CN206041814U - 一种用于推挽拓扑的有源箝位吸收电路 - Google Patents

一种用于推挽拓扑的有源箝位吸收电路 Download PDF

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本实用新型公开了一种用于推挽拓扑的有源箝位吸收电路，包括推挽电路和有源箝位吸收电路，推挽电路包括推挽主变压器和推挽主开关管，推挽主开关管为MOS管，有源箝位吸收电路的一端与推挽主开关管的漏极箝位端相连，另一端通过滤波电感连接至推挽电路的输入端。本实用新型结构简单，使用的元器件简单且数量少，大大降低了成本，且工作可靠，在成本和性能之间取得了非常好的平衡，可以有效地吸收推挽主变压器绕组的漏感对推挽主开关管造成的尖峰冲击。

Description

一种用于推挽拓扑的有源箝位吸收电路
技术领域
本实用新型涉及电流馈电型推挽的拓扑电路领域，特别涉及到一种用于电流馈电型推挽拓扑的有源箝位吸收电路。
背景技术
电流馈电型推挽拓扑电路是一种各方面性能优异且原理简单的电路结构，比较多的应用于各种高效DC/DC转换器领域，且在DC/DC转换器领域有着显著的特点和优势。它可以非常方便使用者来优化主要功率器件的选型并能获得很好的性价比优势。然而，这种电路也存在一个比较明显的难点：其对推挽主变压器的设计要求很高，其漏感产生的巨大尖峰振荡会对推挽开关管产生很大的压力。传统的方式一类是采用选择耐压余量很高的MOS管器件，但会大大提高成本。另一类使采用无源箝位电路进行修正，但吸收不足时会导致器件工作不安全，特别是在大功率应用场合，这种修正会产生很大的额外损耗及热量，从而限制了其整体效率的进一步提高。因此有必要提出一种在成本低廉且性能可靠的电路以解决上述问题。
实用新型内容
本实用新型的目的在于针对现有技术中的不足，提供一种用于推挽拓扑的有源箝位吸收电路，以解决上述问题。
本实用新型所解决的技术问题可以采用以下技术方案来实现：
一种用于推挽拓扑的有源箝位吸收电路，包括推挽电路，推挽电路包括推挽主变压器T1和推挽主开关管K2、K3，还包括有源箝位吸收电路，所述推挽主开关管K2、K3为MOS管，有源箝位吸收电路的一端与推挽主开关管K2、K3的漏极箝位端相连，另一端通过滤波电感L2连接至推挽电路的输入端。
进一步的，所述有源箝位吸收电路包括箝位二极管D1、D2、箝位电容C1、附加开关管K4及驱动电路、续流二极管D3和滤波电感L2，附加开关管K4的源极分别与滤波电感L2和续流二极管D3的负极相连，附加开关管K4的漏极分别与箝位二极管D1、D2的负极和箝位电容C1的一端相连，续流二极管D3的正极和箝位电容C1的另一端分别接地，箝位二极管D1、D2的正极分别与推挽主开关管K3、K2的漏极箝位端相连。
进一步的，所述推挽主变压器T1的原边侧通过分接头分成两路，一路与推挽主开关管K2的漏极箝位端和箝位二极管D2的正极分别相连，推挽主开关管K2、K3的源极分别接地，另一路与推挽主开关管K3的漏极箝位端和箝位二极管D1的正极分别相连，分接头通过滤波电感L2与附加开关管K4的源极相连。
进一步的，所述分接头依次通过电感L1和开关管K1与输入电源相连，电感L1与开关管K1的源极端相连，开关管K1的源极端通过二极管D6接地；推挽主变压器T1的副边侧通过第一分接头分成两路，一路与二极管D4的正极相连，另一路与二极管D5的正极相连，二极管D5的负极与二极管D4的负极相连，二极管D4的负极和第一分接头之间设有电容C2，输出电源设于电容C2的两端。
进一步的，所述附加开关管K4的驱动取自推挽主变压器T1，或取自推挽主开关管K2、K3的驱动电路；或者采用分立器件驱动电路；或者选用上位驱动集成专用IC。
进一步的，所述驱动电路的驱动信号采用独立固定占空比的信号源或者与推挽主开关管K2、K3同步。
进一步的，所述驱动电路的驱动信号通过调整电路来调整占空比。
进一步的，所述还包括控制芯片LM5041，控制芯片LM5041通过芯片LM5101与开关管K1的门极相连，控制芯片LM5041的PULL端和PUSH端分别与推挽主开关管K2、K3的门极分别相连，控制芯片LM5041的FB端连接有FEED BACK电路，FEED BACK电路与电容C2的两端分别相连。
与现有技术相比，本实用新型的有益效果如下：
本实用新型通过在推挽主变压器上增加一个输出绕组或另外产生一个上位驱动信号，用于驱动附加开关管，再加上几个分立器件，就可以有效地吸收推挽主变压器绕组的漏感对推挽主开关管造成的尖峰冲击。本实用新型解决了普通RCD吸收电路的高功耗及普通无损吸收电路的特别工作条件限制，解决了电流馈电型推挽拓扑电路本身的一个固有问题。本实用新型结构简单，使用的元器件简单且数量少，大大降低了成本，且工作可靠，在成本和性能之间取得了非常好的平衡，且电路原理简单、可以在任何占空比条件下可靠工作，对电路的其它功能和指标没有任何影响。
附图说明
图1为本实用新型所述的用于推挽拓扑的有源箝位吸收电路的电路图。
图2为本实用新型所述的车载DC/DC电路的主电路图。
图3为本实用新型所述的驱动实施例一的电路图。
图4为本实用新型所述的驱动实施例二的N沟道MOS上位驱动的电路图。
图5为本实用新型所述的驱动实施例二的P沟道MOS分立器件组合电路图。
图6为本实用新型所述的驱动实施例三的电路图。
具体实施方式
为使本实用新型实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解，下面结合具体实施方式，进一步阐述本实用新型。
参见图1，本实用新型所述的一种用于推挽拓扑的有源箝位吸收电路，包括推挽电路，推挽电路包括推挽主变压器T1和推挽主开关管K2、K3，还包括有源箝位吸收电路。推挽主开关管K2、K3为MOS管，有源箝位吸收电路的一端与推挽主开关管K2、K3的漏极箝位端相连，另一端通过滤波电感L2连接至推挽电路的输入端。
有源箝位吸收电路包括箝位二极管D1、D2、箝位电容C1、附加开关管K4及驱动电路、续流二极管D3和滤波电感L2。附加开关管K4的源极分别与滤波电感L2和续流二极管D3的负极相连。附加开关管K4的漏极分别与箝位二极管D1、D2的负极和箝位电容C1的一端相连。续流二极管D3的正极和箝位电容C1的另一端分别接地。箝位二极管D1、D2的正极分别与推挽主开关管K3、K2的漏极箝位端相连。实际工作时，由于推挽主变压器T1漏感存在导致推挽主开关管K2、K3关断时有很高的尖峰振荡，传统的方法是采用在箝位电容C1两端并接功率电阻的方法来消耗漏感能量，这种办法虽简单但功耗很大且板面需要散热处理。本实用新型中，箝位二极管D1、D2及箝位电容C1构成简单的箝位电路，额定条件下工作母线端反射电压约为40V，为此实际推挽主开关管K2、K3选用耐压150V的功率MOS器件，为确保安全工作条件实际箝位电压需控制在120V左右。箝位电路利用箝位电容C1来吸收推挽主开关管K2、K3的尖峰能量。经附加开关管K4斩波后经滤波电感L2滤波后其平滑的电流流入推挽机的输入端，以实现能量回馈。由附加开关管K4、续流二极管D3和滤波电感L2组成BUCK电路可以实现电压转换，转换后经过滤波电感L2的输出电流就可以直接注入到级联电路的母线从而实现了能量回收。附加开关管K4的选型耐压等级与推挽主开关管K2、K3相同，但电流规格可以很小，普通贴装器件就能满足要求，一般可以选择推挽主开关管K2或K3电流规格的5％左右，同样续流二极管D3的电流规格也可以选用二极管D6的5％左右。
滤波电感L2的规格确定大致由以下几个方面：
(1)工作电流：考虑到漏感能量与推挽主变压器T1的漏感特性有关，一般可以预估在额定输出功率1％左右的能量需要循环。母线电流与输出电流的比例为：
Im＝Io*Ns/Np；
其中Im为母线电流，Io为额定输出电流；Ns，Np分别为推挽主变压器T1付边和原边匝数。
滤波电感L2实际工作电流L2c可以用下式来估算：
L2c＝Im*1％；
(2)电感量：电感量的取值与后级工作频率(或异步工作时的固定开关频率)有关。可以按照一般BUCK电路的做法取电感纹波电流为L2c的10％，占空比取50％，则滤波电感L2电感量可由下式计算：
L2＝Um*Toff/0.1L2c。
推挽主变压器T1的原边侧通过分接头分成两路。一路与推挽主开关管K2的漏极箝位端和箝位二极管D2的正极分别相连，推挽主开关管K2、K3的源极分别接地。另一路与推挽主开关管K3的漏极箝位端和箝位二极管D1的正极分别相连，分接头通过滤波电感L2与附加开关管K4的源极相连。
分接头依次通过电感L1和开关管K1与输入电源相连，电感L1与开关管K1的源极端相连，开关管K1的源极端通过二极管D6接地。推挽主变压器T1的副边侧通过第一分接头分成两路，一路与二极管D4的正极相连，另一路与二极管D5的正极相连。二极管D5的负极与二极管D4的负极相连，二极管D4的负极和第一分接头之间设有电容C2，输出电源设于电容C2的两端。
实施例一
附加开关管K4的驱动取自推挽主变压器T1，或取自推挽主开关管K2、K3的驱动电路，并外加一个隔离驱动变压器。如图3所示，驱动推挽主变压器T1的输入可以直接取自附加开关管K4的门极驱动信号，考虑到占空比可能会不对称(低于50％)，可以加一个隔直电容。变压器绕组变比可以取1:1左右。
实施例二
附加开关管K4的驱动采用分立器件驱动电路，可以采用N沟道MOS上位驱动或P沟道MOS分立器件组合电路。如图4和图5所示，用分立器件搭一个简单的上位驱动也是简单可行的，因为驱动能力要求不高，可以省去一个隔离变压器。
实施例三
附加开关管K4的驱动选用上位驱动集成专用IC。如图6所示，采用芯片LM5101，外置几个简单器件就可以完成，特点是简单可靠，缺点是成本略高，可考虑用在大功率场合。
驱动电路的驱动信号采用独立固定占空比的信号源。驱动信号可以是与推挽主开关管K2、K3同步的，也可以用独立固定占比的信号来驱动。独立信号可以与推挽电路同步也可以异步工作。
驱动电路的驱动信号通过调整电路来调整占空比。减少占空比会使箝位电压相应上升，反之则相应下降，可以根据推挽主开关管K2、K3的耐压水平来修正，以获得最佳效率水平。箝位电压可以通过调整至略大于两倍母线电压以降低回馈能量，提高整机效率，其方法是使驱动占空比略低于50％。
参见图2，在车载DC/DC电路中，还包括控制芯片LM5041，控制芯片LM5041为专用级联驱动芯片，前端工作频率是后级的两倍，实现同步工作。控制芯片LM5041通过芯片LM5101与开关管K1的门极相连，控制芯片LM5041的PULL端和PUSH端分别与推挽主开关管K2、K3的门极分别相连，控制芯片LM5041的FB端连接有FEED BACK电路，FEED BACK电路与电容C2的两端分别相连。
附加开关管K4的驱动选用独立信号驱动电路。当采用独立信号与推挽电路异步工作，用一个PWM芯片UC3844就可以实现独立信号产生，电路自举及驱动信号输出。独立信号的频率可以不受限，可以考虑远高于主电路工作频率，这样有助于降低电感尺寸。另外如果需要对箝位电压实施稳压闭环控制，也可以从箝位端取样，通过对箝位开关管的PWM控制实现稳压。
本实用新型通过在推挽主变压器T1上增加一个输出绕组或另外产生一个上位驱动信号，用于驱动附加开关管K4，再加上几个分立器件，就可以有效地吸收推挽主变压器绕组的漏感对推挽主开关管K2、K3造成的尖峰冲击。
以上显示和描述了本实用新型的基本原理和主要特征和本实用新型的优点。本行业的技术人员应该了解，本实用新型不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本实用新型的原理，在不脱离本实用新型精神和范围的前提下，本实用新型还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本实用新型范围内。本实用新型要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。

Claims (8)

1.一种用于推挽拓扑的有源箝位吸收电路，包括推挽电路，推挽电路包括推挽主变压器T1和推挽主开关管K2、K3，其特征在于：还包括有源箝位吸收电路，所述推挽主开关管K2、K3为MOS管，有源箝位吸收电路的一端与推挽主开关管K2、K3的漏极箝位端相连，另一端通过滤波电感L2连接至推挽电路的输入端。
2.根据权利要求1所述的用于推挽拓扑的有源箝位吸收电路，其特征在于：所述有源箝位吸收电路包括箝位二极管D1、D2、箝位电容C1、附加开关管K4及驱动电路、续流二极管D3和滤波电感L2，附加开关管K4的源极分别与滤波电感L2和续流二极管D3的负极相连，附加开关管K4的漏极分别与箝位二极管D1、D2的负极和箝位电容C1的一端相连，续流二极管D3的正极和箝位电容C1的另一端分别接地，箝位二极管D1、D2的正极分别与推挽主开关管K3、K2的漏极箝位端相连。
3.根据权利要求2所述的用于推挽拓扑的有源箝位吸收电路，其特征在于：所述推挽主变压器T1的原边侧通过分接头分成两路，一路与推挽主开关管K2的漏极箝位端和箝位二极管D2的正极分别相连，推挽主开关管K2、K3的源极分别接地，另一路与推挽主开关管K3的漏极箝位端和箝位二极管D1的正极分别相连，分接头通过滤波电感L2与附加开关管K4的源极相连。
4.根据权利要求3所述的用于推挽拓扑的有源箝位吸收电路，其特征在于：所述分接头依次通过电感L1和开关管K1与输入电源相连，电感L1与开关管K1的源极端相连，开关管K1的源极端通过二极管D6接地；推挽主变压器T1的副边侧通过第一分接头分成两路，一路与二极管D4的正极相连，另一路与二极管D5的正极相连，二极管D5的负极与二极管D4的负极相连，二极管D4的负极和第一分接头之间设有电容C2，输出电源设于电容C2的两端。
5.根据权利要求2所述的用于推挽拓扑的有源箝位吸收电路，其特征在于：所述附加开关管K4的驱动取自推挽主变压器T1，或取自推挽主开关管K2、K3的驱动电路；或者采用分立器件驱动电路；或者选用上位驱动集成专用IC。
6.根据权利要求2所述的用于推挽拓扑的有源箝位吸收电路，其特征在于：所述驱动电路的驱动信号采用独立固定占空比的信号源或者与推挽主开关管K2、K3同步。
7.根据权利要求2所述的用于推挽拓扑的有源箝位吸收电路，其特征在于：所述驱动电路的驱动信号通过调整电路来调整占空比。
8.根据权利要求4所述的用于推挽拓扑的有源箝位吸收电路，其特征在于：还包括控制芯片LM5041，控制芯片LM5041通过芯片LM5101与开关管K1的门极相连，控制芯片LM5041的PULL端和PUSH端分别与推挽主开关管K2、K3的门极分别相连，控制芯片LM5041的FB端连接有FEED BACK电路，FEEDBACK电路与电容C2的两端分别相连。
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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CN108649938A (zh) * 2018-07-27 2018-10-12 深圳英飞源技术有限公司 一种抑制负向驱动电压尖峰的mos管驱动电路
CN110429805A (zh) * 2019-08-28 2019-11-08 中国电子科技集团公司第四十三研究所 一种开关电源高边有源钳位电路
CN113098293A (zh) * 2021-05-21 2021-07-09 深圳市杰能科技有限公司 一种有源钳位变换器电路

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