CN106230263B - 一种正激式零电压开关电源变换器 - Google Patents

一种正激式零电压开关电源变换器 Download PDF

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Abstract

本发明的一种正激式零电压开关电源变换器，所述电源变换器包括：开关管Q1；与开关管Q1的基极连接的变压器T1；与开关管Q1的发射极连接的PFM控制器；与所述变压器T1连接的正向整流二极管D1、续流二极管D2、整流二极管D3、谐振电容Cr、储能电感L1、滤波电容C1和滤波电容C2；与所述PFM控制器连接的电阻R1、电阻R2、电阻R3、电阻R4、电阻R5、电阻R6；与所述PFM控制器连接的光电耦合器OP1、输入电源E+端和输入电源E‑端以及输出VO1+端输出VO1‑端。本发明解决了正激式电源变换器中的开关管和二极管因硬开关带来的损耗大的问题，降低了开关损耗，提高了效率。

Description

一种正激式零电压开关电源变换器
技术领域
本发明涉及电子电路的控制技术领域，特别是涉及一种正激式零电压开关电源变换器。
背景技术
目前，在现有的单端正激式电源变换器中，如图1所示的现有的单端正激式电源变换器的基本电路中，初级侧的开关管Q2和次级侧的整流二极管D5、D6是硬开通和硬关断，开关损耗大，效率低；正激式电源变换器中的变压器存在漏感，初级侧的开关管和次级侧的整流二极管关断时在开关管和二极管的两端会产生很高的反向电压尖峰，有可能超过开关管和二极管的耐压而使开关管和二极管损坏，开关管两端的电压波形如图5所示，反向电压幅值比较高，易损坏开关管Q2，因此，必须采取措施来抑制；正激式电源变换器中的变压器是单向励磁，在第二个开关周期开始前，变压器的磁芯必须消磁，使磁芯复位，正激式电源变换器才能可靠工作，而次级绕组NS感生反向电流因正向整流二极管D5的反偏而无法流通，变压器T2的磁芯不能消磁；必须采用其他的消磁方式来消磁。
在正激式电源变换器中，为了改善功率开关的硬开关特性，一般会增加辅助开关及其控制电路，虽然功率开关可以实现软开关，但电路复杂，成本高；为了降低初级侧的开关管和次级侧的整流二极管关断时在开关管和二极管的两端产生的反向电压尖峰，一般采用双管正激式电路、有源钳位正激式电路，RCD钳位或钳位绕组钳位等电路来降低反向电压尖峰，这几种电路要么控制电路复杂，器件多，成本高，要么对反向电压尖峰的抑制效果不佳，同时功率损耗大，使效率降低。
综上所述的几种正激式电源变换器的反向电压尖峰吸收电路和软开关电路都存在不足，因此，必须发明另外的电路来克服以上不足。
发明内容
本发明的目的是：解决正激式电源变换器中的开关管和二极管因硬开关带来的损耗大的问题，降低了开关损耗，提高了效率；解决正激式电源变换器中变压器磁芯消磁复位的问题，使正激式电源变换器能可靠稳定的长时间工作；降低初级侧的开关管和次级侧的整流二极管关断时开关管和二极管两端的反向电压尖峰，使得正激式电源变换器可靠性提高，同时又不会使正激式电源变换器的电路变得更复杂，使成本降低。
一种正激式零电压开关电源变换器，所述电源变换器包括：
开关管Q1；
与开关管Q1的漏极连接的变压器T1；
与开关管Q1的源极连接的电阻R2和电阻R4；
与开关管Q1的栅极连接的电阻R3；
与所述电阻R2和电阻R3以及电阻R3连接的PFM控制器；
与所述变压器T1连接的正向整流二极管D1、续流二极管D2、谐振电容Cr、储能电感L1、滤波电容C1、输入电源E+端和输出VO1-端；
与所述PFM控制器连接的电阻R1、电阻R5、电阻R6、整流二极管D3、储能电感L1和输入电源E-端；
与所述PFM控制器连接的光电耦合器OP1；
与所述储能电感L1和滤波电容C1连接的输出VO1+端。
在其中一个实施例中，所述的PFM控制器至少包括接地端、开关脉冲输出端、开关电流检测端、谐振谷底检测端、电源端。
在其中一个实施例中，所述的PFM控制器还可以包括输出稳压信号反馈输入6端。
在其中一个实施例中，所述的变压器T1至少包括初级绕组NP和次级绕组NS。
在其中一个实施例中，所述的储能电感L1包括储能绕组LP和消磁检测绕组LS。
在其中一个实施例中，所述的PFM控制器为一导通时间接近于固定调节关断时间的可变频调节模式的PFM控制器。
在其中一个实施例中，所述正激式零电压开关电源变换器的次级侧的正向整流二极管两端并联谐振电容，谐振电容和变压器次级绕组电感经串联的续流二极管形成谐振回路而谐振，次级绕组的感生反向电压使磁芯反向磁化而消磁。
在其中一个实施例中，正激式零电压开关电源变换器的次级侧的储能电感的绕组耦合消磁检测绕组，消磁检测绕组的与储能电感的绕组电压相反的电压经整流滤波后为正激式零电压开关电源变换器的PFM控制器供电，同时还经电阻分压降压后将消磁过程中的振铃波谷底信号供给PFM控制器的谐振谷底检测输入端，使开关管可以在振铃波谷底开通，开关管属于零电压开通。
有益效果：
一种正激式零电压开关电源变换器，所述电源变换器包括：开关管Q1；与开关管Q1的基极连接的变压器T1；与开关管Q1的发射极连接的PFM控制器；与所述变压器T1连接的正向整流二极管D1、续流二极管D2、整流二极管D3、谐振电容Cr、储能电感L1、滤波电容C1和滤波电容C2；与所述PFM控制器连接的电阻R1、电阻R2、电阻R3、电阻R4、电阻R5、电阻R6；与所述PFM控制器连接的光电耦合器OP1、输入电源E+端和输入电源E-端以及输出VO1+端输出VO1-端。本发明解决了正激式电源变换器中的开关管和二极管因硬开关带来的损耗大的问题，降低了开关损耗，提高了效率；解决正激式电源变换器中变压器磁芯消磁复位的问题，使正激式电源变换器能可靠稳定的长时间工作；降低初级侧的开关管和次级侧的整流二极管关断时开关管和二极管两端的反向电压尖峰，使得正激式电源变换器可靠性提高，同时又不会使正激式电源变换器的电路变得更复杂，使成本降低。
附图说明
图1是现有的单端正激式电源变换器的基本电路图；
图2是本发明正激式零电压开关电源变换器的一种具体实施电路图；
图3是本发明正激式零电压开关电源变换器的另一种具体实施电路图；
图4是本发明正激式零电压开关电源变换器的第三种具体实施电路图；
图5是现有的单端正激式电源变换器的开关管两端的电压波形；
图6是本发明正激式零电压开关电源变换器的开关管两端的电压波形。
具体实施方式
为了便于本领域的技术人员理解，下面结合具体实施例及附图对本发明的技术方案作进一步的详细说明。
在此公开详细的示范实施例。此处公开的具体结构和功能细节仅仅是为了描述示范实施例的目的,可以在许多替换形式中实现示范实施例，并且不应将其看作仅限于在此阐明的示范实施例。
然而，应该理解，不旨在限于公开的具体示范实施例，而是相反地，示范实施例将覆盖落入本公开的范围内的所有修改、等同物和替换物。遍及附图的描述，相似的标号涉及相似的元件。
请参照图1-图6，一种正激式零电压开关电源变换器，所述电源变换器包括：
开关管Q1；
与开关管Q1的漏极连接的变压器T1；
与开关管Q1的源极连接的电阻R2和电阻R4；
与开关管Q1的栅极连接的电阻R3；
与所述电阻R2和电阻R3以及电阻R3连接的PFM控制器；
与所述变压器T1连接的正向整流二极管D1、续流二极管D2、谐振电容Cr、储能电感L1、滤波电容C1、输入电源E+端和输出VO1-端；
与所述PFM控制器连接的电阻R1、电阻R5、电阻R6、整流二极管D3、储能电感L1和输入电源E-端；
与所述PFM控制器连接的光电耦合器OP1；
与所述储能电感L1和滤波电容C1连接的输出VO1+端。
在其中一个实施例中，所述的PFM控制器至少包括接地端、开关脉冲输出端、开关电流检测端、谐振谷底检测端、电源端。
在其中一个实施例中，所述的PFM控制器还可以包括输出稳压信号反馈输入端。
在其中一个实施例中，所述的变压器T1至少包括初级绕组NP和次级绕组NS。
在其中一个实施例中，所述的储能电感L1包括储能绕组LP和消磁检测绕组LS。
在其中一个实施例中，所述的PFM控制器为一导通时间接近于固定调节关断时间的可变频调节模式的PFM控制器。
在其中一个实施例中，所述正激式零电压开关电源变换器的次级侧的正向整流二极管两端并联谐振电容，谐振电容和变压器次级绕组电感经串联的续流二极管形成谐振回路而谐振，次级绕组的感生反向电压使磁芯反向磁化而消磁。
在其中一个实施例中，正激式零电压开关电源变换器的次级侧的储能电感的绕组耦合消磁检测绕组，消磁检测绕组的与储能电感的绕组电压相反的电压经整流滤波后为正激式零电压开关电源变换器的PFM控制器供电，同时还经电阻分压降压后将消磁过程中的振铃波谷底信号供给PFM控制器的谐振谷底检测输入端，使开关管可以在振铃波谷底开通，开关管属于零电压开通。
为了解决如背景技术部分所述技术问题，本发明的一种具体实施电路如图2所示，一种正激式零电压开关电源变换器，至少包括开关管Q1、变压器T1、PFM控制器、正向整流二极管D1、续流二极管D2、整流二极管D3、谐振电容Cr、储能电感L1、滤波电容C1、滤波电容C2、电阻R1、电阻R2、电阻R3、电阻R4、电阻R5、电阻R6、光电耦合器OP1、输入电源E+端和输入电源E-端以及输出VO1+端输出VO1-端。所述的PFM控制器至少包括电源端5、接地端1、开关脉冲输出端2、开关电流检测端3、谐振谷底检测端4，还可以包括输出稳压信号反馈输入6端，所述的变压器T1至少包括初级绕组NP和次级绕组NS；所述的储能电感L1包括储能绕组LP和消磁检测绕组LS；所述的PFM控制器的控制模式是导通时间固定调节关断时间的可变频调节模式；所述的光电耦合器OP1的光敏管用于接收光电耦合器OP1的发光管耦合过来的输出电压稳定控制信号。
所述的谐振电容Cr和正向整流二极管D1并联，当正激式开关电源变换器初级侧的开关管Q1关断时，次级绕组NS感生反向电压可以经谐振电容Cr和次级绕组NS以及续流二极管D2组成的谐振支路谐振变化，使变压器T1的磁芯反向磁化而消磁，使磁芯复位；在开关管Q1关断前，谐振电容Cr的电压已经由次级绕组NS、储能绕组LP、电容C1并联的等效负载组成的串联回路放电至比较低的电压点，次级绕组NS感生的反向电压经续流二极管D2向Cr充电，次级绕组NS感生的反向电压将从一个比较低的电压点按正弦规律谐振变化，因此，初级绕组NP的感生的反向电压也将从一个比较低的电压点呈半波正弦波谐振变化，开关管两端的电压波形如图6所示，开关管Q1将近似零电压关断，正向整流二极管D1也是近似零电压关断，使开关管和二极管的关断损耗降低，提高了正激式电源变换器的效率，而且这个半波正弦波的幅度可以低于输入电源电压的一半，起到了降低开关管的电压应力的作用，无需增加额外的吸收或钳位电路来降低开关管的电压应力，简化了正激式开关电源变换器电路，降低了成本。
所述的储能绕组LP磁耦合一个消磁检测绕组LS，消磁检测绕组LS相对储能绕组LP的同铭端3端接输入电源E-端（输入电源地），消磁检测绕组LS的方向电压一路经二极管D3整流和C2滤波后为PFM控制器供电，另一路经电阻R5和R6分压后将储能电感消磁过程中的振铃波谷底信号给PFM控制器，PFM控制器使开关管在振铃波谷底开通，开关管属于零电压开通，续流二极管是零电压关断，因而降低了开关管导通损耗以及续流二极管关断损耗，提高了正激式开关电源变换器的转换效率。
本发明的另一种具体实施电路如图3所示，将上述图2所示电路中的正向整流二极管D1阴极改接次级绕组NS的异铭端3端，D1阳极改接输出VO1-端，次级绕组NS的同铭端4端改为和续流二极管D2的阴极和储能绕组LP的同铭端1端相连接，谐振电容Cr仍然和正向整流二极管D1并联，电路功能和图2所示电路功能一致。
本发明的第三种具体实施电路如图4所示，将上述图2所示电路中的光电耦合器OP1和PFM控制器的输出稳压信号反馈输入6端去掉，输出电压稳定控制信号改由电阻R5和R6分压后得到，从PFM控制器的谐振谷底检测端4输入，经PFM控制器处理后控制PFM控制器占空比，实现输出电压稳定，进一步简化正激式零电压开关电源变换器的电路，使成本降低。
需要说明的是，上述实施方式仅为本发明较佳的实施方案，不能将其理解为对本发明保护范围的限制，在未脱离本发明构思前提下，对本发明所做的任何微小变化与修饰均属于本发明的保护范围。

Claims (5)

1.一种正激式零电压开关电源变换器，其特征在于，所述电源变换器包括：
开关管Q1；
与开关管Q1的漏极连接的变压器T1，所述的变压器T1至少包括初级绕组NP和次级绕组NS；
与开关管Q1的源极连接的电阻R2和电阻R4；
与开关管Q1的栅极连接的电阻R3；
与所述电阻R2和电阻R3以及电阻R4连接的PFM控制器，所述PFM控制器包括电源端5、接地端1、开关脉冲输出端2、开端电流检测端3、谐振谷底检测端4；
与所述变压器T1连接的正向整流二极管D1、续流二极管D2、谐振电容Cr、储能电感L1、滤波电容C1、输入电源E+端和输出VO1-端，所述的储能电感L1包括储能绕组LP和消磁检测绕组LS；
与所述PFM控制器连接的电阻R1、电阻R5、电阻R6、整流二极管D3、储能电感L1和输入电源E-端； 其中，电阻R5、电阻R6与PFM控制器的谐振谷底检测端4连接；
其中，所述的谐振电容Cr和正向整流二极管D1并联，次级绕组NS与谐振电容Cr以及续流二极管D2连接，谐振电容Cr与储能绕组LP和滤波电容C1连接，滤波电容C1和输出VO1-端连接；
所述的储能绕组LP磁耦合一个消磁检测绕组LS，消磁检测绕组LS与输入电源E-端连接，消磁检测绕组LS与整流二极管D3连接；
与所述PFM控制器连接的光电耦合器OP1；
与所述储能电感L1和滤波电容C1连接的输出VO1+端。
2. 根据权利要求1所述的一种正激式零电压开关电源变换器，其特征在于，所述的PFM控制器还包括输出稳压信号反馈输入端。
3. 根据权利要求1所述的一种正激式零电压开关电源变换器，其特征在于，所述的PFM控制器为一导通时间接近于固定调节关断时间的可变频调节模式的PFM控制器。
4. 根据权利要求1所述的一种正激式零电压开关电源变换器，其特征在于，所述正激式 零电压开关电源变换器的次级侧的正向整流二极管两端并联谐振电容，谐振电容和变压器 次级绕组电感经串联的续流二极管形成谐振回路而谐振，次级绕组的感生反向电压使磁芯 反向磁化而消磁。
5. 根据权利要求1所述的一种正激式零电压开关电源变换器，其特征在于，正激式零电 压开关电源变换器的次级侧的储能电感的绕组耦合消磁检测绕组，消磁检测绕组的与储能 电感的绕组电压相反的电压经整流滤波后为正激式零电压开关电源变换器的PFM控制器供 电，同时还经电阻分压降压后将消磁过程中的振铃波谷底信号供给PFM控制器的谐振谷底 检测输入端，使开关管可以在振铃波谷底开通，开关管属于零电压开通。
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