一种正激有源钳位变换器及其控制方法

摘要

本发明公开了一种正激有源钳位变换器及其控制方法，所述变换器包括开关管Q1、开关管Q2、开关管Q3、开关管Q4、主变压器T1、电感L1、钳位电容C3、输入电容C1和输出电容C2；开关管Q1、Q4的驱动信号G1、G4互补且保留死区；开关管Q2、Q3的驱动信号互补且保留死区；开关管Q1的驱动信号G1和开关管Q3的驱动信号G3重叠，且驱动信号G1的使能边沿晚于驱动信号G3的使能边沿，驱动信号G1的关断边沿早于驱动信号G3的关断边沿；开关管Q3的驱动信号G3和开关管Q4的驱动信号G4部分重叠。本发明通过驱动信号的调整，可以实现功率的双向传递，提高了正激有源钳位变换器的器件利用率，为小体积隔离双向变换器的设计提供了新的思路。

说明书

技术领域

本发明涉及开关电源领域，特别涉及小体积双向的一种正激有源钳位变换器及其控制方法。

背景技术

随着经济的快速发展，节能减排及低碳需求日益增加，光伏、风电等新能源在功率需求上日益增加，但是稳定性上略显不足，故添加隔离的双向DCDC变换器实现功率的双向流动，以提高供电稳定性。因为器件少，容易设计等优点，正激有源钳位拓扑被业内普遍使用。

如图1所示，为正激有源钳位变换器的原理图，正激有源钳位拓扑由于是隔离拓扑，且副边含整流管Q3、续流管Q4，原边包括主开关管Q1和Q2，一直以来其驱动信号G3、G4的时序控制十分困难，基本只能实现单向的功率传输。常规控制方式如图2所示，整流管Q3的驱动信号G3完全跟随主开关管Q1的驱动信号G1，在主开关管Q1导通同时进行导通，传输激磁能量对电感L1进行激磁；在主开关管Q1关断时同步关断。实际上，驱动信号G3及驱动信号G4并无法紧密跟随，由于驱动信号G3需要紧跟随驱动信号G1驱动，续流管Q4与主开关管Q1又不能共通，所以驱动信号G4与驱动信号G1需保留死区，则驱动信号G3与驱动信号G4需要保留死区。常规的，Q1～Q4为MOS管，当二次侧的输出电流为正向电流时，续流管Q4的体二极管可提前导通；在结束对电感L1的激磁同时，同步需导通续流管Q4，对电感L1进行续流去磁。定义电感L1往二次侧流动的电流方向为正、反之为负，这种同步整流控制模式在空轻载下，电感L1由于电流连续且平均电流为输出电流，会出现负向电流。上述驱动信号G3与驱动信号G4死区时间内，由于整流管Q3与续流管Q4关断，体二极管不导通，负向功率电流直接往续流管Q4的结电容充电，直接导致续流管Q4出现损坏等可靠性问题。进一步，若需要二次侧往一次侧传递能量，则电感L1在全负载条件下都存在负相电流，Q3与Q4可靠性堪忧。

为解决电感L1负电流导致的可靠性问题，有两种方案，其一是对开关管Q4采用负压检测关断方案，使得电感L1在空轻载工作在断续模式，不存在负向电流。这种方案解决了正激有源钳位的可靠性问题，但是直接导致二次侧能量无法向一次侧传递。第二种方案是通过驱动时序控制使得驱动信号G3与驱动信号G4完全互补不留死区，然而这种方式由会由于控制电路精度的差异导致出现开关管Q1与开关管Q4共通的风险。

发明内容

有鉴如此，本发明要解决的技术问题是提出一种正激有源钳位变换器及其控制方法，解决电感L1存在负向电流的情况下出现的开关管Q3、开关管Q4的可靠性问题，同步优化控制时序，在方便控制的情况下通过正激有源钳位拓扑实现能量的双向传递。

为实现上述目的，本发明提出了以下技术方案：

第一方面，提供一种正激有源钳位变换器的控制方法，所述正激有源钳位变换器包括开关管Q1、开关管Q2、开关管Q3、开关管Q4、主变压器T1、电感L1、钳位电容C3、输入电容C1和输出电容C2；开关管Q1、开关管Q2、开关管Q3、开关管Q4的驱动信号分别为驱动信号G1、驱动信号G2、驱动信号G3、驱动信号G4；所述控制方法包括：

控制驱动信号G1和驱动信号G4互补，且驱动信号G1和驱动信号G4之间存在死区时间；

控制驱动信号G2和驱动信号G3互补，且驱动信号G2和驱动信号G3之间存在死区时间；

控制驱动信号G1和驱动信号G3重叠，且驱动信号G1的使能边沿晚于驱动信号G3的使能边沿，驱动信号G1的关断边沿早于驱动信号G3的关断边沿；

控制驱动信号G3和驱动信号G4部分重叠。

优选地，驱动信号G1和驱动信号G4之间存在死区时间，具体为：

驱动信号G1的使能边沿和上一个驱动信号G4的关断边沿之间存在死区时间，和/或，驱动信号G1的关断边沿与下一个驱动信号G4的使能边沿之间存在死区时间。

优选地，驱动信号G2和驱动信号G3之间存在死区时间，具体为：

驱动信号G2的使能边沿和上一个驱动信号G3的关断边沿之间存在死区时间，和/或，驱动信号G2的关断边沿与下一个驱动信号G3的使能边沿之间存在死区时间。

优选地，驱动信号G3和驱动信号G4部分重叠，具体为：

驱动信号G3的使能边沿与上一个驱动信号G4的关断边沿之间存在重叠区域，驱动信号G3的关断边沿与下一个驱动信号G4的使能边沿之间存在重叠区域。

第二方面，提供一种正激有源钳位变换器，包括开关管Q1、开关管Q2、开关管Q3、开关管Q4、主变压器T1、电感L1、钳位电容C3、输入电容C1和输出电容C2；

开关管Q1的驱动信号G1和开关管Q4的驱动信号G4互补，且驱动信号G1和驱动信号G4之间存在死区时间；

开关管Q2的驱动信号G2和开关管Q3的驱动信号G3互补，且驱动信号G2和驱动信号G3之间存在死区时间；

开关管Q1的驱动信号G1和开关管Q3的驱动信号G3重叠，且驱动信号G1的使能边沿晚于驱动信号G3的使能边沿，驱动信号G1的关断边沿早于驱动信号G3的关断边沿；

开关管Q3的驱动信号G3和开关管Q4的驱动信号G4部分重叠。

优选地，开关管Q1、开关管Q2、开关管Q3、开关管Q4均为MOS管。

优选地，开关管Q2为PMOS管，开关管Q2与钳位电容C3串联后，并联在开关管Q1两端，开关管Q1的第一端与变压器T1的原边绕组的异名端连接，第二端接地。

优选地，开关管Q2为NMOS管，开关管Q2与钳位电容C3串联后并联在变压器T1的原边绕组的两端，开关管Q1的第一端与变压器T1的原边绕组的异名端连接，第二端接地。

本发明的工作原理将结合具体的实施例进行详细分析，与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

1、本发明通过对开关管Q1、Q2、Q3、Q4的驱动信号的调整，实现了电感L1的电流连续的工作状态，从而实现了正激有源钳位变换器双向传输能量的控制应用。

2、本发明优化开关管Q1、Q2、Q3、Q4的驱动信号，在保障开关管Q3与开关管Q4可靠性的同时，解决了传统控制方案下驱动信号G3与驱动信号G4互补带来的开关管Q1与开关管Q4的共通问题，在本发明控制方案下，既能保证开关管Q3与开关管Q4不存在死区，又能保证开关管Q1与开关管Q4的死区，进一步提高了方案的可靠性。

3、本发明使用较少的功率器件，实现了正激有源钳位变换器的隔离稳压双向传输。

附图说明

图1为现有的开关管Q2使用PMOS的正激有源钳位变换器的电路图；

图2为传统控制时序；

图3为本发明所述正激有源钳位变换器在空载下的典型控制时序；

图4为现有的开关管Q2使用NMOS的正激有源钳位的电路图。

具体实施方式

下面结合给出本发明实施例中的附图，更清楚、完整地说明本发明的技术方案。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。

第一实施例

在本实施例中，提供一种正激有源钳位变换器的控制方法，所述正激有源钳位变换器包括开关管Q1、开关管Q2、开关管Q3、开关管Q4、主变压器T1、电感L1、钳位电容C3、输入电容C1和输出电容C2，如图1所示为本实施例所述正激有源钳位变换器的其中一个原理图，开关管Q1、开关管Q2、开关管Q3、开关管Q4可以均为MOS管，亦可以为其他功率器件，在此不做限定；在本实施例具体实时过程中，开关管Q1、开关管Q2、开关管Q3、开关管Q4均为MOS管，且开关管Q2为PMOS管；主变压器T1的原边绕组的同名端与输入电容C1的一端连接后，作为所述正激有源钳位变换器一次侧的输入端DC1；主变压器T1的原边绕组的异名端与钳位电容C3的一端、开关管Q1的漏极连接；钳位电容C3的另一端与开关管Q2的漏极连接；输入电容C1的另一端、开关管Q1的源极、开关管Q2的源极接地；主变压器T1的副边绕组的同名端与开关管Q4的漏极、电感L1的一端连接；电感L1的另一端与输出电容C2的一端连接后，作为所述正激有源钳位变换器的输出端DC2；主变压器T1的副边绕组的异名端与开关管Q3的漏极连接；开关管Q3的源极、开关管Q4的源极、输出电容C3的另一端接地。

如图3所示，图3是第一实施例所述的正激有源钳位变换器的典型驱动信号波形图，四个开关管Q1、Q2、Q3、Q4的驱动信号如下：

1)、开关管Q1、开关管Q4的驱动信号G1、驱动信号G4互补且保留死区，其中，驱动信号G1的使能边沿和上一个驱动信号G4的关断边沿之间存在死区时间，和/或，驱动信号G1的关断边沿与下一个驱动信号G4的使能边沿之间存在死区时间；在具体实施过程中，驱动信号G1与驱动信号G4之间存在两个死区时间，其中，驱动信号G1的使能边沿与上一个驱动信号G4的关断边沿之间的死区时间描述为dt1，驱动信号的G1关断边沿与本周期的驱动信号G4的使能边沿之间的死区描述为dt2；

2)、开关管Q2、开关管Q3的驱动信号G2、驱动信号G3互补且保留死区，其中，驱动信号G2的使能边沿和上一个驱动信号G3的关断边沿之间存在死区时间，和/或，驱动信号G2的关断边沿与下一个驱动信号G3的使能边沿之间存在死区时间；在具体实施过程中，驱动信号G2与驱动信号G3之间存在两个死区时间，其中，驱动信号G2的关断边沿与下一个驱动信号G3的使能边沿之间的死区时间描述为dt3，驱动信号G2的使能边沿与上一个驱动信号G3的关断边沿之间的死区时间描述为dt4；

3)、开关管Q3的驱动信号G3包含开关管Q1的驱动信号G1，也即驱动信号G1和驱动信号G3重叠，且驱动信号G1的使能边沿晚于驱动信号G3的使能边沿，驱动信号G1的关断边沿早于驱动信号G3的关断边沿；

4)、开关管Q3的驱动信号G3与开关管Q4的驱动信号G4部分重叠，其中，驱动信号G3的使能边沿与上一个驱动信号G4的关断边沿之间存在重叠区域，驱动信号G3的关断边沿与下一个驱动信号G4的使能边沿之间存在重叠区域；具体的，驱动信号G3的使能边沿与上一个驱动信号G4的关断边沿之间的重叠区域描述为dt5，驱动信号G3的关断边沿与下一个驱动信号G4的使能边沿之间的重叠区域描述为dt6。

上述时序中，驱动信号G1、G2、G3、G4控制开关管Q1、Q2、Q3、Q4导通的边沿描述为使能边沿，控制开关管Q1、Q2、Q3、Q4关断的边沿描述为关断边沿。

定义变压器T1的1-2脚侧为原边，3-4脚侧为副边。

在本实施例具体实施过程中，定义开关周期为T，驱动信号G1的驱动时间描述为D1T，驱动信号G4的驱动时间描述为D2T，有D1T+D2T+dt1+dt2＝T；上述所述上一个为上一周期，所述下一个为同一周期，例如，驱动信号G1的使能边沿和上一个驱动信号G4的关断边沿之间存在死区时间，具体为：驱动信号G1的使能边沿和上一周期驱动信号G4的关断边沿之间存在死区时间；驱动信号G1的关断边沿与下一个驱动信号G4的使能边沿之间存在死区时间，具体为：驱动信号G1的关断边沿与同一周期的驱动信号G4的使能边沿之间存在死区时间。周期长度或驱动信号的频率不同，驱动信号的个数也不相同，此时，所述上一个则为前一个相邻的，所述下一个则为后一个相邻的，在此不做限定。

下面结合图3对该第一实施例的具体工作过程分析如下：

1、空载工作状态：

图3是本实施例所述正激有源钳位变换器在空载下的驱动信号波形图，空载下由于电感L1工作在连续模式，平均电流为0，在驱动信号G1驱动结束时达到正向峰值电流最大值，在驱动信号G4驱动结束时达到负向峰值电流最大值，峰值电流最大值相等。

1.1、当前一周期的驱动信号G4驱动结束时，电感电流为负向，此时开关管Q3已经导通，电感L1的电流经过变压器T1副边流过开关管Q3，变压器T1原边耦合副边电流，产生从引脚2流向引脚1方向的电流，此时开关管Q1的体二极管导通，变压器T1原边钳位在一次侧电压DC1两端，Q1两端电压为0。

1.2、驱动信号G4驱动结束到驱动信号G1驱动结束区间，变压器T1原边连接于一次侧电压DC1两端，电感L1激磁，电流从负转正。

1.3、驱动信号G1驱动结束，开关管Q1关断，开关管Q3持续导通，电感L1基本被钳位在二次侧电压DC2两端，电感L1开始去磁，电流开始从正转负。

1.4、经过死区时间dt2，开关管Q4导通，电感L1完整地钳位在二次侧电感DC2两端，电感L1持续去磁。

1.5、开关管Q3关断后，经过死区时间dt4后，开关管Q2导通，钳位电容C3对变压器T1进行去磁；开关管Q2关断后，变压器T1的励磁电流变为负电流，电流持续，故对开关管Q1结电容进行放电，开关管Q1两端电压最终下降到一次侧电压DC1值。

1.6、开关管Q4关断前，开关管Q3开始导通，开关管Q3、开关管Q4两条支路同步分流电感L1的电流。随后开关管Q4关断，进入下一个周期。

以上为空载下的工作过程，定义一次侧电压为VDC1，二次侧电压为VDC2，变压器T1原边-副边匝比为N，驱动信号的周期为T，此时存在关系式：

2、一次侧往二次侧传输能量，电流正向连续状态：

不同于空载情况，当一次侧往二次侧传输能量，使得电感L1往二次侧流出电流均为正向电流时，工作过程差异在于：

驱动信号G4驱动结束后，由于电感L1的电流还是正向电流，此时开关管Q4的体二极管继续导通，电感L1电流继续下降；直至开关管Q1导通时电感L1的电流开始上升。

此时存在关系式：

3、二次侧往一次侧传输能量，电流负向连续状态：

当二次侧往一次侧传输能量，使得电感L1电流均为二次侧流入电流，电流均为负向电流时，与空载状态工作过程差异在于：

开关管Q4关断、开关管Q3导通的时间dt1跟dt2内，电感L1的电流为负向，此时开关管Q3导通，电感L1的电流均可经过变压器T1副边流过开关管Q3，变压器T1原边耦合副边电流，产生从引脚2流向引脚1方向的电流，此时开关管Q1的体二极管导通，变压器T1原边钳位在一次侧电压DC1两端，开关管Q1两端电压为0。

此时存在关系式：

第二实施例

如图4所示，与第一实施例不同之处在于，在本实施例中，开关管Q2使用NMOS管，此时开关管Q2与钳位电容C3串联后并联在变压器T1原边两端，开关管Q1的第一端与变压器T1的原边绕组的异名端连接，第二端接地，开关管Q2的驱动信号G2不同于第一实施例，在本实施例中，开关管Q2的驱动信号G2为高电平使能Q2导通，其他工作原理与第一实施例基本一致，在此不加赘述。

以上仅是本发明优选的实施方式，本发明所属领域的技术人员还可以对上述具体实施方式进行变更和修改。因此，本发明并不局限于上面揭示和描述的具体控制方式，对本发明的一些修改和变更也应当落入本发明的权利要求的保护范围内。此外，尽管本说明书中使用了一些特定的术语，但这些术语只是为了方便说明，并不对本发明构成任何限制。