CN114189160B - 一种有源钳位反激拓扑中钳位管轻载导通控制方法及电路 - Google Patents
一种有源钳位反激拓扑中钳位管轻载导通控制方法及电路 Download PDFInfo
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Abstract
本发明涉及有源钳位反激控制技术领域，公开了一种有源钳位反激拓扑中钳位管轻载导通控制方法，包括有源钳位反激电路，还包括轻载导通控制电路，轻载导通控制电路与有源钳位反激电路连接，所述轻载导通控制电路包括检测电路、第一导通时间控制模块、第二导通时间控制模块和驱动单元，检测电路和驱动单元均与有源钳位反激电路连接。本发明通过控制钳位管在一个周期内导通两次，两次都产生一定程度的负电流，第一次探寻合适的导通时间，从而确定第二次的导通持续时间相对精准，有效避免钳位管导通时间出现上述过短或过长的问题，用来准确实现轻载下的零电压导通，有效降低了开通损耗。
Description
技术领域
本发明涉及有源钳位反激控制技术领域，具体为一种有源钳位反激拓扑中钳位管轻载导通控制方法及电路。
背景技术
有源钳位反激(ACF)能够实现漏感能量的回收，实现原边功率器件的零电压导通(ZVS)，从而有效的提升了***效率，降低了导通损耗。有源钳位反激拓扑如图1所示，其中LM与Lk分别表示变压器等效的励磁电感与漏感，C01为钳位电容，QP0和QA0分别是主功率管和钳位管，Sp0和Sa0是二者的控制信号，通过QP0和QA0的交替导通，就能够实现原边主功率管的零电压开启。
参看图2，给出了有源钳位反激拓扑的一种理想工作波形，Vds表征图1中主功率管QP0的漏端电压，Sa表征钳位管的导通控制信号，Sp表征主功率管的导通控制信号，ILM表征流过图1中励磁电感LM的电流波形。tc0时刻主功率管关断，经过一定的死区时间，tc1时刻钳位电容上电压达到最大值，tc2时刻励磁电感上的电流下降到0，然后主功率管的漏源电压开始谐振直到tc3时刻，钳位管QA0再次打开一段时间到tc4时刻，持续时间为Ta0，这段时间励磁电感电流方向相反。在tc4时刻，钳位管关断，而后经过一定时间，Vds被负电流泄放到0，tc5时刻导通主功率管即实现了主功率管的零电压导通。
现有技术中，钳位管仅仅在图2所示的tc3时刻导通一小段时间，且导通时间往往固定，这就存在两种可能：一种情况是导通时间过短，这种情况下产生的负电流不够，往往不能将Vds泄放到0。参看图3，在te3时刻，钳位管只导通了较短的时间，即Ta0时间短于图2所示的理想情况，此时Vds还没有完全泄放到0，在te5时刻主管就导通，此时导通瞬间的Vds并为完全泄放到0电位；另一种情况是设定的导通时间过长，参看图4所示，Ta0过长，导致Vds下降速度很快，在td4和td5时间之内就泄放到0，这种情况下的产生的负电流过大，会带来潜在的功率传输的不稳定等问题。
发明内容
本发明的目的在于提供一种有源钳位反激拓扑中钳位管轻载导通控制方法及电路，解决背景技术中所提出的问题。
为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：一种有源钳位反激拓扑中钳位管轻载导通控制方法，包括有源钳位反激电路，还包括轻载导通控制电路，所述轻载导通控制电路包括检测电路、第一导通时间控制模块、第二导通时间控制模块和驱动单元，检测电路和驱动单元均与有源钳位反激电路连接，所述控制方法具体包括以下步骤：
第一步：检测电路检测有源钳位反激电路轻载稳态下的续流时间，并设定该时间为初始导通时间和第一导通时间；
第二步：第一导通时间控制模块，根据检测电路设定的第一导通时间，通过驱动单元向钳位管输出初始导通控制信号，钳位管导通，检测电路检测主功率管的漏源电压在一定时间内是否下降到0，并根据结果，重新设定第一导通时间，或设定第二导通时间；
第三步：第二导通时间控制模块根据第一导通时间控制模块和检测电路反馈的第一导通时间和第二导通时间，通过驱动单元向钳位管输出两次导通控制信号，同时下一次主功率管开启，下一周期开始；
第四步：第三步周期性进行。
作为本发明的一种优选实施方式，所述第二步中，检测电路检测主功率管的漏源电压在一定时间内是否下降到0，并根据结果，重新设定第一导通时间，或设定第二导通时间的具体过程为：检测电路检测钳位管第一次导通后，主功率管的漏源电压在一个较短的设定时间内是否下降到0，如果未下降到0，进行下一个周期的导通，且下个周期内钳位管的第一次导通持续时间增加一定延时，并设定该时间为下一周期的第一导通时间；若下降到0，则锁存该周期内第一导通时间和初始导通时间之差，即该周期内第一次导通中励磁电流下降到0的时刻与第一导通时间初始值的时间差，设定该时间差为第二导通时间。
作为本发明的一种优选实施方式，所述第三步中，驱动单元向钳位管输出两次导通控制信号，使钳位管分别在主功率管关断后和下一次主功率管开启前导通，且两个导通时间段分别为第一导通时间与第二导通时间。
作为本发明的一种优选实施方式，所述第三步中，钳位管第一次导通和第二次导通产生的负电流大小相等，负电流持续时间相同。
一种有源钳位反激拓扑中钳位管轻载导通控制电路，应用在一种有源钳位反激拓扑中钳位管轻载导通控制方法中，包括检测电路、第一导通时间控制模块、第二导通时间控制模块和驱动单元。
作为本发明的一种优选实施方式，所述检测电路的输出端与第一导通时间控制模块的输入端连接，所述第一导通时间控制模块和检测电路的输出端均与第二导通时间控制模块的输入端连接，所述第一导通时间控制模块和第二导通时间控制模块的输出端均与驱动单元的输入端连接。
与现有技术相比，本发明提供了一种有源钳位反激拓扑中钳位管轻载导通控制方法及电路，具备以下有益效果：
该一种有源钳位反激拓扑中钳位管轻载导通控制方法及电路，通过控制钳位管在一个周期内导通两次，两次都产生一定程度的负电流，第一次探寻合适的导通时间，从而确定第二次的导通持续时间相对精准，有效避免钳位管导通时间出现上述过短或过长的问题，用来准确实现轻载下的零电压导通，有效降低了开通损耗。
附图说明
通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：
图1为有源钳位反激拓扑的结构示意图；
图2为有源钳位反激工作时的波形图；
图3为有源钳位反激钳位管导通时间过短时的工作波形图；
图4为有源钳位反激钳位管导通时间过长时的工作波形图；
图5为本发明稳定工作时一个周期内的工作波形图；
图6为本发明钳位管第一次导通后不同关断时刻对应的工作波形图；
图7为本发明Ta调整阶段的工作波形；
图8为本发明中钳位管轻载导通控制电路的***框图；
图9为本发明中检测电路的电路示意图；
图10为本发明第一导通时间控制模块的电路示意图
图11为本发明第二导通时间控制模块的电路示意图
图12为本发明检测电路的相关信号的波形示意图
图13为本发明驱动电路的电路示意图。
具体实施方式
为使本发明实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解，下面结合具体实施方式，进一步阐述本发明。
请参阅图1-13，本发明提供一种技术方案：一种有源钳位反激拓扑中钳位管轻载导通控制方法，包括有源钳位反激电路，还包括轻载导通控制电路，轻载导通控制电路与有源钳位反激电路连接，所述轻载导通控制电路包括检测电路、第一导通时间控制模块、第二导通时间控制模块和驱动单元，检测电路和驱动单元均与有源钳位反激电路连接，所述控制方法具体包括以下步骤：
第一步：检测电路检测有源钳位反激电路轻载稳态下的续流时间Tdis，并设定该时间为初始导通时间Tdis和第一导通时间，第一导通时间与初始导通时间Tdis相同，初始导通时间Tdis用于第二步中，设定Ta；
其中，续流时间Tdis，如图5所示，从主功率管关断后一个极短的死区时间开始，到原边励磁电感电流下降到0的时刻结束；
第二步：第一导通时间控制模块，根据检测电路设定的第一导通时间(第一导通时间为检测电路检测有源钳位反激电路轻载稳态下的续流时间Tdis)，通过驱动单元向钳位管输出初始导通控制信号，钳位管导通，检测电路检测主功率管的漏源电压在一定时间内是否下降到0，并根据结果，重新设定第一导通时间，或设定第二导通时间Ta；
第三步：第二导通时间控制模块根据第一导通时间控制模块和检测电路反馈的第一导通时间和第二导通时间，通过驱动单元向钳位管输出两次导通控制信号，使钳位管分别在主功率管关断后和下一次主功率管开启前导通，且两个导通时间段分别为第一导通时间(第二导通时间Ta与初始导通时间Tdis之和)与第二导通时间Ta，同时下一次主功率管开启，下一周期开始；
如图5所示，根据钳位管第一次导通获取的Ta信息，控制钳位管在t5时刻第二次开启且持续Ta时间到t6，t6时刻关断钳位管，则经过和前一次导通相同的Td时间，Vds下降到0，在此时主功率管导通，由于Vds已经泄放到0，主功率管实现了零电压开启；
第四步：第三步周期性进行；
如图7所示，图7为本发明Ta调整阶段的工作波形，图7所示的波形包含三个调整周期与一个稳定周期，之后的波形将与稳定周期的波形相同，第一个周期，钳位管在t01时刻导通，在t02时刻关断，关断时无负电流，因此Vds谐振的最低点电压与普通反激变换器并无差异，检测到Tdis后，第二个周期，钳位管在t04时刻导通，导通持续时间在Tdis的基础上增加一小段时间后，在t07时刻关断，此时产生的负电流会泄放Vds的电压到一个比第一周期最低点更低的电位，但由于负电流不够负，Vds的最低点仍大于0；第三个周期，继续增加钳位管的导通时间，在t11时刻钳位管导通直到t13时刻，第三个周期内产生的负电流足够泄放主功率管漏源寄生电容上的电荷，因此在t14时刻，Vds泄放到0，计时从t12到t13的时间差并锁定为Ta，控制钳位管在当前周期的t15时刻导通，持续Ta时间到t16，之后的每个周期，钳位管都导通两次：第一次导通时间为Tdis+Ta，第二次导通时间为Ta，Ta的时间表征了恰当的负电流，用以泄放主功率管漏源寄生电容上的电荷。
本实施例中，所述第二步中，检测电路检测主功率管的漏源电压在一定时间内是否下降到0，并根据结果，重新设定第一导通时间，或设定第二导通时间的具体过程为：检测电路检测钳位管第一次导通后，主功率管的漏源电压在一个较短的设定时间内是否下降到0，如果未下降到0，进行下一个周期的导通，且下个周期内钳位管的第一次导通持续时间增加一定延时，并设定该时间为下一周期的第一导通时间；若下降到0，则锁存该周期内第一导通时间和初始导通时间之差，即该周期内第一次导通中励磁电流下降到0的时刻与第一导通时间初始值的时间差，设定该时间差为第二导通时间Ta，
在实际应用中，当变压器次边输出电压固定时，所述第一时间Ta与原边输入电压成正相关，当输入电压上升，Ta增加；当输入电压降低，Ta减小，当变压器原边输入电压固定时，所述第一时间Ta与次边输出电压成正相关，当输出电压上升，Ta增加；当输出电压降低，Ta减小，同时，应当注意到，在稳态工作时主功率管的开启间隔也近似保持不变，因此每个周期内钳位管第二次导通时刻在Ta确定后也可近似认为保持不变，第二次导通的初始时刻也近似保持不变。
如图5所示，如果Ta控制的时间足够，励磁电感上的电流ILM将变为负，即反向维持一段时间，当钳位管第一次导通之后，在设定的较短时间Td内，在t4时刻，主功率管的漏端电压Vds被负电流泄放到0电位，同时在t4时刻，励磁电感电流为0，之后Vds又开始谐振，当前周期内钳位管第一次导通时间和初始导通时间Tdis之差，即为Ta被锁定，说明钳位管在Ta时间内产生的负电流足够泄放主功率管漏源寄生电容上的电荷。
而图6所示的波形表明了钳位管第一次关断时，不同关断时刻的负电流大小与关断后主功率管漏端电压的变化波形，其中，Vds表征主功率管的漏源电压，ILM表征励磁电感的电流，Sa表征钳位管的控制信号，钳位管都在ts0时刻开启，如果钳位管在ts1时刻关断，此时电感电流刚好到0，此时产生的负电流I_neg1也为0，关断后主功率管的漏端电压谐振波形与普通反激变换器的谐振波形无差异，谐振最低点电压为Vds1；如果钳位管在ts2时刻关断，此时产生一定程度的负电流I_neg2，在负电流的作用下，主功率管的漏端电压被泄放到一个比Vds1更低的电位Vds2，但Vds2仍比0电位要高；如果钳位管在ts3关断，此时产生的负电流I_neg3相比I_neg2而言更大，则在ts3关断之后，主功率管的漏端电压被泄放到一个更低的电位Vds3，Vds3刚好为0电位。可以近似认为，控制第一次导通后钳位管的关断时刻，可以用来寻找合适的负电流，为后面的第二次开通提供相对准确的导通时间参数。
本实施例中，所述第三步中，钳位管第一次导通和第二次导通在励磁电感上产生的负电流大小相等，持续时间相同，第一次导通与第二次导通的过程在稳态的每个周期中都存在，且互不重叠。
一种有源钳位反激拓扑中钳位管轻载导通控制电路，应用在一种有源钳位反激拓扑中钳位管轻载导通控制方法中，包括检测电路、第一导通时间控制模块、第二导通时间控制模块和驱动单元，检测电路，接受主功率管的漏源电压用来判断第一次钳位管导通后产生的负电流是否足够，产生使能信号EN控制调节第一导通时间，并根据主功率管的漏源电压产生初始导通时间。
如图9所示，检测电路一方面检测SW，即主功率管的漏端电压，产生Tdis并且检测第一次导通之后在Td时间内，SW电压是否下降到0电位附近，如果未下降到0，产生使能控制信号EN，控制第一导通单元控制下一周期钳位管晚关一段时间；如果下降到0，则锁存当前第一导通时间。另一方面，检测电路还检测初始导通时间Tdis；
检测电路包括电压信号SW，所述电压信号SW与JFET管QD0漏端相连，所述QD0源端与比较器CMP2正向输入端相连，所述比较器CMP2反向输入端与+100mV电压信号相连，所述比较器CMP2的输出与D触发器DFF1的数据输入端D端相连，所述DFF1的时钟输入端CLK与采样信号Td相连接，所述触发器DFF1的输出产生控制信号EN与第一导通控制模块的输入端相连接；所述电压信号SW还连接电容CS的上极板，所述电容CS的下极板与电阻Rs一端相连接，所述电阻Rs的另一端接地，所述电容CS的下极板还与比较器CMP1的反向输入端相连接，所述比较器CMP1的正向输入端与+10mV电压信号相连接，所述比较器CMP1的输出与NMOS管MN0的漏端相连接，所述NMOS管NM0的栅极和控制信号OFF_LEB相连接，所述NMOS管NM0的源极和地相连接，所述比较器CMP1的输出还和或非门Nor1的一个输入端相连接，所述或非门Nor1的另一个输入端与或非门Nor2的输出相连接，所述或非门Nor1的输出产生Tdis信号与第二导通控制模块的输入端相连，还和所述或非门Nor2的一个输入端相连接，控制信号SP_ON和控制信号OFF_LEB和或非门Nor3的两个输入端分别相连接，所述或非门Nor3的输出与所述或非门Nor2的另一个输入端相连接；
在图9中，CS和Rs构成一种简单的微分电路，微分电路的输出输入到比较器CMP1的反向输入端与+10mV基准电压进行比较，比较器的输出在OFF_LEB时间内被拉低，屏蔽比较器的输出；OFF_LEB时间之后，比较器正常输出比较信号。比较器CMP1的输出与或非门Nor1的输入端相连，Nor1和Nor2构成SR触发器，Nor1的输出为Tdis，SP_ON是主功率管的控制信号，OFF_LEB表征主功率管关断之后的一个较短的死区时间。通过检测SW的变化率确定续流到0的时间点，即电感电流到0的时刻，锁存后得到Tdis信号。SW还和JFET QD0的Drain端相连接，QD0的源端连接比较器CMP2的反向输入端，CMP2的正向输入端连接+100mV电压，比较器CMP2的输出与D触发器DFF1的Data端相连接，DFF1的CLK输入端连接Td控制信号，在Td的下降沿采样比较器CMP2的输出，得到EN信号。也就是说在Td时间内，若SW电压下降到参考阈值100mV以下，认为此时导通时间刚好产生足够负电流，EN为低，否则EN为高，控制下一周期第一导通控制模块继续调整第一导通时间；
图12给出了图9中一个周期内关键信号的工作波形，SW表征主功率管的漏端电压，SP_ON是主功率管的导通信号，OFF_LEB是主功率管关断后的死区控制信号，Tdis是检测单元的输出控制信号，Td是设定的检测时间信号，EN是检测模块的输出；在图12所示的这一周期内，Tdis在t_de3时刻开始，在t_de4时刻结束，经过一个Td的延时，SW电压并没下降到0，Td的下降沿采样比较器CMP2的输出结果为高，即EN为高，则下个周期的第一导通时间继续增加。
如图10所示，第一导通时间控制模块，输出第一次导通控制信号，并根据检测电路的反馈，调节第一导通时间，直至产生第二导通时间Ta，控制钳位管第二次导通；
第一次导通时间控制信号Tdis和PMOS管MP1的栅极相连接，所述Tdis信号还与NMOS管NM1的栅极相连接，所述Tdis信号还和或非门Nor5的一个输入端相连接，所述PMOS管MP1的源极和电流源Ic相连接，所述MP1的漏极和所述NMOS管NM1的漏极相连接，所述MP1的漏极还和电容CH1的上极板相连接，所述MP1的漏极还和或非门Nor4的一个输入端相连接，所述或非门Nor4的另一个输入端和所述或非门Nor5的输出相连接，所述或非门Nor5的另一个输入端与所述或非门Nor4的输出端相连接，所述电容CH1的下极板与地相连，所述NMOS管MN1的源极与地相连，所述控制信号EN和所述控制信号Tdis与双向计数单元CNT1输入端相连，所述双向计数器CNT1的输出控制电流源Ic在当前周期增加或减小，所述或非门Nor4的输出，为第一导通控制信号T1；
MP1和MP2的栅极连接控制信号Tdis，电流Ic对电容CH1进行充放电，EN控制双向计数单元CNT1控制充电电流Ic进行增加或减少，当增加时，第一导通控制信号T1变短；当减小时，第一导通控制信号T1变长；
如图11所示，第二导通时间控制模块，根据第一导通时间控制模块反馈的第一导通控制信号T1与初始导通时间Tdis，得到第二导通时间控制信号Ta，控制钳位管产生第二次导通控制信号，并根据Ta和上一周期主功率管的周期产生第二次钳位管导通与关断信号；
T1的反信号与Tdis或非逻辑产生第二导通控制信号Ta；
驱动单元，根据第一导通时间控制模块和第二导通时间控制模块产生的控制信号控制钳位管依次完成第一次导通和第二次导通；
如图9和图13所示，根据第一导通时间控制模块和第二导通时间控制模块产生的控制信号控制钳位管依次完成第一次导通和第二次导通；
第一导通控制模块的控制信号T1和第二导通控制模块的控制信号Ta经过或门OR1和反相器Inv3输入到LDMOS LD1和LD2的栅极，经过RD1和RD2产生电平转换信号送到RS触发器RS1的输入端，RD3和PD1和Cd1用来抑制共模噪声，同理PD2和RD4和Cd2也是一样用来抑制共模噪声，RS1的输出经过驱动缓冲DR1驱动有源钳位管的栅极，RS1和DR1的参考地电位接SW，参考电源电位接VB，其中，VB和SW之间还串接自举电容CB。
本实施例中，所述检测电路的输出端与第一导通时间控制模块的输入端连接，所述第一导通时间控制模块和检测电路的输出端与第二导通时间控制模块的输入端连接，所述第一导通时间控制模块和第二导通时间控制模块的输出端均与驱动单元的输入端连接，驱动单元的输出端和有源钳位管的栅极相连接。
以上显示和描述了本发明的基本原理和主要特征和本发明的优点，对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。
此外，应当理解，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。
Claims (6)
1.一种有源钳位反激拓扑中钳位管轻载导通控制方法，包括有源钳位反激电路，其特征在于：还包括轻载导通控制电路，所述轻载导通控制电路包括检测电路、第一导通时间控制模块、第二导通时间控制模块和驱动单元，检测电路和驱动单元均与有源钳位反激电路连接，所述控制方法具体包括以下步骤：
第一步：检测电路检测有源钳位反激电路轻载稳态下的续流时间，并设定该时间为初始导通时间和第一导通时间；
第二步：第一导通时间控制模块，根据检测电路设定的第一导通时间，通过驱动单元向钳位管输出初始导通控制信号，钳位管导通，检测电路检测主功率管的漏源电压在一定时间内是否下降到0，并根据结果，重新设定第一导通时间，或设定第二导通时间；
第三步：第二导通时间控制模块根据第一导通时间控制模块和检测电路反馈的第一导通时间和第二导通时间，通过驱动单元向钳位管输出两次导通控制信号，同时下一次主功率管开启，下一周期开始；
第四步：第三步周期性进行。
2.根据权利要求1所述的一种有源钳位反激拓扑中钳位管轻载导通控制方法，其特征在于：所述第二步中，检测电路检测主功率管的漏源电压在一定时间内是否下降到0，并根据结果，重新设定第一导通时间，或设定第二导通时间的具体过程为：检测电路检测钳位管第一次导通后，主功率管的漏源电压在一个较短的设定时间内是否下降到0，如果未下降到0，进行下一个周期的导通，且下个周期内钳位管的第一次导通持续时间增加一定延时，并设定该时间为下一周期的第一导通时间；若下降到0，则锁存该周期内第一导通时间和初始导通时间之差，即该周期内第一次导通中励磁电流下降到0的时刻与第一导通时间初始值的时间差，设定该时间差为第二导通时间。
3.根据权利要求1所述的一种有源钳位反激拓扑中钳位管轻载导通控制方法，其特征在于：所述第三步中，驱动单元向钳位管输出两次导通控制信号，使钳位管分别在主功率管关断后和下一次主功率管开启前导通，且两个导通时间段分别为第一导通时间与第二导通时间。
4.根据权利要求1所述的一种有源钳位反激拓扑中钳位管轻载导通控制方法，其特征在于：所述第三步中，钳位管第一次导通和第二次导通产生的负电流大小相等，负电流持续时间相同。
5.一种有源钳位反激拓扑中钳位管轻载导通控制电路，应用在权利要求1-4任一所述的一种有源钳位反激拓扑中钳位管轻载导通控制方法中，其特征在于：包括检测电路、第一导通时间控制模块、第二导通时间控制模块和驱动单元。
6.根据权利要求5所述的一种有源钳位反激拓扑中钳位管轻载导通控制电路，其特征在于：所述检测电路的输出端与第一导通时间控制模块的输入端连接，所述第一导通时间控制模块和检测电路的输出端均与第二导通时间控制模块的输入端连接，所述第一导通时间控制模块和第二导通时间控制模块的输出端均与驱动单元的输入端连接。
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