一种辅助控制电路及有源钳位反激变换器的制作方法

1.本实用新型涉及变换器领域，特别涉及有源钳位反激变换器的辅助控制电路。


背景技术：

2.有源钳位反激(active clamp flyback，acf)变换器作为反激变换器的一种，具有主开关管可实现零电压开通(zvs)、漏感可被无损吸收、主开关管的电压尖峰小、效率高等优势，应用越来越广泛。现有常规的有源钳位反激变换器的电路原理图如图1，图1中q1为主开关管(以下简称为主管)，q2为钳位开关管(以下简称为钳位管)，cc为钳位电容；ds1为主开关管q1的体二极管，ds2为钳位开关管q2的体二极管；u1为控制芯片，控制芯片u1的各引脚功能如下。
3.gtl脚：用于为主管q1提供驱动电压；
4.gth脚：用于为钳位管q2提供驱动电压；
5.vdd脚：芯片供电引脚；
6.cs脚：电感峰值电流检测引脚，该电感即有源钳位反激变换器中的原边绕组；
7.rth脚：钳位管导通时间初始编程引脚，通过该引脚结合芯片外置的辅助电路可以调整有源钳位反激变换器中钳位管的开通时间；
8.gnd脚：芯片地；
9.fb脚：光耦反馈端口。
10.上述控制芯片u1例如可以采用金升阳公司的scm1737型号芯片，以及其他可以通过 rth脚调整钳位管开通时间的芯片，需要说明的是，不同的芯片引脚命名可能与上述不同，但只要引脚功能一致即可。
11.以图1所示有源钳位反激变换器为例，当电路工作于连续模式(ccm)时，后沿非互补控制模式的时序控制和主要波形如图2所示。
12.所谓后沿非互补模式控制，是指在主管开通之前的一小段时间之前(死区时间)，开通钳位管，且钳位管的导通时间与主管的导通时间并非互补。具体而言，将钳位管开通一小段时间t
on_c (此处的一小段时间t
on_c
小于主管的关断时间)，待钳位管关断之后，经过一段死区时间td，再开通主管；而主管关断后，经过较长的时间t
delay
后再开通钳位管，周而复始。设开关周期为ts，主管开通的占空比为d，则有(1-d
·
ts)＝t
delay
+t
on_c
+td。
13.图2中，gtl为主管q1的驱动电压，gth为钳位管q2的驱动电压，vds1为主管q1 的漏源电压，vds2为钳位管q2的漏源电压；vc为钳位电容cc两端的电压，其方向为图1 所示原理图的上正下负；im为流经变压器激磁电感lm的电流(或称为激磁电流)，ids1为流过主管q1漏极的电流；ids2为流经钳位管q2漏极的电流，ids2也等于流经钳位电容cc 的电流；ip为流经变压器原边绕组的电流，也是流经漏感lk的电流；id为流经副边整流二极管的电流，vd为副边整流二极管的反向电压。


技术实现要素：

14.本技术的发明人通过研究发现，acf变换器在短路过程中，原边励磁电流ip急剧增大，漏感在每个开关周期存储的能量也会随着ip的增大而增大，主管关断后，漏感能量会通过钳位管的旁路二极管ds2转移到钳位电容中，钳位电容两端的平台电压上升，从而导致主管和钳位管因开关应力变大而失效。有鉴如此，本实用新型要解决的技术问题是，提供一种辅助控制电路及有源钳位反激变换器，该辅助控制电路用于后沿非互补控制模式的有源钳位反激变换器中，能够确保有源钳位反激变换器在短路工作模式下，钳位管的开通时间变长，使得钳位电容两端的电压不会急剧增大，从而确保主管和钳位管不会因短路时的开关应力变大而失效。
15.作为本实用新型的第一个方面，所提供的辅助控制电路的技术方案如下：
16.一种辅助控制电路，应用于有源钳位反激变换器，所述的有源钳位反激变换器可由控制芯片u1控制其工作于后沿非互补控制模式，其特征在于，所述的辅助控制电路包括：
17.电阻r4、电阻r5、开关管q4和第一控制电路；
18.电阻r4和电阻r5一端连接在一起后作为所述的辅助控制电路的第一端口，用于连接所述的控制芯片u1的rth引脚，所述的电阻r4的另一端连接所述的开关管q4的一端，所述的开关管q4的另一端和所述的电阻r5的另一端连接在一起后作为所述的辅助控制电路的第二端口，用于连接所述的控制芯片u1的gnd引脚，所述的第一控制电路的输入端作为所述的辅助控制电路的第三端口，用于连接所述的控制芯片u1的fb引脚，所述的第一控制电路的输出端连接所述的开关管q4的控制端；
19.所述的第一控制电路用于在所述的有源钳位反激变换器发生短路时，依据所述的第三端口输入的电平信号控制所述的开关管q4由导通变为关断。
20.优选地，所述的开关管q4为mos管，所述的mos管的栅极为所述的开关管q4的控制端，所述的mos管的漏极为所述的开关管q4的一端，所述的mos管的源极为所述的开关管q4的另一端；或者所述的开关管q4为三极管，所述的三极管的基极为所述的开关管 q4的控制端，所述的三极管的集电极为所述的开关管q4的一端，所述的三极管的发射极为所述的开关管q4的另一端。
21.作为所述的第一控制电路的一种具体的实施方式，包括二极管d2、电阻r1、电阻r2、电阻r3和开关管q3，所述的二极管d2的阳极为所述的第一控制电路的输入端，所述的二极管d2的阴极连接所述的电阻r1的一端，所述的电阻r1的另一端同时连接所述的电阻r2 的一端和所述的开关管q3的控制端，所述的电阻r3的一端用于输入供电电压vdd，所述的电阻r3的另一端和所述的开关管q3的一端连接在一起作为所述的第一控制电路的输出端，所述的电阻r2的另一端和所述的开关管q3的另一端连接在一起后用于接地。
22.优选地，所述的开关管q3为mos管，所述的mos管的栅极为所述的开关管q3的控制端，所述的mos管的漏极为所述的开关管q3的一端，所述的mos管的源极为所述的开关管q3的另一端；或者所述的开关管q3为三极管，所述的三极管的基极为所述的开关管 q3的控制端，所述的三极管的发射极为所述的开关管q3的一端，所述的三极管的集电极为所述的开关管q3的另一端。
23.作为所述的第一控制电路的另一种具体的实施方式，包括电阻rf1、电阻rf2和比较器 u3，所述的电阻rf1的一端为所述的第一控制电路的输入端，所述的电阻rf1的另一端
同时连接所述的电阻rf2的一端和所述的比较器u3反向输入端，所述的电阻rf2的另一端用于接地，所述的比较器u3的同向输入端用于输入基准电压vref，所述的比较器u3的输出端为所述的第一控制电路的输出端。
24.作为本实用新型的第二个方面，所提供的有源钳位反激变换器的技术方案如下：
25.一种有源钳位反激变换器，包括：控制芯片u1和上述任一项所述的辅助控制电路，所述的辅助控制电路的第一端口连接所述的控制芯片的rth引脚，所述的辅助控制电路的第二端口连接所述的控制芯片的gnd引脚，所述的辅助控制电路的第三端口连接所述的控制芯片的fb引脚。
26.本实用新型的工作原理将结合具体的实施例进行详细分析，在此不赘述，本实用新型的有益效果在于：
27.(1)当有源钳位反激变换器发生短路时，第一控制电路会依据第三端口输入的电平信号控制开关管q4由导通变为关断，控制芯片rth引脚接地电阻从由电阻r4与电阻r5并联变为只有电阻r5，控制芯片rth引脚的接地电阻变大，从而使得钳位管的开通时长变长，降低了主管和钳位管的电压应力；
28.(2)本实用新型的辅助控制电路简单、实施成本低廉。
附图说明
29.图1为现有有源钳位反激变换器的原理图；
30.图2为后沿非互补控制模式的有源钳位反激变换器时序图；
31.图3为本实用新型辅助控制电路第一实施例的原理图；
32.图4为本实用新型辅助控制电路第二实施例的原理图；
33.图5为本实用新型辅助控制电路第三实施例的原理图；
34.图6为本实用新型辅助控制电路第四实施例的原理图。
具体实施方式
35.为了使本实用新型的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本实用新型进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本实用新型，并不用于限定本实用新型。
36.第一实施例
37.如图3所示，为本实用新型辅助控制电路第一实施例的电路原理图，应用于有源钳位反激变换器，有源钳位反激变换器可由控制芯片u1控制其工作于后沿非互补控制模式，辅助控制电路包括：电阻r4、电阻r5、开关管q4和第一控制电路；电阻r4和电阻r5一端连接在一起后作为辅助控制电路的第一端口，用于连接控制芯片u1的rth引脚，电阻r4的另一端连接开关管q4的一端，开关管q4的另一端和电阻r5的另一端连接在一起后作为辅助控制电路的第二端口，用于连接控制芯片u1的gnd引脚，第一控制电路的输入端作为辅助控制电路的第三端口，用于连接控制芯片u1的fb引脚，第一控制电路的输出端连接开关管q4的控制端；第一控制电路用于在有源钳位反激变换器发生短路时，依据第三端口输入的电平信号控制开关管q4由导通变为关断。
38.本实施例的工作原理分析如下：
39.主管q1应力为vds＝vin+n*vo+vlk，钳位管q2应力为vlk＝lk*ip2/ton_c，钳位电容 cc两端电压vc＝nvo+vlk。
40.其中vin为有源钳位反激变换器的输入电压，vo为有源钳位反激变换器的输出电压，n 为有源钳位反激变换器变压器t1的原边绕组np和副边绕组ns的匝比，lk为漏感能量，ip2 为励磁电流的平方，ton_c为钳位管开通的时长。
41.当有源钳位反激变换器发生短路时，第一控制电路会依据第三端口输入的电平信号控制开关管q4由导通变为关断，控制芯片rth引脚接地电阻从由电阻r4与电阻r5并联变为只有电阻r5，控制芯片rth引脚的接地电阻变大，使得ton_c增大，vlk变小，vds也会随之变小。
42.通过上述分析可知，钳位管开通时间变长能控制有源钳位反激变换器在短路情况下，主管和钳位管不会因短路时的开关应力变大而失效，从而能够实现本实用新型的目的。
43.第二实施例
44.如图4所示，为本实用新型辅助控制电路第二实施例的电路原理图，与第一实施例不同之处在于：
45.开关管q4为mos管，mos管的栅极为开关管q4的控制端，mos管的漏极为开关管 q4的一端，mos管的源极为开关管q4的另一端；
46.第一控制电路包括二极管d2、电阻r1、电阻r2、电阻r3和开关管q3，二极管d2的阳极为第一控制电路的输入端，二极管d2的阴极连接电阻r1的一端，电阻r1的另一端同时连接电阻r2的一端和开关管q3的控制端，电阻r3的一端用于输入供电电压vdd，电阻 r3的另一端和开关管q3的一端连接在一起作为第一控制电路的输出端，电阻r2的另一端和开关管q3的另一端连接在一起后用于接地；
47.进一步地，开关管q3为mos管，mos管的栅极为开关管q3的控制端，mos管的漏极为开关管q3的一端，mos管的源极为开关管q3的另一端。
48.本实施例在acf变换器发生短路时，控制芯片fb引脚的电平信号会增大，电阻r2两端分得的电压升压，mos管q1的栅极与源极之间的电压升高，mos管q1导通，使得mos 管q2的栅极与源极之间的电压降低，mos管q2关断，从而如同第一实施例实现了本实用新型的目的。
49.针对输入电压为264vac，输出电压为24v、输出电流为14.6a、输出功率为350.4w，开关频率为83khz的有源钳位反激变换器，进行合理设计及优化，通过计算机仿真和实验，在不同的输入电压条件下，空载和满载情况下分别短路，对比测试mos管q1的电压应力 vds，结果如表1所示：
50.表1
51.[0052][0053]
上述表1中增加本实施例的辅助控制电路的技术方案中电阻r4和电阻r5的取值均为 75k欧姆。
[0054]
需要说明的是，由于当有源钳位反激变压器设计完成后，vin+n*vo不再变化，由主管应力公式vds＝vin+n*vo+vlk可知，钳位管应力vlk与主管保持一致，因此在上述表1中钳位管q2的电压应力没有进行对比测试，本领域的技术人员可以推知无论输入电压是115vac 还是264vac，在空载短路和满载短路情况下，钳位管的电压应力在增加本实施例的辅助控制电路后，较未增加本实施例的辅助控制电路也会有所降低。
[0055]
第三实施例
[0056]
如图5所示，为本实用新型辅助控制电路第三实施例的电路原理图，与第二实施例不同之处在于：
[0057]
开关管q4为三极管，三极管的基极为开关管q4的控制端，三极管的集电极为开关管 q4的一端，三极管的发射极为开关管q4的另一端；
[0058]
开关管q3为三极管，三极管的基极为开关管q3的控制端，三极管的发射极为开关管 q3的一端，三极管的集电极为开关管q3的另一端。
[0059]
与第二实施例相比，第三实施例的基本工作原理并无本质不同，在此不再赘述。
[0060]
第四实施例
[0061]
如图6所示，为本实用新型辅助控制电路第四实施例的电路原理图，与第二实施例不同之处在于：
[0062]
第一控制电路包括电阻rf1、电阻rf2和比较器u3，电阻rf1的一端为第一控制电路的输入端，电阻rf1的另一端同时连接电阻rf2的一端和比较器u3反向输入端，电阻rf2的另一端用于接地，比较器u3的同向输入端用于输入基准电压vref，比较器u3的输出端为第一控制电路的输出端。
[0063]
本实施例在acf变换器发生短路时，控制芯片fb引脚的电平信号会增大，电阻rf2两端分得的电压升压，比较器u3输出低电平，mos管q2关断，从而如同第一实施例实现了本实用新型的目的。
[0064]
第五实施例
[0065]
本实施例提供的是一种有源钳位反激变换器，有源钳位反激变换器的主功率拓扑请参考图1，有源钳位反激变换器还包括：控制芯片u1和上述任一实施例记载的辅助控制电路，助控制电路的第一端口连接控制芯片的rth引脚，辅助控制电路的第二端口连接控制芯
片的 gnd引脚，辅助控制电路的第三端口连接控制芯片的fb引脚。
[0066]
以上仅是本实用新型的优选实施方式，应当指出的是，上述优选实施方式不应视为对本实用新型的限制，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，这里不再用实施例赘述，本实用新型的保护范围应当以权利要求所限定的范围为准。