专利名称：一种自激推挽式变换器的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种DC-DC或DC-AC变换器，特别涉及一种应用于工业控制与照明行业的自激推挽式变换器。
背景技术：
现有的自激推挽式变换器，电路结构来自1955年美国罗耶(G.H.Royer)发明的自激振荡推挽晶体管单变压器直流变换器，这也是实现高频转换控制电路的开端；部分电路来自1957年美国查赛(Jen kn，有的地方译作“井森”)发明的自激式推挽双变压器电路， 后被称为自振荡Jensen电路；这两种电路，后人统称为自激推挽式变换器。自激推挽式变换器在电子工业出版社的《开关电源的原理与设计》第67页至70页有描述，该书ISBN号 7-121-00211-6。电路的主要形式为上述著名的Royer电路和自振荡Jensen电路。
图1示出的电路为自激推挽式变换器常见应用，电路结构为Royer电路，其中与偏置电阻Rl并联的电容Cl在很多场合可以省去；图2示出的电路为自激推挽式变换器另一种常见应用，电路结构为Jensen电路，其中与偏置电阻Rl并联的电容Cl在很多场合可以省去。电路中的电阻Rl和电容Cl组成启动电路，在较高的电源电压输入时，Cl可以省去；省去电容Cl降低了图1、图2中电容Cl在开机时对推挽开关三极管的基极至发射极的冲击。偏置电阻Rl的两端分别与电压输入端以及为两个推挽晶体管TR1、TR2基极提供正反馈的反馈绕组^和Nb2的中心抽头连接；启动电路有多种形式，如图3-1、图3-2、图3-3 都可以成为Royer电路或Jensen电路的启动电路。上述的图1至图2，以及使用图3-1至图3-5示出的电路作为启动电路的自激推挽式变换器，其中，图3-1至图3-5端子Al连接到变压器反馈绕组中心抽头上；电阻Rl为上偏置电阻，连接在电源有效供电端至推挽三极管基极的回路中，在电路上电时，为推挽三极管提供初始的启动基极电流，以及在正常工作时，向推挽三极管轮流提供部分基极电流；电阻R2为下偏置电阻，连接在推挽三极管的基极与发射极的直流回路中，对上偏置电阻提供的电流起到分流作用。图3-1至图3-5等启动电路与Royer电路和Jensen电路主体组合起来，可以得到很多种电路形式，但其工作原理大同小异。在早期的文献中，自振荡Jensen 电路的名称叫双变换器推挽逆变电路，在人民邮电出版社的《电源变换技术》第70页至72 页有描述，该书ISBN号为7-115-04229-2/ΤΝ·353。在该书中使用的电路见该书的71页图 2-40，其启动电路和图3-5的相同。它们有共同的缺点为1、低温启动性能差。2、高温时空载功耗大，在高温下电路的变换效率下降。3、启动电路中Rl取值不好兼顾变换效率和带载能力。以下为产生上述缺点的详细论述以Royer电路为例，Royer电路工作原理为参见图1，Royer电路是利用磁心饱和特性进行推挽振荡，接通电源瞬间，偏置电阻Rl和电容Cl并联回路通过线圈^和^绕组为三极管TRl和TR2的基极、发射极提供了正向偏压并产生基极电流，两只三极管TRl和 TR2开始导通，由于两个三极管特性不可能完全一样，因此，其中一只三极管会先导通，假设三极管TR2先导通，产生集电极电流IC2，其对应的线圈Np2绕组的电压为上正下负，根据同名端关系，其基极线圈Nb2绕组也出现上正下负的感应电压，这个电压增大了三极管TR2的基极电流，这是一个正反馈的过程，因而很快使三极管TR2饱和导通；相应地，三极管TRl对应的线圈^绕组的电压为上正下负，这个电压减小了三极管TRl的基极电流，三极管TRl 很快完全截止。 三极管TR2对应的线圈Np2绕组里的电流，以及这个电流产生的磁感应强度随时间线性增加，但磁感应强度增加到变压器B磁心的饱和点ail时，线圈的电感量迅速减小，从而使三极管TR2开关管的集电极电流急剧增加，增加的速率远大于基极电流的增加，三极管 TR2开关管脱离饱和，三极管TR2开关管的集电极到发射极的压降U。jf大，相应地，变压器 Np2绕组上的电压就减小同一数值，线圈^绕组感应的电压减小，结果使三极管TR2开关管基极电压也降低，造成三极管TR2开关管向截止方向变化，此时，变压器线圈上的电压将反向，使另一只三极管TRl导通，此后，重复进行这一过程，形成推挽振荡。上述工作原理为公知理论，其特点为利用磁心饱和特性进行推挽振荡，变压器输出波形为近似方波，电路的变换效率较高。另一个与Royer电路相似的结构，就是开关驱动功能与主功率变压器脱离的电路，如图2所示。这个电路就是著名的自振荡Jensen电路，中文常音译为“井森”电路，电路的自振荡频率和驱动功能，改由磁饱和的变压器B2来实现，因此，主功率变压器Bl能工作在不饱和状态，其工作原理大同小异。在低温下，三极管TRl和三极管TR2的放大倍数都减小，以FMMT491为例，参见图 4，图4为典型的直流放大倍数与集电极电流关系以及温度关系图，图4来自长电科技技术手册上，其它公司生产的三极管都有类似的图形，由图4可知，在IOOmA的集电极电流下，在 100°C高温下，其直流放大倍数约为310，在25°C常温下，其直流放大倍数约为225，在-55°C 低温下，其直流放大倍数仅为105左右，实测其在-40°C低温下，其放大倍数为1 左右。这就给电路的设计带来麻烦，电阻Rl取大了，图1电路的空载功耗小，有利提高电路的变换效率，但这时，把电路放入-40°C低温下，由于三极管放大倍数下降，其集电极电流峰值较小，电路在上电时，无法进入自激式推挽振荡中，从而经常直接烧毁电路。为了说明上偏置电阻Rl的作用，图5-1示出了图1的部分电路；为了方便对原理进行述，在不影响连接关系的前提下，图5-1电路优化为图5-2的画法。公知的理论可知，三极管的基极至发射级可以等效为一只二极管，那么，图5-2电路可以等效为图5-3的电路，其中二极管Dtki等效于三极管TRl的基极至发射级，其中二极管Dtk2等效于三极管TR2的基极至发射级。由于反馈绕组^和二极管Dm串联，串联电路的器件互换位置而不影响原电路工作原理是公知技术，互换时注意有极性器件的方向，那么图5-3电路可以等效为图5-4的电路。把图5-4电路进一步优化成图5-5电路，可以看到，三极管的基极至发射级的二极管Dm、二极管Dto和反馈绕组Nbi、反馈绕组^组成全波整流电路51，在上述的变换中，反馈绕组Nbi、反馈绕组Nb2的同名端严格保持和图5-1中的一致，可以看到，在图5-5中，全波整流电路51中，反馈绕组再次被变换到一起，其新的“中心抽头”成了接地端。对图5-5电路进行优化，在不影响连接关系的前提下，用电池符号取代了原输入电压Vin，得到图5-6的电路，其中，电容Cv为输入电压Vin的输出电容，公知理论把各种电源可以看成一个容量极大的电容器，其交流内阻为零，电容Cv就是输入电压Vin的内电容、输出电容，容量极大，远大于图5-6中电容Cl，由此，电容Cl可以等效于接在电阻Rl和二极管的阳极连接点上和接地端之间，如图5-7所示。图5-7示出了图5-1最终的等效电路，电容Cl事实上是全波整流电路51的滤波电容，由于自激推挽式变换器输出波形为方波，所以电容Cl即使不存在，全波整流电路51 的输出电压也接近平滑直流电，从图5-7的电路可以看出，流过电阻Rl的电流，是由流过二极管Dm的电流和流过二极管Dtk2的电流轮流接续完成的，流过二极管Dm的电流存在时， 流过二极管DTR2的电流为零，下面以一组数据说明，设Vin为5V，那么图5_7中Al点电压为5V，若反馈绕组^和反馈绕组Nb2的反馈电压为IV，二极管Dm的压降为0. 7V，事实上这个电压为推挽三极管基极到发射级的压降，那么，那么图5-7中A2点电压为-0. 3V，若此刻A3点为+IV、A4点为-IV，那么二极管Dtk2正向导通，而二极管Dtki因为反偏而截止。由于推挽三极管是轮流导通，所以，近似地认为，流过电阻Rl的电流等于流入推挽三极管在导通时的电流。而传统的理论认为，自激推挽式变换器一旦正常工作，流入推挽三极管在导通时的电流不仅包括流过电阻Rl的电流，还包括反馈绕组提供的强大的电流，以获得极强的驱动能力。事实并非如此，通过上述分析，可以看到，传统的理论在这一点上并不正确，也导致了长期以来，无人对上偏置电阻Rl进行探索、改进的重要原因。一般的解决方法，是在-40°C低温下，选取较小的阻值的电阻R1，以确保在-40°C 低温下电路可以正常启动，进入自激式推挽振荡中，但这时当电路在常温或高温下工作时， 电路的空载损耗不容忽视，如在85°C高温下，这时推挽三极管的放大倍数升到较大数值，常引起电路的变换效率下降，下面以一组实测的数据说明使用图1的电路，变压器Bl的副边换为图6所示电路，设计目标为输入直流5V， 输出直流5V，输出电流200mA，即输出功率1W。电路的参数如下，电容C为IuF电容，电容 Cl为0. IuF电容，三极管TRl和TR2为放大倍数在200倍左右的开关三极管FMMT491，其集电极最大工作电流为IA ；变压器的副边输出采用图6的电路结构，图6为公知的全波整流电路，其中，二极管D51和二极管D52为共阴三极管BAV74，由于工作频率高，滤波电容为 3. 3uF的无极性电容，其中，变压器Bl原边线圈Npi和Np2的圈数分别为20匝，反馈线圈^ 和Nb2的圈数分别为3匝，副边线圈Nsi和Ns2的圈数分别为23匝，磁心采用外直径5毫米， 横截面积1. 5平方毫米的常见铁氧体环形磁心，俗称磁环。当电阻Rl取不同数值时，测量图1电路性能参数，其中，电路的变换效率采用图7 的电路测试，测试时都采用图7的接线方式，RL为精密可调电阻负载，可以有效地减小测量误差。电流表和电压表均使用MASTECH 品牌的MY65型4位半数字万用表的200mA档和20V 档或200V档，同时使用了四块及四块以上的万用表。MY65型4位半数字万用表其测电压时，内阻为10. OM Ω，200mA电流档的内阻为 1. 00 Ω。当电流超过200mA时，采用了两块电流表都置于200mA档并联测量，把两块表的电流读数相加，即为测量值。电流表并联测量是现有电子工程的成熟技术。Vl电压表头为工作电压Vin，即输入电压；Al电流表头为输入电流Iin，即为工作电流；V2电压表头为输出电压Vout，A2电流表头为输出电流Iout ；那么变换效率可以用公式⑴计算得出。
权利要求
1.一种自激推挽式变换器，包括启动电路，其特征在于所述启动电路中至少一只偏置电阻为热敏电阻，所述的启动电路在低温时，为推挽开关三极管的基极提供较常温的基极电流值大的基极电流；所述的启动电路在高温时，能为所述的推挽开关三极管的基极提供较常温的基极电流值小的基极电流。
2.根据权利要求1所述的自激推挽式变换器，其特征在于所述启动电路中上偏置电阻为一正温度系数的热敏电阻。
3.根据权利要求2所述的自激推挽式变换器，其特征在于所述的正温度系数的热敏电阻的电阻值随温度增加呈线性上升。
4.根据权利要求2或3所述的自激推挽式变换器，其特征在于所述的正温度系数的热敏电阻为半导体硅单晶。
5.根据权利要求1所述的自激推挽式变换器，其特征在于所述启动电路中下偏置电阻为负温度系数的热敏电阻。
6.根据权利要求5所述的自激推挽式变换器，其特征在于所述的负温度系数的热敏电阻的电阻值随温度增加呈线性下降。
7.根据权利要求5或6所述的自激推挽式变换器，其特征在于所述的自激推挽式变换器中上偏置电阻为一正温度系数的热敏电阻。
8.根据权利要求7所述的自激推挽式变换器，其特征在于所述的正温度系数的热敏电阻的电阻值随温度增加呈线性上升。
9.根据权利要求7所述的自激推挽式变换器，其特征在于所述的正温度系数的热敏电阻为半导体硅单晶。
10.根据权利要求7所述的自激推挽式变换器，其特征在于所述的正温度系数的热敏电阻为电阻值随温度增加呈线性上升的半导体硅单晶。
全文摘要
本发明公开了一种自激推挽式变换器，包括启动电路，所述启动电路中至少一只偏置电阻为热敏电阻，所述的启动电路在低温时，为推挽开关三极管的基极提供较常温的基极电流值大的基极电流；所述的启动电路在高温时，能为所述的推挽开关三极管的基极提供较常温的基极电流值小的基极电流，本发明的自激推挽式变换器具有良好的低温启动性能，高温时空载功耗对比低温时不再增大，在高温下电路的变换效率不再下降，变换效率维持和低温时相等或有所提高，让自激推挽式变换器在全范围工作温度内兼顾变换效率和空载功耗。
文档编号H02M1/36GK102315778SQ20111027226
公开日2012年1月11日 申请日期2011年9月14日 优先权日2011年9月14日
发明者刘伟, 王保均, 郭国文, 高晶 申请人:广州金升阳科技有限公司