CN109391129A - 有源箝位变换*** - Google Patents

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Abstract

本申请公开了一种有源箝位变换***，该变换***包括：有源箝位变换电路、检测电路以及控制电路，有源箝位变换电路包括依次串联连接的谐振电感、变压器以及主开关元件；检测电路的检测端连接有源箝位变换电路，用于检测通过谐振电感的电流；控制电路的输入端连接于检测电路且其第一输出端与主开关元件的控制端连接，用于接收检测电路输出的谐振电感的电流，并在电流满足第一预设电流条件时，控制主开关元件导通，以使主开关元件零电压开通；其中，第一预设电流条件为电流在第一预设范围内。通过上述方式，本申请能够使有源箝位变换电路易于控制。

Description

有源箝位变换***
技术领域
本申请涉及电子技术领域，特别是涉及一种有源箝位变换***。
背景技术
有源箝位变换电路由于具有电路拓扑简洁、输入输出电气隔离、电压升/降范围宽、易于多路输出等优点，因而广泛用于中小功率变换场合。
当前市面上的充电器大多采用正激拓扑或者反激拓扑实现，现有的有源箝位正激拓扑或者有源箝位反激拓扑中的控制难度大。
发明内容
本申请主要解决的技术问题是提供一种有源箝位变换***，能够使有源箝位变换电路易于控制。
为解决上述技术问题，本申请采用的一个技术方案是：提供一种有源箝位变换***，该变换***包括：有源箝位变换电路、检测电路以及控制电路，有源箝位变换电路包括依次串联连接的谐振电感、变压器以及主开关元件；检测电路的检测端连接有源箝位变换电路，用于检测通过谐振电感的电流；控制电路的输入端连接于检测电路且其第一输出端与主开关元件的控制端连接，用于接收检测电路输出的谐振电感的电流，并在电流满足第一预设电流条件时，控制主开关元件导通，以使主开关元件零电压开通；其中，第一预设电流条件为电流在第一预设范围内。
本申请的有益效果是：区别于现有技术的情况，由于本申请的有源箝位变换***包括有源箝位变换电路、检测电路以及控制电路，有源箝位变换电路包括依次串联连接的谐振电感、变压器以及主开关元件；检测电路的检测端连接有源箝位变换电路，用于检测通过谐振电感的电流；控制电路的输入端连接于检测电路且其第一输出端与主开关元件的控制端连接，用于接收检测电路输出的谐振电感的电流，并在电流满足第一预设电流条件时，控制主开关元件导通，以使主开关元件零电压开通；其中，第一预设电流条件为电流在第一预设范围内。由于能够通过检测谐振电感的电流，并在该电流满足第一预设电流条件时，控制主开关元件的导通，使有源箝位变换***能够根据谐振电感上的电流值控制主开关元件的导通，从而使有源箝位变换电路易于控制。
附图说明
图1是本申请第一实施例有源箝位变换***的结构示意图；
图2是本申请第二实施例有源箝位变换***的结构示意图；
图3是本申请第三实施例有源箝位变换***的结构示意图；
图4是本申请实施例有源箝位变换电路工作时的各信号波形图。
具体实施方式
为使本申请的上述目的、特征和优点能够更为明显易懂，下面结合附图，对本申请的具体实施方式做详细的说明。可以理解的是，此处所描述的具体实施例仅用于解释本申请，而非对本申请的限定。另外还需要说明的是，为了便于描述，附图中仅示出了与本申请相关的部分而非全部结构。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本申请保护的范围。
本申请中的术语“第一”、“第二”等是用于区别不同对象，而不是用于描述特定顺序。此外，术语“包括”和“具有”以及它们任何变形，意图在于覆盖不排他的包含。例如包含了一系列步骤或单元的过程、方法、***、产品或设备没有限定于已列出的步骤或单元，而是可选地还包括没有列出的步骤或单元，或可选地还包括对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。
在本文中提及“实施例”意味着，结合实施例描述的特定特征、结构或特性可以包含在本申请的至少一个实施例中。在说明书中的各个位置出现该短语并不一定均是指相同的实施例，也不是与其它实施例互斥的独立的或备选的实施例。本领域技术人员显式地和隐式地理解的是，本文所描述的实施例可以与其它实施例相结合。
请参阅图1，图1是本申请第一实施例有源箝位变换***的结构示意图。
有源箝位变换***10包括有源箝位变换电路11、检测电路12以及控制电路13。
有源箝位变换电路11可以为有源箝位正激变换电路或者有源箝位反激变换电路。在本实施例中，有源箝位变换电路11为有源箝位反激变换电路。有源箝位正激变换电路和有源箝位反激变换电路的区别在于：有源箝位正激变换电路中的变压器只起到变换电压传输能量的作用，而有源箝位反激变换电路中的变压器不止起到变换电压传输能量的作用，同时还起到储能电感的作用。
有源箝位变换电路11包括变压器和主开关元件S1。
其中，变压器包括变压器原边绕组和变压器副边绕组，变压器原边绕组可以等效为依次串联的谐振电感Lr和励磁电感Lm。
在一个可行的实施例中，有源箝位变换电路11包括依次连接的电压源、谐振电感Lr、励磁电感Lm以及主开关元件S1.
其中，主开关元件S1可以为PMOS晶体管或者NMOS晶体管，在本实施例中，主开关元件S1为NMOS晶体管。本申请中的有源箝位变换电路11还包括其它电子元件，具体的详见下文描述。
检测电路12的检测端连接有源箝位变换电路11，用于检测通过谐振电感Lr的电流，可选地，检测电路12的检测端可以直接与谐振电感Lr连接，也可以与谐振电感Lr两侧的支路连接。可选地，检测电路12可以为电流互感器、霍尔电流传感器、洛科夫斯基线圈或者光电电流传感器等。在本实施例中，检测电路12为电流互感器，本申请对检测电路12的选取不作限定，只要能够检测到通过谐振电感Lr的电流iLr即可。检测电路12还用于将检测到的谐振电感Lr上的电流iLr传输至控制电路13。本实施例中，设定通过谐振电感Lr的电流iLr的正方向(正向电流)为主开关元件S1在刚断开时，此时通过谐振电感Lr的电流iLr的方向，在相应地，设定与正方向相反的方向为电流iLr的反方向(反向电流)。在通过谐振电感Lr的电流iLr为正向电流时，iLr的值为正值，同样地，在通过谐振电感Lr的电流iLr为反向电流时，iLr的值为负值。
控制电路13的输入端连接于检测电路12且其第一输出端与主开关元件S1的控制端连接，用于接收检测电路12输出的谐振电感Lr的电流iLr，并在电流iLr满足第一预设电流条件时，控制主开关元件S1导通，以使主开关元件S1零电压开关(Zero Voltage Switch，ZVS)。
可选地，第一预设电流条件为电流iLr在第一预设范围内。其中，第一预设电流条件为电流iLr大于或者等于预设负电流值且小于或者等于零电流值，控制电路13用于在电流iLr逐渐增大时判断电流iLr是否满足第一预设电流条件。例如，第一预设范围可以为[-a，0]，其中，-a的值可以根据实际情况选取，-a应大于谐振电感Lr上的电流iLr在逐渐增大且主开关元件S1两端的电压恰好为0时，此时通过谐振电感Lr的电流值-A。例如，-a可以等于-A+δ，δ的取值范围为(0，A]，在例如，-a可以根据-A获得，例如-a可以为-A/2、-A/3或者-2A/3等等。本申请对第一预设范围不作限定，只要是-a大于谐振电感Lr上的电流iLr逐渐增大且主开关元件S1两端的电压恰好为0时，此时通过谐振电感Lr的电流iLr值即可。在本申请实施例中，-a的值可以为0，即第一预设电流条件为电流iL的值为零。-a的值越靠近0，则有源箝位变换电路的工作效率就越高。
在本实施例中，仅通过检测谐振电感Lr上的电流iLr，并在该电流iLr满足第一预设电流条件时，控制主开关元件S1导通，使有源箝位变换***10能够根据谐振电感Lr上的电流iLr控制主开关元件S1的导通，从而使有源箝位变换电路11易于控制。
另外，在通过谐振电感Lr的电流iLr发生从负电流值到零电流值的变化过程中，且当主开关元件S1两端的电压恰好开始等于零时，这时如果导通主开关元件S1，就可以实现主开关元件S1的零电压开关。
应理解，由于此时通过谐振电感Lr的电流iLr依旧为反向电流，该反向电流值较大，而由于主开关元件S1的导通会促使通过谐振电感Lr的电流为正向电流，这两种电流方向相反，所产生的磁场方向也相反，两种磁场在变压器内相互抵消，从而产生有源箝位变换电路工作效率变低的情况，即，由于在经过谐振电感Lr的电流iLr从负电流值变为零电流值的过程中，电流变化速度较快而产生有源箝位变换电路的工作效率低。
在本申请实施例中，通过限定通过谐振电感Lr的电流iLr在第一预设范围，即谐振电感Lr上的电流iLr的范围为[-a，0]，当电流iLr在第一预设范围时，由于此时谐振电感Lr上的电流iLr由负电流值变化到正电流时的变化速度，相较于谐振电感Lr上的电流iLr逐渐增大且主开关元件S1两端的电压刚为0时就导通主开关元件S1时的变化速度慢，因此，能够减少变压器内的磁损耗，提高有源箝位变换电路的工作效率。
请参阅图2，图2是本申请第二实施例有源箝位变换***的结构示意图。
有源箝位变换***20包括有源箝位变换电路21、检测电路22以及控制电路23。在本实施例中的检测电路22可以与第一实施例中的检测电路12相同。
在本实施例中的有源箝位变换电路与第一实施例中的有源箝位变换电路的区别在于：本实施例的有源箝位变换电路21还包括辅开关元件S2，辅开关元件S2与变压器原边绕组或主开关元件S1并联连接，辅开关元件S2的控制端与控制电路23的第二输出端连接，控制电路23还用于控制辅开关元件S2的导通，且主开关元件S1和辅开关元件S2不同时导通。其中，辅开关元件S2可以为PMOS晶体管或者NMOS晶体管，在本实施例中，辅开关元件S2为NMOS晶体管。
在本实施例中，控制电路23还用于在电流iLr满足第二预设电流条件时，控制辅开关元件S2导通，以使辅开关元件S2零电压导通；其中，第二预设电流条件为电流iLr在第二预设范围内。其中，第二预设电流条件为电流iLr小于或者等于预设正电流值且大于或者等于零电流值，控制电路23用于在电流iLr逐渐减小时判断电流iLr是否满足第二预设电流条件。同样地，关于电流iLr是正向或反向的设定与第一实施例中相同，此处不再赘述。
例如，第二预设范围可以为[0，b]，其中b的值可以等于0。通过将谐振电感Lr上的电流iLr限定在[0，b]内，且在电流iLr逐渐减小时导通辅开关元件S2，可以避免通过谐振电感Lr的电流iLr在负值时开通辅开关元件S2而不能实现辅开关元件S2的零电压开通。
请参阅图3，图3是本申请第三实施例有源箝位变换***的结构示意图。
有源箝位变换***30包括有源箝位变换电路31、检测电路32以及控制电路33。在本实施例中，检测电路32和控制电路33可以与第一实施例中的检测电路12和控制电路13相同。
在本实施例中的有源箝位变换电路与第二实施例中的有源箝位变换电路的区别在于：本实施例的有源箝位变换电路31还包括箝位电容CC、电压源Vin、整流二极管D1、结电容Cr以及输出电容C0。
箝位电容CC与辅开关元件S2串联连接，且箝位电容CC和辅开关元件S2并联连接于谐振电感Lr或者主开关元件S1。
在一实施例中，电压源Vin的正极连接变压器原边绕组的第一端、变压器原边绕组的第二端连接主开关元件S1的第一端、主开关元件S1的第二端连接电压源的负极。相应的，箝位电容Cc的第一端连接变压器原边绕组的第一端，箝位电容Cc的第二端连接辅开关元件S2的第一端，辅开关元件S2第二端连接变压器原边绕组的第二端。
在另一实施例中，由于变压器原边绕组可以等效为依次串联的谐振电感Lr和励磁电感Lm，因此，电压源Vin的正极连接谐振电感Lr的第一端、谐振电感Lr的第二端连接励磁电感Lm的第一端、励磁电感Lm的第二端连接主开关元件S1的第一端、主开关元件S1的第二端连接电压源的负极。相应的，箝位电容CC的第一端连连接谐振电感Lr的第一端，箝位电容CC的第二端连接辅开关元件S2第一端，辅开关元件S2第二端连接励磁电感Lm第二端；
结电容Cr的第一端连接主开关元件S1的第一端，结电容Cr的第二端连接主开关元件S1的第二端；
变压器副边绕组的第一端连接整流二极管D1的正极，整流二极管D1的负极连接输出电容C0的第一端，输出电容C0的第二端连接变压器副边绕组的第二端，输出电容C0的两端还与负载并联连接。
以下说明本申请实施例有源箝位变换电路31的工作原理。
请结合图3～图4，图4是本申请实施例有源箝位变换电路工作时的各信号波形图。
在本申请中，设定通过谐振电感Lr的电流的正方向为谐振电感Lr的第一端到谐振电感Lr的第二端的方向，通过励磁电感Lm的电流的正方向为励磁电感Lm的第一端到励磁电感Lm的第二端的方向，通过箝位电容Cc的电流的正方向为箝位电容Cc的第二端到箝位电容Cc的第一端的方向，结电容Cr两端的电压的正方向为结电容Cr的一端到结电容Cr的第二端的方向，变压器原边绕组两端的电压的正方向为变压器原边绕组的第一端到变压器原边绕组的第二端的方向。另外，当电流的方向或者电压的方向为反方向时，相应的电流值或者电压值用负值表示。
本申请实施例为了说明有源箝位变换的工作原理，并不是仅采用变压器原边绕组来说明，或者仅采用谐振电感Lr和励磁电感Lm来说明，而是这两种综合使用。应理解，变压器原边绕组可以等效为依次串联的谐振电感Lr和励磁电感Lm，
有源箝位变换***30的工作状态具体可分为七个阶段。
在本实施例中，变压器原边绕组和变压器副边绕组的匝数比n为N：1，变压器原边绕组第二端和变压器副边绕组第一端为同名端，谐振电感Lr的电感值远小于励磁电感Lm的电感值，即LLr<<LLm，其中；为LLr为Lr的电感值，LLm为Lm的电感值。另外，Lr储能大于Cr储能。
第一阶段：t＝t0～t1，在t0时刻，控制电路33控制主开关元件S1导通，辅开关元件S2断开，整流二极管D1承受反向电压而截止，辅开关元件S2内的寄生二极管也反向偏置，第一电感上的电流iLr、第二电感上的电流iLm在电压源Vin的作用下线性上升。
第二阶段：t＝t1～t2，在t1时刻，控制电路33控制主开关元件S1断开，辅开关元件S2继续保持断开，结电容Cr与谐振电感Lr和励磁电感Lm谐振，利用励磁电流iLm给结电容Cr充电，励磁电流iLm为流经励磁电感Lm的电流，结电容Cr两端的电压逐渐升高，辅开关元件S2内的寄生二极管依旧反向偏置。
第三阶段，t＝t2～t3，在t2时刻，结电容Cr两端的电压升高至Vin+Vcc，其中，Vin为电压源Vin的输出电压；Vcc为箝位电容CC的在稳态时的电压，值为nV0，其中n为变压器原边与副边的匝数比，V0为输出电压，即负载电压，此时，辅开关元件S2内的寄生二极管导通，谐振电感Lr、励磁电感Lm同箝位电容CC进行谐振，由于箝位电容CC的容量远大于结电容Cr的容量，因此，此时的谐振电感Lr和励磁电感Lm上的电流几乎都通过辅开关元件S2内的寄生二极管流向箝位电容CC，在谐振电感Lr和励磁电感Lm上的电流通过辅开关元件S2内的寄生二极管流向箝位电容CC的同时，变压器原边绕组的Vpri的电压为
第四阶段，t＝t3～t4，当变压器原边绕组的电压Vpri下降到最低时，整流二极管D1正向导通，变压器原边绕组的电压Vpri就被箝位在了nV0。这时，谐振电感Lr和箝位电容CC谐振，同时励磁电感Lm给结电容Cr充电。由于励磁电感Lm和箝位电容CC谐振，即励磁电感Lm上的电流iLm值由正值逐渐减小到0后至负值。在有源箝位变换***中，为了实现辅开关元件S2的零电压开关，在谐振电感的电流iLr反向前导通辅开关元件S2。例如，检测电路32可以检测通过励磁电感Lm上的电流iLm，并将检测到的电流iLm传输至控制电路，控制电路用于在通过励磁电感Lm上的电流值iLm逐渐减小且满足第二预设电流条件时，导通辅开关元件S2。关于第二预设条件的描述请参阅上文，此处不再赘述。
第五阶段，t＝t4～t5，在t4时刻，辅开关元件S2关断，使的箝位电容CC被迅速的从电路中断开。同时，谐振电感Lr和结电容Cr谐振，变压器原边绕组的电压Vpri仍然被箝位在-nV0值上。
第六阶段，t＝t5～t6，在t5时刻，当结电容Cr(或主开关元件S1)两端的电压为0时，即在UCr＝0时，主开关元件S1内的寄生二极管导通，谐振电感Lr上的电压被箝位在Vin+nV0值，此时，谐振电感Lr上的电流iLr的上升速度为则整流二极管D1中的电流isec的下降速度为
第七阶段，t＝t6～t7，当谐振电感Lr上的电流iLr符合第一预设电流条件时，控制电路33控制主开关元件S1导通，实现主开关元件S1的零电压开通。谐振电感Lr上的电流iLr继续上升，通过整流二极管D1的电流isec逐渐下降，在t7时刻通过谐振电感Lr上的电流iLr等于通过励磁电感Lm上的电流iLm时，此时通过整流二极管D1的电流isec等于零，整流二极管D1反偏。变压器原边绕组上的电压值由-nV0变为Vin，一个充电周期结束。有源箝位变换***将继续重复上述步骤，进行下一个充电周期。关于第一预设电流条件的描述请参阅上文描述，此处不再赘述。
需要说明的是，若在通过谐振电感Lr上的电流iLr不符合第一预设电流条件且电流iLr小于第一预设范围，控制电路控制开通主开关元件S1时，由于谐振电感Lr和结电容Cr发生谐振而使谐振电感Lr产生反向电流，该反向电流产生第一磁场；且由于主开关元件S1导通使得电压源Vin向谐振电感Lr充电而促使谐振电感Lr产生正向电流，该正向电流产生第二磁场，第一磁场和第二磁场由于方向相反而互相抵消，从而降低有源箝位变换***的工作效率。
若通过谐振电感Lr上的电流iLr处于正向电流时，谐振电感Lr将再次对结电容Cr充电，此时结电容Cr两端的电压UCr将变为正值，不能实现主开关元件S1的零电压开通。
区别于现有技术的情况，由于本申请的有源箝位变换***包括有源箝位变换电路、检测电路以及控制电路，有源箝位变换电路包括依次串联连接的谐振电感、变压器以及主开关元件；检测电路的检测端连接有源箝位变换电路，用于检测通过谐振电感的电流；控制电路的输入端连接于检测电路且其第一输出端与主开关元件的控制端连接，用于接收检测电路输出的谐振电感的电流，并在电流满足第一预设电流条件时，控制主开关元件导通，以使主开关元件零电压开通；其中，第一预设电流条件为电流在第一预设范围内。由于能够通过检测谐振电感的电流，并在该电流满足第一预设电流条件时，控制主开关元件的导通，使有源箝位变换***能够根据谐振电感上的电流值控制主开关元件的导通，从而使有源箝位变换电路易于控制。
以上所述仅为本申请的实施方式，并非因此限制本申请的专利范围，凡是利用本申请说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其它相关的技术领域，均同理包括在本申请的专利保护范围内。

Claims (10)

1.一种有源箝位变换***，其特征在于，所述变换***包括：
有源箝位变换电路，包括依次串联连接的谐振电感、变压器以及主开关元件；
检测电路，其检测端连接所述有源箝位变换电路，用于检测通过所述谐振电感的电流；
控制电路，其输入端连接于所述检测电路且其第一输出端与所述主开关元件的控制端连接，用于接收所述检测电路输出的所述谐振电感的电流，并在所述电流满足第一预设电流条件时，控制所述主开关元件导通，以使主开关元件零电压开通；其中，所述第一预设电流条件为所述电流在第一预设范围内。
2.根据权利要求1所述的变换***，其特征在于，所述第一预设电流条件为所述电流大于或者等于预设负电流值且小于或者等于零电流值，所述控制电路用于在所述电流逐渐增大时判断所述电流是否满足所述第一预设电流条件。
3.根据权利要求1所述的变换***，其特征在于，所述有源箝位变换电路还包括辅开关元件，所述辅开关元件与所述谐振电感或所述主开关元件并联连接，所述辅开关元件的控制端与所述控制电路的第二输出端连接，所述控制电路还用于控制所述辅开关元件的导通，且所述主开关元件和所述辅开关元件不同时导通。
4.根据权利要求1所述的变换***，其特征在于，所述控制电路还用于在所述电流满足第二预设电流条件时，控制所述辅开关元件导通，以使辅开关元件零电压开通；其中，所述第二预设电流条件为所述电流在第二预设范围内。
5.根据权利要求1所述的变换***，其特征在于，所述第二预设电流条件为所述电流小于或者等于预设正电流值且大于或者等于零电流值，所述控制电路用于在所述电流逐渐减小时判断所述电流是否满足所述第二预设电流条件。
6.根据权利要求3所述的变换***，其特征在于，所述有源箝位变换电路还包括箝位电容；所述箝位电容与所述辅开关元件串联连接，且所述箝位电容和所述辅开关元件并联连接于所述谐振电感或者所述主开关元件。
7.根据权利要求6所述的变换***，其特征在于，所述变压器包括变压器原边绕组以及变压器副边绕组；所述有源箝位变换电路还包括电压源、整流二极管、结电容以及输出电容；
所述电压源的正极连接所述变压器原边绕组的第一端，所述变压器原边绕组的第二端连接所述主开关元件的第一端、所述主开关元件的第二端连接所述电压源的负极；
所述箝位电容的第一端连接所述变压器原边绕组的第一端，所述箝位电容的第二端连接所述辅开关元件的第一端，所述辅开关元件第二端连接所述变压器原边绕组的第二端；
所述结电容的第一端连接所述主开关元件的第一端，所述结电容的第二端连接所述主开关元件的第二端；
所述变压器副边绕组的第一端连接所述整流二极管的正极，所述整流二极管的负极连接所述输出电容的第一端，所述输出电容的第二端连接所述变压器副边绕组的第二端，所述输出电容的两端还与负载并联连接。
8.根据权利要求3～7任一项所述的变换***，其特征在于，所述主开关元件为PMOS晶体管或者NMOS晶体管；
所述辅开关元件为PMOS晶体管或者NMOS晶体管。
9.根据权利要求1所述的变换***，其特征在于，所述有源箝位变换电路为有源箝位反激变换电路。
10.根据权利要求1所述的变换***，其特征在于，所述检测电路为电流互感器。
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