專利名稱：一種自激推挽式變換器的制作方法
技術領域：
本發明涉及一種DC-DC或DC-AC變換器，特別涉及一種應用于工業控制與照明行業的自激推挽式變換器。
背景技術：
現有的自激推挽式變換器，電路結構來自1955年美國羅耶(G.H.Royer)發明的自激振蕩推挽晶體管單變壓器直流變換器，這也是實現高頻轉換控制電路的開端；部分電路來自1957年美國查賽(Jen kn，有的地方譯作“井森”)發明的自激式推挽雙變壓器電路， 后被稱為自振蕩Jensen電路；這兩種電路，后人統稱為自激推挽式變換器。自激推挽式變換器在電子工業出版社的《開關電源的原理與設計》第67頁至70頁有描述，該書ISBN號 7-121-00211-6。電路的主要形式為上述著名的Royer電路和自振蕩Jensen電路。
圖1示出的電路為自激推挽式變換器常見應用，電路結構為Royer電路，其中與偏置電阻Rl并聯的電容Cl在很多場合可以省去；圖2示出的電路為自激推挽式變換器另一種常見應用，電路結構為Jensen電路，其中與偏置電阻Rl并聯的電容Cl在很多場合可以省去。電路中的電阻Rl和電容Cl組成啟動電路，在較高的電源電壓輸入時，Cl可以省去；省去電容Cl降低了圖1、圖2中電容Cl在開機時對推挽開關三極管的基極至發射極的沖擊。偏置電阻Rl的兩端分別與電壓輸入端以及為兩個推挽晶體管TR1、TR2基極提供正反饋的反饋繞組^和Nb2的中心抽頭連接；啟動電路有多種形式，如圖3-1、圖3-2、圖3-3 都可以成為Royer電路或Jensen電路的啟動電路。上述的圖1至圖2，以及使用圖3-1至圖3-5示出的電路作為啟動電路的自激推挽式變換器，其中，圖3-1至圖3-5端子Al連接到變壓器反饋繞組中心抽頭上；電阻Rl為上偏置電阻，連接在電源有效供電端至推挽三極管基極的回路中，在電路上電時，為推挽三極管提供初始的啟動基極電流，以及在正常工作時，向推挽三極管輪流提供部分基極電流；電阻R2為下偏置電阻，連接在推挽三極管的基極與發射極的直流回路中，對上偏置電阻提供的電流起到分流作用。圖3-1至圖3-5等啟動電路與Royer電路和Jensen電路主體組合起來，可以得到很多種電路形式，但其工作原理大同小異。在早期的文獻中，自振蕩Jensen 電路的名稱叫雙變換器推挽逆變電路，在人民郵電出版社的《電源變換技術》第70頁至72 頁有描述，該書ISBN號為7-115-04229-2/ΤΝ·353。在該書中使用的電路見該書的71頁圖 2-40，其啟動電路和圖3-5的相同。它們有共同的缺點為1、低溫啟動性能差。2、高溫時空載功耗大，在高溫下電路的變換效率下降。3、啟動電路中Rl取值不好兼顧變換效率和帶載能力。以下為產生上述缺點的詳細論述以Royer電路為例，Royer電路工作原理為參見圖1，Royer電路是利用磁心飽和特性進行推挽振蕩，接通電源瞬間，偏置電阻Rl和電容Cl并聯回路通過線圈^和^繞組為三極管TRl和TR2的基極、發射極提供了正向偏壓并產生基極電流，兩只三極管TRl和 TR2開始導通，由于兩個三極管特性不可能完全一樣，因此，其中一只三極管會先導通，假設三極管TR2先導通，產生集電極電流IC2，其對應的線圈Np2繞組的電壓為上正下負，根據同名端關系，其基極線圈Nb2繞組也出現上正下負的感應電壓，這個電壓增大了三極管TR2的基極電流，這是一個正反饋的過程，因而很快使三極管TR2飽和導通；相應地，三極管TRl對應的線圈^繞組的電壓為上正下負，這個電壓減小了三極管TRl的基極電流，三極管TRl 很快完全截止。 三極管TR2對應的線圈Np2繞組里的電流，以及這個電流產生的磁感應強度隨時間線性增加，但磁感應強度增加到變壓器B磁心的飽和點ail時，線圈的電感量迅速減小，從而使三極管TR2開關管的集電極電流急劇增加，增加的速率遠大于基極電流的增加，三極管 TR2開關管脫離飽和，三極管TR2開關管的集電極到發射極的壓降U。jf大，相應地，變壓器 Np2繞組上的電壓就減小同一數值，線圈^繞組感應的電壓減小，結果使三極管TR2開關管基極電壓也降低，造成三極管TR2開關管向截止方向變化，此時，變壓器線圈上的電壓將反向，使另一只三極管TRl導通，此后，重復進行這一過程，形成推挽振蕩。上述工作原理為公知理論，其特點為利用磁心飽和特性進行推挽振蕩，變壓器輸出波形為近似方波，電路的變換效率較高。另一個與Royer電路相似的結構，就是開關驅動功能與主功率變壓器脫離的電路，如圖2所示。這個電路就是著名的自振蕩Jensen電路，中文常音譯為“井森”電路，電路的自振蕩頻率和驅動功能，改由磁飽和的變壓器B2來實現，因此，主功率變壓器Bl能工作在不飽和狀態，其工作原理大同小異。在低溫下，三極管TRl和三極管TR2的放大倍數都減小，以FMMT491為例，參見圖 4，圖4為典型的直流放大倍數與集電極電流關系以及溫度關系圖，圖4來自長電科技技術手冊上，其它公司生產的三極管都有類似的圖形，由圖4可知，在IOOmA的集電極電流下，在 100°C高溫下，其直流放大倍數約為310，在25°C常溫下，其直流放大倍數約為225，在-55°C 低溫下，其直流放大倍數僅為105左右，實測其在-40°C低溫下，其放大倍數為1 左右。這就給電路的設計帶來麻煩，電阻Rl取大了，圖1電路的空載功耗小，有利提高電路的變換效率，但這時，把電路放入-40°C低溫下，由于三極管放大倍數下降，其集電極電流峰值較小，電路在上電時，無法進入自激式推挽振蕩中，從而經常直接燒毀電路。為了說明上偏置電阻Rl的作用，圖5-1示出了圖1的部分電路；為了方便對原理進行述，在不影響連接關系的前提下，圖5-1電路優化為圖5-2的畫法。公知的理論可知，三極管的基極至發射級可以等效為一只二極管，那么，圖5-2電路可以等效為圖5-3的電路，其中二極管Dtki等效于三極管TRl的基極至發射級，其中二極管Dtk2等效于三極管TR2的基極至發射級。由于反饋繞組^和二極管Dm串聯，串聯電路的器件互換位置而不影響原電路工作原理是公知技術，互換時注意有極性器件的方向，那么圖5-3電路可以等效為圖5-4的電路。把圖5-4電路進一步優化成圖5-5電路，可以看到，三極管的基極至發射級的二極管Dm、二極管Dto和反饋繞組Nbi、反饋繞組^組成全波整流電路51，在上述的變換中，反饋繞組Nbi、反饋繞組Nb2的同名端嚴格保持和圖5-1中的一致，可以看到，在圖5-5中，全波整流電路51中，反饋繞組再次被變換到一起，其新的“中心抽頭”成了接地端。對圖5-5電路進行優化，在不影響連接關系的前提下，用電池符號取代了原輸入電壓Vin，得到圖5-6的電路，其中，電容Cv為輸入電壓Vin的輸出電容，公知理論把各種電源可以看成一個容量極大的電容器，其交流內阻為零，電容Cv就是輸入電壓Vin的內電容、輸出電容，容量極大，遠大于圖5-6中電容Cl，由此，電容Cl可以等效于接在電阻Rl和二極管的陽極連接點上和接地端之間，如圖5-7所示。圖5-7示出了圖5-1最終的等效電路，電容Cl事實上是全波整流電路51的濾波電容，由于自激推挽式變換器輸出波形為方波，所以電容Cl即使不存在，全波整流電路51 的輸出電壓也接近平滑直流電，從圖5-7的電路可以看出，流過電阻Rl的電流，是由流過二極管Dm的電流和流過二極管Dtk2的電流輪流接續完成的，流過二極管Dm的電流存在時， 流過二極管DTR2的電流為零，下面以一組數據說明，設Vin為5V，那么圖5_7中Al點電壓為5V，若反饋繞組^和反饋繞組Nb2的反饋電壓為IV，二極管Dm的壓降為0. 7V，事實上這個電壓為推挽三極管基極到發射級的壓降，那么，那么圖5-7中A2點電壓為-0. 3V，若此刻A3點為+IV、A4點為-IV，那么二極管Dtk2正向導通，而二極管Dtki因為反偏而截止。由于推挽三極管是輪流導通，所以，近似地認為，流過電阻Rl的電流等于流入推挽三極管在導通時的電流。而傳統的理論認為，自激推挽式變換器一旦正常工作，流入推挽三極管在導通時的電流不僅包括流過電阻Rl的電流，還包括反饋繞組提供的強大的電流，以獲得極強的驅動能力。事實并非如此，通過上述分析，可以看到，傳統的理論在這一點上并不正確，也導致了長期以來，無人對上偏置電阻Rl進行探索、改進的重要原因。一般的解決方法，是在-40°C低溫下，選取較小的阻值的電阻R1，以確保在-40°C 低溫下電路可以正常啟動，進入自激式推挽振蕩中，但這時當電路在常溫或高溫下工作時， 電路的空載損耗不容忽視，如在85°C高溫下，這時推挽三極管的放大倍數升到較大數值，常引起電路的變換效率下降，下面以一組實測的數據說明使用圖1的電路，變壓器Bl的副邊換為圖6所示電路，設計目標為輸入直流5V， 輸出直流5V，輸出電流200mA，即輸出功率1W。電路的參數如下，電容C為IuF電容，電容 Cl為0. IuF電容，三極管TRl和TR2為放大倍數在200倍左右的開關三極管FMMT491，其集電極最大工作電流為IA ；變壓器的副邊輸出采用圖6的電路結構，圖6為公知的全波整流電路，其中，二極管D51和二極管D52為共陰三極管BAV74，由于工作頻率高，濾波電容為 3. 3uF的無極性電容，其中，變壓器Bl原邊線圈Npi和Np2的圈數分別為20匝，反饋線圈^ 和Nb2的圈數分別為3匝，副邊線圈Nsi和Ns2的圈數分別為23匝，磁心采用外直徑5毫米， 橫截面積1. 5平方毫米的常見鐵氧體環形磁心，俗稱磁環。當電阻Rl取不同數值時，測量圖1電路性能參數，其中，電路的變換效率采用圖7 的電路測試，測試時都采用圖7的接線方式，RL為精密可調電阻負載，可以有效地減小測量誤差。電流表和電壓表均使用MASTECH 品牌的MY65型4位半數字萬用表的200mA檔和20V 檔或200V檔，同時使用了四塊及四塊以上的萬用表。MY65型4位半數字萬用表其測電壓時，內阻為10. OM Ω，200mA電流檔的內阻為 1. 00 Ω。當電流超過200mA時，采用了兩塊電流表都置于200mA檔并聯測量，把兩塊表的電流讀數相加，即為測量值。電流表并聯測量是現有電子工程的成熟技術。Vl電壓表頭為工作電壓Vin，即輸入電壓；Al電流表頭為輸入電流Iin，即為工作電流；V2電壓表頭為輸出電壓Vout，A2電流表頭為輸出電流Iout ；那么變換效率可以用公式⑴計算得出。
權利要求
1.一種自激推挽式變換器，包括啟動電路，其特征在于所述啟動電路中至少一只偏置電阻為熱敏電阻，所述的啟動電路在低溫時，為推挽開關三極管的基極提供較常溫的基極電流值大的基極電流；所述的啟動電路在高溫時，能為所述的推挽開關三極管的基極提供較常溫的基極電流值小的基極電流。
2.根據權利要求1所述的自激推挽式變換器，其特征在于所述啟動電路中上偏置電阻為一正溫度系數的熱敏電阻。
3.根據權利要求2所述的自激推挽式變換器，其特征在于所述的正溫度系數的熱敏電阻的電阻值隨溫度增加呈線性上升。
4.根據權利要求2或3所述的自激推挽式變換器，其特征在于所述的正溫度系數的熱敏電阻為半導體硅單晶。
5.根據權利要求1所述的自激推挽式變換器，其特征在于所述啟動電路中下偏置電阻為負溫度系數的熱敏電阻。
6.根據權利要求5所述的自激推挽式變換器，其特征在于所述的負溫度系數的熱敏電阻的電阻值隨溫度增加呈線性下降。
7.根據權利要求5或6所述的自激推挽式變換器，其特征在于所述的自激推挽式變換器中上偏置電阻為一正溫度系數的熱敏電阻。
8.根據權利要求7所述的自激推挽式變換器，其特征在于所述的正溫度系數的熱敏電阻的電阻值隨溫度增加呈線性上升。
9.根據權利要求7所述的自激推挽式變換器，其特征在于所述的正溫度系數的熱敏電阻為半導體硅單晶。
10.根據權利要求7所述的自激推挽式變換器，其特征在于所述的正溫度系數的熱敏電阻為電阻值隨溫度增加呈線性上升的半導體硅單晶。
全文摘要
本發明公開了一種自激推挽式變換器，包括啟動電路，所述啟動電路中至少一只偏置電阻為熱敏電阻，所述的啟動電路在低溫時，為推挽開關三極管的基極提供較常溫的基極電流值大的基極電流；所述的啟動電路在高溫時，能為所述的推挽開關三極管的基極提供較常溫的基極電流值小的基極電流，本發明的自激推挽式變換器具有良好的低溫啟動性能，高溫時空載功耗對比低溫時不再增大，在高溫下電路的變換效率不再下降，變換效率維持和低溫時相等或有所提高，讓自激推挽式變換器在全范圍工作溫度內兼顧變換效率和空載功耗。
文檔編號H02M1/36GK102315778SQ20111027226
公開日2012年1月11日 申請日期2011年9月14日 優先權日2011年9月14日
發明者劉偉, 王保均, 郭國文, 高晶 申請人:廣州金升陽科技有限公司