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主开关管驱动损耗小的BJT型自激式BOOST变换器.pdf

摘要
申请专利号:

CN201210157788.8

申请日:

2012.05.17

公开号:

CN102684493B

公开日:

2015.01.28

当前法律状态:

授权

有效性:

有权

法律详情: 授权|||实质审查的生效IPC(主分类):H02M 3/156申请日:20120517|||公开
IPC分类号: H02M3/156 主分类号: H02M3/156
申请人: 浙江工业大学
发明人: 陈怡; 南余荣
地址: 310014 浙江省杭州市下城区潮王路18号
优先权:
专利代理机构: 杭州天正专利事务所有限公司 33201 代理人: 王兵;黄美娟
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法律状态
申请(专利)号:

CN201210157788.8

授权太阳城集团号:

102684493B||||||

法律状态太阳城集团日:

2015.01.28|||2012.11.14|||2012.09.19

法律状态类型:

授权|||实质审查的生效|||公开

摘要

主开关管驱动损耗小的BJT型自激式Boost变换器包括由输入电容Ci、电感L、主开关管NPN型BJT管Q1、二极管D和电容Co组成的Boost变换器的主回路,还包括主开关管Q1的驱动单元,所述主开关管Q1的驱动单元由电阻R1、电阻R2、稳压管Z1和PNP型BJT管Q2组成,所述PNP型BJT管Q2的发射极与电阻R1的一端相连,电阻R1的另一端与电感L的一端以及直流电压源Vi的正端相连,PNP型BJT管Q2的基极与稳压管Z1的阳极以及电阻R2的一端相连,稳压管Z1的阴极与电感L的另一端以及二极管D的阳极相连,电阻R2的另一端与直流电压源Vi的负端相连,PNP型BJT管Q2的集电极与NPN型BJT管Q1的基极相连。为提高电路的动态性能,可在直流电压源Vi的正端和PNP型BJT管Q2的基极之间并联电容C1。本发明电路结构简单,元器件数目少,主开关管驱动损耗小,轻载时电路效率高。

权利要求书

1.一种主开关管驱动损耗小的BJT型自激式Boost变换器包括由输入
电容Ci、电感L、NPN型BJT管Q1、二极管D和电容Co组成的Boost
变换器的主回路,输入电容Ci与直流电压源Vi并联,输出电容Co
两端电压为直流输出电压Vo,负载Ro与输出电容Co并联,直流电
压源Vi的负端与直流输出电压Vo的负端以及NPN型BJT管Q1的发
射极相连,直流电压源Vi的正端与电感L的一端相连,电感L的另
一端与NPN型BJT管Q1的集电极以及二极管D的阳极相连,二极
管D的阴极与输出电压Vo的正端相连,其特征在于:所述主开关管
驱动损耗小的BJT型自激式Boost变换器还包括主开关管Q1的驱动
单元,所述主开关管Q1的驱动单元由电阻R1、电阻R2、稳压管Z1
和PNP型BJT管Q2组成,PNP型BJT管Q2的发射极与电阻R1的
一端相连,电阻R1的另一端与电感L的一端以及直流电压源Vi的正
端相连,PNP型BJT管Q2的基极与稳压管Z1的阳极以及电阻R2的
一端相连,稳压管Z1的阴极与电感L的另一端以及二极管D的阳极
相连,电阻R2的另一端与直流电压源Vi的负端相连,PNP型BJT管
Q2的集电极与NPN型BJT管Q1的基极相连。
2.如权利要求1所述的主开关管驱动损耗小的BJT型自激式Boost
变换器,其特征在于:所述直流电压源Vi的正端和PNP型BJT管Q2
的基极之间并联电容C1。
3.如权利要求1和2之一所述的主开关管驱动损耗小的BJT型自激
式Boost变换器,其特征在于:所述自激式Boost变换器还包括电压
反馈支路,所述电压反馈支路由电阻R3、电阻R4、NPN型BJT管
Q3组成,所述NPN型BJT管Q3的集电极与PNP型BJT管Q2的集
电极以及NPN型BJT管Q1的基极相连,NPN型BJT管Q3的发射极
与直流电压源Vi的负端相连,NPN型BJT管Q3的基极与电阻R3的
一端以及电阻R4的一端相连,电阻R3的另一端与二极管D的阴极
以及直流输出电压Vo的正端相连,电阻R4的另一端与直流输出电压
Vo的负端相连。
4.如权利要求3所述的主开关管驱动损耗小的BJT型自激式Boost
变换器,其特征在于:所述电阻R3两端并联电容C2。
5.如权利要求1和2之一所述的主开关管驱动损耗小的BJT型自激
式Boost变换器,其特征在于:所述自激式Boost变换器还包括电流
反馈支路,所述电流反馈支路由电阻R3、电阻R4、二极管D1和NPN
型BJT管Q3组成,所述NPN型BJT管Q3的集电极与PNP型BJT
管Q2的集电极以及NPN型BJT管Q1的基极相连,NPN型BJT管
Q3的发射极与直流电压源Vi的负端相连,NPN型BJT管Q3的基极
与电阻R3的一端以及二极管D1的阳极相连,电阻R3的另一端与直
流电压源Vi的正端以及电感L的一端相连,二极管D1的阴极与电阻
R4的一端以及输出电压Vo的负端相连,电阻R4的另一端与输出电
容Co的一端、NPN型BJT管Q1的发射极以及直流电压源Vi的负端
相连。
6.如权利要求5所述的主开关管驱动损耗小的BJT型自激式Boost
变换器,其特征在于:所述电阻R3两端并联电容C2。

说明书

主开关管驱动损耗小的BJT型自激式Boost变换器

技术领域

本发明涉及自激式直流-直流(DC-DC)变换器,应用于开关稳压
或稳流电源、高亮度LED驱动电路等,尤其是一种自激式Boost变换
器。

背景技术

与线性(稳压或稳流)调节器和他激式DC-DC变换器相比,自
激式DC-DC变换器具有性价比高的显著优点。图1给出的是一种电
路结构简单、元器件数目少的BJT(双极型晶体管)型自激式Boost
变换器,包括由输入电容Ci、电感L、NPN型BJT管Q1、二极管D
和输出电容Co组成的Boost变换器的主回路,输入电容Ci与直流电
压源Vi并联,输出电容Co两端电压为直流输出电压Vo,负载Ro与
输出电容Co并联,直流电压源Vi的负端与直流输出电压Vo的负端
以及NPN型BJT管Q1的发射极相连,直流电压源Vi的正端与电感
L的一端相连,电感L的另一端与NPN型BJT管Q1的集电极以及二
极管D的阳极相连,二极管D的阴极与输出电压Vo的正端相连。

图1所示的BJT型自激式Boost变换器还包括主开关管Q1的驱
动单元,所述主开关管Q1的驱动单元由电阻R1、电阻R2、电阻R3、
电容C1和NPN型BJT管Q2组成,所述NPN型BJT管Q2的集电极
和发射极分别与NPN型BJT管Q1的基极和发射极相连,NPN型BJT
管Q1的基极还通过电阻R1接于直流电压源Vi的正端,电阻R2和电
容C1组成并联支路,所述并联支路的一端与NPN型BJT管Q1的集
电极相连,所述并联支路的另一端与NPN型BJT管Q2的基极以及电
阻R3的一端相连,电阻R3的另一端与NPN型BJT管Q2的发射极
以及直流电压源Vi的负端相连。图1所示的BJT型自激式Boost变换
器还包括电压反馈支路,所述电压反馈支路由电阻R4、稳压管Z1和
NPN型BJT管Q3组成,所述稳压管Z1的阴极与输出电压Vo的正端
相连,稳压管Z1的阳极与电阻R4的一端以及NPN型BJT管Q3的
基极相连,NPN型BJT管Q3的集电极和发射极分别与NPN型BJT
管Q1的基极和发射极相连,电阻R4的另一端接于直流电压源Vi的
负端。该电路的不足之处在于:由驱动电阻R1、NPN型BJT管Q2、
电阻R2、电阻R3和电容C1组成的主开关管Q1的驱动单元,当主开
关管Q1关断时仍有较大电流流过驱动电阻R1,导致Q1的驱动损耗
较大,从而影响电路的效率,尤其是电路的轻载效率。

发明内容

为克服现有的BJT型自激式Boost变换器主开关管驱动损耗较大
的不足,本发明提供一种主开关管驱动损耗小的BJT型自激式Boost
变换器。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是:一种主开关管驱动
损耗小的BJT型自激式Boost变换器包括由输入电容Ci、电感L、NPN
型BJT管Q1、二极管D和电容Co组成的Boost变换器的主回路,输
入电容Ci与直流电压源Vi并联,输出电容Co两端电压为直流输出
电压Vo,负载Ro与输出电容Co并联,直流电压源Vi的负端与直流
输出电压Vo的负端以及NPN型BJT管Q1的发射极相连,直流电压
源Vi的正端与电感L的一端相连,电感L的另一端与NPN型BJT管
Q1的集电极以及二极管D的阳极相连,二极管D的阴极与输出电压
Vo的正端相连;所述主开关管驱动损耗小的BJT型自激式Boost变换
器还包括主开关管Q1的驱动单元,所述主开关管Q1的驱动单元由电
阻R1、电阻R2、稳压管Z1和PNP型BJT管Q2组成,所述PNP型
BJT管Q2的发射极与电阻R1的一端相连,电阻R1的另一端与电感
L的一端以及直流电压源Vi的正端相连,PNP型BJT管Q2的基极与
稳压管Z1的阳极以及电阻R2的一端相连,稳压管Z1的阴极与电感
L的另一端以及二极管D的阳极相连,电阻R2的另一端与直流电压
源Vi的负端相连,PNP型BJT管Q2的集电极与NPN型BJT管Q1
的基极相连。为提高电路的动态性能,可在直流电压源Vi的正端和
PNP型BJT管Q2的基极之间并联电容C1。

进一步,作为优选的一种方案:所述主开关管驱动损耗小的BJT
型自激式Boost变换器还包括电压反馈支路,所述电压反馈支路由电
阻R3、电阻R4和NPN型BJT管Q3组成,所述NPN型BJT管Q3
的集电极与PNP型BJT管Q2的集电极以及NPN型BJT管Q1的基
极相连,NPN型BJT管Q3的发射极与直流电压源Vi的负端相连,
NPN型BJT管Q3的基极与电阻R3的一端以及电阻R4的一端相连,
电阻R3的另一端与二极管D的阴极以及直流输出电压Vo的正端相
连,电阻R4的另一端与直流输出电压Vo的负端相连。为提高电路的
动态性能,电阻R3两端可并联电容C2。

后者,作为优选的另一种方案:所述主开关管驱动损耗小的BJT
型自激式Boost变换器还包括电流反馈支路,所述电流反馈支路由电
阻R3、电阻R4、二极管D1和NPN型BJT管Q3组成,所述NPN型
BJT管Q3的集电极与PNP型BJT管Q2的集电极以及NPN型BJT
管Q1的基极相连,NPN型BJT管Q3的发射极与直流电压源Vi的负
端相连,NPN型BJT管Q3的基极与电阻R3的一端以及二极管D1
的阳极相连,电阻R3的另一端与直流电压源Vi的正端以及电感L的
一端相连,二极管D1的阴极与电阻R4的一端以及输出电压Vo的负
端相连,电阻R4的另一端与输出电容Co的一端、NPN型BJT管Q1
的发射极以及直流电压源Vi的负端相连。为提高电路的动态性能,电
阻R3两端可并联电容C2。

本发明的技术构思为:在图1所示现有BJT型自激式Boost变换
器的基础上,用损耗小的主开关管驱动单元代替原有损耗大的主开关
管驱动单元(如图2和图3所示)。损耗小的主开关管驱动单元由电阻
R1、电阻R2、PNP型BJT管Q2、稳压管Z1等组成。其特征如下:
所述PNP型BJT管Q2的发射极与电阻R1的一端相连,电阻R1的
另一端与电感L的一端以及直流电压源Vi的正端相连,PNP型BJT
管Q2的基极与稳压管Z1的阳极以及电阻R2的一端相连,稳压管Z1
的阴极与电感L的另一端以及二极管D的阳极相连,电阻R2的另一
端与直流电压源Vi的负端相连,PNP型BJT管Q2的集电极与NPN
型BJT管Q1的基极相连。为提高电路的动态性能,可在直流电压源
Vi的正端和PNP型BJT管Q2的基极之间并联电容C1。

为获得稳定的直流输出电压,在Boost变换器主回路的输出端与
主开关管驱动单元之间可增加一条电压反馈支路,由NPN型BJT管
Q3、电阻R3和电阻R4组成(如图2所示)。为提高电路的动态性能,
电阻R3两端可并联电容C2。

为获得稳定的直流输出电流,在Boost变换器主回路的输出端与
主开关管驱动单元之间可增加一条电流反馈支路,由NPN型BJT管
Q3、电阻R3、电阻R4和二极管D1组成(如图3所示)。为提高电路
的动态性能,电阻R3两端可并联电容C2。

本发明的有益效果主要表现在:本发明提出的BJT型自激式Boost
变换器不但具有电路结构简单、元器件数目少的优点,而且还具有主
开关管驱动损耗小、轻载效率高的优点,非常适合小功率(数瓦级以
下)升压型的开关稳压或稳流电源、高亮度LED驱动电路等应用。

附图说明

图1是现有的一种BJT型自激式Boost变换器的电路图。

图2是主开关管驱动损耗小的BJT型自激式Boost变换器实施例
1的电路图。

图3是主开关管驱动损耗小的BJT型自激式Boost变换器实施例
2的电路图。

图4是主开关管驱动损耗小的BJT型自激式Boost变换器实施例
1在电感电流iL临界连续工作模式下的理想波形图。

图5是主开关管驱动损耗小的BJT型自激式Boost变换器实施例
2在电感电流iL临界连续工作模式下的理想波形图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步描述。

实施例1

参照图2和图4,一种主开关管驱动损耗小的BJT型自激式Boost
变换器包括由输入电容Ci、电感L、NPN型BJT管Q1、二极管D和
电容Co组成的Boost变换器的主回路,输入电容Ci与直流电压源Vi
并联,输出电容Co两端电压为直流输出电压Vo,负载Ro与输出电
容Co并联,直流电压源Vi的负端与直流输出电压Vo的负端以及NPN
型BJT管Q1的发射极相连,直流电压源Vi的正端与电感L的一端相
连,电感L的另一端与NPN型BJT管Q1的集电极以及二极管D的
阳极相连,二极管D的阴极与输出电压Vo的正端相连。

所述主开关管驱动损耗小的BJT型自激式Boost变换器还包括主
开关管Q1的驱动单元,所述主开关管Q1的驱动单元由电阻R1、电
阻R2、电容C1、稳压管Z1和PNP型BJT管Q2组成,所述PNP型
BJT管Q2的发射极与电阻R1的一端相连,电阻R1的另一端与电感
L的一端以及直流电压源Vi的正端相连,PNP型BJT管Q2的基极与
稳压管Z1的阳极以及电阻R2的一端相连,稳压管Z1的阴极与电感
L的另一端以及二极管D的阳极相连,电阻R2的另一端与直流电压
源Vi的负端相连,PNP型BJT管Q2的集电极与NPN型BJT管Q1
的基极相连。为提高电路的动态性能,在直流电压源Vi的正端和PNP
型BJT管Q2的基极之间并联电容C1。

图2是主开关管驱动损耗小的BJT型自激式Boost变换器实施例
1的电路图,采用了电压反馈支路。所述电压反馈支路包括NPN型
BJT管Q3、电阻R3、电阻R4和电容C2,所述NPN型BJT管Q3的
集电极与PNP型BJT管Q2的集电极以及NPN型BJT管Q1的基极
相连,NPN型BJT管Q3的发射极与直流电压源Vi的负端相连,NPN
型BJT管Q3的基极与电阻R3的一端以及电阻R4的一端相连,电阻
R3的另一端与二极管D的阴极以及直流输出电压Vo的正端相连,电
阻R4的另一端与直流输出电压Vo的负端相连。为提高电路的动态性
能,电阻R3两端并联电容C2。

图4是主开关管驱动损耗小的BJT型自激式Boost变换器实施例
1在电感电流iL临界连续工作模式下的理想波形图。其电路工作原理
具体如下:

(1)电路上电启动阶段:t=t0时刻,电路上电,直流电压源Vi(vi)
从0开始上升。刚开始,Q1、Q2、Q3、D均截止,Q1的集电极电压
vc1跟随vi变化,而直流输出电压Vo(vo)为0。t=t1时刻,即直流
电压源vi上升至二极管D的正向导通压降时,D导通,直流电压源
vi通过L和D对Co充电,直流输出电压vo开始上升。t=t2时刻,
即直流电压源vi上升至一定值时,Q2导通,Z1正向导通,Q1导通。
t=t3时刻,即Q1的集电极电压vc1上升至一定值时,Q2关断,Z1
截止,Q1关断。Q1关断后,Q1的集电极电压vc1继续上升并超过直
流电压源vi。随后,Z1反向导通,但因vc1大于vi、Q2发射极-基
极导通压降、Z1反向导通压降三者之和,Q2和Q1仍关断。t=t4时
刻,电感电流iL下降为0,D截止。D截止后,vc1发生跌落,Q2和
Q1导通。Q1导通后,vi、L、Q1形成回路,L充电,iL增加。此时,
Z1正向导通。随着iL的增加,ic1和vc1也跟着增加。t=t5时刻,
即vc1上升到一定值时,Q2关断,Z1截止,Q1关断。Q1关断后,D
导通,vi、L、D、Co和Ro形成回路,L放电,iL减小。此时,Z1
反向导通。t=t6时刻,iL又下降为0,D截止。D截止后,Q1再次
导通,电路进入下一个自激工作周期。历经若干个周期,当电路的输
出电压达到设定值Vo以后,电路就完成了上电启动过程,进入稳态
工作阶段。

(2)电路稳态工作阶段:当电路的输出电压达到设定值Vo以后,电
路的电压反馈支路就开始起作用。当输出电压高于设定值Vo时,Q3
导通,导致Q1关断。通过缩短Q1的导通太阳城集团(即t8-t7)和延长Q1
的关断太阳城集团(即t9-t8),实现输出电压的降低。当输出电压低于设定
值Vo时,Q3关断,Q1的导通和关断太阳城集团又恢复原样,实现输出电
压的提升。由此,电路可实现输出稳压。

实施例2

参照图3和图5,本实施例包括由输入电容Ci、电感L、NPN型
BJT管Q1、二极管D和电容Co组成的Boost变换器的主回路和由电
阻R1、电阻R2、电容C1、稳压管Z1和PNP型BJT管Q2组成的主
开关管Q1的驱动单元,还包括电流反馈支路。所述电流反馈支路包
括电阻R3、电阻R4、电容C2、二极管D1和NPN型BJT管Q3,所
述NPN型BJT管Q3的集电极与PNP型BJT管Q2的集电极以及NPN
型BJT管Q1的基极相连,NPN型BJT管Q3的发射极与直流电压源
Vi的负端相连,NPN型BJT管Q3的基极与电阻R3的一端以及二极
管D1的阳极相连,电阻R3的另一端与直流电压源Vi的正端以及电
感L的一端相连,二极管D1的阴极与电阻R4的一端以及输出电压
Vo的负端相连,电阻R4的另一端与输出电容Co的一端、NPN型BJT
管Q1的发射极以及直流电压源Vi的负端相连。为提高电路的动态性
能,电阻R3两端并联电容C2。

本实施例的其他电路结构与实施例1相同。

图5是主开关管驱动损耗小的BJT型自激式Boost变换器实施例
2在电感电流iL临界连续工作模式下的理想波形图。其电路工作原理
具体如下:

(1)电路上电启动阶段:与实施例1相同,历经若干个周期,当电路
的输出电流达到设定值Io以后,电路就完成了上电启动过程,进入稳
态工作阶段。

(2)电路稳态工作阶段:当电路的输出电流达到设定值Io以后,电
路的电流反馈支路就开始起作用。当输出电流高于设定值Io时,Q3
导通,导致Q1关断。通过缩短Q1的导通太阳城集团(即t8-t7)和延长Q1
的关断太阳城集团(即t9-t8),实现输出电流的降低。当输出电流低于设定
值Io时,Q3关断,Q1的导通和关断太阳城集团又恢复原样,实现输出电流
的提升。由此,电路可实现输出稳流。

本说明书实施例所述的内容仅仅是对发明构思的实现形式的列
举,本发明的保护范围的不应当被视为仅限于实施例所陈述的具体形
式,本发明的保护范围也及于本领域技术人员根据本发明构思所能够
想到的等同技术手段。

关 键 词:
开关 驱动 损耗 BJT BOOST 变换器
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