有源钳位类变换器动态伏秒失衡问题的抑制方法及电路与流程

1.本公开涉及变换器控制技术领域，尤其涉及有源钳位类变换器动态伏秒失衡问题的抑制方法及电路。


背景技术：

2.随着电子系统的高密小型化、高速高功率的发展，对于高功率密度、高效率开关电源变换器的应用越来越广泛。有源钳位类变换器，如有源钳位反激变换器、有源钳位正激变换器和双钳位零电压开关变换器等，因其高效率、全范围软开关、适应高开关频率等特点被广泛应用于通讯和工业等电源领域。
3.一种有源钳位类变换器的零电压开关自适应控制方法和电路，应用于双钳位零电压开关(zero voltage switch，zvs)升降压变换器。变换器的电路结构如图1所示，电路主要包括原边开关管q1～q4、功率变压器tr、钳位电容cf、副边同步整流管q5和输出滤波电容c
ld
，功率变压器tr中包括激磁电感lm和原边等效漏感lr。通过采样开关管q4的漏源极电压v
dsq4
，获取主开关管的zvs特性的特征信息，再结合伏秒平衡以及由特性信息闭环控制获取的调整值，对钳位开关管的开通时间进行自适应调整，实现对变压器负向电流的闭环控制。
4.现有一种有源钳位类变换器的零电压开关自适应控制方法的实施框图如图2所示，钳位电容电压v
l
经采样电路转换成模拟采样信号v
ls
与钳位电容电压基准v
lref
做差，其差值经由比例积分调节器对变换器的钳位电容电压进行调节；输入电压v
in
经采样电路转换成模拟信号用于计算变换器的开关管q1～q3的开通时间参数；开关管q4的漏源电压v
dsq4
经采样电路连接至数字控制器，经脉冲宽度提取与脉宽闭环调节后获得开关管q3的开关时间调整值dt3，与v
in
采样值v
ins
、调节器输出值v
er
一起计算得到开关管q1～q3的导通时间；经pwm生产模块生成驱动信号后进一步判断v
dsq4
的电压以保证开关管q4的zvs开通，进而得到开关管q1～q4的驱动信号v
qs1
～v
qs4
；副边采用同步整流控制，同步整流驱动器检测同步整流管q5的漏源极两端电压，判断零电压开通和零电流关断以产生q5的驱动控制信号v
qs5
，即当漏源极电压低于开通阈值电压时开通q5，当漏源极电压高于关断阈值电压时关断q5。
5.根据上述分析可知，变换器的zvs自适应控制方法涉及到两个控制环路，一个是调节输出电压的t1的环路，其计算值和输入电压v
in
呈反比，以改善变换器的在输入电压跳变工况下的动态响应，同时和钳位电容电压闭环调节模块的输出值v
er
呈正比，以实现对变换器的输出电压稳压控制；另一个是t3的环路，用以实现对反向激磁电流的控制，进一步实现开关管q1和q4的可靠zvs。实际工作时，如果t3的环路过快，一旦某一周期t3的计算值略大于伏秒平衡所需的值，那么激磁电感的负向电流过大，则t1的环路会增大t1的值以保证输出稳压，那么在t3的环路作用下t3的计算值进一步增大，变换器会进入发散状态，因此为了维持变换器的稳定运行，t3的环路要慢于t1的环路。然而当变换器输出从重载切到空载时，如图3所示，在t1的环路作用下开关管q1的导通时间迅速减小，而开关管q3的导通时间要在几个周期后才更新至维持伏秒平衡所需的值，那么此时开关管q3的导通时间远大于维持伏秒平衡所需的导通时间，激磁电感电流i
lm
迅速下跌，副边同步整流管q5的导通时间也会减小直至
到达同步整流芯片限制的最小导通时间。当激磁电感电流峰值i
lm_peak
大于0时，开关管q3导通的时间段内同步整流管q5导通的时候输出电容在放电，但当激磁电感电流峰值i
lm_peak
下降到0以下时，副边同步整流管q5不具备开通条件不再开通，开关管q3导通的时间段钳位电容放电，由于钳位电容容值较小，放电速度快，钳位电容电压v
l
会快速跌落。由于变换器控制和用于判断输出过欠压保护的对象都是钳位电容电压v
l
，当钳位电容电压跌落过大时，如图4所示的实际实验波形，容易触发变换器的保护机制，导致变换器关机不再运行。


技术实现要素：

6.本公开提供了一种有源钳位类变换器动态伏秒失衡问题的抑制方法及电路，以至少解决现有技术中存在的以上技术问题。
7.根据本公开的第一方面，提供了一种有源钳位类变换器动态伏秒失衡问题的抑制方法。
8.在一可实施方式中，所述方法包括：获取vb点电压值、开关管q3的第一开通信号q
3on1
和开关管q4的开通信号q
4on
；对所述vb点电压值和所述开通信号q
4on
进行分析处理，确定开关管q3的zvs检测信号q
3zvs
；对所述第一开通信号q
3on1
和所述zvs检测信号q
3zvs
进行与运算，获得开关管q3的第二开通信号q
3on2
；通过pwm生成模块对所述第二开通信号q
3on2
进行处理，获得开关管q3的驱动信号q
3gs
，以驱动开关管q3。
9.在一可实施方式中，所述对所述vb点电压值和所述开通信号q
4on
进行分析处理，确定开关管q3的zvs检测信号q
3zvs
，包括：在所述开通信号q
4on
为低电平且所述vb点电压值达到基准电压的情况下，确定所述zvs检测信号q
3zvs
为高电平；在所述开通信号q
4on
为低电平且所述vb点为0的情况下，确定所述zvs检测信号q
3zvs
为低电平。
10.根据本公开的第二方面，提供了一种有源钳位类变换器动态伏秒失衡问题的抑制装置。
11.在一可实施方式中，所述装置包括：获取单元，用于获取vb点电压值、开关管q3的第一开通信号q
3on1
和开关管q4的开通信号q
4on
；分析单元，用于对所述vb点电压值和所述开通信号q
4on
进行分析处理，确定开关管q3的zvs检测信号q
3zvs
；运算单元，用于对所述第一开通信号q
3on1
和所述zvs检测信号q
3zvs
进行与运算，获得开关管q3的第二开通信号q
3on2
；处理单元，用于通过pwm生成模块对所述第二开通信号q
3on2
进行处理，获得开关管q3的驱动信号q
3gs
，以驱动开关管q3。
12.根据本公开的第三方面，提供了一种有源钳位类变换器动态伏秒失衡问题的抑制电路。
13.在一可实施方式中，所述电路包括：开关管q3zvs检测模块、pwm生成模块和与门；所述与门包括两个输入端，所述vb点的电压经由所述开关管q3zvs检测模块生成检测信号q
3zvs
，连接至与门的一个输入端，所述pwm生成模块生成第一开通信号q
3on1
连接至与门的另一个输入端，所述检测信号q
3zvs
和所述第一开通信号q
3on1
经由所述与门生成第二开通信号q
3on2
，连接至所述pwm生成模块，所述第二开通信号q
3on2
经由所述pwm生成模块，生成q3的驱动信号q
3gs
。
14.在一可实施方式中，所述开关管q3zvs检测模块包括：第一电容c
11
、第二电容c
12
、第一电阻r
11
、第二电阻r
12
、第一二极管d
11
、第二二极管d
12
、第三二极管d
13
、第四二极管d
14
、第
五二极管d
15
、第一比较器u
11
、第一单稳态触发器和第一rs触发器rs1；所述第五二极管d
15
的阳极与电源v
cc
连接，第五二极管d
15
的负极分别与第二电容c
11
、第二电阻r
12
、第二二极管d
12
的阳极、第四二极管d
14
的阴极、第一二极管d
11
的阳极连接，第二电容c
11
的另一端与vb点的电压连接，第二二极管d
12
的阴极与第三二极管d
13
的阳极连接，第一比较器u11的正输入端分别与第三二极管d
13
的阴极、第二电阻r
12
的另一端、第四二极管d
14
的阳极、第一电容c
11
连接，第一电容c
11
的另一端接地，第一二极管d
11
的阴极分别与第一比较器u
11
的负输入端和第一电阻r
11
连接，第一电阻r
11
的另一端接地，第一比较器u
11
的输出与第一单稳态触发器的输入端连接，第一单稳态触发器的输出端连接于第一rs触发器rs1的s输入端连接。
15.在一可实施方式中，所述开关管q3zvs检测模块包括：电阻分压采样电路、第二比较器u
12
、第二单稳态触发器和第二rs触发器rs2；电阻分压采样电路与第二比较器u
12
的正输入端连接，第二比较器u
12
的输出与第二单稳态触发器的输入端连接，第二单稳态触发器的输出端与第二rs触发器rs2的s输入端连接。
16.根据本公开的第三方面，提供了一种电子设备，所述电子设备包括上述一种有源钳位类变换器动态伏秒失衡问题的抑制电路。
17.本公开的有源钳位类变换器动态伏秒失衡问题的抑制方法及电路，通过改变开关管q3的驱动信号，实现了在变换器由满载切空载，且激磁电感电流峰值下降到0以下时，开关管q3不开通的目的，从而解决了变换器动态响应过程中钳位电容电压快速掉落从而触发保护机制，导致变换器关机不在运行的问题。
18.应当理解，本部分所描述的内容并非旨在标识本公开的实施例的关键或重要特征，也不用于限制本公开的范围。本公开的其它特征将通过以下的说明书而变得容易理解。
附图说明
19.通过参考附图阅读下文的详细描述，本公开示例性实施方式的上述以及其他目的、特征和优点将变得易于理解。在附图中，以示例性而非限制性的方式示出了本公开的若干实施方式，其中：
20.在附图中，相同或对应的标号表示相同或对应的部分。
21.图1示出了现有技术中一种双钳位zvs升降压变换器的结构示意图；
22.图2示出了现有技术中一种zvs自适应控制方法的实施框图；
23.图3示出了现有技术中变换器发生伏秒失衡时的波形示意图；
24.图4示出了现有技术中变换器发生伏秒失衡时的实验波形图；
25.图5示出了本公开实施例一种有源钳位类变换器动态伏秒失衡问题的抑制电路的结构示意图一；
26.图6示出了本公开实施例一种开关管q3zvs检测模块的电路结构示意图一；
27.图7示出了本公开实施例一种开关管q3zvs检测模块的电路结构示意图二；
28.图8示出了本公开实施例一种有源钳位类变换器动态伏秒失衡问题的抑制方法的实现流程示意图；
29.图9示出了本公开实施例一种开关管q3zvs检测模块的电路结构的工作波形示意图一；
30.图10示出了本公开实施例一种开关管q3zvs检测模块的电路结构的工作波形示意
图二；
31.图11示出了本公开实施例一种有源钳位类变换器动态伏秒失衡问题的抑制方法的仿真波形示意图一；
32.图12示出了本公开实施例一种有源钳位类变换器动态伏秒失衡问题的抑制方法的仿真波形示意图二；
33.图13示出了本公开实施例一种有源钳位类变换器动态伏秒失衡问题的抑制装置的模块示意图。
具体实施方式
34.为使本公开的目的、特征、优点能够更加的明显和易懂，下面将结合本公开实施例中的附图，对本公开实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本公开一部分实施例，而非全部实施例。基于本公开中的实施例，本领域技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本公开保护的范围。
35.图5为本公开实施例一种有源钳位类变换器动态伏秒失衡问题的抑制电路的结构示意图，如图5所示，该电路包括：开关管q3zvs检测模块、pwm生成模块和与门；与门包括两个输入端，vb点的电压经由开关管q3zvs检测模块生成检测信号q
3zvs
，连接至与门的一个输入端，pwm生成模块生成第一开通信号q
3on1
连接至与门的另一个输入端，检测信号q
3zvs
和第一开通信号q
3on1
经由与门生成第二开通信号q
3on2
，连接至pwm生成模块，第二开通信号q
3on2
经由pwm生成模块，生成q3的驱动信号q
3gs
。
36.本电路公开的一种有源钳位类变换器动态伏秒失衡问题的抑制电路，可以解决变换器动态响应过程中钳位电容电压v
l
快速掉落触发保护关机的问题，且电路实现简单，给硬件结构以及软件流程带来的负担小，对变换器效率的影响很小。
37.图6示出了本公开实施例一种开关管q3zvs检测模块的电路结构示意图一。
38.在一可实施方式中，如图6所示，开关管q3zvs检测模块包括：第一电容c
11
、第二电容c
12
、第一电阻r
11
、第二电阻r
12
、第一二极管d
11
、第二二极管d
12
、第三二极管d
13
、第四二极管d
14
、第五二极管d
15
、第一比较器u
11
、第一单稳态触发器和第一rs触发器rs1；第五二极管d
15
的阳极与电源v
cc
连接，第五二极管d
15
的负极分别与第二电容c
11
、第二电阻r
12
、第二二极管d
12
的阳极、第四二极管d
14
的阴极、第一二极管d
11
的阳极连接，第二电容c
11
的另一端与与vb点的电压连接，第二二极管d
12
的阴极与第三二极管d
13
的阳极连接，第一比较器u11的正输入端分别与第三二极管d
13
的阴极、第二电阻r
12
的另一端、第四二极管d
14
的阳极、第一电容c
11
连接，第一电容c
11
的另一端接地，第一二极管d
11
的阴极分别与第一比较器u
11
的负输入端和第一电阻r
11
连接，第一电阻r
11
的另一端接地，第一比较器u
11
的输出与第一单稳态触发器的输入端连接，第一单稳态触发器的输出端连接于第一rs触发器rs1的s输入端连接。
39.图7示出了本公开实施例一种开关管q3zvs检测模块的电路结构示意图二。
40.在一可实施方式中，如图7所示，开关管q3zvs检测模块包括：电阻分压采样电路、第二比较器u
12
、第二单稳态触发器和第二rs触发器rs2；电阻分压采样电路与第二比较器u
12
的正输入端连接，第二比较器u
12
的输出与第二单稳态触发器的输入端连接，第二单稳态触发器的输出端与第二rs触发器rs2的s输入端连接。
41.图8为本公开实施例一种有源钳位类变换器动态伏秒失衡问题的抑制方法的实现
流程示意图。如图8所示，该方法包括：操作101，获取vb点电压值、开关管q3的第一开通信号q
3on1
和开关管q4的开通信号q
4on
；操作102，对vb点电压值和开通信号q
4on
进行分析处理，确定开关管q3的zvs检测信号q
3zvs
；操作103，对第一开通信号q
3on1
和zvs检测信号q
3zvs
进行与运算，获得开关管q3的第二开通信号q
3on2
；操作104，通过pwm生成模块对第二开通信号q
3on2
进行处理，获得开关管q3的驱动信号q
3gs
，以驱动开关管q3。
42.在操作101中，vb点为开关管q3和开关管q4的连接点；开关管q3的第一开通信号q
3on1
和开关管q4的开通信号q
4on
分别为现有技术中pwm模块生成的开关管q3和开关管q4的驱动信号。在操作102中，通过对当前vb点电压值和开通信号q
4on
进行分析处理，当分析结果为满足开关管q3的zvs开通条件时，zvs检测信号q
3zvs
为高电平，当分析结果为不满足开关管q3的zvs开通条件时，zvs检测信号q
3zvs
为低电平。在操作103中，开关管q3的第二开通信号q
3on2
为使用本公开实施例所公开的方法后开关管q3的驱动信号，只有当第一开通信号q
3on1
和zvs检测信号q
3zvs
都为高电平时，确定开关管q3的第二开通信号q
3on2
为高电平，否则为低电平。
43.在一可实施方式中，操作102，包括：在开通信号q
4on
为低电平且vb点电压值达到基准电压的情况下，确定zvs检测信号q
3zvs
为高电平；在开通信号q
4on
为低电平且vb点为0的情况下，确定zvs检测信号q
3zvs
为低电平。
44.其中，基准电压可以为闭环钳位电容电压值v
l
通过电阻分压取样电路分压得到的对应值。
45.为更好理解上述实施例，下面以两种具体实施场景进行说明。
46.一种实施场景中，如图6所示电路，当开关管q4处于导通状态时，vb点电压为0，比较器u
11
负端电压u
11-为v
cc-v
d15-v
d11
，其中v
d11
、v
d15
为二极管d
11
、d
15
的导通压降，比较器u
11
正端电压u
11+
为v
cc-v
d15
，此时比较器输出为高电平；在开关管q4关断的时刻，如果此时激磁电感电流峰值为正，则激磁电流对开关管q3和q4的寄生电容c3和c4充放电，vb点电压上升，比较器u
11
负端电压为v
cc
+v
b-v
d15-v
d11
，由于c
12
》》c
11
，dv
c11
/dt＝dvb/dt，比较器u
11
正端电压u
11+
为v
cc
+v
b-v
d15-r
12c11
dvb/dt，当r
12c11
dvb/dt》v
d11
，即vb点电压上升较快时，比较器输出为低电平，但当比较器u
11
正端电压跌落到v
cc
+v
b-v
d12-v
d13
以下时，该电压会被二极管d
12
、d
13
组成的钳位电路钳位在v
cc
+v
b-v
d12-v
d13
，v
d12
、v
d13
为二极管d
12
、d
13
的导通压降；当vb点电压上升到基本不变时，比较器u
11
正端电压为v
cc
+v
b-v
d15
，较器u
11
负端电压为v
cc
+v
b-v
d15-v
d11
，比较器输出翻转为高电平，表明开关管q3具备zvs开通条件，单稳态触发器得到触发信号，输出高电平给rs触发器rs1的s端，rs触发器输出的q
3zvs
变为高电平；激磁电感电流峰值大于0的情况下该电路结构的工作波形如图9所示。如果在开关管q4关断的时刻激磁电感电流为负，则vb点电压维持不变，比较器输出维持高电平，则单稳态触发器无法的到触发信号，rs触发器输出q
3zvs
保持低电平；在开关管q3关断的时刻，vb点电压下降，比较器u
11
正端电压为v
cc
+v
b-v
d15-r
12c11
dvb/dt，但当比较器u
11
正端电压上升到v
cc
+v
b-v
d15
+v
d14
以上时，该电压被二极管d
14
钳位在v
cc
+v
b-v
d15
+v
d14
，v
d14
为二极管d
14
的导通压降，比较器u
11
负端电压为v
cc
+v
b-v
d15-v
d11
，比较器输出维持高电平，单稳态触发器无法得到触发信号。当开关管q4开通时，数字控制器中开关管q4的开通信号q
4on
为高，该信号送入rs触发器rs1的r端，q
3zvs
恢复为低电平。
47.另一种实施场景中，如图7所示电路，比较器u
12
负端电压v
th1
设为闭环钳位电容电压值v
l
经图中电阻分压取样电路分压得到的对应值，当开关管q4处于导通状态时，vb点电压为0，比较器u
12
正端电压u
12+
为0，此时比较器u
12
输出为低电平；开关管q4关断，如果此时激磁
电感电流峰值为正，则激磁电流对开关管q3和q4的寄生电容c3和c4充放电，vb点电压上升，当vb点电压值上升到v
l
以上，开关管q3具备zvs开通条件，比较器u
12
正端电压大于负端电压v
th1
，比较器输出翻转为高，单稳态触发器得到触发信号，输出高电平给rs触发器rs2的s端，rs触发器输出的q
3zvs
变为高电平，如果在开关管q4关断的时刻激磁电感电流为负，则vb点电压维持不变，比较器u
12
输出维持低电平；当开关管q3关断，vb点电压下降，下降到负端电压v
th1
以下时比较器输出翻转为低。当开关管q4开通时，数字控制器中开关管q4的开通信号q
4on
为高，该信号送入rs触发器rs2的r端，q
3zvs
恢复为低电平。图10给出了激磁电感电流峰值i
lm_peak
大于0情况下该电路的关键点工作波形。
48.图11和图12示出了本公开实施例一种有源钳位类变换器动态伏秒失衡问题的抑制方法的仿真波形示意图。如图11和图12所示，采用本公开的方法之后，变换器满载切空载时，激磁电感电流峰值i
lm_peak
持续下降，当其下降到0以下时，开关管q3不具备zvs开通条件，该周期内开关管q3不开通，激磁电感电流到达峰值后维持不变；等到下一个开关周期激磁电感电流峰值上升到0以上，此时开关管q3具备zvs开通条件正常开通。整个切载过程中钳位电容电压v
l
不再出现突然掉落的现象。
49.本公开一实施例提供了一种有源钳位类变换器动态伏秒失衡问题的抑制装置，如图13所示，该装置包括：获取单元1301，用于获取vb点电压值、开关管q3的第一开通信号q
3on1
和开关管q4的开通信号q
4on
；分析单元1302，用于对vb点电压值和开通信号q
4on
进行分析处理，确定开关管q3的zvs检测信号q
3zvs
；运算单元1303，用于对第一开通信号q
3on1
和zvs检测信号q
3zvs
进行与运算，获得开关管q3的第二开通信号q
3on2
；处理单元1304，用于通过pwm生成模块对第二开通信号q
3on2
进行处理，获得开关管q3的驱动信号q
3gs
，以驱动开关管q3。
50.根据本公开的实施例，本公开还提供了一种电子设备，电子设备包括上述一种有源钳位类变换器动态伏秒失衡问题的抑制电路。
51.本公开电子设备的具体实施方式和有益效果参考上述图6、图7对有源钳位类变换器动态伏秒失衡问题的抑制电路的描述，为节约篇幅，此处不再赘述。
52.应该理解，可以使用上面所示的各种形式的流程，重新排序、增加或删除步骤。例如，本发公开中记载的各步骤可以并行地执行也可以顺序地执行也可以不同的次序执行，只要能够实现本公开公开的技术方案所期望的结果，本文在此不进行限制。
53.此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或隐含地包括至少一个该特征。在本公开的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。
54.以上所述，仅为本公开的具体实施方式，但本公开的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本公开揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本公开的保护范围之内。因此，本公开的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。