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      一種有源鉗位正激變換器的制作方法

      文檔序號:11253482
      一種有源鉗位正激變換器的制造方法與工藝

      本發明屬于DC/DC開關電源技術領域,尤其涉及一種有源鉗位正激變換器。



      背景技術:

      正激變換器由于其結構簡單、可靠性高等優點得到了廣泛應用。但是其需要額外的磁復位電路來實現變壓器去磁,常用的方法有:采用輔助變壓器繞組、RCD電路、LCDD諧振電路、有源鉗位電路以及諧振磁復位正激、雙管正激等。其中,雙管正激變換器的開關管電壓應力最低,能夠回收全部的勵磁能量,因此廣泛應用于高壓和高效率場合。但是雙管正激的占空比必須小于0.5工作以保證變壓器的磁復位,限制了其在寬電壓范圍輸入場合的應用。有源鉗位正激變換器雖然開關管占空比能夠大于0.5,但開關管的電壓應力則會達到輸入電壓的兩倍以上,因此不適合高壓應用場合并且變壓器激磁電壓完全由鉗位電容提供,及全部磁化能量必須先經過鉗位電容吸收,然后再間接回饋至電源輸入端。



      技術實現要素:

      本發明的目的是提供一種有源鉗位正激變換器,具有效率高、體積小等優點,用于解決上述問題。

      為達到上述目的,本發明采用的技術方案是:一種有源鉗位正激變換器,其包括第一有源鉗位正激變換器單元和第二有源鉗位正激變換器單元及直流源,直流源分別連接于第一有源正激變換器單元和第二有源正激變換器單元,第一有源正激變換器單元和第二有源正激變換器單元的輸入端串聯,以及第一有源正激變換器單元和第二有源正激變換器單元的輸出端串聯,第一有源鉗位正激變換器單元與第二有源鉗位正激變換器單元交錯工作。

      進一步的,第一有源正激變換器單元和第二有源正激變換器單元均包括原邊電路、副邊電路及變壓器,原邊電路包括勵磁電路和去磁電路,及副邊電路包括整流電路和濾波電路,其中,第一有源正激變換器單元和第一有源正激變換器單元公用一個濾波電路。

      進一步的,第一有源鉗位正激變換器單元的原邊電路包括第一輸入電容C1、第一開關管S1、第三開關管S3及第一鉗位電容Cc1,直流源的正極分別連接于第一輸入電容C1正極、第一開關管S1漏極,第一輸入電容C1的負極連接于第一變壓器T1原邊繞組的異名端,第一開關管S1的源極連接于第一變壓器T1原邊繞組的同名端,直流源Uin的負極連接于第三開關管S3的源極,第三開關管S3的漏極連接于第一鉗位電容Cc1的負極,第一鉗位電容Cc1的正極連接于第一變壓器T1原邊繞組的同名端;

      第二有源鉗位正激變換器單元的原邊電路包括第二輸入電容C2、第二開關管S2、第四開關管S4及第二鉗位電容Cc2,直流源的負極分別連接于第二輸入電容C1負極、第二開關管S2源極,第二鉗位電容C2的正極連接于第二變壓器T2原邊繞組的同名端,第二開關管S2的漏極連接于第二變壓器T2原邊繞組的異名端,直流源的正極連接于第二鉗位電容Cc2的正極,第二鉗位電容Cc2的負極連接于第四開關管S4的漏極,第四開關管S4的源極連接于第二變壓器T2原邊繞組的異名端。

      進一步的,第一有源鉗位正激變換器單元的副邊的整流電路包括第一二極管D1、第二二極管D2,第一變壓器T1的副邊繞組同名端連接第一二極管D1的陽極,第一變壓器T1的副邊繞組異名端連接第二二極管D2的陽極,第一二極管D1的陰極和第二二極管D2的陰極相接;

      第二有源鉗位正激變換器單元的副邊的整流電路包括第三二極管D3、第四二極管D4,第二變壓器T2的副邊繞組同名端連接第四二極管D1的陰極,第二變壓器T2的副邊繞組異名端連接第三二極管D3的陰極,第三二極管D2的陽極和第四二極管D4的陽極相接;

      其中,第一有源鉗位正激變換器單元和第二有源鉗位正激變換器單元副邊公用的濾波電路包括輸出濾波電感Lo、輸出濾波電容Co和負載Ro,輸出濾波電感Lo的正極連接于第一二極管D1的陰極,輸出濾波電感Lo的負極分別于輸出濾波電容Co的正極和負載Ro的一端連接,輸出濾波電容Co的負極和負載Ro的另一端連接后連接于第三二極管D3的陽極。

      進一步的,第一有源鉗位正激變換器單元的第一輸入電容C1和第二有源鉗位正激變換器單元的第二輸入電容C2的參數相同(參數包括容值、耐壓等);

      第一有源鉗位正激變換器單元的第一開關管S1、第三開關管S3和第二有源鉗位正激變換器單元的第二開關管S2、第四開關管S4的參數相同;

      第一有源鉗位正激變換器單元的第一鉗位電容Cc1和第二有源鉗位正激變換器單元的第二鉗位電容Cc2的參數相同;

      第一有源鉗位正激變換器單元的第一二極管D1、第二二極管D2和第二有源鉗位正激變換器單元的第三二極管D3、第四二極管D4的參數相同;

      以及第一有源鉗位正激變換器單元的變壓器T1和第一有源鉗位正激變換器單元的變壓器T2的參數相同。

      本發明采用兩路正激變換器輸出側串聯,可有效減小副邊整流管電壓電流應力,減小輸出電壓電流脈動,減小輸出濾波器體積;等效占空比大于0.5,適用于寬電壓輸入場合;大部分去磁電壓由輸入電容提供,只有小部分去磁電壓由鉗位電容提供,可有效減小鉗位電容耐壓和容值。

      附圖說明

      此處的附圖被并入說明書中并構成本說明書的一部分,示出了符合本發明的實施例,并與說明書一起用于解釋本發明的原理。

      圖1為本發明一實施例的有源鉗位正激變換器結構圖。

      圖2為本發明一實施例的占空比D<0.5時的關鍵波形圖。

      圖3為基于圖2的模態1的有源鉗位正激變換器結構圖。

      圖4為基于圖2的模態2的有源鉗位正激變換器結構圖。

      圖5為基于圖2的模態3的有源鉗位正激變換器結構圖。

      圖6為基于圖2的模態4的有源鉗位正激變換器結構圖。

      圖7為基于圖2的模態5的有源鉗位正激變換器結構圖。

      圖8為基于圖2的模態6的有源鉗位正激變換器結構圖。

      圖9為基于圖2的模態7的有源鉗位正激變換器結構圖。

      圖10為基于圖2的模態8的有源鉗位正激變換器結構圖。

      圖11為本發明一實施例的占空比D<0.5時的關鍵波形圖。

      圖12為基于圖11的模態1的有源鉗位正激變換器結構圖。

      圖13為基于圖11的模態2的有源鉗位正激變換器結構圖。

      圖14為基于圖11的模態3的有源鉗位正激變換器結構圖。

      圖15為基于圖11的模態4的有源鉗位正激變換器結構圖。

      圖16為基于圖11的模態5的有源鉗位正激變換器結構圖。

      圖17為基于圖11的模態6的有源鉗位正激變換器結構圖。

      圖18為基于圖11的模態7的有源鉗位正激變換器結構圖。

      圖19為基于圖11的模態8的有源鉗位正激變換器結構圖。

      具體實施方式

      為使本發明實施的目的、技術方案和優點更加清楚,下面將結合本發明實施例中的附圖,對本發明實施例中的技術方案進行更加詳細的描述。

      參見圖1,本發明的有源鉗位正激變換器由兩路有源鉗位正激變換器單元的輸入端串聯、輸出端串聯,并且采用有源鉗位磁復位電路構成。有源鉗位正激變換器單元由輸入直流源Uin輸入,有源鉗位正激變換器包括第一輸入電容C1、第二輸入電容C2、第一開關管S1、第二開關管S2、第三開關管S3、第四開關管S4、第一鉗位電容Cc1、第二鉗位電容Cc2、第一變壓器T1、第二變壓器T2、第一二極管D1、第二二極管D2、第三二極管D3、第四二極管D4、輸出濾波電感Lo、輸出濾波電容Co和負載Ro等,其中第一有源鉗位變壓器包括變壓器T1、第一原邊繞組NP1和第一副邊繞組NS1,第二有源鉗位變壓器包括變壓器T2、第二原邊繞組NP2和第二副邊繞組NS2;

      其中,輸入直流源Uin的正極分別連于第一輸入電容C1正端、第一開關管S1漏極和第二鉗位電容Cc2負端,輸入直流源Uin的負極分別連于第二輸入電容C2負端、第三開關管S3源極和第二開關管S2源極,第一開關管S1源極分別連于第一鉗位電容Cc1負端和第一原邊繞組NP1的同名端,第一鉗位電容Cc1正端與第三開關管S3漏極相連,第二鉗位電容Cc2正端連于第四開關管S4漏極,第四開關管S4源極分別連于第二原邊繞組NP2的非同名端和第二開關管S2漏極,第一原邊繞組NP1的非同名端分別連于第二原邊繞組NP2的同名端、第一輸入電容C1負端和第二輸入電容C2正端,第一副邊繞組NS1同名端連于第一二極管D1陽極,第一二極管D1陰極分別連于第二二極管D2陰極和輸出濾波電感Lo的正端,輸出濾波電感Lo的負端分別連于輸出濾波電容Co的正端和負載Ro的正端,第一副邊繞組NS1非同名端分別連于二二極管D2陽極、第四二極管D4陰極和第二副邊繞組NS2同名端,第二副邊繞組NS2非同名端連于第三二極管D3陰極,第三二極管D3陽極分別連于第四二極管D4陽極、輸出濾波電容Co的負端和負載Ro的負端。

      下面結合附圖2~附圖19說明本發明的具體工作原理及工作過程。首先,在分析前做如下假設:(1)所有開關管、二極管均為理想器件;(2)輸入電容C1、C2足夠大且相等,電壓恒為Uin/2;(3)開關管S1、S2占空比大小相等且交錯導通,占空比為D。

      (1)D<0.5時,關鍵波形如附圖2所示,在半個開關周期內共用8個主要的開關模態

      模態1[t0~t1][附圖3]:t0時刻,第一開關管S1開通,第二開關管S2處于關斷狀態,第三開關管S3處于關斷狀態,第四開關管S4導通,第一二極管D1和第二二極管D2開始換流,第一二極管D1的電流線性增大,第二二極管D2的電流線性減小,第三二極管D3關斷第四二極管D4導通;此時變壓器T1原邊電壓up1被鉗位在0。

      模態2[t1~t2][附圖4]:t1時刻,第一二極管D1和第二二極管D2換流結束,第二二極管D2中電流減小至0,副邊第一二極管D1、第四二極管D4導通,第二二極管D2、第三二極管D3關斷,輸出濾波電感LO電流線性增大;輸入源通過變壓器T1向副邊傳輸能量,變壓器T1勵磁電流開始增大,變壓器T2通過鉗位支路第三開關管S3、第一鉗位電容CC1和第一輸入電容C1進行磁復位。

      模態3[t2~t3][附圖5]:t2時刻,第一開關管S1關斷,折合到原邊的負載電流開始給第一開關管S1的結電容Coss1充電,假設這個時間很短,負載電流不變,第一開關管S1的漏源極電壓uDS1線性上升,第三開關管S3的漏源極電壓uDS3和變壓器T1的原邊電壓up1開始線性減小,直到t3時刻,uDS1上升到Uin/2,up1為0。

      模態4[t3~t4][附圖6]:t3時刻,up1為0,此時第二二極管D2和第一二極管D1開始換流,第二二極管D2中電流線性增大,第一二極管D1中電流線性減小,第四二極管D4導通,變壓器T1勵磁電流開始下降,uDS1繼續增大,直到t4時刻,第一二極管D1和第二二極管D2換流結束。

      模態5[t4~t5][附圖7]:t4時刻,第一二極管D1和第二二極管D2換流結束,uDS1繼續上升,變壓器T1開始磁復位,該階段結束時,uDS3=0,uDS1=Uin-Uc(Uc為鉗位電容Cc1、Cc2電壓)。

      模態6[t5~t6][附圖8]:t5時刻,uDS3=0,第三開關管S3的續流二極管導通,第一開關管S1兩端電壓被鉗位在Uin-Uc,變壓器T1的復位電壓Up1=-(Uin/2-Uc),變壓器T1勵磁電流線性減小。

      模態7[t6~t7][附圖9]:t6時刻,開關管S3的驅動信號變高,S3零電壓開通,T1勵磁電流繼續線性減小。

      模態8[t7~t8][附圖10]:t7時刻,第四開關管S4關斷,此時變壓器T2的勵磁電感開始與Coss4(開關管S4的結電容)諧振,變壓器T1勵磁電流諧振反向減小,第四開關管S4漏源極電壓uDS4諧振增大,對應uDS2減小,直至t8時刻,第二開關管S2開通。

      下半個周期的工作模式與上半周期的對稱,不在重復敘述。

      (2)D≥0.5時,關鍵波形如附圖11所示,在半個開關周期內共用8個主要的開關模態。

      模態1[t0~t1][附圖12]:t0時刻,第一開關管S1開通,第二開關管S2處于開通狀態,第三開關管S3和第四開關管S4均處于關斷狀態,第一二極管D1和第二二極管D2開始換流,第一二極管D1的電流線性增大,第二二極管D2的電流線性減??;此時變壓器T1原邊電壓Up1被鉗位在0。

      模態2[t1~t2][附圖13]:t1時刻,第一二極管D1和第二二極管D2換流結束,第二二極管D2中電流減小至0,副邊第一二極管D1、第三二極管D3導通,第二二極管D2、第四二極管D4關斷,電感電流線性增大;輸入源通過變壓器T1和變壓器T2向副邊傳輸能量,變壓器T1、變壓器T2的勵磁電流線性增大。

      模態3[t2~t3][附圖14]:t2時刻,第二開關管S2關斷,第一開關管S1仍處于導通狀態,輸入源通過變壓器T1向副邊傳輸能量,折合到原邊的負載電流開始給第二開關管S2的結電容Coss2充電,假設這個時間很短,負載電流不變,uDS2線性上升,uDS4和變壓器T2的原邊電壓up2開始線性減小,直到t2時刻,uDS2上升到Uin/2,up2為0,此時uDS2=Uin/2,uDS4=Uin/2+Uc。

      模態4[t3~t4][附圖15]:t3時刻,up2被鉗位在0,此時第三二極管D3和第四二極管D4開始換流,第三二極管D3電流線性減小,第四二極管D4電流線性增大,直到t4時刻換流結束。

      模態5[t4~t5][附圖16]:t4時刻,第三二極管D3和第四二極管D4換流結束,uDS2繼續增大,up2開始小于0,uDS4繼續減小,變壓器T2開始磁復位,此模態到t5時刻,uDS4=0,uDS2=Uin+Uc結束。

      模態6[t5~t6][附圖17]:t5時刻,uDS4=0,第四開關管S4的續流二極管導通,第二開關管S2兩端電壓被鉗位在Uin+Uc,變壓器T2的復位電壓Up2=-(Uin/2+Uc),其勵磁電流線性減小。

      模態7[t6~t7][附圖18]:t6時刻,第四開關管S4的驅動信號變高,第四開關管S4零電壓開通,變壓器T2勵磁電流繼續線性減小。

      模態8[t7~t8][附圖19]:t7時刻,第四開關管S4的關斷,此時變壓器T2的勵磁電感開始與第四開關管S4結電容Coss4諧振,變壓器T2勵磁電流諧振反向減小,uDS4諧振增大,直至t8時刻,第二開關管S2開通。

      下半個周期的工作模式與前半個周期相同,不再重復敘述。

      根據變換器工作原理可知,采用本發明的拓撲,每路正激單元磁復位電壓由輸入電容和鉗位電容電壓二者提供,因此鉗位電容容值和耐壓可比傳統鉗位正激減小,并且變壓器大部分勵磁能量可以直接回饋輸入源,僅有一小部分通過鉗位電路回饋,可減小電路損耗。

      本發明采用兩路正激變換器輸出側串聯,可有效減小副邊整流管電壓電流應力,減小輸出電壓電流脈動,減小輸出濾波器體積;等效占空比大于0.5,適用于寬電壓輸入場合;大部分去磁電壓由輸入電容提供,只有小部分去磁電壓由鉗位電容提供,可有效減小鉗位電容耐壓和容值。

      以上所述,僅為本發明的最優具體實施方式,但本發明的保護范圍并不局限于此,任何熟悉本技術領域的技術人員在本發明揭露的技術范圍內,可輕易想到的變化或替換,都應涵蓋在本發明的保護范圍之內。因此,本發明的保護范圍應以所述權利要求的保護范圍為準。

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