CN211456992U - 一种有源钳位吸收电路 - Google Patents
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Abstract
本实用新型公开了一种有源钳位吸收电路，包括具有一次绕组和二次绕组的变压器、第一整流元件、第二整流元件、感性元件和第一容性元件，第二容性元件，第三整流元件，第三容性元件，第四整流元件，驱动电路，该驱动电路用于第三整流元件和第四整流元件在导通和截止状态之间进行切换。本实用新型的有源钳位吸收电路应用于全波整流电路，选用P沟道MOSFET简化驱动电路，有效抑制整流元件关断过程中的电压尖峰及振荡问题，提高系统稳定性；由于将吸收存储到容性元件的能量释放到输出侧，还能在一定程度上提高系统效率。
Description
技术领域
本实用新型属于功率变换器整流电路领域，具体涉及一种有源钳位吸收电路。
背景技术
随着电力电子技术的发展，DCDC变换器向高功率密度、高效率的方向发展，变换器的整流电路中开关管关断过程中存在电压尖峰过高及振荡的问题。为提高系统效率，可以采用软开关控制技术，来减低开关管开关过程中的损耗，但是其控制方式相对复杂，且不能完全消除开关损耗。另外，也可以采用损耗更低的第三代半导体如SiC、GaN器件，以降低开关损耗，但是其成本较高。在上述两种方案的基础上，还可在变换器中增加吸收电路，抑制开关过程中的电压过冲及振荡，以降低开关损耗。
吸收电路常用的是RC阻尼吸收电路，RC阻尼吸收电路只是将损耗进行了转移，并不能提高系统效率。而有源钳位吸收电路则是低损或无损吸收电路，可将开关过程中存储的能量回馈到输入、输出侧，或作为其他单元的供电使用。现有有源钳位吸收电路形式多样化，不同结构适用于不同的电路拓扑，且器件组成、控制方式各不相同。
现有发明专利CN1192472C公开了一种整流器电路和用于降低该电路中不理想电压尖峰的方法，其采用了二极管和电容串联的结构，适用于全波同步整流、半波同步整流、全波二极管整流及半波二极管整流中的电压过冲吸收。开关管关断过程中变压器漏感和结电容谐振产生的能量会存储到电容中，电容中的能量会用于驱动整流管的导通和关断。本方案的钳位吸收电路结构简单，但电容两端的电压会随着输入电压的不同而变化。因此还需要额外的调理电路才能将电容中的能量应用到驱动电路中，实现方式较为复杂。
哈工大硕士论文《5kW移相全桥ZVS DC/DC变换器的研究》第2.2.4节提供了另一种方案，该方案适用于全桥同步整流和全桥二极管整流，在整流桥后端有一个有源钳位吸收电路，吸收电路由电容和P沟道MOEFET组成。当任一整流管关断时，开关回路谐振产生的电流流过电容和P沟道MOSFET的寄生二极管，能量存储在电容中，当振荡过程结束后，通过控制P通道MOSFET的导通，将电容中存储的能量释放到输出侧。此方案中，主要的损耗是P沟道MOEFET寄生二极管的导通损耗，损耗低，但只适用于全桥整流电路。
实用新型内容
针对上述整流电路中开关管关断过程中电压尖峰过高及振荡的问题，本实用新型的目的是提供一种适用于全波整流电路的、低损耗的有源钳位吸收电路。
本实用新型的目的是通过以下技术方案实现的。
一种有源钳位吸收电路，包括具有一次绕组和二次绕组的变压器、第一整流元件、第二整流元件、感性元件和第一容性元件，该第一整流元件具有联接变压器二次绕组第一末端的第一接线端和联接到参考电压的第二接线端，该第二整流元件具有联接变压器二次绕组第二末端的第一接线端和联接到参考电压的第二接线端，该感性元件具有一个联接到变压器二次绕组的第一末端和一个包含整流器电路输出端的第二末端，该第一容性元件具有联接到所述感性元件第二末端的第一接线端和联接到参考电压的第二接线端，还包括：
第二容性元件，该第二容性元件具有联接变压器二次绕组第一末端的第一接线端和第二接线端；
第三整流元件，该第三整流元件具有联接第二容性元件第二接线端的第一接线端和联接到参考电压的第二接线端，以及与一驱动电路联接的第三接线端；
第三容性元件，该第三容性元件具有联接变压器二次绕组第二末端的第一接线端和第二接线端；
第四整流元件，该第四整流元件具有联接第三容性元件第二接线端的第一接线端和联接到参考电压的第二接线端，以及与一驱动电路联接的第三接线端；
驱动电路，该驱动电路用于第三整流元件和第四整流元件在导通和截止状态之间进行切换。
所述第二容性元件和第三容性元件均包括电容。
所述第三整流元件包括晶体管，该晶体管具有联接到第二容性元件第二接线端的第一漏极/源极接线端和联接到参考电压的第二源极/漏极接线端，以及与驱动电路联接的第三栅极接线端；
所述第四整流元件包括晶体管，该晶体管具有联接到第三容性元件第二接线端的第一漏极/源极接线端和联接到参考电压的第二源极/漏极接线端，以及与驱动电路联接的第三栅极接线端。
所述晶体管为P沟道MOSFET。
本实用新型的有益效果为：本实用新型提供的有源钳位吸收电路，具有低损耗的特点，适用于全波整流电路，选用P沟道MOSFET简化驱动电路，将整流管关断过程中变压器漏感和开关管结电容谐振产生的能量存储到电容中，待谐振过程结束后将电容中的能量释放到输出侧，以此减小整流管的关断电压尖峰和高频振荡，有效抑制整流管关断过程中的电压尖峰过高及振荡问题，提高系统效率，提高系统稳定性；由于将吸收存储到电容的能量释放到了输出侧，在一定程度上提高了系统的效率。
附图说明
图1是本实用新型的全波整流和有源钳位吸收电路图。
图2是本实用新型的吸收电容储能原理图。
图3是本实用新型的吸收电容放电原理图。
具体实施方式
如图1～3所示，一种有源钳位吸收电路，适用于全波整流电路，应用在新能源客车的DC/DC变换器中。
图1为全波整流和有源钳位吸收电路，其中，T1为变压器，Q1和Q2为第一整流元件和第二整流元件，L1为感性元件，C3为第一容性元件，L1和C3组成输出滤波单元；C1和C2为第二容性元件和第三容性元件，Q3和Q4为第三整流元件和第四整流元件，第二容性元件C1和第三整流元件Q3、第三容性元件C2和第四整流元件Q4分别构成两组有源钳位吸收电路，在有源钳位吸收电路中，第二容性元件C1、第三容性元件C2用于储存第一整流元件Q1和第二整流元件Q2关断过程中开关回路杂散电感中的能量，第三整流元件Q3、第四整流元件Q4分别用于控制第二容性元件C1、第三容性元件C2的充放电。
如图1所示，全波整流电路包括：具有一次绕组和二次绕组的变压器T1、第一整流元件Q1、第二整流元件Q2、感性元件L1和第一容性元件C3，第一整流元件Q1的一端与变压器T1二次绕组的一个接线端联接，第二整流元件Q2的一端与变压器T1二次绕组的另一个接线端联接，第一整流元件Q1的另一端和第二整流元件Q2的另一端均与参考电压联接，感性元件L1的一端与变压器T1二次绕组联接，感性元件L1的另一端作为整流器的电路输出端，第一容性元件C1的一端与感性元件L1作为整流器电路输出端的一端联接，容性元件C1的另一端与参考电压联接。该有源钳位吸收电路包括第二容性元件C1、第三整流元件Q3、第三容性元件C2、第四整流元件Q4和驱动电路，第二容性元件C1的一端接入第一整流元件Q1与变压器T1二次绕组之间，第二容性元件C1另一端与第三整流元件Q3联接；第三容性元件C2的一端接入第二整流元件Q3与变压器T1二次绕组之间，第三容性元件C2另一端与第四整流元件Q4联接；第三整流元件Q3和第四整流元件Q4均与驱动电路和参考电压联接，驱动电路用于第三整流元件Q3和第四整流元件Q4在导通和截止状态之间进行切换。
如图1所示，该全波整流电路包括具有一次绕组和二次绕组的变压器T1、第一整流元件Q1、第二整流元件Q2、感性元件L1和第一容性元件C3，具体的：第一整流元件Q1具有联接变压器T1二次绕组第一末端的第一接线端和联接到参考电压的第二接线端，第二整流元件Q2具有联接变压器T1二次绕组第二末端的第一接线端和联接到参考电压的第二接线端，感性元件L1具有一个联接到变压器T1二次绕组的第一末端和一个包含整流器电路输出端的第二末端，第一容性元件C3具有联接到所述感性元件L1第二末端的第一接线端和联接到参考电压的第二接线端。
上述第一整流元件Q1和第二整流元件Q2包括晶体管，该晶体管作为场效应晶体管，尤其是N沟道MOSFET来实施；感应元件L1为电感，第一容性元件C3为电容。
该钳位吸收电路包括第二容性元件C1、第三整流元件Q3、第三容性元件C2、第四整流元件Q4和驱动电路，具体的：第二容性元件C1具有联接变压器T1二次绕组第一末端的第一接线端和第二接线端，第三整流元件Q3具有联接第二容性元件C1第二接线端的第一接线端和联接到参考电压的第二接线端，以及与一驱动电路联接的第三接线端，第三容性元件C2具有联接变压器T1二次绕组第二末端的第一接线端和第二接线端，第四整流元件Q4具有联接第三容性元件C2第二接线端的第一接线端和联接到参考电压的第二接线端，以及与一驱动电路联接的第三接线端；驱动电路用于第三整流元件Q3和第四整流元件Q4在导通和截止状态之间进行切换。
进一步的，上述第二容性元件C1和第三容性元件C2均包括电容。
进一步的，上述第三整流元件Q3包括晶体管，该晶体管具有联接到第二容性元件C1第二接线端的第一漏极/源极接线端和联接到参考电压的第二源极/漏极接线端，以及与驱动电路联接的第三栅极接线端；第四整流元件Q4包括晶体管，该晶体管具有联接到第三容性元件C2第二接线端的第一漏极/源极接线端和联接到参考电压的第二源极/漏极接线端，以及与驱动电路联接的第三栅极接线端；第三整流元件Q3和第四整流元件Q4的晶体管作为场效应晶体管，尤其是P沟道MOSFET来实施。
本实用新型的工作过程为：第二容性元件C1、第三整流元件Q3用于抑制第一整流元件Q1关断过程中产生的电压过冲及振荡，第三容性元件C2、第四整流元件Q4用于抑制第二整流元件Q2关断过程中产生的电压过冲及振荡，两个有源钳位吸收电路单元工作原理相同，下面以第二容性元件C1和第三整流元件Q3组成的有源钳位吸收单元进行详细描述。
第二容性元件C1充电阶段：如图2所示，第一整流元件Q1关断后负载电流i_out流过变压器T1、第二整流元件Q2和感性元件L1。第一整流元件Q1关断过程中，关断回路中的杂散电感会和第二容性元件C1进行谐振，由于第二容性元件C1的容量远大于第一整流元件Q1的寄生电容，因此杂散电感和第二容性元件C1的谐振周期很大，可以近似认为第二容性元件C1上的电流线性变化，即第二容性元件C1的充电电流i1逐渐减小；在第二容性元件C1充电过程中，可以灵活控制第三整流元件Q3的导通，充电电流i1会流过第二容性元件C1和第三整流元件Q3，能量存储在第二容性元件C1中，相比于第一整流元件Q1的关断信号，第三整流元件Q3的驱动开通信号要延时一段时间，以保证第一整流元件Q1的可靠关断。
第二容性元件C1放电阶段：当第一整流元件Q1可靠关断后，驱动电路控制第三整流元件Q3导通，如果i1尚未减小至0，则充电电流流过第二容性元件C1及第三整流元件Q3的沟道；当i1减小至0后，第二容性元件C1中存储的能量会经过第三整流元件Q3沟道、感性元件L1，将存储的能量释放至主功率输出端，放电电流i2路径如图3所示。
上述的有源钳位吸收电路应用于全波整流电路，选用P沟道MOSFET简化驱动电路，有效抑制整流元件关断过程中的电压尖峰及振荡问题，提高系统稳定性；由于将吸收存储到容性元件的能量释放到输出侧，还能在一定程度上提高系统效率。
需要说明的是，有源钳位吸收电路中的P沟道MOSFET的功能还可以通过二极管并联晶体管的方式替代实现，这些变化都将落在本实用新型的保护范围内。
以上所述，仅是本实用新型的优选实施方式，并不是对本实用新型技术方案的限定，应当指出，本领域的技术人员，在本实用新型技术方案的前提下，还可以作出进一步的改进和改变，这些改进和改变都应该涵盖在本实用新型的保护范围内。
Claims (4)
1.一种有源钳位吸收电路，包括具有一次绕组和二次绕组的变压器（T1）、第一整流元件（Q1）、第二整流元件（Q2）、感性元件（L1）和第一容性元件（C3），该第一整流元件（Q1）具有联接变压器（T1）二次绕组第一末端的第一接线端和联接到参考电压的第二接线端，该第二整流元件（Q2）具有联接变压器（T1）二次绕组第二末端的第一接线端和联接到参考电压的第二接线端，该感性元件（L1）具有一个联接到变压器（T1）二次绕组的第一末端和一个包含整流器电路输出端的第二末端，该第一容性元件（C3）具有联接到所述感性元件（L1）第二末端的第一接线端和联接到参考电压的第二接线端，其特征在于，还包括：
第二容性元件（C1），该第二容性元件（C1）具有联接变压器（T1）二次绕组第一末端的第一接线端和第二接线端；
第三整流元件（Q3），该第三整流元件（Q3）具有联接第二容性元件（C1）第二接线端的第一接线端和联接到参考电压的第二接线端，以及与一驱动电路联接的第三接线端；
第三容性元件（C2），该第三容性元件（C2）具有联接变压器（T1）二次绕组第二末端的第一接线端和第二接线端；
第四整流元件（Q4），该第四整流元件（Q4）具有联接第三容性元件（C2）第二接线端的第一接线端和联接到参考电压的第二接线端，以及与一驱动电路联接的第三接线端；
驱动电路，该驱动电路用于第三整流元件（Q3）和第四整流元件（Q4）在导通和截止状态之间进行切换。
2.根据权利要求1所述的有源钳位吸收电路，其特征在于，所述第二容性元件（C1）和第三容性元件（C2）均包括电容。
3.根据权利要求1所述的有源钳位吸收电路，其特征在于，所述第三整流元件（Q3）包括晶体管，该晶体管具有联接到第二容性元件（C1）第二接线端的第一漏极/源极接线端和联接到参考电压的第二源极/漏极接线端，以及与驱动电路联接的第三栅极接线端；
所述第四整流元件（Q4）包括晶体管，该晶体管具有联接到第三容性元件（C2）第二接线端的第一漏极/源极接线端和联接到参考电压的第二源极/漏极接线端，以及与驱动电路联接的第三栅极接线端。
4.根据权利要求3所述的有源钳位吸收电路，其特征在于，所述晶体管为P沟道MOSFET。
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