CN208581168U - 一种推挽变换器电路 - Google Patents

Abstract

本实用新型提供了一种推挽变换器电路，该变换器的变压器原边连接有两个开关管组，每个开关管组均由多级开关管并联组成，且逻辑控制单元可以通过生成多路驱动控制信号对两组开关管中的每级开关管进行独立控制，实现对两个开关管组的推挽式驱动。由于本实用新型能够对两个开关管组中的各级开关管进行独立控制，因此，在上电启动阶段，开关管组的总电流总体呈缓慢上升的趋势，即使输出有电容负载，也不会产生上升快速的启动浪涌电流，从而实现软启动，且采用一个开关管组代替一个开关管，而一个开关管组可以等效成一个开关管，因开关管组是缓慢导通的，而不是快速导通，可以使得推挽式变换器电路电流变化不会过快，进而实现软驱动。

Description

一种推挽变换器电路

技术领域

本实用新型涉及发电机检测技术领域，尤其涉及一种推挽变换器电路。

背景技术

推挽变换器电路结构简单，工作时变压器双向激磁，磁芯的利用率高，因此该变换器具有体积小、效率高且动态响应好的优点，在低电压输入、大电流输出以及输入输出需要电气隔离的场合被广泛应用。

在推挽变换器刚上电启动时，设其输出侧有电容负载，则电路启动过程需要给电容负载充电，此时相当于短路或过载状态，会瞬间产生很大的启动浪涌电流，浪涌电流的上升速率过快会导致一些应用问题，如导致输入电压跌落，干扰输入电源总线上其他设备的使用，产生较大的电磁干扰，损坏推挽变换器电路中的器件等问题。

在推挽变换器电路的工作过程中，两个功率效应管交替导通，因此需要快速开关功率场效应管，会导致功率回路的电流快速变化，电流变化较大，形成不可忍受的电压尖峰，产生较大的电磁干扰。

因此，现有的推挽变换器在启动和驱动的过程中，由于电流变化过快产生较大的电磁干扰成为本领域技术人员亟待解决的技术问题。

实用新型内容

本实用新型公开了一种推挽变换器电路，能够实现推挽变换器的软启动功能和软驱动功能。

本实用新型提供了一种推挽变换器电路，由变压器、变压器原边电路和变压器副边电路构成，所述变压器原边电路包括两个开关管组和逻辑控制单元；

两个所述开关管组均包括并联的多级开关管，其中每级开关管包括并联的一个或多个开关管；

在一个所述开关管组中，所有开关管的第一端与所述变压器原边线圈的第一端连接；

在另一个所述开关管组中，所有开关管的第一端与所述变压器原边线圈的第二端连接；

两个所述开关管组中的所有开关管的第二端均接地；

所述变压器原边线圈的中心抽头与电源连接；

所述逻辑控制单元与两个所述开关管组中的所有开关管控制端连接，用于通过多路驱动控制信号对两个所述开关管组进行推挽式驱动控制，一路驱动控制信号用于独立控制一级开关管。

优选地，两个所述开关管组完全相同。

优选地，在每个所述开关管组中，各级开关管完全相同。

从以上技术方案可以看出，本实用新型实施例具有以下优点：

本实用新型提供了一种推挽变换器电路，该变换器的变压器原边连接有两个开关管组，每个开关管组均由多级开关管并联组成，且逻辑控制单元可以通过生成多路驱动控制信号对两组开关管中的每级开关管进行独立控制，实现对两个开关管组的推挽式驱动。由于本实用新型能够对两个开关管组中的各级开关管进行独立控制，因此，在上电启动阶段，开关管组的总电流总体呈缓慢上升的趋势，即使输出有电容负载，也不会产生上升快速的启动浪涌电流，从而实现软启动，且采用一个开关管组代替一个开关管，而一个开关管组可以等效成一个开关管，因开关管组是缓慢导通的，而不是快速导通，可以使得推挽式变换器电路电流变化不会过快，进而实现软驱动。

附图说明

为了更清楚地说明本实用新型实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本实用新型的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图。

图1为现有的推挽式变换器电路的结构示意图；

图2为本申请实施例中推挽式变换器电路的第一实施例的结构示意图；

图3为本申请实施例中推挽式变换器电路的第二实施例的结构示意图；

图4为本申请实施例中推挽式变换器电路的第三实施例的结构示意图；

图5为本申请实施例中推挽式变换器电路启动上电阶段驱动控制信号变化的一个实施例的示意图；

图6为使用图5所示的驱动控制信号对推挽式变换器进行控制的电流变化示意图；

图7为本申请实施例中推挽式变换器电路导通和关断过程中电流变化的一个实施例的示意图；

图8为本申请实施例中推挽式变换器电路的第四实施例的结构示意图；

图9为本实用新型提供的一种推挽式变换器电路的过流保护过程中多驱动控制信号变化的一个实施例的示意图。

具体实施方式

本实用新型实施例公开了一种推挽变换器电路，能够实现推挽变换器的软启动功能和软驱动功能。

在研究中发现，因为现有的推挽式变换器电路只有两个开关管，在推挽变换器刚上电启动时，设其输出侧有电容负载，则电路启动过程需要给电容负载充电，此时相当于短路或过载状态，会瞬间产生很大的启动浪涌电流，浪涌电流的上升速率过快会导致一些应用问题。

且在推挽变换器电路的工作过程中，两个功率效应管交替导通，因此需要快速开关功率场效应管，会导致功率回路的电流快速变化，电流变化较大，形成不可忍受的电压尖峰，产生较大的电磁干扰。

在本实施例中，以图1所示的推挽式变换器电路为例：

图1中场效应管Q的电流表达式为：

其中Vin为输入电压，Vd为输出二极管的正向压降，Vo为输出电压，n为变压器初级和次级匝比，Rp为初级线圈的电阻，Rs为次级线圈的电阻，Rdson为场效应管的导通电阻，I_Q为场效应管导通时的电流。

当推挽式变换器电路上电启动时V_o＝0V，从公式可以看出，启动时时场效应管Q的电流I_Q较大，即短时间内场效应管I_Q的电流会上升很大，在输出有大电容时，启动的大电流持续时间长。

且当场效应管快速导通，即可以认为场效应管的导通电阻Rdson快速变化，因此造成电流快速变化。

如果采用一个场效应管组代替图1所示的推挽式变换器电路中的场效应管Q，其中场效应管组由N级场效应管并联构成，那么Rdson便为场效应管组的等效电阻，即为N级场效应管的并联电阻。

为了便于分析，这里假设场效应管组中的N级场效应管都是相同的，那么Rdson＝rdson/N，其中rdson是单个场效应管的导通电阻。

请参阅图2，本实用新型提供的一种推挽式变换器电路的一个实施例的结构示意图。

本实用新型提供了一种推挽式变换器电路的一个实施例，由变压器T、变压器T原边电路和变压器T副边电路构成，变压器T原边电路包括两个开关管组和逻辑控制单元A。

因本实用新型的改进不涉及变压器T副边电路，所以在此不对变压器T副边电路进行详述，变压器T副边电路可以根据实际需要进行选择。

如图2所示，A1至An并联构成一个开关管组，BA至Bn并联构成另一个开关管组。

两个开关管组均包括并联的多级开关管，其中每级开关管包括并联的一个或多个开关管。

可以理解的是，可以将一个开关管组等效成一个开关管，对应地，等效参数可以包括导通电阻和导通电压，等效参数相同是为了满足推挽变换器电路的需求。

如图2所示，每级开关管均包括一个开关管；如图3所示，有一个开关管构成的一级开关管，有两个开关管构成的一级开关管，还有三个开关管构成的一级开关管；如图4所示，每级开关管都包括至少两个开关管；因此，在一个开关管组中，各级开关管可以完全相同，也可以只是等效参数相同，也可以等效参数不同；而两个开关管组相比，可以只是等效参数相同，也可以完全相同，例如，当组成两个开关管组的各级开关管均相同时，这两个开关管组便完全相同。

在本实施例中，开关管的种类不作具体限定，例如可以为场效应管，也可以为双极性晶体管，还可以是三极管。

在一个开关管组中，所有开关管的第一端与变压器T原边线圈的第一端连接；在另一个开关管组中，所有开关管的第一端与变压器T原边线圈的第二端连接；两个开关管组中的所有开关管的第二端均接地。

因此，在每个开关管组中，开关管的导通电压是相同的。

需要说明的是，当开关管为场效应管时，开关管的第一端是漏极，开关管的第二端是源极，开关管控制端则为栅极；当开关管为三极管时，开关管的第一端是集电极，开关管的第二端是发射极，开关管控制端则为基极。

变压器T1原边线圈的中心抽头与电源VDD连接。

逻辑控制单元A与两个开关管组中的所有开关管控制端连接，用于通过多路驱动控制信号对两个开关管组进行推挽式驱动控制，一路驱动控制信号用于独立控制一级开关管。

需要说明的是，对每级开关管进行独立控制是指可以随时开启和关断任意一级开关管；开关管组中存在一级导通的开关管即可认为该开关管组导通；推挽式供电是所有推挽式变换器电路共同的供电方式，即两个开关管组交替导通进行供电，所以此处不做赘述。

如图2所示，逻辑控制单元A上Pa1至Pan、Pb1至Pbn为逻辑控制单元A输出的驱动控制信号，每个控制信号控制一级个开关管，并且当推挽电路正常工作时，逻辑关系为：Pa1＝Pa2＝...＝Pan；Pb1＝Pb2＝...＝Pbn。

例如，当开关管为N沟道MOS管且推挽电路正常工作时，由N沟道MOS管工作原理可知，Pa1～Pan为逻辑高电平时，MOS管A1至An处于导通状态；Pa1～Pan为逻辑低电平时，MOS管A1至An处于截止状态；Pb1～Pbn为逻辑高电平时，MOS管B1至Bn处于导通状态；Pb1～Pbn为逻辑低电平，MOS管B1至Bn处于截止状态，具体可参阅图5中驱动信号变化t1至t2的正常部分。

虽然在现有技术中，也存在利用多个开关管并联代替一个开关管的情况，但这多个开关管的控制端是连接在一起的，所以不能实现分开独立控制，而本实施例可以对开关管组中的多个开关管进行独立、异步、差异性的控制。

(1)以下将对本实用新型提供的推挽变换器电路的软启动过程进行说明：

在推挽式变换器电路上电启动阶段，逻辑控制单元用于控制两个开关管组交替导通多次，同时控制每个开关管组的等效导通电阻随交替导通次数的增多呈非增大的趋势，直至达到预设电阻值。

需要说明的是，当开关管组中存在一级开关管导通即可认为该开关管组导通；为了实现推挽式变换器电路的基本功能，需要保证两个开关管组交替导通，且在每轮交替导通中两个开关管组的等效参数相同。

可以理解的是，在一个上电启动阶段，导通等效电阻是指导通状态的所有开关管的等效电阻；等效导通电阻呈非增大的趋势包括不变和减小两种情况。

例如，在第一轮交替导通中，开关管组的等效导通电阻为2欧姆；在第二轮交替导通中开关管组的等效导通电阻依然为2欧姆；在第三轮交替导通中开关管组的等效导通电阻减小为1.8欧姆。

每轮交替导通中两个开关管组的等效参数可以相同，也可以相近，以保证推挽变压器不会偏磁饱和。

本申请实施例通过控制每个开关管组的等效导通电阻随交替导通次数的增多呈非增大的趋势，使得开关管组的总电流总体呈缓慢上升的趋势，即使输出有电容负载，也不会产生上升快速的的启动浪涌电流，从而避免上升快速的的启动浪涌电流造成输入电压跌落、干扰输入电源总线上其他设备的使用、产生较大的电磁干扰、损坏推挽式变换器电路中的器件等技术问题。

需要说明的是，控制开关管组的等效导通电阻呈减小的趋势也多种方法，例如，可以控制开关管组中开关管的导通级数不变，而在下一次的的交替导通过程中，将其中一级开关管切换成电阻较小的另一级开关管，从而使得开关管组的等效导通电阻减小。

进一步地，在推挽式变换器电路上电启动阶段，逻辑控制单元可以具体用于控制开关管组中开关管的导通级数随交替导通次数的增多逐渐增加，直到导通数量达到预置第一级数，以使开关管组的等效导通电阻随交替导通次数的增多呈非增大的趋势，直至达到预设电阻值。

可以理解的是，开关管的导通级数的增加速度可以根据实际需要进行设定，例如，交替导通次数每增加一次，导通级数增加一级；也可以交替导通次数每增加一次，导通级数增加两级；以此类推。

具体地，在第一轮交替导通中，开关管的导通级数为1；在第二轮交替导通中，开关管的导通级数还是1，待第三轮交替导通中，开关管的导通级数增加为2，那么便可以认为开关管的导通级数在过去的两轮交替到导通中增加了一级。

请参阅图5，本申请实施例中推挽式变换器电路启动上电阶段驱动控制信号变化的一个实施例的示意图。

请参阅图6，使用图5所示的驱动控制信号对推挽式变换器进行控制的电流变化示意图。

如图5所示，在第一个时间段t0～t1内，驱动信号Pa2～Pan和Pb2～Pbn保持低电平，即开关管A2～An和B2～Bn保持关断状态；Pa1和Pb1输出对称互补信号，开关管A1、B1对称互补交替导通，实现推挽变换。由于只有一级开关管工作，开关管组的导通电阻较大，限制了启动时的电流大小。

在第二个时间段t1～t2内，驱动信号Pa3～Pan和Pb3～Pbn保持低电平，即开关管A3～An和B3～Bn保持关断状态；Pa1、Pa2和Pb1、Pb2输出对称互补信号，开关管A1、A2、B1、B2对称互补交替导通，实现推挽变换。有一两级开关管工作，开关管组的导通电阻等于第一级和第二级开关管导通电阻并联，开关管的导通电阻减小，启动流通电流能力增强。

以此类推，逐个时间段增加开关管的导通级数，启动流通电流能力逐渐增强。

在第n个时间段tn后，开管A1～An和B1～Bn开关管全部开通；启动阶段结束，推挽变换器进入正常工作状态。

在上述启动上电阶段，软启动电流变化如图6所示，可以看出，电流变化的整体趋势是上升的，且呈阶梯式上升；需要说明的是，开关管导通级数增加一级后，等效导通电阻下降，电流先上升，推挽式变换器电路输出的供电能力增强，根据场效应管Q的电流表达式可以知道在级数不变的这段时间内，输出电压逐渐上升，电流略微下降，所以如图6所示，电流上升后会略微下降，但整体趋势是上升的，且上升速度缓慢，可以避免上升快速的的启动浪涌电流造成输入电压跌落、干扰输入电源总线上其他设备的使用、产生较大的电磁干扰、损坏推挽式变换器电路中的器件等技术问题。

当控制开关管组的交替导通次数每增加一次，开关管的导通级数增加一级时，推挽式变换器电路电流的增长速度是最慢的，即控制推挽式变换器电路软启动的效果也是最好的。

(2)以下将对本实用新型提供的推挽变换器电路的软驱动过程进行说明：

当推挽变换器中的开关管组需要导通时，逻辑控制单元控制开关管组中开关管的导通级数逐渐增多至预置第二级数。

可以理解的是，因此开关管组中开关管的导通数量逐渐增多，而开关管组可以等效成一个开关管，所以在本实施例中，开关管组等效成的开关管可以看成是缓慢导通的，即实现了开关管的软驱动，使得推挽式变换器电路中电流变化不至于过快，因此不会较高的电磁干扰。

预置第二级数是根据实际需要来确定的，例如，在本实施例的推挽式变换器电路中，开关管组中的开关管级数可以设计为10级，但当该推挽式变换器电路接第一种负载时，工作时开关管的导通级数为6级，即预置第二级数为6级；当该推挽式变换器电路接第二种负载时，工作时开关管的导通数量为8级，即预置第二级数为8级。

需要说明的是，开关管组中开关管导通级数的增加速度也可以根据实际需要进行调整，例如在一个开关管组中，开关管的级数可能很多，假设为100级，如果逐级导通开关管可能会造成开关管组的导通时间过长，因此可以选择每五级开关管一起导通，甚至是每十级开关管一起导通，在保证开关管组缓慢导通的前提下，缩短了开关管组的导通时间。

因此，逻辑控制单元A控制开关管组中开关管的导通数量逐渐增多至预置第二级数具体包括：

逻辑控制单元A控制开关管组中的开关管逐级导通，直到开关管的导通级数达到预置第二级数。

如图2所示，在推挽式变换器电路驱动时，会依次开通A1、A2……An，电流逐渐增大，待推挽式变换器电路以正常工作至工作周期结束时，将A1、A2……An均关断后，再依次开通B1、B2……Bn，从而实现推挽式变换器电路的软驱动。

请参阅图7，本申请实施例中推挽式变换器电路导通和关断过程中电流变化的一个实施例的示意图。

如图7中的第一波形图所示，Pa、Pb分别代表现有技术中两个开关管组的驱动控制信号；当驱动控制信号为高电平时，开关管组导通，当驱动控制信号低电平时，开关管组关断。由于现有技术中的推挽式变换器电路只有一级开关管，所以当开关管导通或关断时，开关管的导通电阻也快速变化，导致电流快速变化，从而导致电磁干扰问题。

在本申请实施例中，因为每个开关管组包括多级开关管，当一个开关管组需要导通时，假设驱动控制信号Pb1、Pb2、Pb3、……、Pbn是同时上升或下降的，开关管组的导通电阻也快速变化，导致开关管组的导通电流在关断和开通时快速变化，同样导致电磁干扰问题。

因此，在本申请实施例中，多级开关管的驱动控制信号间隔Δt时间发送的，如图7所示，驱动控制信号Pb1、Pb2、Pb3、……、Pbn的上升沿时间逐一延后，从而使得开关管B1、B2、B3、……、Bn逐级导通，对应地，开关管组的导通电流呈阶梯式缓慢上升，从而可以有效地限制较高电压尖峰和较强电磁的产生。

另外，需要说明的是，虽然本申请实施例中的开关管B1、B2、B3、……、Bn逐级导通，会使得开关管组的导通时间延迟软(n-1)Δt，但由于Δt是远小于推挽变换器的工作周期，所以不会对推挽变换器的正常工作造成影响；一般情况下，推挽变换器的工作周期大于2μs，(n-1)Δt≈100ns，而驱动控制信号Pb1、Pb2、Pb3、……、Pbn是同时上升或下降可能只有10ns甚至更短，对比来看，本申请实施例可以降低开关管组导通电流的变化速度。

除此之外，还可以变换开关管组的导通速率，例如，先控制开关管组中的开关管逐级导通，然后到达某一个特定的时间点，将剩余的所有开关管全部同时导通。

进一步地，当开关管组需要关断时，逻辑控制单元A控制开关管组中开关管的导通级数逐渐减少至零。

例如，当推挽式变换器电路发生过流时，需要控制推挽式变换器电路关断，以实现过流保护功能，在控制推挽式变换器电路关断过程中，如图2所示，假设推挽式变换器电路关断前A1所在的开关管组处于导通状态，那么可以逐级依次关断A1、A2……An，使得推挽式变换器电路中的电流逐渐减少至整个推挽式变换器电路完全关断，从而实现推挽式变换器电路的软关断。

逻辑控制单元A控制开关管组中开关管的导通数量逐渐减少至零具体包括：

逻辑控制单元A控制开关管组中的开关管逐级关断，直到所有开关管全部关断。

需要说明的是，逐级导通开关管组中的开关管可以最大程度地降低开关管组的导通速率，以将电流变化速率降至最低，可以有效地限制电磁干扰的产生。

(3)以下将对本实用新型提供的推挽变换器电路的过流保护过程进行说明：

如图8所示，图8是在图2的基础上增设了检测单元，仅作为示例，也可以以图3或图4为基础增设检测单元，此处不做详细展开。

本实用新型提供的一种推挽变换器电路，还包括：检测单元，检测单元分别与两个开关管组连接，用于检测每个开关管组是否处于过流状态。

开关管组的总电流如果超过电流阈值，即可认为处于过流状态，而检测开关管组是否处于过流状态有多种方式。

例如，检测单元可以通过检测开关管组两端电压来判定开关管组是否过流，当开关管组导通且两端电压大于预置的阈值电压时判定开关管组处于过流状态，否则判定开关管组处于非过流状态。

需要说明的是，因为当开关管组不导通时，也存在两端电压大于预置电压的情况，而此时开关管组没有电流流过，所以认为开关管组处于非过流状态。

当开关管组处于过流状态时，逻辑控制单元A关断开关管组中的至少一级开关管，以使开关管组处于限流状态。

可以理解的是，当组成开关管组的各级开关管均相同时，可以通过控制开关管的关断级数来控制流过开关管组的电流；当组成开关管组的各级开关管不同时，可以通过控制开关管的关断级数来控制流过开关管组的电流，也可以按一定地优先权选择性地关断部分开关管。

另外，可以根据实际需要选择相应数量和相应规格的开关管进行关断，因为不同应用场景及不同负载情况对限流的要求不同，例如，将本实施例的推挽变换器电路应用于第一产品中，当出现过流时，可能需要通过关断部分开关管将开关管电流限制在2A以下；若将本实施例的推挽变换器电路应用在第二产品中，当出现过流时，可能需要通过关断部分开关管将开关管电流限制在3A以下。

需要说明的是，在现有技术中，也存在利用多个开关管并联代替一个开关管的情况，但这多个开关管的控制端是连接在一起的，所以不能实现分开独立控制，而本实施例可以对开关管组中的多个开关管进行独立、异步、差异性的控制。

本实施例用两个开关管组代替了现有的推挽式变换器电路中的两个开关管，逻辑控制单元A在实现对两个开关组推挽式驱动控制的同时，还可以对各级开关管进行独立控制；如图9所示，假设用图9所示的驱动控制信号控制本实用新型中的推挽式变换器控制电路，当开关管组处于过流状态时，逻辑控制单元A通过Pa1和Pb1两路驱动控制信号只交替互补开通和关断开关管A1和B1，其余开关管驱动信号一直保持为低电平，那么其余开关管则处于截止状态。开关管组的等效导通电阻增大，限制了流过开关管组的等效电流，起到限流保护作用，解决了现有的推挽式变换器电路中开关管电流过大会导致推挽式变换器电路损坏的技术问题。

以上对本实用新型所提供的一种推挽变换器电路进行了详细介绍，对于本领域的一般技术人员，依据本实用新型实施例的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说明书内容不应理解为对本实用新型的限制。

Claims (3)

1.一种推挽变换器电路，其特征在于，由变压器、变压器原边电路和变压器副边电路构成，所述变压器原边电路包括两个开关管组和逻辑控制单元；

两个所述开关管组均包括并联的多级开关管，其中每级开关管包括并联的一个或多个开关管；

在一个所述开关管组中，所有开关管的第一端与所述变压器原边线圈的第一端连接；

在另一个所述开关管组中，所有开关管的第一端与所述变压器原边线圈的第二端连接；

两个所述开关管组中的所有开关管的第二端均接地；

所述变压器原边线圈的中心抽头与电源连接；

所述逻辑控制单元与两个所述开关管组中的所有开关管控制端连接，用于通过多路驱动控制信号对两个所述开关管组进行推挽式驱动控制，一路驱动控制信号用于独立控制一级开关管。

2.根据权利要求1所述的推挽变换器电路，其特征在于，两个所述开关管组完全相同。

3.根据权利要求1或2所述的推挽变换器电路，其特征在于，在每个所述开关管组中，各级开关管完全相同。