高頻自然零電位軟開關變壓器的製作方法

2023-05-09 04:03:16 1

專利名稱：高頻自然零電位軟開關變壓器的製作方法
技術領域：
本發明涉及電力變電配電技術領域，特別是一種高頻自然零電位軟開關變壓器。
背景技術：
目前電源共有兩種類型模擬電源和開關電源，模擬電源的紋波幹擾比開關電源 小，除次之外，在轉換效率，體積，可靠性等其它指標上開關電源都大大的優於模擬電源，所 以在現在的各種電器裡，如電腦，電視機，MP3，冰箱，DVD，通訊基站等等全用的是開關電源， 很難見到模擬電源的身影，隨著開關電源技術的進步，模擬電源的優點紋波幹擾小也在被 開關電源不斷的縮小，有的廠家已開發出紋波幹擾已和模擬電源一樣小的開關電源。現在石油探勘儀器上使用的供電系統都為模擬電源供電系統，但隨著國際石油勘 探形勢的發展，模擬電源已經越來越不能承受新的方法和儀器的要求，石油科研人員很早 就希望能採用開關電源系統。但由於石油勘探儀器一般在地下四到五千米的深處工作，地下深度每多100米， 溫度就升高3度左右，近年來，隨著世界各國對石油探勘工業投入的加大，勘探的深度 也越來越深，不但到六千米，還深入到七千米等等，對這一領域的電子設備耐溫要求也 越來越高，從原來的_55°C +125°C提高到-55°C +150°C、-55°C +175°C、-55°C +200°C > -55°C +225°C等更高指標的要求，電源需要能在_55°C +200°C的高溫下工作。 現在的主流開關電源只能做到_55°C +125°C。多少年來國外的一些大公司一直進行技術 攻關，以求突破高溫技術難度，為石油勘探儀器提供整套的開關電源解決方案。但目前，國 際上只有美國的IR公司開發出了 HTA系列200V輸入，輸出20W的耐-55°C +185°C DC/ DC、法國的GAIA公司開發出了 HTPS15系列200V輸入，輸出15W的耐_55°C +185°C DC/ DC。但是它們只能解決個別儀器個別電源的需求，不能全方位的為石油勘探儀器提供整套 的開關電源解決方案。但就是這樣，由於高溫電源可用於軍事和衛星上，西方國家出於對中 國軍售限制，以防止中國用於太空和軍事領域使用。所以即使石油勘探使用也是層層審查 且價格奇高，且國內也無法使用，更別說更高要求環境下的開關電源了。

發明內容
本發明目的在於提供一種耐高溫，紋波幹擾小，適用在石油勘探儀器的電源供電 系統的高頻自然零電位軟開關變壓器。為了達到本發明的目的，本發明是這樣實現的高頻自然零電位軟開關變壓器，其特徵在於包括接收輸入開關信號的高邊驅動 器DRVl和底邊驅動器DRV2，高邊驅動器DRVl和底邊驅動器DRV2分別與開關管Vl和開關 管V2連接，開關管 Vl和開關管V2分別接有寄生電容Cl和寄生電容C2，寄生電容Cl和寄 生電容C2串接，開關管Vl和開關管V2串接後與隔離變換器Tl連接，開關管Vl和開關管 V2的 一端並與整流輸入電路連接，隔離變換器Tl並與整流輸出電路連接。所述整流輸入電路包括串接的二極體Dl和二極體D3以及串接的二極體D2和二極體D4，串接後的二極體Dl和二極體D3與串接後的二極體D2和二極體D4並聯。所述整流輸出電路包括並接的二極體D5和二極體D6，二極體D5和二極體D6並接 後與電容C連接，電容C與電阻絲R連接。所述開關管Vl和開關管V2分別為N溝道MOSFET管，高邊驅動器DRVl和底邊驅 動器DRV2分別為高邊MOSFET驅動器DRVl和底邊MOSFET驅動器DRV2。本發明相對於現有技術，具有以下優點和效果1、採用獨有的拓撲結構，創造性地對交流電網輸入的AC85V到247V交流電以 66. 6KHZ的高頻進行零電位開關變壓，變壓比等於初次級的線圈匝數比，效率達到了 96% 以上，變壓效率高。2、體積只是一般工頻變壓器的千分之一，變壓成本低。 3、去掉了一般AC/DC輸入端必需的最易毀壞的高壓鋁電容，大大提高了 AC/DC的 可靠性和壽命，變壓環保節能。


圖1為本發明的主電路圖。圖2為本發明的開關驅動信號和死時間圖。圖3為本發明的開關管Vl關斷過程的等效電路圖。圖4為本發明的開關管Vl關斷時的漏-源極電壓和電流波形圖。圖5為本發明的開關管V2的寄生二極體導通續流的等效電路圖。圖6為本發明的開關管V2開通時的等效電路圖。圖7為本發明的開關管V2開通過程的電壓和電流波形圖。
具體實施例方式下面結合附圖對本發明作進一步詳細描述，但不作為對本發明的限定。參見附圖1，高頻自然零電位軟開關變壓器，Dl，D2，D3，D4把輸入的交流電整成直 流脈動電，Vl，V2為耐壓超過600V的N溝道MOSFET管，DRVl高邊MOSFET驅動器，DRV2為底 邊MOSFET驅動器。分別驅動Vl和V2，HIN和LIN分別為輸入的開關信號，頻率為66KHZ，佔 空比各為50%，但是它們的相位互補，中間插入一 100到300納秒的死時間，此死時間可調， 時間的關係如圖2。這樣，Vl和V2M0SFET交互導通，導通和關斷之間間隔100NS到300NS， 這個時間針對不同的變壓器和VI，V2要調整確定。在開關管的關斷過程中，由於開關管的漏-源極間的寄生電容，使開關管的漏-源 極電壓不能立即上升，而是變壓器漏感電流(開關管導通時電流值)對這兩個寄生電容器 充/放電，如圖3所示，其中，圖3(a)為橋式變換器主電路相關部分，圖3(b)為開關管導通 時的等效電路，輸出電流從直流母線正端經VI、變壓器漏感LS流入變壓器一次側，電流幅 值為Itl ；圖3(c)為開關管關斷時的等效電路，這時輸出電流分別從直流母線的正端經開關 管Vl的寄生電容器CVl流入變壓器的漏感LS，對CVl充電。與此同時，還有一路電流從直 流母線的負端經開關管V2的寄生電容CV2流入變壓器的漏感LS，對CV2放電，這兩個電流 之和為輸出電流。如果開關管的關斷速度快於開關管寄生電容的充電速度，則開關管就可以在低開關損耗甚至是零開關損耗下關斷，大大降低了開關管的關斷損耗。開關管Vi關斷時的 漏-源極電壓和電流波形如圖4所示。當開關管Vl的漏-源極電壓達到直流母線電壓值 時，開關管V2的寄生二極體導通續流，讓變壓器漏感的電流達到通路，等效電路如圖5所在這個過程中變壓器漏感的儲能向直流母線釋放，變壓器漏感電流下降，公式為
,如果在變壓器漏感電流下降到零前讓開關管V2開通，由於變壓器漏 感電流的存在，開關管V2的寄生二極體導通續流，開關管實際上僅承受一個二極體導通電 壓降的反向電壓，這樣，如果忽略二極體的導通電壓降，開關管V2實際上在零電壓下開通， 實現零電壓開關。開關管V2開通時的等效電路如圖6所示，其中，圖6(a)為變壓器漏感電 流反向前；圖6(b)為變壓器漏感電流後向後，當變壓器漏感電流反向前，開關管是反嚮導 通或寄生二極體導通，等效電路如圖6(a)所示；當變壓器漏感電流下降到零時，由於變壓 器上已經施加了反向電壓，因此，變壓器電流翻轉，這時的開關管V2開始正嚮導通，等效電 路如圖6(b)所示。開關管V2開通過程的電壓和電流波形如圖7所示，圖7中的uDF、u。n* 別為開關管的寄生二極體的導通電壓、開關管的正嚮導通電壓，從圖中可以看到，開關管的 開通是在開關管的寄生二極體導通續流狀態，這時的開關管僅僅承受二極體導通電壓的反 向電壓，因而可以稱為零電壓開通，這樣就實現了 V1、V2零電壓開關，Tl隔離變換器工作在 100%佔空比的狀態，D6、D5各半周期的工作，這一狀態下VI、V2、Tl、D5、D6的開關損耗降 低到最低，且VI、V2、Tl是工作在諧振的軟開關狀態，EMI幹饒也達到了最小。為了很好的通過電網對通用電源設備EMI要求，本方案採用和主流的AC/DC採用 相同的66. 6KHZ開關頻率，可使EMI的降低容易實現，且Tl隔離變換器的體積不大於主流 AC/DC的隔離變換器體積，使採用這種技術的AC/DC模塊功率密度不低於主流AC/DC的指 標，依據本方案設計的體積為68mm*28mm*20m的100W的AC/DC電源模塊FHT100-180S36，它 輸入180V交流，輸出36V，效率高達98%。以上顯示和描述了本發明的基本原理和主要特徵，本發明不受上述實施例的限 制，本領域普通技術人員在不脫離本發明精神和範圍的前提下所做的各種變化和改進，均 落入本發明要求的保護範圍內。
權利要求
高頻自然零電位軟開關變壓器，其特徵在於包括接收輸入開關信號的高邊驅動器DRV1和底邊驅動器DRV2，高邊驅動器DRV1和底邊驅動器DRV2分別與開關管V1和開關管V2連接，開關管V1和開關管V2分別接有寄生電容C1和寄生電容C2，寄生電容C1和寄生電容C2串接，開關管V1和開關管V2串接後與隔離變換器T1連接，開關管V1和開關管V2的一端並與整流輸入電路連接，隔離變換器T1並與整流輸出電路連接。
2.根據權利要求1所述的高頻自然零電位軟開關變壓器，其特徵在於整流輸入電路 包括串接的二極體D1和二極體D3以及串接的二極體D2和二極體D4，串接後的二極體D1 和二極體D3與串接後的二極體D2和二極體D4並聯。
3.根據權利要求1所述的高頻自然零電位軟開關變壓器，其特徵在於整流輸出電路 包括並接的二極體D5和二極體D6，二極體D5和二極體D6並接後與電容C連接，電容C與 電阻絲R連接。
4.根據權利要求1、2或3所述的高頻自然零電位軟開關變壓器，其特徵在於開關管 VI和開關管V2分別為N溝道M0SFET管，高邊驅動器DRV1和底邊驅動器DRV2分別為高邊 M0SFET驅動器DRV1和底邊M0SFET驅動器DRV2。
全文摘要
本發明在於提供一種開關變壓器，特別是耐高溫，紋波幹擾小，適用在石油勘探儀器的電源供電系統的高頻自然零電位軟開關變壓器。其特徵在於接收輸入開關信號的高邊驅動器DRV1和底邊驅動器DRV2，高邊驅動器DRV1和底邊驅動器DRV2分別與開關管V1和開關管V2連接，開關管V1和開關管V2分別接有寄生電容C1和寄生電容C2，寄生電容C1和寄生電容C2串接，開關管V1和開關管V2串接後與隔離變換器T1連接，開關管V1和開關管V2的一端並與整流輸入電路連接，隔離變換器T1並與整流輸出電路連接。
文檔編號H02M7/12GK101867306SQ20101020821
公開日2010年10月20日 申請日期2010年6月22日 優先權日2010年6月22日
發明者駱介龍 申請人:駱介龍