CN218071319U

CN218071319U - 一种源极驱动的反激变换器

Info

Publication number: CN218071319U
Application number: CN202221885396.9U
Authority: CN
Inventors: 申志鹏; 王志文; 翁斌
Original assignee: Mornsun Guangzhou Science and Technology Ltd
Current assignee: Mornsun Guangzhou Science and Technology Ltd
Priority date: 2022-07-20
Filing date: 2022-07-20
Publication date: 2022-12-16
Anticipated expiration: 2032-07-20

Abstract

本实用新型涉及开关电源领域，公开了一种源极驱动的反激变换器，用于宽电压输入的开关电源，其在现有源极驱动电路的基础上增加辅助供电电路，辅助供电电路包括：辅助绕组、开关单元和储能电容；储能电容能通过辅助绕组和开关单元给变压器原边绕组反向激磁，使得原边绕组产生负向电流，通过驱动辅助绕组中的开关单元在原边开关管导通之前先行导通一段时间，利用原边绕组的反向励磁能量为原边开关管实现ZVS提供条件，从而原边电路的电流会过零翻转，以便实现原边开关管的零电压开通。本实用新型可以实现开关管的ZVS，提升开关电源的效率。

Description

一种源极驱动的反激变换器

技术领域

本实用新型涉及开关电源设计领域，特别涉及一种源极驱动的反激变换器。

背景技术

近年来，随着光伏储能行业和高压输电等行业的快速发展，其配电***的输入电压高达几千伏，现有的传统变换器很难有合适的高压管来满足设计需求，因此市面上出现一些将多个MOS管串联起来拓宽输入电压的拓扑，但是这些拓扑需要确保多个MOS管开通的一致性，因此需要加入驱动变压器来进行同步驱动，而驱动变压器的加入，无疑会增加***的成本和体积，不利于***小体积、高功率密度的发展方向。而源极驱动的主要原理是将MOS管的栅极电压固定在一定的数值，通过改变其源极电压从而控制MOS管的开关状态，在拓宽输入电压的同时，无需使用驱动变压器，因此可以大大减小电源***的体积。

现有的源极驱动电路参考图1，主要包括开关管Q1、开关管Q2、电阻R1、钳位电容C1、稳压管Z1、稳压管Z2、变压器T1及输出电路，由于功率开关管导通时的漏源极电压不为零，因此开关管Q1和开关管Q2两端流过的电压和流过的电流有明显的交叠区，在此交叠区产生的开关损耗会造成***效率低和开关管发热的问题，且随着开关频率的增加，开关管的温升会进一步加剧，因此限制了开关电源的高频化发展，同时难以缩小***的体积和功率密度提升，若能让源极驱动电路在开关管导通之前漏源极两端电压降为零，消除在开通过程中电压与电流的交叠区，实现开关管的ZVS开通，则可以大大提升源极驱动变换器的***性能。

现有的软开关实现方法通常是利用电感和电容产生谐振，来获取负向电流，从而实现开关管的ZVS，但是该控制方式通常采用变频控制，实现起来比较复杂，且较易受到电路中的寄生参数(电感、电容等)的影响。

实用新型内容

有鉴于此，本实用新型要解决的技术问题是提供一种源极驱动的反激变换器，主要应用于宽压输入下的开关电源，有效降低开关管的开关损耗，提升开关电源的效率。

本实用新型的目的是通过以下技术方案实现的：

一种源极驱动的反激变换器，应用于宽电压输入的开关电源，包括电阻R1、电容C1、电容C2、开关管Q1、开关管Q2、二极管D1、稳压管Z1、稳压管Z2和变压器T1；

电阻R1的第一端连接输入端的正极和变压器T1的原边绕组P1的同名端，电阻R1的第二端连接稳压管Z1的阴极、电容C1的第一端、稳压管Z2的阴极和开关管Q1的栅极，稳压管Z1的阳极连接电容C1的第二端和原边输入地，变压器的原边绕组P1的异名端连接开关管Q1的漏极，开关管Q1的源极连接开关管Q2的漏极和稳压管Z2的阳极，开关管Q2的漏极连接原边输入地；变压器T1的副边绕组S1的异名端连接二极管D1的阳极，二极管D1的阴极连接电容C2的第一端和输出端的正极，变压器副边绕组S1的同名端连接电容C2的第二端和输出端的负极；

还包括：变压器T1的辅助绕组S2、开关单元和电容C3，变压器T1的辅助绕组S2的异名端连接电容C3的第一端，变压器T1的辅助绕组S2的同名端连接开关单元的第一端，开关单元的第二端连接电容C3的第二端和副边输出地。

优选地，所述开关单元包括开关W1和二极管D2，开关W1的一端连接二极管D2的阴极同时作为开关单元的第一端，开关W2的另一端连接二极管D2的阳极同时作为开关单元的第二端。

优选地，所述开关单元为MOS管Q3，MOS管Q3的漏极作为开关单元的第一端，MOS管Q3的源极作为开关单元的第二端。

还包括：变压器T1的辅助绕组S2、开关W1、二极管D2和电容C3，变压器T1的辅助绕组S2的异名端连接电容C3的第一端，变压器T1的辅助绕组S2的同名端连接开关W1的一端和二极管D2的阴极，开关W1的另一端连接二极管D2的阳极、电容C3的第二端和副边输出地。

还包括：变压器T1的辅助绕组S2、MOS管Q3和电容C3，变压器T1的辅助绕组S2的异名端连接电容C3的第一端，变压器T1的辅助绕组S2的同名端连接MOS管Q3的漏极，MOS管Q3的源极连接电容C3的第二端和副边输出地。

本实用新型的工作原理后面会结合具体实施例进行详细说明，此处不赘述，与现有技术相比，本实用新型具有如下有益效果：

1、本实用新型通过增加辅助绕组、开关单元和储能电容，储能电容能通过辅助绕组和开关单元给变压器原边绕组反向激磁，使得原边绕组产生负向电流，通过驱动辅助绕组中的开关单元在原边开关管导通之前先行导通一段时间，利用原边绕组的反向励磁能量为原边开关管实现ZVS提供条件，以实现原边开关管的ZVS，减小开关管损耗和降低开关管温升，解决高压输入开关电源产品中对开关管耐压选型苛刻、开关管开通损耗大、***效率低，无法高频化的问题，提升开关电源***的性能。

2、本实用新型的辅助绕组还可用于输入供电电源，当采用供电电源VCC供电时，供电电源VCC的绕组和辅助绕组复用，无需增加变压器绕组即可实现原边开关管的软开关。

3、本实用新型辅助绕组上的器件均为低压器件，器件选型简单。

附图说明

图1为现有的源极驱动电路的原理图；

图2为本实用新型源极驱动的反激变换器第一实施例的原理图；

图3为本实用新型源极驱动的反激变换器的控制时序图；

图4为本实用新型源极驱动的反激变换器第二实施例的原理图；

图5为本实用新型源极驱动的反激变换器第三实施例的原理图；

图6为本实用新型源极驱动的反激变换器第四实施例的原理图。

具体实施方式

第一实施例

图2为本实用新型源极驱动的反激变换器第一实施例原理图，其电路包括电阻R1、电容C1、电容C2、开关管Q1、开关管Q2、二极管D1、稳压管Z1、稳压管Z2和变压器T1；

电阻R1的第一端连接输入端的正极和变压器T1的原边绕组P1的同名端，电阻R1的第二端连接稳压管Z1的阴极、电容C1的第一端、稳压管Z2的阴极和开关管Q1的栅极，稳压管Z1的阳极连接电容C1的第二端和原边输入地，变压器的原边绕组P1的异名端连接开关管Q1的漏极，开关管Q1的源极连接开关管Q2的漏极和稳压管Z2的阳极，开关管Q2的漏极连接原边输入地，开关管Q2的栅极连接PWM IC；变压器T1的副边绕组S1的异名端连接二极管D1的阳极，二极管D1的阴极连接电容C2的第一端和输出端的正极，变压器副边绕组S1的同名端连接电容C2的第二端和输出端的负极；

还包括：变压器T1的辅助绕组S2、开关W1、二极管D2和储能电容C3，变压器T1的辅助绕组S2的异名端连接储能电容C3的第一端，变压器T1的辅助绕组S2的同名端连接开关W1的一端和二极管D2的阴极，开关W1的另一端连接二极管D2的阳极、储能电容C3的第二端和副边输出地。

在本实施例中，通过驱动辅助绕组S2中的开关W1在原边开关管导通之前先行导通一段时间，以给储能电容C3充电，然后储能电容C3存储的能量再通过辅助绕组S2和开关W1给变压器T1的原边绕组P1反向激磁，使得原边绕组P1产生负向电流，以实现原边开关管Q1和开关管Q2的零电压开通，其中的开关W1也可以为继电器、三极管、晶闸管或者IGBT等。

本实施例源极驱动的反激变换器的工作原理为：

在PWM IC给出的控制信号为高电平时，开关管Q2导通，开关管Q1的源极电压被拉低，而开关管Q1的栅极电位维持不变，由于开关管Q1的栅-源极电压Vgs增大，当达到开关管Q1的开通阈值电压Vth时，开关管Q1被动导通。

当PWM IC给出的控制信号为低电平时，开关管Q2关断，开关管Q1的源极电位逐渐抬高，而开关管Q1的栅极电位不变，开关管Q1的栅-源极电压Vgs逐渐减小，直到开关管Q1的阈值电压低于关断阈值电压时，开关管Q1开始截止。

本实施例的控制时序如图3所示，图3中Q2为开关管Q2的驱动信号波形；W1为开关W1的驱动信号波形；iL为流过原边绕组P1的电流波形。

激磁阶段：在t0-t1时刻，PWM IC给主开关管Q2一个高电平信号，开关管Q2导通，开关管Q1的源极电位被拉低，开关管Q1的栅极电压维持不变，开关管Q1的Vgs增大，当达到Q1的开通电压Vth时，开关管Q1被动导通，原边绕组P1进行储能；t1时刻，开关Q2关断，开关管Q1的源极电压上升，开关管Q1被动关断。

去磁阶段：在t1-t2时刻，原边绕组S1通过副边绕组S2和二极管D1进行去磁，同时通过二极管D2给储能电容C3进行充能；t2时刻，原边绕组S1在激磁阶段存储的能量释放完毕，流过绕组电感S1的励磁电流iL过零。

反向激磁阶段：在t2-t3时刻，开关管Q1和Q2、辅助开关W1和二极管D1均不工作，变压器原边绕组S1两端电压不再被钳位，因此原边绕组S1的电压与线路中的的一些寄生参数(电感、电容)开始谐振；t3时刻，辅助开关W1开通，则储能电容C3存储的能量通过辅助开关W1给辅助绕组S2进行反向激磁；在t4时刻，辅助开关W1关断。

ZVS阶段：在t4-t5这段死区时间内，反向电流抽走开关管Q1和Q2的寄生电容的能量，其内部寄生体二极管导通，在t5时刻，开关管Q1和Q2开通，此时，开关管Q1和Q2实现ZVS开通。

第二实施例

图4为本实用新型源极驱动的反激变换器第二实施例的原理图，与第一实施例相比，不同之处在于：本实施例中，开关管Q3用来代替第一实施例中的二极管D2和辅助开关W1，开关管Q3为MOS管，变压器T1的辅助绕组S2的同名端连接MOS管Q3的漏极，MOS管Q3的源极连接电容C3的第二端和副边输出地。

本实施例与第一实施例工作原理的主要区别为：第一实施例在主开关管Q1和Q2关断时，其原边绕组S1存储的能量通过二极管D2给储能电容C3进行充电，在辅助开关W1导通时，储能电容C3存储的能量通过辅助开关W1给辅助绕组S2进行反向激磁；而本实施例中，在储能电容C3充电阶段，通过开关管Q3的体二极管给储能电容C3进行充电，在开关管Q3导通时，储能电容C3存储的能量通过开关管Q3给辅助绕组S2进行反向激磁，本实施例的其它工作过程与第一实施例相同，在此不再叙述。

第三实施例

图5为本实用新型源极驱动的反激变换器第三实施例的原理图，与第一实施例相比不同之处在于：

变压器T1的辅助绕组S2的异名端连接储能电容C3的第一端，同时还连接VCC输出端口，储能电容C3的第二端连接VCC地。本实施例的辅助绕组S2除了给实现原边开关管Q1和Q2的ZVS创造条件外，还可以作为辅助供电绕组，以为其它电路供电，进一步的减小体积，降低成本。本实施例的其它工作过程与第一实施例相同，在此不再叙述。

第四实施例

图6为本实用新型源极驱动的反激变换器第四实施例的原理图，与第二实施例相比，不同之处在于：

以上仅是实用新型的实施方式，需要特别指出的是，上述实施方式不应视为对实用新型的限制，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本实用新型的精神和范围内，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本实用新型的保护范围。

Claims

1.一种源极驱动的反激变换器，包括电阻R1、电容C1、电容C2、开关管Q1、开关管Q2、二极管D1、稳压管Z1、稳压管Z2和变压器T1；

其特征在于,还包括：变压器T1的辅助绕组S2、开关单元和电容C3，变压器T1的辅助绕组S2的异名端连接电容C3的第一端，变压器T1的辅助绕组S2的同名端连接开关单元的第一端，开关单元的第二端连接电容C3的第二端和副边输出地。

2.根据权利要求1所述的源极驱动的反激变换器，其特征在于：所述开关单元包括开关W1和二极管D2，开关W1的一端连接二极管D2的阴极同时作为开关单元的第一端，开关W2的另一端连接二极管D2的阳极同时作为开关单元的第二端。

3.根据权利要求1所述的源极驱动的反激变换器，其特征在于：所述开关单元为MOS管Q3，MOS管Q3的漏极作为开关单元的第一端，MOS管Q3的源极作为开关单元的第二端。

4.一种源极驱动的反激变换器，包括电阻R1、电容C1、电容C2、开关管Q1、开关管Q2、二极管D1、稳压管Z1、稳压管Z2和变压器T1；

其特征在于，还包括：变压器T1的辅助绕组S2、开关W1、二极管D2和电容C3，变压器T1的辅助绕组S2的异名端连接电容C3的第一端，变压器T1的辅助绕组S2的同名端连接开关W1的一端和二极管D2的阴极，开关W1的另一端连接二极管D2的阳极、电容C3的第二端和副边输出地。

5.一种源极驱动的反激变换器，包括电阻R1、电容C1、电容C2、开关管Q1、开关管Q2、二极管D1、稳压管Z1、稳压管Z2和变压器T1；

其特征在于，还包括：变压器T1的辅助绕组S2、MOS管Q3和电容C3，变压器T1的辅助绕组S2的异名端连接电容C3的第一端，变压器T1的辅助绕组S2的同名端连接MOS管Q3的漏极，MOS管Q3的源极连接电容C3的第二端和副边输出地。