本發(fā)明屬于dc/dc變換器技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種諧振直流變壓器的軟啟動(dòng)方法及其電路。

背景技術(shù)：

開關(guān)電源產(chǎn)品的發(fā)展一直不斷追求高效率、高功率密度及高可靠性。諧振變換器可以實(shí)現(xiàn)變壓器原邊開關(guān)管的零電壓開通，和變壓器副邊整流二極管的零電流關(guān)斷，其開關(guān)損耗可忽略不計(jì)，可以工作在很高的工作頻率。因而其具有效率高，體積小，emi干擾小等優(yōu)點(diǎn)，近年來受到廣泛關(guān)注。

諧振直流變壓器為穩(wěn)定工作時(shí)開關(guān)頻率固定、開關(guān)管的占空比也固定的諧振變換器。當(dāng)llc諧振變換器工作在諧振頻率點(diǎn)時(shí)，電路的增益不隨輸入電壓和負(fù)載變化而變化，電路表現(xiàn)諧振直流變壓器特性。參考專利cn103887976a公開了一種電流源輸入型直流變壓器，當(dāng)其工作在零電壓零電流開關(guān)狀態(tài)時(shí)，電路的增益也不隨輸入電壓和負(fù)載變化而變化，也表現(xiàn)諧振直流變壓器特性。諧振直流變壓器電路工作在固定工作頻率和固定占空比，控制簡單，可以實(shí)現(xiàn)磁性元器件的優(yōu)化，且消除了開關(guān)管電壓電流交疊損耗，可以工作在兆赫茲級(jí)工作頻率，減小磁性元件的體積，提高功率密度的同時(shí)保持高效率。

但在啟動(dòng)時(shí)，如果直接以諧振直流變壓器正常工作時(shí)的頻率和占空比啟動(dòng)，由于諧振阻抗為0，且變壓器副邊的濾波電容通常為了減小電壓紋波而設(shè)計(jì)地較大，啟動(dòng)時(shí)輸出電壓建立緩慢。啟動(dòng)初期基本處于短路狀態(tài)，因此啟動(dòng)過程中出現(xiàn)很大的電流沖擊和電壓沖擊，會(huì)損壞開關(guān)管、電容等器件。

為了限制啟動(dòng)中的電流和電壓沖擊，也即限制啟動(dòng)過程中諧振腔里的能量，通常采用遠(yuǎn)高于諧振頻率的開關(guān)頻率啟動(dòng)，逐漸降低頻率，但是這種方式需要非常高的啟動(dòng)頻率才能抑制諧振腔的能量，實(shí)現(xiàn)復(fù)雜；在降頻的同時(shí)采用占空比從小逐漸增大的方式可以減小啟動(dòng)最高頻率，但由于存在兩個(gè)變化量，需要考慮兩者的協(xié)調(diào)問題。此外，變頻及變占空比的方式并不適用于單端諧振直流變壓器的啟動(dòng)，由于啟動(dòng)中電路失去零電流關(guān)斷特性，關(guān)斷電流較大，且單端電路中開關(guān)管電壓并沒有被箝位，電路中寄生參數(shù)儲(chǔ)存的能量會(huì)導(dǎo)致開關(guān)管過高的電壓應(yīng)力，造成開關(guān)管損壞。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明要解決的技術(shù)問題是，克服現(xiàn)有技術(shù)中的不足，提供一種諧振直流變壓器的軟啟動(dòng)方法及其電路。采用該軟啟動(dòng)方法有效解決了單端諧振直流變壓器的啟動(dòng)問題，同時(shí)解決了現(xiàn)有雙端諧振直流變壓器實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的問題，能夠有效抑制諧振直流變壓器在啟動(dòng)時(shí)出現(xiàn)的電流和電壓過沖，啟動(dòng)電路簡單易實(shí)現(xiàn)，成本低。

為解決技術(shù)問題，本發(fā)明的解決方案是：

提供一種諧振直流變壓器的軟啟動(dòng)方法，是在諧振直流變壓器中的開關(guān)管的門極與源極之間施加頻率固定、占空比固定的脈沖信號(hào)，該信號(hào)的高電平從開關(guān)管開通閾值單調(diào)增大至其飽和驅(qū)動(dòng)電壓，能夠?qū)崿F(xiàn)開關(guān)管由阻斷到導(dǎo)通，且導(dǎo)通電阻逐漸減小至其通態(tài)電阻，進(jìn)而有效控制諧振直流變壓器啟動(dòng)過程中諧振腔里的電流；所述開關(guān)管是電壓驅(qū)動(dòng)型功率器件。

本發(fā)明中，所述開關(guān)管是mosfet、結(jié)型場效應(yīng)管或增強(qiáng)型氮化鎵器件。

本發(fā)明中，所述脈沖信號(hào)的波形是矩形波或梯形波。

本發(fā)明進(jìn)一步提供了用于實(shí)現(xiàn)前述方法的諧振直流變壓器的軟啟動(dòng)電路，包括諧振直流變壓器中的開關(guān)管(103)，開關(guān)管(103)是電壓驅(qū)動(dòng)型功率器件；還包括分別連接至驅(qū)動(dòng)電路(102)的恒定頻率恒定占空比的脈沖信號(hào)源(100)和電壓單調(diào)增大的電壓源vp(101)，驅(qū)動(dòng)電路(102)與開關(guān)管(103)的門極與源極相連。脈沖信號(hào)源(100)用于提供驅(qū)動(dòng)控制信號(hào)，電壓源vp(101)用于供電，驅(qū)動(dòng)電路(102)用于向開關(guān)管(103)輸出高電平單調(diào)增大的脈沖信號(hào)vg以進(jìn)一步驅(qū)動(dòng)其工作。

本發(fā)明中，所述驅(qū)動(dòng)電路(102)是下述方案中的任意一種：

驅(qū)動(dòng)電路(102)由一個(gè)p型mosfet管(s1)和一個(gè)n型mosfet管(s2)組成；兩個(gè)mosfet管的門極接在一起用于連接脈沖信號(hào)源(100)，電壓源vp(101)接到p型mosfet管(s1)的源極，n型mosfet管(s2)的源極接地，兩個(gè)mosfet管的漏極接到一起用于輸出高電平單調(diào)增大的脈沖信號(hào)vg；或者，

驅(qū)動(dòng)電路(102)是驅(qū)動(dòng)芯片，驅(qū)動(dòng)芯片的輸入端接至脈沖信號(hào)源(100)，供電端接至電壓源vp(101)，輸出端接至開關(guān)管(103)。

本發(fā)明中，所述電壓單調(diào)增大的電壓源vp(101)的電路結(jié)構(gòu)如下所述：電阻r1和電阻r2為buck電路輸出的采樣電阻，電阻r1的一端接至buck電路的輸出端，電阻r1的另一端與電阻r2一端相連，電阻r2另一端接地，電阻r1和電阻r2的連接點(diǎn)接至運(yùn)算放大器的反相輸入端，運(yùn)算放大器的同相輸入端接參考電壓vref，運(yùn)算放大器的輸出接至pwm發(fā)生器，pwm發(fā)生器產(chǎn)生pwm信號(hào)控制buck電路的輸出；輔助電容ca一端接至buck電路的輸出端，另一端接至輔助電阻r3的一端，輔助電阻r3另一端接地；輔助二極管da的陽極接至輔助電容ca和輔助電阻r3的公共點(diǎn)，陰極接至電阻r1和電阻r2的公共點(diǎn)，buck電路的輸出端為電壓單調(diào)上升的電壓輸出。

本發(fā)明中，所述電壓單調(diào)增大的電壓源vp(101)的電路結(jié)構(gòu)如下所述：電阻r1和電阻r2為輸出采樣電阻，電阻r1的一端接至調(diào)整三極管的發(fā)射極，電阻r1的另一端與電阻r2一端相連，電阻r2另一端接地，電阻r1和電阻r2的連接點(diǎn)接至比較放大電路的反相輸入端，比較放大電路的同相輸入端接參考電壓vref，比較放大電路的輸出接至調(diào)整三極管的基極，調(diào)整三極管的集電極接至輸入電源vs；輔助電容ca一端接至buck輸出端，另一端接至輔助電阻r3的一端，電阻r3另一端接地；輔助二極管da的陽極接至輔助電容ca和電阻r3的公共點(diǎn)，陰極接至電阻r1和電阻r2的公共點(diǎn)，調(diào)整三極管的發(fā)射極即能產(chǎn)生電壓單調(diào)上升的電壓輸出。

本發(fā)明還提供了另一種用于實(shí)現(xiàn)前述方法的諧振直流變壓器的軟啟動(dòng)電路，包括諧振直流變壓器中的開關(guān)管(103)，開關(guān)管(103)是電壓驅(qū)動(dòng)型功率器件；還包括分別連接至驅(qū)動(dòng)電路(102)的電壓源vp(105)和恒定頻率恒定占空比且高電平單調(diào)增大的脈沖信號(hào)源(104)，驅(qū)動(dòng)電路(102)與開關(guān)管(103)的門極與源極相連。脈沖信號(hào)源(104)用于提供驅(qū)動(dòng)控制信號(hào)，電壓源vp(105)用于供電，驅(qū)動(dòng)電路(102)用于向開關(guān)管(103)輸出高電平單調(diào)增大的脈沖信號(hào)vg以進(jìn)一步驅(qū)動(dòng)其工作。

本發(fā)明中，所述驅(qū)動(dòng)電路(102)是下述方案中的任意一種：

驅(qū)動(dòng)電路(102)是驅(qū)動(dòng)芯片，驅(qū)動(dòng)芯片的輸入端接至脈沖信號(hào)源(104)，供電端接至電壓源vp(105)，輸出端接至開關(guān)管(103)；或者，

驅(qū)動(dòng)電路(102)包括一個(gè)pnp三極管和一個(gè)npn三極管組成；其連接方式為兩個(gè)三極管的基極接在一起用于連接脈沖信號(hào)源(104)，電壓源vp(105)接到npn三極管的集電極，pnp三極管的集電極接地，兩個(gè)三極管的發(fā)射極接到一起用于輸出高電平單調(diào)增大的脈沖信號(hào)vg。

發(fā)明原理描述：

本發(fā)明屬于一種新的諧振直流變壓器的軟啟動(dòng)方法，該方法通過控制諧振直流變壓器電路中開關(guān)管的驅(qū)動(dòng)脈沖的電平，利用開關(guān)管的電阻實(shí)現(xiàn)諧振直流變壓器啟動(dòng)過程中能量的阻尼，消除了諧振直流變壓器啟動(dòng)過程中的沖擊電壓和沖擊電流，實(shí)現(xiàn)了安全啟動(dòng)。

與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的有益效果包括：

1、控制信號(hào)固定，不需要高頻控制信號(hào)，控制簡單；

2、啟動(dòng)電路結(jié)構(gòu)簡單，成本低；

3、有效解決了單端諧振直流變壓器的啟動(dòng)問題；

4、解決了現(xiàn)有雙端諧振直流變壓器實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的問題，適用范圍廣；

5、消除了諧振直流變壓器啟動(dòng)過程中的沖擊電壓和沖擊電流，實(shí)現(xiàn)了安全啟動(dòng)。

附圖說明

圖1本發(fā)明諧振直流變壓器軟啟動(dòng)方法的基本電路圖；

圖2本發(fā)明開關(guān)管門極源極之間施加的頻率固定、占空比固定的脈沖信號(hào)；

圖3本發(fā)明所提出的一種諧振直流變壓器軟啟動(dòng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖；

圖4電壓單調(diào)增大的電壓源示意圖；

圖5驅(qū)動(dòng)電路實(shí)例一；

圖6驅(qū)動(dòng)電路實(shí)例二；

圖7固定頻率、固定占空比、驅(qū)動(dòng)高電平單調(diào)增大的脈沖信號(hào)；

圖8本發(fā)明所提出的另一種諧振直流變壓器軟啟動(dòng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖；

圖9軟啟動(dòng)電路實(shí)例一；

圖10電壓單調(diào)上升的電壓源vp實(shí)例；

圖11固定頻率、固定占空比、驅(qū)動(dòng)電平單調(diào)增大的脈沖信號(hào)vg實(shí)例；

圖12軟啟動(dòng)電路實(shí)例二；

圖13軟啟動(dòng)電路應(yīng)用至諧振直流變壓器；

圖14未采用軟啟動(dòng)的諧振直流變壓器啟動(dòng)波形；

圖15采用本發(fā)明軟啟動(dòng)的諧振直流變壓器啟動(dòng)波形；

圖16軟啟動(dòng)電路應(yīng)用于半橋諧振直流變壓器；

圖17適用于半橋諧振直流變壓器的軟啟動(dòng)電路。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明的具體實(shí)施方式作進(jìn)一步詳細(xì)說明。

本發(fā)明中使用的開關(guān)管m是電壓驅(qū)動(dòng)型功率器件，可以是mosfet或結(jié)型場效應(yīng)管或增強(qiáng)型氮化鎵器件。如圖1所示，通過在開關(guān)管的門極源極之間施加頻率固定、占空比固定的脈沖信號(hào)，該信號(hào)的高電平從開關(guān)管開通閾值單調(diào)增大至其飽和驅(qū)動(dòng)電壓，實(shí)現(xiàn)開關(guān)管由阻斷到導(dǎo)通，且導(dǎo)通電阻逐漸減小至其通態(tài)電阻，由此可有效控制諧振直流變壓器啟動(dòng)過程中諧振腔里的電流。

該頻率固定、占空比固定的脈沖信號(hào)可以是矩形波，也可以是梯形波。

如圖3所示，本發(fā)明所提出的一種諧振直流變壓器軟啟動(dòng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖，包括恒定頻率、恒定占空比的脈沖信號(hào)源100，電壓單調(diào)增大的電壓源vp101，驅(qū)動(dòng)電路102和諧振直流變壓器電路中的開關(guān)管103，其中恒定頻率、恒定占空比的脈沖信號(hào)源100為驅(qū)動(dòng)電路102提供驅(qū)動(dòng)控制信號(hào)，電壓單調(diào)增大的電壓源vp101為驅(qū)動(dòng)電路102供電，驅(qū)動(dòng)電路102輸出高電平單調(diào)增大的脈沖信號(hào)vg，vg進(jìn)一步驅(qū)動(dòng)諧振直流變壓器電路中的開關(guān)管103。

如圖4所示，電壓單調(diào)增大的電壓源vp101從開關(guān)管開通閾值vth單調(diào)增大至開關(guān)管飽和驅(qū)動(dòng)電壓。vp電壓可以隨時(shí)間線性增加，具體地，vp＝vmin+k·t；vp電壓也可以隨時(shí)間指數(shù)增加。

如圖5所示，驅(qū)動(dòng)電路102包括p型mosfet管s1和n型mosfet管s2，s1和s2的門極接在一起，用于連接恒定頻率、恒定占空比的脈沖信號(hào)源100，電壓單調(diào)增大的電壓源vp101接到p型mosfet管s1的源極，s2的源極接地，s1和s2的漏極接到一起輸出高電平單調(diào)增大的脈沖信號(hào)vg。所述驅(qū)動(dòng)電路102還可以是驅(qū)動(dòng)芯片，驅(qū)動(dòng)芯片的輸入、供電和輸出分別為100、101和vg。如圖6所示，所述驅(qū)動(dòng)電路102還可以由一個(gè)pnp三極管和一個(gè)npn三極管構(gòu)成。

如圖7所示，驅(qū)動(dòng)高電平單調(diào)增大的脈沖信號(hào)vg的頻率和占空比固定，其脈沖高電平的從開關(guān)管開通閾值單調(diào)增大至開關(guān)管飽和驅(qū)動(dòng)電壓。

如圖8所示，本發(fā)明所提出的另一種諧振直流變壓器軟啟動(dòng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖，包括恒定頻率、恒定占空比、高電平單調(diào)增大的脈沖信號(hào)源104，電壓源vp105，驅(qū)動(dòng)電路102和諧振直流變壓器電路中的開關(guān)管103，其中恒定頻率、恒定占空比、高電平單調(diào)增大的脈沖信號(hào)源104為驅(qū)動(dòng)電路102提供驅(qū)動(dòng)控制信號(hào)，電壓源vp105為驅(qū)動(dòng)電路102供電，驅(qū)動(dòng)電路102輸出高電平單調(diào)增大的脈沖信號(hào)vg，vg進(jìn)一步驅(qū)動(dòng)諧振直流變壓器電路中的開關(guān)管103。

為使本領(lǐng)域技術(shù)人員更好地理解本發(fā)明，下面結(jié)合具體實(shí)施例，對(duì)本發(fā)明諧振直流變壓器的軟啟動(dòng)方法進(jìn)行詳細(xì)說明。

如圖9所示，電阻r1和r2為buck電路輸出采樣電阻，r1的一端接至buck的輸出端，r1的另一端與r2一端相連，r2另一端接地，r1和r2的連接點(diǎn)接至運(yùn)算放大器的反相輸入端，運(yùn)算放大器的同相輸入端接參考電壓vref，運(yùn)放的輸出接至pwm發(fā)生器，pwm發(fā)生器產(chǎn)生pwm信號(hào)控制buck輸出；輔助電容ca一端接至buck輸出端，另一端接至輔助電阻r3的一端，r3另一端接地；輔助二極管da的陽極接至ca和r3的公共點(diǎn)，陰極接至r1和r2的公共點(diǎn)，buck的輸出即可產(chǎn)生電壓單調(diào)上升的電壓源vp101。驅(qū)動(dòng)電路102包括一個(gè)p型mosfet和一個(gè)n型mosfet，vp接至驅(qū)動(dòng)電路102中p型mosfet的源極。pwm芯片或處理器產(chǎn)生恒定頻率、恒定占空比的脈沖信號(hào)源100，接至驅(qū)動(dòng)電路102兩個(gè)mosfet的門極，兩個(gè)mosfet的漏極接在一起產(chǎn)生驅(qū)動(dòng)電平單調(diào)增大的脈沖信號(hào)vg，驅(qū)動(dòng)電路102中n型mosfet的源極接地。vp的波形如圖10所示，啟動(dòng)電路輸出固定頻率、固定占空比、驅(qū)動(dòng)電平單調(diào)增大的脈沖信號(hào)vg如圖11所示，vg各脈沖高電平的包絡(luò)線為vp。

如圖12所示，為采用串聯(lián)型穩(wěn)壓電路(也叫三端穩(wěn)壓電路)的應(yīng)用實(shí)例，電阻r1和r2為輸出采樣電阻，r1的一端接至調(diào)整三極管的發(fā)射極，r1的另一端與r2一端相連，r2另一端接地，r1和r2的連接點(diǎn)接至比較放大電路的反相輸入端，比較放大電路的同相輸入端接參考電壓vref，比較放大電路的輸出接至調(diào)整三極管的基極，調(diào)整三極管的集電極接至輸入電源vs；輔助電容ca一端接至buck輸出端，另一端接至輔助電阻r3的一端，r3另一端接地；輔助二極管da的陽極接至ca和r3的公共點(diǎn)，陰極接至r1和r2的公共點(diǎn)，調(diào)整三極管的發(fā)射極即可產(chǎn)生電壓單調(diào)上升的電壓源vp101。其余與圖9相同。

如圖13所示，一種單端諧振直流變壓器包括輸入電源vin、輸入電感l(wèi)、諧振電感l(wèi)r、諧振電容cr、變壓器原邊開關(guān)管m、變壓器t及變壓器副邊整流結(jié)構(gòu)。輸入電壓源與輸入電感串聯(lián)構(gòu)成輸入電流源，該串聯(lián)支路并聯(lián)在諧振電容cr上，諧振電感、變壓器原邊繞組和原邊開關(guān)管串聯(lián)成一條支路，該支路也并聯(lián)在諧振電容cr上。諧振電感和諧振電容諧振，實(shí)現(xiàn)軟開關(guān)。開關(guān)管的占空比固定，開關(guān)頻率也固定，可以在全負(fù)載范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)軟開關(guān)。將圖9或圖12所示軟開關(guān)電路產(chǎn)生的固定頻率、固定占空比、驅(qū)動(dòng)高電平單調(diào)增大的脈沖信號(hào)vg用于控制變壓器原邊開關(guān)管m，即可實(shí)現(xiàn)諧振直流變壓器的軟啟動(dòng)。

圖14給出了圖13所示諧振直流變壓器未采用軟啟動(dòng)時(shí)電路的工作波形，圖15給出了該諧振直流變壓器采用本發(fā)明軟啟動(dòng)時(shí)電路的工作波形，可以看出諧振電流和輸出電壓均沒有過沖，證明了上述啟動(dòng)方法的有效性。

如圖16所示，本發(fā)明的啟動(dòng)方法產(chǎn)生的固定頻率、固定占空比、驅(qū)動(dòng)高電平單調(diào)增大的脈沖信號(hào)vg1、vg2用于控制半橋諧振直流變壓器原邊開關(guān)管s1、s2，vg1、vg2相位相差180°。圖17基于圖9的軟啟動(dòng)電路方案給出了適用于半橋諧振直流變壓器的啟動(dòng)電路，利用自舉二極管db和自舉電容cb為另一套驅(qū)動(dòng)電路102提供電壓單調(diào)上升的供電電壓，該套驅(qū)動(dòng)電路為諧振直流變壓器中橋臂上管提供驅(qū)動(dòng)信號(hào)。

本發(fā)明的啟動(dòng)方法，由于采用固定控制信號(hào)，控制簡單，同時(shí)適應(yīng)性強(qiáng)，可以應(yīng)用于雙端和單端諧振直流變壓器電路，可以充分抑制啟動(dòng)過程中的電流，避免了電路在啟動(dòng)時(shí)的失效。

最后，還需要注意的是，以上列舉的僅是本發(fā)明的若干個(gè)具體實(shí)施例。顯然，本發(fā)明不限于以上實(shí)施例，還可以有許多變形。本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員能從本發(fā)明公開的內(nèi)容直接導(dǎo)出或聯(lián)想到的所有變形，均應(yīng)認(rèn)為是本發(fā)明的保護(hù)范圍。