[发明专利]一种开关变换器的模式控制方法及开关变换器

说明书

本发明涉及一种开关变换器设计领域，公开了一种不对称半桥反激变换器的模式控制方法。本发明通过采集输入电压和负载信息共同进行不对称半桥反激变换器的工作模式控制，有效解决了现有的仅采用负载电流进行模式控制方案存在的无法兼顾宽输入电压范围内效率较优以及空载损耗较大的问题，使不对称半桥反激变换器在全电压、全负载范围内效率较优。

技术领域

本发明涉及一种开关变换器设计领域，特别涉及一种开关变换器的模式控制方法及开关变换器。

背景技术

开关变换器又称开关电源，是通过控制半导体开关器件开通和关断实现电能变换和传输的电源装置，相对传统电源其具有高效率、小体积、重量轻等诸多优势，广泛应用于消费电子、新能源、工业控制、航空航天等领域。近年来，随着全球范围内环保节能意识的加强和电力电子技术的发展，开关变换器产品的能效指标逐步提升，部分应用场合除要求额定工作点高效率外，还要求宽输入电压范围、全负载范围内开关变换器均能高效工作。

不对称半桥反激变换器的拓扑具有软开关的特点，是目前开关变换器高效率应用场合的研究热点之一。图1所示为采用现有不对称半桥反激变换器构成的开关变换器的电路框图，包含不对称半桥反激变换器110和控制器120，不对称半桥反激变换器110包含输入电容Cin、主开关Q1和辅开关Q2、谐振电容Cr、变压器112、整流开关D、输出滤波电容Co以及隔离反馈电路113，控制器120通过隔离反馈电路113接收输出电压信息并通过控制主开关Q1和辅开关Q2，将输出调整至期望水平。图2所示为图1所示现有不对称半桥反激开关变换器模式切换示意图，控制器120控制主开关Q1和辅开关Q2，在输出负载大于电流设定值I₀3时，使开关变换器工作于不对称半桥反激模式(AHBF Mode)，在输出负载小于电流设定值I₀3时，使开关变换器工作于间歇发波模式(BurstMode)。

图1所示的不对称半桥反激变换器在满载及较重负载时通常具备较高的转换效率，但励磁电感电流的负峰值会随着负载的减小而增大，超出变换器主开关实现零电压开通的需求，产生无效的损耗，从而使得变换器轻载效率较低。

为解决不对称半桥反激变换器轻载效率低的问题，申请号为201911352361.1的中国专利《开关电源装置》提出采用如图3所示的不对称半桥反激变换器及控制器，通过增加一个与变压器原边并联的单向钳位网络并采用图4所示的模式切换曲线，根据负载电流进行模式切换，当负载电流大于或等于第一设定值Io1时，控制变换器工作于不对称半桥反激模式(AHBF Mode)；当负载电流小于第一设定值Io1、大于或等于第二设定值Io2时，控制变换器工作于钳位不对称半桥反激模式(CAHBF Mode)，且开关频率随着负载减轻而下降；当负载电流小于第二设定值Io2时，控制变换器工作于Burst模式(CAHBF Mode)。这种模式切换方法，既能保证重载时效率最优，又能在轻载时实现对励磁电感电流负峰值的有效控制，大幅提高变换器的轻载效率，使得不对称半桥反激变换器在轻载和重载时均能保持效率较优。

申请号为201911352361.1的中国专利《开关变电源装置》有效解决了不对称半桥反激变换器轻载效率低的问题，但其提出模式切换方法仍存在以下两个问题：

1、仅考虑了负载电流对变换器工作模式的影响，当变换器应用于固定输入电压的场合时，能够使得该固定输入电压下轻载至重载范围内系统效率较优，但当变换器输入电压为一个范围时，特别是宽输入电压这种应用场合时，对于同一负载，当输入电压升高时，若开关频率仍保持不变，则开关管的关断损耗和变压器的损耗都会相应增加，从而导致输入电压升高时系统效率下降。因此，仅通过负载电流进行模式切换的方法存在无法兼顾宽输入电压范围内系统效率较优的问题。

以下按照表1所列输入输出规格，设计并制作了60W不对称半桥反激变换器实物样机。通过对样机的效率优化测试，发现在不同负载、不同输入电压下样机工作于效率最优的状态时，开关频率和负载电流及输入电压呈现出图5所示的曲线关系，由此进一步验证了仅靠负载电流进行模式切换无法兼顾宽输入电压范围内系统效率较优的问题。

表1