多變換器的輸出可級聯的開關電源的製作方法
2023-08-01 17:35:11 1
專利名稱：多變換器的輸出可級聯的開關電源的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種多變換器的輸出可級聯的開關電源，尤其涉及一種電壓可在較寬範圍內連續調節、具有低壓帶大負載能力的、可級聯使用的大功率開關電源。
背景技術：
目前，市場上常用的電化學電源為了滿足各種要求，所用的開關電源需要在較大範圍內(通常為0.1 100V)輸出電壓可調，而且在輸出電壓為0. IV時，仍要求輸出電流可達到額定值。由於所採用的開關器件和變壓器等的損耗，輸出電壓較低、輸出功率較小時， 開關電源的整體效率很低，而且在低電壓(通常IV以下)時，很難達到額定電流輸出。為了適應更為廣泛的應用場合，對於同型號的大功率開關電源要求可並聯或串聯使用，這就要求開關電源具有均壓和均流的能力。
發明內容
本發明的目的在於克服上述現有技術中的不足，提出一種較寬範圍內電壓連續可調的大功率電源，採用多組變換器的拓撲結構，可滿足在低壓時輸出額定電流的工況。本發明是通過以下技術方案實現的，本發明包括多組變換器、整流器、高頻變壓器、驅動模塊、電源控制器、均聯控制器，其中多組變換器用於將直流轉換為交流；整流器用於將交流變換為直流；高頻變壓器用於升壓或降壓；驅動模塊用於選擇並驅動變換器的開關器件；電源控制器用於輸出單個電源單體的控制信號；均聯控制器用於級聯多臺該開關電源。所述的多組變換器可採用全橋變換器或半橋變換器，根據輸出電壓的範圍確定變換器的數量，具體是根據所要求的可輸出額定電流的最低電壓。增加變換器的數量，也可以提高開關電源的整體效率，多組變換器的結構要相同。所述的整流器可採用全橋整流形式或半橋整流形式。所述的高頻變壓器初級繞組的數量與多組變換器的數量相同，若採用全橋變換器，每個初級繞組不用中間抽頭，若採用半橋變換器，每個初級繞組需增加中間抽頭，次級繞組的形式由整流器的結構決定，全橋整流器不需要中間抽頭，半橋整流器需中間抽頭。所述的驅動模塊由驅動電路、光耦、及光耦的使能信號組成，每一個開關器件對應一個驅動電路、光耦及其使能信號，光耦的使能信號由選擇信號與級聯信號與門後決定，通過控制光耦的使能來控制變換器是否工作。驅動電路由驅動晶片與驅動變壓器組成，驅動晶片增強了信號的驅動能力，驅動變壓器初級側有一個繞組，次級側有兩個繞組，將一組驅動信號變換為兩組互補的驅動信號，用來驅動一個橋臂的上、下兩個開關器件。當光耦不使能時，驅動變壓器的輸出無法產生電壓差，也就無法驅動開關器件，開關器件處於關斷狀態，相應的變換器不工作。所述的電源控制器只有一個，驅動多組變換器，設定一個基本變換器，該變換器一直保持工作狀態，對該變換器採樣，以決定電源控制器下一時刻輸出的驅動信號。
所述的級聯控制器控制多臺開關電源，可使得多臺開關電源並聯或串聯輸出，每個開關電源設置輸出電壓的採樣埠、輸出電流的採樣埠、級聯信號埠、「獨立/級聯開關」。 如果「獨立/級聯開關」處於「獨立」狀態，級聯信號就處於高，光耦的使能信號由選擇信號決定；如果「獨立/級聯開關」處於「級聯」狀態，將由級聯控制器控制該信號，使得該開關電源正常工作，輸出「高」級聯信號，若該開關電源不工作，輸出「低」級聯信號。串聯時，將各開關電源輸出電壓的採樣埠和級聯信號埠連接到級聯控制器， 級聯控制器比較各輸出電壓，得到最小的輸出電壓，設定一個允許的限值，在限制範圍內的開關電源繼續工作，超過限值的開關電源的級聯信號為低，該開關電源的所有驅動模塊的光耦將不使能，該開關電源處於失效狀態，每次採樣到輸出電壓的數據要進行此操作；並聯時，採樣輸出電流進行比較，得到最小的輸出電流，設定一個允許的限值，在限值範圍內的開關電源繼續工作，超過限值的開關電源的級聯信號為低，該開關電源的所有驅動模塊中光耦將不使能，每次採樣到輸出電流的數據要進行此操作。級聯控制器對於輸出電壓或電流的採樣，採樣頻率要高一些，與逆變器的開關頻率接近為宜。光耦使能信號中的選擇信號由開關電源的輸出電壓決定，各變換器是並聯結構， 向高頻變壓器初級側繞組輸入的電壓波形完全相同，保持同步，相當於初級繞組並聯，從而改變高頻變壓器初級側與次級側繞組的匝數比，工作的變換器越多，初級側與次級側匝數比越低，輸出電壓越高。與現有技術相比，本發明具有以下有益效果第一、開關電源可在較寬的電壓範圍內連續調節；第二、低壓時仍可以輸出額定電流；第三、採用多逆變器結構，開關電源整體效率較高；第四、設計了均壓、均流的級聯控制電路，單體開關電源可實現串聯和並聯同時使用，增大電源的容量。
圖1為全橋3變換器的輸出可級聯的開關電源的拓撲結構；圖2為半橋3變換器的輸出可級聯的開關電源的拓撲結構；圖3為全橋3變換器的輸出可級聯的開關電源的驅動模塊；圖4為可滿足3臺開關電源級聯的級聯控制器。
具體實施例方式下面結合附圖對本發明的實施例作詳細說明本實施例在以本發明技術方案為前提下進行實施，給出了詳細的實施方式和過程，但本發明的保護範圍不限於下述的實施例。 因此，應當明白，所附的權利要求意欲涵蓋落入本發明的真實精神的所有這些修改和改變。如圖1所示，本實施例包括變換器11、變換器12、變換器13、高頻變壓器T、整流器14，其中高頻變壓器T輸入繞組有3個，輸出繞組1個，且都沒有中間抽頭；變換器11、 12、13並聯，輸入為Uin,三個變換器結構相同，都為全橋變換器；整流器14為全橋整流器，其中Uout與U1需外接埠，供級聯控制器使用。變換器11由4個反並聯二極體的開關器件Sn、S12、S13、Sw組成；變換器12由4個反並聯二極體的開關器件^1A22A23Am組成；變換器13由4個反並聯二極體的開關器件 S31 > S32> s33> S34組成。根據輸出電壓的量程，選擇變換器工作的數量，若額定電壓為U,當輸出電壓Uout在0 U/3時，變換器11工作；當輸出電壓Uout在U/3 2U/3時，變換器11和 12工作；當輸出電壓隊^在2~3 U時，變換器11、12和13同時工作。處於工作狀態的變換器的驅動信號完全相同，變換器處於同步狀態，其輸出的交流波形完全相同，對應的變壓器T的初級繞組相當於並聯，改變了變壓器T的初級、次級匝數比，得到較高的輸出電壓。如圖2所示，為本發明的另一實施例，本實施例包括變換器21、變換器22、變換器23、高頻變壓器T、整流器M，其中高頻變壓器T輸入繞組有3個，輸出繞組1個，且都有中間抽頭；變換器21、22、23並聯，輸入為Uin，三個變換器結構相同，都為半橋變換器，每個變換器只需要兩個開關器件；整流器M為半橋整流器，只需要兩個快速二極體，其中Uout 與U1需外接埠，供級聯控制器使用。如圖3所示，為圖1實施例中3個變換器的驅動模塊，選擇變換器11為基本變換器，採樣變換器11的輸出電壓得到電源控制器下一時刻的驅動信號，經過光耦隔離後輸入給驅動電路，光耦1、2、3分別由四個光耦合器組成，四個光耦合器的使能信號完全相同，且光耦1、2、3使能的級聯信號完全相同，由「獨立/級聯開關」或級聯控制器控制，而光耦1、 2、3使能的選擇信號由輸出電壓的範圍決定。當光耦合器不使能時，不管電源控制器輸出的驅動信號為高或低，經過光耦合器輸入到驅動電路的信號都一直為高。驅動電路由驅動晶片與驅動變壓器組成，驅動晶片增強了信號的驅動能力，驅動變壓器初級側有一個繞組，次級側有兩個繞組，將一組驅動信號變換為兩組互補的驅動信號，用來驅動一個橋臂的上、下兩個開關器件。當光耦合器不使能時，驅動變壓器的輸出無法產生電壓差，也就無法驅動開關器件，開關器件處於關斷狀態，相應的變換器不工作。驅動信號Gn、G12、G13、G14對應開關器件Sn、S12, S13、S14 ；驅動信號(}21、G22, G23> G24對應開關器件S22, S23> S24 ；驅動信號&3」 G32、G33、G34 對應開關器件S31、
S32、S33、S340如圖4所示為可滿足3臺開關電源級聯的級聯控制器，FPGA為串口採樣晶片提供時鐘和使能信號，採樣1、2、3的時鐘和使能信號完全相同以保證採樣數據的同時性。串聯運行時，將各開關電源輸出電壓U-經過採樣1、2、3輸入到FPGA，FPGA比較各輸出電壓， 得到最小的輸出電壓，設定一個允許的限值，在限制範圍內的開關電源繼續工作，超過限值的開關電源的級聯信號為低，該開關電源的所有驅動模塊的光耦將不使能，該開關電源處於不工作狀態，每次採樣到輸出電壓的數據要進行此操作；並聯時，採樣輸出電流仏進行比較，得到最小的輸出電流，設定一個允許的限值，在限值範圍內的開關電源繼續工作，超過限值的開關電源的級聯信號為低，該開關電源的所有驅動模塊中光耦將不使能，每次採樣到輸出電流的數據要進行此操作。級聯控制器輸出的級聯信號1、2、3與採樣的開關電源1、 2、3對應。
權利要求
1.一種多變換器的輸出可級聯的開關電源，包括多組變換器、整流器、高頻變壓器、 驅動模塊、電源控制器、均聯控制器，其中多組變換器用於將直流轉換為交流；整流器用於將交流變換為直流；高頻變壓器用於升壓或降壓；驅動模塊用於選擇並驅動變換器的開關器件；電源控制器用於輸出單個電源單體的控制信號；均聯控制器用於級聯多臺該開關電源。
2.根據權利要求1所述的多變換器的輸出可級聯的開關電源，其特徵是，所述的多組變換器可採用全橋變換器或半橋變換器，且多組變換器的結構要相同。
3.根據權利要求1所述的多變換器的輸出可級聯的開關電源，其特徵是，所述的整流器可採用全橋整流形式或半橋整流形式。
4.根據權利要求1所述的多變換器的輸出可級聯的開關電源，其特徵是，所述的高頻變壓器初級繞組的數量與多組變換器的數量相同，若採用全橋變換器，每個初級繞組不用中間抽頭，若採用半橋變換器，每個初級繞組需增加中間抽頭，次級繞組的形式由整流器的結構決定，全橋整流器不需要中間抽頭，半橋整流器需中間抽頭。
5.根據權利要求1所述的多變換器的輸出可級聯的開關電源，其特徵是，所述的驅動模塊由驅動電路、光耦、及光耦的使能信號組成，每一個開關器件對應一個驅動電路、光耦及其使能信號，光耦的使能信號由選擇信號與級聯信號與門後決定，通過控制光耦的使能來控制變換器是否工作，當光耦不使能時，驅動變壓器的輸出無法產生電壓差，也就無法驅動開關器件，開關器件處於關斷狀態，相應的變換器不工作。
6.根據權利要求1所述的多變換器的輸出可級聯的開關電源，其特徵是，所述的電源控制器只有一個，驅動多組變換器，以保證處於工作狀態的多組變換器同步。
7.根據權利要求1所述的多變換器的輸出可級聯的開關電源，其特徵是，所述的級聯控制器控制多臺開關電源，可使得多臺開關電源並聯或串聯輸出，每個開關電源設置輸出電壓的採樣埠、輸出電流的採樣埠、級聯信號埠、「獨立/級聯開關」，如果「獨立/級聯開關」處於「獨立」狀態，級聯信號就處於高，光耦的使能信號由選擇信號決定；如果「獨立/級聯開關」處於「級聯」狀態，將由級聯控制器控制該信號，使得該開關電源正常工作， 輸出「高」級聯信號，若該開關電源不工作，輸出「低」級聯信號。
8.根據權利要求7所述的多變換器的輸出可級聯的開關電源，其特徵是，開關電源串聯時，將各開關電源輸出電壓的採樣埠和級聯信號埠連接到級聯控制器，級聯控制器比較各輸出電壓，得到最小的輸出電壓，設定一個允許的限值，在限制範圍內的開關電源繼續工作，超過限值的開關電源的級聯信號為低，該開關電源的所有驅動模塊的光耦將不使能，該開關電源處於失效狀態，每次採樣到輸出電壓的數據要進行此操作；開關電源並聯時，採樣輸出電流進行比較，得到最小的輸出電流，設定一個允許的限值，在限值範圍內的開關電源繼續工作，超過限值的開關電源的級聯信號為低，該開關電源的所有驅動模塊中光耦將不使能，每次採樣到輸出電流的數據要進行此操作。
9.根據權利要求1所述的多變換器的輸出可級聯的開關電源，其特徵是，光耦使能信號中的選擇信號由開關電源的輸出電壓決定，各變換器是並聯結構，向高頻變壓器初級側繞組輸入的電壓波形完全相同，保持同步，相當於初級繞組並聯，從而改變高頻變壓器初級側與次級側繞組的匝數比，工作的變換器越多，初級側與次級側匝數比越低，輸出電壓越尚ο
全文摘要
一種多變換器的輸出可級聯的開關電源，包括多組變換器、整流器、高頻變壓器、驅動模塊、電源控制器、均聯控制器，其中多組變換器用於將直流轉換為交流；整流器用於將交流變換為直流；高頻變壓器用於升壓或降壓；驅動模塊用於選擇並驅動變換器的開關器件；電源控制器用於輸出單個電源單體的控制信號；均聯控制器用於級聯多臺該開關電源。該開關電源可用於電化學領域。
文檔編號H02M3/335GK102281007SQ20111025319
公開日2011年12月14日 申請日期2011年8月30日 優先權日2011年8月30日
發明者劉闖 申請人:劉闖