临界连续模式反激变换器的控制装置及方法制造方法及图纸

本发明专利技术的目的是提供一种临界连续模式反激变换器的控制装置及方法，属于功率变换技术范围，采用该控制装置与控制方法可在变输入电压条件下自适应地调整副边同步整流管导通时间，从而实现临界连续模式反激变换器在变输入条件下原边开关管的零电压开通，同时保证副边同步整流管导通时间的最优化，最大限度减小变换器的环流损耗。

【技术实现步骤摘要】
临界连续模式反激变换器的控制装置及方法
本专利技术涉及一种基于同步整流(SR)的零电压开通(ZVS)临界连续模式(CRM)反激(Fly-back)变换器的控制方法及其装置，属于功率变换技术范围，特别是涉及高频高效率的功率变换

技术介绍
随着电力电子技术的迅猛发展，各种开关变换器在日常生活的应用越来越广泛，但同时人们对开关变换器的高功率密度与高效率提出了更为严苛的要求。小功率隔离型DC/DC变换器常采用Fly-back拓扑，其具有电路简单、成本低廉等优点，因此广泛应用于各种适配器电源。在适配器电源中，无源元件(包括EMI滤波器，磁性元件如电感、变压器，容性元件如电容)的体积和重量是其功率密度进一步提高的限制因素。为提高适配器电源功率密度，提高变换器的开关频率行之有效。随开关频率大幅提高，变换器中无源元件的体积和重量可大幅减小，然而变换器的开关损耗也将随之增加，导致牺牲变换器工作效率下降。在高频化的应用背景下，为兼顾变换器的高功率密度与高效两个指标，采用软开关的控制方法或软开关拓扑尤为重要。一般地，Fly-back变换器根据工作模式可分为三种：变压器原副边电流连续模式(CCM)、变压器原副边电流临界连续模式(CRM)、变压器原副边电流断续模式(DCM)。其中，CRMFly-back变换器可实现原边开关管的谷底开通与副边二极管的零电流关断(副边二极管的反向恢复损耗为零)，因此开关损耗小、效率高，成为兼顾高功率密度与高效两个重要指标的小功率电源适配器的主要待选者，也成为近年来高功率密度高效适配器的重要研究对象。为进一步提高CRMFly-back变换器效率，同步整流(SR)技术被采用以减小变换器副边器件的导通损耗。所谓SR技术就是在变换器副边侧采用工作在同步整流状态(与原边开关管相互补)的开关管(下称同步整流管)代替原有二极管，利用副边同步整流管在大电流导通条件下极低的导通电阻与极低的导通损耗代替原有二极管较高的导通压降与导通损耗，从而节省导通损耗，提升变换器效率。这种方法对改善低压大电流的单级式Fly-back变换器的效率效果明显。另外，有研究表明：随变换器开关频率提高，CRMFly-back变换器原边开关管在谷底开通条件下的结容损耗不能忽略。所谓结容损耗是指：开关管输出结电容在其开通前存储有一定电压与能量，该能量在开关管开通后的短暂瞬间被开关管沟道短路从而释放并耗散在开关管导通电阻上。影响结容损耗的因素分别是变换器的开关频率与开关管开通时刻的谷底电压。开关频率越高，结容损耗越大；开关管开通时刻的谷底电压越高，结容损耗越大。在高频化发展趋势下，降低开关管开通时刻的谷底电压是降低CRMFly-back变换器中结容损耗的唯一途径。文献[1]基于SRCRMFly-back变换器(输入电压范围为100VDC-370VDC)，在副边电流降为零后对副边同步整流管额外增加某固定的导通时间，实现对Fly-back变压器原边激磁电感的反向激磁，反向的原边激磁电感电流对原边开关管的结电容进行抽流，使开关管结电容上的电压可在后续谐振阶段降低至零，从而实现原边开关管的零电压开通(ZVS)(此时开关管结电容的电压与能量均为为零)，显著降低开关管结容损耗，提高变换器效率。然而，文献[1]为保证在输入电压(100VDC-370VDC)范围内实现CRMFly-back变换器原边开关管的ZVS，在变换器的最恶劣工作点(最高输入电压即370VDC)设计额外增加的固定导通时间。然而这种依照变换器最恶劣工作点设计的固定导通时间对于较低输入电压条件属过量设计(较低输入电压条件下所需导通时间一般较小)，导致Fly-back变压器反向激磁电流的激励值偏大，使得变换器的环流增加，增加Fly-back变压器导通损耗与磁滞损耗，牺牲变换器效率。
技术实现思路
本专利技术的目的是提供一种基于SR的ZVSCRMFly-back变换器的控制方法，采用控制方法可在变输入电压条件下自适应调整副边同步整流管的导通时间，实现CRMFly-back变换器在变输入电压条件下原边开关管的ZVS工作，并保证副边同步整流管导通时间的最优化，最大限度减小Fly-back变压器的环流损耗。本专利技术另一目的是提供一种基于SR的ZVSCRMFly-back变换器的控制装置。本专利技术的具体技术方案如下：一种基于SR的ZVSCRMFly-back变换器的控制装置(如图2)，该控制装置采用模拟控制电路与数字控制器的组合方式，其中模拟控制电路包括：输出电压采样电路、原边开关管vds检测采样保持电路与辅助绕组Na采样电路。1)所述输出电压采样电路的输入端连接Fly-back变换器输出母线与输出功率地，其输出端连接至数字控制器的第一模拟/数字转换器，所述输出电压采样电路由对输出功率地的第一电阻分压网络(由R4和R5构成)和隔离环节(隔离环节实现原副边的信号隔离)依次连接构成，其中，隔离环节可采用线性光耦隔离芯片。2)所述原边开关管vds检测采样保持电路的输入端连接Fly-back变换器原边开关管漏极与变换器输入功率地，其输出端连接至数字控制器的第二模拟/数字转换器，所述原边开关管vds检测采样保持电路由对输入功率地的第二电阻分压网络(由R2和R3构成)、辅助开关管Q3、采样保持电容C2与运算放大器依次连接构成，其中，R2和R3构成的第二电阻分压网络与Q3漏极连接，Q3源极连接C2(C2的另一端接地)与运算放大器同相输入端，运算放大器的反相输入端连接其输出端。3)所述辅助绕组Na的采样端输入端连接至变换器输入功率地，其输出端连接数字控制器的激磁电流ZCD比较单元，所述辅助绕组Na由与Fly-back变压器耦合，其同名端与Fly-back变压器原边靠近原边开关管漏极一侧相同。4)所述数字控制器的PWM模块的输出端分别连接至原边开关管Q1、副边同步整流管Q2与原边开关管vds检测采样保持电路中辅助开关管Q3的驱动电路，输出相应驱动信号或窄脉冲以控制对应开关管的通断。本专利技术实现其专利技术目的，采用一种基于SR的ZVSCRMFly-back变换器的控制方法，以上装置为实施硬件，数字控制器需实现的功能单元包括：原边开关管导通时间计算单元、副边同步整流管导通时间计算单元、模拟/数字转换单元、PWM模块与激磁电流ZCD比较单元。其具体技术方案为：采用所述控制装置，通过检测原边开关管开通前瞬时的漏源极电压vds，实时增或减副边同步整流管的导通时间，从而在宽输入电压(例如100VDC～370VDC)范围内实现CRMFly-back变换器原边开关管的ZVS工作，同时避免过量的副边同步整流管导通时间、减小变换器的环流损耗。具体包括如下的控制过程：首先，初始化窄脉冲时长tp，死区时长td，副边同步整流管导通时间信号Ton2，副边同步整流管增或减的步进时间τ，输出电压基准电平Vref，激磁电流过零检测的门槛电压VZCD各参数；1).Fly-back变换器的输出电压Vo经输出电压采样电路采样、隔离后进入数字控制器，经第一模拟/数字转换器转换后生成信号vo送入原边开关管导通时间计算单元；2).原边开关管导通时间计算单元将信号vo与输出电压基准电平Vref作差后送入PI调节器，PI调节器输出原边开关管的导通时间信号Ton1送入PWM本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种临界连续模式反激变换器的控制装置，其特征在于：该控制装置采用模拟控制电路与数字控制器的组合方式，其中模拟控制电路包括：输出电压采样电路、原边开关管vds检测采样保持电路与辅助绕组Na采样电路。

【技术特征摘要】
1.一种临界连续模式反激变换器的控制装置，其特征在于：该控制装置采用模拟控制电路与数字控制器的组合方式，其中模拟控制电路包括：输出电压采样电路、原边开关管vds检测采样保持电路与辅助绕组Na采样电路。2.根据权利要求1所述之临界连续模式反激变换器的控制装置，其特征在于：所述输出电压采样电路的输入端连接Fly-back变换器输出母线与输出功率地，其输出端连接至数字控制器；所述原边开关管vds检测采样保持电路的输入端连接Fly-back变换器原边开关管漏极与变换器输入功率地，其输出端连接至数字控制器；所述辅助绕组Na采样电路的输入端连接至变换器输入功率地，输出端连接数字控制器；所述数字控制器输出端分别连接至原边开关管Q1、副边同步整流管Q2与原边开关管检测采样保持电路中辅助开关管Q3的驱动电路。3.根据权利要求2所述之临界连续模式反激变换器的控制装置，其特征在于：所述输出电压采样电路由第一电阻分压网络和隔离环节依次连接构成，其中第一电阻分压网络包括R4和R5；所述原边开关管vds检测采样保持电路由对第二电阻分压网络、辅助开关管Q3、采样保持电容C2与运算放大器依次连接构成，其中，第二电阻分压网络包括R2和R3，第二电阻分压网络与Q3漏极连接，Q3源极连接C2与运算放大器同相输入端，C2另一端接地，运算放大器的反相输入端连接运算放大器输出端；所述辅助绕组Na由与Fly-back变压器相耦合，其同名端与Fly-back变压器原边靠近原边开关管漏极的一侧相同。4.根据权利要求1所述之临界连续模式反激变换器的控制装置，其特征在于：所述隔离环节可采用线性光耦隔离芯片。5.一种基于权利要1-4任一临界连续模式反激变换器的控制方法，其特征在于：该控制方法中数字控制器需实现的功能单元包括：原边开关管导通时间计算单元、副边同步整流管导通时间计算单元、第一、第二模拟/数字转换单元、PWM模块与激磁电流ZCD比较单元，具体的控制过程如下：首先，初始化窄脉冲时长tp，死区时长td，副边同步整流管导通时间信号Ton2，副边同步整流管增或减的步进时间τ，输出电压基准电平Vref，激磁电流ZCD比较单元的门槛电压VZCD各参数；1).F...

【专利技术属性】
技术研发人员：任小永，郭哲辉，周玉婷，高华敏，张之梁，陈乾宏，
申请(专利权)人：南京航空航天大学，
类型：发明
国别省市：江苏,32