CN202127363U - 一种直流-直流变换器副边有源吸收线路 - Google Patents
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Abstract
本实用新型提出一种直流-直流变换器副边有源吸收线路，该线路采用包含原边线路和副边线路的直流-直流变换器，原边线路包含输入电压源、与输入电压源耦合的一个或多个开关器件、耦合原边线路和副边线路的变压器原边绕组；副边线路包含耦合原边线路和副边线路的变压器副边绕组，由一个或多个整流开关器件构成的整流线路、耦合一个或多个整流开关器件的一个或多个有源吸收线路、和由输出电感和输出电容构成的与整流线路耦合的输出滤波线路；有源吸收线路包含由一个第一电容和一个第一可控开关器件构成的串联支路、和控制第一可控开关器件的线路。本实用新型降低了整流线路中整流器件的电压应力，使器件的选择得以优化，进而提高变换器的性能，降低成本。
Description
技术领域
本实用新型涉及开关电源领域，特别是涉及一种直流-直流变换器副边有源吸收线路。
背景技术
在开关电源类的直流-直流变换器中，原边线路将输入直流电压通过PWM的形式变换成为高频交流电压后，通过变换器传至副边，再经过整流线路将交流电压变换成为单向的直流脉冲电压。改直流脉冲电压经过输出滤波后成为直流输出电压。
原边全桥、副边全桥的直流-直流变换器的线路如图1所示，该直流-直流变换器包含原边线路20和副边线路30，原边线路20包含输入电压源21、与输入电压源21耦合的由第一开关器件Q101和第二开关器件Q102构成的第一桥臂22、与输入电压源21耦合的由第三开关器件Q103和第四开关器件Q104构成的第二桥臂23、耦合原边线路20和副边线路30的变压器T100、跨接在第一桥臂中点和第二桥臂中点之间的变压器原边绕组24。副边线路30包含变压器副边绕组31、与变压器副边绕组31耦合的由第五开关器件Q201和第六开关器件Q202构成的第三桥臂32、与变压器副边绕组31耦合的由第七开关器件Q203和第八开关器件Q204构成的第四桥臂33、输出电感Lo、输出电容Co。
上述原边的线路可以是任何其它单端或对称结构。
在变换器中，原边开关器件在开环或闭环的PWM控制器的控制下进行有序的开关，使输入电压交替地加在变压器T100的原边绕组上。变压器副边绕组的电压经过对称整流线路转换成为单向的脉冲电压，再经过由Lo和
Co构成的输出滤波器得到直流输出电压Vout。副边整流器的工作状态有两种，第一种状态是整流状态，期间输入电压加在变压器的原边绕组上，变压器的副边绕组感应电压经过整流线路中的导通的整流器件加在输出电感上，续流器件关断；第二种状态是续流状态，变压器绕组上没有电压或有磁芯复位的反压，整流器件关断，输出电感中的电流通过导通的续流器件在副边环流。图1中全桥变换器中开关器件的控制信号如图2所示，其中t1至t2为整流状态，t2-t5为续流状态。续流状态期间副边同步整流器件的全部开通使导通损耗减少。
由于实际变压器必然存在的漏感和开关器件的非理想特性，比如同步整流MOSFET体二极管的反向恢复等，在原边开关器件进行PWM的时刻，副边整流器件上会产生出尖峰电压。如果不做处理，该尖峰电压的峰值很可能超过开关器件的最大允许耐压而造成器件的损坏。为抑制开关瞬间的尖峰电压，比较简单的方法是在副边的开关器件上并联由无源器件构成的吸收线路，比如常见的R-C或R-C-D吸收线路。这些无源吸收线路的原理是通过电容吸收尖峰电压的能量然后将此能量消耗在电阻中。对最简单的R-C吸收线路，即使没有任何尖峰，理想的PWM波形也在吸收线路中产生损耗。尤其是在输出电压较高的设计中，无源吸收线路的功耗过大；在可以接受的损耗下，吸收效果差。
采用电容和有源开关器件串联的有源吸收方案已获得使用(见参考文献)。图3是包含副边有源吸收元件的示意图。如何最佳地控制吸收元件实现尖峰电压的吸收，同时避免与主线路开关器件的冲突是此类吸收线路的关键之一。本实用新型针对副边开关器件上的尖峰电压提出了优化的吸收线路。
实用新型内容
本实用新型所要解决的技术问题是提供一种直流-直流变换器中副边有源吸收线路，提高变换器的性能。
本实用新型是通过下述线路来解决上述技术问题的：一种直流-直流变换器中副边吸收线路，该线路采用包含原边线路和副边线路的直流-直流变换器，原边线路包含输入电压源、与输入电压源耦合的一个或多个开关器件、耦合原边线路和副边线路的变压器原边绕组；副边线路包含耦合原边线路和副边线路的变压器副边绕组，由一个或多个整流开关器件构成的整流线路、耦合一个或多个整流开关器件的一个或多个有源吸收线路、和由输出电感和输出电容构成的与整流线路耦合的输出滤波线路；有源吸收线路包含由一个第一电容和一个第一可控开关器件构成的串联支路、和控制第一可控开关器件的线路。
优选地，上述直流-直流变换器副边有源吸收线路，其特征在于(图5)，有源吸收线路跨接在一个或多个整流开关器件上，上述第一可控开关器件的控制信号由一个与输出电感耦合的绕组生成。
优选地，上述直流-直流变换器副边有源吸收线路，其特征在于，上述第一可控开关器件为P型MOSFET，具有一个并联的第一二极管；与输出电感耦合的绕组产生的电压经过由一个第二电容、一个第二二极管和一个第一电阻构成的电平移动线路形成负信号，驱动上述第一可控开关器件，实现在整流开关器件为关断的部分时间内上述第一可控开关器件为导通状态，在整流开关器件为导通的全部时间内上述第一可控开关器件为关断状态。
优选地，上述直流-直流变换器副边有源吸收线路，其特征在于(图7)，上述第一可控开关器件的控制信号由变压器副边绕组的信号生成。优选地，上述直流-直流变换器副边有源吸收线路，其特征在于，上述第一可控开关器件为P型MOSFET；由变压器副边绕组生成的信号经过一个第二电阻和一
个第三电阻分压接至一个第一驱动器的输入端；该第一驱动器为反相输出，输出信号经过电平移动线路形成负信号，驱动吸收线路中的第一可控开关器件。
优选地，上述直流-直流变换器副边有源吸收线路，其特征在于(图9)，一个第一有源吸收线路跨接在一个整流桥的第一桥臂中点和副边的地之间；一个第二有源吸收线路跨接在上述整流桥的第二桥臂中点和副边的地之间；第一和第二有源吸收线路中分别的第一可控开关器件和第二可控开关器件的控制信号由各自桥臂的下方开关器件的驱动信号产生。
优选地，上述直流-直流变换器副边有源吸收线路，其特征在于，上述第一可控开关器件和第二可控开关器件为P型MOSFET；第一桥臂的下方开关器件的驱动信号经过电平移动线路形成负信号，驱动上述第一可控开关器件；第二桥臂的下方开关器件的驱动信号经过电平移动线路形成负信号，驱动上述第二可控开关器件。
附图说明
图1：原边全桥、副边全桥同步整流变换器示意图。
图2：全桥同步整流变换器的驱动时序示意图。
图3：具有有源吸收元件的变换器示意图。
图4：有源吸收元件P-MOSFET的驱动时序示意图。
图5：副边有源吸收线路线路1示意图。
图6：图5线路中主要波形示意图。
图7：副边有源吸收线路线路2示意图。
图8：图7线路中主要波形示意图。
图9：副边有源吸收线路3示意图。
图10：图9线路中主要波形示意图。
具体实施方式
下面结合附图给出本实用新型较佳的三个实施例，以详细说明本实用新型的技术方案。
本实用新型提供一种直流-直流变换器中副边有源吸收线路。控制线路的驱动时序如图4所示。实现该控制时序的实施线路如图5所示。
图5中的第一实施线路包含原边线路20和副边线路30。原边线路包含输入电压源21、与输入电压源21耦合的桥式开关器件Q101，Q102，Q103，Q104构成的桥式线路、耦合原边线路和副边线路的变压器T100，副边线路包含由Q201，Q202，Q203，Q204构成的桥式整流线路、跨接在整流桥上的尖峰电压吸收线路34、和由Lo和Co构成的输出滤波环节；吸收线路的主线路由吸收电容C_snubber与一个具有并联二极管的P型MOSFET串联构成；吸收线路的控制线路包含由二极管D1，电阻R1和电容C1构成的电平移动和脉宽限制线路，输出电感耦合绕组36构成。
图5中线路的主要运行波形如图6所示。在t1时刻Va由低变高，Vb由负变正。如果电容C1的容量较大，其与电阻R1构成的时间常数远大于变换器的开关周期，Vg_Q205的波形如图5中Vg_Q205(所示；如果电容C1的容量较小，其与电阻R1构成的时间常数明显小于变换器的开关周期，Vg_Q205的波形如图7中Vg_Q205所示，Vg_Q205在t2时已下降到Q205的门极阈值电压，使Q205关断。C1和R1的时间常数至少要使Q205导通的时间(t1至t2)足够将因尖峰电压进入吸收电容的能量重新释放回变换器的输出电感中，即完成图4中所示的C_snubber电流的双向流动。t4时刻开始重复上述过程。
图7中的第二实施线路包含原边线路20和副边线路30。原边线路包含输入电压源21、与输入电压源21耦合的桥式开关器件Q101，Q102，Q103，Q104构成的桥式线路、耦合原边线路和副边线路的变压器T100，副边线路
包含由Q201，Q202，Q203，Q204构成的桥式整流线路、跨接在整流桥上的尖峰电压吸收线路34、和由Lo和Co构成的输出滤波环节；吸收线路的主线路由吸收电容C_snubber与一个具有并联二极管的P型MOSFET串联构成；吸收线路的控制线路包含由主变压器绕组38产生的电压脉冲经二极管D3整流后形成的V_bias和经电阻R2和R3分压所得的信号Vb、驱动器U1、由二极管D1，电阻R1和电容C1构成的电平移动和脉宽限制线路。
图7中线路的主要运行波形如图8所示。Vb因只取了变压器的单向电压，故其周期是Va的两倍。在t1时刻Va由低变高，Vb也由低变高，Vc由高变低。选择电容C1和电阻R1使构成的时间常数明显小于变换器的开关周期，Vg_Q205的波形如图8中Vg_Q205所示，Vg_Q205在t2时已下降到Q205的门极阈值电压，使Q205关断。C1和R1的时间常数至少要使Q205导通的时间(t1至t2)足够将因尖峰电压进入吸收电容的能量重新释放回变换器的输出电感中，即完成图8中所示的C_snubber电流的双向流动。t4时刻Va再次上升，尖峰电压造成的尖峰电流流入C_snubber，因Vb没有信号，故Q205不会开通，即没有释放能量的过程。在此实施例中，释放能量的频率是吸收能量的一半。因每次吸收的能量较小，不会造成C_snubber上电压的明显变化，故每两次吸收能量对应一次释放能量一般是可以接受的。
图9中的第三实施线路包含原边线路20和副边线路30。原边线路包含输入电压源21、与输入电压源21耦合的桥式开关器件Q101，Q102，Q103，Q104构成的桥式线路、耦合原边线路和副边线路的变压器T100，副边线路包含由Q201，Q202，Q203，Q204构成的桥式整流线路、跨接两个桥臂中点到地的尖峰电压吸收线路34和35、和由Lo和Co构成的输出滤波环节；吸收线路的主线路34由吸收电容C_snubber1与一个具有并联二极管的P型MOSFET Q205串联构成。该吸收线路中开关器件Q205的控制信号由同一桥臂下方开关器件Q202的控制信号通过由R1、R2、C1、D1构成的电平移动和脉宽限制线路生成。电平移动和脉宽限制的原因和原理同前。R2的功
能是提供一个Q205开通的延时，以保证Q205不会在Q202的电压还没有上升到足够高时开通。吸收线路35的工作原理与34相同。
图9中线路的主要运行波形如图10所示。
上述副边有源吸收线路虽然只是对副边的全桥拓扑进行的叙述，其原理对其它多种副边的拓扑结构同样适用。
上述副边有源吸收线路的描述中使用了MOSFET作为功率开关器件。该线路同样适用于任何其它具备开关特性的器件。如果所用开关器件没有体二极管，则要外加并联二极管。
虽然以上描述了本实用新型的具体实施线路，但是本领域的技术人员应当理解，这些仅是举例说明，在不背离本实用新型的原理和实质的前提下，可以对这些实施线路做出多种变更或修改。因此，本实用新型的保护范围由所附权利要求书限定。
Claims (7)
1.
一种直流-直流变换器副边有源吸收线路，该线路采用包含原边线路和副边线路的直流-直流变换器，原边线路包含输入电压源、与输入电压源耦合的一个或多个开关器件、耦合原边线路和副边线路的变压器原边绕组；副边线路包含耦合原边线路和副边线路的变压器副边绕组，由一个或多个整流开关器件构成的整流线路、耦合一个或多个整流开关器件的一个或多个有源吸收线路、和由输出电感和输出电容构成的与整流线路耦合的输出滤波线路；有源吸收线路包含由一个第一电容和一个第一可控开关器件构成的串联支路、和控制第一可控开关器件的线路。
2.如权利要求1所述的直流-直流变换器副边有源吸收线路，其特征在于，有源吸收线路跨接在一个或多个整流开关器件上，上述第一可控开关器件的控制信号由一个与输出电感耦合的绕组生成。
3.如权利要求2所述的直流-直流变换器副边有源吸收线路，其特征在于，上述第一可控开关器件为P型MOSFET，具有一个并联的第一二极管；与输出电感耦合的绕组产生的电压经过由一个第二电容、一个第二二极管和一个第一电阻构成的电平移动线路形成负信号，驱动上述第一可控开关器件，实现在整流开关器件为关断的部分时间内上述第一可控开关器件为导通状态，在整流开关器件为导通的全部时间内上述第一可控开关器件为关断状态。
4.如权利要求1所述的直流-直流变换器副边有源吸收线路，其特征在于，上述第一可控开关器件的控制信号由变压器副边绕组的信号生成。
5.如权利要求4所述的直流-直流变换器副边有源吸收线路，其特征在于，上述第一可控开关器件为P型MOSFET；由变压器副边绕组生成的信号经过一个第二电阻和一个第三电阻分压接至一个第一驱动器的输入端；该第一驱动器为反相输出，输出信号经过电平移动线路形成负信号，驱动吸收线路中的第一可控开关器件。
6.如权利要求1所述的直流-直流变换器副边有源吸收线路，其特征在于，一个第一有源吸收线路跨接在一个整流桥的第一桥臂中点和副边的地之间；一个第二有源吸收线路跨接在上述整流桥的第二桥臂中点和副边的地之间；第一和第二有源吸收线路中分别的第一可控开关器件和第二可控开关器件的控制信号由各自桥臂的下方开关器件的驱动信号产生。
7.如权利要求6所述的直流-直流变换器副边有源吸收线路，其特征在于，上述第一可控开关器件和第二可控开关器件为P型MOSFET；第一桥臂的下方开关器件的驱动信号经过电平移动线路形成负信号，驱动上述第一可控开关器件；第二桥臂的下方开关器件的驱动信号经过电平移动线路形成负信号，驱动上述第二可控开关器件。
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