CN102185595B - 逆变器的准谐振检测电路及准谐振控制电路 - Google Patents

逆变器的准谐振检测电路及准谐振控制电路 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种逆变器的准谐振检测电路，包括：分压电路，其一端耦接到逆变器的主开关管的源极端，另一端与主开关管的漏极端一起耦接到一公共接地端，用于根据输入电压将主开关管的源漏电压按比例输出；第一电压选择开关管，其源极端透过一第三电阻耦接到一高电压端，漏极端耦接到分压电路的另一端，栅极端与分压电路的电压输出端相耦接，用于根据分压电路的输出电压的大小来选择开通或者关断之。相应地，本发明还提供一种逆变器的准谐振控制电路。本发明分压电路的元件阻值是可变的，能由输入电压来控制，使主开关管能根据输入电压自动地调节准谐振阈值电压，从而在完全的输入电压范围内都能适用准谐振功能，有效地减少能量损耗、提高工作效率。

Description

逆变器的准谐振检测电路及准谐振控制电路
技术领域
本发明涉及准谐振检测及控制技术领域，具体来说，本发明涉及一种逆变器的准谐振检测电路及准谐振控制电路。
背景技术
在现有的逆变器领域中，准谐振技术是一个广泛使用的提高效率、改善可靠性和降低成本的方法。它使逆变器的主开关管在两端电压的波谷开通，从而降低了主开关管的能量损耗。通过对主开关管开通及关断时间的控制，可以实现准谐振开关功能，从而有效地降低能量损耗、提高效率。此外，更软的开关能够改善电源的EMI特性，允许设计人员减少使用滤波器的数目，从而降低成本。
现有技术通常利用检测电路来有效地“感测”逆变器的主开关管漏源电压的第一个最小值或谷值，并仅在这时启动主开关管的导通时间。由于寄生电容被充电到最小电压，导通的电流尖峰将会最小化，这种情况常被称为谷值开关(ValleySwitching)。在某些条件下，设计人员甚至可能获得准谐振开关(ZVS)，即当主开关管被激活时没有漏源电压。在这种情况下，由于寄生电容没有被充电，因此导通的电流尖峰不会出现。
图1为现有技术中的一个在两个不同的输入电压Vin1和Vin2下主开关管漏源电压的变化曲线示意图。如图所示，假设输入电压Vin1＞Vin2，在输入电压Vin1下，曲线101所代表的漏源电压Vds的第一波谷电压Vds_v1高于准谐振阈值电压VQR，故准谐振未工作，漏源电压Vds继续保持震荡波形；在输入电压Vin2下，曲线102所代表的漏源电压Vds的第一波谷(图中未示出)低于准谐振阈值电压VQR，则准谐振控制电路产生主开关管驱动信号，准谐振开始工作。随着主开关管开通，漏源电压Vds随着时间t下降到零。
图2为现有技术中的一个波谷电压Vds_v、准谐振阈值电压VQR和输入电压Vin的关系示意图。波谷电压Vds_v随着输入电压Vin的增加而增加，而准谐振阈值电压VQR是恒定值。如图所示，两条线的交叉点给出准谐振工作的范围：在图中竖线的左边，波谷电压Vds_v低于交叉点，准谐振工作；在图中竖线的右边，波谷电压Vds_v高于交叉点，准谐振不工作。
图3为现有技术中的一个准谐振控制电路的简单示意图。如图所示，准谐振控制电路300可以包括：
准谐振检测电路302，其一端耦接到逆变器的主开关管Qfb的源极端，另一端与主开关管Qfb的漏极端一起耦接到一公共接地端GND，用于根据主开关管Qfb的源漏电压Vds开启或者不开启主开关管Qfb的准谐振功能；
主开关管控制电路301，跨接在准谐振检测电路302与主开关管Qfb的栅极端之间，用于根据准谐振检测电路302的输出信号控制主开关管Qfb开通或者关断；
其中，准谐振检测电路302可以包括：
分压电路303，其一端耦接到逆变器的主开关管Qfb的源极端，另一端与主开关管Qfb的漏极端一起耦接到一公共接地端GND，用于将主开关管Qfb的源漏电压Vds按比例输出；
电压选择开关管Q，其源极端透过一第三电阻R3耦接到一高电压端Vcc，漏极端耦接到分压电路303的另一端，栅极端与分压电路303的电压输出端相耦接，用于根据分压电路303的输出电压(即电压选择开关管Q的栅极电压Vg)的大小来选择开通或者关断之。
其中，分压电路303可以包括：
第一分压电阻R1，其一端耦接到主开关管Qfb的源极端；
第二分压电阻R2，其一端与第一分压电阻R1的另一端相耦接，另一端与主开关管Qfb的漏极端一起耦接到公共接地端GND。第一分压电阻R1和第二分压电阻R2的共同接点耦接到电压选择开关管Q的栅极端，用于将源漏电压Vds按比例(R2/(R1+R2))输出到电压选择开关管Q的栅极端，作为其栅极电压Vg。
另外，在第二分压电阻R2的两端还可以并联耦接有一稳压管D，用于稳定分压电路303的输出电压Vg。
继续参照图3所示的准谐振控制电路图，当栅极电压Vg超过电压选择开关管Q的开启电压Vth时，电压选择开关管Q开通，准谐振控制电路300提供给主开关管控制电路301低电压；当栅极电压Vg低于电压选择开关管Q的开启电压Vth时，电压选择开关管Q关断，准谐振控制电路300提供给主开关管控制电路301高电压。
由此可以看到Vg/R2＝Vds/(R1+R2)，则Vds＝Vg(R1+R2)/R2，所以引起主开关管Qfb启动的准谐振阈值电压是VQR＝Vth(R1+R2)/R2。也就是说，当主开关管Qfb漏源电压Vds的第一个最小值或谷值(波谷电压)Vds_v降到准谐振阈值电压VQR时，主开关管Qfb启动。当开关管Qfb漏源电压Vds的第一个最小值或谷值Vds_v高于准谐振阈值电压VQR时，主开关管Qfb就不会启动，也就无法实现准谐振工作。
为了实现主开关管Qfb的准谐振开关，需要使用尽可能小的准谐振阈值电压VQR，但又要保证准谐振阈值电压VQR高于漏源电压Vds的第一个最小值或谷值Vds_v。而漏源电压Vds的第一个最小值或谷值Vds_v与输入电压Vin相关，输入电压Vin越高时，波谷电压Vds_v也越高，这会给应用带来相应的问题。例如，在输入电压Vin＝50V时，波谷电压Vds_v＝10V，而在输入电压Vin＝40V，波谷电压Vds_v＝1V。为了达到准谐振开通的最好效果，准谐振阈值电压VQR＝2V就可以实现输入电压Vin＝40V的准谐振开通。但是，由于准谐振阈值电压VQR＝2V小于输入电压Vin＝50V时的波谷电压Vds_v＝10V，因此输入电压Vin＝50V时就无法实现准谐振。
由此可见，现有的准谐振开关技术的一个问题是输入电压的范围有限。对于有较大输入电压范围的逆变器，例如太阳能光伏逆变器，无法实现在整个工作电压范围内的准谐振开关。通常输入电压越高，电压的波谷越高。为实现准谐振，通常使用准谐振检测电路检测主开关管的漏源电压，并实现当漏源电压降到设定的值(即VQR)时，开启主开关管。如果提高这个设定的值来保证高输入电压时波谷电压低于该值，则在低输入电压时，主开关管也在该设定值开启，而不能在它们本可以达到的更低的值再开启，造成了更多的能量损耗，降低了工作效率。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种逆变器的准谐振检测电路及准谐振控制电路，使得主开关管在完全的输入电压范围内都能适用准谐振功能，有效地减少能量损耗、提高工作效率以及降低成本。
为解决上述技术问题，本发明提供一种逆变器的准谐振检测电路，包括：
分压电路，其一端耦接到所述逆变器的主开关管的源极端，另一端与所述主开关管的漏极端一起耦接到一公共接地端，用于根据所述逆变器的输入电压将所述主开关管的源漏电压按比例输出；
第一电压选择开关管，其源极端透过一第三电阻耦接到一高电压端，漏极端耦接到所述分压电路的另一端，栅极端与所述分压电路的电压输出端相耦接，用于根据所述分压电路的输出电压的大小来选择开通或者关断之。
可选地，所述分压电路包括：
第一分压单元，其一端耦接到所述主开关管的源极端；
第二分压单元，其一端与所述第一分压单元的另一端相耦接，另一端与所述主开关管的漏极端一起耦接到所述公共接地端；
其中，所述第一分压单元和第二分压单元中至少一个的阻值是能够根据所述输入电压的大小而改变的，其共同接点耦接到所述第一电压选择开关管的栅极端，用于根据所述输入电压将所述主开关管的源漏电压按比例输出到所述第一电压选择开关管的栅极端。
可选地，所述第二分压单元包括：
第二电压选择开关管，其源极端与所述第一分压单元相耦接，漏极端与所述主开关管的漏极端一起耦接到所述公共接地端；
第四电阻，其一端接收所述逆变器的输入电压；
第五电阻，其一端与所述第四电阻的另一端相耦接，另一端耦接到所述第二电压选择开关管的漏极端；
其中，所述第四电阻和第五电阻的共同接点耦接到所述第二电压选择开关管的栅极端，用于将所述输入电压按比例输出到所述第二电压选择开关管的栅极端。
可选地，所述准谐振检测电路还包括：
稳压管，其跨接在所述第一分压单元和第二分压单元中间的共同接点与所述第二分压单元的另一端之间，用于稳定所述分压电路的输出电压。
可选地，所述第一电压选择开关管或者第二电压选择开关管为NMOS场效应晶体管。
相应地，本发明还提供一种逆变器的准谐振控制电路，包括：
准谐振检测电路，其一端耦接到所述逆变器的主开关管的源极端，另一端与所述主开关管的漏极端一起耦接到一公共接地端，用于根据所述逆变器的输入电压检测是否应该开启所述主开关管的准谐振功能；
主开关管控制电路，跨接在所述准谐振检测电路与所述主开关管的栅极端之间，用于根据所述准谐振检测电路的输出信号控制所述主开关管开通或者关断；
其中，所述准谐振检测电路包括：
分压电路，其一端耦接到所述逆变器的主开关管的源极端，另一端与所述主开关管的漏极端一起耦接到一公共接地端，用于根据所述逆变器的输入电压将所述主开关管的源漏电压按比例输出；
第一电压选择开关管，其源极端透过一第三电阻耦接到一高电压端，漏极端耦接到所述分压电路的另一端，栅极端与所述分压电路的电压输出端相耦接，用于根据所述分压电路的输出电压的大小来选择开通或者关断之。
可选地，所述分压电路包括：
第一分压单元，其一端耦接到所述主开关管的源极端；
第二分压单元，其一端与所述第一分压单元的另一端相耦接，另一端与所述主开关管的漏极端一起耦接到所述公共接地端；
其中，所述第一分压单元和第二分压单元中至少一个的阻值是能够根据所述输入电压的大小而改变的，其共同接点耦接到所述第一电压选择开关管的栅极端，用于根据所述输入电压将所述主开关管的源漏电压按比例输出到所述第一电压选择开关管的栅极端。
可选地，所述第二分压单元包括：
第二电压选择开关管，其源极端与所述第一分压单元相耦接，漏极端与所述主开关管的漏极端一起耦接到所述公共接地端；
第四电阻，其一端接收所述逆变器的输入电压；
第五电阻，其一端与所述第四电阻的另一端相耦接，另一端耦接到所述第二电压选择开关管的漏极端；
其中，所述第四电阻和第五电阻的共同接点耦接到所述第二电压选择开关管的栅极端，用于将所述输入电压按比例输出到所述第二电压选择开关管的栅极端。
可选地，所述准谐振检测电路还包括：
稳压管，其跨接在所述第一分压单元和第二分压单元中间的共同接点与所述第二分压单元的另一端之间，用于稳定所述分压电路的输出电压。
可选地，所述第一电压选择开关管或者第二电压选择开关管为NMOS场效应晶体管。
与现有技术相比，本发明具有以下优点：
本发明将分压电路的元件阻值改成是可变化的，能够由输入电压来控制，使得主开关管能够根据输入电压自动地调节准谐振阈值电压，从而在完全的输入电压范围内主开关管都能适用准谐振功能，有效地减少能量损耗、提高工作效率。
附图说明
本发明的上述的以及其他的特征、性质和优势将通过下面结合附图和实施例的描述而变得更加明显，其中：
图1为现有技术中的一个在两个不同的输入电压下主开关管漏源电压的变化曲线示意图；
图2为现有技术中的一个波谷电压、准谐振阈值电压和输入电压的关系示意图；
图3为现有技术中的一个准谐振控制电路的简单示意图；
图4为本发明一个实施例的逆变器的准谐振控制电路的示意图；
图5为本发明一个实施例的逆变器的主开关管的准谐振开启电压随输入电压的变化曲线示意图。
具体实施方式
下面结合具体实施例和附图对本发明作进一步说明，但不应以此限制本发明的保护范围。
图4为本发明一个实施例的逆变器的准谐振控制电路的示意图。如图所示，该准谐振控制电路400可以包括：
准谐振检测电路402，其一端耦接到逆变器的主开关管Qfb的源极端，另一端与主开关管Qfb的漏极端一起耦接到一公共接地端GND，用于根据逆变器的输入电压Vin检测是否应该开启主开关管Qfb的准谐振功能；
主开关管控制电路401，跨接在准谐振检测电路402与主开关管Qfb的栅极端之间，用于根据准谐振检测电路402的输出信号控制主开关管Qfb开通或者关断；
其中，准谐振检测电路402可以包括：
分压电路403，其一端耦接到逆变器的主开关管Qfb的源极端，另一端与主开关管Qfb的漏极端一起耦接到公共接地端GND，用于根据逆变器的输入电压Vin将主开关管Qfb的源漏电压Vds按比例输出；
第一电压选择开关管Q，例如可以为NMOS场效应晶体管，其源极端透过一第三电阻R3耦接到一高电压端Vcc，漏极端耦接到分压电路403的另一端，栅极端与分压电路403的电压输出端相耦接，用于根据分压电路的输出电压(即第一电压选择开关管Q的栅极电压Vg)的大小来选择开通或者关断之。
在本实施例中，分压电路403可以包括：
第一分压单元404，其一端耦接到主开关管Qfb的源极端；
第二分压单元405，其一端与第一分压单元404的另一端相耦接，另一端与主开关管Qfb的漏极端一起耦接到公共接地端GND；
其中，第一分压单元404和第二分压单元405中至少一个的阻值是能够根据输入电压Vin的大小而改变的，其共同接点耦接到第一电压选择开关管Q的栅极端，用于根据输入电压Vin将主开关管Qfb的源漏电压Vds按比例输出到第一电压选择开关管Q的栅极端。
在本实施例中，第一分压单元404可以为第一电阻R1，第二分压单元405可以包括：
第二电压选择开关管Q2，例如可以为NMOS场效应晶体管，其源极端与第一电阻R1相耦接，漏极端与主开关管Qfb的漏极端一起耦接到公共接地端GND；
第四电阻R4，其一端接收逆变器的输入电压Vin；
第五电阻R5，其一端与第四电阻R4的另一端相耦接，另一端耦接到第二电压选择开关管Q2的漏极端；
其中，第四电阻R4和第五电阻R5的共同接点耦接到第二电压选择开关管Q2的栅极端，用于将输入电压Vin按比例输出到第二电压选择开关管Q2的栅极端，作为第二电压选择开关管Q2的栅极电压Vg2。
在本实施例中，准谐振检测电路403可以还包括：
稳压管D，其跨接在第一分压单元404和第二分压单元405中间的共同接点与第二分压单元405的另一端之间，即跨接在第二电压选择开关管Q2的源极端和漏极端之间，用于稳定分压电路403的输出电压。
在本实施例中，上述第一电压选择开关管Q或者第二电压选择开关管Q2除了可以是MOSFET之外，还可以是其他电压控制可变电阻如JFET，或者是电流控制可变电阻，如三极管BJT，及其他具有类似特性的元件，这可以在本领域技术人员熟知的范围内作任意的改变。
在本发明中，第二电压选择开关管Q2的漏源电阻Rq2由栅极电压Vg2和开启电压Vth2决定，其范围可以从第二电压选择开关管Q2开通时的1欧姆到关断时的几百千欧姆。
在本发明中，可以有：Rq2～A/(Vg2-Vth2-B*Vds2)，其中A、B是第二电压选择开关管Q2的特性参数，Vds2为第二电压选择开关管Q2的源漏电压。
另外，Vg2＝Vin*R5/(R4+R5)，则VQR＝Vth*(R1+Rq2)/Rq2。
由此可见，通过选择合适的R4、R5、Vth2的值，可以实现VQR始终稍高于主开关管Qfb漏源电压Vds的第一个最小值或谷值Vds_v，保证准谐振的正常工作和准谐振开通的最好效果。
图5为本发明一个实施例的逆变器的主开关管的准谐振开启电压随输入电压的变化曲线示意图。如图所示，在输入电压Vin为40V以下时，第二电压选择开关管Q2是关断的，准谐振开启电压VQR保持为2V。此后，准谐振开启电压VQR随输入电压Vin的增加而呈线性增加，在输入电压Vin为50V时VQR为14V。可以看到，准谐振开启电压VQR被设计成在整个输入电压Vin的范围内都比波谷电压Vds_v高，但又尽可能低，以获得准谐振的最好效果。
本发明将分压电路的元件阻值改成是可变化的，能够由输入电压来控制，使得主开关管能够根据输入电压自动地调节准谐振阈值电压，从而在完全的输入电压范围内主开关管都能适用准谐振功能，有效地减少能量损耗、提高工作效率。
本发明虽然以较佳实施例公开如上，但其并不是用来限定本发明，任何本领域技术人员在不脱离本发明的精神和范围内，都可以做出可能的变动和修改，因此本发明的保护范围应当以本发明权利要求所界定的范围为准。

Claims (8)

1.一种逆变器的准谐振检测电路，包括：
分压电路，其一端耦接到所述逆变器的主开关管的源极端，另一端与所述主开关管的漏极端一起耦接到一公共接地端，用于根据所述逆变器的输入电压将所述主开关管的源漏电压按比例输出；
第一电压选择开关管，其源极端透过一第三电阻耦接到一高电压端，漏极端耦接到所述分压电路的另一端，栅极端与所述分压电路的电压输出端相耦接，用于根据所述分压电路的输出电压的大小来选择开通或者关断之；
所述分压电路包括：
第一分压单元，其一端耦接到所述主开关管的源极端；
第二分压单元，其一端与所述第一分压单元的另一端相耦接，另一端与所述主开关管的漏极端一起耦接到所述公共接地端；
其中，所述第一分压单元和第二分压单元中至少一个的阻值是能够根据所述输入电压的大小而改变的，其共同接点耦接到所述第一电压选择开关管的栅极端，用于根据所述输入电压将所述主开关管的源漏电压按比例输出到所述第一电压选择开关管的栅极端。
2.根据权利要求1所述的准谐振检测电路，其特征在于，所述第二分压单元包括：
第二电压选择开关管，其源极端与所述第一分压单元相耦接，漏极端与所述主开关管的漏极端一起耦接到所述公共接地端；
第四电阻，其一端接收所述逆变器的输入电压；
第五电阻，其一端与所述第四电阻的另一端相耦接，另一端耦接到所述第二电压选择开关管的漏极端；
其中，所述第四电阻和第五电阻的共同接点耦接到所述第二电压选择开关管的栅极端，用于将所述输入电压按比例输出到所述第二电压选择开关管的栅极端。
3.根据权利要求1至2中任一项所述的准谐振检测电路，其特征在于，所述准谐振检测电路还包括：
稳压管，其跨接在所述第一分压单元和第二分压单元中间的共同接点与所述第二分压单元的另一端之间，用于稳定所述分压电路的输出电压。
4.根据权利要求1至2中任一项所述的准谐振检测电路，其特征在于，所述第一电压选择开关管或者第二电压选择开关管为NMOS场效应晶体管。
5.一种逆变器的准谐振控制电路，包括：
准谐振检测电路，其一端耦接到所述逆变器的主开关管的源极端，另一端与所述主开关管的漏极端一起耦接到一公共接地端，用于根据所述逆变器的输入电压检测是否应该开启所述主开关管的准谐振功能；
主开关管控制电路，跨接在所述准谐振检测电路与所述主开关管的栅极端之间，用于根据所述准谐振检测电路的输出信号控制所述主开关管开通或者关断；
其中，所述准谐振检测电路包括：
分压电路，其一端耦接到所述逆变器的主开关管的源极端，另一端与所述主开关管的漏极端一起耦接到一公共接地端，用于根据所述逆变器的输入电压将所述主开关管的源漏电压按比例输出；
第一电压选择开关管，其源极端透过一第三电阻耦接到一高电压端，漏极端耦接到所述分压电路的另一端，栅极端与所述分压电路的电压输出端相耦接，用于根据所述分压电路的输出电压的大小来选择开通或者关断之；
所述分压电路包括：
第一分压单元，其一端耦接到所述主开关管的源极端；
第二分压单元，其一端与所述第一分压单元的另一端相耦接，另一端与所述主开关管的漏极端一起耦接到所述公共接地端；
其中，所述第一分压单元和第二分压单元中至少一个的阻值是能够根据所述输入电压的大小而改变的，其共同接点耦接到所述第一电压选择开关管的栅极端，用于根据所述输入电压将所述主开关管的源漏电压按比例输出到所述第一电压选择开关管的栅极端。
6.根据权利要求5所述的准谐振控制电路，其特征在于，所述第二分压单元包括：
第二电压选择开关管，其源极端与所述第一分压单元相耦接，漏极端与所述主开关管的漏极端一起耦接到所述公共接地端；
第四电阻，其一端接收所述逆变器的输入电压；
第五电阻，其一端与所述第四电阻的另一端相耦接，另一端耦接到所述第二电压选择开关管的漏极端；
其中，所述第四电阻和第五电阻的共同接点耦接到所述第二电压选择开关管的栅极端，用于将所述输入电压按比例输出到所述第二电压选择开关管的栅极端。
7.根据权利要求5至6中任一项所述的准谐振控制电路，其特征在于，所述准谐振检测电路还包括：
稳压管，其跨接在所述第一分压单元和第二分压单元中间的共同接点与所述第二分压单元的另一端之间，用于稳定所述分压电路的输出电压。
8.根据权利要求5至6中任一项所述的准谐振控制电路，其特征在于，所述第一电压选择开关管或者第二电压选择开关管为NMOS场效应晶体管。
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