高壓開關電源的dc/dc變換拓撲電路的製作方法
2023-10-18 11:03:04 2
專利名稱：高壓開關電源的dc/dc變換拓撲電路的製作方法
技術領域：
本發明涉及高頻開關電源，主要是指一種應用於一些直流高壓場合的高壓開關電源的DC/DC變換拓撲電路。
背景技術：
目前就基本的脈衝寬度調整(PWM)變換器主迴路拓撲結構而言，有Buck、Boost、Buck-Boost、Cuk等多種變換器。在此基礎上演變出的開關型穩壓電源(DC/DC變換器)的電路結構多種多樣，其中雙管正激式和半橋電路的開關管承壓僅為輸入電源電壓，而且不會出現單向偏磁飽和的問題，所以在高壓輸入電路中得到廣泛的應用。
在半橋電路中(見圖1)，Q1、Q2(可為三極體或MOS管，本文以三極體為例，下同)在相位不同的驅動脈衝控制下輪流導通。在Q1導通之前，C1、C2由輸入電壓Ui充電，圖中A點電位相對於參考地為+1/2Ui。當Q1導通，輸入電壓Ui通過Q1的C-E極加到變壓器，脈衝電流流過變壓器和電容器C2，此時，脈衝變壓器初級兩端電壓和Q1的C-E極間電壓均為1/2Ui，Q2承受的電壓為輸入電壓Ui；在副邊，按照繞組同名端對應關係，繞組4-3電壓使D2導通，經L1、C3濾波後輸出。當Q1截止，Q2導通後，輸入電壓Ui通過C1、Q2加到變壓器，脈衝電流流過電容器C1、變壓器和Q2，此時，脈衝變壓器初級兩端電壓和Q2的C-E極間電壓均為1/2Ui，Q1承受的電壓為輸入電壓Ui；在副邊，按照繞組同名端對應關係，繞組4-5電壓使D1導通，經L1、C3濾波後輸出，完成一個工作周期。
半橋電路的主要優點具有較強的抗不平衡能力，電路對稱性好；適應的功率範圍較大；開關管耐壓為直流輸入電壓等。
雖然半橋電路對開關管的耐壓要求為直流輸入電壓，比較低，但在一些高壓的場合，其應用還是受到了限制。在實際電路中，由於高頻變壓器的漏感以及集電極迴路中引線電感的影響，在開關管關斷瞬間會引起較大的反峰尖刺，電路中加入緩衝迴路等措施後，一般應將反峰尖刺限制在穩態值的20％以內。此外，還應考慮到電網波動+10％時的影響，所以開關管承受的電壓為1.2×1.1Ui＝1.32Ui，當輸入為800V直流時，即使不考慮降額，開關管的耐壓也要達到Uceo＝1.32×800＝1056V，這樣的高速開關管是很難選到的。如果輸入比800V更高，達到1000V、1200V，則器件選型就更困難，甚至無合適器件可選。高壓輸入時，電路中其他器件的耐壓要求也相應提高，很難找到符合要求的器件。即使找到合適的器件，工作於高電壓情況下，也使整個電源的可靠性大大降低。另外，半橋電路使用一個變壓器，電流過大，會使其飽和，輸出功率不可能做的很大。
發明內容
本發明的目的是提供一種適用於高壓場合(可達1000V以上)的開關電源的DC/DC變換拓撲電路，通過設置兩路或多路原邊串聯、副邊並聯的半橋變換器，可以克服現有半橋電路存在的缺陷。
實現本發明的技術方案是這種拓撲電路包括半橋變換器，其改進後的結構是設置兩路半橋變換器，其原邊串聯、副邊並聯(見圖2)。
該技術方案還包括所述原邊的四個開關管Q1-Q4、四個電容C-1C4分別串聯後並接在輸入電壓Ui兩端；其中電容C1、C2和開關管Q1、Q2接成半橋變換器結構並經變壓器T1到副邊，電容C3、C4和開關管Q3、Q4接成半橋變換器結構並通過變壓器T2到副邊；開關管中，Q1、Q3受同一信號控制，Q2、Q4受同一信號控制。
所述在副邊，變壓器T1次級線圈輸出由D1、D2全波整流，再接電感L1平滑濾波；變壓器T2也一樣，次級線圈輸出由D3、D4全波整流，再接電感L2平滑濾波，然後將兩路輸出並聯，再經C7濾波輸出。
設置兩路或兩路以上半橋變換器，其原邊串聯、副邊並聯。
一拓撲電路，其中四個電容C1、C2、C3、C6串聯，接在直流輸入兩端，每個電容兩端並聯一個電阻；四個開關管也串聯起來，Q1的集電極接輸入直流正極，發射極接Q3的集電極，Q3發射極接Q6的集電極，Q6的發射極接Q7的集電極，Q7的發射極接輸入直流負極；再將C2、C3的中點和Q3、Q6的中點連接起來；同時，Q1發射極連到TR2的3腳，經過反饋繞組3-5連接到TR1的原邊繞組，接於2腳，繞組另一端經過一個隔離電容C4連接到C1、C2的中點；和上面的連接一樣，Q6發射極連到TR4的3腳，經過反饋繞組3-5連接到TR3的原邊繞組，接於2腳，繞組另一端經過一個隔離電容C5連接到C3、C6的中點，這樣，兩路半橋變換器的原邊主迴路部分已經連接好。在變壓器TR1的副邊，將5、6、7腳連接，然後與TR3的5、6、7腳連在一起，做為電源輸出的負端；10、11腳連接後經D6整流，與8、9腳經D7整流後連接，然後經過L1、C20、C21、C22濾波直流輸出；TR3的副邊連接同TR1的相同，然後將兩路輸出連接，並聯輸出，作為電源輸出。TR1的繞組12-13、12-14經D1、D2整流，與TR3的繞組12-13、12-14經D12、D13整流後連接在一起，再經過C10濾波後連接到TL494的12腳，作為前級工作電源；TL494的11腳輸出連接Q4的基極，控制其開通關斷，經變壓器TR2傳輸後，通過R11、R24控制Q1、Q3的開通關斷，R10、D4、C12、R23、D9、C24為加速電路；TL494的8腳輸出連接Q5的基極，控制其開通關斷，經變壓器TR4傳輸後，通過R44、R53控制Q6、Q7的開通關斷，R43、D16、C37、R52、D20、C46為加速電路。由TL494控制開關管Q1、Q3、Q6、Q7按設計頻率開通關斷，從而使電源正常工作。
本發明具有的有益效果①採用串聯分壓，根據半橋變換器特性，每個開關管承受的電壓為輸入直流電壓Ui的一半，這樣便於開關管的選擇。②兩個變壓器的副邊並聯，輸出電流能力比單個半橋變換器大一倍，相應的輸出功率也增大一倍。③本拓撲電路可在更高電壓場合使用，通過在以上電路基礎上再增加一路半橋變換器，同樣原邊串聯，副邊並聯，即可使每個開關管的承受電壓降低。依次類推，此拓撲結構理論上可應用於任何高電壓場合。
圖1是已有半橋變換器的主電路結構。
圖2是本發明的主電路拓撲結構；圖3是發明的實際應用參考電路圖。
具體實施例方式
下面結合附圖對本發明做進一步說明參照圖2，用兩路半橋變換器，將它們的原邊串聯，副邊並聯。四個開關管Q1-Q4串聯，四個電容C1-C4串聯，並接於輸入電壓兩端。上面兩個電容(C1、C2)、開關管(Q1、Q2)接成半橋變換器結構，通過變壓器T1傳輸能量到副邊。下面兩個電容(C3、C4)、開關管(Q3、Q4)接成半橋變換器結構，通過變壓器T2傳輸能量到副邊。四個開關管中，Q1、Q3受同一信號控制，同步開通、關斷，當其開通時，脈衝電流流向為Q1、T1、C7、C2、Q3、T2、C8、C4，加到變壓器T1、T2的電壓為1/4Ui。Q2、Q4受同一信號控制，同步開通、關斷，當其開通時，脈衝電流流向為C1、C7、T1、Q2、C3、C8、T2、Q4，加到變壓器T1、T2的電壓亦為1/4Ui。兩次流經變壓器電流的方向相反，形成對稱的方波電壓。電容C5、C6是為隔斷直流而設。在副邊，兩路變壓器輸出經全波整流、電容濾波後並聯，供給負載，工作原理同半橋變換器。
本電路另一特點，輸入端的四個串聯電容能夠自動均壓，即每個電容兩端的電壓為1/4Ui。
由於串聯分壓，每個電容兩端的電壓為1/4輸入電壓Ui。根據半橋變換器特性，每個開關管承受的電壓為輸入直流電壓Ui的一半。當輸入直流電壓為800V時，根據1.32Ui＝Uceo，求得Uceo＝1.32×400＝528V，這樣的開關管是很好選到的。
兩個變壓器的副邊並聯，輸出電流能力比單個半橋變換器大一倍，相應的輸出功率也增大一倍。
本電路的拓撲技術，在更高電壓場合，也可使用。當直流輸入電壓更高時，可在以上電路基礎上再增加一路半橋變換器，同樣原邊串聯，副邊並聯，即可使每個開關管的承受電壓降下來。依次類推，此拓撲結構理論上可根據需要，應用於任何高電壓場合。
參照圖3，輸入直流電壓經C1、C2、C3、C6串聯分壓，向開關管Q1、Q3、Q6、Q7供電。R1、R2、R3、R4為均壓電阻。C1、C2、Q1、Q3、TR1組成一路有自激啟動電路的半橋式變換器，其PWM調製信號由前級TL494經隔離變壓器TR2提供。C3、C6、Q6、Q7、TR3組成一路有自激啟動電路的半橋式變換器，其PWM調製信號由前級TL494經隔離變壓器TR4提供。兩路半橋的原邊串聯，即C1、C2、C3、C6串聯，Q1、Q3、Q6、Q7串聯，副邊整流、濾波後並聯輸出。Q1、Q6同步開關，其開通時，脈衝電流流經Q1、TR1、C2、Q6、TR3、C6，有1/4輸入電壓加在變壓器TR1、TR3原邊；Q3、Q7同步開關，其開通時，脈衝電流流經C1、TR1、Q3、C3、TR3、Q7，有1/4輸入電壓加在變壓器TR1、TR3原邊，兩次電流流向相反，形成對稱方波電壓。到副邊，TR1、TR3的輸出各自經過整流、濾波後並聯輸出。以後重複上面過程。兩路變換器的啟動工作原理相同，現只分析Q1、Q3一路的工作過程。接通電源瞬間，由於電路的不平衡因素，兩隻開關管中會有一隻先導通，產生一集電極電流脈衝。啟動脈衝經驅動脈衝變壓器TR2的反饋繞組3-5，對先導通的開關管產生正反饋，使之飽和，同時產生的感應脈衝使另一隻開關管保持截止。先飽和的開關管電流，經TR1繞組1-2、分壓電容，由TR3次級繞組12-13-14輸出感應脈衝，經D1、D2整流，C10濾波，向前級推動級和TL494提供啟動電壓。前級電路輸出驅動脈衝，使Q4和Q5交替導通完成DC/AC變換。至此，自激啟動過程完成，電路工作在他激半橋工作狀態。開關管基極迴路串聯的R10、D4、C12為加速電路，以減小開關管的導通截止損耗。
權利要求
1.一種高壓開關電源的DC/DC變換拓撲電路，包括半橋變換器，其特徵是設置兩路半橋變換器，其原邊串聯、副邊並聯。
2.如權利要求1所述的高壓開關電源的DC/DC變換拓撲電路，其特徵是所述原邊的四個開關管Q1-Q4、四個電容C1-C4分別串聯後並接在輸入電壓Ui兩端；其中電容C1、C2和開關管Q1、Q2接成半橋變換器結構並經變壓器T1到副邊，電容C3、C4和開關管Q3、Q4接成半橋變換器結構並通過變壓器T2到副邊；開關管中，Q1、Q3受同一信號控制，Q2、Q4受同一信號控制。
3.如權利要求1所述的高壓開關電源的DC/DC變換拓撲電路，其特徵是所述副邊中變壓器T1、T2次級繞組輸出經全波整流、電容濾波後並聯，其中次級繞組4連接後與T1次級繞組5之間跨接電容C7。
4.如權利要求1所述的高壓開關電源的DC/DC變換拓撲電路，其特徵是設置兩路或兩路以上半橋變換器，其原邊串聯、副邊並聯。
5.如權利要求1所述的高壓開關電源的DC/DC變換拓撲電路，其特徵是一拓撲電路，其直流輸入端跨接串聯的電阻R1-R4後跨接串聯的電容C1、C2、C3、C6，該直流輸入正極接三極體Q1集電極，Q1發射極接三極體Q3集電極，Q3發射極接三極體Q6集電極，Q6發射極接三極體Q7集電極，Q7發射極接輸入直流負極，Q1發射極接變壓器TR2腳3，並經反饋繞組3-5接變壓器TR1的原邊繞組腳2，TR1另一端經電容C4跨接在C1、C2之間；Q6發射極接變壓器TR4腳3，並經反饋繞組35接變壓器TR3的原邊繞組腳2，TR4另一端經電容C5跨接在C3、C6之間；TR1副邊腳5、6、7連接後與TR3腳5、6、7連接，腳10、11連接後經二極體D6與腳8、9連接後經二極體D7連接，再經線圈L1、C20、C21、C22輸出；TR3同TR1，兩路並聯後輸出；TR1繞組12-13、12-14經D1、D2與TR3繞組12-13、12-14經D12、D13後連接在一起，再經C10後接TL494腳12；TL494腳11接Q4基極，經TR2、R11、R24接Q1、Q3；TL494腳8接Q5基極，經TR4、R44、R53接Q6、Q7；R10、D4、C12、R23、D9、C24和R43、D16、C37、R52、D20、C46分別為加速電路。
全文摘要
一種高壓開關電源的DC/DC變換拓撲電路，特點是設置兩路半橋變換器，其原邊串聯、副邊並聯。其中原邊的四個開關管Q1－Q4、四個電容C1－C4分別串聯後並接在輸入電壓Ui兩端；其中電容C1、C2和開關管Q1、Q2接成半橋變換器結構並經變壓器T1到副邊，電容C3、C4和開關管Q3、Q4接成半橋變換器結構並通過變壓器T2到副邊；開關管中，Q1、Q3受同一信號控制，Q2、Q4受同一信號控制。本發明應用在更高電壓場合時，只要在此基礎上增加半橋變換器即可。
文檔編號H02M3/335GK1885701SQ20061006098
公開日2006年12月27日 申請日期2006年6月7日 優先權日2006年6月7日
發明者吳建安, 劉小兵, 李斌, 張科孟, 張波 申請人:深圳市英威騰電氣有限公司