2b举例说明解释图1电路工作的有用波形。
                详细叙述
图1举例说明零电压开关正向变换器或电源300。具体表达本发明特征的保护电路400提供对零电压开关电源300的保护。零电压开关电源300在许多方面以类似于Fitzgerald专利中描述的方式工作。
在开关晶体管Q1的导通时间期间，例如200瓦的功率提供给分别连接到次级线圈T1W2和次级线圈T1W3的负载303和负载302。充当开关的晶体管Q1与变压器T1的初级线圈T1W1串联，用于从输入电源，直流(DC)电压RAW B+传导电流。被认为是激励变换器的变流器T2将基极电流iB提供到开关晶体管Q1。电压RAW B+可从整流主电源的桥式整流器(未示出)得到，并连接到滤波电容器(未示出)。
测流电阻器R7也与晶体管Q1串联的晶体管Q1的发射极相连。谐振电容器C8连接到初级线圈T1W1和晶体管Q1的集电极。谐振电路301包括电容器C8、反射电容CSEC、限流电源电感器Lres、初级线圈T1W1和变流器T2的初级线圈T2W1。初级线圈T1W1与变流器T2的初级线圈T2W1串联。
当晶体管开关Q1被关闭时，谐振电路301每周产生半周谐振电压VQ1。晶体管Q1(和电容器C8)上的集电极电压VQ1以大致一半正弦波的方式上升到峰值然后降到大致为零。在谐振电压VQ1变得接近于零之后电阻器R7、二极管D2、齐纳二极管D20的串联电路与电容器C2和晶体管Q1的基极集电极结的并行连接形成低阻抗，该低阻抗将电压VQ1箝位在接近于地电势的电压。然后晶体管Q1再次在大致零伏打开以提供零电压开关。
变流器T1的次级线圈T1W3连接到整流二极管DOUT3的阳极，整流二极管DOUT3的阴极连接到滤波电容器CFILTER3。线圈T1W3在正向导通操作期间经一低阻抗电流通路连接到滤波电容器CFILTER3和负载302。同样，次级线圈T1W2通过整流二极管DOUT2连接到滤波电容器CFILTER2以提供输出电压REG B+。
电容器CSEC包含在一个或两个次级线圈电路T1W2和T1W3中，与线圈平行。电容器CSEC是连接到线圈T1W1的变流器，形成一部分谐振电路301。
有利的是，每个线圈T1W2和T1W3以降低漏电感的方式紧密连接到变压器T1的初级线圈T1W1。变流器T1初级线圈侧的电感Lres是一种变流器，连接该变流器用于限制电流通路中每个电流IDOUT3和IDOUT2的变化率，这些电流通路分别包括二极管DOUT3和DOUT2。有利的是，电感Lres为每个线圈T1W2和T1W3所共享。
当晶体管Q1导通时，有利的是次级线圈T2W2产生的电流与变流器T2初级线圈T2W1的电流成正比。变流器T2的线圈T2W1与变压器T1的线圈T1W1和开关晶体管Q1串联。因此，基极电流iB随集电极电流iQ1大致线性的变化。有利的是，通过成正比的驱动技术防止过量驱动晶体管Q1的基极。例如直接根据所测的输出电压REG B+而不是输出电压U控制晶体管开关Q1的占空比。误差放大器A响应于电压REG B+，并且例如可以包括比较器，其输入连接到输出电压REGB+和提供预定门限值的分压器。误差放大器A通过光耦合器μl光连接，以控制比较器晶体管Q3的触发电平或门限。晶体管Q3发射极的电压由电容器C6的电荷形成。电容器C6的发射极电压由接地的二极管D7限制为正向二极管落差。电容器C6的电荷晶体管Q3导通时被充满，并且在响应误差放大器A的输出信号导通时由光耦合器μl消耗掉。
当晶体管Q1导电时，与晶体管Q1电流电平成正比的电阻器R7两端的电压VR7连接到比较器晶体管Q3的基极。电阻器R7通过电阻器RB连接到滤波电容器C7。由电压VR7在电容器C7形成的电压连接到晶体管Q3的基极。
在晶体管Q1给定的导通周期中，当晶体管Q3的基极电压超过晶体管Q3的门限电压足以正向偏置基极发射结的量时，晶体管Q3开始导通，由晶体管Q3发射极的电容器C6形成的控制电压VC6确定该门限电压。因此，当晶体管Q1的电流iQ1在电阻器R7形成超过晶体管Q3门限电压的电压VR7时，晶体管Q3开始导通。当晶体管Q3导通时，它用晶体管Q2形成再生的闩锁。NPN型晶体管Q3的集电极连接到PNP型晶体管Q2的基极，晶体管Q2的集电极连接到晶体管Q3的基极，以形成再生开关。晶体管Q2发射极经并联连接的二极管D20和电容器C2连回到开关晶体管Q1的基极。
当触发晶体管Q2和Q3形成的闩锁时，晶体管Q2将电流拉出开关晶体管Q1的基极。在晶体管Q2的发射极形成连接到开关晶体管Q1基极的控制电压。晶体管Q2的发射极电压形成再生开关电路的输出并连接到晶体管Q1的基极，以便当触发晶体管Q2和Q3形成的闩锁时关闭晶体管Q1。
变流器T2的次级线圈提供开关晶体管Q1的基极电流iB。线圈T2W2上的电压是当开关晶体管Q1交替导通和关闭时产生的交流(AC)电压。有利的是，当晶体管Q1打开时，变流器T2向晶体管Q12提供成正比的驱动电流iB，用于将晶体管Q1保持饱和而不过多驱动晶体管Q1。另一方面，紧接在晶体管Q2和Q3工作关闭晶体管Q1之后，晶体管Q1集电极的谐振电压VQ1经线圈T2W2以保持晶体管Q1未导通的方式连接到晶体管Q1的基极。开/关晶体管Q4的集电极经二极管D11连接到晶体管Q2的发射极。当晶体管Q4导通时，根据开/关信号ON/OFF，使晶体管Q1保持未导通的晶体管Q2产生基极电流。晶体管Q4的发射极电流产生齐纳二极管D13的正向导通。二极管D13并行连接到与晶体管Q4发射极相连的慢起动电容器C11。
当晶体管Q4关闭和使晶体管Q2关闭时，出现振荡周期的起始。其后，电流开始流过电阻器R4和齐纳二极管D20和电容器C2的并联电路，并在开关晶体管Q1产生起始的基极电流iB。电阻器R4阻值很大，只为晶体管Q1提供少量的起始基极电流。当晶体管Q1开始导通时，变流器T2使电流流进次级线圈T2W2。次级线圈T2W2的电流与初级线圈T2W1的电流成正比，正如其匝数比的函数。二极管D1和并联的电容器C10与次级线圈T2W2与齐纳二极管D20和电容器C2的并联电路串联，以产生晶体管Q1的基极电流iB。由于所增加的集电极电流，增加的基极激励电流以再生方式达到饱和，使基极电流iB随着集电极电流iQ1的增加而成正比的增加。当晶体管Q1饱和时，集电极电流iQ1继续以与晶体管Q1集电极串联的总电源电感确定的速率增加。
当测流电阻器R7上的电压足以使晶体管Q3导通时，在晶体管Q2的基极提供触发电流。晶体管Q2通过为电容器C7产生额外的驱动电流在晶体管Q3的基极导通和引起电压增加，还以再生方式工作以锁定。在闩锁驱动晶体管Q2的发射极形成的低阻抗快速从开关晶体管Q1基极去除基区电荷。结果是晶体管Q1快速关闭。
在晶体管Q1导通期间正电流通过二极管D20和电容器C2流入基极，这使电容器C2充电到几伏。电容器C2电压在远离晶体管Q1基极的电容器C2端正极性较强，在晶体管Q1的基极正极性较弱。因此，当晶体管Q2和Q3闩锁时，提供接地的低阻抗路径，使电容器C2上的电压对晶体管Q1的基极应用负偏置。
在晶体管Q2的集电极和测流电阻器R7之间串联的二极管D6和电阻器R6将一些反向基极电流分路到电阻器R7，电阻器R7是低阻抗，例如几分之一欧姆。此分路减少了过激励晶体管Q3基极的趋向，否则会引起过多的存储时间和较差的交换性能。
在晶体管Q1关闭后，变流器T2的线圈T2W2产生二极管D2两端的负电压，二极管D2的阳极连接到晶体管Q1的发射极。驱动控制晶体管Q2和Q3保持闩锁直到流经它们的电流低于保持再生闩锁所需的门限。其后，二极管D2两端的负电压使晶体管Q1不导通。另外，二极管D3和电容器C3连接以整流和过滤变流器T2产生的负电压，以产生负压电源VMINUS。
谐振电路301的谐振行为经线圈T2W2使基极发射极电压的极性相反。当开关晶体管Q12的基极电压增加到足够大时，电流开始流入晶体管Q11的基极，产生再生增长的集电极电流，如前所述，形成下一个周期的开始。当集电极电压VQ1在零伏时晶体管Q1的集电极电流的iQ1开始流动。从而，获得零电压开关。
有利的是，变流器T2提供了自激振荡。在与变流器T2的次级线圈T2W2连接的电路中，二极管D2限制在晶体管Q1到时(time off)期间形成的负电压。因为二极管D1和电容器C10形成低阻抗，在关闭期间变流器T2充当变流器。二极管D1为正向驱动电流提供电流通路，同时将与二极管D1并联的电容器C10的电压限制到二极管D1导通时在两端形成的正向电压。二极管D1、电容器C2和晶体管Q1的基极发射结形成充当变流器的低阻抗。有利的是，通过充当变流器，变流器T2不必存储大量的磁能，并且可以具有一个小磁心。在起始期间，电压VMINUS在与电容器C11连接的电阻器R11中产生充电电流，在电容器C11中引起起始的斜坡电压。电容器C11的斜坡电压经电阻器R13连接到电阻器RB。因此，比较器晶体管Q3的门限电压以匀速变化的方式变化以提供慢起动操作。电压VMINUS还连接到光耦合器μl中光电晶体管的发射极。响应来自误差放大器A的信号，通过导通光耦合器μl的光电晶体管调整电容器C6的电荷。以此方式，电压紧紧地根据电流脉冲来调节。
在正常的操作中，一电压出现在主变压器T1的初级线圈T1W1中，该电压降低了限流电感大致两端的电压。此电压与输出电压REGB+和线圈T1W2和T1W1匝数比的乘积成正比。当在每个周期结束时关闭时，从变流器T1的次级线圈侧反射的负电压脉冲抵消了在限流电感Lres接近晶体管Q1集电极一端出现的正脉冲。因此，有利的是，降低了晶体管Q1的集电极电压VQ1。
例如在次级线圈T1W2中可能出现严重的过载。因此，电源可能以负反馈环的方式停止调节。因此，将降低电压REG B+和U。因此，由变压器匝数比反射的主变压器T1的初级线圈T1W1的电压也下降。结果是上述反射的负脉冲极大地降低了，使主变压器T1初级线圈T1W1的集电极电压VQ1比正常未过载条件下显著上升。
在严重过载期间，电压REG B+和U也减小因为调节失败。由包括晶体管Q2和Q3的控制电路根据当前的电流引起的脉冲建立最大的电流限制。在过载条件下，晶体管Q1仍然允许最大电流IQ1流过包括限流电感Lres的电源电感。但是，例如在限流电感Lres储存的能量不通过变流器T1传递到负载。当周期结束时关闭晶体管Q1时，在谐振电路301形成存储能。逐渐增加的存储能使晶体管Q1的集电极电压VQ1上升显著超过可允许的正常工作电压，很可能超过晶体管Q1的击穿电压额定值。
因为每个周期期间例如储存在限流电感Lres的能量不传递到负载，该能量回到电源电压RAW B+。此返回的能量生成反向或负电流，流过电阻器R7、二极管D2、与电容器C2并联的齐纳二极管D20、晶体管Q1的基极集电极结和线圈T1W1和Lres的串联电路并以负极性形成电阻器R7两端的电压VR7。
图2b举例说明电阻器R7中负电流iR7的波形，电阻器R7产生图1的负电压VR7。在图1的晶体管Q1正向导通期间，出现图2b电流iR7的正部分。附图2a和2b举例说明图2b的负电流iR7对附图1和2a的控制电压VC6的影响。附图1、2a和2b中类似的符号和数字表示类似的项或功能。
在实现本发明的特征中，当图1电阻器R7中图2b负电流iR7在图2a时间t0附近过高时，图1的开关二极管D10与电容器C6和电阻器R7之间的限流电阻器R10串联，用于降低图1电容器C6中形成的图2a的控制电压VC6。当图1晶体管Q1的集电极电流iQ1流到电源端时，出现图2b的反向或负电流，其中形成电压RAW B+。如前所述，反向电流iQ1流在包括二极管D21、与电容器C2并联的齐纳二极管D20和晶体管Q1的基极集电极结的路径。
图1的电容器C6中，图2a的控制电压VC6电平确定当晶体管Q1导通时的最高正向电流iQ1。在过载期间，图2b的负电流iR7和图1电阻器R7两端的电压VR7打开二极管D10，同时使图1电容器C6中图2a的电压VC6降低。因此晶体管Q1的正向峰值电流被有利的降低。有利的是，在过载状态期间通过降低晶体管Q11中每个正向电流脉冲iQ1的峰值，减小超过晶体管Q1额定电压的可能性和增加可靠性。加入与二极管D10串联的电阻器R10考虑到电容器C6和电阻器R10的时间常数小，并最小化通过二极管D10的峰值电流。

Claims (9)

1.一种开关模式电源，包含：
电源电感(Lres、T1W1)，连接到输入电源电压(RAW B+)和开关晶体管(Q1)，用于在所述电感中产生电流脉冲(iQ1)，该电流脉冲(iQ1)连接到所述电源的输出(302、303)，给定的电流脉冲具有在第一极性的第一部分(正)和在相反极性的第二部分，当在所述晶体管出现正向导通时，在周期的第一部分期间，第一部分电流脉冲流入所述晶体管，第二部分电流脉冲出现在所述晶体管停止所述正向导通之后，在所述周期的第二部分期间；
第一控制信号(VC6)源(C6)，具有指示电流极限的值；
控制电路(Q2、Q3)，连接到所述晶体管并响应所述给定电流脉冲的所述第一部分(正，图2b)和用于限制所述电流脉冲幅度的所述第一控制信号，根据所述电流极限值以根据电流引起脉冲控制的电流模式；其特征在于
保护电路(400)，连接到所述控制电路，并当所述第二部分的幅度在第一范围值内时，响应所述电流脉冲的所述第二部分(负极性，图2b)用于根据所述电流脉冲的所述第二部分改变所述第一控制信号，以改变所述电流极限值，当所述第二部分的所述幅度在第二范围值内时，禁止改变所述第一控制信号。
2.根据权利要求1的开关模式电源，其中所述第一控制信号源包含电容器(C6)和开关(D10)，响应所述给定电流脉冲的所述第二部分(负，图2b)，在所述周期的所述第二部分期间，用于在所述电容器中存储指示所述第二部分所述幅度的信号(VC6)，以形成所述第一控制信号(VC6)，在所述周期的所述第一部分期间，用于将所述储存的第一控制信号加到所述控制电路。
3.根据权利要求1的开关模式电源，进一步包含连接到所述电感(T1W1、T2W1)的电容器(C8)，当所述晶体管(Q1)未导通时，形成谐振电路(301)，其中在所述谐振电路产生所述电流脉冲的所述第二部分(负，图2b)。
4.根据权利要求1的开关模式电源，进一步包括变压器(T1)，具有包含在所述电源电感中的第一线圈(T1W1)和连接到整流器(DOUT2)的第二线圈(T1W2)，其中所述电源以正向模式工作。
5.根据权利要求1的开关模式电源，进一步包含一电流传感器(R7)，连接在所述晶体管(Q1)的电流通路，用于将所述给定电流脉冲的所述第一(正)和第二(负)部分分别应用到所述控制(Q2、Q3)和保护(400)电路。
6.根据权利要求5的开关模式电源，其中所述电流传感器(R7)包含一测流电阻器，连接到远离所述电源电感所述晶体管(Q1)的主电流导通端(发射极)。
7.根据权利要求1的开关模式电源，其中所述控制电路(Q2、Q3)包含一比较器(Q3)，具有响应所述给定电流脉冲的所述第一部分(正)的第一输入(Q2)的基极，和响应所述给定电流脉冲所述第二部分(负，图2b)的第二输入(发射极)。
8.根据权利要求1的开关模式电源，其中所述第一控制信号源(C6)响应所述电源(REG B+)的输出根据所述电源输出和(差错放大器A中)基准信号之间的差值改变所述第一控制信号(VC6)。
9.一种开关模式电源，包含：
电源电感(Lres、T1W1)，连接到输入电源电压(REF B+)和开关晶体管(Q1)的源极，用于在所述电感中产生电流脉冲(iQ1)，该电流脉冲(iQ1)连接到所述电源的输出(302、303)，
装置(R7)，连接到所述晶体管，用于感测在其中的电流；
控制电路(Q2、Q3)，连接到所述晶体管并响应所述电流传感器的输出信号(VR7)的第一部分(正)，用于根据所述电流传感器所述输出信号的所述第一部分以根据电流引起脉冲控制模式建立给定电流脉冲的电流极限；其特征在于
保护电路(400)，连接到所述控制电路，响应所述电流传感器的所述输出信号的第二部分(负，图2b)，用于根据所述电流脉冲的所述第二部分、在互斥的间隔出现的所述输出信号的所述第二和第一部分改变所述电流极限。
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