一种非互补反激有源钳位变换器制造技术

本发明专利技术公开了一种非互补反激有源钳位变换器，包括变压器、主开关管、钳位开关管、钳位电容和驱动模块，驱动模块向主开关管的驱动端输出用于控制主开关管交替导通与关断的主驱动信号，驱动模块向钳位开关管的驱动端输出钳位驱动信号，该钳位驱动信号与所述主驱动信号具有相同的周期，其每一个周期包括产生于主开关管由导通状态转变为关断状态时的第一脉冲信号、产生于主开关管关断状态下并与所述第一脉冲信号相互独立的第二脉冲信号、以及产生于其余时间并用于控制钳位开关管关断的信号，第一脉冲信号和第二脉冲信号均用于控制钳位开关管导通。本发明专利技术能够保证钳位电容充电时的高频电流全部流经钳位开关管，避开流经钳位开关管的反向体二极管。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种开关电源变换器，具体地说是一种非互补反激有源钳位变换器。
技术介绍
随着电力电子领域迅猛的发展使得开关变换器应用的越来越广泛，特别是人们对高功率密度、高可靠性和小体积的开关变换器提出了更多的要求。一般传统的小功率AC/DC变换采用反激拓扑实现，其具有结构简单、成本低廉等优点；但是由于变压器存在漏感的影响，反激变换器主开关管的电压钳位方式包括RC缓冲吸收、RCD钳位，LCD钳位以及有源钳位。有源钳位不但可以吸收漏感能量并以正激的形式将能量回馈到输出端，而且可以充分利用漏感的能量实现开关管的软开关，提高开关变换器的效率。目前传统反激有源钳位变换器电路原理图通常如图1-1和图1-2所示，开关变换器主开关管钳位包括两种钳位方式，即NMOS开关管钳位和PMOS开关管钳位。以图1-1为例，其稳态工作时各点工作波形如图3所示，Vgs_sw、Vgs_sa分别为主开关管Sw、钳位开关管Sa的驱动电压波形，Vds_sw、Vds_sa分别为主开关管Sw、钳位开关管Sa的电压波形，Ic是钳位电容Cc电流波形。其中，主开关管Sw和钳位开关管Sa的驱动电压可由如图2所示的PWM控制信号分时电路获得。假设主开关管Sw占空比为D，则钳位开关管Sa占空比为（1-D），为了避免主开关管Sw和钳位开关管Sa共通需留有一定死区时间，工作周期为T。在T0时刻主开关管Sw导通，原边电流流经激磁电感Lm进行激磁，变压器激磁电流线性增加，副边整流二极管D截止，变压器存储能量。在T1时刻主开关管Sw关断，原边激磁电流给主开关管Sw输出电容充电、钳位开关管Sa输出电容放电。当钳位开关管Sa漏源两端电压Vds_sa下降为零后其体二极管导通，T3时刻开通钳位开关管Sa，实现了钳位开关管Sa的零电压导通。变压器释放能量，副边整流二极管D导通，原边激磁电感被副边钳位在-NVo，变压器漏感ILk与钳位电容Cc进行谐振，经过1/2个周期后T4时刻关断钳位开关管Sa，由于电感电流不能突变，此时主开关管Sw输出电容放电、钳位开关管Sa输出电容充电，当主开关管Sw漏源两端电压为零后其体二极管导通，在T6时刻主开关管导通，实现了主开关管Sw的零电压导通。由于钳位电容值较大，原边主开关管Sw漏源两端电压钳位效果好，几乎没有高频振荡。同时有源钳位实现了原边主开关管Sw和钳位开关管的零电压开通，降低了开关损耗。传统反激有源钳位变换器钳位电路对谐振电感、钳位电容参数敏感，参数比较固定，适用范围小。而且钳位电路循环能量大，在满载情况下效率可以得到有效提升，但是轻载效率则很低。除此之外，传统反激有源钳位变换器只能应用在定频控制中，意味着轻载效率很难优化。针对如上所述问题的不足，浙江大学硕士论文“非互补反激有源箝位变换流器的研究”基于传统反激有源钳位变换器的优势，提出了一种轻载效率更高、控制灵活的非互补反激有源钳位变换器控制策略，这种控制方法在保证反激变换器原边主开关管实现软开关特性的前提下，可以采用变频控制，轻载降频；减小钳位电路的循环能量，提高效率；减小钳位开关管电流等级，降低电路成本。非互补反激有源钳位变换器电路原理图如图1-1和图1-2所示，与传统反激有源钳位变换器电路原理图一样，只是控制策略进行了创新。非互补反激有源钳位变换器控制策略激磁电流连续工作模式和激磁电流断续工作模式下稳态工作时各点工作波形如图4-1和图4-2所示。以图1-1和图4-1为例，其工作原理为：在T0时刻主开关管Sw导通，原边电流流经激磁电感进行激磁，变压器激磁电流线性增加，副边整流二极管D截止，变压器存储能量。在T1时刻主开关管Sw关断，原边激磁电流给主开关管Sw输出电容充电、钳位开关管Sa输出电容放电。变压器释放能量，副边整流二极管D导通，原边激磁电感被副边钳位在-NVo，当钳位开关管Sa漏源两端电压降为零后其体二极管导通，变压器漏感ILk与钳位电容Cc进行谐振，漏感能量传递到钳位电容Cc中，由于钳位开关管Sa体二极管具有单向导通性，漏感能量谐振到钳位电容Cc后钳位回路断开，能量一直储存在钳位电容Cc中。在T4时刻钳位开关管Sa导通，副边整流二极管导通，原边激磁电感Lm被钳位在-NVo，钳位电容Cc与漏感进行谐振，将钳位电容能量传递到漏感。在T5时刻钳位开关管Sa关断，漏感电流不能突变，主开关管Sw输出电容放电、钳位开关管Sa输出电容充电，当住开关管Sw漏源两端电压为零后其体二极管导通，在T6时刻主开关管Sw开通，实现了主开关管Sw的零电压开通。与传统反激有源钳位控制方式不同，非互补反激有源钳位控制在漏感向钳位电容Cc里储能过程中并没有开通钳位开关管Sa，高频电流全部流经钳位开关管Sa的体二极管。通常体二极管反向恢复特性很差，快速电流变化率将导致钳位开关管体二极管反向恢复电流增大，激磁电流连续工作模式下电路稳态波形如图5所示。体二极管反向恢复不但影响器件使用寿命，也增加了通态损耗，降低电路效率。而且主开关管Sw很难实现零电压开通，这在一定程度上限制了电源的高频化、小体积。针对浙江大学的非互补反激有源钳位变换器控制策略，现有技术采用如图6所示方案，增加快恢复二极管D1和D2解决上述问题。漏感向钳位电容Cc储能过程中高频电流不经过钳位开关管Sa的体二极管，而是经过快恢复二极管D2。在钳位开关管Sa开通时钳位电容Cc能量电流经过快恢复二极管D1进行释放，有效减小了钳位回路能量损耗，更有利于主开关管Sw实现软开关，为电源的高频化、小体积提供了可行性。采用如图6所示方案虽然可以有效解决钳位开关管Sa体二极管反向恢复特性引起的通态损耗，在小功率AC/DC变换中快恢复二极管D1和D2所需的耐压较高，其管压降也相对较大，高频电流流经快恢复二极管D1和D2时会产生一定程度的损耗，特别是快恢复二极管D2，损耗较严重。由于快恢复二极管D1的阻断作用，在主开关管Sw关断时钳位开关管Sa输出电容无法释放能量，钳位开关管Sa无法实现软开关，导致开通损耗较大。而且采用快恢复二极管，流经高频电流时会产生严重的EMI。
技术实现思路
本专利技术所要解决的技术问题是：提供一种非互补反激有源钳位变换器，能够保证钳位电容充电时的高频电流全部流经钳位开关管，避开流经钳位开关管的反向体二极管。解决上述技术问题，本专利技术所采用的技术方案如下：一种非互补反激有源钳位变换器，包括变压器、主开关管、钳位开关管、钳位电容和驱动模块，变压器的原边绕组本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种非互补反激有源钳位变换器，包括变压器（T）、主开关管（Sw）、钳位开关管（Sa）、钳位电容（Cc）和驱动模块，变压器（T）的原边绕组和主开关管（Sw）串联后用于输入电压信号，变压器（T）的副边绕组用于输出变换后的电压信号，钳位开关管（Sa）和钳位电容（Cc）串联后与变压器（T）的原边绕组或者主开关管（Sw）并联，驱动模块向主开关管（Sw）的驱动端输出用于控制主开关管（Sw）交替导通与关断的主驱动信号（Vgs_sw），其特征在于：所述的驱动模块向钳位开关管（Sa）的驱动端输出钳位驱动信号（Vgs_sa），该钳位驱动信号（Vgs_sa）与所述主驱动信号（Vgs_sw）具有相同的周期，其每一个周期包括产生于主开关管（Sw）由导通状态转变为关断状态时的第一脉冲信号（Vgs_sa1）、产生于主开关管（Sw）关断状态下并与所述第一脉冲信号（Vgs_sa1）相互独立的第二脉冲信号（Vgs_sa2）、以及产生于其余时间并用于控制钳位开关管（Sa）关断的信号，所述第一脉冲信号（Vgs_sa1）和第二脉冲信号（Vgs_sa2）均用于控制钳位开关管（Sa）导通。

【技术特征摘要】
1.一种非互补反激有源钳位变换器，包括变压器（T）、主开关管（Sw）、钳
位开关管（Sa）、钳位电容（Cc）和驱动模块，变压器（T）的原边绕组和主开
关管（Sw）串联后用于输入电压信号，变压器（T）的副边绕组用于输出变换后
的电压信号，钳位开关管（Sa）和钳位电容（Cc）串联后与变压器（T）的原边
绕组或者主开关管（Sw）并联，驱动模块向主开关管（Sw）的驱动端输出用于
控制主开关管（Sw）交替导通与关断的主驱动信号（Vgs_sw），其特征在于：所
述的驱动模块向钳位开关管（Sa）的驱动端输出钳位驱动信号（Vgs_sa），该钳
位驱动信号（Vgs_sa）与所述主驱动信号（Vgs_sw）具有相同的周期，其每一
个周期包括产生于主开关管（Sw）由导通状态转变为关断状态时的第一脉冲信
号（Vgs_sa1）、产生于主开关管（Sw）关断状态下并与所述第一脉冲信号
（Vgs_sa1）相互独立的第二脉冲信号（Vgs_sa2）、以及产生于其余时间并用于
控制钳位开关管（Sa）关断的信号，所述第一脉冲信号（Vgs_sa1）和第二脉冲
信号（Vgs_sa2）均用于控制钳位开关管（Sa）导通。
2.根据权利要求1所述的非互补反激有源钳位变换器，其特征在于：所述的
钳位开关管（Sa）在第一脉冲信号（Vgs_sa1）和第二脉冲信号（Vgs_sa2）期间
导通，分别使得所述钳位电容（Cc）充电和放电，所述第二脉冲信号（Vgs_sa2）
的脉冲宽度为钳位电容（Cc）由放电开始时刻至达到最大放电电流的时间，所
述第一脉冲信号（Vgs_sa1）的脉冲宽度接近于第二脉冲信号（Vgs_sa2）的脉冲
宽度。
3.根据权利要求2所述的非互补反激有源钳位变换器，其特征在于：所述第
一脉冲信号（Vgs_sa1）与第二脉冲信号（Vgs_sa2）的脉冲宽度相等。
4.根据权利要求1至3任意一项所述的非互补反激有源钳位变换器，其特征
在于：所述的驱动模块包括主控制芯片、PWM脉冲分时电路和控制检测电路；
所述PWM脉冲分时电路将主控制芯片输出的PWM信号转换成相互隔离的所述
主驱动信号（Vgs_sw）和第二脉冲信号（Vgs_sa2），所述控制检测电路通过检
测所述主驱动信号（Vgs_sw）来判断所述主开关管（Sw）的开关状态，并在主
开关管（Sw）由导通状态转变为关断状态时输出所述第一脉冲信号（Vgs_sa1）。
5.根据权利要求4所述的非互补反激有源钳位变换器，其特征在于：所述的
控制检测电路包括延时电路（Delay）、第一非门（a）、与非门（c）、第二非门（b）、

\t供电电源（Vcc）、恒流源（Io）、第一开关管（Q1）、第二开关管（Q2）、第二电
容（C2）和斯密特触发器（d）；所述延时电路（Delay）的输入端连接到所述PWM
脉冲分时电路的主驱动信号（Vgs_sw）输出端，延时电路（Delay）的输出端与
第一非门（a）的输入端、第一开关管（Q1）和第...

【专利技术属性】
技术研发人员：黄天华，张少维，
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