[发明专利]一种磁保持装置及方法

说明书

本发明公开了一种磁保持装置及方法，在主变压器的磁性材料上面，另外增加一个独立绕组。该绕组的两端通过一个全桥整流电路后，与一个MOS管连接。在控制电路中按照以下方式来控制该MOS管的通断：在全桥电路对角桥臂开关管都导通时，该MOS管保持关闭状态，独立绕组中没有电流流过；在全桥电路对角桥臂开关管关闭的瞬间打开该MOS管，确保磁芯的初级线圈中没有电流流过时，该MOS管保持导通状态，独立绕组中有电流流过。在常规的全桥电路中，在每半个工作周期中，磁芯的磁通密度变化量是ΔB＝Bm+Br。在本发明的具备磁保持功能的全桥电路中，磁芯的磁通密度变化量是ΔB＝2Bm。该方法可以大幅提高主变压器磁性材料的利用效率。

技术领域

本发明涉及电力电子领域，具体来说，在各种开关电源或使用电力电子技术进行电能传输或变换的装置中，使用了磁性材料做变压器的电路中，涉及一种磁保持装置及方法。

背景技术

在各种开关电源或使用电力电子技术进行电能传输或变换的装置中，大量地使用了磁性材料作为变压器的主要部件。然而，如何高效使用磁性材料，一直是这个领域的一大技术难题。我们知道，在大功率开关电源中，普遍使用全桥电路，而不是单端电路，主要原因之一就是全桥电路中主变压器磁芯是双向励磁，而单端电路中主变压器磁芯是单向励磁，同样的磁性材料在全桥电路中的利用效率远远大于在单端电路中的利用效率。具体说来，假如开关电源工作时，每个周期中主变压器磁芯在电流最大时对应的磁通密度是Bm,在电流等于零时对应的磁通密度是Br(剩磁)，那么在开关电源工作的半个周期中，单端电路对应的磁通密度变化量是ΔB＝Bm–Br，全桥电路对应的磁通密度变化量是ΔB＝Bm+Br。由此可见，相对于单端电路，全桥电路中主变压器磁性材料的利用效率是非常高的。这种效率提高所带来的直接效益就是：在同样的输出功率条件下，可以选用更小体积和更小质量的磁性材料；如果选用同样体积的磁性材料，则可以减少磁芯上绕制的初级和次级线圈的匝数，从而减少铜线的使用量和人工费用，提升经济效益和社会效益。

那么，在全桥电路中，能否进一步大幅提高主变压器磁芯材料的利用效率呢？针对这一技术问题，目前尚未提出有效的解决方案。

发明内容

针对相关技术中的问题，本发明在正确地分析了全桥电路中主变压器磁性材料工作机制后，创造性地提出了一种磁保持装置及方法，从而可以大幅提高主变压器磁性材料的利用效率。

在主变压器的磁性材料上面，除了正常地绕制变压器初级线圈和次级线圈外，另外再增加一个独立的绕组，该绕组可以是单圈或两圈，我们称之为磁保持绕组。该绕组的两端通过一个全桥整流电路后，把线圈中感应的交流电整流成直流电，然后把直流电的正极与一个MOS管的D极连接，把直流电的负极与该MOS管的S极连接。我们将该MOS管称之为磁保持开关管。在控制电路中按照以下方式来控制该MOS管的通断：在主电路的全桥电路对角桥臂开关管都导通时，磁芯的初级线圈中有电流流过，磁保持开关管保持关闭状态，磁保持绕组中没有电流流过；在全桥电路对角桥臂至少有一个开关管关闭的瞬间打开磁保持开关管，确保磁芯的初级线圈中没有电流流过时，磁保持开关管保持导通状态，磁保持绕组中有电流流过。由此可以看出，磁保持绕组不会影响变压器把电能从初级绕组传送到次级绕组，仅仅在变压器不进行能量传送时起到一个磁保持的作用。具体说来，在常规的全桥电路中，磁芯的工作状态是这样的：在每半个工作周期中，磁芯的磁化从-Br到+Bm(或者从+Br到-Bm)，在变压器初级和次级电流都等于零时，磁芯的磁通密度从+Bm回到+Br(或者从-Bm回到-Br)，也就是说，在每半个工作周期中，磁芯的磁通密度变化量是ΔB＝Bm+Br。在本发明的具备磁保持功能的全桥电路中，磁芯的工作状态是这样的：在每半个工作周期中，磁芯的磁化从-Bm到+Bm(或者从+Bm到-Bm)，在变压器初级和次级电流都等于零时，由于磁保持绕组两端连线的磁保持开关管保持导通状态，磁保持绕组中始终有电流流过，因此，磁芯的磁通密度仍然保持在+Bm(或者-Bm)，也就是说，在每半个工作周期中，磁芯的磁通密度变化量是ΔB＝2Bm；Bm是变压器初级线圈流过最大电流时对应的磁通密度。