CN103780065B - 一种软关断电源变换器 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种软关断电源变换器，包括连接在输入电源与输出电源之间的变压器，变压器的初级绕组与输入电源负端串联一电路控制开关，电路控制开关由PWM控制电路的输出信号控制通断，变压器的初级绕组与输入电源负端之间还连接一条由第二电容、整流二极管和第一电容依次串联的支路，还通过软关断控制电路控制电压控制开关，本发明解决了开关因硬关断带来的损耗大的问题，实现软关断，降低了开关损耗，提高了效率，同时还解决了控制电路工作时的供电问题以及开关的关断尖峰电压的吸收问题，使得电源变换器无需再设置供电电路以及吸收电路，简化了电路结构。

Description

一种软关断电源变换器

技术领域

本发明涉及电子电路的控制技术领域，特别是涉及一种控制功率开关实现软关断的电源变换器。

背景技术

目前，在单端电源变换器中，因变压器存在漏感，电源变换器中的开关管关断时在开关管两端会产生很高的反向电压尖峰，有可能超过开关管的耐压而使开关管损坏，并且单端电源变换器为了提高转换效率，必须使开关管实现软开关才能降低开关损耗。

已知的准谐振QR模式的单端电源变换器只能实现零电压开通，开关管仍然是硬关断，关断损耗比较大，电源变换器转换效率低，而且变压器漏感储能仍然需要采用常用的如附图图4所示一种具有吸收功能的RCD吸收电路结构图来吸收，漏感储能转储到电容C中并由电阻R消耗掉一部分，而电能也被毫无益处的浪费。

现有的降低开关管的关断损耗的电路主要有有源钳位电路和附图3所示一种具有吸收和软关断功能的RCD吸收电路，有源钳位技术可以大大降低开关管的关断电压尖峰，使得开关管的关断时的电压和电流乘积减小，从而使关断损耗降低一些，但开关管的软关断效果不明显，开关管的关断损耗无法更进一步降低；图3所示RCD吸收电路中，开关管关断期内，电源电压和漏感尖峰电压叠加在一起经二极管D和变压器的初级绕组给电容C充电，电容C两端电压缓慢上升，此时，开关管关断过程中电流是急剧下降的，从而使电压和电流的重叠区域很小，即功率损耗小，开关管是软关断的，在开关管导通期内，电容C的储能经电阻R和开关管放电，电能在电阻R上消耗掉一部分，使电容C的端电压下降，为电容C在下一周期内吸收漏感储能做准备，这种模式下电能仍然被毫无益处的浪费，甚至电阻消耗掉的电能比开关管因软关断而节约的电能要多得多，在提倡节能的今天，使这种电路失去使用价值。

并且目前的电源变换器中的控制电路需要外部供电才能工作，一般采用另外的独立小电源、待机电源来供电，或者在变压器中设置供电绕组来提供辅助供电，使得电源比较复杂，浪费电子材料，成本高。

发明内容

有鉴于此，本发明要解决的技术问题是提供一种开关损耗低、效率高、电路简单的软关断电源变换器。

为解决上述技术问题，本发明提供的技术方案是：一种软关断电源变换器，包括连接在输入电源与输出电源之间的变压器，变压器的初级绕组与输入电源负端串联一电路控制开关，所述电路控制开关由一PWM控制电路的输出信号控制通断，还包括一软关断控制电路及其所控制的电压控制开关，所述电压控制开关一端连接整流二极管的正极，另一端连接输入电源负端；所述变压器的初级绕组与输入电源负端之间还连接一条由第二电容、整流二极管和第一电容依次串联的支路，所述的第一电容和第二电容在电路控制开关关断期内充电，为PWM控制电路和软关断控制电路提供工作电压，同时使电路控制开关软关断以及抑制电路控制开关两端的反向电压尖峰;

所述软关断控制电路包括依次连接的将第一电容两端经第三电阻和第四电阻分压后的电压值和基准电压比较并输出放大后的误差电压值的第一比较器、将来自一斜坡产生电路产生的斜坡电压与所述误差电压值比较并输出窄脉冲的第二比较器，所述斜坡产生电路的输入端信号为PWM控制电路的输出信号，所述窄脉冲经过一第一反相器和一第二反相器后输出至所述电压控制开关的控制端，并快速控制电压控制开关导通和关闭；软关断控制电路根据第三电阻和第四电阻检测的第一电容的电压来控制在电路控制开关导通期间内电压控制开关的导通时间，和电压控制开关串联的第二电容在电路控制开关关断期内所充电荷被泄放一部分，恢复电路控制开关在下一个开关周期的软关断功能。。

所述输入电源正端通过第一电阻连接第一电容与整流二极管的连接点，为PWM控制电路和软关断控制电路提供初始启动的工作电流。

所述电压控制开关由第一场效应管和第二场效应管以及第五电阻组成，所述第一场效应管的栅极和第二场效应管的栅极以及第五电阻的一端连接于第二反相器的输出端，第一场效应管的源极和第二场效应管(34)的源极以及第五电阻的另一端连接于第二反相器的电源地端，所述第一场效应管的漏极连接第二电容与整流二极管的结点，第二场效应管的漏极连接软关断控制电路的电源地端。

电路控制开关的一端通过第二电阻接地，所述PWM控制电路通过电流检测输入端和驱动输出端与电路控制开关电连接，同时通过FB输入端输入输出电压误差反馈信号。

斜坡产生电路的输入端输入的脉冲信号是和电路控制开关的驱动波形同步的脉冲序列。

所述的电路控制开关是晶体三极管和场效应管以及绝缘栅双极晶体管其中任何一种组成。

与现有技术相比，本发明具有如下优点：

本发明提供一种软关断电源变换器，采用PWM控制电路控制开关的关断和通过软关断控制电路控制电压控制开关，以及第一电容和整流二极管、第二电容的串联支路对电路电压的调节作用，解决了开关因硬关断带来的损耗大的问题，实现软关断，降低了开关损耗，提高了效率，同时还解决了控制电路工作时的供电问题以及开关的关断尖峰电压的吸收问题，使得电源变换器无需再设置供电电路以及吸收电路，简化了电路结构。

附图说明

图1是本发明的一种实施方式的电路结构框图；

图2是本发明中软关断控制电路的具体实施电路结构框图；

图3是已知的一种具有吸收和软关断功能的RCD吸收电路结构图；

图4是已知的一种具有吸收功能的RCD吸收电路结构图。

具体实施方式

为了便于本领域技术人员理解，下面将结合附图以及实施例对本发明进行进一步详细描述。

实施例1

如图1、2所示，一种软关断电源变换器，包括第一电容7、第二电容11、整流二极管10、电路控制开关3、电压控制开关9、软关断控制电路8、第一电阻1、第二电阻4、第三电阻5、第四电阻6、PWM控制电路2、变压器12、输入电源正端和负端。所述的输入电源的正端和第一电阻1的一端以及变压器12的初级绕组13一端电连接；第二电容11的一端和变压器12的初级绕组13另一端以及电路控制开关3的一端21电连接，第二电容11的另一端和整流二极管10阳极以及电压控制开关9的另一端31电连接；第一电容7的正端分别和第一电阻1的另一端、PWM控制电路2的电源正端15、软关断控制电路8的电源正端23、整流二极管10的阴极以及第三电阻5的一端电连接，第一电容7的负端分别和输入电源的负端、PWM控制电路2的电源地端18、软关断控制电路8的电源地端26、电压控制开关9的一端32、第二电阻4的一端以及第四电阻6的一端电连接，第三电阻5的另一端和第四电阻6的另一端以及软关断控制电路8的输入端25电连接；软关断控制电路8的控制信号输出端27和电压控制开关9的控制端29电连接，软关断控制电路8的控制信号输出地端28和电压控制开关9的中点30电连接；电路控制开关3的另一端22和第二电阻4的另一端以及PWM控制电路2的电流检测输入端19电连接，电路控制开关3的控制端20和PWM控制电路2的驱动输出端17电连接；PWM控制电路2的信号输出端16和软关断控制电路8的输入端24电连接；PWM控制电路2的14端连接FB端是输出电压误差反馈信号输入端。

所述的软关断控制电路8至少包括第二比较器38、第一比较器39、第二反相器36、第一反相器37以及斜坡产生电路40；所述的电压控制开关9由场效应管33和场效应管34以及电阻35组成。软关断控制电路8的电源正端23分别和第二比较器38的电源正端50、第一比较器39的电源正端44、第二反相器36的电源正端58、第一反相器37的电源正端55以及斜坡产生电路40电源正端42电连接，软关断控制电路8的电源地端26分别和第二比较器38的电源地端52、第一比较器39的电源地端45、第一反相器37的电源地端54、斜坡产生电路40电源地端43以及场效应管34的漏极端32电连接；第一比较器39的一个输入端即为软关断控制电路8的输入端25，第一比较器39的另一个输入端和基准电压Vref电连接；斜坡产生电路40的输入端即为软关断控制电路8的输入端24，斜坡产生电路40的输出端41和第二比较器38的一个输入端49电连接，第二比较器38的另一个输入端48和第一比较器39的输出端47电连接，第二比较器38的输出端51和第一反相器37的输入端53电连接；第一反相器37的输出端56和第二反相器36的输入端57电连接，第二反相器36的输出端即为软关断控制电路8的控制信号输出端27，第二反相器36的输出地端即为软关断控制电路8的输出地端28；场效应管33的栅极和场效应管34的栅极以及电阻35的一端的连接点即为电压控制开关9控制端29，场效应管33的源极和场效应管34的源极以及电阻35的另一端的连接点即为电压控制开关9的中点30。

其中开关3是晶体三极管和场效应管以及绝缘栅双极晶体管其中任何一种组成。

电路工作时，在图1所示本发明的软关断的电源变换器的电路结构框图中，第一电阻1提供PWM控制电路2和软关断控制电路8的初始启动工作电流；在电路控制开关3关断期内，输入电源电压加上变压器漏感储能产生的反向电压经第二电容11和变压器12初级绕组以及整流二极管10给第一电容7充电，第一电容7的电压作为PWM控制电路2和软关断控制电路8的工作电压，漏感储能的一部分转化为PWM控制电路2和软关断控制电路8的工作电能，同时，电路控制开关3因漏感储能产生的反向尖峰电压也将被第一电容7和第二电容11吸收，电路控制开关3两端的反向电压尖峰得到抑制；在电路控制开关3导通期内，电压控制开关9导通一小段时间，导通时间将根据软关断控制电路8经第三电阻5和第四电阻6检测到的第一电容7的电压来确定，使得第二电容11储存的电荷经电路控制开关3和电压控制开关9泄放一部分，第二电容11两端电压将下降，当电路控制开关3再次关断时，第二电容11和整流二极管10以及第一电容7的串联支路的两端电压不能突变，第二电容11两端电压只能缓慢上升，致使电路控制开关3两端电压也就缓慢上升，实现开关的软关断目的。电压控制开关9导通时间是受第一电容7的电压来确定的，因此，电路控制开关3和电压控制开关9以及第二电容11的放电回路消耗的能量是和第一电容7所提供给PWM控制电路2和软关断控制电路8的工作电能是相关的，第一电容7消耗的电能少，则第一电容7两端电压将略有上升，经软关断控制电路8处理后使电压控制开关9导通时间减少，电路控制开关3和电压控制开关9以及第二电容11的放电回路消耗的能量也将减少，在现有技术情况下，一般电源变换器的控制电路消耗的电能在几十毫瓦的水平，因此，电路控制开关3和电压控制开关9以及第二电容11的放电回路消耗的能量也维持在几十毫瓦的水平，实现了低损耗的漏感储能吸收功能。

在图1所示本发明的软关断的电源变换器的电路结构框图其中的软关断控制电路8和电压控制开关9的一种比较具体的电路结构框图如图2所示，软关断控制电路8至少包括第二比较器38、第一比较器39、第二反相器36、第一反相器37以及斜坡产生电路40；所述的电压控制开关9由场效应管33和场效应管34以及电阻35组成。其中，第一比较器39的输入端25输入的是图1所示第一电容7两端电压经第三电阻5和第四电阻6分压后的电压值，和第一比较器39的另一输入端46的基准电压Vref比较，在第一比较器39的输出端47输出放大后的误差电压值并输入到第二比较器38的输入端48；斜坡产生电路40的输入端24输入的是PWM控制电路2的输出端16输出的和驱动电路控制开关3的驱动波形同步的脉冲序列，经斜坡产生电路40处理后在输出端41生成前沿缓后沿陡且与电路控制开关3的驱动脉冲同频的斜坡电压，斜坡电压的脉冲宽度也与电路控制开关3的驱动脉冲相同，此斜坡电压输入到第二比较器38的输入端49和第二比较器38的输入端48的误差电压值比较，在第二比较器38的输出端51将输出窄脉冲，脉冲宽度与第一电容7两端电压相关，当第一电容7两端电压因PWM控制电路2和软关断控制电路8工作电流大而下降时，第一比较器39的输出端47输出放大后的误差电压值升高，则第二比较器38的输出端脉冲变宽，当第一电容7两端电压因负载变轻而上升时，第一比较器39的输出端47输出放大后的误差电压值降低，则第二比较器38的输出端51输出脉冲变窄。第二比较器38的输出端51输出脉冲输出至第一反相器37的输入端53，第一反相器37的输出端56输出脉冲输出至第二反相器36的输入端57，第二反相器36的输出端27输出脉冲输出至电压控制开关9的控制端29，控制电压控制开关9导通一小段时间后关闭。第二反相器36除了具有倒相驱动功能外，还具有电平移位功能，当第二反相器36的输出端27输出正脉冲时，电压控制开关9内部的场效应管34的体内寄生二极管将导通，在电阻35两端及场效应管33和场效应管34的栅源极之间得到正向驱动电压，第二反相器36的电源地直接连接到电压控制开关9内部的场效应管33和场效应管34的连接中点，第二反相器36的电源地端相比软关断控制电路8的电源地被升高了一个二极管的正向导通电压，地电平被移位，使得第二反相器36能够快速控制电压控制开关9导通和关闭。

以上为本发明的其中具体实现方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些显而易见的替换形式均属于本发明的保护范围。

Claims (6)

1.一种软关断电源变换器，包括连接在输入电源与输出电源之间的变压器（12），变压器（12）的初级绕组与输入电源负端串联一电路控制开关（3），所述电路控制开关（3）由一PWM控制电路（2）的输出信号控制通断，其特征在于：还包括一软关断控制电路（8）及其所控制的电压控制开关（9），所述电压控制开关（9）一端连接整流二极管（10）的正极，另一端连接输入电源负端；所述变压器（12）的初级绕组与输入电源负端之间还连接一条由第二电容（11）、整流二极管（10）和第一电容（7）依次串联的支路，所述的第一电容（7）和第二电容（11）在电路控制开关（3）关断期内充电，为PWM控制电路（2）和软关断控制电路（8）提供工作电压，同时使电路控制开关（3）软关断以及抑制电路控制开关（3）两端的反向电压尖峰;

所述软关断控制电路（8）包括依次连接的将第一电容（7）两端经第三电阻（5）和第四电阻（6）分压后的电压值和基准电压比较并输出放大后的误差电压值的第一比较器（39）、将来自一斜坡产生电路（40）产生的斜坡电压与所述误差电压值比较并输出窄脉冲的第二比较器（38），所述斜坡产生电路（40）的输入端信号为PWM控制电路（2）的输出信号，所述窄脉冲经过一第一反相器（37）和一第二反相器（36）后输出至所述电压控制开关（9）的控制端，并快速控制电压控制开关（9）导通和关闭；软关断控制电路（8）根据第三电阻（5）和第四电阻（6）检测的第一电容(7)的电压来控制在电路控制开关（3）导通期间内电压控制开关（9）的导通时间，和电压控制开关（9）串联的第二电容（11）在电路控制开关（3）关断期内所充电荷被泄放一部分，恢复电路控制开关（3）在下一个开关周期的软关断功能。

2.根据权利要求1所述的软关断电源变换器，其特征在于：所述输入电源正端通过第一电阻（1）连接第一电容（7）与整流二极管（10）的连接点，为PWM控制电路（2）和软关断控制电路（8）提供初始启动的工作电流。

3.根据权利要求1所述的软关断电源变换器，其特征在于：所述电压控制开关（9）由第一场效应管（33）和第二场效应管（34）以及第五电阻（35）组成，所述第一场效应管（33）的栅极和第二场效应管（34）的栅极以及第五电阻（35）的一端连接于第二反相器（36）的输出端，第一场效应管（33）的源极和第二场效应管(34)的源极以及第五电阻(35)的另一端连接于第二反相器（36）的电源地端（28），所述第一场效应管（33）的漏极连接第二电容（11）与整流二极管（10）的结点，第二场效应管（34）的漏极连接软关断控制电路（8）的电源地端。

4.根据权利要求1所述的软关断电源变换器，其特征在于：电路控制开关(3)的一端通过第二电阻（4）接地，所述PWM控制电路（2）通过电流检测输入端（19）和驱动输出端（17）与电路控制开关（3）电连接，同时通过FB输入端输入输出电压误差反馈信号。

5.根据权利要求1所述的软关断电源变换器，其特征在于：斜坡产生电路（40）的输入端（24）输入的脉冲信号是和电路控制开关（3）的驱动波形同步的脉冲序列。

6.根据权利要求5所述的软关断电源变换器，其特征在于：所述的电路控制开关（3）是晶体三极管和场效应管以及绝缘栅双极晶体管其中任何一种组成。