CN106452034A - 一种有源缓冲网络 - Google Patents

Abstract

一种有源缓冲网络属于电子电路领域。其包括两个二极管，第一电容C1、第二电容C2，一个开关管Q，一个反激变压器T；反激变压器T中1端和4端是原边和副边的同名端；第一二极管D1的正极与需要保护的元件一端相连，D1的负极与电容C1的一端、反激变压器T的1端相连；电容C1的二端与开关管Q的发射极、需要保护的元件另一端相连；开关管Q的集电极与变压器T的2端相连；变压器T副边3端与二极管D2正极相连，变压器T的副边4端与稳压电容C2二端相连；二极管D2负极与电容C2一端相连；第二电容C2为稳压电容，C2与其他有源或无源网络连接用于输出能量。这种缓冲网络相对比较安全，稳定性高，而且可以对多余电能重复利用，提高资源利用率。

Description

一种有源缓冲网络

技术领域

本发明属于电子电路领域，涉及到开关电源利用。

背景技术

电力电子器件的缓冲电路又称吸收电路，它是电力电子器件的一种重要的保护电路，不仅用于半控型器件的保护，而且在全控型器件(如GTR、GTO、功率MOSFET和IGBT等)的应用技术中起着重要的作用。在电力电子电路中，用于改进电力电子器件开通和关断时刻所承受的电压、电流波形。通常电力电子装置中的电力电子器件都工作于开关状态，器件的开通和关断都不是瞬时完成的。器件刚刚开通时，器件的等效阻抗大，如果器件电流很快上升，就会造成很大的开通损耗；同样器件接近完全关断时，器件的电流还比较大，如果器件承受的电压迅速上升，也会造成很大的关断损耗。开关损耗会导致器件的发热甚至损坏，对于功率晶体管,还可能导致器件的二次击穿。缓冲电路的主要作用有：一是减少导通或关断损耗；二是降低电压或电流尖峰；三是降低dV/dt或dI/dt。好缓冲电路对于工作频率高的自关断器件，通过限压、限流、抑制di/dt和du/dt，把开关损耗从器件内部转移到缓冲电路中去，然后再消耗到缓冲电路的电阻上，或者由缓冲电路设法再反馈到电源中去。

为了吸收电能，目前常采用一个电阻和电容并联去消耗多余的电能,即RCD吸收电路，如图2所示。电容C和二极管组成的吸收电路可以抑制电流关断时电压的上升率dv/dt。R为电容C提供了放电通路。这种缓冲网络是能耗型缓冲网络，此方法可以达到缓冲的目的。在电力电子器件的容量不太大，工作频率也不太高的场合下，这种电路应用广泛。在大容量的电路中，能耗型缓冲网络往往达不到要求。而且这种缓冲网络能量的损耗比较多，多余的电能完全由电阻发热消耗掉，并且要求电阻的性能比较高，性能达不到容易发生危险。

发明内容

本发明的目的在于：在能耗型缓冲网络的基础上，用单端反激电路代替电阻去吸收缓冲电路中电容C1多余的电能，并把缓冲网络中的电能通过反馈回路重新加到工作电源中去。

当缓冲网络中的电容C1能量比较高需要释放时，本发明并不需要用电阻发热来消耗掉能量，而是用有源的反激电路来吸收，并反馈到电源中。这样既可以保护工作电路自关断器件、达到缓冲的目的，又可以增加其稳定性、减少安全事故的发生，还可以把吸收的多余能量反馈到电源中，提高能源利用率。

本发明是采用如下技术手段实现的：

一种有源缓冲(如图1所示)网络包括反激变压器T、开关管Q、二极管D1、二极管D2、第一电容C1、第二电容C2、一个反馈电路。二极管D1的正极与需要保护的的元件一端相连，D1的负极与电容C1的一端、变压器T的原边打点端相连。第一电容C1的另一端与开关管Q的发射极、需要保护的元件另一端相连。开关管Q的集电极与变压器T原边不打点端相连。变压器T副边不打点端与二极管D2正极相连，变压器T的副边打点端与第二电容C2一端相连。二极管D2负极与第二电容C2另一端相连。其特征在于设计了用单端反激电路吸收缓冲电路中多余的电能而非用电阻消耗。并且单端反激电路吸收的电能可以反馈到工作电源中去。

所述的缓冲网络吸收功率为P(80W-200W)。

这种方法具体包括：

当缓冲电路中电容器C1电压达到V1(300V-500V)时，开关管Q被触发，以频率为20KHZ不断闭合和断开。

当Q闭合时，电容C1中的电能转化为变压器T中的磁能，变压器副边没有电流通过。

当Q断开时，变压器T中磁能转化为电能，可以看做是电感给恒压电容C2充电。

当电容C2吸收过多的电能时，电能通过整流、降压、逆变等流程之后反馈到工作电路的电源中，实现能源的循环利用。

变压器C1两端的电压为V1，恒压电容C2两端的电压为V2(500V-600V)时，如果占空比为50％，反激变压器原边与副边绕组之比为Np:Ns＝k(0.5-2)情况下，电路波形图如图3所示：

从图3可以看出，当开关管Q导通时，二极管D2承受的电压是C1电压与恒压电容电压C2之和，原边电流上升的速度为V1/L，副边没有电流通过。

当开关管Q闭合时，开关管承受的电压是C1电压与恒压电容电压C2之和，原边没有电流，副边电流下降速度V2/L。在占空比为50％的情况下，储存在变压器中的能量完全可以在下一个周期开始之前放完。

缓冲电路具体工作原理：

缓冲电路的工作原理如图4所示。在需要保护的元器件两端并上一个二极管D1和第一电容C1，第一电容C1两端接上变压器用于吸收第一电容C1上的电能，变压器以及并联的第二电容C2为C1提供了放电通路，防止过多的电能损坏元器件。变压器T并联在第一电容C1两端，并在原边电路中加入一个开关管Q，控制原边电路的通断。变压器副边电路与一个第二电容C2相连接，并在副边电路中串联一个二极管D2。从图4可以看出开关管Q被PWM脉冲激励而导通时，输入电压便会施加到变压器的原边绕组上，由于变压器T副边的整流二极管D2反接，副边绕组上没有电流通过；当开关管Q关断时，副边绕组上电压极性颠倒，整流二极管D2被正偏，开关管Q闭合期间储存在变压器中的能量便会通过整流二极管D2向第二电容C2释放。这种变换器在开光管Q导通期间只存储能量，在截止期间才向电容传递，变压器在工作过程中既是变压器又相当于一个储能电感。

第二电容C2中能量的反馈：

由于变压器中的电能持续不断地释放到第二电容C2中，第二电容C2的中的电能不断增加，因此增加一个反馈电路，把第二电容C2中的能量反馈到工作电路中的电源上，以达到重复利图用3的目的。因为电路中并没有明显的能量损耗，只有各元器件的小部分损耗，所以能量损失特别少。

附图说明

图1为一种有源缓冲网络

图2为RCD缓冲网络

图3为电路波形图。

图4为缓冲电路的工作原理。

图5为二次逆变中关于缓冲网络的应用。

图6为具体实施方式二缓冲网络。

图7为双管反激电路。

具体实施方式

具体实施方式一

如图5所示为二次逆变中关于缓冲网络的应用，其中虚线框中为缓冲网络，包括一次逆变电路、整流电路、二次逆变电路、缓冲电路以及驱动电路，一次逆变电路、二次逆变电路是现有技术。缓冲网络加到电阻两端用于保护Q5和Q6。

Q5关断向Q6导通转换为例，当Q5关断时，若没有漏感L1’则电感L1上的能量会完全耦合到L2上释放掉，但是因为漏感L1’的能量不能耦合到L2上是放掉，这时由于电感的续流作用，电感上的能量将对Q5的结电容充电，结电容很小两端会产生很高的电压，且结电容越小两端电压越高，这样就可能击穿开关管Q5，所以研究设计了以有源缓冲网络网络吸收漏感能量，减小漏感电压对开关管Q5的冲击。

如图5所示，当Q5关断时，集电极电压开始上升，而电容C2限制了集电极电压的上升速度，同时减小了上升电压和下降电流的重叠，从而减低了开关管Q5的损耗。C2用于吸收Q5两端多余的电能，当C2两端的电压低于V1(350V-450V)时，二极管Q7断开，C2两端电压可以直线上升。当C2两端电压大于V1时，Q7开始工作，并以20KHZ的频率不断闭合和断开，直到C2两端电压低于V1。当Q7闭合时变压器T2吸收电容C2中的电能，当Q6闭合时，原边电路导通，原边绕组有电流通过，由于变压器T2副边的整流二极管D6反接，副边绕组上没有电流通过。当Q7关闭时，副边绕组上电压极性颠倒，整流二极管D6被正偏，开关管Q7闭合期间储存在变压器中的能量便会通过整流二极管D6向电容C3释放。因C3是恒压电容，因此电压不会升高。

图5中，Q7的驱动电路用于检测C2两端的电压。U1中参考电压Vref设置为V1，U2输入三角波信号，当C2两端的电压大于V1时，U1有信号，从而驱动开关管Q7，T2开始吸收和释放能量，从而使C2两端的电压不超过V1。C3是稳压电容，当Q7闭合时，变压器T2中的能量释放到C3中，C3中的能量又可以反馈到电源中去，实现能量的重复利用。开关管Q7由于功率比较低，用图2所示的RCD缓冲网络就可以达到保护作用。

具体实施方式二

如图6所示为焊机中关于缓冲网络的应用，其中虚线框中为缓冲网络。包括主电路、缓冲电路和驱动电路，其中焊机主电路和驱动电路是现有技术。缓冲网络加到开关管两端以保护开关管。具体缓冲网络如图6所示。

如图6所示，当Q1关断时，集电极电压开始上升，而电容C2限制了集电极电压的上升速度，同时减小了上升电压和下降电流的重叠，从而减低了开关管Q1的损耗。C2用于吸收Q1两端多余的电能，当C2两端的电压低于V1(350V-450V)时，二极管Q3断开，C2两端电压可以直线上升。当C2两端电压大于V1时，Q3开始工作，并以20KHZ的频率不断闭合和断开，直到C2两端电压低于V1。当Q3闭合时变压器吸收电容C2中的电能，当Q3闭合时，原边电路导通，原边绕组有电流通过，由于变压器副边的整流二极管D2反接，副边绕组上没有电流通过。当Q3关闭时，副边绕组上电压极性颠倒，整流二极管D2被正偏，开关管Q3闭合期间储存在变压器中的能量便会通过整流二极管D2向电容C3释放。因C3是恒压电容，因此电压不会升高

图6中，Vref设定为V1，当C2两端的电压大于V1时，驱动电路开始工作，开关管Q3导通，缓冲网络开始工作。Q3断开时，稳压电容C3中吸收的能量可以反馈到主电路中去，避免额外再加电源同时回收了能量。

具体实施方式三

实施方式三是用双管单端反激电路取代单管单端反激电路，其中双管反激电路是现有的技术。在要保护的元器件两端并联一个二极管D1和电容C1，在C1两端连接Q1、D2、D3、Q2四个元器件构成双管电路。双管反激电路如图7所示。

二极管D1的正极与需要保护的的元件一端相连，D1的负极与电容C1的一端、Q1的集电极、D2的负极相连。电容C1的另一端与需要保护的元件另一端、二极管D3的正极、开关管Q2的发射极相连。开关管Q1的集电极与变压器T原边不打点端、二极管D3的负极相连。变压器T原边不打点端与二极管D2正极、开关管Q2的集电极相连。变压器T的副边打点端与稳压电容C2一端相连，变压器T的副边不打点端与二极管D4正极，二极管D4负极与稳压电容C2的另一端相连。

双管反激电路正常工作时Q1、Q2同时开通和关断。当Q1、Q2开通时，D2、D3、D4截止，直流输入电压加在变压器T原边，变压器原边电流线性上升至最大值。当Q1、Q2关断时，变压器原边与副边电压极性反向。在Q1、Q2关断瞬间D2、D3、D4均导通，D2、D3导通将变压器原边电压嵌位在输入电压，此时将有一部分能量通过D2、D3回馈给输入电压源，D4导通将变压器原边励磁电感储存的能量向输出负载转移，并将原边励磁电感的电压嵌位在输出电压反射到原边的电压。一段时间后，D2、D3截止，变压器原边电感储存的能量全部向输出负载转移。

有些场合采用普通的单管反激电源，开关管在关断时候的电压应力过大，另外反激电源的变压器常因加入气隙而具有较大漏感，导致开关管在关断时产生很大的电压尖峰。双管反激电源可以克服普通反激电源开关管电压应力过大的缺点。在开关管关断时，两个续流二极管将开关管的最高电压嵌位在输入电压，此时将有一部分能量回馈给输入电压源而没有传递到变压器副边。

有源缓冲网络不仅是单管反激电路组成，也可以是双管反激电路。可以视不同场合选择应用不同缓冲网络。

Claims (4)

1.一种有源缓冲网络，其特征在于:

包括第一二极管D1、第二二极管D2，第一电容C1、第二电容C2，一个开关管Q，一个反激变压器T；反激变压器T中1端和4端是原边和副边的同名端；第一二极管D1的正极与需要保护的元件一端相连，D1的负极与第一电容C1的一端、反激变压器T的1端相连；第一电容C1的二端与开关管Q的发射极、需要保护的元件另一端相连；开关管Q的集电极与变压器T的2端相连；变压器T副边3端与第二二极管D2正极相连，变压器T的副边4端与第二电容C2二端相连；第二二极管D2负极与第二电容C2一端相连；第二电容C2为稳压电容，第二电容C2与有源或无源网络连接用于输出能量。

2.根据权利要求1所述一种有源缓冲网络，其特征在于：

需要保护的元器件最高电压不超过V1，当第一电容C1两端的电压小于电压V1时，缓冲网络不工作；当第一电容C1两端电压大于或等于电压V1时，缓冲网络开始工作；在缓冲网络工作时，通过调整占空比调整开关管Q的开关时间从而调整能量的传输速度；第二电容C2电压值V2与外接网络电压值相等，开关管Q的击穿电压大于V1+V2,二极管D2的反向击穿电压也大于V1+V2。

3.根据权利要求1所述一种有源缓冲网络，其特征在于：

所述的缓冲网络应用在焊机中用以保护焊机中的开关管。

4.根据权利要求1所述一种有源缓冲网络，其特征在于：

缓冲网络中的单管变压电路换成双管变压电路。