一種耐高壓的開關電源的製作方法
2023-04-27 08:26:11 1
一種耐高壓的開關電源的製作方法
【專利摘要】本發明涉及一種耐高壓的開關電源，包括電源模塊輸入端、均壓電路、變換電路和整流輸出電路，如一種實施方式，變換電路包括變壓器和串聯的第一變換器31、第二變換器32;兩個初級繞組Nl、N2分別接入所述第一變換器31、第二變換器32，第一變換器31、第二變換器32中的功率器件同步動作；每個變換器的初級繞組Nl、N2匝數相同，在電源模塊正常工作時兩個初級繞組中磁通量變化一致；單個變換器的輸入電壓為輸入電壓的一半，解決了現有技術的均壓問題及功率器件的電壓限制問題。本發明所述一種耐高壓開關電源模塊輸入電壓範圍的更改僅需要進行簡單的配置，同時具有結構簡單、成本低、通用性強的特點。
【專利說明】一種耐高壓的開關電源
【技術領域】
[0001] 本發明涉及一種耐高壓的開關電源。
【背景技術】
[0002] 對於全球市場，電網制式繁多：如歐洲和中國的220V/380V系統，北美有208V， 還有480和600V。目前市場的電源模塊，通常是輸入電壓限於220VAC，有些也可以兼容 110VAC。對於600C輸入，考慮電網10%的波動，經過整流後電壓超過900V。目前，地鐵、城 軌供電電壓也從早期的600VDC和750VDC提高到1500VDC。
[0003] 在這樣高的電壓下，功率器件的選擇非常困難：高耐壓功率M0SFET的可選產品較 少，導通電阻大，導通損耗也大，這將導致變換器的效率降低；IGBT在高壓的條件下，仍然 有較小的飽和導通壓降，因此可以減小變換器的導通損耗，但是由於IGBT存在電流拖尾現 象，因此變換器的開關頻率受到限制，使得變換器的變壓器和輸出濾波器的體積增加，很難 提高變換器的功率密度，並且使用IGBT作為主功率開關器件的成本較高。為了降低變換器 的開關管的電壓應力，可採用多電平轉換器，但是多電平轉換器存在橋臂直通的危險，減低 了變換器的可靠性，且控制比較複雜。近年來，一些場合採用多模塊輸入串聯輸出並聯組合 變換器應用於高輸入電壓場合，但是這種變換器存在輸入分壓電容均壓及輸出均流問題， 增加了控制電路的複雜性。如何設計一種結構簡單、功能齊全、適合高寬輸入電壓的開關電 源，是本領域技術人員需要解決的問題。
[0004] 經過對現有技術的檢索發現：中國專利申請號200710162358. 4,
【公開日】 2009-4-1，記載了一種寬輸入電壓範圍的電源模塊，該技術採用半控逆變器，低壓輸入時兩 個變換器輸出並聯，高壓輸入時兩個變化器輸出串聯，兩個變化器輸入串聯均壓。但是該技 術不能解決較高輸入電壓問題，也無法做到兩級變換器輸入電壓之間均壓，對參數的一致 性要求過高，只要一致性較差整個設備就無法工作，也沒有明確給出有關的工作原理。
【發明內容】
[0005] 本發明的目的是提供一種耐高壓開關電源模塊，以克服現有技術存在的耐壓問 題、輸入均壓等問題。
[0006] 為實現上述目的，本發明的方案包括：
[0007] -種耐高壓的開關電源，包括依次連接的均壓電路（2)，變換電路（3)和整流輸出 電路（4)，均壓電路（2)用於連接直流電源輸入端（1);所述均壓電路（2)包括串聯的至少 兩個分壓單元；所述變換電路（3)包括一個變壓器（T1)和與所述分壓單元對應數量的變換 器，每個變換器與分壓單元對應並聯；變換器構成正激變換電路或者反激變換電路；每個 變換器均包括一個初級繞組；所述整流輸出電路（4)的輸入端連接所述變壓器（T1)的一個 次級繞組（N3)。
[0008] 所述分壓單元分為第一均壓單元（21)與第二均壓單元（22)，第一均壓單元（21) 由第一均壓電阻（R1)和第一均壓電容（C1)並聯構成；第二均壓單元（22)由第二均壓電阻 (R2)與第二均壓電容（C2)並聯構成。
[0009] 所述變換器分為第一變換器（31)與第二變換器（32)，第一變換器（31)由串設的 第一開關管（Q1)和第一初級繞組（N1)構成，第二變換器（32)由串設的第二開關管（Q2) 和第二初級繞組（N2)構成。
[0010] 所述變換電路（3)還包括與所述變換器串聯的採樣電阻（R3)。
[0011] 所述第一初級繞組（N1)與第二初級繞組（N2)同名端一致，匝數相同；與次級繞組 (N3)同名端一致時構成正激變換電路，與次級繞組（N3)同名端不一致時構成反激變換電 路。
[0012] 構成正激變換電路時，所述整流輸出電路（4)包括第一整流二極體（D3)、第二整 流二極體（D4)、續流電感（L1)、儲能濾波電容（C3)和負載電阻（RL1);構成反激變換電 路時，所述整流輸出電路（4)包括第一整流二極體（D3)、儲能濾波電容（C3)和負載電阻 (RL2)。
[0013] 所述開關管為功率M0SFET。本發明提供的一種耐高壓開關電源模塊，其創新點在 於：電源模塊初級採用兩個變換器串聯的方式，即第一、第二變換器同步動作、串聯輸出，由 於兩個變換器中的變壓器初級繞組屬於同一變壓器，若兩個初級繞組匝數一致，則兩個初 級繞組在兩個變換器中的功率M0SFET同時開通、關斷時磁通量變化一致，這樣就保證了兩 個變換器的輸入電壓之間的瞬時均壓；兩個變換器串聯同步PWM的方式大大提高的電源模 塊的耐壓性能。
[0014] 本發明的有益效果是：提供了一種耐高壓開關電源模塊，解決了功率器件的電壓 限制問題；克服現有技術存在的輸入均壓問題；功率器件損耗分散，有利於熱設計；更改輸 入電壓範圍僅需要進行簡單的配置；適合高寬輸入電壓，提高可靠性、降低開關損耗，達到 適用於高壓直流輸入場合的目的，同時具有結構簡單、控制容易和成本低廉的優點。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0015] 圖1是實施例1的電路拓撲結構示意圖；
[0016] 圖2是實施例2的電路拓撲結構示意圖；
[0017] 圖3是控制電路控制框圖；
[0018] 圖4是實施例1電路交錯工作時輸出電流、功率M0SFET漏源極端電壓的波形圖；
[0019] 圖5是實施例2電路交錯工作時輸出電流、功率M0SFET漏源極端電壓的波形圖。
【具體實施方式】
[0020] 下面結合附圖對本發明做進一步詳細的說明。
[0021] 一種耐高壓的開關電源，包括依次連接的均壓電路2,變換電路3和整流輸出電路 4,均壓電路2用於連接直流電源輸入端1 ;所述均壓電路2包括串聯的至少兩個分壓單元； 所述變換電路3包括一個變壓器T1和與所述分壓單元對應數量的變換器，每個變換器與分 壓單元對應並聯；變換器構成正激變換電路或者反激變換電路；每個變換器均包括一個初 級繞組；所述整流輸出電路4的輸入端連接所述變壓器T1的一個次級繞組N3。
[0022] 開關電源模塊的控制晶片，發出兩路同步的PWM脈衝，分別控制兩個變換器的功 率M0SFET的開通、關斷。兩個變換器所連接的變壓器T1的初級繞組的匝數一致，控制環路 穩定時，兩個變換器所連接的變壓器T1的初級繞組磁通量變化一致，與均壓電路配合實現 均壓，保證兩個變換器的功率MOSFET的漏源極端電壓均壓。
[0023] 以下實施例中，實施例1中採用正激變換電路；在實施例2中採用反激變換電路。
[0024] 實施例1
[0025] 具體的正激變換電路主電路拓撲如圖1所示。
[0026] 變換電路3包括第一變換器31、第二變換器32、採樣電阻R3和變壓器Τ1。其中， 第一變換器31包括：變壓器Τ1第一初級繞組Ν1、第一功率MOSFET Q1、第一快恢復二極體 D1、第一穩壓二極體Z1 ;第一穩壓二極體Z1的陽極與變壓器T1第一初級繞組N1的同名端 相連、陰極與第一快恢復二極體D1的陰極相連；第一快恢復二極體D1的陽極與變壓器T1 第一初級繞組N1的異名端相連、陰極與第一穩壓二極體Z1的陰極相連；第一功率MOSFET Q1的漏極與變壓器T1第一初級繞組N1的異名端相連、源極與變壓器T1第二初級繞組N2 的同名端相連、控制端連接至控制電路。第二變換器32包括：變壓器T1第二初級繞組N2、 第二功率MOSFET Q2、第二快恢復二極體D2、第二穩壓二極體Z2 ;第二穩壓二極體Z2的陽 極與變壓器T1第二初級繞組N2的同名端相連、陰極與第二快恢復二極體D2的陰極相連； 第二快恢復二極體D2的陽極與變壓器T1第二初級繞組N2的異名端相連、陰極與第二穩壓 二極體Z2的陰極相連；第二功率MOSFET Q2的漏極與變壓器T1第二初級繞組N2的異名 端相連、源極與採樣電阻R3的一端相連、控制端連接至控制器。採樣電阻R3的一端與第二 功率MOSFET Q2的源極相連，另一端與電源模塊輸入端1的DC-相連。變壓器T1包括第一 初級繞組N1、第二初級繞組N2、第一次級繞組N3,第一初級繞組N1的同名端與第一穩壓二 極管Z1的陽極連接後連接在電源模塊輸入端1的DC+端、異名端連接在第一功率MOSFET Q1的漏極，第二初級繞組N2的同名端與第二穩壓二極體Z2的陽極連接後連接在第一功率 MOSFET Q1的源極、異名端連接在第二功率MOSFET Q2的漏極，第一次級繞組N3的同名端連 接在第一整流二極體D3的陽極、異名端連接在第二整流二極體D4的陽極。
[0027] 均壓電路2包括第一均壓電路21和第二均壓電路22。其中第一均壓電路21包 括：第一均壓電阻R1、第一均壓電容C1 ;第一均壓電阻R1與第一均壓電容C1並聯；並聯後 的第一均壓電阻R1與第一均壓電容C1的一端連接在變壓器T1的第一初級繞組N1的同名 端、另一端連接在第一功率MOSFET Q1的源極。第二均壓電路22包括：第二均壓電阻R2、 第二均壓電容C2 ;第二均壓電阻R2與第二均壓電容C2並聯；並聯後的第二均壓電阻R2與 第二均壓電容C2的一端連接在第一功率MOSFET Q1的源極、另一端連接在電源模塊輸入端 1的DC-端。
[0028] 整流輸出電路4包括：第一整流二極體D3、第二整流二極體D4、續流電感L1、儲能 濾波電容C3、負載電阻RL1、輸出正U0+、輸出負U0-;第一整流二極體D3的陽極連接在變壓 器T1的第一次級繞組N3的同名端、陰極連接在續流電感L1的一端；第二整流二極體D4的 陽極連接在變壓器T1的第一次級繞組N3的異名端、陰極連接在續流電感L1的一端；續流 電感L1的一端連接在第一整流二極體D3、第二整流二極體D4的陰極結合處，另一端連接在 輸出正U0+ ;儲能濾波電容C3的陽極連接在輸出正U0+、陰極連接在輸出負U0-;負載電阻 RL1的一端連接在輸出正U0+、另一端連接在輸出負U0-。
[0029] 實施例2
[0030] 具體的反激變換電路主電路拓撲如圖2所示。
[0031] 如圖2所示，反激變換電路主電路拓撲中均壓電路2、變換電路3的連接方式與正 激變換電路主電路拓撲相同。
[0032] 整流輸出電路4包括：整流二極體D3、儲能濾波電容C3、負載電阻RL2、輸出正 U0+、輸出負U0-;整流二極體D3的陽極連接在變壓器T1的第一次級繞組N3的異名端、陰 極連接在輸出正U0+ ;儲能濾波電容C3的陽極連接在輸出正U0+、陰極連接在輸出負U0-; 負載電阻RL2的一端連接在輸出正U0+、另一端連接在輸出負U0-。
[0033] -種耐高壓開關電源模塊可採用雙閉環控制方案。雙閉環控制方案的控制框圖如 圖3所示：輸出端基準電壓Uref連接到電壓環調節器的同向輸入端，輸出端的採樣電壓Uo 接在電壓環調節器的反向輸入端，電壓環調節器的輸出與次級採樣電阻R3的電流採樣IR3 分別接入電流內環調節器的同向輸入端和反向輸入端。電流內環調節器的輸出與經過同步 信號調節後的三角波載波交截產生PWM波，該PWM波控制一種耐高壓開關電源模塊的功率 MOSFET (Ql、Q2)，調節輸出電壓。實際工作中，兩路驅動信號同步。
[0034] 如圖4、5分別正激變換電路主電路拓撲、反激變換電路主電路拓撲中功率MOSFET Q1漏源極電壓、功率MOSFET Q2漏源極電壓、輸出電流（IL1、Ιο)的波形，可以看出功率 MOSFET Q1漏源極電壓、功率MOSFET Q2漏源極電壓相等且為輸入電壓UDC的一半，這樣實 現了分壓及均壓。
[0035] 實施例1與實施例2提供的是兩級的情況，本發明的耐高壓開關電源模塊可以 擴展到更多級數，適合更高的輸入電壓等級。若所述電源的輸入電壓等級要求增大，參照 以上所述解決方法，可以採用三個或以上的均壓單元和變換器，使三個或三個以上的功率 MOSFET串聯起來。各個功率MOSFET的控制電路配置、保護配置等參照單個功率MOSFET的 配置方式。
[0036] 以上給出了具體的實施方式，但本發明不局限於所描述的實施方式。本發明的基 本思路在於上述基本方案，對本領域普通技術人員而言，根據本發明的教導，設計出各種變 形的模型、公式、參數並不需要花費創造性勞動。在不脫離本發明的原理和精神的情況下對 實施方式進行的變化、修改、替換和變型仍落入本發明的保護範圍內。
【權利要求】
1. 一種耐高壓的開關電源，其特徵在於，包括依次連接的均壓電路（2)，變換電路（3) 和整流輸出電路（4)，均壓電路（2)用於連接直流電源輸入端（1); 所述均壓電路（2)包括串聯的至少兩個分壓單元； 所述變換電路（3)包括一個變壓器（T1)和與所述分壓單元對應數量的變換器，每個變 換器與分壓單元對應並聯；變換器構成正激變換電路或者反激變換電路；每個變換器均包 括一個初級繞組； 所述整流輸出電路（4)的輸入端連接所述變壓器（T1)的一個次級繞組（N3)。
2. 根據權利要求1所述的一種耐高壓的開關電源，其特徵在於，所述分壓單元分為第 一均壓單元（21)與第二均壓單元（22)，第一均壓單元（21)由第一均壓電阻（R1)和第一均 壓電容（C1)並聯構成；第二均壓單元（22)由第二均壓電阻（R2)與第二均壓電容（C2)並 聯構成。
3. 根據權利要求1所述的一種耐高壓的開關電源，其特徵在於，所述變換器分為第一 變換器（31)與第二變換器（32)，第一變換器（31)由串設的第一開關管（Q1)和第一初級繞 組（N1)構成，第二變換器（32)由串設的第二開關管（Q2)和第二初級繞組（N2)構成。
4. 根據權利要求3所述的一種耐高壓的開關電源，其特徵在於，所述變換電路（3)還包 括與所述變換器串聯的採樣電阻（R3)。
5. 根據權利要求3所述的一種耐高壓的開關電源，其特徵在於，所述第一初級繞組 (N1)與第二初級繞組（N2)同名端一致，匝數相同；與次級繞組（N3)同名端一致時構成正 激變換電路，與次級繞組（N3)同名端不一致時構成反激變換電路。
6. 根據權利要求5所述的一種耐高壓的開關電源，其特徵在於，構成正激變換電路時， 所述整流輸出電路（4)包括第一整流二極體（D3)、第二整流二極體（D4)、續流電感（L1)、儲 能濾波電容（C3)和負載電阻（RL1);構成反激變換電路時，所述整流輸出電路（4)包括第 一整流二極體（D3)、儲能濾波電容（C3)和負載電阻（RL2)。
7. 根據權利要求3所述的一種耐高壓的開關電源，其特徵在於，所述開關管為功率 MOSFET。
【文檔編號】H02M3/335GK104218807SQ201410419948
【公開日】2014年12月17日 申請日期:2014年8月22日 優先權日:2014年8月22日
【發明者】趙瑞傑, 代興華, 劉德林, 田素立, 王豔領, 李紅剛, 朱洪浩 申請人:國家電網公司, 許繼集團有限公司, 許昌許繼風電科技有限公司