一种开关变换器及其控制方法技术

本发明专利技术公开了一种开关变换器及其控制方法，在采用不对称半桥反激变换器的基础上，通过根据开关变换器的输入电压配置负向电流，并检测变压器的去磁电流过零时刻，计算得到关断延时时间，由此对辅管驱动信号的下降沿进行控制，将辅开关管的关断时刻控制为去磁电流过零时刻经过延迟关断延时时间后的时刻，使得：从辅开关管的关断时刻至主开关管的导通时刻，变压器的励磁电流被控制为负向电流，实现主开关管的零电压开通；因此，本发明专利技术能降低主开关管零电压开通控制的实现难度，并且，本发明专利技术实现主开关管零电压开通时无需增加高压采样电阻，不会产生较大的采样损耗，在开关变换器用于ACDC应用时，能满足小功率应用场合时小体积、低成本、低功耗的要求。低功耗的要求。低功耗的要求。

【技术实现步骤摘要】
一种开关变换器及其控制方法


[0001]本专利技术涉及开关电源领域，具体的说是一种开关变换器及其控制方法。

技术介绍

[0002]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。采用软开关技术，降低了开关损耗，因而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。
[0003]不对称半桥反激变换器因其拓扑具备软开关特点，成为目前开关电源高效率应用场合的一个研究热点。申请号为201911352361.1的中国专利《开关电源装置》提出采用如图1所示的不对称半桥反激变换器及控制器，通过增加一个与变压器原边并联的单向钳位网络311用于控制励磁电感电流负向峰值，根据不同的负载电流控制变换器工作于不对称半桥反激模式(AHBF Mode，单向钳位网络311不作用)或钳位不对称半桥反激模式(CAHBF Mode，单向钳位网络311作用)。当轻空载时，控制变换器工作于CAHBF模式，通过单向钳位网络311实现励磁电流的钳位，从而解决原有不对称半桥反激变换器因轻空载时的励磁电流负向值过大造成的轻空载效率低问题。
[0004]由于变换器的励磁电流负向值偏大会造成系统效率下降，偏小会造成主开关管Q1无法实现零电压开通(ZVS)，为进一步优化系统性能，申请号为202010966503.X，专利技术名称为《一种开关电源装置和模式控制方法》的中国专利公开了图2所示的一种开关电源装置，公开了一种不对称半桥反激变换器工作于CAHBF模式时自适应实现ZVS的方法，即通过开关检测单元ZE检测主开关管Q1实现软开关的程度，控制辅开关Q2的驱动脉冲宽度，进而控制变换器的励磁电流负向值，使主开关管Q1开通前的励磁电流负向值恰好实现ZVS。这种控制方法尽管可以实现ZVS，但是在ACDC应用时，由于开关检测单元ZE中采用了高压采样电阻，一方面导致成本增加，一方面又会带来电阻采样损耗，难以满足小功率应用场合时小体积、低成本、低功耗要求。

技术实现思路

[0005]本专利技术所要解决的技术问题之一是：提供一种开关变换器，以解决现有的开关电源装置在实现主开关管Q1零电压开通时，需要在开关检测单元ZE中采用高压采样电阻来检测主开关管Q1实现软开关的程度，导致在开关电源装置用于ACDC应用时，难以满足小功率应用场合时小体积、低成本、低功耗要求的问题。
[0006]解决上述技术问题，本专利技术所采用的技术方案如下：
[0007]一种开关变换器，包括不对称半桥反激变换器和控制器；
[0008]参见图3，所述不对称半桥反激变换器包含主开关管、辅开关管、谐振电容、变压器、整流二极管、输出电容，以及由二极管和钳位开关管组成的单向钳位网络；
[0009]具体的：所述主开关管的漏极连接电压输入端的正极，以接入开关变换器的输入
电压Vin，主开关管的源极、辅开关管的漏极和谐振电容的正极相连接，谐振电容的负极、二极管的阳极和变压器的原边绕组同名端相连接，二极管的阴极连接钳位开关管的漏极连接，辅开关管的源极、钳位开关管的源极和变压器的原边绕组异名端相连接后接原边地端，变压器的副边绕组异名端连接整流二极管的阳极，整流二极管的阴极连接输出电容的正极后用于输出不对称半桥反激变换器的输出电压，变压器的副边绕组同名端和输出电容的负极接副边地端。
[0010]所述控制器产生用于控制不对称半桥反激变换器工作的脉冲宽度调制信号，包括：主管驱动信号、辅管驱动信号和钳位管驱动信号，分别输入所述主开关管的栅极、辅开关管的栅极和钳位开关管的栅极；
[0011]其特征在于：
[0012]在所述开关变换器工作于钳位不对称半桥反激模式(简称：CAHBF模式)时：
[0013]所述控制器配置有负向电流I
nset
＝K*Vin+B，Vin表示开关变换器的输入电压，K和B均为预设的配置参数，且负向电流I
nset
随输入电压Vin升高而负向增大，以保证不同输入电压Vin下均能较好的实现主开关管的零电压开通(ZVS)；其中，对在特定系统应用下的开关变换器而言，配置参数K和配置参数B均为固定值；负向增大表示：负向电流I
nset
为负值，且负向电流I
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的绝对值随输入电压Vin升高而增大。
[0014]并且，所述控制器检测所述不对称半桥反激变换器的工作参数，以获得所述变压器的去磁电流过零时刻(例如图5中的t2
’
时刻)，并按以下公式一计算得到关断延时时间Td，由此将所述辅管驱动信号的下降沿(也即辅开关管的关断时刻)控制为：所述去磁电流过零时刻经过延迟所述关断延时时间Td后的时刻(例如图5中的t2
’
+Td＝t3时刻)；以使得：在本专利技术的开关变换器的工作过程中，从所述辅开关管的关断时刻至所述主开关管的导通时刻(例如图5中的t3时刻至t5时刻)，所述变压器的励磁电流I
Lm
被控制为所述负向电流I
nset
，由此实现主开关管的零电压开通(ZVS)；
[0015][0016]式中，T2为从去磁开始时间到所述去磁电流过零时刻的去磁时间(例如图5中的t1时刻到t2
’
时刻的时间)，Ip为所述变压器的励磁电流峰值(也即图5中励磁电流I
Lm
的峰值)，所述去磁开始时刻为所述变压器的励磁电流达到励磁电流峰值Ip的时刻。
[0017]其中，参见图5，在所述开关变换器工作于钳位不对称半桥反激模式(即CAHBF模式)时，所述控制器所产生的脉冲宽度调制信号，同时满足以下条件：条件一、在开关变换器的上电时刻，所述主管驱动信号、辅管驱动信号和钳位管驱动信号分别为高电平、低电平和低电平；条件二、钳位管驱动信号与所述主管驱动信号为互补信号，所述辅管驱动信号和钳位管驱动信号的上升沿重合，所述辅管驱动信号的下降沿早于钳位管驱动信号的下降沿；条件三、所述主管驱动信号和钳位管驱动信号之间包含死区时间。例如：图5中，t1时刻为主管驱动信号的下降沿，t2时刻为辅管驱动信号和钳位管驱动信号的上升沿，t3时刻为辅管驱动信号下降沿，t4时刻为钳位管驱动信号的下降沿，t5时刻为主管驱动信号的上升沿，辅开关管的下降沿时刻t3在t2时刻至t4时刻之间，最大关断至t4时刻，t1时刻至t2时刻为主开关管关断到辅开关管和钳位开关管开通的死区时间，t4时刻至t5时刻为钳位开关管关断到主开关管开通的死区时间。
[0018]其中，所述控制器可以是任何满足以上描述，也即任何能够产生图5所示主管驱动信号、辅管驱动信号和钳位管驱动信号该三个驱动信号波形的控制装置。
[0019]如图4至图6所示，工作于钳位不对称半桥反激模式(即CAHBF模式)时，本专利技术的开关变换器的工作原理如下：
[0020]本专利技术的开关变换器在图3中示出的不对称半桥反激变换器，能够等效为本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种开关变换器，包括不对称半桥反激变换器和控制器；所述不对称半桥反激变换器包含主开关管(Q1)、辅开关管(Q2)、谐振电容(Cr)、变压器(Tr)、整流二极管(D)、输出电容(Co)，以及由二极管(D3)和钳位开关管(Q3)组成的单向钳位网络；所述控制器产生用于控制不对称半桥反激变换器工作的脉冲宽度调制信号，包括：主管驱动信号(Vgs1)、辅管驱动信号(Vgs2)和钳位管驱动信号(Vgs3)，分别输入所述主开关管(Q1)的栅极、辅开关管(Q2)的栅极和钳位开关管(Q3)的栅极；其特征在于：在所述开关变换器工作于钳位不对称半桥反激模式时：所述控制器配置有负向电流I
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＝K*Vin+B，Vin表示开关变换器的输入电压，K和B均为预设的配置参数，且负向电流I
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随输入电压Vin升高而负向增大；并且，所述控制器检测所述不对称半桥反激变换器的工作参数，以获得所述变压器(Tr)的去磁电流过零时刻，并按以下公式一计算得到关断延时时间Td，由此将所述辅管驱动信号(Vgs2)的下降沿控制为：所述去磁电流过零时刻经过延迟所述关断延时时间Td后的时刻；式中，T2为从去磁开始时刻到所述去磁电流过零时刻的去磁时间，Ip为所述变压器(Tr)的励磁电流峰值，所述去磁开始时刻为所述变压器(Tr)的励磁电流达到励磁电流峰值Ip的时刻。2.根据权利要求1所述开关变换器，其特征在于：在所述开关变换器工作于钳位不对称半桥反激模式时，所述控制器所产生的脉冲宽度调制信号，同时满足以下条件：条件一、在开关变换器的上电时刻，所述主管驱动信号(Vgs1)、辅管驱动信号(Vgs2)和钳位管驱动信号(Vgs3)分别为高电平、低电平和低电平；条件二、钳位管驱动信号(Vgs3)与所述主管驱动信号(Vgs1)为互补信号，所述辅管驱动信号(Vgs2)和钳位管驱动信号(Vgs3)的上升沿重合，所述辅管驱动信号(Vgs2)的下降沿早于钳位管驱动信号(Vgs3)的下降沿；条件三、所述主管驱动信号(Vgs1)和钳位管驱动信号(Vgs3)之间包含死区时间。3.根据权利要求1所述开关变换器，其特征在于：获得所述去磁电流过零时刻的方式为：所述控制器检测的工作参数包括：所述变压器(Tr)的励磁电流(I
Lm
)、所述变压器(Tr)的励磁电压和去磁电压；所述控制器将所述励磁电流(I
Lm
)的峰值记为励磁电流峰值Ip，将所述励磁电流(I
Lm
)从零上升到励磁电流峰值Ip的时间记为励磁时间T1，并将所述变压器(Tr)在励磁时间T1内的第t时刻的励磁电压记为Vp(t)，以按公式二计算所述变压器(Tr)在励磁时间T1内的励磁伏秒数Vp*T1：所述控制器将从励磁电流峰值Ip开始下降时励磁电流(I
Lm
)记为去磁电流，将所述变压器(Tr)从去磁开始时刻开始后的第t
’
时刻的去磁电压记为Vn(t
’
)，以持续按公式三计算所
述变压器(Tr)从去磁开始时刻开始后的ΔT时间内的去磁伏秒数Vn*ΔT：所述控制器判断所述去磁伏秒数Vn*ΔT与励磁伏秒数Vp*T1是否相等，以将该两者相等的时刻判定为所述去磁电流过零时刻，并据此计算得出从所述去磁开始时刻到去磁电流过零时刻的时间T2。4.根据权利要求1所述开关变换器，其特征在于：所述配置参数K和配置参数B的配置方式为：对在特定系统应用下的所述开关变换器，进行不同输入电压Vin的实测试验，以测定出：每一个输入电压Vin对应的能够同时满足效率条件和零电压开通条件的负向电流I
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，以通过测定得到的数据，根据I
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＝K*Vin+B该计算式拟合得到：所述开关变换器在所述特定系统应用下的配置参数K和配置参数B的取值；其中，所述效率条件为所述开关变换器的工作效率在预设的效率阈值以上，所述零电压开通条件为所述主开关管(Q1)在所述开关变换器的工作过程中能够实现零电压开通。5.根据权利要求1至4任意一项所述开关变换器，其特征在于：所述控制器包括输出电压隔离采样单元、脉冲宽度控制单元、补偿参数配置单元和ZVS控制单元；所述输出电压隔离采样单元的两个输入端分别连接所述输出电容(Co)的两端，输出电压隔离采样单元的输出端连接脉冲宽度控制单元的控制输入端，所述脉冲宽度控制单元通过输出电压隔离采样单元对所述不对称半桥反激变换器的输出电压进行隔离采样，以产生所述主管驱动信号(Vgs1)、辅管驱动信号(Vgs2)和钳位管驱动信号(Vgs3)；并且，所述补偿参数配置单元能够分别在预设的参数调节范围内对配置参数K和配置参数B进行调节，补偿参数配置单元的输入端连接所述主开关管(Q1)的漏极，以检测所述开关变换器的输入电压，补偿参数配置单元的输出端向所述ZVS控制单元的负向电流参数输入端输出包含所述负向电流I
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＝K*Vin+B的补偿参数配置信号；所述辅开关管(Q2)的源极、钳位开关管(Q3)的源极和变压器(Tr)的原边绕组异名端相连接后通过电流采样电阻(R)接原边地端；所述ZVS控制单元的电流采样输入端连接所述辅开关管(Q2)的源...

【专利技术属性】
技术研发人员：廖环，杜波，
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：