CN111224533A - 一种负温二极管自主均流电路及均流方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种负温二极管自主均流电路及均流方法，应用于大功率变换器领域，主要是在变压器次级和二极管之间增加一组共模电感，令每颗二极管之间形成反向对冲电流，当对冲电流存在大小差异时，会形成等效共模电流，此时利用共模阻抗来实现二极管自主均流。实现了功率变换变压器直接一组绕组输出，且输出整流二极管可以直接并联使用。实现了非常好的均流效果。其可以实现二极管自主均流，功率变压器次级只需要一组绕组，大大简化了变压器的绕制工艺，简化了PCB的布线。

Description

一种负温二极管自主均流电路及均流方法
技术领域
本发明涉及大功率变换器领域，尤指一种负温二极管自主均流电路及均流方法。
背景技术
大功率变换器中，无法并联使用市面上通用的负温度系数特性的超快恢复二极管，其均流特性很差。例如在开关电源中，输出端的整流二极管通常是负温度系数的整流二极管，由于并联工作时，电流较大的二极管温度会提高，因而导通压降下降，导致其工作电流会更高，进入正反馈状态，最终会导致热击穿，故不能直接并联使用。
因此，想实现并联输出，只能使用功率变压器多绕组分别带一组桥，整流后进行并联输出。但即便如此，由于变压器附加阻抗的离散性，往往导致其均流效果依然不佳，会严重劣化二极管电流应力，降低其可靠性。同时，该变压器的绕制工艺复杂，且其PCB布线也同样复杂。
发明内容
为解决上述问题，本发明主要目的在于，提供一种负温二极管自主均流电路及其均流方法使得输出整流二极管可以直接并联使用负温二极管，且实现均流效果非常好的效果。
为达上述目的，本发明的技术方案为：一种负温二极管自主均流电路,其包含：两个或两个以上的并联使用的二极管，且在所述并联使用的二极管之间设有一组共模电感，令每颗二极管之间形成反向对冲电流，在对冲电流存在大小差异时，会形成等效共模电流，以利用共模阻抗来实现二极管自主均流。
其中较佳的是，所述共模电感是绕在同一磁芯上，并且两个绕组的线圈直径和圈数一样，但是绕向相反。并且所述并联使用的二极管可为两个，一端相连，而另一端分别接到共模电感的一端的两个端子上，每个共模电感的另一端的两个端子短接，使得并联的二极管及与其相连的电感构成一个具均流措施的并联二极管组。
同时，较佳的是所述并联二极管组可应用于桥式整流电路，所述共模电感为两个，所述共模电感的短接端子分别与变压器次级的两端连接，且整流桥的每个输入端连接的两个臂上的并联二极管组共用一个共模电感。
进一步的，所述并联二极管组应用于桥式整流电路，所述共模电感为两个，所述共模电感的短接端子分别与整流负载的两端连接，且整流桥的每个输出端连接的两个臂上的并联二极管组共用一个共模电感。
另外上述方案可以进一步的扩展，即：所述并联使用的二极管为三个以上，将其中的二极管电流每两路通过一个共模电感进行均流，然后再将各路互相耦合以实现各电流大小一致。
其中较佳的是，所述磁芯可采用铁氧体磁环，以提高效率。
并且本发明还提供了一种并联用负温二极管的自主均流方法，该方法是：在至少2个负温二极管并联使用时，在变压器次级和二极管之间增加一组共模电感，令每颗二极管之间形成反向对冲电流，当对冲电流存在大小差异时，会形成等效共模电流，以利用共模阻抗来实现二极管自主均流。
进一步的该方法可进一步扩充：所述并联使用的二极管为三个以上时，将其中的二极管电流每两路通过一个共模电感进行均流，然后再将各路互相耦合以实现各电流大小一致。
另外，由于多路并联时，其电路连接比较复杂，为了简化所述复杂原理图的应用设计，本发明进一步提供了如下方案：所述共模电感排布及连接是采用节省使用空间、缩小产品体积的集约化设计结构。
本发明有益效果在于，借助上述技术方案，实现了功率变换变压器直接一组绕组输出，且输出整流二极管可以直接并联使用。实现了均流效果非常好的效果。其可以实现二极管自主均流，功率变压器次级只需要一组绕组，大大简化了变压器的绕制工艺，简化了PCB的布线。
附图说明
图1本发明的电路原理示意图；
图2二极管实际的典型伏安特性曲线；
图3a、图3b分别为增加了均流措施的两并联二极管测试电路及没有均流措施的常规状态的两并联二极管测试电路；
图4为图3的两个电路的二极管电流波形；
图5本发明采用三管并联时的电路原理图；
图6为本发明的四路并联均流时耦合电感走线图。
具体实施方式
下面通过实施例，并结合附图，对本发明的技术方案做进一步具体的说明。
本发明的实现方案主要构思是在变压器次级和二极管之间增加一组共模电感，令每颗二极管之间形成反向对冲电流，当对冲电流存在大小差异时，会形成等效共模电流，此时利用共模阻抗来实现二极管自主均流。在本发明中，负温二极管是指拥有导通压降随结温升高而下降特性的二极管。
如图1所示，对于单个共模环而言，其同名端流入反向电流时，对应磁路磁通抵消为零，对外不显阻抗。同理当其异名端流入同向电流时，对外也不显阻抗。
当图1中的电流I1,I2大小方向相同时，图中共模电感内部磁场抵消，此时相当于导线，而当电流I1,I2所在回路阻抗不均等时，所述的两路电流往往会产生偏差，这样共模电感中点磁场无法抵消，所产生的感应电压刚好会抵抗导致电流偏差外部电压，本发明将该原理应用于二极管电路就实现了对电流的纠偏。
以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。
由于图1中的电阻可以类比为二极管等效阻抗，而负温度系数二极管实际的典型伏安特性曲线如图2所示，由图2可知，常规二极管正常使用温度范围内其导通门限电压和内阻都随温度升高而降低。根据上图数据可得其结温125℃时导通门限电压为0.75V，内阻为37.5mΩ。结温为25℃是导通门限为0.9V，内阻为45mΩ。考虑到实际二极管温差超出100℃可能性极低，故均流措施能够矫正该参数偏差下的二极管即可以保证产品量产稳定性。
对于上述参数而言，当导通电流为20A时，经计算表明二极管电压差异为0.3V，故均流措施只需要能够补偿该压差即可，同时由于连接同名端反向，实际每个绕组感应仅需要一半电压即0.15V。另外，由于本发明采用的是无源自主均流，故不能彻底消除电流误差，但是其优点是电路稳定可靠，耗能低，其在实际工程应用中保证电流偏差在10％即可，故偏差电流约2A，与上述绕组电压0.15V共同考虑，可得需要的等效阻抗为75mΩ。
对于工程实际应用而言，耦合电感磁芯采用铁氧体磁环，于本具体实施例中是选用小体积高磁导率型号H10/6/5，其感量因子为5100nH/N^2，故单匝电感量为5.1uH。同时考虑到高频开关电源开关频率至少为20kHz，其单匝阻抗为公式为Z＝2πfL。当默认频率f＝20k，L＝5.1u时，可得电感阻抗约为640mΩ。很明显改阻抗已经远远满足于实际需要的最小阻抗75mΩ，可以满足量产可靠性，之所以没有进一步使用更小体积磁芯，在于过小尺寸可能无法满足实际绝缘工艺的要求。
如图3a及图3b所示，分别为上述差异参数的两并联二极管电路中具有均流电路及不具有均流电路的常规状态的两并联二极管电路，其区别是在于增加了均流措施和没有增加均流措施。图3是一种典型的桥式整流电路，该整流桥每个臂均采用了两个并联的二极管。
参见图3a，其是本发明具有均流措施的一种负温二极管自主均流电路，该均流措施是增加了一组共模电感，即该桥式整流电路是在两个输入端分别增加一个共模电感，所述共模电感是绕在同一磁芯上，并且两个绕组的线圈直径和圈数一样，但是绕向相反，并联使用的二极管的一端相连，而另一端分别接到共模电感的一端的两个端子上，每个共模电感的另一端的两个端子短接，使得并联的二极管及与其相连的电感构成一个具均流措施的并联二极管组。
在图3中，借助电流均流措施，可以使I1,I2电流大体相同，而I3,I4是没有处理过的状态，由于二极管参数离散性，经实测，可以发现两者电流差异会达到约3倍，测得的具体二极管电流波形可参见图4。
另外，上述电路可以进一步拓展，可实现3颗或3颗以上数量二极管并联，其原理为将二极管电流每两路进行均流，再将各路互相耦合实现各电流大小一致。其具体电路详见图5，为本发明采用三管并联时的电路原理图。
同样的，根据该三管并联时电路原理，以此类推可以实现更多二极管并联均流。其多管并联的迭代规律具体为：第1颗共模电感输入侧同名端接头连接到第2颗共模电感输出测同名端接头，第2颗共模电感输入侧同名端接头连接到第3颗共模电感输出测同名端接头，以此类推，第n-1颗共模电感输入侧同名端接头连接到第n颗共模电感输出测同名端接头，最后第n颗共模电感输入侧同名端接头连接回第1颗共模电感输出测同名端接头，这样就可以将所有共模环输入侧没有连接的n个异名端接头连接到一起作为总电流输入端，将所有共模环输出侧没有连接的n个异名端分别连接至各个二极管整流支路中间节点作为各路均流输出，该连接方式可以参考图5进行对照。且该电流均流电路也可应用于采用中心抽头式的全波整流电路。
另外，由于多路并联时，其电路连接比较复杂，为了简化上述复杂原理图的应用设计，本发明的具体实施例中采用了如图6所示方案实现集约化设计。该图6为本发明采用四路并联均流时耦合电感走线图，如图所示，使用图6所示结构走线可以有效节省使用空间，缩小产品体积。在本具体实施例中，其具体使用时可如图6所示将1、3、5、7号引脚共同连接至变压器次级绕组的一个引线端，而2、4、6、8号引脚分别连接至4管并联二极管组的中间节点，这样在电路工作时即可实现二极管的无源自主均流效果。
以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制，尽管参照上述实施例对本发明进行了详细的说明，所属领域的普通技术人员应当理解，依然可以对本发明的具体实施方式进行修改或者等同替换，而未脱离本发明精神和范围的任何修改或者等同替换，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (10)

1.一种负温二极管自主均流电路,其特征在于，其包含：两个或两个以上的并联使用的二极管，且在所述并联使用的二极管之间设有一组共模电感，令每颗二极管之间形成反向对冲电流，在对冲电流存在大小差异时，会形成等效共模电流，以利用共模阻抗来实现二极管自主均流。
2.根据权利要求1所述的一种负温二极管自主均流电路，其特征在于，所述共模电感是绕在同一磁芯上，并且两个绕组的线圈直径和圈数一样，但是绕向相反。
3.根据权利要求2所述的一种负温二极管自主均流电路，其特征在于，所述并联使用的二极管为两个，一端相连，而另一端分别接到共模电感的一端的两个端子上，每个共模电感的另一端的两个端子短接，使得并联的二极管及与其相连的电感构成一个具均流措施的并联二极管组。
4.根据权利要求3所述的一种负温二极管自主均流电路，其特征在于：所述并联二极管组应用于桥式整流电路，所述共模电感为两个，所述共模电感的短接端子分别与变压器次级的两端连接，且整流桥的每个输入端连接的两个臂上的并联二极管组共用一个共模电感。
5.根据权利要求3所述的一种负温二极管自主均流电路，其特征在于：所述并联二极管组应用于桥式整流电路，所述共模电感为两个，所述共模电感的短接端子分别与整流负载的两端连接，且整流桥的每个输出端连接的两个臂上的并联二极管组共用一个共模电感。
6.根据权利要求2所述的一种负温二极管自主均流电路，其特征在于，所述并联使用的二极管为三个以上，将其中的二极管电流每两路通过一个共模电感进行均流，然后再将各路互相耦合以实现各电流大小一致。
7.根据权利要求2-6任一所述的一种负温二极管自主均流电路，其特征在于，所述磁芯采用的铁氧体磁环。
8.一种并联用负温二极管的自主均流方法，其特征在于：在至少2个负温二极管并联使用时，在变压器次级和二极管之间增加一组共模电感，令每颗二极管之间形成反向对冲电流，当对冲电流存在大小差异时，会形成等效共模电流，以利用共模阻抗来实现二极管自主均流。
9.根据权利要求8所述的一种并联用负温二极管的自主均流方法，其特征在于：所述并联使用的二极管为三个以上时，将其中的二极管电流每两路通过一个共模电感进行均流，然后再将各路互相耦合以实现各电流大小一致。
10.根据权利要求9所述的一种并联用负温二极管的自主均流方法，其特征在于：所述共模电感排布及连接是采用节省使用空间、缩小产品体积的集约化设计结构。
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