CN209805680U - 一种反激变换器 - Google Patents
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Abstract
本实用新型公开了一种反激变换器，在传统有源钳位变换器的辅助绕组端增加一辅助开关管Q3和辅助二极管D4组成的扼流圈支路，辅助绕组P2异名端连接辅助二极管D4阴极和整流二极管D5阳极，整流二极管D5阳极连接辅助钳位电容Co2一端作为辅助输出端，辅助绕组P2同名端连接辅助开关管Q3漏极，辅助开关管Q3源极、辅助二极管D4阳极和辅助钳位电容Co2另一端连接GND。本实用新型所添加的辅助开关管Q3与辅助二极管D4均可选用贴片封装的低耐压管。辅助开关管Q3的驱动与主开关管Q1的驱动互补，可以采用定频控制，而且所添加辅助开关管Q3的驱动信号可以与原边共地，无需自举电路，控制简单。
Description
技术领域
本实用新型涉及一种反激变换器，特别涉及一种主功率开关管实现ZVS的反激变换器。
背景技术
反激变换器有着拓扑结构简单、成本低廉、容易设计等优点，是现如今最受欢迎的隔离式变换器。广泛应用于笔记本电脑，平板电脑，手机和许多其他便携式设备等小功率电源领域。普通的反激电路，由于主功率开关管在开通瞬间漏源两端的电压不为0，因此开通损耗较大。如果可以实现开关管的ZVS，则可以提高反激电路的性能。
Rompower公司在其申请的WO2016073700Al专利中，通过增加一个漏感能量回收的钳位电路来控制谐振过程，通过利用谐振过程控制，可以实现开关管的ZVS，提高转换器的效率，但该方案需额外使用高耐压的MOS管与二极管作为扼流圈支路，此外，所添加的MOS管需要自举驱动，增加了驱动的难度和成本。
实用新型内容
有鉴于此，本实用新型解决的技术问题是克服现有方法的不足，提出一种反激电路方案，使主功率开关管可以实现ZVS，减小了反激电路的开关损耗，开关管的控制方法较为简单，无需自举驱动，同时可以选用低耐压的MOS管与二极管。
本实用新型时是通过以下技术方案实现的：
一种反激变换器，包括原边绕阻单元、副边绕阻单元和辅助绕组单元；原边绕阻单元包括电压源Vin、输入电容Cin、变压器TX1原边绕阻P1、主开关管Q1、钳位开关管Q2、钳位电容Cr，副边绕阻单元包括变压器TX1副边绕组S1、整流二极管D6、输出电容Co1和负载RL，其连接关系为：输入电容Cin并联在电压源Vin两端，钳位电容Cr一端与电压源Vin正极、变压器TX1原边绕组P1同名端连接，钳位电容Cr另一端连接钳位开关管Q2漏极，钳位开关管Q2源极和主开关管Q1漏极连接变压器TX1原边绕组P1异名端，主开关管Q1源极连接电压源Vin阴极至GND；变压器TX1副边绕组S1异名端连接整流二极管D6阳极，整流二极管D6阴极、输出电容Co1一端和负载RL一端连接作为输出端，变压器TX1副边绕组S1同名端连接输出电容Co1另一端和负载RL另一端，同时连接参考地；主开关管Q1和钳位开关管Q2的栅极分别接入控制信号GQ1和GQ2；
辅助绕组单元包括变压器TX1辅助绕组P2、扼流圈支路、辅助钳位电容Co2和整流二极管D5，其连接关系为：扼流圈支路一端连接变压器TX1辅助绕组P2同名端，扼流圈支路另一端连接变压器TX1辅助绕组P2异名端和整流二极管D5阳极，整流二极管D5阴极连接辅助钳位电容Co2一端作为辅助输出端，辅助钳位电容Co2另一端连接GND。
优选的，扼流圈支路包括辅助开关管Q3和辅助二极管D4，辅助开关管Q3漏极作为扼流圈支路一端，辅助二极管D4阴极作为扼流圈支路另一端，辅助开关管Q3源极和辅助二极管D4阳极连接GND，辅助开关管Q3栅极接入控制信号GQ3。
优选的，主开关管Q1和辅助开关管Q3为互补导通，钳位开关管Q2和辅助开关管Q3为同时导通。
优选的，扼流圈支路包括辅助开关管Q3和辅助二极管D4，辅助开关管Q3源极作为扼流圈支路一端连接GND，辅助开关管Q3漏极连接辅助二极管D4阴极，辅助二极管D4阳极作为扼流圈支路另一端，辅助开关管Q3栅极接入控制信号GQ3。
优选的，GQ1占空比由输出电压决定，GQ2采用后沿非互补控制，固定占空比，与GQ1留有死区时间，GQ3在GQ1关断前开通，在GQ2开通前关断。
优选的，主开关管Q1、钳位开关管Q2和辅助开关管Q3为MOS管。
本实用新型所提的方案，具体的表现为在现有普通有源钳位反激电路基础上，在辅助绕组端添加辅助开关管与二极管组成的扼流圈支路，所添加的辅助开关管与二极管均可选用贴片封装的低耐压管。辅助开关管的驱动与主开关管的驱动互补，可以采用定频控制，而且所添加辅助开关管驱动信号可以与原边共地，无需自举电路，控制简单。
附图说明
图1为本实用新型第一实施例的电路原理图；
图2为本实用新型第一实施例带寄生参数的电路原理图；
图3为本实用新型第一实施例的电路仿真工作波形图；
图4为本实用新型第二实施例的电路原理图；
图5为本实用新型第二实施例带寄生参数的电路原理图；
图6为本实用新型第二实施例的电路仿真工作波形图。
具体实施方式
第一实施例
图1为本实施例的电路原理图，如图所示，该反激变换器包括电压源Vin、输入电容Cin、变压器TX1、主MOS管Q1、钳位MOS管Q2、辅助MOS管Q3、钳位电容Cr、输出电容Co1、辅助钳位电容Co2、辅助二极管D4、整流二极管D5、整流二极管D6和负载RL；
该实施例的连接关系如下：
输入电容Cin并联在电压源Vin两端，钳位电容Cr一端与电压源Vin正极、变压器TX1原边绕组P1同名端连接，钳位电容Cr另一端连接钳位MOS管Q2漏极，钳位MOS管Q2源极和主MOS管Q1漏极连接变压器TX1原边绕组P1异名端，主MOS管Q1源极连接电压源Vin阴极至GND；变压器TX1副边绕组S1异名端连接整流二极管D6阳极，整流二极管D6阴极、输出电容Co1一端和负载RL一端连接作为输出端，变压器TX1副边绕组S1同名端连接输出电容Co1另一端和负载RL另一端，同时连接参考地；辅助MOS管Q3和辅助二极管D4连接作为扼流圈支路，辅助MOS管Q3漏极作为扼流圈支路一端连接变压器TX1辅助绕组P2同名端，辅助二极管D4阴极作为扼流圈支路另一端连接变压器TX1辅助绕组P2异名端和整流二极管D5阳极，整流二极管D5阴极连接辅助钳位电容Co2一端作为辅助输出端，辅助钳位电容Co2另一端、辅助MOS管Q3源极和辅助二极管D4阳极连接GND；主MOS管Q1栅极、钳位MOS管Q2栅极和辅助MOS管Q3栅极分别接入控制信号GQ1、GQ2和GQ3；
图2为本实施例带寄生参数的电路原理图，如图所示，D1是主MOS管Q1的体二极管，Cds1是主MOS管Q1的寄生电容，D2是钳位MOS管Q2的体二极管，Cds2是钳位MOS管Q2的寄生电容，D3是辅助MOS管Q3的体二极管，Cds3是辅助MOS管Q3的寄生电容。
图3为本实施例的电路仿真工作波形图，如图所示，GQ1与GQ3采用互补控制，GQ2与GQ3同时导通，电路工作原理如下：
阶段1[t0-t1]：主MOS管Q1开通，储能变压器激磁电感电流ILm和漏感电流Ip从最小值线性增加，在t1时刻电流达到峰值Ippk。在主MOS管Q1导通期间，变压器TX1副边绕组S1的感应电压同名端为正，异名端为负，整流二极管D6处于关断状态，副边电流为零。
阶段2[t1-t2]：主MOS管Q1关断，激磁电感Lm和漏感Lr先对主MOS管Q1的寄生电容Cds1充电，因为主MOS管Q1寄生电容Cds1容值比较小，充电较快，这段时间极短。当主MOS管Q1漏源极的电压Vds1升高到Vin+Vc，钳位MOS管Q2的体二极管D2导通，激磁电感Lm和漏感Lr对钳位电容Cr进行充电，激磁电感电流ILm和漏感电流Ip线性下降。在t2时刻，变压器TX1副边绕组S1的感应电压同名端为负，异名端为正，整流二极管D5、整流二极管D6都开通。
阶段3[t2-t3]：在t2时刻，钳位MOS管Q2和辅助MOS管Q3开通，整流二极管D6导通，原边能量传输到副边，激磁电感Lm两端电压被钳位在Nps*Vo，当激磁电流ILm线性下降为零时，接着激磁电流ILm反向增大，钳位电容Cr放电。在t3时刻，原边电流Ip与激磁电流ILm均为负值，钳位MOS管Q2关断，Cr停止放电，副边二极管D6截止，此阶段结束。
阶段4[t3-t4]：主MOS管Q1、钳位MOS管Q2关断，原边电流Ip与激磁电流ILm将主MOS管Q1的寄生电容Cds1的能量抽走，当主MOS管Q1漏源极电压VCds1下降至Vin时，变压器TX1原边绕组P1同名端电压变为正，辅助绕组二极管D4导通，此时，激磁电感Lm被辅助二极管D4与辅助MOS管Q3压降钳位，漏感Lr与主MOS管Q1的寄生电容Cds1产生谐振，由于二极管D4与辅助MOS管Q3压降较低，因此激磁电感电流ILm缓慢下降，斜率接近为0，直到t4时刻此阶段结束。
阶段5[t4-t5]：t4时刻，辅助MOS管Q3关断，由于电感电流不能突变，原边激磁电感Lm持续抽走主MOS管Q1的寄生电容Cds1的能量，Vds1下降到零，等待下一周期主功率MOS管开通。
本实用新型第一实施例通过扼流圈支路钳住原边的负向电流，当辅助MOS管Q3关断时，由于电感电流不能突变，从而将主MOS管Q1的寄生电容Cds1的能量抽走，使其两端的电压降低为0，在原边负向电流降为0之前，将主MOS管Q1开通，从而实现了ZVS。且本实施例只有原边钳位电路的MOS管Q2需要自举驱动。
第二实施例
图4为本实施例的电路原理图。相对于第一实施例电路，扼流圈支路包括辅助MOS管Q3和辅助二极管D4，辅助MOS管Q3源极作为扼流圈支路一端与变压器TX1辅助绕组P2同名端连接GND，辅助MOS管Q3漏极连接辅助二极管D4阴极，辅助二极管D4阳极作为扼流圈支路另一端连接变压器TX1辅助绕阻P2异名端和整流二极管D5阳极，辅助MOS管Q3栅极接入控制信号GQ3。
图5为本实施例带寄生参数的电路原理图，如图所示，D1是主MOS管Q1的体二极管，Cds1是主MOS管Q1的寄生电容，D2是钳位MOS管Q2的体二极管，Cds2是钳位MOS管Q2的寄生电容，D3是辅助MOS管Q3的体二极管，Cds3是辅助MOS管Q3的寄生电容。
图6为本实施例的电路仿真工作波形图，如图所示，GQ1占空比由输出电压决定，GQ2采用后沿非互补控制，固定40％占空比，与GQ1留有100ns死区，GQ3在GQ1关断前100ns开通，在GQ2开通前100ns关断，电路工作原理如下：
阶段1[t0-t1]：主MOS管Q1开通，储能变压器激磁电感电流ILm和漏感电流Ip从最小值线性增加，在t1时刻电流达到峰值Ippk。在t1时刻之前，将辅助MOS管Q3开通，实现辅助MOS管Q3的ZVS。在主MOS管Q1导通期间，副边绕组的感应电压同名端为正，异名端为负，整流二极管D6处于关断状态，副边电流为零。
阶段2[t1-t2]：主MOS管Q1关断，激磁电感电流ILm线性下降，变压器TX1原边绕组P1电压同名端为负，异名端为正，辅助MOS管Q3管开通，因此扼流圈支路导通，由于辅助二极管D4与辅助MOS管Q3压降较低，因此激磁电感电流ILm缓慢下降，斜率接近为0，漏感Lr同时对主MOS管Q1的寄生电容Cds1与钳位电容Cr充电到Vin+Vc。漏感Lr与主MOS管Q1的寄生电容Cds1进行谐振。
阶段3[t2-t3]：在t2时刻，辅助MOS管Q3关断，整流二极管D6开通，原边能量传输到副边。激磁电感Lm两端电压被钳位在Nps*Vo，激磁电感电流ILm线性下降。在t3时刻，钳位MOS管Q2开通，此阶段结束。
阶段4[t3-t4]：主MOS管Q1与辅助MOS管Q3关断，在副边电流Is下降为零时，激磁电感Lm与漏感Lr被钳位电容Cr钳位，漏感电流Ip与激磁电感电流ILm反向增加，在t4时刻，钳位MOS管Q2关断，此阶段结束。
阶段5[t4-t5]：漏感Lr与激磁电感Lm的反向电流将主MOS管Q1的寄生电容Cds1能量抽走，主MOS管Q1漏源电压Vds1下降为零，在漏感Lr与激磁电感Lm的反向电流降为0之前将主MOS管Q1开通，实现ZVS。
本实施例控制简单，只有一个钳位MOS管需要浮地驱动。采用后沿非互补控制策略，即主MOS管Q1驱动信号GQ1占空比由输出电压决定，钳位MOS管Q2在主MOS管Q1开通前导通一段固定时间，与主MOS管Q1留有一定的死区时间，辅助MOS管Q3在主MOS管Q1关断前开通，在钳位MOS管Q2开通前关断。此外，辅助MOS管Q3的源极与GND相连，与驱动信号GQ3共地，辅助MOS管Q3受驱动信号GQ3直接控制。
以上仅是本实用新型的优选实施方式，应当指出的是，上述优选实施方式不应视为对本实用新型的限制，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本实用新型的精神和范围内，还可以做出若干等同替换、改进和润饰，这些等同替换、改进和润饰也应视为本实用新型的保护范围，这里不再用实施例赘述，本实用新型的保护范围应当以权利要求所限定的范围为准。
Claims (6)
1.一种反激变换器，包括原边绕阻单元、副边绕阻单元和辅助绕组单元；原边绕阻单元包括电压源Vin、输入电容Cin、变压器TX1原边绕阻P1、主开关管Q1、钳位开关管Q2、钳位电容Cr，副边绕阻单元包括变压器TX1副边绕组S1、整流二极管D6、输出电容Co1和负载RL，其连接关系为：输入电容Cin并联在电压源Vin两端，钳位电容Cr一端与电压源Vin正极、变压器TX1原边绕组P1同名端连接，钳位电容Cr另一端连接钳位开关管Q2漏极，钳位开关管Q2源极和主开关管Q1漏极连接变压器TX1原边绕组P1异名端，主开关管Q1源极连接电压源Vin阴极至GND；变压器TX1副边绕组S1异名端连接整流二极管D6阳极，整流二极管D6阴极、输出电容Co1一端和负载RL一端连接作为输出端，变压器TX1副边绕组S1同名端连接输出电容Co1另一端和负载RL另一端，同时连接参考地；主开关管Q1和钳位开关管Q2的栅极分别接入控制信号GQ1和GQ2；其特征在于：
辅助绕组单元包括变压器TX1辅助绕组P2、扼流圈支路、辅助钳位电容Co2和整流二极管D5，其连接关系为：扼流圈支路一端连接变压器TX1辅助绕组P2同名端，扼流圈支路另一端连接变压器TX1辅助绕组P2异名端和整流二极管D5阳极，整流二极管D5阴极连接辅助钳位电容Co2一端作为辅助输出端，辅助钳位电容Co2另一端连接GND。
2.根据权利要求1所述的反激变换器，其特征在于：扼流圈支路包括辅助开关管Q3和辅助二极管D4，辅助开关管Q3漏极作为扼流圈支路一端，辅助二极管D4阴极作为扼流圈支路另一端，辅助开关管Q3源极和辅助二极管D4阳极连接GND，辅助开关管Q3栅极接入控制信号GQ3。
3.根据权利要求2所述的反激变换器，其特征在于：主开关管Q1和辅助开关管Q3为互补导通，钳位开关管Q2和辅助开关管Q3为同时导通。
4.根据权利要求1所述的反激变换器，其特征在于：扼流圈支路包括辅助开关管Q3和辅助二极管D4，辅助开关管Q3源极作为扼流圈支路一端连接GND，辅助开关管Q3漏极连接辅助二极管D4阴极，辅助二极管D4阳极作为扼流圈支路另一端，辅助开关管Q3栅极接入控制信号GQ3。
5.根据权利要求4所述的反激变换器，其特征在于：GQ1占空比由输出电压决定，GQ2采用后沿非互补控制，固定占空比，与GQ1留有死区时间，GQ3在GQ1关断前开通，在GQ2开通前关断。
6.根据权利要求1至5任一项所述的反激变换器，其特征在于：主开关管Q1、钳位开关管Q2和辅助开关管Q3为MOS管。
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|---|---|---|---|---|
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| CN114400899A (zh) * | 2020-11-16 | 2022-04-26 | 上海百功半导体有限公司 | 一种新型零电压切换控制电路、方法及电压变换器 |
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| WO2023226896A1 (zh) * | 2022-05-27 | 2023-11-30 | 华为数字能源技术有限公司 | 电源模组的控制电路、电源模组及电子设备 |
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