不对称半桥变换器及控制方法技术

本发明专利技术公开了一种不对称半桥变换器及控制方法，通过增加一个与变压器原边、副边或第三绕组并联的单向钳位网络，在励磁电感电流达到设定值时，控制辅开关关断、单向钳位网络导通，钳位电流流过单向钳位网络，单向钳位网络钳位并维持钳位电流保持基本不变，在主开关导通前的一段时间，控制单向钳位网络关断，释放此钳位电流，使主开关两端电压降低至零或接近零，实现主开关的零电压开通。本发明专利技术能实现对励磁电感电流负向峰值的有效控制，降低变换器轻空载下功率器件的电流有效值，在保留现有技术方案能够实现零电压开通的优势的情况下，大幅提升变换器轻载效率，降低空载损耗，且控制实现上简单高效。

Asymmetric half-bridge converter and its control method

【技术实现步骤摘要】
不对称半桥变换器及控制方法
本专利技术涉及开关变换器，特别涉及不对称半桥变换器及其控制方法。
技术介绍
从20世纪60年代开始得到发展和应用的开关变换器多使用硬开关技术。但是随着科学技术的发展，各行各业对电源提出了更高地要求，高效率、高功率密度、小型化等成为电源行业研究的主要课题。采用硬开关技术的开关变换器存在开关损耗大、效率低、开关频率不高、EMI差等缺点，为此出现了软开关技术，所谓软开关是指：零电压开关(Zero-Voltage-Switching)，简称ZVS；零电流开关(Zero-Current-Switching)，简称ZCS。软开关技术主要利用谐振原理，使开关变换器的开关器件中的电流(或电压)按正弦或准正弦规律变化，当开关器件电流自然过零时，开关关断，或开关器件电压为零时，开关开通，从而使开关器件损耗为零。因而有可能使得开关变换器的开关频率提高到兆赫兹级水平，为开关电源的高效率、高功率密度及小型化提供了可能。Vicor公司提出了一种有源钳位正激拓扑，专利号US5805434，如图1所示，在正激电路的变压器原边绕组两端增加钳位电路330，辅开关332与主开关20驱动信号互补，主开关20关断时，钳位电容334吸收漏感能量并使电流反向，二极管350为反向电流提供续流回路，实现近似无损续流，抑制钳位电容334与励磁电感、漏感谐振。钳位电路330的主要目的是漏感能量回收与抑制谐振、并优化EMI，钳位电路并没有实现主开关零电压开通的效果。Vicor公司还提出了一种双钳位ZVSBUCK-BOOST拓扑，专利号US7561446，如图2-1、图2-2所示，副边电流到零后开关Q3关断、开关Q4导通，变压器被钳位至零电压，变压器剩余电流在钳位电路续流，在开关Q1导通前关断开关Q2，变压器剩余电流使开关Q1实现零电压开通。此技术强调副边电流到零开关Q3关断、开关Q4导通，且电路连接方式上与不对称半桥反激变换器存在较大差别。Astec公司提出了一种有源钳位反激拓扑，专利号US9973098，如图3所示，钳位阶段钳位电容C2能量全部释放至变压器，变压器被二极管D2钳位至零电压，漏感电流通过二极管D2续流，在主开关管Q1导通前关断钳位开关管Q2，漏感电流实现主开关管Q1的零电压开通。钳位电路回收漏感能量，在主开关管Q1导通前释放回收的漏感能量，实现主管零电压开通。此技术强调回收漏感能量并实现零电压开通，且电路连接方式上与不对称半桥反激变换器也存在较大差别。不对称半桥反激变换器可利用变压器的激磁电感、漏感，实现全输入/全负载范围内开关器件的ZVS、ZCS，这为开关电源产品的效率提升、体积减小、制造工艺简化、EMI改善等带来了可能。图4所示为现有不对称半桥反激变换器电路图，包含输入电容Cin、主开关SM和辅开关SA、谐振电容Cr、变压器Tr、整流开关SD、输出滤波电容Co。变压器Tr包含原边绕组和副边绕组，变压器Tr原边绕组的阳极与副边绕组的一端互为同名端，变压器Tr原边绕组的阳极与副边绕组的另一端互为异名端；谐振电容Cr与变压器Tr组成谐振能量传输网络，所述谐振能量传输网络包含两个输入端和两个输出端；主开关SM的一端和辅开关SA的一端连接，组成半桥结构，相连的节点记为开关节点SW，主开关SM的另一端与输入电容Cin的一端、输入正+Vin相连，辅开关SA的另一端与输入电容Cin的另一端、输入负-Vin相连；谐振电容Cr的一端与变压器Tr原边绕组的阳极相连，谐振电容Cr的另一端作为谐振能量传输网络的一个输入端，接于开关节点SW处，变压器Tr原边绕组的阴极作为谐振能量传输网络的另一个输入端，与输入负-Vin相连；变压器Tr副边绕组的异名端作为谐振能量传输网络的一个输出端，与整流开关SD的一端相连，整流开关SD的另一端与输出滤波电容Co的一端相连，作为输出正+Vo，变压器Tr副边绕组的同名端作为谐振能量传输网络的另一个输出端，与输出滤波电容Co的另一端相连，作为输出负-Vo。考虑开关器件寄生参数、变压器寄生参数，即可得出现有不对称半桥反激变换器的等效电路原理图，如图5所示，与图4不同之处在于：变压器Tr等效为漏感Lr、励磁电感Lm以及理想变压器T的组合，漏感Lr作为谐振能量传输网络的谐振电感(本领域的技术人员也常用外置电感与谐振电容Cr进行谐振)，记为谐振电感Lr，谐振电感Lr的一端与励磁电感Lm一端、理想变压器T的原边绕组的一端相连，谐振电感Lr的另一端作为变压器Tr的原边绕组的一端，励磁电感Lm的另一端与理想变压器T的原边绕组的另一端相连，作为变压器Tr的原边绕组的另一端；主开关SM的两端并联有二极管D1和电容C1，具体地，二极管D1的阴极与电容C1的一端、主开关SM的一端相连，接于输入正+Vin，二极管D1的阳极与电容C1的另一端、主开关SM的的另一端相连，接于开关节点SW处；辅开关SA的两端并联有二极管D2和电容C2，具体地，二极管D2的阴极与电容C2的一端、辅开关SA的一端相连，接于开关节点SW处，二极管D2的阳极与电容C2的另一端、辅开关SA的另一端相连，接于输入负-Vin。图6为现有不对称半桥反激变换器工作于CCM模式的典型工作波形图，现有不对称半桥反激变换器工作于CCM模式，每个循环周期包含四个阶段：励磁阶段，辅开关零电压开通阶段，去磁阶段，主开关零电压开通阶段。现结合图5对所述四个阶段进行说明，具体如下：励磁阶段，从t0时刻起至t1时刻止，t0时刻主开关SM受控制信号Vgs1作用导通，辅开关SA受控制信号Vgs2作用处于关断状态(Vgs1为主开关SM的控制信号、Vgs2为辅开关SA的控制信号)，输入电压Vin向谐振电容Cr、谐振电感Lr和励磁电感Lm充电，励磁电感电流ILm和谐振电感电流ILr线性上升，至t1时刻，Vgs1由高电平变为低电平，控制主开关SM关断，此过程中整流开关SD处于关断状态，变压器Tr不对外传递能量，输入电能存储在变压器Tr中；辅开关零电压开通阶段，从t1时刻起至t2时刻止，t1时刻主开关SM关断，电容C1、电容C2、谐振电感Lr和励磁电感Lm形成串联谐振，谐振电感电流ILr给电容C1充电、电容C2放电，使得电容C1两端的电压VC1上升、电容C2两端的电压VC2下降，至VC2降至与VCr电压相同，励磁电感Lm两端电压为零，电容C2两端的电压VC2继续下降，励磁电感Lm极性发生变化，导致谐振电感Lr两端承受负向电压，谐振电感电流ILr依然为正，但谐振电感电流ILr开始负向增大，谐振电感电流ILr持续给电容C1充电、电容C2放电，至电容C2放电完毕，VC2降为零，二极管D2自然导通，谐振电感电流ILr流过二极管D2，与此同时，由于输出电压的反射，励磁电感Lm两端的电压被钳位至NVo(N为变压器匝比)，副边整流开关SD导通，谐振电感Lr与谐振电容Cr发生谐振，存储在变压器Tr中的电能开始向副边转移，至t2时刻，Vgs2为高电平，控制辅开关SA导通，辅开关SA实现零电压开通；去磁阶段，从t2时刻起至t3时刻止，t2时刻辅开关SA导通，主开关SM处于关断状态，副边整流开关SD导通，整流开关SD的电流ID增加，励磁电感Lm两端的电压被钳位，电压上负下正，励磁电感电流ILm线性减小，同时，本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种不对称半桥变换器，包含原边电路、变压器Tr和副边电路：原边电路包含输入电容Cin、主开关SM和辅开关SA、谐振电容Cr；变压器Tr包含原边绕组和副边绕组，变压器Tr原边绕组的阳极与副边绕组的一端互为同名端，变压器Tr原边绕组的阳极与副边绕组的另一端互为异名端；副边电路包含整流开关SD和输出电容Co；输入电容Cin一端连接输入正、另一端连接输入负；主开关SM与辅开关SA串联后与输入电容Cin并联；谐振电容Cr与变压器Tr的原边绕组串联，串联后的一端连接主开关SM与辅开关SA的连接点，串联后的另一端连接输入正或输入负；变压器Tr的副边绕组与整流开关SD串联后与输出电容Co并联，输出电容Co一端连接输出正、另一端连接输出负；其特征在于：还包括单向钳位网络，单向钳位网络用于控制励磁电感电流负向峰值，其连接关系为如下情况之一：(1)单向钳位网络的阳极与变压器原边绕组的阳极电联接，单向钳位网络的阴极与变压器原边绕组阴极电联接；(2)单向钳位网络的阳极与变压器副边绕组的同名端电联接，单向钳位网络的阴极与变压器副边绕组的异名端电联接；(3)不对称半桥变换器还包括第三绕组，变压器原边绕组的阳极与第三绕组的一端互为同名端，变压器原边绕组的阳极与第三绕组的另一端互为异名端，单向钳位网络的阳极与第三绕组的同名端电联接，单向钳位网络的阴极与第三绕组的异名端电联接。...

【技术特征摘要】
1.一种不对称半桥变换器，包含原边电路、变压器Tr和副边电路：原边电路包含输入电容Cin、主开关SM和辅开关SA、谐振电容Cr；变压器Tr包含原边绕组和副边绕组，变压器Tr原边绕组的阳极与副边绕组的一端互为同名端，变压器Tr原边绕组的阳极与副边绕组的另一端互为异名端；副边电路包含整流开关SD和输出电容Co；输入电容Cin一端连接输入正、另一端连接输入负；主开关SM与辅开关SA串联后与输入电容Cin并联；谐振电容Cr与变压器Tr的原边绕组串联，串联后的一端连接主开关SM与辅开关SA的连接点，串联后的另一端连接输入正或输入负；变压器Tr的副边绕组与整流开关SD串联后与输出电容Co并联，输出电容Co一端连接输出正、另一端连接输出负；其特征在于：还包括单向钳位网络，单向钳位网络用于控制励磁电感电流负向峰值，其连接关系为如下情况之一：(1)单向钳位网络的阳极与变压器原边绕组的阳极电联接，单向钳位网络的阴极与变压器原边绕组阴极电联接；(2)单向钳位网络的阳极与变压器副边绕组的同名端电联接，单向钳位网络的阴极与变压器副边绕组的异名端电联接；(3)不对称半桥变换器还包括第三绕组，变压器原边绕组的阳极与第三绕组的一端互为同名端，变压器原边绕组的阳极与第三绕组的另一端互为异名端，单向钳位网络的阳极与第三绕组的同名端电联接，单向钳位网络的阴极与第三绕组的异名端电联接。2.根据权利要求1所述的不对称半桥变换器，其特征在于：不对称半桥变换器为不对称半桥反激变换器，变压器副边绕组的异名端与整流开关SD的一端电联接，整流开关SD的另一端与输出电容Co的一端电联接，作为输出正，变压器副边绕组的同名端与输出电容Co的另一端电联接，作为输出负。3.根据权利要求1所述的不对称半桥变换器，其特征在于：不对称半桥变换器为不对称半桥正激变换器，变压器副边绕组的同名端与整流开关SD的一端电联接，整流开关SD的另一端与输出电容Co的一端电联接，作为输出正，变压器副边绕组的异名端与输出电容Co的另一端电联接，作为输出负。4.根据权利要求1所述的不对称半桥变换器，其特征在于：当不对称半桥变换器包括第三绕组时，第三绕组为一个独立绕组。5.根据权利要求1所述的不对称半桥变换器，其特征在于：当不对称半桥变换器包括第三绕组时，第三绕组与辅助绕组为同一绕组。6.根据权利要求1至3任一项所述的不对称半桥变换器，其特征在于：单向钳位网络包括一只二极管和一只开关管，连接关系为以下两种之一：(1)二极管的阳极为单向钳位网络的阳极，二极管的阴极连接开关管的漏极，开关管的源极为单向钳位网络的阴极；(2)开关管的漏极为单向钳位网络的阳极，开关管的源极连接二极管的阳极，二极管的阴极为单向钳位网络的阴极。7.根据权利要求6所述的不对称半桥变换器，其特征在于：二极管阳极与阴极的寄生电容容值为CDow、开关管漏极与源极的寄生电容容值为CQow、输入电压为Vin、输出电压为Vo、原边绕组和副边绕组或者第三绕组的匝比为N，各参数满足如下关系式：8.根据权利...

【专利技术属性】
技术研发人员：任鹏程，杜波，王志燊，李璐，
申请(专利权)人：广州金升阳科技有限公司，
类型：发明
国别省市：广东,44