專利名稱：一種直流-直流變換器副邊有源吸收線路和控制方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及開(kāi)關(guān)電源領(lǐng)域，特別是涉及一種直流-直流變換器副邊有源吸收線路和控制方法。
背景技術(shù)：
在開(kāi)關(guān)電源類的直流-直流變換器中，原邊線路將輸入直流電壓通過(guò)PWM的形式變換成為高頻交流電壓后，通過(guò)變換器傳至副邊，再經(jīng)過(guò)整流線路將交流電壓變換成為單向的直流脈沖電壓。改直流脈沖電壓經(jīng)過(guò)輸出濾波后成為直流輸出電壓。原邊全橋、副邊全橋的直流-直流變換器的線路如圖I所示，該直流-直流變換器包含原邊線路20和副邊線路30，原邊線路20包含輸入電壓源21、與輸入電壓源21耦合的由第一開(kāi)關(guān)器件QlOl和第二開(kāi)關(guān)器件Q102構(gòu)成的第一橋臂22、與輸入電壓源211禹合的由 第三開(kāi)關(guān)器件Q103和第四開(kāi)關(guān)器件Q104構(gòu)成的第二橋臂23、耦合原邊線路20和副邊線路30的變壓器T100、跨接在第一橋臂中點(diǎn)和第二橋臂中點(diǎn)之間的變壓器原邊繞組24。副邊線路30包含變壓器副邊繞組31、與變壓器副邊繞組31耦合的由第五開(kāi)關(guān)器件Q201和第六開(kāi)關(guān)器件Q202構(gòu)成的第三橋臂32、與變壓器副邊繞組31耦合的由第七開(kāi)關(guān)器件Q203和第八開(kāi)關(guān)器件Q204構(gòu)成的第四橋臂33、輸出電感Lo、輸出電容Co。上述原邊的線路可以是任何其它單端或?qū)ΨQ結(jié)構(gòu)。在變換器中，原邊開(kāi)關(guān)器件在開(kāi)環(huán)或閉環(huán)的PWM控制器的控制下進(jìn)行有序的開(kāi)關(guān)，使輸入電壓交替地加在變壓器TlOO的原邊繞組上。變壓器副邊繞組的電壓經(jīng)過(guò)對(duì)稱整流線路轉(zhuǎn)換成為單向的脈沖電壓，再經(jīng)過(guò)由Lo和Co構(gòu)成的輸出濾波器得到直流輸出電壓Vout0副邊整流器的工作狀態(tài)有兩種，第一種狀態(tài)是整流狀態(tài)，期間輸入電壓加在變壓器的原邊繞組上，變壓器的副邊繞組感應(yīng)電壓經(jīng)過(guò)整流線路中的導(dǎo)通的整流器件加在輸出電感上，續(xù)流器件關(guān)斷；第二種狀態(tài)是續(xù)流狀態(tài)，變壓器繞組上沒(méi)有電壓或有磁芯復(fù)位的反壓，整流器件關(guān)斷，輸出電感中的電流通過(guò)導(dǎo)通的續(xù)流器件在副邊環(huán)流。圖I中全橋變換器中開(kāi)關(guān)器件的控制信號(hào)如圖2所示，其中tl至t2為整流狀態(tài)，t2-t5為續(xù)流狀態(tài)。續(xù)流狀態(tài)期間副邊同步整流器件的全部開(kāi)通使導(dǎo)通損耗減少。由于實(shí)際變壓器必然存在的漏感和開(kāi)關(guān)器件的非理想特性，比如同步整流MOSFET體二極管的反向恢復(fù)等，在原邊開(kāi)關(guān)器件進(jìn)行PWM的時(shí)刻，副邊整流器件上會(huì)產(chǎn)生出尖峰電壓。如果不做處理，該尖峰電壓的峰值很可能超過(guò)開(kāi)關(guān)器件的最大允許耐壓而造成器件的損壞。為抑制開(kāi)關(guān)瞬間的尖峰電壓，比較簡(jiǎn)單的方法是在副邊的開(kāi)關(guān)器件上并聯(lián)由無(wú)源器件構(gòu)成的吸收線路，比如常見(jiàn)的R-C或R-C-D吸收線路。這些無(wú)源吸收線路的原理是通過(guò)電容吸收尖峰電壓的能量然后將此能量消耗在電阻中。對(duì)最簡(jiǎn)單的R-C吸收線路，即使沒(méi)有任何尖峰，理想的PWM波形也在吸收線路中產(chǎn)生損耗。尤其是在輸出電壓較高的設(shè)計(jì)中，無(wú)源吸收線路的功耗過(guò)大；在可以接受的損耗下，吸收效果差。采用電容和有源開(kāi)關(guān)器件串聯(lián)的有源吸收線路已獲得較多的使用(見(jiàn)參考文獻(xiàn))。圖3是包含副邊有源吸收線路的示意圖。如何在選定的拓?fù)渲凶顑?yōu)化地控制吸收線路中的開(kāi)關(guān)器件，既有效地實(shí)現(xiàn)尖峰電壓的吸收，同時(shí)避免與主線路開(kāi)關(guān)器件的沖突是有效使用此類吸收線路的關(guān)鍵之一。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明所要解決的技術(shù)問(wèn)題是提供一種直流-直流變換器中副邊有源吸收線路的控制方法，提高變換器的性能。本發(fā)明是通過(guò)下述技術(shù)方案來(lái)解決上述技術(shù)問(wèn)題的一種直流-直流變換器中副邊吸收線路和控制方法，該線路采用包含原邊線路和付邊線路的直流-直流變換器，原邊線路包含輸入電壓源、與輸入電壓源耦合的開(kāi)關(guān)線路、耦合原邊線路和付邊線路的變壓器，付邊線路包含整流線路、跨接在整流器輸出的尖峰電壓吸收線路、和輸出濾波環(huán)線路；吸收線路由吸收電容與一個(gè)具有并聯(lián)二極管的開(kāi)關(guān)器件串聯(lián)構(gòu)成，其特征在于，有源吸收線路中的開(kāi)關(guān)器件的控制信號(hào)由整流器輸出電壓或與其成比例的信號(hào)生成。優(yōu)選地，如圖3所示，上述有源吸收線路中的開(kāi)關(guān)器件Q205為P型M0SFET，利用其 體二極管實(shí)現(xiàn)對(duì)尖峰電壓的吸收和方便對(duì)地的驅(qū)動(dòng)控制實(shí)現(xiàn)能量的釋放。圖4所示的是理論上可行的P-MOSFET驅(qū)動(dòng)時(shí)序圖?？紤]到應(yīng)確保Q205在Va下降前關(guān)斷以避免由于Va的下降導(dǎo)致對(duì)C_snubber的放電，圖4中Vg_Q205(短)是一種實(shí)用的驅(qū)動(dòng)方式。尖峰電壓吸收所需的時(shí)間很短暫，Q205只需要提供時(shí)間讓吸收電容中的電流反向放電，就可以保證此吸收線路的正常運(yùn)行。如圖5所示的線路可以實(shí)現(xiàn)圖4中P-MOSFET驅(qū)動(dòng)方案。輸出電感Lo上的耦合繞組36產(chǎn)生的電壓信號(hào)Va如圖6所示。Vg_Q205的放電速度由電平移動(dòng)線路中的C1、R1和Q205的門(mén)極電容決定。如果Cl較大，Vg_Q205的波形就會(huì)接近方波。這樣就可能發(fā)生Q205的關(guān)斷不及時(shí)，而產(chǎn)生額外的損耗。因此正確的設(shè)計(jì)應(yīng)適當(dāng)選擇電平移動(dòng)線路中的參數(shù)，使Vg_Q205的放電速度充分快，從而Q205在整流階段自然關(guān)斷。當(dāng)吸收線路中采用其他類型的開(kāi)關(guān)器件時(shí)，可根據(jù)器件驅(qū)動(dòng)的特性，修改驅(qū)動(dòng)的線路，原理相同。如圖7所示的線路采用主變壓器上耦合繞組的信號(hào)通過(guò)一個(gè)反相輸出的驅(qū)動(dòng)器和一個(gè)電平移動(dòng)線路實(shí)現(xiàn)對(duì)吸收線路中開(kāi)關(guān)器件的驅(qū)動(dòng)。同樣地，Vg_Q205的放電速度由電平移動(dòng)線路中的Cl、Rl和Q205的門(mén)極電容決定。如果Cl較大，Vg_Q205的波形就會(huì)接近方波。這樣就可能發(fā)生Q205的關(guān)斷不及時(shí)，而產(chǎn)生額外的損耗。因此正確的設(shè)計(jì)應(yīng)適當(dāng)選擇電平移動(dòng)線路中的參數(shù)，使Vg_Q205的放電速度充分快，從而Q205在整流階段自然關(guān)斷。圖7的線路中，吸收線路的開(kāi)關(guān)器件的工作頻率是圖5線路的一半。由于尖峰電壓對(duì)應(yīng)的能量一般較小，故能量回饋可以每?jī)纱渭夥逦瞻l(fā)生一次。圖9是橋式整流線路中的一種吸收線路，其采用兩個(gè)獨(dú)立的吸收線路，分別對(duì)每個(gè)橋臂的開(kāi)關(guān)器件作尖峰電壓的吸收。其吸收線路中開(kāi)關(guān)器件的控制信號(hào)可以由同一橋臂中下方開(kāi)關(guān)器件的控制信號(hào)通過(guò)適當(dāng)?shù)奶幚砗螳@得。該方法的優(yōu)點(diǎn)是吸收線路可以最近地放在需要被吸收的開(kāi)關(guān)器件處，因而吸收效果較好。


圖I :原邊全橋、副邊全橋同步整流變換器示意圖。圖2 :全橋同步整流變換器的驅(qū)動(dòng)時(shí)序示意圖。
圖3 :具有有源吸收線路的變換器示意圖。圖4 :有源吸收線路中P-MOSFET的驅(qū)動(dòng)時(shí)序示意圖。圖5 :副邊有源吸收線路線路I不意圖。圖6 :圖5線路中主要波形示意圖。圖7 :副邊有源吸收線路線路2不意圖。圖8 :圖7線路中主要波形示意圖。圖9 :副邊有源吸收線路3不意圖。圖10 :副邊有源吸收線路線路3不意圖。
具體實(shí)施例方式下面結(jié)合附圖給出本發(fā)明較佳的三個(gè)實(shí)施例，以詳細(xì)說(shuō)明本發(fā)明的技術(shù)方案。本發(fā)明提供一種直流-直流變換器中副邊有源吸收線路的控制方法。采用該控制方法的驅(qū)動(dòng)時(shí)序如圖4所示。實(shí)現(xiàn)該控制時(shí)序的實(shí)施線路如圖5所示。圖5中的第一實(shí)施線路包含原邊線路20和副邊線路30。原邊線路包含輸入電壓源21、與輸入電壓源21耦合的橋式開(kāi)關(guān)器件Q101，Q102，Q103，Q104構(gòu)成的橋式線路、耦合原邊線路和付邊線路的變壓器T100，付邊線路包含由Q201，Q202，Q203，Q204構(gòu)成的橋式整流線路、跨接在整流橋上的尖峰電壓吸收線路34、和由Lo和Co構(gòu)成的輸出濾波環(huán)節(jié)；吸收線路的主線路由吸收電容C_snubber與一個(gè)具有并聯(lián)二極管的P型MOSFET串聯(lián)構(gòu)成；吸收線路的控制線路包含由二極管D1，電阻Rl和電容Cl構(gòu)成的電平移動(dòng)和脈寬限制線路，輸出電感耦合繞組36構(gòu)成。圖5中線路的主要運(yùn)行波形如圖6所示。在tl時(shí)刻Va由低變高，Vb由負(fù)變正。如果電容Cl的容量較大，其與電阻Rl構(gòu)成的時(shí)間常數(shù)遠(yuǎn)大于變換器的開(kāi)關(guān)周期，Vg_Q205的波形如圖5中Vg_Q205(所示；如果電容Cl的容量較小，其與電阻Rl構(gòu)成的時(shí)間常數(shù)明顯小于變換器的開(kāi)關(guān)周期，Vg_Q205的波形如圖7中Vg_Q205所示，Vg_Q205在t2時(shí)已下降到Q205的門(mén)極閾值電壓，使Q205關(guān)斷。Cl和Rl的時(shí)間常數(shù)至少要使Q205導(dǎo)通的時(shí)間(tl至t2)足夠?qū)⒁蚣夥咫妷哼M(jìn)入吸收電容的能量重新釋放回變換器的輸出電感中，即完成圖4中所示的C_snubber電流的雙向流動(dòng)。t4時(shí)刻開(kāi)始重復(fù)上述過(guò)程。圖7中的第二實(shí)施線路包含原邊線路20和副邊線路30。原邊線路包含輸入電壓源21、與輸入電壓源21耦合的橋式開(kāi)關(guān)器件Q101，Q102，Q103，Q104構(gòu)成的橋式線路、耦合原邊線路和付邊線路的變壓器T100，付邊線路包含由Q201，Q202，Q203，Q204構(gòu)成的橋式整流線路、跨接在整流橋上的尖峰電壓吸收線路34、和由Lo和Co構(gòu)成的輸出濾波環(huán)節(jié)；吸收線路的主線路由吸收電容C_snubber與一個(gè)具有并聯(lián)二極管的P型MOSFET串聯(lián)構(gòu)成；吸收線路的控制線路包含由主變壓器繞組38產(chǎn)生的電壓脈沖經(jīng)二極管D3整流后形成的V_bias和經(jīng)電阻R2和R3分壓所得的信號(hào)Vb、驅(qū)動(dòng)器U1、由二極管D1，電阻Rl和電容Cl構(gòu)成的電平移動(dòng)和脈寬限制線路。圖7中線路的主要運(yùn)行波形如圖8所示。Vb因只取了變壓器的單向電壓，故其周期是Va的兩倍。在tl時(shí)刻Va由低變高，Vb也由低變高，Vc由高變低。選擇電容Cl和電阻Rl使構(gòu)成的時(shí)間常數(shù)明顯小于變換器的開(kāi)關(guān)周期，Vg_Q205的波形如圖8中Vg_Q205所示，Vg_Q205在t2時(shí)已下降到Q205的門(mén)極閾值電壓，使Q205關(guān)斷。Cl和Rl的時(shí)間常數(shù)至少要使Q205導(dǎo)通的時(shí)間(tl至t2)足夠?qū)⒁蚣夥咫妷哼M(jìn)入吸收電容的能量重新釋放回變換器的輸出電感中，即完成圖8中所示的C_Snubber電流的雙向流動(dòng)。t4時(shí)刻Va再次上升，尖峰電壓造成的尖峰電流流入C_snubber，因Vb沒(méi)有信號(hào)，故Q205不會(huì)開(kāi)通，即沒(méi)有釋放能量的過(guò)程。在此實(shí)施例中，釋放能量的頻率是吸收能量的一半。因每次吸收的能量較小，不會(huì)造成C_snubber上電壓的明顯變化，故每?jī)纱挝漳芰繉?duì)應(yīng)一次釋放能量一般是可以接受的。圖9中的第三實(shí)施線路包含原邊線路20和副邊線路30。原邊線路包含輸入電壓源21、與輸入電壓源21耦合的橋式開(kāi)關(guān)器件Q101，Q102, Q103, Q104構(gòu)成的橋式線路、耦合原邊線路和付邊線路的變壓器T100，付邊線路包含由Q201，Q202，Q203，Q204構(gòu)成的橋式整流線路、跨接兩個(gè)橋臂中點(diǎn)到地的尖峰電壓吸收線路34和35、和由Lo和Co構(gòu)成的輸出濾波環(huán)節(jié)；吸收線路的主線路34由吸收電容C_snubberl與一個(gè)具有并聯(lián)二極管的P型MOSFET Q205串聯(lián)構(gòu)成。該吸收線路中開(kāi)關(guān)器件Q205的控制信號(hào)由同一橋臂下方開(kāi)關(guān)器件 Q202的控制信號(hào)通過(guò)由Rl、R2、Cl、Dl構(gòu)成的電平移動(dòng)和脈寬限制線路生成。電平移動(dòng)和脈寬限制的原因和原理同前。R2的功能是提供一個(gè)Q205開(kāi)通的延時(shí)，以保證Q205不會(huì)在Q202的電壓還沒(méi)有上升到足夠高時(shí)開(kāi)通。吸收線路35的工作原理與34相同。圖9中線路的主要運(yùn)行波形如圖10所示。上述控制方法雖然只是對(duì)副邊的全橋拓?fù)溥M(jìn)行的敘述，其原理對(duì)其它多種副邊的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)同樣適用。上述控制方法的描述中使用了 MOSFET作為功率開(kāi)關(guān)器件。該控制方法同樣適用于任何其它具備開(kāi)關(guān)特性的器件。如果所用開(kāi)關(guān)器件沒(méi)有體二極管，則要外加并聯(lián)二極管。雖然以上描述了本發(fā)明的具體實(shí)施方式
，但是本領(lǐng)域的技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)理解，這些僅是舉例說(shuō)明，在不背離本發(fā)明的原理和實(shí)質(zhì)的前提下，可以對(duì)這些實(shí)施方式做出多種變更或修改。因此，本發(fā)明的保護(hù)范圍由所附權(quán)利要求書(shū)限定。
權(quán)利要求
1.一種直流-直流變換器副邊有源吸收線路和控制方法，該線路采用包含原邊線路和副邊線路的直流-直流變換器，原邊線路包含輸入電壓源、與輸入電壓源耦合的開(kāi)關(guān)器件、耦合原邊線路和付邊線路的變壓器，副邊線路包含工作在整流狀態(tài)或續(xù)流狀態(tài)的整流器件、耦合整流器件的一個(gè)或多個(gè)有源吸收線路、和輸出濾波線路。有源吸收線路包含一個(gè)第一電容和一個(gè)第一可控開(kāi)關(guān)器件構(gòu)成的串聯(lián)支路、和控制該開(kāi)關(guān)器件的線路。上述第一開(kāi)關(guān)器件的控制信號(hào)由整流器輸出電壓或與其相關(guān)的信號(hào)生成。
2.如權(quán)利要求I所述的直流-直流變換器副邊有源吸收線路，其特征在于，有源吸收線路跨接在整流器的輸出端，上述第一開(kāi)關(guān)器件的控制信號(hào)由輸出電感耦合繞組的信號(hào)生成。
3.如權(quán)利要求2所述的直流-直流變換器副邊有源吸收線路，其特征在于，上述第一開(kāi)關(guān)器件為P型MOSFET (P-MOSFET)，具有一個(gè)并聯(lián)的第一二極管；輸出電感耦合繞組產(chǎn)生的電壓經(jīng)過(guò)由一個(gè)第二電容、一個(gè)第二二極管和一個(gè)第一電阻構(gòu)成的電平移動(dòng)線路形成負(fù)信號(hào)，驅(qū)動(dòng)上述第一開(kāi)關(guān)器件(P-MOSFET)，實(shí)現(xiàn)在整流器輸出為高電平的部分時(shí)間內(nèi)上述第一開(kāi)關(guān)器件為導(dǎo)通狀態(tài)，在整流器輸出為低電平(零)的全部時(shí)間內(nèi)上述第一開(kāi)關(guān)器件為關(guān)斷狀態(tài)。
4.如權(quán)利要求3所述的電平移動(dòng)線路，其特征在于，選擇適當(dāng)?shù)纳鲜龅谝浑娮韬蜕鲜龅诙娙莸膮?shù)，使上述第一開(kāi)關(guān)器件在整流狀態(tài)期間的部分時(shí)間導(dǎo)通，在整流狀態(tài)結(jié)束前自動(dòng)關(guān)斷。
5.如權(quán)利要求I所述的直流-直流變換器副邊有源吸收線路，其特征在于，上述第一開(kāi)關(guān)器件的控制信號(hào)由與整流器的輸出電壓成正比的信號(hào)生成。
6.如權(quán)利要求5所述的線路，其特征在于，上述第一開(kāi)關(guān)器件為P型MOSFET (P-MOSFET);由主變壓器繞組生成的與整流器輸出電壓成正比的信號(hào)經(jīng)過(guò)一個(gè)第二電阻和一個(gè)第三電阻分壓接至一個(gè)第一驅(qū)動(dòng)器的輸入端；該第一驅(qū)動(dòng)器為反相輸出，輸出信號(hào)經(jīng)過(guò)上述電平移動(dòng)線路形成負(fù)信號(hào)，驅(qū)動(dòng)吸收線路中的第一開(kāi)關(guān)器件(P-MOSFET)。
7.如權(quán)利要求6所述的電平移動(dòng)線路，其特征在于，選擇適當(dāng)?shù)纳鲜龅谝浑娮韬蜕鲜龅诙娙莸膮?shù)，使第一開(kāi)關(guān)器件在整流狀態(tài)期間的部分時(shí)間導(dǎo)通，在整流狀態(tài)結(jié)束前自動(dòng)關(guān)斷。
8.如權(quán)利要求I所述的直流-直流變換器副邊有源吸收線路，其特征在于，一個(gè)第一有源吸收線路跨接在一個(gè)全橋整流器的第一橋臂中點(diǎn)和地之間；一個(gè)第二有源吸收線路跨接在上述全橋整流器的第二橋臂中點(diǎn)和地之間；第一和第二有源吸收線路中分別的第一開(kāi)關(guān) >器件和第二開(kāi)關(guān)器件的控制信號(hào)由各自橋臂的下方開(kāi)關(guān)器件的驅(qū)動(dòng)信號(hào)產(chǎn)生。
9.如權(quán)利要求8所述的直流-直流變換器副邊有源吸收線路，其特征在于，上述第一開(kāi)關(guān)器件和第二開(kāi)關(guān)器件為P型MOSFET ;第一橋臂的下方開(kāi)關(guān)器件的驅(qū)動(dòng)信號(hào)經(jīng)過(guò)電平移動(dòng)線路形成負(fù)信號(hào)，驅(qū)動(dòng)上述第一開(kāi)關(guān)器件；第二橋臂的下方開(kāi)關(guān)器件的驅(qū)動(dòng)信號(hào)經(jīng)過(guò)電平移動(dòng)線路形成負(fù)信號(hào)，驅(qū)動(dòng)上述第二開(kāi)關(guān)器件。
10.如權(quán)利要求9所述的直流-直流變換器副邊有源吸收線路，其特征在于，選擇適當(dāng)?shù)碾娖揭苿?dòng)線路中的參數(shù)，使上述第一和第二開(kāi)關(guān)器件的開(kāi)通具有必要的延時(shí)；第一和第二開(kāi)關(guān)器件在整流狀態(tài)期間的部分時(shí)間內(nèi)導(dǎo)通，在整流狀態(tài)結(jié)束前自動(dòng)關(guān)斷。
全文摘要
本發(fā)明提出一種直流-直流變換器副邊有源吸收線路和控制方法，其采用包含原邊線路和副邊線路的直流-直流變換器，原邊線路包含輸入電壓源、與輸入電壓源耦合的開(kāi)關(guān)器件、耦合原邊線路和付邊線路的變壓器，副邊線路包含耦合變壓器副邊繞組的整流器件、耦合整流器件的有源吸收線路、和輸出濾波線路。有源吸收線路包含吸收電容和具有并聯(lián)二極管的可控開(kāi)關(guān)器件的串聯(lián)支路、和控制該開(kāi)關(guān)器件的線路。有源吸收線路中的開(kāi)關(guān)器件的控制信號(hào)由整流器輸出電壓或與其相關(guān)的信號(hào)生成。本發(fā)明降低了整流線路中整流器件的電壓應(yīng)力，使器件的選擇得以優(yōu)化，進(jìn)而提高變換器的性能，降低成本。
文檔編號(hào)H02M1/32GK102801324SQ201110136389
公開(kāi)日2012年11月28日 申請(qǐng)日期2011年5月25日 優(yōu)先權(quán)日2011年5月25日
發(fā)明者蔡毅云, 魏槐, 秦衛(wèi)鋒, 蔣毅敏 申請(qǐng)人:江蘇兆能電子有限公司