一种谐振直流变压器的软启动方法及其电路与流程

本发明属于dc/dc变换器技术领域，尤其涉及一种谐振直流变压器的软启动方法及其电路。

背景技术：

开关电源产品的发展一直不断追求高效率、高功率密度及高可靠性。谐振变换器可以实现变压器原边开关管的零电压开通，和变压器副边整流二极管的零电流关断，其开关损耗可忽略不计，可以工作在很高的工作频率。因而其具有效率高，体积小，emi干扰小等优点，近年来受到广泛关注。

谐振直流变压器为稳定工作时开关频率固定、开关管的占空比也固定的谐振变换器。当llc谐振变换器工作在谐振频率点时，电路的增益不随输入电压和负载变化而变化，电路表现谐振直流变压器特性。参考专利cn103887976a公开了一种电流源输入型直流变压器，当其工作在零电压零电流开关状态时，电路的增益也不随输入电压和负载变化而变化，也表现谐振直流变压器特性。谐振直流变压器电路工作在固定工作频率和固定占空比，控制简单，可以实现磁性元器件的优化，且消除了开关管电压电流交叠损耗，可以工作在兆赫兹级工作频率，减小磁性元件的体积，提高功率密度的同时保持高效率。

但在启动时，如果直接以谐振直流变压器正常工作时的频率和占空比启动，由于谐振阻抗为0，且变压器副边的滤波电容通常为了减小电压纹波而设计地较大，启动时输出电压建立缓慢。启动初期基本处于短路状态，因此启动过程中出现很大的电流冲击和电压冲击，会损坏开关管、电容等器件。

为了限制启动中的电流和电压冲击，也即限制启动过程中谐振腔里的能量，通常采用远高于谐振频率的开关频率启动，逐渐降低频率，但是这种方式需要非常高的启动频率才能抑制谐振腔的能量，实现复杂；在降频的同时采用占空比从小逐渐增大的方式可以减小启动最高频率，但由于存在两个变化量，需要考虑两者的协调问题。此外，变频及变占空比的方式并不适用于单端谐振直流变压器的启动，由于启动中电路失去零电流关断特性，关断电流较大，且单端电路中开关管电压并没有被箝位，电路中寄生参数储存的能量会导致开关管过高的电压应力，造成开关管损坏。

技术实现要素：

本发明要解决的技术问题是，克服现有技术中的不足，提供一种谐振直流变压器的软启动方法及其电路。采用该软启动方法有效解决了单端谐振直流变压器的启动问题，同时解决了现有双端谐振直流变压器实现复杂的问题，能够有效抑制谐振直流变压器在启动时出现的电流和电压过冲，启动电路简单易实现，成本低。

为解决技术问题，本发明的解决方案是：

提供一种谐振直流变压器的软启动方法，是在谐振直流变压器中的开关管的门极与源极之间施加频率固定、占空比固定的脉冲信号，该信号的高电平从开关管开通阈值单调增大至其饱和驱动电压，能够实现开关管由阻断到导通，且导通电阻逐渐减小至其通态电阻，进而有效控制谐振直流变压器启动过程中谐振腔里的电流；所述开关管是电压驱动型功率器件。

本发明中，所述开关管是mosfet、结型场效应管或增强型氮化镓器件。

本发明中，所述脉冲信号的波形是矩形波或梯形波。

本发明进一步提供了用于实现前述方法的谐振直流变压器的软启动电路，包括谐振直流变压器中的开关管(103)，开关管(103)是电压驱动型功率器件；还包括分别连接至驱动电路(102)的恒定频率恒定占空比的脉冲信号源(100)和电压单调增大的电压源vp(101)，驱动电路(102)与开关管(103)的门极与源极相连。脉冲信号源(100)用于提供驱动控制信号，电压源vp(101)用于供电，驱动电路(102)用于向开关管(103)输出高电平单调增大的脉冲信号vg以进一步驱动其工作。

本发明中，所述驱动电路(102)是下述方案中的任意一种：

驱动电路(102)由一个p型mosfet管(s1)和一个n型mosfet管(s2)组成；两个mosfet管的门极接在一起用于连接脉冲信号源(100)，电压源vp(101)接到p型mosfet管(s1)的源极，n型mosfet管(s2)的源极接地，两个mosfet管的漏极接到一起用于输出高电平单调增大的脉冲信号vg；或者，

驱动电路(102)是驱动芯片，驱动芯片的输入端接至脉冲信号源(100)，供电端接至电压源vp(101)，输出端接至开关管(103)。

本发明中，所述电压单调增大的电压源vp(101)的电路结构如下所述：电阻r1和电阻r2为buck电路输出的采样电阻，电阻r1的一端接至buck电路的输出端，电阻r1的另一端与电阻r2一端相连，电阻r2另一端接地，电阻r1和电阻r2的连接点接至运算放大器的反相输入端，运算放大器的同相输入端接参考电压vref，运算放大器的输出接至pwm发生器，pwm发生器产生pwm信号控制buck电路的输出；辅助电容ca一端接至buck电路的输出端，另一端接至辅助电阻r3的一端，辅助电阻r3另一端接地；辅助二极管da的阳极接至辅助电容ca和辅助电阻r3的公共点，阴极接至电阻r1和电阻r2的公共点，buck电路的输出端为电压单调上升的电压输出。

本发明中，所述电压单调增大的电压源vp(101)的电路结构如下所述：电阻r1和电阻r2为输出采样电阻，电阻r1的一端接至调整三极管的发射极，电阻r1的另一端与电阻r2一端相连，电阻r2另一端接地，电阻r1和电阻r2的连接点接至比较放大电路的反相输入端，比较放大电路的同相输入端接参考电压vref，比较放大电路的输出接至调整三极管的基极，调整三极管的集电极接至输入电源vs；辅助电容ca一端接至buck输出端，另一端接至辅助电阻r3的一端，电阻r3另一端接地；辅助二极管da的阳极接至辅助电容ca和电阻r3的公共点，阴极接至电阻r1和电阻r2的公共点，调整三极管的发射极即能产生电压单调上升的电压输出。

本发明还提供了另一种用于实现前述方法的谐振直流变压器的软启动电路，包括谐振直流变压器中的开关管(103)，开关管(103)是电压驱动型功率器件；还包括分别连接至驱动电路(102)的电压源vp(105)和恒定频率恒定占空比且高电平单调增大的脉冲信号源(104)，驱动电路(102)与开关管(103)的门极与源极相连。脉冲信号源(104)用于提供驱动控制信号，电压源vp(105)用于供电，驱动电路(102)用于向开关管(103)输出高电平单调增大的脉冲信号vg以进一步驱动其工作。

本发明中，所述驱动电路(102)是下述方案中的任意一种：

驱动电路(102)是驱动芯片，驱动芯片的输入端接至脉冲信号源(104)，供电端接至电压源vp(105)，输出端接至开关管(103)；或者，

驱动电路(102)包括一个pnp三极管和一个npn三极管组成；其连接方式为两个三极管的基极接在一起用于连接脉冲信号源(104)，电压源vp(105)接到npn三极管的集电极，pnp三极管的集电极接地，两个三极管的发射极接到一起用于输出高电平单调增大的脉冲信号vg。

发明原理描述：

本发明属于一种新的谐振直流变压器的软启动方法，该方法通过控制谐振直流变压器电路中开关管的驱动脉冲的电平，利用开关管的电阻实现谐振直流变压器启动过程中能量的阻尼，消除了谐振直流变压器启动过程中的冲击电压和冲击电流，实现了安全启动。

与现有技术相比，本发明的有益效果包括：

1、控制信号固定，不需要高频控制信号，控制简单；

2、启动电路结构简单，成本低；

3、有效解决了单端谐振直流变压器的启动问题；

4、解决了现有双端谐振直流变压器实现复杂的问题，适用范围广；

5、消除了谐振直流变压器启动过程中的冲击电压和冲击电流，实现了安全启动。

附图说明

图1本发明谐振直流变压器软启动方法的基本电路图；

图2本发明开关管门极源极之间施加的频率固定、占空比固定的脉冲信号；

图3本发明所提出的一种谐振直流变压器软启动系统结构示意图；

图4电压单调增大的电压源示意图；

图5驱动电路实例一；

图6驱动电路实例二；

图7固定频率、固定占空比、驱动高电平单调增大的脉冲信号；

图8本发明所提出的另一种谐振直流变压器软启动系统结构示意图；

图9软启动电路实例一；

图10电压单调上升的电压源vp实例；

图11固定频率、固定占空比、驱动电平单调增大的脉冲信号vg实例；

图12软启动电路实例二；

图13软启动电路应用至谐振直流变压器；

图14未采用软启动的谐振直流变压器启动波形；

图15采用本发明软启动的谐振直流变压器启动波形；

图16软启动电路应用于半桥谐振直流变压器；

图17适用于半桥谐振直流变压器的软启动电路。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步详细说明。

本发明中使用的开关管m是电压驱动型功率器件，可以是mosfet或结型场效应管或增强型氮化镓器件。如图1所示，通过在开关管的门极源极之间施加频率固定、占空比固定的脉冲信号，该信号的高电平从开关管开通阈值单调增大至其饱和驱动电压，实现开关管由阻断到导通，且导通电阻逐渐减小至其通态电阻，由此可有效控制谐振直流变压器启动过程中谐振腔里的电流。

该频率固定、占空比固定的脉冲信号可以是矩形波，也可以是梯形波。

如图3所示，本发明所提出的一种谐振直流变压器软启动系统结构示意图，包括恒定频率、恒定占空比的脉冲信号源100，电压单调增大的电压源vp101，驱动电路102和谐振直流变压器电路中的开关管103，其中恒定频率、恒定占空比的脉冲信号源100为驱动电路102提供驱动控制信号，电压单调增大的电压源vp101为驱动电路102供电，驱动电路102输出高电平单调增大的脉冲信号vg，vg进一步驱动谐振直流变压器电路中的开关管103。

如图4所示，电压单调增大的电压源vp101从开关管开通阈值vth单调增大至开关管饱和驱动电压。vp电压可以随时间线性增加，具体地，vp＝vmin+k·t；vp电压也可以随时间指数增加。

如图5所示，驱动电路102包括p型mosfet管s1和n型mosfet管s2，s1和s2的门极接在一起，用于连接恒定频率、恒定占空比的脉冲信号源100，电压单调增大的电压源vp101接到p型mosfet管s1的源极，s2的源极接地，s1和s2的漏极接到一起输出高电平单调增大的脉冲信号vg。所述驱动电路102还可以是驱动芯片，驱动芯片的输入、供电和输出分别为100、101和vg。如图6所示，所述驱动电路102还可以由一个pnp三极管和一个npn三极管构成。

如图7所示，驱动高电平单调增大的脉冲信号vg的频率和占空比固定，其脉冲高电平的从开关管开通阈值单调增大至开关管饱和驱动电压。

如图8所示，本发明所提出的另一种谐振直流变压器软启动系统结构示意图，包括恒定频率、恒定占空比、高电平单调增大的脉冲信号源104，电压源vp105，驱动电路102和谐振直流变压器电路中的开关管103，其中恒定频率、恒定占空比、高电平单调增大的脉冲信号源104为驱动电路102提供驱动控制信号，电压源vp105为驱动电路102供电，驱动电路102输出高电平单调增大的脉冲信号vg，vg进一步驱动谐振直流变压器电路中的开关管103。

为使本领域技术人员更好地理解本发明，下面结合具体实施例，对本发明谐振直流变压器的软启动方法进行详细说明。

如图9所示，电阻r1和r2为buck电路输出采样电阻，r1的一端接至buck的输出端，r1的另一端与r2一端相连，r2另一端接地，r1和r2的连接点接至运算放大器的反相输入端，运算放大器的同相输入端接参考电压vref，运放的输出接至pwm发生器，pwm发生器产生pwm信号控制buck输出；辅助电容ca一端接至buck输出端，另一端接至辅助电阻r3的一端，r3另一端接地；辅助二极管da的阳极接至ca和r3的公共点，阴极接至r1和r2的公共点，buck的输出即可产生电压单调上升的电压源vp101。驱动电路102包括一个p型mosfet和一个n型mosfet，vp接至驱动电路102中p型mosfet的源极。pwm芯片或处理器产生恒定频率、恒定占空比的脉冲信号源100，接至驱动电路102两个mosfet的门极，两个mosfet的漏极接在一起产生驱动电平单调增大的脉冲信号vg，驱动电路102中n型mosfet的源极接地。vp的波形如图10所示，启动电路输出固定频率、固定占空比、驱动电平单调增大的脉冲信号vg如图11所示，vg各脉冲高电平的包络线为vp。

如图12所示，为采用串联型稳压电路(也叫三端稳压电路)的应用实例，电阻r1和r2为输出采样电阻，r1的一端接至调整三极管的发射极，r1的另一端与r2一端相连，r2另一端接地，r1和r2的连接点接至比较放大电路的反相输入端，比较放大电路的同相输入端接参考电压vref，比较放大电路的输出接至调整三极管的基极，调整三极管的集电极接至输入电源vs；辅助电容ca一端接至buck输出端，另一端接至辅助电阻r3的一端，r3另一端接地；辅助二极管da的阳极接至ca和r3的公共点，阴极接至r1和r2的公共点，调整三极管的发射极即可产生电压单调上升的电压源vp101。其余与图9相同。

如图13所示，一种单端谐振直流变压器包括输入电源vin、输入电感l、谐振电感lr、谐振电容cr、变压器原边开关管m、变压器t及变压器副边整流结构。输入电压源与输入电感串联构成输入电流源，该串联支路并联在谐振电容cr上，谐振电感、变压器原边绕组和原边开关管串联成一条支路，该支路也并联在谐振电容cr上。谐振电感和谐振电容谐振，实现软开关。开关管的占空比固定，开关频率也固定，可以在全负载范围内实现软开关。将图9或图12所示软开关电路产生的固定频率、固定占空比、驱动高电平单调增大的脉冲信号vg用于控制变压器原边开关管m，即可实现谐振直流变压器的软启动。

图14给出了图13所示谐振直流变压器未采用软启动时电路的工作波形，图15给出了该谐振直流变压器采用本发明软启动时电路的工作波形，可以看出谐振电流和输出电压均没有过冲，证明了上述启动方法的有效性。

如图16所示，本发明的启动方法产生的固定频率、固定占空比、驱动高电平单调增大的脉冲信号vg1、vg2用于控制半桥谐振直流变压器原边开关管s1、s2，vg1、vg2相位相差180°。图17基于图9的软启动电路方案给出了适用于半桥谐振直流变压器的启动电路，利用自举二极管db和自举电容cb为另一套驱动电路102提供电压单调上升的供电电压，该套驱动电路为谐振直流变压器中桥臂上管提供驱动信号。

本发明的启动方法，由于采用固定控制信号，控制简单，同时适应性强，可以应用于双端和单端谐振直流变压器电路，可以充分抑制启动过程中的电流，避免了电路在启动时的失效。

最后，还需要注意的是，以上列举的仅是本发明的若干个具体实施例。显然，本发明不限于以上实施例，还可以有许多变形。本领域的普通技术人员能从本发明公开的内容直接导出或联想到的所有变形，均应认为是本发明的保护范围。