CN100446396C - 无损箝位电路 - Google Patents

Abstract

在功率变换器中，功率元件在开关切换时，电路中的寄生参数会使功率元件两端的反向电压出现尖峰，因而必须选择额定参数高的功率元件，从而造成效率的降低。本发明提供了一种简单的辅助电路，对功率元件两端的反向电压尖峰进行箝位控制，并将箝位能量充分利用，大大提高功率变换器的效率。

Description

无损箝位电路

技术领域

本发明为一种无损箝位电路，尤指一种对功率元件两端的反向电压尖峰进行箝位控制的无损箝位电路。

背景技术

请参阅图1，图1为二极管的反向电流恢复示意图。二极管在关断瞬间因为储存电荷的缘故不具备反向阻断能力，因而产生一反向电流I_f。由于二极管的回路中存在电感，当二极管在t₁时刻具备反向阻断能力，电流绝对值迅速减小，产生很高的电压峰值。其中，I_D1为二极管导通电流值，V_D1为二极管两端电压值。

图2为一典型的全波整流电路示意图。假设其整流电压为一正负方波电压，其工作过程可分为以下几个阶段：整流阶段，续流阶段，恢复阶段。

整流阶段：如图3所示，电压V1为正，二极管D1导通，其电流大小为IL1，二极管D2截止。电感Ls1与Ls2是变压器漏感与引线电感。

续流阶段：如图4所示，电压V1为零，二极管D1，D2都导通，其电流之和为IL1。

恢复阶段：如图5所示，电压V1由零变为负，二极管D1进入反向恢复阶段，其电流大小为If，D2导通，其电流为IL1与If之和。当二极管D1恢复到t1时刻，二极管D1具备反向阻断能力，表现为高的阻抗，漏感Ls1，Ls2中的电流跳变在二极管D1两端产生很高的电压尖峰。由于电路的对称性，二极管D2同样具有反向恢复的问题。

如果对该尖峰不加抑制，其值为二极管额定反向耐压的数倍。因此必须选用高压二极管，而高压二极管的正向压降一般高于低压二极管，所以功率损耗将大为增加。

请参阅图6，为第一个现有的解决二极管反向恢复问题的箝位电路示意图。该电路的工作原理是：当二极管DR1或DR2进入反向恢复t1时刻，呈现为高阻抗，漏感中的能量通过二极管DS1或DS2储存于电容CS1或CS2中。两电容中的能量通过开关SA，SB流入负载。其优点是箝位效果较好，无损耗。其缺点为控制复杂。

请参阅图7，图7为第二个现有的解决二极管反向恢复问题的箝位电路示意图。图7的工作原理如下：当二极管D1或D2进入反向恢复的t1时刻，呈现为高阻抗，漏感中的能量通过二极管DS1或DS2储存于电容CS1或CS2中，之后两电容中的能量通过开关Sx，流入高压变压器T之一次侧Np。其优点是变压器原边箝位效果较好，无损耗。其缺点为高压变压器T2存在安规问题，效率较低。

请参阅图8，为第三个现有的解决二极管反向恢复问题的箝位电路示意图。图8的工作原理如下：当二极管VD1或VD2进入反向恢复的t1时刻，呈现为高阻抗，漏感中的能量通过一正激变换器流入一次侧。其优点是简单。其缺点为箝位效果不好，高压变压器存在安规问题，效率较低。

发明内容

本发明在于提供一种无损箝位电路，是对功率元件两端的反向电压尖峰进行箝位控制，并将箝位能量充分利用，提高变换器的效率。

本发明的第一目的在于提供一种无损箝位电路，是应用在一功率变换器之中，对该功率变换器的功率元件两端的反向电压进行箝位控制，该功率变换器包含一变压器，该变压器的二次侧输出端电连接一全波整流电路，该全波整流电路包含一第一整流二极管、一第二整流二极管，一输出滤波电感以及一输出滤波电容，该无损箝位电路包含：两个箝位二极管，该箝位二极管的正极端相互连接形成一共阳极端，负极端分别与该变压器的二次侧两端连接；一第一箝位电容，其一端电连接于该第一整流二极管的负极端，另一端电连接于该共阳极端；一第二箝位电容，其一端电连接于该输出滤波电感与该输出滤波电容的一节点，另一端电连接于该共阳极端；以及一变换器电路，其输入端电连接该第二箝位电容，其输出端提供一电源。

根据上述构想，其中该电源将能量回馈至该变压器的一次侧以及二次侧之一。

根据上述构想，其中该电源做为一辅助电源。

根据上述构想，其中该变换器电路为一升压电路。

根据上述构想，其中该升压电路包含：一电感，其一端电连接该节点；一开关元件，其第一端电连接该电感的另一端，第二端电连接该共阳极端；一二极管，其正极端电连接该电感的另一端，其负端电连接该第一整流二极管的负极端。

根据上述构想，其中该电感为一能量回馈电感，该二极管为一能量回馈二极管以及该开关元件为一能量回馈开关元件。

本发明的第二目的在于提供一种无损箝位电路。应用在一功率变换器之中，对该功率变换器的功率元件两端的反向电压进行箝位控制，该功率变换器包含一变压器，该变压器的二次侧输出端电连接一全波整流电路，该全波整流电路包含一第一整流二极管、一第二整流二极管，一输出滤波电感以及一输出滤波电容，该无损箝位电路包含：两个箝位二极管，该箝位二极管的正极端相互连接形成一共阳极端，负极端分别与该变压器的二次侧两端连接；一箝位电容，其一端电连接于该第一整流二极管的负极端，另一端电连接于该共阳极端；以及一变换器电路，其输入端电连接该箝位电容，其输出端提供一电源。

根据上述构想，其中该电源将能量回馈至该变压器的一次侧以及二次侧之一。

根据上述构想，其中该电源做为一辅助电源。

本发明的第三目的在于提供一种无损箝位电路，应用在一功率变换器的全桥整流电路中，对该全桥整流电路的反向电压进行箝位控制，该功率变换器包含一变压器，该变压器的二次侧输出端电连接该全桥整流电路，该无损箝位电路包含：一箝位电容，电连接该全桥整流电路的输出端；以及一变换器电路，其输入端电连接该箝位电容，其输出端提供一电源。

根据上述构想，其中该电源将能量回馈至该变压器的一次侧以及二次侧之一。

根据上述构想，其中该电源做为一辅助电源。

本发明的第四目的在于提供一种无损箝位电路，应用在一功率变换器的倍流电路之中，对该倍流电路之功率元件两端的反向电压进行箝位控制，该功率变换器包含一变压器，该变压器的二次侧输出端电连接一全波整流电路，该倍流电路包含一第一倍流二极管、一第二倍流二极管，该无损箝位电路包含：两个箝位二极管，该箝位二极管的正极端相互连接形成一共阳极端，负极端分别与该变压器的二次侧两端连接；一箝位电容，其一端电连接于该第一倍流二极管与该第二倍流二极管的一节点，另一端电连接于该共阳极端；以及一变换器电路，其输入端电连接该箝位电容，其输出端提供一电源。

根据上述构想，其中该电源将能量回馈至该变压器的一次侧以及二次侧之一。

根据上述构想，其中该电源做为一辅助电源。

本发明的第五目的在于提供一种无损箝位电路，应用在一功率变换器的倍流电路之中，对该倍流电路的功率元件两端的反向电压进行箝位控制，该功率变换器包含一变压器，该变压器的二次侧输出端电连接一全波整流电路，该倍流电路包含一第一倍流二极管、一第二倍流二极管，该无损箝位电路包含：两个箝位二极管，该箝位二极管的负极端相互连接形成一共阴极端，正极端分别与该变压器的二次侧两端连接；一箝位电容，其一端电连接于该第一倍流二极管与该第二倍流二极管的一节点，另一端电连接于该共阴极端；以及一变换器电路，其输入端电连接该箝位电容，其输出端提供一电源。

本发明还提供一种无损箝位电路，其应用在一功率变换器之中，对该功率变换器的功率元件两端的反向电压进行箝位控制，该功率变换器包含一变压器，该变压器的二次侧输出端电连接一全波整流电路，该全波整流电路包含一第一整流二极管、一第二整流二极管，一输出滤波电感以及一输出滤波电容，该无损箝位电路包含：两个箝位二极管，该箝位二极管的正极端相互连接形成一共阳极端，负极端分别与该变压器的二次侧两端连接；一第一箝位电容，其一端电连接于该第一整流二极管的负极端，另一端电连接于该共阳极端；一第二箝位电容，其一端电连接于该输出滤波电感与该输出滤波电容的一节点，另一端电连接于该共阳极端；以及一变换器电路，包括一开关元件，该变换器电路的输入端电连接该第二箝位电容，通过控制该开关元件将该第二箝位电容上的电压转变为输出到该输出滤波电容的输出电压。

本发明还提供一种无损箝位电路，其应用在一功率变换器之中，对该功率变换器的功率元件两端的反向电压进行箝位控制，该功率变换器包含一变压器，该变压器的二次侧输出端电连接一全波整流电路，该全波整流电路包含一第一整流二极管、一第二整流二极管，一输出滤波电感以及一输出滤波电容，该无损箝位电路包含：两个箝位二极管，该箝位二极管的正极端相互连接形成一共阳极端，负极端分别与该变压器的二次侧两端连接；一箝位电容，其一端电连接于该第一整流二极管的负极端，另一端电连接于该共阳极端；以及一变换器电路，包括一开关元件，该变换器电路的输入端电连接该箝位电容，通过控制该开关元件将该箝位电容上的电压转变为输出到该输出滤波电容的输出电压。

本发明还提供一种无损箝位电路，其应用在一功率变换器的全桥整流电路中，对该全桥整流电路的反向电压进行箝位控制，该功率变换器包含一变压器，该变压器的二次侧输出端电连接该全桥整流电路，该全桥整流电路包含一输出滤波电容，该无损箝位电路包含：一箝位电容，电连接该全桥整流电路的输出端；以及一变换器电路，包括一开关元件，该变换器电路的输入端电连接该箝位电容，通过控制该开关元件将该箝位电容上的电压转变为输出到该输出滤波电容的输出电压。

本发明还提供一种无损箝位电路，其应用在一功率变换器的倍流电路之中，对该倍流电路的功率元件两端的反向电压进行箝位控制，该功率变换器包含一变压器，该变压器的二次侧输出端电连接该倍流电路，该倍流电路包含一第一倍流二极管、一第二倍流二极管以及一输出滤波电容，该无损箝位电路包含：两个箝位二极管，该箝位二极管的正极端相互连接形成一共阳极端，负极端分别与该变压器的二次侧两端连接；一箝位电容，其一端电连接于该第一倍流二极管与该第二倍流二极管的一节点，另一端电连接于该共阳极端；以及一变换器电路，包括一开关元件，该变换器电路的输入端电连接该箝位电容，通过控制该开关元件将该箝位电容上的电压转变为输出到该输出滤波电容的输出电压。

本发明还提供一种无损箝位电路，其应用在一功率变换器的倍流电路之中，对该倍流电路的功率元件两端的反向电压进行箝位控制，该功率变换器包含一变压器，该变压器的二次侧输出端电连接该倍流电路，该倍流电路包含一第一倍流二极管、一第二倍流二极管以及一输出滤波电容，该无损箝位电路包含：两个箝位二极管，该箝位二极管的负极端相互连接形成一共阴极端，正极端分别与该变压器的二次侧两端连接；一箝位电容，其一端电连接于该第一倍流二极管与该第二倍流二极管的一节点，另一端电连接于该共阴极端；以及一变换器电路，包括一开关元件，该变换器电路的输入端电连接该箝位电容，通过控制该开关元件将该箝位电容上的电压转变为输出到该输出滤波电容的输出电压。

附图说明

图1为二极管的反向电流恢复示意图

图2为一典型的全波整流电路示意图

图3为一典型的全波整流电路整流阶段电路示意图

图4为一典型的全波整流电路续流阶段电路示意图

图5为一典型的全波整流电路恢复阶段电路示意图

图6为第一个现有的解决二极管反向恢复问题的箝位电路示意图

图7为第二个现有的解决二极管反向恢复问题的箝位电路示意图

图8为第三个现有的解决二极管反向恢复问题的箝位电路示意图

图9为本案第一较佳实施例的利用一升压(BOOST)变换器对二极管的反向电压进行箝位控制之电路示意图

图10、11为本案第一较佳实施例的升压(BOOST)变换器对二极管的反向电压进行箝位控制时恢复阶段的电路示意图

图12为本案第二较佳实施例的利用一变换器对二极管的反向电压进行箝位控制的电路示意图

图13为本案第三较佳实施例的利用一变换器对二极管的反向电压进行箝位控制的电路示意图

图14为本案第四较佳实施例的利用一变换器对全桥整流电路的反向电压进行箝位控制的电路示意图

图15、16为本案第五较佳实施例的利用一变换器对倍流整流电路的反向电压进行箝位控制的电路示意图

具体实施方式

为了解决上面所面临的问题，本发明是利用一升压(BOOST)变换器(如图9所示的L2、Dr3、Q1、C2、Cout组成的电路)对二极管的反向电压进行箝位控制。工作原理分析如下：

图9的工作过程同样分为以下几个阶段：整流阶段，续流阶段，恢复阶段。其整流阶段和续流阶段与以上图2分析的工作过程相似，而恢复阶段则不同。

如图10所示，反向恢复开始时，二极管D2中流过的电流为电感L1与Ls1中的电流之和。当反向恢复进入到t1时，二极管D1具备阻断能力，电感Ls1与Ls2中的电流不能突变，二极管Dr1导通，其路径如图11所示：Dr1-Ls1-Ls2-D2-C1-Dr1。把电感Ls1与Ls2中的能量储存在电容C1中，从而避免了在二极管D1上产生反向电压尖峰。

电容C1中的能量通过附加的升压电路(如图9中的L2、Dr3、Q1、C2、Cout组成的电路)流回输出电容Cout，进而流向负载。

本案的发明除使用升压变换器之外，也可经由其它变换器将电容中的能量流回变压器的二次侧，或一次侧，或被风扇、辅助电源利用。因而本发明等效结构可如图12所示。

另外，还可将电容C2去掉，经由变换器将电容C1中的能量流回变压器的一次侧，或被风扇、辅助电源等利用。因而本发明等效结构可如图13所示。

再者，在全桥整流电路中，同样存在反向恢复问题，可应用本发明的原理。本发明应用于全桥整流电路中的等效结构如图14所示。

又，在倍流整流电路中，同样也存在反向恢复问题，亦可应用本发明的原理。本发明应用于倍流整流电路中的等效结构如图15，16所示。

本发明的技术还可应用在同步整流电路中，功率MOSFET(金属氧化物半导体场效应管)开关元件同样存在反向恢复问题，也可应用本发明的原理。其应用实施例是将图12、13、14、15、16中的二极管D1，D2变为功率MOSFET开关元件。

综上所述，本发明可提供一种无损箝位电路，对功率元件两端的反向电压尖峰进行箝位控制，并将箝位能量充分利用，大大提高功率变换器的效率。凡本领域的技术人员根据本发明所做的各种等效变化，皆应属于本发明的权利要求保护范围之内。

Claims (10)

1.一种无损箝位电路，其特征在于，应用在一功率变换器之中，对该功率变换器的功率元件两端的反向电压进行箝位控制，该功率变换器包含一变压器，该变压器的二次侧输出端电连接一全波整流电路，该全波整流电路包含一第一整流二极管、一第二整流二极管，一输出滤波电感以及一输出滤波电容，该无损箝位电路包含：

两个箝位二极管，该箝位二极管的正极端相互连接形成一共阳极端，负极端分别与该变压器的二次侧两端连接；

一第一箝位电容，其一端电连接于该第一整流二极管的负极端，另一端电连接于该共阳极端；

一第二箝位电容，其一端电连接于该输出滤波电感与该输出滤波电容的一节点，另一端电连接于该共阳极端；以及

一变换器电路，包括一开关元件，该变换器电路的输入端电连接该第二箝位电容，通过控制该开关元件将该第二箝位电容上的电压转变为输出到该输出滤波电容的输出电压。

2.如权利要求1所述的无损箝位电路，其特征在于，其中该变换器电路的该输入端还电连接该第一箝位电容，该变换器电路将该第一箝位电容的能量回馈至该变压器的一次侧以及二次侧之一。

3.如权利要求1所述的无损箝位电路，其特征在于，其中该变换器电路做为一辅助电源。

4.如权利要求1所述的无损箝位电路，其特征在于，其中该变换器电路为一升压电路。

5.如权利要求4所述的无损箝位电路，其特征在于，其中该开关元件的第一端电连接该共阳极端，而该升压电路还包含：

一电感，其一端电连接该节点，其另一端电连接该开关元件的第二端；以及

一二极管，其正极端电连接该升压电路的该电感的另一端，其负端电连接该第一整流二极管的负极端。

6.如权利要求5所述的无损箝位电路，其特征在于，其中该升压电路的该电感为一能量回馈电感，该升压电路的该二极管为一能量回馈二极管以及该开关元件为一能量回馈开关元件。

7.一种无损箝位电路，其特征在于，应用在一功率变换器之中，对该功率变换器的功率元件两端的反向电压进行箝位控制，该功率变换器包含一变压器，该变压器的二次侧输出端电连接一全波整流电路，该全波整流电路包含一第一整流二极管、一第二整流二极管，一输出滤波电感以及一输出滤波电容，该无损箝位电路包含：

两个箝位二极管，该箝位二极管的正极端相互连接形成一共阳极端，负极端分别与该变压器的二次侧两端连接；

一箝位电容，其一端电连接于该第一整流二极管的负极端，另一端电连接于该共阳极端；以及

一变换器电路，包括一开关元件，该变换器电路的输入端电连接该箝位电容，通过控制该开关元件将该箝位电容上的电压转变为输出到该输出滤波电容的输出电压。

8.一种无损箝位电路，其特征在于，应用在一功率变换器的全桥整流电路中，对该全桥整流电路的反向电压进行箝位控制，该功率变换器包含一变压器，该变压器的二次侧输出端电连接该全桥整流电路，该全桥整流电路包含一输出滤波电容，该无损箝位电路包含：

一箝位电容，电连接该全桥整流电路的输出端；以及

一变换器电路，包括一开关元件，该变换器电路的输入端电连接该箝位电容，通过控制该开关元件将该箝位电容上的电压转变为输出到该输出滤波电容的输出电压。

9.一种无损箝位电路，其特征在于，应用在一功率变换器的倍流电路之中，对该倍流电路的功率元件两端的反向电压进行箝位控制，该功率变换器包含一变压器，该变压器的二次侧输出端电连接该倍流电路，该倍流电路包含一第一倍流二极管、一第二倍流二极管以及一输出滤波电容，该无损箝位电路包含：

两个箝位二极管，该箝位二极管的正极端相互连接形成一共阳极端，负极端分别与该变压器的二次侧两端连接；

一箝位电容，其一端电连接于该第一倍流二极管与该第二倍流二极管的一节点，另一端电连接于该共阳极端；以及

一变换器电路，包括一开关元件，该变换器电路的输入端电连接该箝位电容，通过控制该开关元件将该箝位电容上的电压转变为输出到该输出滤波电容的输出电压。

10.一种无损箝位电路，其特征在于，应用在一功率变换器的倍流电路之中，对该倍流电路的功率元件两端的反向电压进行箝位控制，该功率变换器包含一变压器，该变压器的二次侧输出端电连接该倍流电路，该倍流电路包含一第一倍流二极管、一第二倍流二极管以及一输出滤波电容，该无损箝位电路包含：

两个箝位二极管，该箝位二极管的负极端相互连接形成一共阴极端，正极端分别与该变压器的二次侧两端连接；

一箝位电容，其一端电连接于该第一倍流二极管与该第二倍流二极管的一节点，另一端电连接于该共阴极端；以及

一变换器电路，包括一开关元件，该变换器电路的输入端电连接该箝位电容，通过控制该开关元件将该箝位电容上的电压转变为输出到该输出滤波电容的输出电压。

Images