一種多電平高壓反激式開關電源的製作方法
2024-02-07 04:28:15 2
一種多電平高壓反激式開關電源的製作方法
【專利摘要】本發明公開了一種多電平高壓反激式開關電源，該開關電源包括整流模塊、電流採樣電阻模塊、控制晶片、驅動隔離模塊、變壓器、n級串聯的電容和n級MOS管，其中n為大於或等於2的自然數。本發明在變壓器上設置多級初級線圈，且實現電容的多級串聯，即為對輸入的高電壓進行均分電壓、三分電壓、四分電壓等各種n分電壓，實現n+1級電平輸入，由此來降低每級初級線圈的承受耐壓，同時也降低每級MOS管的承受電壓，進而降低每級MOS管的承受電流。該開關電源的結構改進將輸入功率轉換為多級電壓，小電流串聯的方式，這樣既解決了現在MOS管直接串聯而致無法高耐壓及發熱嚴重的問題，同時也解決了MOS管無法過大電流的問題，將開關電源的應用範圍變寬邊廣。
【專利說明】一種多電平高壓反激式開關電源
[0001]
【技術領域】
[0002]本發明涉及開關電源【技術領域】，尤其涉及一種多電平高壓反激式開關電源。
[0003]【背景技術】
[0004]現有的反激式開關電源主要有以下兩種:
一是單管單端反激式開關電源即為原邊單個線圈供電；這種開關電源在使用過程中存在以下問題:1) MOS管MOSFET的最大耐壓只有1500V，所該種開關電源的輸入電壓的工作只能小於800V才能工作在安全工作區，無法使用在更高輸入電壓的情況；2)單線圈供電，MOS管上平均電流大，MOS管發熱嚴重。
[0005]二是雙管單端反激式開關電源即為原邊單個線圈供電；這種開關電源在使用過程中也存在以下缺陷:1)採用雙管串聯工作的模式，使用鉗位二極體鉗位電壓，但仍然無法保證兩級MOS管MOSFET的開通及關斷完全一致性的問題，每級MOS管MOSFET仍然會承受較高的電壓，同樣受制於MOS管MOSFET的最大耐壓只有1500V，所該種開關電源的輸入電壓的工作只能小於800V才能工作在安全工作區，無法使用在更高輸入電壓的情況；2)單線圈供電，線圈及MOSFET承受整個功率電流，MOS管發熱嚴重。 [0006]綜合上述的描述，目前市面上的兩種反激式開關電源已無法滿足市場的需求了。
[0007]
【發明內容】
[0008]針對上述技術中存在的不足之處，本發明提供一種使用安全、可靠性能好及使用範圍廣的多電平高壓反激式開關電源，該開關電源實現多級初級線圈供電，將輸入功率轉為多級電壓，不僅提高輸入電壓，而且解決了高壓無法輸入的問題。
[0009]為實現上述目的，本發明提供一種多電平高壓反激式開關電源，包括整流模塊、電流採樣電阻模塊、控制晶片、驅動隔離模塊、變壓器、η級串聯的電容和η級MOS管，其中η為大於或等於2的自然數；每相鄰兩個電容之間形成電容中點，所述變壓器上設有多級初級線圈和分別與每級初級線圈連接的次級線圈；交流電源電壓經整流模塊整流後形成直流電壓，首級初級線圈的一端接入直流電壓的正電壓端，首級初級線圈的另一端接入同級的MOS管的漏極，且該MOS管的源極接入其下級的電容中點；尾級初級線圈的一端接入其上級的電容中點，尾級初級線圈的另一端接入同級的MOS管的漏極，該MOS管的源極通過電流採樣電阻模塊後接入直流電壓的負電壓端；其餘中間的每級初級線圈的一端連接同級的電容中點，每級初級線圈的另一端接入同級的MOS管的漏極，且該MOS管的源極接入其下級的電容中點；其中MOS管的柵極均懸空；
所述控制晶片的輸入端連接電流採樣電阻模塊並採樣電流採樣電阻模塊上輸出側的電壓，所述控制晶片的輸出端連接驅動隔離模塊。
[0010]其中，所述電流採樣電阻模塊由多個採樣電阻並聯而成，且所述電流採樣電阻模塊通過連結電阻連接控制晶片。
[0011]其中，所述驅動隔離模塊包括光耦器、第一三極體、第二三極體和隔離變壓器；所述光耦器連接控制晶片的輸出端，所述第一三極體和第二三極體的發射極、集電極均與控制晶片的輸出端連接，且所述第一三極體和第二三極體的基極公共端也連接控制晶片的輸出端，所述第一三極體和第二三極體的發射極公共端連接隔離變壓器的初級線圈。
[0012]其中，所述控制晶片的型號為UC2844。
[0013]其中，所述開關電源包括整流模塊、第一級電容、第二級電容、第一級MOS管、第二級MOS管、第一級初級線圈、第二級初級線圈、次級初級線圈、電流採樣電阻模塊、控制晶片和驅動隔離模塊；第一級電容與第二級電容之間形成電容中點，所述第一級初級線圈和第二級初級線圈分別與次級線圈連接，交流電源電壓經整流模塊整流後形成直流電壓，第一級初級線圈的一端接入直流電壓的正電壓端，第一級初級線圈的另一端接入第一級MOS管的漏極，且第一級MOS管的源極接入電容中點，第二級初級線圈的一端接入電容中點，第二級初級線圈的另一端接入第二級MOS管的漏極，且第二級MOS管的源極通過電流採樣電阻模塊後接入直流電壓的負電壓端；其中第一級MOS管和第二級MOS管的柵極均懸空；所述控制晶片的輸入端連接電流採樣電阻模塊並採樣電流採樣電阻模塊上輸出側的電壓，所述控制晶片的輸出端連接驅動隔離模塊。
[0014]其中，所述電流採樣電阻模塊由五個採樣電阻並聯而成。
[0015]本發明的有益效果是:與現有技術相比，本發明提供的多電平高壓反激式開關電源，在變壓器上設置多級初級線圈，實現多級線圈供電，且實現電容的多級串聯，即為對輸入的高電壓進行均分電壓、三分電壓、四分電壓等各種η分電壓，實現n+1級電平輸入，由此來降低每級初級線圈的承受耐壓，同時也降低每級MOS管的承受電壓，進而降低每級MOS管的承受電流。該開關電源的結構改進將輸入功率轉換為多級電壓，小電流串聯的方式，這樣既解決了現在MOS管直接串聯而致無法高耐壓及發熱嚴重的問題，同時也解決了 MOS管無法過大電流的問題，提高了開關電源的可靠性，將開關電源的應用範圍變寬邊廣。進一步的，該開關電源通過驅動隔離模塊可調節變壓器的儲能量及控制輸出電壓的穩定，提高了整個電源工作的可靠穩定性。本發明具有結構簡單、設計合理、使用安全、工作效率高及使用壽命長等特點。
[0016]
【專利附圖】
【附圖說明】
[0017]圖1為本發明的多電平高壓反激式開關電源的工作方框圖；
圖2為本發明中三電平輸入的拓撲結構圖；
圖3為本發明中四電平輸入的拓撲結構圖；
圖4為本發明中五電平輸入的拓撲結構圖；
圖5為圖2的工作原理圖；
圖6為本發明中輸出電壓為24V時,開關噪音的紋波效果圖；
圖7為在圖6的基礎上串聯二極體的紋波效果圖； 圖8為本發明中輸入電壓為280V時，MOS管ds的波形圖；
圖9為本發明中輸入電壓為280V時，MOS管ip的波形圖；
圖10為本發明中輸入電壓為550V時，MOS管ds的波形圖；
圖11為本發明中輸入電壓為550V時，MOS管ip的波形圖；
圖12為本發明中輸入電壓為900V時，MOS管ds的波形圖；
圖13為本發明中輸入電壓為900V時，MOS管ip的波形圖；
圖14為本發明中輸入電壓為900V，輸入功率為46.8W時，MOS管ds的第一時刻波形
圖；
圖15為本發明中輸入電壓為900V，輸入功率為46.8W時，MOS管ds的第二時刻波形
圖；
圖16為本發明中輸入電壓為900V，輸入功率為90.7W時，MOS管ds的第一時刻波形
圖；
圖17為本發明中輸入電壓為900V，輸入功率為90.7W時，MOS管ds的第二時刻波形
圖；
圖18為本發明中輸入電壓為550V，輸入功率為90.7W時，各溫度的波形圖；
圖19為本發明中輸入電壓為900V，輸入功率為90.7W時，各溫度的波形圖。
[0018]主要元件符號說明如下:
10、整流模塊11、電流採樣電阻模塊
12、控制晶片13、驅動隔離模塊
C、電容Q、M0S管
T、變壓器L、初級線圈
LL、次級線圈
【具體實施方式】
[0019]為了更清楚地表述本發明，下面結合附圖對本發明作進一步地描述。
[0020]請參閱圖1，本發明的多電平高壓反激式開關電源，包括整流模塊10、電流採樣電阻模塊11、控制晶片12、驅動隔離模塊13、變壓器Τ、η級串聯的電容C和η級MOS管Q，其中η為大於或等於2的自然數；每相鄰兩個電容C之間形成電容中點，即可形成η-l級電容中點，即從第二級初級線圈L的連接處開始形成第一級電容中點，變壓器T上設有多級初級線圈L和分別與每級初級線圈L連接的次級線圈LL ;交流電源電壓經整流模塊10整流後形成直流電壓，首級初級線圈的一端接入直流電壓的正電壓端DC+，首級初級線圈L的另一端接入同級的MOS管Q的漏極，且該MOS管Q的源極接入其下級的電容中點，尾級初級線圈L的一端接入其上級的電容中點，尾級初級線圈L的另一端接入同級的MOS管Q的漏極，該MOS管Q的源極通過電流採樣電阻模塊12後接入直流電壓的負電壓端DC-;其餘中間的每級初級線圈L的一端連接同級的電容中點，每級初級線圈L的另一端接入同級的MOS管Q的漏極，且該MOS管Q的源極接入其下級的電容中點；其中MOS管Q的柵極均懸空；控制晶片12的輸入端連接電流採樣電阻模塊11並採樣電流採樣電阻模塊11上輸出側的電壓，控制晶片12的輸出端連接驅動隔離模塊13。
[0021]請進一步參閱圖2-4，圖2為三電平輸入的拓撲結構圖，該圖中有兩級初級線圈L、兩級電容C和兩級MOS管Q，該結構為兩級電容C的串聯，進而實現輸入高電壓的均分，三電平的輸入；圖3為四電平輸入的拓撲結構圖，該圖中有三級初級線圈L、三級電容C和三級MOS管Q，該結構為電容C的串聯，進而實現輸入高電壓的三均分電壓，四電平的輸入；圖4為四電平輸入的拓撲結構圖，該圖中有四級初級線圈L、四級電容C和四級MOS管Q，該結構為四級電容C的串聯，進而實現輸入高電壓的四均分電壓，五電平的輸入。本發明中多電平高電壓輸入的規律可描述為:n級電容C串聯、η級初級線圈L通過η級MOS管Q實現串聯，可實現n+1級電平輸入。可根據開關電源的實際情況不斷增加輸入電平，提高輸入電壓的等級。
[0022]相較於現有技術，本發明提供的多電平高壓反激式開關電源，在變壓器T上設置多級初級線圈L，實現多級線圈供電，且實現電容C的多級串聯，即為對輸入的高電壓進行均分電壓、三分電壓、四分電壓等各種η分電壓，實現n+1級電平輸入，由此來降低每級初級線圈L的承受耐壓，同時也降低每級MOS管Q的承受電壓，進而降低每級MOS管Q的承受電流。該開關電源的結構改進將輸入功率轉換為多級電壓，小電流串聯的方式，這樣既解決了現在MOS管直接串聯而致無法高耐壓及發熱嚴重的問題，同時也解決了 MOS管無法過大電流的問題，提高了開關電源的可靠性，將開關電源的應用範圍變寬邊廣。進一步的，該開關電源通過驅動隔離模塊可調節變壓器的儲能量及控制輸出電壓的穩定，提高了整個電源工作的可靠穩定性。本發明具有結構簡單、設計合理、使用安全、工作效率高及使用壽命長等特點。[0023]在本實施例中，電流採樣電阻模塊11由多個採樣電阻並聯而成，且電流採樣電阻模塊11通過連結電阻連接控制晶片12。本電流採樣電阻模塊11可有五個或六個等不同數量的採樣電阻並聯而成，可根據實際需要改變採樣電阻的數量。
[0024]請進一步參閱圖5,為n=2的【具體實施方式】,該實施例中的開管電源包括整流模塊、第一級電容Cl、第二級電容C2、第一級MOS管Q1、第二級MOS管Q2、第一級初級線圈L1、第二級初級線圈L2、次級線圈、電流採樣電阻模塊、控制晶片U2和驅動隔離模塊；第一級電容Cl與第二級電容C2之間形成電容中點，第一級初級線圈LI和第二級初級線圈L2分別與次級線圈連接，交流電源電壓AC經整流模塊整流後形成直流電壓DC，第一級初級線圈LI的一端接入直流電壓的正電壓端DC+，第一級初級線圈LI的另一端接入第一級MOS管Ql的漏極，且第一級MOS管Ql的源極接入電容中點，第二級初級線圈L2的一端接入電容中點，第二級初級線圈L2的另一端接入第二級MOS管Q2的漏極，且第二級MOS管Q2的源極通過電流採樣電阻模塊後接入直流電壓的負電壓端DC-;其中第一級MOS管Ql和第二級MOS管Q2的柵極均懸空；控制晶片Ul的輸入端連接電流採樣電阻模塊並採樣電流採樣電阻模塊上輸出側的電壓，控制晶片U2的輸出端連接驅動隔離模塊。
[0025]在該圖中整流模塊有第一安規電容Cyl、第二安規電容Cy2、第三安規電容Cy3和第四安規電容Cy4構成整流橋將交流電源AC220-400V變為300-600V的直流電壓DC，在第一級電容Cl與第一級MOS管Ql之間安設有第一電阻R1、第二電阻R2、第三電阻R3、第四電阻R4、第五電阻R5和第六電阻R6，這六個電阻起限流作用；在第二級電容C2與第二級MOS管Q2之間安設有第七電阻R7、第八電阻R8、第九電阻R9、第十電阻R10、第十一電阻Rll和第十二電阻R12，這六個電阻也起限流作用。第一級初級線圈LI的兩端之間電連接有第十三電阻R13、第三電容C3和第一二極體D1，第二級初級線圈L2的兩端之間電連接有第十四電阻RH、第四電容C4和第二二極體D2。由第十五電阻R15、第十六電阻R16、第十七電阻R17、第十八電阻R18和第十九電阻R19並聯構成電流採樣電阻模塊對上述兩級初級線圈進行電流採樣；並聯後的電流採樣電阻模塊通過連結電阻R20連接控制晶片Ul的輸入端；第一級初級線圈LI和第二級初級線圈L2作為變壓器Tl的初級繞組，變壓器Tl的次級繞組的上部輸出端通過第四二極體D4依次連接並聯的第五電容C5、第六電容C6、第七電容C7後連接第二十二電阻R22，變壓器Tl的次級繞組的下部輸出端通過第五二極體D4依次連接並聯的第八電容C8、第九電容C9、第十電容CIO、第二十三電阻R23後連接第二十四電阻 R24。
[0026]驅動隔離模塊包括光耦器T2、第一三極體Q3、第二三極體Q4和隔離變壓器T3，光耦器T2的輸入端安設有第二十五電阻R25、第二十六電阻R26、第二十七電阻R27、第二十八電阻R28和二十九電阻R29，第二十六電阻R26並聯有第十二電容C12，第二十八電阻R28通過第十一電容Cll連接第一穩壓管Z1，光耦器T2的輸出端連接至控制晶片Ul上，控制晶片Ul上依次連接有第十三電容C13、串聯的第三十電阻R30和第十四電容C14及串聯的第三十一電阻R31和第十五電容C15，控制晶片Ul通過第三十二電阻R32連接至第一三極體Q3和第二三極體Q4的基極公共端，且控制晶片Ul與第二十電阻R20的連接端上連接有第十六電容C16，第一三極體Q3的集電極連接並聯的第十七電容C17、第二穩壓管Z2和第十八電容C18，第二穩壓管Z2和第十八電容C18的公共端依次通過第二十一電阻R21和第三二極體D3後連接至變壓器Tl的初級繞組。第一三極體Q3和第二三極體Q4的發射極公共端通過第三十三電阻R33和第二十電容C20後連接隔離變壓器T3的初級線圈，即為初級繞組，隔離變壓器T3的次級繞組分別連接第三十四電阻R34和第三十五電阻R35。該控制晶片Ul的型號為UC2844。
[0027]本實施例中採用控制晶片Ul的控制，控制晶片Ul通過採樣直流輸出側的電壓，調節輸出佔空比，通過兩個三極體的開關度，調節變壓器的儲能量，控制輸出電壓的穩定，從而達到DC/DC轉換的功能，完成整個電源的工作過程。
[0028]實驗數據
一、開關電源測試:
1、測試條件:電源輸出側在低壓、額定、高壓時，分別在輸出側空載、輕載、重載條件下，進行開關電源質量測試，包括電源調整率，負載調整率，工作效率等；
2、測試記錄:負載條件:見表1.1
表1.1
【權利要求】
1.一種多電平高壓反激式開關電源，其特徵在於，包括整流模塊、電流採樣電阻模塊、控制晶片、驅動隔離模塊、變壓器、η級串聯的電容和η級MOS管，其中η為大於或等於2的自然數；每相鄰兩個電容之間形成電容中點，所述變壓器上設有多級初級線圈和分別與每級初級線圈連接的次級線圈；交流電源電壓經整流模塊整流後形成直流電壓，首級初級線圈的一端接入直流電壓的正電壓端，首級初級線圈的另一端接入同級的MOS管的漏極，且該MOS管的源極接入其下級的電容中點；尾級初級線圈的一端接入其上級的電容中點，尾級初級線圈的另一端接入同級的MOS管的漏極，該MOS管的源極通過電流採樣電阻模塊後接入直流電壓的負電壓端；其餘中間的每級初級線圈的一端連接同級的電容中點，每級初級線圈的另一端接入同級的MOS管的漏極，且該MOS管的源極接入其下級的電容中點；其中MOS管的柵極均懸空； 所述控制晶片的輸入端連接電流採樣電阻模塊並採樣電流採樣電阻模塊上輸出側的電壓，所述控制晶片的輸出端連接驅動隔離模塊。
2.根據權利要求1所述的多電平高壓反激式開關電源，其特徵在於，所述電流採樣電阻模塊由多個採樣電阻並聯而成，且所述電流採樣電阻模塊通過連結電阻連接控制晶片。
3.根據權利要求1所述的多電平高壓反激式開關電源，其特徵在於，所述驅動隔離模塊包括光耦器、第一三極體、第二三極體和隔離變壓器；所述光耦器連接控制晶片的輸出端，所述第一三極體和第二三極體的發射極、集電極均與控制晶片的輸出端連接，且所述第一三極體和第二三極體的基極公共端也連接控制晶片的輸出端，所述第一三極體和第二三極體的發射極公共端連接隔離變壓器的初級線圈。
4.根據權利要求1-3任一項所述的多電平高壓反激式開關電源，其特徵在於，所述控制晶片的型號為UC2844。
5.根據權利要求1所述的多電平高壓反激式開關電源，其特徵在於，所述開關電源包括整流模塊、第一級電容、第二級電容、第一級MOS管、第二級MOS管、第一級初級線圈、第二級初級線圈、次級初級線圈、電流採樣電阻模塊、控制晶片和驅動隔離模塊；第一級電容與第二級電容之間形成電容中點，所述第一級初級線圈和第二級初級線圈分別與次級線圈連接，交流電源電壓經整流模塊整流後形成直流電壓，第一級初級線圈的一端接入直流電壓的正電壓端，第一級初級線圈的另一端接入第一級MOS管的漏極，且第一級MOS管的源極接入電容中點，第二級初級線圈的一端接入電容中點，第二級初級線圈的另一端接入第二級MOS管的漏極，且第二級MOS管的源極通過電流採樣電阻模塊後接入直流電壓的負電壓端；其中第一級MOS管和第二級MOS管的柵極均懸空；所述控制晶片的輸入端連接電流採樣電阻模塊並採樣電流採樣電阻模塊上輸出側的電壓，所述控制晶片的輸出端連接驅動隔離模塊。
6.根據權利要求5所述的多電平高壓反激式開關電源，其特徵在於，所述電流採樣電阻模塊由五個採樣電阻並聯而成。
【文檔編號】H02M7/537GK103944435SQ201310472487
【公開日】2014年7月23日 申請日期:2013年10月11日 優先權日:2013年10月11日
【發明者】郭光裕 申請人:深圳市偉創電氣有限公司