全橋LLC諧振隔離大功率高壓電源電路的製作方法

2023-06-13 08:00:06 3

本實用新型涉及一種應用於電子工業、科研等領域中的全橋LLC諧振隔離大功率高壓電源電路。

背景技術：

目前在高壓電源的市場中，一方面有許多是採用傳統的硬開關變換模式，工作頻率越高，其開關損耗越大，轉換效率越低。同時，開關管在工作時會產生很大的di/dt和du/dt，使電磁幹擾增加，影響電源周圍設備的正常工作，特別是對於大功率高壓電源而言，上述現象尤為突出；另一方面，對於共地的DC/DC大功率高壓電源來說，由於輸入電流大，輸出功率高，輸入、輸出及控制部分等在電路中直接相通，其工作時，自身控制部分很容易受到功率電路等的串擾，造成環路的自激或諧波增加等現象，從而導致電源的性能指標下降。

技術實現要素：

鑑於現有技術的不足，本實用新型提供了一種開關損耗低、轉換效率高、負載範圍寬的全橋LLC諧振隔離大功率高壓電源電路。

本實用新型為實現上述目的，所採取的技術方案是：一種全橋LLC諧振隔離大功率高壓電源電路，包括輔助電路、隔離控制電路、輸出電流反饋電路，其特徵在於：還包括全橋LLC諧振及控制驅動電路、高壓輸出及電壓反饋電路，所述隔離控制電路分別與輔助電路、輸出電流反饋電路、全橋LLC諧振及控制驅動電路、高壓輸出及電壓反饋電路連接，所述高壓輸出及電壓反饋電路分別與輸出電流反饋電路、全橋LLC諧振及控制驅動電路連接，所述輔助電路與輸出電流反饋電路連接，供電輸入分別與輔助電路和全橋LLC諧振及控制驅動電路連接；

具體電路連接為：所述全橋LLC諧振及控制驅動電路中，變壓器TRF2的初級繞組Lp21的同名端a1與變壓器TRF3的初級繞組Lp31的同名端a2相連後接隔離控制電路中晶片U1的輸出端11腳，變壓器TRF2的初級繞組Lp21的異名端b1與變壓器TRF3的初級繞組Lp31的異名端b2相連後接隔離控制電路中晶片U1的另一輸出端14腳，電阻R7與二極體D9並聯，電阻R9與二極體D10並聯，電阻R11與二極體D11並聯，電阻R13與二極體D12並聯，電阻R8與二極體D18並聯，電阻R10與二極體D19並聯，電阻R12與二極體D20並聯，電阻R14與二極體D21並聯，電容C2與二極體D14並聯，電容C3與二極體D15並聯，電容C4與二極體D16並聯，電容C5與二極體D17並聯，變壓器TRF2的次級繞組Ls21同名端11與二極體D9的負極連接，二極體D9的正極分別接二極體D18的負極和MOS三極體T1的柵極，變壓器TRF2的次級繞組Ls21的異名端21分別與二極體D14和D18的正極、MOS三極體T1的源極連接，變壓器TRF2的次級繞組Ls22異名端31與二極體D10的負極連接，二極體D10的正極分別接二極體D19的負極和MOS三極體T2的柵極，變壓器TRF2的次級繞組Ls22的同名端41分別與二極體D15和D19的正極、MOS三極體T2的源極連接並接輸入地GND，變壓器TRF3的次級繞組Ls31異名端12與二極體D11的負極連接，二極體D11的正極分別接二極體D20的負極和MOS三極體T3的柵極，變壓器TRF3的次級繞組Ls31的同名端22分別與二極體D16和D20的正極、MOS三極體T3的源極連接，變壓器TRF3的次級繞組Ls32同名端32與二極體D12的負極連接，二極體D12的正極分別接二極體D21的負極和MOS三極體T4的柵極，變壓器TRF3的次級繞組Ls32的異名端42分別與二極體D17和D21的正極、MOS三極體T4的源極連接並接輸入地GND，二極體D14和D16的負極相連後分別接MOS三極體T1和T3的漏極、電容C1的正端、電感L1的一端，電容C1的負極接輸入地GND，電感L1的另一端接供電輸入端Vin， 二極體D15的負極分別接MOS三極體T2的漏極、MOS三極體T1的源極、電容C6的一端，二極體D17的負極分別接MOS三極體T4的漏極、MOS三極體T3的源極、電感L2的一端，電容C6的另一端接變壓器TRF1初級繞組Lp11的同名端12，電感L2的另一端接變壓器TRF1初級繞組Lp11的異名端7；

所述高壓輸出及電壓反饋電路中，二極體D1和D2順向串聯，二極體D3和D4順向串聯，二極體D5和D6順向串聯，二極體D7和D8順向串聯，二極體D2的負極與二極體D3的正極相連後接變壓器TRF1的次級繞組Ls11的同名端1，二極體D7的負極與二極體D6的正極相連後接變壓器TRF1的次級繞組Ls11的異名端6，二極體D4和D5的負極相連後分別接電容C9和電感L3的一端，電感L3的另一端分別與電阻R4和R26的一端、電容C10和C11的一端連接，電阻R26的另一端接高壓輸出端+HV，電阻R18與電容C12、二極體D13並聯，二極體D1和D8的正極相連後分別接二極體D13的負極、電容C9的另一端、輸出電流反饋電路中電阻R32的一端，二極體D13的正極與電容C10的另一端相連後接高壓輸出地HGND，電阻R4的另一端通過電阻R5和R6分別與電阻R15和R16及電容C25的一端相連，電容C26的一端分別接電容C11和C25的另一端，電阻R16的另一端通過電阻R17與電容C26的另一端相連後接控制輸出地G，電容C19和電阻R28串聯後與電容C24並聯，電容C18與電阻R24並聯，電阻R15的另一端分別接放大器U3B的反相輸入端6腳、電容C24的一端，放大器U3B的輸出端7腳分別接電阻R25的一端、電容C24的另一端，電阻R25的另一端分別接電阻R24的一端、隔離控制電路中晶片U1的補償端9腳、輸出電流反饋電路中三極體T6的集電極，電阻R24的另一端接控制輸出地G，放大器U3B的同相輸入端5腳分別接二極體D22正極、電阻R27和電容C20的一端，電阻R27的另一端與電阻R3的一端相連後接隔離控制電路中V/V轉換器的5腳，電容C20的另一端與電阻R3的另一端相連後接控制輸出地G，二極體D22的負極接內部基準端Vref。

本實用新型的有益效果是：採用全橋LLC諧振驅動變換，PWM控制方式，實現了功率開關管的零電壓導通，輸出整流管的零電流關斷，從而降低了開關功率損耗。變換器的主電路結構簡單，電源的轉換效率較高，有利於高壓電源的高頻和高功率密度。在較寬的輸入電壓和輸出負載範圍內，有較好的調節特性。輸入輸出採用隔離方式，減少電路間的直接串擾，方便外部控制，提高了電源的性能指標及可靠性。

附圖說明

圖1為本實用新型中的電路連接框圖；

圖2為本實用新型的電路原理圖。

具體實施方式

如圖1、2所示，全橋LLC諧振隔離大功率高壓電源電路，包括輔助電路、隔離控制電路、輸出電流反饋電路，還包括全橋LLC諧振及控制驅動電路、高壓輸出及電壓反饋電路。

隔離控制電路分別與輔助電路、輸出電流反饋電路、全橋LLC諧振及控制驅動電路、高壓輸出及電壓反饋電路連接，高壓輸出及電壓反饋電路分別與輸出電流反饋電路、全橋LLC諧振及控制驅動電路連接，輔助電路與輸出電流反饋電路連接，供電輸入分別與輔助電路和全橋LLC諧振及控制驅動電路連接。

具體電路連接為：全橋LLC諧振及控制驅動電路中，變壓器TRF2的初級繞組Lp21的同名端a1與變壓器TRF3的初級繞組Lp31的同名端a2相連後接隔離控制電路中晶片U1的輸出端11腳，變壓器TRF2的初級繞組Lp21的異名端b1與變壓器TRF3的初級繞組Lp31的異名端b2相連後接隔離控制電路中晶片U1的另一輸出端14腳，電阻R7與二極體D9並聯，電阻R9與二極體D10並聯，電阻R11與二極體D11並聯，電阻R13與二極體D12並聯，電阻R8與二極體D18並聯，電阻R10與二極體D19並聯，電阻R12與二極體D20並聯，電阻R14與二極體D21並聯，電容C2與二極體D14並聯，電容C3與二極體D15並聯，電容C4與二極體D16並聯，電容C5與二極體D17並聯，變壓器TRF2的次級繞組Ls21同名端11與二極體D9的負極連接，二極體D9的正極分別接二極體D18的負極和MOS三極體T1的柵極，變壓器TRF2的次級繞組Ls21的異名端21分別與二極體D14和D18的正極、MOS三極體T1的源極連接，變壓器TRF2的次級繞組Ls22異名端31與二極體D10的負極連接，二極體D10的正極分別接二極體D19的負極和MOS三極體T2的柵極，變壓器TRF2的次級繞組Ls22的同名端41分別與二極體D15和D19的正極、MOS三極體T2的源極連接並接輸入地GND，變壓器TRF3的次級繞組Ls31異名端12與二極體D11的負極連接，二極體D11的正極分別接二極體D20的負極和MOS三極體T3的柵極，變壓器TRF3的次級繞組Ls31的同名端22分別與二極體D16和D20的正極、MOS三極體T3的源極連接，變壓器TRF3的次級繞組Ls32同名端32與二極體D12的負極連接，二極體D12的正極分別接二極體D21的負極和MOS三極體T4的柵極，變壓器TRF3的次級繞組Ls32的異名端42分別與二極體D17和D21的正極、MOS三極體T4的源極連接並接輸入地GND，二極體D14和D16的負極相連後分別接MOS三極體T1和T3的漏極、電容C1的正端、電感L1的一端，電容C1的負極接輸入地GND，電感L1的另一端接供電輸入端Vin， 二極體D15的負極分別接MOS三極體T2的漏極、MOS三極體T1的源極、電容C6的一端，二極體D17的負極分別接MOS三極體T4的漏極、MOS三極體T3的源極、電感L2的一端，電容C6的另一端接變壓器TRF1初級繞組Lp11的同名端12，電感L2的另一端接變壓器TRF1初級繞組Lp11的異名端7。

高壓輸出及電壓反饋電路中，二極體D1和D2順向串聯，二極體D3和D4順向串聯，二極體D5和D6順向串聯，二極體D7和D8順向串聯，二極體D2的負極與二極體D3的正極相連後接變壓器TRF1的次級繞組Ls11的同名端1，二極體D7的負極與二極體D6的正極相連後接變壓器TRF1的次級繞組Ls11的異名端6，二極體D4和D5的負極相連後分別接電容C9和電感L3的一端，電感L3的另一端分別與電阻R4和R26的一端、電容C10和C11的一端連接，電阻R26的另一端接高壓輸出端+HV，電阻R18與電容C12、二極體D13並聯，二極體D1和D8的正極相連後分別接二極體D13的負極、電容C9的另一端、輸出電流反饋電路中電阻R32的一端，二極體D13的正極與電容C10的另一端相連後接高壓輸出地HGND，電阻R4的另一端通過電阻R5和R6分別與電阻R15和R16及電容C25的一端相連，電容C26的一端分別接電容C11和C25的另一端，電阻R16的另一端通過電阻R17與電容C26的另一端相連後接控制輸出地G，電容C19和電阻R28串聯後與電容C24並聯，電容C18與電阻R24並聯，電阻R15的另一端分別接放大器U3B的反相輸入端6腳、電容C24的一端，放大器U3B的輸出端7腳分別接電阻R25的一端、電容C24的另一端，電阻R25的另一端分別接電阻R24的一端、隔離控制電路中晶片U1的補償端9腳、輸出電流反饋電路中三極體T6的集電極，電阻R24的另一端接控制輸出地G，放大器U3B的同相輸入端5腳分別接二極體D22正極、電阻R27和電容C20的一端，電阻R27的另一端與電阻R3的一端相連後接隔離控制電路中V/V轉換器的5腳，電容C20的另一端與電阻R3的另一端相連後接控制輸出地G，二極體D22的負極接內部基準端Vref。

放大器的型號為：17358。

隔離控制電路中晶片U1的型號為SG3525。

該大功率高壓電源電路採用全橋LLC諧振驅動變換，PWM控制方式，在相關參數選配合理的情況下，能降低功率開關的dv/dt和di/dt，減小開關功率損耗，降低輸出紋波及噪聲，有利於高頻和高功率密度的實現。

輸入與輸出採用隔離方式，一則是減小輸出迴路對輸入及控制迴路的直接影響；二則是方便外部控制，通過隔離V/V變換器，線性調節輸出電壓，提高電壓控制精度。

為保證穩定的電壓輸出，諧振電容C6在選擇時，可參考供電電壓選擇其耐壓值。

在變壓器製作中，採用高耐壓高溫絕緣薄膜材料，以及浸漆等方法，通過合理的繞制方式，確保變壓器的絕緣耐壓。

合理布局PCB ，確保輸入、輸出、控制等各迴路的獨立路徑；

選用低噪聲、低溫漂、高穩定性的元器件；高壓輸出部分的元器件要考慮一定的耐壓冗餘。

工作原理

如圖1、2所示，該高壓電源電路包括輔助電路、隔離控制電路、全橋LLC諧振及控制驅動電路、高壓輸出及電壓反饋電路、輸出電流反饋電路。

在隔離控制電路、全橋LLC諧振及控制驅動電路中，主控制晶片U1採用SG3525，PWM控制方式，其兩個輸出端11和14端，交替輸出最大接近50%佔空比的控制方波脈衝信號，它們通過驅動變壓器TRF2和TRF3，以及相關電路，分別驅動全橋結構的功率開關MOS三極體T1、T2、T3、和T4。其中，開關管T1和T4的控制脈衝相同，開關管T2和T3的控制脈衝相同。當開關管T1和T4關斷時，諧振網絡產生諧振，使並接在開關管T2和T3上的二極體D15、D16導通，將開關管T2和T3漏源兩端的電壓鉗位為零，從而實現開關管T2和T3的零電壓導通；同理，當開關管T2和T3關斷時，諧振網絡產生諧振，使並接在開關管T1和T4上的二極體D14、D17導通，將開關管T1和T4漏源兩端的電壓鉗位為零，從而實現開關管T1和T4的零電壓導通。

在輔助電路中，由於輸入與輸出隔離，供電輸入Vin，分別通過隔離DC/DC模塊電源PS1和PS2，獲得大功率高壓電源內部供電電源Vcc與+12V，其中Vcc作為V/V變換器的輸入端供電，+12V作為電源高隔部分的內部供電。

在高壓輸出及電壓反饋電路中，在變壓器TRF1次級得到的高頻高壓脈衝，通過由二極體D1~D8組成的橋式整流，又經由電容C9、C10以及電感L3組成的高壓π型濾波後，輸出高壓。通過由電阻R3~R6、R16、R17，以及電容C11、C25和C26等組成的交直流輸出高壓反饋網絡，獲得的電壓採樣信號，經誤差放大器U3B，控制隔離控制電路中晶片U1的9腳，進而控制脈衝寬度，最終控制輸出高壓。

在輸出電流反饋電路中，通過在高壓輸出迴路中獲得的輸出電流採樣信號，與輸出電流給定值疊加（電位器RW1為調節輸出電流給定），經誤差放大器U3A後，控制三極體T6的通、斷，從而限制最大高壓輸出電流。