一种软开关隔离变换器制造技术

本发明专利技术涉及软开关隔离变换器，用于隔离变压的开关变压器的次级经整流器件直接连至输出滤波电容上，其特征在于，在常规的高频开关变换器的拓扑结构中，用可控恒流源作功率开关。通过这样的电路结构的简化，提供一种没有输入、输出扼流电感的软开关隔离变换器，在启动过程中、稳态工作时和负载短路保护时都不对输入电压源等产生冲击电流，而且输出整流器件、可控恒流源中的功率管都是软开关，从而降低开关损耗和电磁干扰。（*该技术在2023年保护过期，可自由使用*）

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及开关隔离变换器的拓扑方法及电路，尤其涉及输出整流器件、功率管都在零电压条件下实现开关功能的软开关隔离变换器的拓扑方法及电路。在申请号为01130002.7的“固定传输比零电压开关隔离变换器”中国专利技术专利申请(公开号CN1354553A，公开日2002年6月19日)中，公布了单端正激、推挽式、全桥式和半桥式等四种拓扑的软开关隔离变换器，其采用的技术方案核心是，用于隔离变压的开关变压器的次级经整流器件直接连至输出滤波电容；在常规的开关隔离变换器的拓扑结构中，供电侧串联由箝位二极管和高频扼流电感并联组成的网络，其中箝位二极管的阴极连接高电位点。该专利所述的“固定传输比零电压开关隔离变换器”增加了串联在供电主回路中的箝位二极管和高频扼流电感，它们都是功率器件，使开关隔离变换器的体积和成本都有所增加。为减小开关变换器对负载或输入电压源的冲击，一般设置有软启动过程，在通电起初或在过载保护后的重启动过程中，功率开关的导通占空比在一定的时间内由零渐渐增大到稳态时的值。由上述专利申请公开的说明书得知，使用该专利技术的隔离变换器，其输出电压基本与功率开关的导通占空比无关，换句话说，即在某一固定负载电阻下，稳态时45％占空比和启动过程中5％占空比传输的功率一致，必然有从输入电压源吸入的脉冲电流，在5％占空比时的值是45％占空比时的9倍，即在启动过程中，该隔离变换器会对输入电压源产生较大的电流冲击，对功率开关也一样形成电流冲击。还有一种称为电压输入、峰值整流输出的软开关技术，采用固定频率和占空比的正激变换形式，单端正激、推挽、半桥、全桥式等拓扑结构都有使用。以单端正激式变换器为例，包括电压源1Vs、功率开关管1Q1、变压器1T1、整流二极管1D1、滤波电容1C1，电阻1RL是该变换器的负载，连接示于附图说明图1；部分支路的电压、电流波形示于图2；其中id1是通过整流二极管1D1的电流，iq1是通过功率开关管1Q1、电压源1Vs的电流。如图2所示，该变换器的工作情况是(1)在t0-t1后半段，功率开关管1Q1继续处于导通状态，电压源1Vs通过变压器1T1、二极管1D1向滤波电容1C1充电和负载电阻1RL供电，电容1C1两端电压1V2得到一个电压值VO1，通过二极管1D1的电流为VO1/1RL；(2)接着在t1-t2期间，开关管1Q1截止，滤波电容1C1通过负载电阻1RL放电，其两端电压1V2从VO1开始逐渐下降到VO2；(3)当开关管1Q1由截止转到导通瞬间即t2时刻，电压源1Vs通过变压器1T1、二极管1D1向电压下降了的滤波电容1C1充电，由于它们都是低内阻，微小的电压差(VO1-VO2)将引起极大的充电电流，有窄脉冲形状的高峰值电流通过功率开关管1Q1、二极管1D1、电压源1Vs等，对它们造成电流冲击，大的电流变化率产生强电磁辐射；根据电容1C1上的电压又恢复到放电前的值，得知该窄脉冲电流在短暂的维持时间t2-t3期间内的积分(即充电总电荷)和滤波电容1C1在t1-t2期间放电电流的积分(即放电总电荷)相等；(4)若负载电阻1RL短路，则在开关管1Q1导通时，电压源1Vs通过变压器1T1、二极管1D1向短路负载供电，它们都是低内阻，极大的电压差将引起电流失控，瞬间损坏开关管1Q1或二极管1D1等。正是由于这种软开关变换器对输入电压源和功率开关管等产生大的电流冲击，大的电流变化率产生强电磁辐射，负载短路时容易损坏器件，所以仅用于部分小功率输出、输出端不被用户触及而减少负载短路机会的场合，如内部线路供电，应用范围狭窄。为应用于更宽的场合，在现有技术的正激类软开关变换器中，都设置有输入或输出扼流电感，正常工作时用于平滑电流，负载短路时限制电流的上升速度，为保护功率开关管等赢得宝贵的时间。但变换的全部功率要通过它，其体积较大。现有技术的一个典型的串联恒流源，如图3所示，包括电压源3Vs、功率调整管3Q1、偏置电阻3R1、电流检测电阻3R2和误差放大管3Q2；电阻3RL是恒流源的负载。功率调整管3Q1工作于放大状态，受误差放大管3Q2的作用调整其DS两端电压，使通过负载电阻3RL的电流值恒定。功率调整管3Q1的DS两端电压比完全导通时的要高，功耗自然也要大，所以普遍认为恒流源不适合在开关变换器中做功率开关器件。本专利技术的目的通过以下技术方案来实现用于隔离变压的开关变压器的次级经整流器件直接连至输出滤波电容，在常规的单端正激、推挽、半桥、全桥式变换器等的拓扑结构中，用可控恒流源做功率开关，可控恒流源的恒流设定值为刚好满足功率传输所需的最小电流再增加一定比例的余量。本专利技术的软开关隔离变换器避免了上述现有技术的不足之处，不但输出整流器件、可控恒流源中的功率管同时实现零电压开关，降低了开关损耗和电磁干扰，而且整个工作过程包括启动过程都不对输入电压源等产生电流冲击；另外，本专利技术的功率传输回路简洁，使用的功率元件少，有效地降低了成本；天然具有限流保护功能，有效抑制负载短路时的电流上升幅度；再有，本专利技术对开关变压器的励磁电感和初次级绕组分布电容、功率管的输出电容等参数的要求也相当宽松，同时可调整脉宽控制器输出的驱动脉冲的占空比，使电路适应上述分布参数的影响，保证软开关的实现；所以本专利技术具有电磁干扰小、结构简单、对器件参数要求不严格、成本低且转换效率高等突出优点。下面将结合附图及实施例对本专利技术作进一步说明。图4所示的电流/电压转换器I/V是一种电流传感器，可以是一个低值电阻，也可以是变压器式电流互感器，还可以是霍尔效应电流传感器，它们都可将电流转换为电压；所述的比较器4U1可以是集成电路，也可以是一只NPN三极管，等同参考电压Vref为基射之间导通阈值的比较器，其基极接电流/电压转换器I/V的输出端CS3，发射极接可控恒流源的低电压端3，集电极接二极管4D2的阴极。为便于绘制其它实施例的原理图，将图4所示的可控恒流源按引出线一一对应的规则用一个简单的图形替代，所述的替代图形如图5所示，1是控制极，2是高电压端，3是低电压端，圆圈表示为多元件构成的组件，箭头表示电流的流动方向。现在来叙述可控恒流源的工作原理(1)当控制端1输入低电平时，由于比较器4U1的正向电平输出会被二极管4D2反向阻断，所以功率管4Q1的基极b没有正向驱动电压而处于截止状态，简称可控恒流源截止；(2)当控制端1输入高电平时，功率管4Q1的基极b得到正向驱动电压而处于恒流源的工作状态，简称可控恒流源导通，其恒流设定值可用参考电压Vref的值除以电流/电压转换器I/V的转换系数得到。其处于恒流状态的理由是当通过功率管4Q1集电极c、发射极e的电流超过设定值时，转换器I/V的输出值将大于参考电压Vref，使比较器4U1的输出端电压下降，因为功率管4Q1基极b的驱动电压是比较器4U1输出端的电压加二极管4D2的正向导通压降，所以功率管4Q1的基极b驱动电压下降，进而使通过功率管4Q1的电流下降，直到该电流等于设定值；反之，当通过功率管4Q1集电极c、发射极e的电流小于设定值时，转换器I/V的输出值将小于参考电压Vref，使比较器4U1的输出端电压上升，功率管4Q1基极b的驱动电压也同步上升，进而使通过功率管4Q1的电流上升，直到该电流等于设定值。(3)当本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种软开关隔离变换器的拓朴方法是，软开关隔离变换器包括用于隔离变压的开关变压器和产生控制信号的脉宽控制器，所述的开关变压器次级经整流器件直接连至输出滤波电容，脉宽控制器输出的驱动脉冲的频率、电平、占空比、电气隔离都满足需要，其特征在于， 在常规的单端正激、推挽、半桥、全桥式变换器的拓扑结构中，用可控恒流源做功率开关，可控恒流源的导通与截止由脉宽控制器产生的控制信号决定； 所述可控恒流源如此构成：包括功率管（４Ｑ１），所述的功率管（４Ｑ１）的集电极和高电压端（２）相连，发射极通过电流／电压转换器（Ｉ／Ｖ）的两输入端后接至低电压端（３），基极通过电阻（４Ｒ１）接至控制极（１），所述的转换器（Ｉ／Ｖ）的输出端接比较器（４Ｕ１）的反相输入端，所述比较器（４Ｕ１）的同相输入端与参考电压（Ｖｒｅｆ）相连，输出端接二极管（４Ｄ２）的阴极，二极管（４Ｄ２）的阳极和功率管（４Ｑ１）的基极相连； 所述可控恒流源的恒流设定值选择为，同时满足以下４个条件的最小电流值，再增加一定比例的余量：１、可控恒流源导通时，其中的功率管饱和导通；２、输入电压源的电压处于最大值；３、在变换器可以正常工作的前提下，电压输出两端接最小的负载电阻；４、可控恒流源受高电平作用进入导通状态的占空比（ＤＵＴＹ）固定。...

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：范家闩，
申请(专利权)人：深圳市科陆电子科技股份有限公司，
类型：发明
国别省市：94[中国|深圳]