一种有源钳位电路及反激开关电源的制作方法

1.本发明涉及开关电源，特别涉及一种有源钳位电路及反激开关电源。


背景技术：

2.在开关电源转换的拓扑当中，反激开关电源以其结构简单和成本低的优势在电子设备中得到广泛应用。反激开关电源有三种基本工作模式，分别为断续工作模式(discontinuous conduction mode，dcm)、临界工作模式(boundary conduction mode，bcm)和连续工作模式(continuous conduction mode，ccm)，相比于dcm模式和bcm模式，ccm模式下的变压器原副边电流有效值、铜损、mos管导通损耗和磁芯磁通变化率都较小，进而效率会较高；但是由于ccm模式下的反向恢复应力较大，需采用高耐压等级的整流二极管或者同步整流mos管，而高耐压等级的整流二极管或者同步整流mos管的反向恢复损耗比较大，因此ccm工作模式在实际应用中受到了很大的限制。


技术实现要素：

3.有鉴于此，本发明要解决的技术问题是提供一种有源钳位电路及反激开关电源，通过对反向恢复应力尖峰能量的吸收利用，降低反激开关电源变压器副边的反向恢复应力，提高电源转换效率。
4.作为第一个方面，本发明提供的有源钳位电路技术方案如下：
5.一种有源钳位电路，应用于反激开关电源，所述反激开关电源包括主功率开关管、副边绕组和整流管，所述有源钳位电路包括：
6.能量吸收电路，包括第一储能器件，所述能量吸收电路用于与所述副边绕组并联，用于在所述主功率开关管开通时，通过所述第一储能器件吸收所述副边绕组漏感的能量，并对所述整流管两端的电压进行钳位；
7.能量转移电路，包括一可控开关管和第二储能器件，所述能量转移电路用于在所述主功率开关管关断期间，先通过控制所述可控开关管导通，将所述第一储能器件的能量转移至所述第二储能器件，然后再通过控制所述可控开关管关断，将所述第二储能器件储存的能量输出至所述反激开关电源输出端所连接的输出电容或者负载。
8.进一步地，所述能量吸收电路还包括二极管d2和二极管d3，所述二极管d2的阳极用于连接所述副边绕组的同名端，所述二极管d2的阴极连接所述第一储能器件一端，所述第一储能器件另一端连接所述二极管d3的阳极，所述二极管d3的阴极用于连接所述副边绕组的异名端。
9.进一步地，所述第一储能器件为电容c2。
10.进一步地，所述能量转移电路还包括二极管d4，所述可控开关管一端连接所述第一储能器件一端，所述可控开关管另一端和所述二极管d4的阳极用于连接所述反激开关电源的输出地，所述二极管d4的阴极连接所述第二储能器件一端，所述第二储能器件另一端连接所述第一储能器件另一端。
11.进一步地，所述可控开关管为mos管m3。
12.进一步地，所述第二储能器件为电感l1。
13.一种有源钳位电路，应用于反激开关电源，所述反激开关电源包括主功率开关管、副边绕组和整流管，所述有源钳位电路包括：第一储能器件、第二储能器件、可控开关管、二极管d2、二极管d3和二极管d4；所述二极管d2的阳极用于连接所述副边绕组的同名端，所述二极管d2的阴极同时连接所述第一储能器件一端和所述可控开关管一端，所述可控开关管另一端和所述二极管d4的阳极用于连接所述反激开关电源的输出地，所述二极管d4的阴极连接所述第二储能器件一端，所述第二储能器件另一端连接所述第一储能器件另一端和所述二极管d3的阳极，所述二极管d3的阴极用于连接所述副边绕组的异名端。
14.进一步地，所述第一储能器件为电容c2，所述第二储能器件为电感l1，所述可控开关管为mos管m3。
15.进一步地，所述可控开关管m3的控制端为高电平的时间段介于所述主功率开关管控制端为低电平的时间段之内。
16.作为第二个方面，本发明提供的反激开关电源技术方案如下：
17.一种反激开关电源，包括以上第一个方面中任一项所述有源钳位电路。
18.本技术的工作原理将结合具体的实施例进行描述，在这里不进行赘述，与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：
19.1、本发明利用有源钳位电路对变压器副边绕组漏感所引起的反向恢复应力尖峰能量进行吸收利用，降低反激开关电源副边整流管的反向恢复应力，提高整机可靠性和电源转换效率。
20.2、由于本发明的有源钳位电路对变压器副边整流管两端的电压具有钳位作用，因此，可以选用性能更加良好的低耐压的整流管，以降低整流管的反向恢复损耗，同时降低整机成本。
21.3、本发明的有源钳位电路架构简单，元件少，易于实现。
附图说明
22.图1为本发明实施例的有源钳位电路应用于反激开关电源的电路图；
23.图2为在图1的基础上提供了具体的有源钳位电路的电路图；
24.图3为本发明实施例的有源钳位电路的工作时序图。
具体实施方式
25.为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合说明书附图及实施例，对本发明进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
26.图1为本发明实施例的有源钳位电路应用于反激开关电源的电路图，该反激开关电源包括rcd吸收电路、主功率开关管m1、变压器t1、有源钳位电路和整流管m2。其中，整流管m2可为mos管，也可为二极管，采用mos管为本领域技术人员所熟知的同步整流技术，可以提高效率，同步整流管的驱动采用本领域技术人员熟知的技术即可，本实施例以m2是mos管为例进行说明。
27.其中，rcd吸收电路包括电阻r1、电容c1和二极管d1，电阻r1的一端连接电容c1的一端用于输入供电电压，电阻r1的另一端、电容c1的另一端与二极管d1的阳极连接在一起，rcd吸收电路用于对变压器t1原边绕组的漏感能量进行吸收；变压器t1原边绕组的同名端用于输入供电电压，变压器t1原边绕组的异名端、二极管d1的阳极连接主功率开关管m1的漏极，主功率开关管m1的源极接地。
28.变压器t1副边绕组的同名端、整流管m2的漏极连接有源钳位电路的第一输入端，整流管m2的源极、有源钳位电路的第二输入端连接输出电容或者负载的一端用于连接反激开关电源的输出地，变压器t1副边绕组的异名端、有源钳位电路输出端连接输出电容或者负载的另一端。其中，有源钳位电路用于对反激开关电源变压器t1副边绕组的反向恢复应力的尖峰能量进行吸收利用，以降低反激开关电源变压器t1副边绕组的反向恢复应力，提高电路转换效率。
29.图2为在图1的基础上提供了具体的有源钳位电路的电路图，有源钳位电路包括能量吸收电路和能量转移电路，能量吸收电路包括二极管d2、电容c2和二极管d3,能量转移电路包括可控开关管m3、二极管d4和电感l1；二极管d2的阳极用于连接变压器t1副边绕组的同名端，二极管d2的阴极同时连接电容c2的一端和可控开关管m3的一端，可控开关管m3另一端和二极管d4的阳极用于连接反激开关电源的输出地，二极管d4的阴极连接电感l1一端，电感l1另一端连接电容c2另一端和二极管d3的阳极，二极管d3的阴极用于连接变压器t1副边绕组的异名端。其中，能量吸收电路用于在主功率开关管m1开通时，通过电容c2吸收变压器t1副边绕组漏感的能量，并对整流管m2两端的电压进行钳位；能量转移电路用于在主功率开关管m1关断期间，先通过控制可控开关管m3导通，将电容c2的能量转移至电感l1，然后再通过控制可控开关管m3关断，将电感l1储存的能量输出至反激开关电源输出端所连接的输出电容或者负载。
30.图3为本发明实施例的有源钳位电路的工作时序图，结合图2和图3可知本实施例的工作原理时序如下：
31.其中，vds1为整流管m2漏源极电压；vg3为可控开关管m3控制端电位；vg1为主功率开关管m1控制端电位；il1为由电感l1一端流至电感l1另一端的电流；is1为流经变压器t1、二极管d2、电容c2和二极管d3的回路电流；ins为由变压器t1副边绕组同名端流至变压器t1副边绕组异名端的电流。
32.定义各时间段含义为：第一时间段δt1：t0～t1、第二时间段δt2：t1～t2、第三时间段δt3：t2～t3、第四时间段δt4：t3～t4、第五时间段δt5：t4～t5、第六时间段δt6：t5～t6。
33.第一时间段δt1:主功率开关管m1的控制端为高电平，可控开关管m3的控制端为低电平，变压器t1原边绕组励磁，变压器t1副边绕组同名端流至变压器t1副边绕组异名端的电流ins＝0，整流管m2的漏源极电压vds1＝vo+vin/n，其中，n为变压器t1原边匝数np与变压器t1副边匝数ns之比，即n＝np/ns；
34.第二时间段δt2:主功率开关管m1的控制端为低电平，可控开关管m3的控制端为低电平，变压器t1副边绕组经整流管m2给负载进行供电，电流由变压器t1副边绕组同名端流向变压器t1副边绕组异名端，即ins》0且逐渐增大，整流管m2的漏源极电压vds1≈0；
35.第三时间段δt3:主功率开关管m1的控制端为低电平，可控开关管m3的控制端为
高电平，二极管d4正偏，电容c2、开关管m3、二极管d4和电感l1形成回路，电流由电感l1一端流至电感l1另一端，即il1》0，且逐渐增大，电容c2的部分能量转移并存储至电感l1；
36.第四时间段δt4:主功率开关管m1的控制端为低电平，可控开关管m3的控制端为低电平，电容c2停止放电，二极管d3正偏，二极管d4正偏，电感l1通过二极管d4和二极管d3进行续流，将储存在电感l1中的能量输出至反激开关电源输出端所连接的输出电容c3和负载rl，实现能量的转移，电流由电感l1一端流至电感l1另一端，即il1》0，且逐渐下降直至为0；
37.第五时间段δt5:主功率开关管m1的控制端为低电平，可控开关管m3的控制端为低电平，电感l1停止续流，由电感l1一端流至电感另一端的电流il1＝0，二极管d3反偏，变压器t1副边绕组同名端到变压器副边绕组异名端的电流ins逐渐下降，但未下降至0；
38.第六时间段δt6:主功率开关管m1的控制端为高电平，可控开关管m3的控制端为低电平，整流管m2的体二极管反偏，变压器t1副边绕组同名端到变压器t1副边绕组异名端的电流ins从大于零的某个数值快速下降为负值，产生由变压器t1副边绕组异名端流至变压器t1副边绕组同名端的反向恢复电流，该反向恢复电流等于整流管m2的体二极管的反向恢复电流，该反向恢复电流流经变压器t1副边绕组的漏感lsr，变压器t1副边绕组漏感lsr存储能量，同时整流管m2的漏源极电压从0快速上升至一电压值，该电压值与可控开关管m3的导通时间有关；
39.第七时间段δt7:主功率开关管m1的控制端为高电平，可控开关管m3的控制端为低电平，二极管d2正偏，变压器t1副边绕组漏感lsr的能量经二极管d2、电容c2和二极管d3构成的回路吸收至电容c2，变压器t1副边绕组同名端到变压器t1副边绕组异名端的电流ins从负向峰值下降恢复至0；
40.在控制过程中，可控开关管m3控制端为高电平的时间段介于主功率管m1控制端为低电平的时间段之内。
41.本技术的发明人通过制作样机，并在相同实验条件下进行测试，验证了相比于未采用本发明的反激开关电源来说，采用本发明有源钳位电路的反激开关电源的副边整流管的电压应力更小，整机可靠性更高，进而降低了对整流管耐压值的需求标准，整机成本低。
42.以上实施例的说明只是用于帮助理解本技术的发明构思，并不用以限制本发明，对于本技术领域的普通技术人员来说，凡在不脱离本发明原理的前提下，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。