CN210120487U

CN210120487U - 钳位电路和反激变换器

Info

Publication number: CN210120487U
Application number: CN201920630508.8U
Authority: CN
Inventors: 刘春林; 王志勇; 俞建悦; 顾永德
Original assignee: MOSO POWER SUPPLY TECHNOLOGY Co Ltd
Current assignee: MOSO POWER SUPPLY TECHNOLOGY Co Ltd
Priority date: 2019-04-30
Filing date: 2019-04-30
Publication date: 2020-02-28
Anticipated expiration: 2029-04-30

Abstract

本实用新型实施例公开了一种钳位电路和反激变换器，反激变换器包括变压器、整流二极管、第一电容、第二电容、谐振电感、磁化电感、第一电阻、功率开关管和功率开关管对应的等效电容；钳位电路包括钳位开关管和钳位电容；电源工作时，当功率开关管导通后关断时，钳位电容用于从谐振电感中吸收由于功率开关管导通后关断产生的关断电压尖峰能量，并将关断电压尖峰能量回馈到电源侧。本实用新型实施例的钳位电路可以消除反激变换器的漏感引起的电压尖峰。

Description

钳位电路和反激变换器

技术领域

本实用新型涉及电子电路技术领域，具体涉及一种钳位电路和反激变换器。

背景技术

反激变换器具有电路拓扑结构简单，输入输出电气隔离，电压升/降范围宽，易于多路输出，可靠性高，性价比高等优点，在中小功率场合得到了广泛的应用。然而由于功率开关电压、电流应力大，变压器漏感的影响，反激变换器功率开关管关断时将引起较大的电压尖峰。

实用新型内容

本实用新型实施例提供一种钳位电路和反激变换器，可以消除反激变换器的漏感引起的电压尖峰。

本实用新型实施例第一方面，提供了一种钳位电路，所述钳位电路应用于反激变换器，所述反激变换器包括变压器、整流二极管、第一电容、第二电容、谐振电感、磁化电感、第一电阻、功率开关管和所述功率开关管对应的等效电容；所述钳位电路包括钳位开关管和钳位电容；其中：

所述第一电容的第一端连接所述钳位电容的第一端和所述谐振电感的第一端，所述钳位电容的第二端连接所述钳位开关管的漏极，所述钳位开关管的源极连接所述功率开关管的漏极和所述等效电容的第一端，所述功率开关管的源极和所述等效电容的第二端接地；所述谐振电感的第二端连接所述磁化电感的第一端和所述变压器的初级线圈的第一端，所述磁化电感的第二端连接所述初级线圈的第二端和所述钳位开关管的源极；所述变压器的次级线圈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第二电容的第一端和第一电阻的第一端，所述变压器的次级线圈的第二端、所述第二电容的第二端、所述第一电阻的第二端接地；所述第一电容的第一端连接电源的正端、所述第一电容的第二端连接所述电源的负端；

所述电源工作时，当所述功率开关管导通后关断时，所述钳位电容用于从所述谐振电感中吸收由于所述功率开关管导通后关断产生的关断电压尖峰能量，并将所述关断电压尖峰能量回馈到所述电源侧。

可选的，所述钳位电容包括至少两个钳位子电容，所述至少两个钳位子电容串联。

本实用新型实施例第二方面，提供了一种反激变换器，所述反激变换器包括变压器、整流二极管、第一电容、第二电容、谐振电感、磁化电感、第一电阻、功率开关管、所述功率开关管对应的等效电容、本实用新型实施例第一方面所述的钳位电路，所述钳位电路包括钳位开关管和钳位电容。

本实用新型实施例中提供一种钳位电路和反激变换器，反激变换器的电源工作时，当功率开关管导通后关断时，钳位电路中的钳位电容用于从谐振电感中吸收由于功率开关管导通后关断产生的关断电压尖峰能量，并将关断电压尖峰能量回馈到电源侧，从而可以消除反激变换器的漏感引起的电压尖峰。

附图说明

为了更清楚地说明本实用新型实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本实用新型的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本实用新型实施例公开的一种钳位电路的结构示意图；

图2是本申请实施例公开的一种反激变换器的原理波形图；

图3是本申请实施例公开的一种反激变换器的结构示意图。

具体实施方式

下面将结合本实用新型实施方式中的附图，对本实用新型实施方式中的技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施方式是本实用新型的一部分实施方式，而不是全部实施方式。基于本实用新型中的实施方式，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施方式，都应属于本实用新型保护的范围。

本实用新型实施例提供一种钳位电路和反激变换器，可以消除反激变换器的漏感引起的电压尖峰。以下分别进行详细说明。

请参阅图1，图1是本实用新型实施例公开的一种钳位电路的结构示意图。如图1所示，本实施例中所描述的钳位电路，该钳位电路10应用于反激变换器20，该反激变换器20包括变压器T1、整流二极管D1、第一电容C1、第二电容C2、谐振电感Lr、磁化电感Lm、第一电阻R1、功率开关管Q1和功率开关管Q1对应的等效电容Cr；该钳位电路10包括钳位开关管Q2和钳位电容Cc；其中：

第一电容C1的第一端连接钳位电容Cc的第一端和谐振电感Lr的第一端，钳位电容Cc的第二端连接钳位开关管Q2的漏极，钳位开关管Q2的源极连接功率开关管Q1的漏极和等效电容Cr的第一端，功率开关管Q1的源极和等效电容Cr的第二端接地；谐振电感Lr的第二端连接磁化电感Lm的第一端和变压器T1的初级线圈N1的第一端，磁化电感Lm的第二端连接初级线圈N1的第二端和钳位开关管Q2的源极；变压器T1的次级线圈N2的第一端连接整流二极管D1的正极，整流二极管D1的负极连接第二电容C2的第一端和第一电阻R1的第一端，变压器T1的次级线圈N2的第二端、第二电容C2的第二端、第一电阻R1的第二端接地；第一电容C1的第一端连接电源Ui的正端、第一电容C1的第二端连接电源Ui的负端；

电源Ui工作时，当功率开关管Q1导通后关断时，钳位电容Cc用于从谐振电感Lr中吸收由于功率开关管Q1导通后关断产生的关断电压尖峰能量，并将关断电压尖峰能量回馈到电源Ui侧。

其中，反激变换器20可以应用于开关电源中，反激变换器20也可以称为：有源箝位反激变换器。电源Ui为可以是交流电网。

功率开关管Q1、钳位开关管Q2可以是N型金属-氧化物-半导体(N-Metal-Oxide-Semiconductor，NMOS)场效应晶体管。功率开关管Q1、钳位开关管Q2可以在高电平导通，低电平关断。

其中，反激变换器20还包括功率控制器21，功率控制器21的控制端连接功率开关管Q1的栅极，功率控制器21用于控制功率开关管Q1的导通或关断。

功率控制器21可以输出脉冲宽度调制(Pulse Width Modulation，PWM)信号以控制功率开关管Q1的导通或关断。如图1所示，功率控制器21输出的信号为S。

其中，钳位电路10还包括钳位控制器11，钳位控制器11的控制端连接钳位开关管Q2的栅极，钳位控制器11用于控制钳位开关管Q2的导通或关断。

钳位控制器11可以输出脉冲宽度调制(Pulse Width Modulation，PWM)信号以控制钳位开关管Q2的导通或关断。如图1所示，钳位控制器11输出的信号为Sc。

可选的，钳位电容Cc包括至少两个钳位子电容，至少两个钳位子电容串联。通过多个钳位子电容串联，可以增加钳位电容Cc耐高压能力，能够更好的吸收由于功率开关管Q1导通后关断产生的关断电压尖峰能量。

其中，开关管由于生产工艺原因，一般都会有寄生二极管。如图1所示，功率开关管Q1对应的功率寄生二极管为Ds，Ds的正极连接功率开关管Q1的源极，Ds的负极连接功率开关管Q1的漏极。钳位开关管Q2对应的钳位寄生二极管为Dc，Dc的正极连接钳位开关管Q2的源极，Dc的负极连接钳位开关管Q2的漏极。

其中，功率控制器21，还用于在第一时间区间控制功率开关管Q1导通；

钳位控制器11，还用于在第一时间区间控制钳位开关管Q2关断；

在第一时间区间内，整流二极管D1关断，电源Ui对谐振电感Lr和磁化电感Lm线性充电。

其中，功率控制器21，还用于在第二时间区间控制功率开关管Q1关断；

在第二时间区间内，磁化电感Lm的磁化电流以谐振方式对等效电容Cr充电，以使功率开关管Q1的漏源极电压上升。

其中，钳位电路10还包括钳位寄生二极管Dc，钳位寄生二极管Dc的正极连接钳位开关管Q2的源极，钳位寄生二极管Dc的负极连接钳位开关管Q2的漏极；

功率控制器21，还用于在第三时间区间控制功率开关管Q1关断；

钳位控制器11，还用于在第三时间区间控制钳位开关管Q2关断；

在第三时间区间内，当功率开关管Q1的漏源极电压上升至第一电压阈值时，钳位寄生二极管导通，将谐振电感Lr和磁化电感Lm组成的串联支路的电压钳位在第二电压阈值，磁化电感Lm的磁化电流通过谐振电感Lr、磁化电感Lm、钳位寄生二极管对钳位电容进行充电，以使初级线圈两端的电压下降。

其中，功率控制器21，还用于在第四时间区间控制功率开关管Q1关断；

钳位控制器11，还用于在第四时间区间控制钳位开关管Q2从关断到导通；

其中，在第四时间区间内，当初级线圈N1两端的电压U1下降至第三电压阈值时，整流二极管D1导通，初级线圈N1两端的电压U1被钳位至第四电压阈值，谐振电感Lr与钳位电容Cc开始谐振；

钳位控制器11，具体用于在钳位电容Cc的电流开始反向之前控制钳位开关管Q2从关断到导通，以使钳位开关管Q2获得零电压开通ZVS。

其中，功率控制器21，还用于在第五时间区间控制功率开关管Q1关断；

钳位控制器11，还用于在第五时间区间控制钳位开关管Q2关断；

在第五时间区间内，谐振电感Lr与等效电容Cr谐振。

其中，功率控制器21，还用于在第六时间区间控制功率开关管Q1关断；

钳位控制器11，还用于在第六时间区间控制钳位开关管Q2关断；

在第六时间区间内，谐振电感Lr上的电压变钳位在第五电压阈值；

功率控制器21，还用于在第七时间区间控制功率开关管Q1零电压开通ZVS；

钳位控制器11，还用于在第七时间区间控制钳位开关管Q2关断。

请参阅图2，图2是本申请实施例公开的一种反激变换器的原理波形图。下面结合图2阐述反激变换器20的工作原理。

其中，图2中的S为功率控制器21输出的用于控制功率开关管Q1的信号；Sc为钳位控制器11输出的用于控制钳位开关管Q2的信号；Uo为第一电阻R1两端的电压；Ucr为等效电容Cr两端的电压，i_Lm为磁化电感Lm的电流值；电源Ui两端的电压为Ui；U1为初级线圈N1两端的电压；i_Lr为谐振电感Lr的电流值；I_sp为功率开关管Q1的峰值电流；i_c为钳位电容Cc中的电流，Uc为钳位电容Cc两端的电压；i₂为整流二极管D1的电流。

在反激变换器20稳态工作时，每个开关周期分为七个开关状态阶段，各开关状态等值电路如图所示。七个开关状态为：

①t＝t0～t1(即第一时间区间)；t0时刻，S为高电平，功率开关管Q1开通，Sc为低电平，箝位开关管Q2及其寄生二极管Dc与整流二极管D1均截止，Lm与Lr线性充电。

②t＝t1～t2(即第二时间区间)；t1时刻，S为低电平，功率开关管Q1关断，磁化电感电流i_Lm即谐振电感电流i_Lr以谐振方式对Cr充电，功率开关管Q1的漏源电压U_DS近似线性上升。

③t＝t2～t3(即第三时间区间)；t2时刻，功率开关管Q1的漏源电压U_DS上升到Ui+U_C，钳位寄生二极管Dc开通，将磁化电感Lr和谐振电感Lm组成的串联支路端电压箝位在钳位电容Cc两端的电压Uc≈U0(N1/N2)，磁化电感电流i_Lm通过箝位支路对钳位电容Cc充电(Cc>Cr)，初级线圈N1两端的电压U1下降为U1＝-U_CLm/(Lr+Lm)。

④t＝t3～t4(即第四时间区间)；t3时刻，U1已经下降到使整流二极管D1正偏导通，随后U1箝位在-Uo(N1/N2)，Lr和Cc开始谐振，Lr上的电压为Uc-Uo(N1/N2)，i_c下降为[UC-Uo(N1/N2)]/Lr，在i_c开始反向之前开通箝位开关管Q2，箝位开关管Q2便获得了零电压开通(ZVS)。

⑤t＝t4～t5(即第五时间区间)；t4时刻，箝位开关管Q2关断，Lr与Cr谐振，在Cr放电期间U1仍然被箝位在-Uo(N1/N2)值上。

⑥t＝t5～t6(即第六时间区间)；t5时刻，功率开关管Q1的漏源电压U_DS＝0，假定Lr储能大于Cr储能，足以使功率开关管Q1对应的功率寄生二极管Ds开通，Lr上电压箝位在Ui+Uo(N1/N2)值上，则整流二极管D1中电流i₂下降速率为：

其中，Lm>>Lr；

⑦t6～t7(即第七时间区间)；t6时刻功率开关管Q1获得了零电压ZVS开通，随着i_Lr上升，i₂逐渐下降，t7时刻i_Lr已上升到磁化电流i_Lm的大小，i₂＝0，整流二极管D1反偏，U1由-Uo(N1/N2)变为Ui，随后Lm和Lr再次线性充电，新的PWM开关周期又开始了。

要实现功率开关管Q1的ZVS开通，必须满足：①功率控制器21应在t5～t6期间加高电平驱动信号，以使功率开关管Q1导通，否则i_Lr过零变正后，Lr将再次对Cr充电，功率开关管Q1便失去了ZVS条件。功率开关管Q1开通与钳位开关管Q2关断的间隔应有严格要求，其值应不超过Lr和Cr谐振周期的四分之一，即

②钳位开关管Q2关断时Lr储能应不小于Cr储能，以便能将Cr上电荷抽尽，即：

当钳位开关管Q2关断时，W_Lr≥W_Cr

由上述分析可知，有源箝位反激变换器具有下列优点：①箝位电容Cc将变压器T漏感中能量吸收并回馈到电网侧，消除了漏感引起的关断电压尖峰，功率开关管Q1承受最小电压应力；②箝位电容Cc和谐振电容Cr与谐振电感Lr谐振，使功率开关管Q1和钳位开关管Q2均获得了ZVS开关；③谐振电感Lr使整流二极管D1关断电流变化率减小，降低了整流二极管D1反向恢复引起的关断损耗和开关噪声。

磁化电感Lm的大小决定了反激变换器处于连续导通模式(ContinuousConduction Mode，CCM)还是处于非连续导通模式(Discontinuous Conduction Mode，DCM)。若***工作在CCM模式，则

其中，P_φ为电感电流临界连续时输出功率，Fs为开关频率；η为反激变换器的变换效率，D为功率控制器21输出的用于控制功率开关管Q1的信号S的占空比；△D为信号S的丢失的占空比。

基于电流控制有源箝位反激变换器机内稳压电源设计实例：Ui＝18～32VDC，三组输出Uo/Io＝+15V/1.0A、-15V/0.2A、+5V/0.4A，额定输出功率20W，FS＝300KHz，Dmax＝0.6，η＝78.5％，临界连续功率Po，min＝1/6Pomax，Lm＝52.3μH，Lr＝2μH，Cc＝0.47μF，Cf＝100μF，功率开关管Q1与箝位开关管Q2均选用IRF530。+15V、-15V、+5V三组输出整流二极管分别为SR506、1N5819、1N5819，控制电路采用电流型PWM控制器(比如，UC3843)。

请参阅图3，图3是本申请实施例公开的一种反激变换器的结构示意图。如图3所示，该反激变换器包括输入回路、功率变换器和输出回路。其中，功率变换器可以包括有源钳位电路，高频变压器和主功率开关。其中，有源钳位电路可以参见图1所示的钳位电路10，高频变压器和主功率开关可以参见图1所示的反激变换器20。此处不再赘述。

以上对本实用新型实施例所提供的一种钳位电路和反激变换器进行了详细介绍，本文中应用了具体个例对本实用新型的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本实用新型的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本实用新型的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说明书内容不应理解为对本实用新型的限制。

Claims

1.一种钳位电路，其特征在于，所述钳位电路应用于反激变换器，所述反激变换器包括变压器、整流二极管、第一电容、第二电容、谐振电感、磁化电感、第一电阻、功率开关管和所述功率开关管对应的等效电容；所述钳位电路包括钳位开关管和钳位电容；其中：

所述电源工作时，当所述功率开关管导通后关断时，所述钳位电容用于从所述谐振电感中吸收由于所述功率开关管导通后关断产生的关断电压尖峰能量，并将所述关断电压尖峰能量回馈到所述电源侧；

所述反激变换器还包括功率控制器，所述功率控制器的控制端连接所述功率开关管的栅极，所述功率控制器用于控制所述功率开关管的导通或关断；

所述钳位电路还包括钳位控制器，所述钳位控制器的控制端连接所述钳位开关管的栅极，所述钳位控制器用于控制所述钳位开关管的导通或关断。

2.根据权利要求1所述的钳位电路，其特征在于，

所述功率控制器，还用于在第一时间区间控制所述功率开关管导通；

所述钳位控制器，还用于在所述第一时间区间控制所述钳位开关管关断；

其中，在所述第一时间区间内，所述整流二极管关断，所述电源对所述谐振电感和所述磁化电感线性充电。

3.根据权利要求2所述的钳位电路，其特征在于，

所述功率控制器，还用于在第二时间区间控制所述功率开关管关断；

其中，在所述第二时间区间内，所述磁化电感的磁化电流以谐振方式对所述等效电容充电，以使所述功率开关管的漏源极电压上升。

4.根据权利要求3所述的钳位电路，其特征在于，所述钳位电路还包括钳位寄生二极管，所述钳位寄生二极管的正极连接所述钳位开关管的源极，所述钳位寄生二极管的负极连接所述钳位开关管的漏极；

所述功率控制器，还用于在第三时间区间控制所述功率开关管关断；

所述钳位控制器，还用于在所述第三时间区间控制所述钳位开关管关断；

其中，在所述第三时间区间内，当所述功率开关管的漏源极电压上升至第一电压阈值时，所述钳位寄生二极管导通，将所述谐振电感和所述磁化电感组成的串联支路的电压钳位在第二电压阈值，所述磁化电感的磁化电流通过所述谐振电感、所述磁化电感、所述钳位寄生二极管对所述钳位电容进行充电，以使所述初级线圈两端的电压下降。

5.根据权利要求4所述的钳位电路，其特征在于，

所述功率控制器，还用于在第四时间区间控制所述功率开关管关断；

所述钳位控制器，还用于在所述第四时间区间控制所述钳位开关管从关断到导通；

其中，在所述第四时间区间内，当所述初级线圈两端的电压下降至第三电压阈值时，所述整流二极管导通，所述初级线圈两端的电压被钳位至第四电压阈值，所述谐振电感与所述钳位电容开始谐振；

所述钳位控制器，具体用于在所述钳位电容的电流开始反向之前控制所述钳位开关管从关断到导通，以使所述钳位开关管获得零电压开通ZVS。

6.根据权利要求5所述的钳位电路，其特征在于，

所述功率控制器，还用于在第五时间区间控制所述功率开关管关断；

所述钳位控制器，还用于在所述第五时间区间控制所述钳位开关管关断；

其中，在所述第五时间区间内，所述谐振电感与所述等效电容谐振。

7.根据权利要求6所述的钳位电路，其特征在于，

所述功率控制器，还用于在第六时间区间控制所述功率开关管关断；

所述钳位控制器，还用于在所述第六时间区间控制所述钳位开关管关断；

其中，在所述第六时间区间内，所述谐振电感上的电压变钳位在第五电压阈值；

所述功率控制器，还用于在第七时间区间控制所述功率开关管零电压开通ZVS；

所述钳位控制器，还用于在所述第七时间区间控制所述钳位开关管关断。

8.一种反激变换器，其特征在于，所述反激变换器包括如权利要求1～7任一项所述的钳位电路。