专利名称：全桥变换器模式切换控制方法及切换控制电路的制作方法
技术领域：
本发明涉及直流变换技术，特别是涉及一种全桥变换器的移相和有限双极性模式 切换控制方法及切换控制电路。
背景技术：
随着电力电子技术的发展，以直流变换器为核心的开关电源应用越来越广泛，同 时，对变换器的效率要求越来越高。作为一种直流变换器拓扑，移相全桥拓扑可以实现开关 管的零电压开关，极大的降低了开关损耗，能较好的满足使用需求。图1 4所示是几种可以实现零电压开关的移相全桥电路原理图。其中，二极管D1 D4分别是开关管Q1 Q4的内部寄生二极管或外接二极管，电 容C1 C4分别是Q1 Q4的寄生电容或外接电容。Lr是谐振电感，它包括了变压器的漏 感。Lo是输出端续流电感。通过谐振电感Lr和续流电感Lo给开关管的结电容进行充放 电，从而实现开关管Q1 Q4零电压开关。在现有的实际应用中，开关管的驱动一般由专用芯片给出，如UCC2875、UCC2895 等。图5 6所示是UCC2895的内部原理框图及其输出的时序图(这些内容并入本发明)其中，移相输出信号0UTA、0UTB、0UTC、0UTD分别驱动开关管Q1、Q2、Q3、Q4。移相 控制方式下，开关管Q1和Q2轮流导通，各导通180度角，开关管Q3和Q4也是这样。但开 关管Q1和Q4不同时导通，若开关管Q4先导通，开关管Q1后导通，两者相差一个角度，即移 相角，那么，开关管Q3和Q4就组成超前臂，开关管Q1和Q2组成滞后臂。通过调节移相角 的大小可调节输出电压。当负载电流较大时，全桥电路的四个开关管都可以实现软开关。但当负载电流较 小(<50%额定负载电流)时，谐振电感和续流电感中的电流较小，其能量不足以抽走将 要开通的开关管的结电容上的电荷，因此，当该开关管开通时，就无法实现零电压开通，其 开关损耗加大。随着负载电流的进一步减小，开关损耗进一步加大，尤其是滞后臂的开关损 耗。在接近空载时，开关管上的电压接近Vin，其结电容上的能量为<formula>formula see original document page 4</formula>(其中，C为开关管的结电容容量或外接电容的容量或两者并联的等效容量)。当 开关管开通时，结电容上的能量全部消耗与该开关管中。而传统的PWM模式中，开关管的电 压仅为Vin/2。因此，在轻载时，移相模式的开关损耗是PWM模式的四倍。综上所述，目前的移相全桥电路，在轻载时无法彻底实现开关管的零电压开通，尤 其是接近空载时，开关损耗急剧增大。开关损耗的增大一方面不利于开关管的散热；另一方 面，不利于变换器在较宽的负载范围内获得较高的效率。
发明内容
本发明的主要目的就是针对现有技术的不足，提供一种模式切换控制方法及切换控制电路，能使全桥变换器获得更高效率。为实现上述目的，本发明采用以下技术方案一种全桥变换器的模式切换控制方法，包括以下步骤a.采集反映所述全桥变换器的负载轻重的信号；b.分析所述信号是否属于预先界定的反映重负载的信号，是则进入步骤c，否则 进入步骤d ；c.控制所述全桥变换器在移相模式下工作；d.控制所述全桥变换器在有限双极性模式下工作。优选地，步骤a中，所述反映所述全桥变换器的负载轻重的信号为负载电流信号； 步骤b中，采集到的负载电流小于50%额定负载电流时，进入步骤d。步骤b包括bl.对所述信号进行滤波、放大处理；b2.比较放大信号值与预设的基准值，如果所述放大信号值大于所述基准值则进 入所述步骤c，否则进入所述步骤d。步骤c中，所述移相模式下的所述控制包括使所述全桥变换器中第一桥臂上的第一开关管和第二开关管轮流导通半个周期， 第二桥臂上的第三开关管和第四开关管轮流导通半个周期，所述第三开关管的导通比对应 的所述第二开关管的导通相差一个移相角，所述第四开关管的导通比对应的所述第一开关 管的导通也相差一个移相角。步骤d中，所述有限双极性模式下的所述控制包括使所述全桥变换器中第一桥臂上的第一开关管和第二开关管轮流导通半个周期， 第二桥臂上的第三开关管和第四开关管在PWM模式下工作，且所述第三开关管与对应的所 述第二开关管同时导通一段时间，所述第四开关管与对应的所述第一开关管同时导通一段 时间。一种全桥变换器的模式切换控制电路，包括采集电路，用于采集反映所述全桥变换器的负载轻重的信号；分析电路，用于分析所述信号是否属于预先界定的反映重负载的信号；切换电路，用于在所述分析电路给出是的结果时使所述全桥变换器切换到移相模 式工作，并在所述分析电路给出否的结果时使所述全桥变换器切换到有限双极性模式工 作。优选地，所述采集电路是采集负载电流信号，所述分析电路是分析负载电流是否 大于50%额定负载电流。所述分析电路包括滤波电路，用于对所述信号进行滤波处理；放大电路，用于对所述信号进行放大处理；比较电路，用于将放大信号值与预设的基准值进行比较，当所述放大信号值大于 所述基准值时输出高电平信号，否则输出低电平信号。所述全桥变换器包括第一桥臂和第二桥臂，所述第一桥臂包括第一开关管和第二 开关管，所述第二桥臂包括第三开关管和第四开关管，所述第一开关管和所述第四开关管在导通时间上对应，所述第二开关管和所述第三开关管在导通时间上对应；所述切换电路包括第一或逻辑电路、第二或逻辑电路、第三与逻辑电路和第四与 逻辑电路，所述第一或逻辑电路的一个输入端接所述比较电路的输出端，所述第一或逻辑 电路的另一个输入端接第一驱动信号，所述第二或逻辑电路的一个输入端接所述比较电路 的输出端，所述第二或逻辑电路的另一个输入端接第二驱动信号，所述第三与逻辑电路的 一个输入端接所述第二或逻辑电路的输出端，所述第三与逻辑电路的另一个输入端接第三 驱动信号，所述第四与逻辑电路的一个输入端接所述第一或逻辑电路的输出端，所述第四 与逻辑电路的另一个输入端接第四驱动信号，所述第一驱动信号和所述第二驱动信号分别 提供给所述全桥变换器中第一桥臂上的第一开关管和第二开关管，所述第三与逻辑电路输 出信号提供给所述全桥变换器中第二桥臂上的第三开关管，所述第四与逻辑电路输出信号 提供给所述全桥变换器中第二桥臂上的第四开关管。所述第三与逻辑电路输出信号在发送给所述第三开关管之前先经放大处理，所述 第四与逻辑电路输出信号在发送给所述第四开关管之前先经放大处理。本发明有益的技术效果是本发明根据全桥变换器的负载轻重相应切换全桥变换器的工作模式，当判断为重 负载时，使全桥变换器在移相模式下工作，而当判断为轻负载时，将全桥变换器切换到有限 双极性模式下工作，从而在轻负载时能有效降低开关管的开关损耗，使变换器能在更宽的 负载范围内得到较高的效率。
图1 4为几种可以实现零电压开关的移相全桥电路原理图；图5为用于移相全桥电路的开关管的驱动芯片UCC2895的内部原理框图；图6为用于移相全桥电路的开关管的驱动信号输出的时序图；图7为本发明移相和有限双极性切换控制方法一个实施例的流程图；图8为本发明移相和有限双极性切换控制电路一个实施例的结构图。
具体实施例方式以下通过实施例结合附图对本发明进行进一步的详细说明。本发明根据全桥变换器的负载轻重情况切换调整全桥变换器的控制模式，当负载 较重即负载电流较大时，使全桥变换器工作于常规的移相模式，而当负载较轻即负载电流 较小时，使全桥电路工作于有限双极性模式。在负载电流较小的情况下，全桥变换器以有限 双极性模式工作能有效降低开关损耗，从而提高整机效率。如图7所示，在一个实施例中，一种全桥变换器的模式切换控制方法包括以下步 骤a.采集反映所述全桥变换器的负载轻重的信号；b.分析所述信号是否属于预先界定的反映重负载的信号，是则进入步骤c，否则 进入步骤d ；c.控制所述全桥变换器在移相模式下工作； d.控制所述全桥变换器在有限双极性模式下工作。
在优选的实施例中，步骤a中，所述反映所述全桥变换器的负载轻重 的信号为负 载电流信号；步骤b中，采集到的负载电流小于50%额定负载电流时，进入步骤d。在优选的实施例中，步骤b包括bl.对所述信号进行滤波、放大处理；b2.比较放大信号值与预设的基准值，如果所述放大信号值大于所述基准值则进 入步骤c，否则进入步骤d。请参考图1-4，多个实施例的全桥变换器包括第一桥臂和第二桥臂，所述第一桥臂 包括第一开关管Q1和第二开关管Q2，所述第二桥臂包括第三开关管Q3和第四开关管Q4。 作为全桥电路，所述第一开关管Q1和所述第四开关管Q4在导通时间上对应，所述第二开关 管Q2和所述第三开关管Q3在导通时间上对应。步骤c中，移相模式下的所述控制包括使所述全桥变换器中第一桥臂上的第一开关管Q1和第二开关管Q2轮流导通半个 周期即180度，第二桥臂上的第三开关管Q3和第四开关管Q4轮流导通半个周期，且所述第 三开关管Q3的导通与所述第二开关管Q2的导通相差一个移相角，所述第四开关管Q4的导 通与所述第一开关管Q1的导通也相差一个移相角。即开关管Q2和Q3不同时导通，开关管 Q1和Q4不同时导通。若开关管Q4先导通而开关管Q1后导通，两者相差一个移相角，则开 关管Q3和Q4就组成超前臂，开关管Q1和Q2组成滞后臂。通过调节移相角的大小可调节 输出电压。当负载电流较大时，全桥变换器的四个开关管都可以实现软开关。此时，通过谐 振电感Lr和续流电感Lo给开关管的结电容进行充放电，从而实现开关管Q1 Q4零电压 开关。步骤d中，所述有限双极性模式下的所述控制包括使所述全桥变换器中第一桥臂上的第一开关管和第二开关管轮流导通半个周期， 第二桥臂上的第三开关管和第四开关管在PWM模式下工作，且所述第三开关管与对应的所 述第二开关管同时导通一段时间，所述第四开关管与对应的所述第一开关管同时导通一段 时间。请参考图1-4，有限双极性控制方式是让一个桥臂的两个开关管如开关管Q1和Q2 轮流导通半个周期，另一桥臂的开关管如开关管Q3和Q4为PWM工作，其中开关管Q4在开 关管Q1导通期间才可导通，开关管Q3在开关管Q2导通期间才可导通，开关管Q4和开关管 Q1同时导通Ton时间，Q3和Q2也同时导通Ton时间。由于开关管Q3和Q4在负载较轻时 工作于PWM模式，其与移相模式相比可以降低开关管Q3和Q4的开关损耗。请参考图8，根据本发明的一个实施例，一种全桥变换器的模式切换控制电路，包 括采集电路、分析电路和切换电路。其中，采集电路用于采集反映所述全桥变换器的负载轻 重的信号；分析电路用于分析所述信号是否属于预先界定的反映重负载的信号；切换电路 用于在所述分析电路给出是的结果时使所述全桥变换器切换到移相模式工作，并在所述分 析电路给出否的结果时使所述全桥变换器切换到有限双极性模式工作。采集电路采集的反 映负载轻重的信号可以是负载电流信号、电路的反馈信号和输入电流信号等。对于采集负 载电流，分析电路可以根据负载电流是否大于50%额定负载电流而给出是或否的结果。所述分析电路优选包括滤波电路、放大电路和比较电路。其中，滤波电路用于对所 述信号进行滤波处理；放大电路用于对所述信号进行放大处理；比较电路用于将放大信号值10与预设的基准值Ref进行比较，当所述放大信号值大于所述基准值时输出高电平信 号，否则输出低电平信号。比较电路的输出确定全桥电路的控制模式，若输出高电平信号， 则使全桥电路工作于移相模式；若输出低电平信号，则使全桥电路工作于有限双极性模式。请参考图9，所述切换电路优选包括第一或逻辑电路A、第二或逻辑电路B、第三与 逻辑电路C和第四与逻辑电路D，所述第一或逻辑电路A的一个输入端接比较电路的输出 端，所述第一或逻辑电路A的另一个输入端接第一驱动信号0UTA，所述第二或逻辑电路B 的一个输入端接所述比较电路的输出端，所述第二或逻辑电路B的另一个输入端接第二驱 动信号0UTB，所述第三与逻辑电路C的一个输入端接所述第二或逻辑电路B的输出端，所 述第三与逻辑电路C的另一个输入端接第三驱动信号0UTC，所述第四与逻辑电路D的一个 输入端接所述第一或逻辑电路A的输出端，所述第四与逻辑电路D的另一个输入端接第四 驱动信号0UTD。其中，所述第一驱动信号0UTA和所述第二驱动信号0UTB分别提供给所述 全桥变换器中第一桥臂上的第一开关管Q1和第二开关管Q2，第三与逻辑电路C输出信号 0UTC1提供给所述全桥变换器中第二桥臂上的第三开关管Q3，所述第四与逻辑电路D输出 信号0UTD1提供给全桥变换器中第二桥臂上的第四开关管Q4。更优选地，所述第三与逻辑电路C输出信号0UTC1在发送给第三开关管Q3之前先 经放大处理，所述第四与逻辑电路D输出信号0UTD1在发送给所述第四开关管Q4之前先经 放大处理。请参考图9，通过切换电路实现模式切换的原理如下全桥芯片的移相输出OUTA、OUTB、OUTC、0UTD中，输出OUTA、0UTB可以直接(或 经过驱动放大后)分别驱动开关管Q1和开关管Q2。而全桥芯片的输出0UTC、0UTD分别做 如下处理输出0UTA、0UTB分别通过第一或逻辑电路和第二或逻辑电路同比较电路的输出 进行或运算，得到第一或逻辑电路和第二或逻辑电路的输出信号0UTA1、0UTB1 ；再将输出 0UTC与信号0UTB1通过第三与逻辑电路相与后，产生的信号0UTC1用来直接(或经过驱动 放大后)驱动开关管Q3 ；将输出0UTD和信号0UTA1通过第四与逻辑电路相与后，产生的信 号0UTD1用来直接(或经过驱动放大后)驱动开关管Q4。以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定 本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在 不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换，都应当视为属于本发明的 保护范围。
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权利要求
一种全桥变换器的模式切换控制方法，其特征在于，包括以下步骤a.采集反映所述全桥变换器的负载轻重的信号；b.分析所述信号是否属于预先界定的反映重负载的信号，是则进入步骤c，否则进入步骤d；c.控制所述全桥变换器在移相模式下工作；d.控制所述全桥变换器在有限双极性模式下工作。
2.如权利要求1所述的控制方法，其特征在于，步骤a中，所述反映所述全桥变换器的 负载轻重的信号为负载电流信号；步骤b中，采集到的负载电流小于50%额定负载电流时， 进入步骤d。
3.如权利要求1所述的控制方法，其特征在于，步骤b包括bl.对所述信号进行滤波、放大处理；b2.比较放大信号值与预设的基准值，如果所述放大信号值大于所述基准值则进入步 骤c，否则进入步骤d。
4.如权利要求1所述的控制方法，其特征在于，步骤c中，所述移相模式下的所述控制 包括使所述全桥变换器中第一桥臂上的第一开关管和第二开关管轮流导通半个周期，第二 桥臂上的第三开关管和第四开关管轮流导通半个周期，所述第三开关管的导通比对应的所 述第二开关管的导通相差一个移相角，所述第四开关管的导通比对应的所述第一开关管的 导通也相差一个移相角。
5.如权利要求1至4中任一项所述的控制方法，其特征在于，步骤d中，所述有限双极 性模式下的所述控制包括使所述全桥变换器中第一桥臂上的第一开关管和第二开关管轮流导通半个周期，第 二桥臂上的第三开关管和第四开关管在PWM模式下工作，且所述第三开关管与对应的所述 第二开关管同时导通一段时间，所述第四开关管与对应的所述第一开关管同时导通一段时 间。
6.一种全桥变换器的模式切换控制电路，其特征在于，包括采集电路，用于采集反映所述全桥变换器的负载轻重的信号；分析电路，用于分析所述信号是否属于预先界定的反映重负载的信号；切换电路，用于在所述分析电路给出是的结果时使所述全桥变换器切换到移相模式工 作，并在所述分析电路给出否的结果时使所述全桥变换器切换到有限双极性模式工作。
7.如权利要求6所述的控制方法，其特征在于，所述采集电路是采集负载电流信号，所 述分析电路是分析负载电流是否大于50%额定负载电流。
8.如权利要求6所述的模式切换控制电路，其特征在于，所述分析电路包括滤波电路，用于对所述信号进行滤波处理；放大电路，用于对所述信号进行放大处理；比较电路，用于将放大信号值与预设的基准值进行比较，当所述放大信号值大于所述 基准值时输出高电平信号，否则输出低电平信号。
9.如权利要求8所述的模式切换控制电路，其特征在于，所述全桥变换器包括第一桥臂和第二桥臂，所述第一桥臂包括第一开关管和第二开关管，所述第二桥臂包括第三开关管和第四开关管，所述第一开关管和所述第四开关管在导 通时间上对应，所述第二开关管和所述第三开关管在导通时间上对应；所述切换电路包括第一或逻辑电路、第二或逻辑电路、第三与逻辑电路和第四与逻辑 电路，所述第一或逻辑电路的一个输入端接所述比较电路的输出端，所述第一或逻辑电路 的另一个输入端接第一驱动信号，所述第二或逻辑电路的一个输入端接所述比较电路的输 出端，所述第二或逻辑电路的另一个输入端接第二驱动信号，所述第三与逻辑电路的一个 输入端接所述第二或逻辑电路的输出端，所述第三与逻辑电路的另一个输入端接第三驱动 信号，所述第四与逻辑电路的一个输入端接所述第一或逻辑电路的输出端，所述第四与逻 辑电路的另一个输入端接第四驱动信号，所述第一驱动信号和所述第二驱动信号分别提供 给所述全桥变换器中第一桥臂上的第一开关管和第二开关管，所述第三与逻辑电路输出信 号提供给所述全桥变换器中第二桥臂上的第三开关管，所述第四与逻辑电路输出信号提供 给所述全桥变换器中第二桥臂上的第四开关管。
10.如权利要求9所述的模式切换控制电路，其特征在于，所述第三与逻辑电路输出信 号在发送给所述第三开关管之前先经放大处理，所述第四与逻辑电路输出信号在发送给所 述第四开关管之前先经放大处理。
全文摘要
本发明公开了一种全桥变换器的模式切换控制方法，包括以下步骤a.采集反映所述全桥变换器的负载轻重的信号；b.分析所述信号是否属于预先界定的反映重负载的信号，是则进入步骤c，否则进入步骤d；c.控制所述全桥变换器在移相模式下工作；d.控制所述全桥变换器在有限双极性模式下工作。还公开了一种全桥变换器的模式切换控制电路。本发明依据负载轻重情况调整控制模式，能有效提高全桥变换器的变换效率。
文档编号H02M1/088GK101834518SQ20101017171
公开日2010年9月15日 申请日期2010年5月13日 优先权日2010年5月13日
发明者李战伟, 钟启豪, 陈士政 申请人:深圳市核达中远通电源技术有限公司