一種實現開關電源零電壓開關轉換的電路的製作方法
2023-05-27 10:22:21 1
專利名稱：一種實現開關電源零電壓開關轉換的電路的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種實現開關電源零電壓開關轉換的電路新設計，採用吸收電容單向充放電及其控制電路實現。
背景技術：
開關電源(SPS)代表著直流電源的發展方向，已廣泛應用到生產生活各個方面，目前正在向高頻化、高效化、小型化及更好的電磁兼容(EMC)效果發展。為達到上述要求，採用零電壓開關(ZVS)、零電流開關(ZCS)即所謂的諧振軟開關技術以及場效應管代替二極體的同步整流技術成為有效手段。但是現行的軟開關技術及同步整流技術電路結構複雜，設計、製作及調試難度大，並且一般要用專門IC控制使成本提高，所以只用在大功率SPS方面。附圖1是開關電源方框原理圖，附圖2是給出一款目前實用的RCC反激式開關電源電路原理圖及穩態工作時開關管Q1漏極電壓和變壓器TR初次級電流i1、i2波形。圖2中Q1在a點導通，直流電壓Vh加在初級繞組n1上，TR磁路中建立磁場能量，受控制電路調節作用，Q1在b點關斷；Vd由接近0V以較大斜率躍開到c點。Vd在c點形成一個漏感尖峰，幾周阻尼振蕩後過渡到穩態值Vh+Vr(Vr為n2整流輸出時在n2上感應的反射電壓)。在d點磁場能量從次級釋放完畢，TR繞組n1、n2、n3上同名端為正的感應電壓迅速下降。n3及R4、C4的作用使Q1在e點轉變為導通狀態，開始下一周振蕩。bc段上升斜率R1及de段下降斜率，R2可通過改變元件參數調節。但斜率太小會顯著增加Q1開關損耗，太大又會產生很強的電磁幹擾(EMI)。所以R1、R2要有一個適中範圍，致使Q1在b點產生一定關斷損耗。在de段由於漏極電壓不為0使Q1導通時產生一定開通損耗。D1、R3、C3組成的漏感吸收網絡也會消耗掉大部分漏感能量及一部分互感能量。Q1開通與關斷時快速變化的Vd及i1、i2波形是產生EMI的直接原因，增加了SPS在EMC方面的成本，限制了SPS的使用範圍；同時也增加了次級採用同步整流電路的複雜性及降低了可靠性，使同步整流技術變得不現實。這些缺點阻礙了SPS進一步提高工作頻率及效率、減小體積、降低EMI。
發明內容
本發明所設計出的電路用幾個分立元件就能可靠實現SPS開關管的ZVS轉換和SPS工作狀態，即開關管及變壓器初次級電壓、電流得到根本改善，可顯著提高效率、降低電磁幹擾(EMI)，並為使用簡單可靠的同步整流電路創造了條件。
本發明所設計的開關電源電路如圖3所示，它包括有整流電路、開關管、隔離變壓器、整流濾波，電壓電流採樣比較放大、光電耦合、誤差信號比較放大保護控制驅動電路。新設計的漏感吸收網絡電路為吸收電容C1負端與Q2源極及D2(可以是Q2本體二極體)陽極相連，C1正端(既網絡A端)與變壓器初級繞組一端相連，Q2漏極及陰極(既網絡B端)與初級繞組另一端相連，C2與R1並聯一端接網絡A端，另一端接D3陽極及D5陰極，D3陰極接Q2門極，D5陽極接Q2源極，穩壓管Z1與C3(可以是Q2門極對源極漏極分布電容)並聯，其陰極接Q2門極，陽極接Q2源極；D4陽極接Q2門極，陰極接網絡A端。本發明所提出的吸收電容單向充放電網絡也可應用於DC-DC不隔離升壓變換器中實現開關管ZVT轉換；升壓電感相當於變壓器初級繞組，工作原理類似。
對開關電源的漏感吸收網絡電路作了這樣的設計後，由於C1及C2可選用較大容量，Vd波形及TR初次極電流波形在開關轉換時變化速率大大降低，EMI得到根本改善；同時降低了次極採用同步整流電路的要求，同步整流變得簡單可靠。綜上所述，本發明為開關電源大幅提高效率降低電磁幹擾，從而實現高頻化、小型化及電磁兼容優化提供了一種新的方法。
附圖1為開關電源方框原理圖。
附圖2為目前的RCC反激式開關電源原理圖及穩態工作時開關管Q1和變壓器TR初次級及電流i1、i2波形。
附圖3為本發明所設計的電路原理圖和開關管Q2穩態工作時漏極電壓Vd點波行圖。
具體實施例方式本發明所設計的開關電源電路如圖3所示，它包括有整流電路、開關管、隔離變壓器、整流濾波，電壓電流採樣比較放大、光電耦合、誤差信號比較放大保護控制驅動電路，新設計了漏感吸收網絡電路。圖3中D1、D2分別為Q1、Q2的本體快恢復二極體，當開關管不存在本體二極體時可外接二極體代替。C3為非必須元件，當不外設此電容時C3代表Q2門極對源極漏極分布電容，此時C2參數要相應調整。同樣C4為非必須元件，當不外設次電容時C4代表Q1漏極對源極門極分布電容。從g點開始Q1導通。TR建立一定磁場能量後在a點Q1立刻關斷，由於C4的存在自然可以實施Q1的極快速ZVS關斷，Q1關斷損耗很小，C4可使Vd在ab段以較小斜率上開，大大減小了ENI。Vd在b點上開到Vh，吸收電C1也開始從約OV充電，bc段斜率更小。n1漏感的存在使Vd小幅過充到C點並經阻尼振蕩過渡到穩態值Vh+Vr，Vr為n2整流輸出時在n1感應的反射電壓。b點到c點過程中，C1上電壓同時施加到C2、D3、C3串聯支路上，C3將充電到適當電壓使Q2處於導通狀態，當Vr＝110V時C3電壓約10V。Z1起限幅作用保護Q2；R1上小電流經D3補充Z1漏電使C3電壓穩定。Vd到d點時磁場能量從n2釋放完畢，C1開始經Q2、n1放電，C4也隨之經n1、Vh放電。到e點C1電壓降到0，電場能量轉化為TR磁場。在C1電壓降到C3電壓時，C3經D4放電至約0V並將Q2關斷，C2則通過D5放電。可見在e點Vd＝Vh，Q2關斷；從而使C1實現單向充放電，而且只能在下正上負的單向電壓條件下充放電，這是Q1實現ZVS導通的關鍵，在e點Vd＝Vh，n1電流向上，對應的磁場能量12C1Vr2+12C4(Vh+Vr)2-12C4Vh2-C4Vr]]>Vh；此後n1中的勵磁電流將磁場能量及C4中的電場能量轉化反饋到直流高壓電源Vh中，Vd也隨之下降。從e點到f點Vd降到0V時，Vh得到的能量為C4Vh2，而C4釋放的能量為 。所以只要合理設計電路參數使能量12C1Vr2+12C4(Vh+Vr)2-12C4Vh2-C4VrVh>C4Vh2]]>，既滿足C1Vr2＞C4Vh2-C4Vr2就可使Vd降到0V後n1中仍有向上的電流存在，則D1將起到續流作用，Vd降到約-0.7V。這樣在g點就可實施Q1的ZVS及ZCS開通，開通損耗為0。圖3中控制電路CTL為一個5端網絡，其作用描述如下1端接地；2端為穩壓反饋及初極限流控制端，其電位由初級電流及光耦電流決定，用於調Q1導通時間實現輸出穩壓及限流；3為控制輸出端；對地有導通、截止兩種狀態，用來驅動Q1的開關轉換；4為Vd電位檢測端；5端接輔助電源C5正極。當5端電位為0V時，3對地呈截止狀態，這樣在接通交流輸入時Q1能通過R3啟動振蕩；當5端不為0V時(電源啟動振蕩後C5建立電壓)，則一旦3對地導通將Q1關斷後，只有4端檢測到Vd為負電位時才使3對地轉為截止，Q1方能實現ZVS開通。控制電路功能只用幾個分立元件就可以作成。圖3中f點以後n1中向上的電流很快下降為0並開始向下增加建立磁場，電開始下一周期工作。電路中元器件的型號和數據在電路中已標出，不再說明。
權利要求
1.一種開關電源零電壓開關轉換的電路，採用吸收電容單向充放電及其控制方法實現，它包括有整流電路、開關管、隔離變壓器、整流濾波、電壓電流採樣比較放大、光電耦合、誤差信號比較放大保護控制驅動電路，其特徵在於設計的漏感吸收網絡電路為吸收電容C1負端與Q2源極及D2陽極相連，C1正端既網絡A端與變壓器初級繞組一端相連，Q2漏極及陰極、既網絡B端與初級繞組另一端相連，C2與R1並聯一端接網絡A端，另一端接D3陽極及D5陰極，D3陰極接Q2門極，D5陽極接Q2源極，穩壓管Z1與C3並聯，其陰極接Q2門極，陽極接Q2源極；D4陽極接Q2門極，陰極接網絡A端。
2.根據權利要求1所述的一種開關電源零電壓開關轉換的電路，其特徵在於D2可以是Q2本體二極體，C3可以是Q2門極對源極漏極分布電容。
3.根據權利要求1所述的一種開關電源零電壓開關轉換的電路，其特徵在於本發明所提出的吸收電容單向充放電網絡也可應用於DC-DC不隔離升壓變換器中實現開關管ZVT轉換，升壓電感相當於變壓器初級繞組。
全文摘要
本發明提出一種實現開關零電壓開關(ZVS)方式轉換的新方法——吸電容單向充放電及其控制方法。如圖2所示，吸收電容C
文檔編號H02M3/24GK1595781SQ20041001038
公開日2005年3月16日 申請日期2004年6月30日 優先權日2004年6月30日
發明者董彥明 申請人:董彥明