Dc/dc全橋移相電力調壓模塊的製作方法

2023-10-17 17:56:09

專利名稱：Dc/dc全橋移相電力調壓模塊的製作方法
技術領域：
本實用新型涉及直流變換器，特別是一種電力系統操作電源的調壓變換裝置。
背景技術：
目前，電力系統中控制母線電壓大多採用降壓矽鏈來穩壓。其原理為，控制單元檢測母線電壓並與設定值比較，當母線電壓高於(低於)設定值的上限(下限)時，控制器發出信號，驅動繼電器，通過執行繼電器的分斷與閉合，改變矽鏈串聯的數目，從而確保母線電壓值在規定範圍內。由於每個矽管的壓降幾乎是固定的，也就是說這種降壓方式是一種有級降壓，因而輸出電壓穩定度差。而且，輸入輸出間的電壓差都降在矽管上，並以熱的形式損耗掉，使得矽鏈降壓方式變換效率很低。另外，這種變換方式的輸入輸出是不隔離的，只能降壓不能升壓，體積大，配置起來不靈活，應用面窄。
隨著電力電子技術的飛速發展，近幾年利用高頻脈寬調製(PWM)技術的開關電源逐步應用到電力系統中，它是通過改變開關電晶體的導通時間和截止時間來控制輸出電壓，使之穩定在預定的電壓值上。採用相應的變換器電路和控制電路的結合，可以實現對電力系統中控制母線電壓的穩壓控制。

發明內容
為了克服現有降壓方式的不足，本實用新型提供一種以帶鉗位二極體的零電壓開關PWM全橋直流變換器進行調壓的裝置。
本實用新型的DC/DC全橋移相電力調壓模塊，它包括主電路和控制電路兩個部分，主電路中設有零電壓開關PWM移相全橋電路，其特徵是在所設的零電壓開關PWM移相全橋電路基礎上設有兩個起鉗位作用的二極體，使電路中的諧振電感上的能量在換流過程中不再與輸出電路起作用，並由諧振電感的存在，減小了開通時原邊峰值電流，使得主變壓器漏感上貯能減小，對輸出整流二極體上的尖峰電壓進行鉗位，其中，一個鉗位管二極體的陽極、與另一個鉗位管二極體的陰極接在隔直電容和諧振電感的公共節點上，而其相應的一個鉗位管二極體的陰極接到輸入母線正端，一個鉗位管二極體的陽極接到輸入母線負端。
本實用新型具有以下優點(1)由於採用了PWM技術，它實現了在輸入電壓範圍內的無級調壓，保證了輸出電壓有較高的穩定度，其穩壓精度≤0.5％。
(2)由於採用自然冷卻方式，因此無可聞噪音。
(3)由於採用了鉗位拓撲，抑制了輸出整流二極體的尖峰電壓，減小了開關損耗，同時省去了輸出整流二極體的吸收電路，變換效率可高達95％，該變換器體積小，效率高，重量輕，便於運輸和維護。
(4)本裝置輸入電壓範圍寬，升壓降壓均可，而且通過內置CPU，可方便的實現微機監控及三遙。
(5)它採用了輸入輸出隔離，應用模塊化結構，故其配置靈活方便，應用範圍更廣。


圖1是現有技術中矽鏈降壓方式的電路原理圖。
圖2是本實用新型的基本原理圖。
圖3是本實用新型實施例的主電路原理圖。
圖4是圖3的控制電路原理圖。
具體實施方式
以下結合實施例及其附圖對本實用新型作進一步的說明參見附圖。
圖1給出了一種現有技術的結構原理，它利用了矽堆結構方式，由控制單元檢測控制母線A電壓，與設定值比較，獲得控制信號，驅動繼電器，通過執行繼電器的分斷與閉合，改變矽鏈C串聯的數目，使控制母線B的電壓值穩定在規定範圍內。顯然，這種有級降壓以矽結的固定壓降為級差，因而直接影響到輸出電壓的穩定度。
圖2所示為本實用新型創新所在的基本內容。本實用新型的DC/DC全橋移相電力調壓模塊，它包括主電路和控制電路兩個部分，主電路中設有零電壓開關PWM移相全橋電路，如圖所示在所設的零電壓開關PWM移相全橋電路基礎上設有兩個起鉗位作用的二極體，使電路中的諧振電感L1上的能量在換流過程中不再與輸出電路起作用，又由於諧振電感L1的存在減小了開通時原邊峰值電流，使得主變壓器T2漏感上的貯能減小，從而鉗位了輸出整流二極體上的尖峰電壓，其中，一個鉗位管二極體D8的陽極、與另一個鉗位管二極體D27的陰極接在隔直電容C4和諧振電感L1的公共節點上，而其相應的一個D8的陰極接到輸入母線正端M，一個D27的陽極接到輸入母線負端N。圖示A-B、B-A為滯後驅動信號端、C-D、D-C為超前驅動信號端。
圖3為本實用新型實施例的主電路，它由5個電路部分組成。分別為基本拓撲電路，全橋整流輸出電路(I框)，4個MOS管驅動單元(II框為其中之一)，輔助電源電路(III框)，輸入電源濾波器(EMI)。
其中①A是驅動信號A的輸出端，②B是驅動信號B的輸出端，③C是驅動信號C的輸出端，④D是驅動信號D的輸出端，⑨是測量電壓採樣信號輸出端，⑩是輸出電壓採樣信號輸出端，是輸出電流採樣信號輸出端。
圖3中，D43～D46分別是場效應管M1～M4的體二極體，C3、C5、C13、C14分別是M1～M4的寄生電容或為改善零壓開通條件所外接的電容，L1是諧振電感，C4是隔直電容，T2是高頻升壓變壓器，D8、D27是鉗位二極體，D26、D28、D41、D42是輸出整流二極體，C15、C16、C35、C36和GM1是π型共模濾波電路，L3和C38平滑濾波，D34是防反衝二極體，MOS驅動電路採用了較簡單的變壓器隔離驅動的方式。輔助電源是用TOPSWITCH公司的TOP227Y晶片做成的反激式電源，該電路是較典型的反激式接法。驅動信號C和驅動信號D相差180°，互補導通，驅動信號A和驅動信號B相差180°，互補導通，驅動信號C和驅動信號D分別超前於驅動信號A和驅動信號B一個移相角，因此稱M1和M3為超前管，M2和M4為滯後管。
由於在這種零電壓電路中，光靠變壓器漏感往往不足以實現零電壓條件，所以通常都加有諧振電感，諧振電感的加入限制了原邊電流峰值，減小了變壓器漏感貯能，鉗位二極體D8、D27的鉗位作用使得諧振電感的能量不參與副邊的諧振，從而避免副邊整流二極體出現過高的電壓尖峰，可保證整流管安全運行，省去了副邊輸出整流二極體的耗能吸收電路，簡化了輸出電路，提高了變換器的變換效率。
工作時t0時刻，MOS管M1、M4開通，輸入電流流經MOS管M1、變壓器T2、隔直電容C4、諧振電感L1、MOS管M4，輸入向副邊傳送功率；t0-t2時段，MOS管M1關斷、M4保持開通狀態，由於寄生電容或外接電容C3、C13兩端電壓不能突變，C3充電，C13放電，電流流經寄生電容C3、C13、變壓器T2、隔直電容C4、諧振電感L1、鉗位二極體D27，MOS管M4，由於鉗位二極體D27的作用，變壓器原邊電壓開始下降；t2時刻，MOS管M3的寄生二極體自然導通，此時驅動信號開通MOS管M3，M3被零電壓開通。t3時刻，原邊電壓下降到零，副邊被短路，原邊不再向副邊傳送功率，負載電流靠輸出濾波電感的蓄能維持；t4時刻，關斷MOS管M4，諧振電感L1上的能量給寄生電容C5放電，C14充電；t5時刻，寄生二極體D44自然導通，此時開通MOS管M2，實現MOS管M2的零電壓開通。t6時刻，電流流向開始改變，經MOS管M2、諧振電感L1、隔直電容C4、變壓器T2、MOS管M3返回，當原邊電流增大到副邊電流在原邊的折算值時，輸入開始重新向副邊傳送能量。這就完成了半周期中一對開通橋臂M1、M4關斷，另一對關斷橋臂M2、M3開通的轉換。同樣的，在下半個周期中，橋臂M2、M3開通一段時間後，MOS管M3先被關斷，接著MOS管M1零電壓開通，然後，MOS管M2被關斷，最後，MOS管M4零電壓開通，電流流向再次改變。這樣的周期反覆進行，輸入直流電壓經帶鉗位二極體的零電壓開關PWM全橋變換電路的變換，變成交流矩形波，再經升壓變壓器升壓、輸出整流濾波後，再次得到平滑的直流電壓。輸出電壓採樣信號⑩、輸出電流採樣信號(12)分別被送入控制電路，經PI調節器1(由IC3B、C22、R34、R35構成)、PI調節器2(由IC2A、C20、R5、R6構成)，處理過的誤差信號送入移相控制晶片UC3879的EA-腳，調節UC3879輸出驅動信號OUTA、OUTB、OUTC、OUTD間移相角度，進而控制橋臂的導通時間，整個電路就成了一個閉環控制系統。
圖4所示是與圖3主電路配用的控制電路。其中，模塊的接口接端有①A是驅動信號A接於控制接口晶片IC4的OUTA；②B是驅動信號B接於控制接口晶片IC4的OUTB；③C是驅動信號C接於控制接口晶片IC4的OUTC；④D是驅動信號D接於控制接口晶片IC4的OUTD；⑤是基準參考源接於基準穩壓器IC14的陰極；⑥是電流信號接於運放IC1A的輸出腳；⑦是電流整定信號接於CPU晶片IC15的P4.2口；⑧是電壓整定信號接於CPU晶片IC15的P4.1口；⑨是測量電壓採樣信號接於主電路輸出部分的R24的高電位端；⑩是輸出電壓採樣信號接於主電路輸出部分的R25的高電位端；是輸出電流採樣信號接於主電路輸出部分的R23的低電位端。
控制晶片IC4(UC3879)採用了Unitrode公司的移相控制晶片。其引腳功能及應用如下參考電壓腳VREF(pin1)提供一精確的5V電壓，它由內部短路電流所限制，當晶片工作電壓低於門檻電壓UVLO時，VREF無效；當VREF低於4.75V時，該電路也無效。通常在該腳並接一低寄生電阻和低寄生電感的電容。
誤差放大器輸出腳COMP(pin2)該腳是反饋控制增益級的輸出端。當該腳電壓低於0.9V時，輸出移相角為零。由於誤差放大器有一個相對低驅動能力，在驅動一個過低的阻抗時，可能會出現過載。
誤差放大器反相輸入端EA-(pin3)該腳一般接反饋電壓。同時在該端與輸出端COMP之間接一補償電路。
電流檢測端CS(pin4)該腳是電流比較器的同相輸入端。其反相輸入端在內部設置成2.0V或2.5V。當該腳超過2.0V時，誤差放大器輸出電壓將超過RAMP端的電壓，過流比較器將限制移在一個基本的值上。當該腳電壓超過2.5V時，輸出被關斷，軟啟動腳被拉至零。如果在該腳加入超過2.5V的直流電壓時，四個移相輸出端被關閉，並重新開始軟啟動。當CS端的電壓低於2.5V時，在SS端電壓開始上升前，開始以0度移相角輸出，即脈寬為0。
輸出驅動的死區控制腳DELAYSETC-D(pin5)/DELAYSETA-B(pin15)在同一橋臂的一對開關管斷開和開通間設置延時時間以防止一個橋臂的直通。在該引腳與信號地之間並接一個電阻和電容，就可以設置不同的死區時間。
軟啟動腳SS(pin6)在該腳與地之間連接一電容，可以設置軟啟動時間，使全橋變換器地脈寬從0開始慢慢增大。當VIN腳地電壓低於UVLO門檻電壓，該腳的電壓保持為零電壓。當VIN和VREF有效時，該腳的電壓由內部9uA的電流源拉升到4.8V。當電流檢測端的電壓超過2.5V時，該腳電壓也為零。
輸出腳OUTA～OUTD(pin7、pin8、pin12、pin13)這四個輸出腳都是圖騰柱輸出，提供100mA的驅動電流，可以直接驅動場效應管。每對中的兩個輸出佔空比為50％。C-D對用以驅動全橋電路的超前橋臂的開關管，且與時鐘信號同步。A-B對則驅動全橋電路滯後橋臂的開關管，它們相對於C-D對輸出信號移相了一定的角度。
輸出級電源電壓VC(pin9)該腳為輸出級及其相關的偏置電路提供電源。在該腳與電源地PWRGND之間應連接一個低ESR/ESL(低寄生電阻/寄生電感)的電容。
信號級電源電壓VIN(pin10)該腳為晶片內部邏輯與模擬電路提供電源。正常工作時應在該腳接入一穩定的符合晶片要求的電壓。為了確保工作正常，在VIN低於UVLO門檻電壓時，晶片不工作。在該腳與GND之間應連接一低ESR/ESL的電容。
電源地PWRGND(pin11)在電源VC引腳和PWRGND間接低ESR/ESL地旁路電容。
振蕩頻率設置腳CT(pin14)當選擇好RT以確定最大佔空比後，可用下式確定CT以選擇所需地開關頻率CT=Dmax1.08RTf]]>其中f為要設置的開關頻率，Dmax為最大佔空比。
為了保證較高的精度和減少寄生分布的影響，該容值不能低於200pF，PWM控制信號地最高頻率可達600KHz。
UVLO開門電壓設置腳UVSEL(pin16)該腳為VIN地欠壓鎖定輸出設置腳。將該腳與VIN相連，可設置有1.5V遲滯地10.75V開門電壓；如果將該腳開路，則設置有6V遲滯地15.25V開門電壓。
時鐘信號/同步信號佔空比設置腳RT(pin18)UC3879振蕩器產生一鋸齒波，鋸齒波的上升邊由連接在RT與GND之間的電阻和連接在CT與GND之間的電容來決定。鋸齒波的下降邊由輸出死區時間決定。RT的選擇由所需的最大佔空比來決定RT=2.510mA(1-Dmax)]]>鋸齒波電壓端RAMP(pin19)該引腳是PWM比較器的輸入腳。如果是電壓控制型，則將它連接在CT腳；如果是電流型，則將它連接在CS端，同時將它連接到電流檢測變換電路的輸出端。鋸齒波的斜率補償由從CT腳到RAMP的電壓來決定。
信號地GND(pin20)所有電壓都是相對於GND測量的。
IV框所示為均流電路，其IC3(UC3902)是Unitrode公司的自主均流晶片，電路接法採用了Unitrode公司提供的器件資料中的典型接法。其中P端接到另一臺模塊的均流母線正節點，Q端接到另一臺模塊的均流母線負節點。
V框所示為中心控制器，IC15為內置CPU部分，採用的是TI公司的MCS430F149。LM35是溫度感應器，TL431是基準電壓源。
具體實施中，利用了MOS管本身的寄生二極體，採用MOS管雙管並聯的方式，以增加通流量。該實施例是220V15A的自然冷卻的調壓模塊，輸入電壓範圍為180～300Vdc，輸出電壓範圍210～232Vdc，輸出額定電流15A，穩壓精度≤0.5％。
權利要求1.一種DC/DC全橋移相電力調壓模塊，它包括主電路和控制電路兩個部分，主電路中設有零電壓開關PWM移相全橋電路，其特徵是在所設的零電壓開關PWM移相全橋電路基礎上設有兩個起鉗位作用的二極體，使電路中的諧振電感(L1)上的能量在換流過程中不再與輸出電路起作用，並由諧振電感(L1)的存在，減小了開通時原邊峰值電流，使得主變壓器(T2)漏感上貯能減小，對輸出整流二極體上的尖峰電壓進行鉗位，其中，一個鉗位管二極體的(D8)陽極、與另一個鉗位管二極體(D27)的陰極接在隔直電容(C4)和諧振電感(L1)的公共節點上，而其相應的一個鉗位管二極體(D8)的陰極接到輸入母線正端(M)，一個鉗位管二極體(D27)的陽極接到輸入母線負端(N)。
專利摘要本實用新型公開了一種電路裝置模塊。DC/DC全橋移相電力調壓模塊，包括主電路和控制電路兩個部分，主電路中設有零電壓開關PWM移相全橋電路，其中設有兩個起鉗位作用的二極體，使電路中的諧振電感上的能量在換流過程中不再與輸出電路起作用，並由諧振電感的存在，減小了開通時原邊峰值電流，使得主變壓器漏感上貯能減小，對輸出整流二極體上的尖峰電壓進行鉗位，一個鉗位管二極體的陽極、與另一個鉗位管二極體的陰極接在隔直電容和諧振電感的公共節點上，而其相應的一個鉗位管二極體的陰極接到輸入母線正端，一個鉗位管二極體的陽極接到輸入母線負端。實現了無級調壓和模塊結構化，穩壓精度≤0.5％。該模塊用作電力系統操作電源的調壓變換裝置。
文檔編號H02M3/04GK2691158SQ200320109339
公開日2005年4月6日 申請日期2003年10月27日 優先權日2003年10月27日
發明者範德育 申請人:杭州中恆電氣股份有限公司