一種浮空器用寬電壓輸入高效直流電源變換器的製造方法
2023-12-02 04:24:01
一種浮空器用寬電壓輸入高效直流電源變換器的製造方法
【專利摘要】本實用新型公開了一種浮空器用寬電壓輸入高效直流電源變換器，該變換器包括有SuperBuck電路、推挽電路、閉環控制電路以及用於實現SuperBuck電路與推挽電路輸出端串聯的二極體；SuperBuck電路由電感、電容、二極體、開關管組成；推挽電路由開關管、升壓變壓器、整流二極體、濾波電容組成。該直流電源變換器具有輸入輸出電壓極性相同，主電路器件簡單，輸入輸出電流連續，輸入輸出共地，具有對電源母線和蓄電池造成的電流脈動較小，以及能夠實現升降壓平滑切換的優點。
【專利說明】一種浮空器用寬電壓輸入高效直流電源變換器
【技術領域】
[0001]本實用新型涉及一種電源變換器，更特別地說，是指一種適用於平流層浮空器用的寬電壓輸入高效率直流電源變換器。
【背景技術】
[0002]平流層浮空器是一種位於平流層的綜合信息平臺，採用航空飛行器設計思路，具有較大的氣囊，充滿輕質氣體(如氦氣)，可依靠空氣浮力來平衡飛行器重力，一般靠太陽能提供動力，靠螺旋槳推力來克服阻力，工作高度在20km左右，可長時間定點懸停，能低速水平飛行，機動性能較好，對於預警探測、通信保障等應用潛力巨大，頗受世界國的青睞，已成為目前國內外的研究熱點。
[0003]參見圖1所示，平流層浮空器長時間駐空停留，需要有高效太陽能電池陣(SA)、高比能蓄電池組以及電源控制器組成的能源循環系統，其中電源控制器(PCU)是能源循環系統的核心，包括分流調節器(SR)、充電調節器(BCR)、放電調節器(BDR)和誤差控制器(MEA)，其功能是協調太陽電池陣、蓄電池工作，白天時，太陽電池陣通過充電調節器(BCR)給蓄電池供電，BCR同時控制母線電壓；夜晚時，蓄電池需要放電調節器(BDR)向負載放電，同時控制母線電壓，其中BDR、BCR的功能均可通過直流電源變換器實現。
[0004]PCU有其自身特點，第一，所需功率較大，直流電源變換器基本在幾十千瓦到百千瓦量級，目前還沒有相關參照；第二，系統要求母線側電壓紋波小，小於0.5%，因此電源變換器要求輸出電流具有連續性，單獨降壓斬波電路(Buck)、升壓斬波電路(Boost)—側電流斷續的直流電源變換器並不適合用於浮空器PCU系統；第三，浮空器PCU系統要求蓄電池與母線公地，因此要求直流變換電源輸入輸出共地，純隔離型直流電源變換器不適合用於浮空器rcu系統；第四，由於目前浮空器採用柔性薄膜太陽能電池轉換效率較低，為了更大限度發揮太陽能電池能源利用率，要求直流電源變換器高效率傳輸。第五，太陽能電池電壓與蓄電池電壓可能在母線電壓上下波動，中間直流電源變換就需要寬範圍輸入並且能夠實現升降壓功能。
[0005]常用的非隔離並且能夠升降壓的直流電源變換器拓撲結構包括雙開關管的降壓一升壓電路(Buck/Boost)、升壓一降壓電路(Cuk電路)。其中降壓一升壓輸入輸出電流斷續，諧波大，電磁兼容性差，開關兀件電壓應力大；升壓一降壓變換電路中輸入輸出電感可改善電磁兼容性，但其中間電壓是輸入輸出電壓之和，使開關元件電壓應力大，開關損耗大，效率低，且開關元件電流應力在相同功率情況下大一倍，並且輸入輸出極性相反。
[0006]因此現有直流電源變換器拓撲結構還不能滿足上述浮空器P⑶系統的要求。
【發明內容】
[0007]針對上述需求和現有技術不足，本實用新型提供了一種浮空器用寬電壓輸入高效直流電源變換器。該變換器包括SuperBuck電路、二極體、推挽電路、閉環控制電路。這三種電路的結合能夠實現寬電壓輸入和高效率變換，以及輸入輸出的電流連續。[0008]SuperBuck電路具有輸入輸出電壓極性相同，主電路器件簡單,輸入輸出電流連續，具有對電源母線和蓄電池造成的電流脈動較小的優點，但不能實現升壓功能。
[0009]推挽電路工作在雙向磁化狀態，且副邊濾波器的工作頻率為兩倍的開關頻率，有利於減小濾波器的體積，但屬於前後級隔離，並且只能實現升壓或者降壓單一功能。
[0010]本實用新型設計的變換器採用SuperBuck電路輸出與推挽電路輸入串聯連接，SuperBuck電路輸出通過二極體D12與推挽電路輸出負極串聯連接，能夠實現輸入輸出電流連續，輸入輸出非隔離，寬範圍輸入，具有升壓和降壓功能，以及高效變換。
[0011]本實用新型是一種浮空器用寬電壓輸入高效直流電源變換器，該變換器包括SuperBuck電路、二極體D12、推挽電路、以及用於SuperBuck電路的閉環控制電路和用於推挽電路的閉環控制電路；所述二極體D12用於實現SuperBuck電路與推挽電路的輸出串聯；
[0012]SuperBuck電路由第一電感L1、第一電容C1、第二電感L2、第一二極體D11、第一開關管札和第二電容C2組成；
[0013]推挽電路由第二開關管仏和第三開關管M3，升壓變壓器T1、第一整流二極體D13、第二整流二極體D14、第三整流二極體D15和第四整流二極體D16，第三電容C3組成；
[0014]電感L1的I端與變換器輸入端正極連接，電感L1的2端經電容Cl、電感L2後與變換器輸入端負極連接，電感L1的2端與開關管Ml的I端連接，電感L2的2端經二極體Dll後與開關管Ml的2端連接，開關管Ml的2端經電容C2後連接到變換器的輸出端負極，開關管Ml的2端經二極體D1 2、二極體D14、二極體D13、二極體D16、二極體D15後與變換器輸出正極連接，開關管Ml的2端與變壓器Tl的2端連接，開關管Ml的3端經電阻R51後與驅動晶片U5的第5腳連接；
[0015]開關管M2的I端與變換器輸入端負極連接，開關管M2的3端經電阻RlOl後與驅動晶片UlO的第5腳連接，開關管M2的2端與升壓變壓器T1的I端連接；
[0016]開關管M3的I端與變換器輸入端負極連接，開關管M3的3端經電阻Rlll後與驅動晶片Ull的第5腳連接，開關管M3的2端與升壓變壓器T1的3端連接。
[0017]升壓變壓器T1的I端與開關管M2的2端連接，升壓變壓器T1的2端與開關管Ml的2端連接，升壓變壓器T1的3端與開關管M3的2端連接，升壓變壓器T1的4端連接在二極體D13與二極體14之間，升壓變壓器T1的5端連接在二極體D15與二極體D16之間。
[0018]二極體D12經二極體D14、二極體D13後接變換器的輸出端正極；二極體D12經二極體D16、二極體D15後接變換器的輸出端正極；
[0019]電容C3串聯在變換器的輸出端的正極與負極之間；
[0020]第一電壓傳感器VS I用於測量電源母線的輸入正負端子間的電壓；
[0021]第二電壓傳感器VS II用於測量電源母線的輸出正負端子間的電壓；
[0022]第一電流傳感器CS I用於測量變壓器T的原邊的電流；
[0023]第二電流傳感器CS II用於測量變換器T的輸出電流；
[0024]給定電流記為Ig，給定電壓記為Ug。
[0025]本實用新型設計的變換器，既可以作為充電調節器用，也可以作為放電調節器用。
[0026]本實用新型的變換器，通過誤差放大器和閉環控制電路可以根據輸入輸出電壓的大小關係，實現降壓電路和升壓電路自動切換。[0027]閉環控制電路採用電壓外環一電流內環的雙閉環控制，通過產生PWM驅動信號，連接到三個開關管的柵極，既能夠控制電壓，又能夠控制電流。
[0028]本實用新型變換器的優點在於:
[0029](A)採用SuperBuck電路輸出與推挽電路輸入串聯連接，SuperBuck電路輸出正極通過二極體與推挽電路輸出負極串聯連接，能夠實現升壓和降壓平滑切換。
[0030](B)本實用新型設計的變換器可以作為充電調節器用，也可以作為放電調節器用。升壓時，相當於在輸入電壓基礎上疊加推挽電路輸出電壓，輸入電壓無損失傳輸到輸出端，能夠實現升壓時的高效率變換。該變換器在升壓和降壓兩個階段輸入和輸出側電流均連續，使得電壓輸出紋波小，對母線和蓄電池造成的電流脈動較小。
[0031 ] (C)在本實用新型中，控制採用電壓外環電流內環的雙閉環控制電路模式，電流內環提高了系統的動態響應，優先調整電流環，同時配合電壓環使得電路既能擁有較快的動態響應又能有一個較小的輸出紋波，最終通過該電壓外環電流內環雙閉環實現恆壓恆流輸出。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0032]圖1是傳統電源控制器P⑶的結構框圖。
[0033]圖2是本實用新型變換器作為放電調節器時的電路拓樸圖。
[0034]圖2A是本實 用新型變換器作為充電調節器時的電路拓樸圖。
[0035]圖3是本實用新型的SuperBuck閉環控制電路的原理圖。
[0036]圖4是本實用新型的推挽閉環控制電路的原理圖。
【具體實施方式】
[0037]下面將結合附圖對本實用新型做進一步的詳細說明。
[0038]參見圖1所示，圖中SA為太陽能電池陣，SAl為第一組太陽能電池陣，SA2為第二組太陽能電池陣，SAn為第η組太陽能電池陣，SR為分流調節器，SRl為第一個分流調節器，SR2第二個為分流調節器，SRn為第η個分流調節器，Dl為第一個二極體，D2為第二個二極體，Dn為第η個二極體，MEA為誤差放大器，BCR為充電調節器，BDR為放電調節器，Cbus為電容，該電容接地，BAT為蓄電池組，PCU為電源控制器，PDU為配電器，虛線為電源母線。
[0039]白天，太陽能電池陣(SA1、SA2、......、SAn)—方面直接為負載供電，另一方面通過
充電調節器BCR向蓄電池組BAT充電；太陽能電池陣(SA1、SA2、……、SAn)產生的多餘電能將通過分流調節器(SR1、SR2、……、SRn)進行分流處理。當負載所需功率需要增加時，通過增加負載供電的功率和減少向BCR輸出充電功率來滿足負載需求；當負載功率需求超過太陽能電池陣(SA1、SA2、……、SAn)供電能力時，蓄電池組BAT將通過放電調節器BDR向負載提供電能。夜間，負載需求功率全部由太陽能電池陣(SA1、SA2、……、SAn)通過BDR提供。在圖1中，MEA的作用一方面是對BDR、BCR、SR1、SR2、……、SRn進行工作模式轉換，另一方面是調節太陽電池陣(SA1、SA2、……、SAn)、蓄電池組BAT和負載間的功率平衡。第一個二極體Dl用於實現將第一組太陽能電池陣SAl產生的電能進行單向導電，第二個二極體D2用於實現將第二組太陽能電池陣SA2產生的電能進行單向導電，第η個二極體Dn用於實現將第η組太陽能電池陣SAn產生的電能進行單向導電，Cbus用於實現電源母線穩壓。[0040]參見圖2、圖3、圖4所示，本實用新型是一種浮空器用寬電壓輸入高效直流電源變換器，該變換器包括超級降壓電路(SuperBuck)、二極體D12、推挽電路和閉環控制電路；
[0041]所述二極體D12用於實現SuperBuck電路與推挽電路的輸出串聯；
[0042]所述閉環控制電路包括SuperBuck閉環控制電路和推挽閉環控制電路。
[0043]在本實用新型中的閉環控制電路由PWM專用晶片SG2525A，雙極性集成運放電路選取LM324晶片，與非門選取⑶4011晶片(如圖3和圖4)。
[0044]本實用新型設計的變換器可以作為充電調節器用，即替換圖1中的BCR;也可以作為放電調節器用，即替換圖1中的BDR。下文出現的BCR或者BDR都是指本實用新型設計的變換器作為充電調節器或者放電調節器使用的指代說明。
[0045]參見圖2、圖2A所示，圖中VS I為第一電壓傳感器，VS II為第二電壓傳感器，CS I為第一電流傳感器，CS II為第二電流傳感器，M1為第一個開關管，M2為第二個開關管，M3為第三個開關管。在本實用新型中，SuperBuck電路由電感U、電容Q、電感L2、二極體Dn、開關管M1和電容C2組成。推挽電路由開關管M2和開關管M3,升壓變壓器T1、整流二極體D13、整流二極體D14、整流二極體D15和整流二極體D16,電容C3組成。
[0046]本實用新型設計的是一種浮空器用寬電壓輸入高效直流電源變換器，當將變換器作為放電調節器BDR使用時:參見圖2所示，第一電壓傳感器VS I用於測量蓄電池組的輸出電壓，記為BDR輸入電壓信號。第二電壓傳感器VS II用於測量電源母線的輸出正負
端子間的電壓，記為BDR輸出電壓信號。第一電流傳感器CS I用於測量變壓器Tl的
原邊電流，記為BDR輸入電流信號/】_。第二電流傳感器CS II用於測量變換器的輸出電流，
記為BDR輸出電流信號。給定電流記為Ig，給定電壓記為Ug。
`[0047]本實用新型設計的是一種浮空器用寬電壓輸入高效直流電源變換器，當將變換器作為充電調節器BCR使用時:參見圖2A所示，第一電壓傳感器VS I用於測量電源母線正負端子間的電壓，記為BCR輸入電壓信號U:R。第二電壓傳感器VS II用於測量蓄電池組的輸出電壓，記為BCR輸出電壓信號。第一電流傳感器CS I用於測量變壓器Tl的原邊電流，記為BCR輸入電流信號。第二電流傳感器CS II用於測量變換器的輸出電流，記為
BCR輸出電流信號。給定電流記為Ig，給定電壓記為Ug。
[0048]SuperBuck 電路
[0049]參見圖2、圖2A所示，電感L1的I端與變換器輸入端正極連接，電感L1的2端經電容Cl、電感L2後與變換器輸入端負極連接，電感L1的2端與開關管Ml的I端連接，電感L2的2端經二極體Dll後與開關管Ml的2端連接，開關管Ml的2端經電容C2後連接到變換器的輸出端負極，開關管Ml的2端經二極體D12、二極體D14、二極體D13、二極體D16、二極體D15後與變換器輸出正極連接，開關管Ml的2端與變壓器Tl的2端連接，開關管Ml的3端經電阻R51後與驅動晶片U5的第5腳連接。
[0050]在圖2中，第一電流傳感器CS I用於測量變換器(作為放電調節器使用時)的變壓器原邊電流信號(即BDR輸入電流信號第二電流傳感器CS II用於測量變換器的輸出
電流信號(即BDR輸出電流信號)。第一電壓傳感器VS I用於測量蓄電池組輸出電壓信號(即BDR輸入電壓信號C/.)。第二電壓傳感器VS II用於測量電源母線的輸出正負端子間的輸出電壓信號(即BDR輸出電壓信號Lr=)。
[0051]在圖2A中，第一電流傳感器CS I用於測量變換器(作為充電調節器使用時)的變壓器原邊電流信號(即BCR輸入電流信* / )，第二電流傳感器CS II用於測量變換器的輸出電流信號(即BCR輸出電流信號第一電壓傳感器VS I用於測量電源母線的輸出正負端子間的輸出電壓信號(即BCR輸入電壓信號LttsX第二電壓傳感器VS II用於測量蓄
電池組輸出電壓信號(即BCR輸出電壓信號LrSfi )。
[0052]推挽電路
[0053]參見圖2、圖2A所示，開關管M2的I端與變換器輸入端負極連接，開關管M2的3端經電阻RlOl後與驅動晶片UlO的第5腳連接，開關管M2的2端與升壓變壓器T1的I端連接。
[0054]開關管M3的I端與變換器輸入端負極連接，開關管M3的3端經電阻Rlll後與驅動晶片Ull的第5腳連接，開關管M3的2端與升壓變壓器T1的3端連接。[0055]升壓變壓器T1的I端與開關管M2的2端連接，升壓變壓器T1的2端與開關管Ml的2端連接，升壓變壓器T1的3端與開關管M3的2端連接，升壓變壓器T1的4端連接在二極體D13與二極體14之間，升壓變壓器T1的5端連接在二極體D15與二極體D16之間。
[0056]二極體D12經二極體D14、二極體D13後接變換器的輸出端正極；二極體D12經二極體D16、二極體D15後接變換器的輸出端正極；
[0057]電容C3串聯在變換器的輸出端的正極與負極之間。
[0058]在本實用新型中，SuperBuck電路的輸出極與推挽電路的輸入極採用串聯方式，同時SuperBuck電路的輸出極與推挽電路的輸出極通過二極體D12實現串聯。
[0059](A)當變換器(即作為放電調節器BDR用時)輸入電壓高於或等於給定電壓
Ug時(UiBm >^/g),所述變換器工作在降壓模式，推挽電路不工作，SuperBuck電路工作，
且SuperBuck電路的輸出正極通過二極體D12連接到推挽電路的輸出負極，實現降壓功能，此時由於單純SuperBuck電路具有較高變換效率，因此應用本實用新型變換器進行降壓時
具有較高的效率；當變換器(即作為放電調節器BDR用時)輸入電壓低於給定電壓Ug
時(Ui^m <Ug)，所述變換器工作在升壓模式，SuperBuck電路保持直通狀態，所述變換器
輸出電壓等於SuperBuck電路與推挽電路輸出電壓之和，此時該實用新型變換器的輸出電壓相當於推挽電路的輸出電壓加上輸入電壓，輸入電壓無損耗的傳輸到輸出電壓端，沒有效率損失，僅有輸出電壓和輸入電壓之差經過推挽電路轉換，因此該實用新型變換器升壓時也具有較高的變換效率，試驗證明該變換器無論是在升壓或者降壓模式，變換效率均超過了 96%。(B)當變換器(即作為充電調節器BCR用時)輸入電壓高於或等於給定電壓
Ug)，所述變換器工作在降壓模式，推挽電路不工作，SuperBuck電路工作，且SuperBuck電路的輸出正極通過二極體D12連接到推挽電路的輸出負極，實現降壓功能，此時由於單純SuperBuck電路具有較高變換效率，因此應用本實用新型變換器進行降壓時具有較高的效率；當變換器(即作為充電調節器BCR用時)輸入電壓低於給定電壓Ug
時(UtcR <Ugh所述變換器工作在升壓模式，SuperBuck電路保持直通狀態，所述變換器
輸出電壓等於SuperBuck電路與推挽電路輸出電壓之和，此時該實用新型變換器的輸出電壓相當於推挽電路的輸出電壓加上輸入電壓，輸入電壓無損耗的傳輸到輸出電壓端，沒有效率損失，僅有輸出電壓和輸入電壓之差經過推挽電路轉換，因此該實用新型變換器升壓時也具有較高的變換效率，試驗證明該變換器無論是在升壓或者降壓模式，變換效率均超過了 96%。
[0060]在本實用新型中，閉環控制電路採用電壓外環一電流內環的雙閉環控制電路模式，電流內環提高了對PCU的動態響應，優先調整電流環，但是要配合電壓環使得電路既能擁有較快的動態響應又能有一個較小的輸出紋波。
[0061]電壓外環一電流內環雙閉環的基本原理:對輸出電壓取樣，送入放大器與給定電壓比較，輸出的誤差作為電流給定，該電流給定與輸出電流的取樣進行比較，得到誤差信號，最後的誤差信號送到PWM產生晶片，最終實現恆流限壓輸出和恆壓限流輸出。
[0062]恆壓恆流輸出控制原理:當二極體D33或二極體D44導通時，電路工作在恆流模式，此時電壓環不起作用，電路相當於單環控制；當二極體D33或二極體D44截止時，電路工作在恆壓模式，電路採用串級雙環控制，電流環作為電壓環的內環，電壓環的輸出作為電流環的給定。
[0063]升降壓切換原理:由誤差放大器MEA和閉環控制電路(圖3和圖4)聯合作用:
[0064](A)當檢測到變換器(即作為放電調節器BDR用時)輸入電壓高於或等於給
定電壓Ug時(UinmR >Ug)f誤差放大器MEA輸出信號Ucmp為低電平，此時與非門U7第2腳
被拉低為零，則與非門3腳為正值，同樣PWM發生器U8的第10腳為高電平，則PWM發生器U8關斷輸出，此時推挽電路關斷輸出，最終電壓由SuperBuck閉環控制電路電壓給定決定，SuperBuck電路正極輸出通過二極體D12串聯到推挽電路輸入負極，實現降壓功能；
[0065]將當檢測到變換器(即作為放電調節器BDR用時)輸入電壓低於給定電壓Ug
時(UiHmCUg ),所述BDR工作在升壓模式，此時SuperBuck閉環控制電路的電壓為給定
電壓Ug,此時SuperBuck電路的PWM發生器產生滿脈寬，驅動開關管Ml，開關管Ml直通，相當於導線，電感LI和電容C2加入推挽電路的輸入級，作為濾波使得推挽電路輸入更穩，推挽閉環控制電路的電壓電流由誤差放大器MEA給定，實現升壓功能。
[0066](B)當檢測到變換器(即作為充電調節器BCR用時)輸入電壓高於或等於給
定電壓Ug時(UI1cr >Ug)f誤差放大器MEA輸出信號Ump為低電平，此時與非門U7第2腳
被拉低為零，則與非門3腳為正值，同樣PWM發生器U8的第10腳為高電平，則PWM發生器U8關斷輸出，此時推挽電路關斷輸出，最終電壓由SuperBuck閉環控制電路電壓給定決定，SuperBuck電路正極輸出通過二極體D12串聯到推挽電路輸入負極，實現降壓功能；
[0067]將當檢測到變換器(即作為充電調節器BCR用時)輸入電壓低於給定電壓Ug時(U^cr <Ug、，所述BCR工作在升壓模式，此時SuperBuck閉環控制電路的電壓為給定
電壓Ug,此時SuperBuck電路的PWM發生器產生滿脈寬，驅動開關管Ml，開關管Ml直通，相當於導線，電感LI和電容C2加入推挽電路的輸入級，作為濾波使得推挽電路輸入更穩，推挽閉環控制電路的電壓電流由誤差放大器MEA給定，實現升壓功能。
[0068]用於SuperBuck電路的閉環控制電路的各端子連接關係如下:
[0069]參見圖3所示，變換器(作為放電調節器BDR或者作為充電調節器BCR)的輸出電
壓信號(t/g:或者U:R)經電阻R18接地，經電容C17接地，經電阻R19、電容C18接地，經
電阻R19後與運算放大晶片Ul (Ul為LM324晶片)的第6腳連接；+5V電源經電阻R16、電阻R17接地，+5V電源經電阻R16、電容C16接地，+5V電源經電阻R16後與運算放大晶片Ul的第5腳連接；變換器(作為放電調節器BDR或者作為充電調節器BCR)的輸出電流信號
(JbBDR或者)經電阻R13接地，經電容C12接地，經電阻R14、電容C13接地，經電阻R14
後與運算放大晶片Ul的第2腳連接；+5V電源經電阻R11、電阻R12接地，+5V電源經電阻R11、電容Cll接地，+5V電源經電阻Rll後與運算放大晶片Ul的第3腳連接;U1的第I腳與第7腳經電阻R15接+5V電源，Ul的第I腳與第7腳經電容C15接地，Ul的第I腳、第7腳和與非門晶片U2 (Ul為CD4011晶片)的第I腳連接，與非門晶片U2的第14腳接+5V電源，與非門晶片U2的第14腳經電容C21接地，與非門晶片U2的第3腳與PWM發生器U3(U3為SG2525A)的第10腳連接。
[0070]變換器(作為放電調節器BDR或者作為充電調節器BCR)的輸出電壓信號?或
考UH )經電阻R42後與運算放大晶片U4 (U4為LM324晶片)的第6腳連接，電容C41連
接在電阻R42的兩端，變換器(作為放電調節器BDR或者作為充電調節器BCR)的輸出電壓
信號(U:或者U:R )經電阻R42、電容C43、電阻R44後與運算放大晶片U4的第7腳連
接，運算放大晶片U4的第5腳經電阻R41接地；給定電壓Ug經電組R43後與運算放大晶片U4的第6腳連接，電容C42連接在電組R43的兩端，給定電壓Ug經電阻R43、電容C43、電阻R44後與運算放大晶片U4的第7腳連接，運算放大晶片U4的第7腳經電阻R50、電阻R48後與第9腳連接，運算放大晶片U4的第7腳經電阻R50、電容C44後與第9腳連接。
[0071]變換器(作為放電調節器BDR或者作為充電調節器BCR)的輸出電流信號(Jbem或
考IbMJR )經電阻R49後與運算放大晶片U4的第9腳連接，電容C45連接在電阻R49的兩端；
給定電流Ig經二極體D3、電阻R48後與運算放大晶片U4的第9腳連接；運算放大晶片U4的第9腳與第8腳連接有電阻R46，第10腳經電阻R47接地，運算放大晶片U4的第8腳與第3腳連接有電阻R45，運算放大晶片U4的第2腳與第I腳串聯，運算放大晶片U4的第I腳經二極體D1、電容C35接地，運算放大晶片U4的第I腳經二極體Dl後與PWM發生器U3的第9腳連接。
[0072]開關管Ml經電阻R51後與驅動晶片U5 (U5為MC33153晶片)的第5腳連接，第6腳接+15V電源，第6腳經電容C51 後接地，第4腳經電阻R36接地，第4腳經二極體D31後與PWM發生器U3的第11腳連接，驅動晶片U5的第1、2、3、7、8腳接數字地。[0073]PWM發生器U3的第2腳經電阻R31接+5V電源，第I腳經電阻R32接+5V電源，第I腳經電阻R33接地，第I腳經電容C32接地；第12腳接地，第3腳經電阻R34接地，第13腳接+15V電源，第15腳接+15V電源，第15腳經電容C31接地，第5腳經電容C33接地，第6腳經電阻R35接地，第7腳經電容C33接地，第8腳經電容C34接地，第16腳經電容C36接地，第4腳經電容C37接地，第11腳經二極體D31、電阻R36接地，第14腳經二極體D32、電阻R36接地。
[0074]用於推挽電路的閉環控制電路的各端子連接關係如下:
[0075]參見圖4所示，變換器(作為放電調節器BDR或者作為充電調節器BCR)的輸出電
壓信號沿°二或考U:R )經電阻R74接地，經電容C73接地，經電阻R75、電容C74接地，經
電阻R75後與運算放大晶片U6 (U6為LM324晶片)的第13腳連接；+5V電源經電阻R72、電阻R73接地，+5V電源經電阻R72、電容C72接地，+5V電源經電阻R72後與運算放大晶片U6的第12腳連接；變換器(作為放電調節器BDR或者作為充電調節器BCR)的輸出電流信號
ijbBDR或考1bBCR)經電阻冊9接地，經電容C67接地，經電阻R76、電容C68接地，經電阻R76
後與運算放大晶片U6的第9腳連接；+5V電源經電阻R67、電阻R68接地，+5V電源經電阻R67、電容C66接地，+5V電源經電阻R67後與運算放大晶片U6的第10腳連接；變換器(作
為放電調節器BDR或者作為充電調節器BCR)的輸入電流信號(Tbdr或考IaBCR )經電阻R63
接地，經電容C62接地，經電阻R64、電容C63接地，經電阻R64後與運算放大晶片U6的第2腳和第5腳連接；+15V電源經電阻R61、電阻R62接地，+15V電源經電阻R61、電容C61接地，+15V電源經電阻R61後與運算放大晶片U6的第3腳連接；_15V電源經電阻R65、電阻R66接地，-15V電源經電阻R`65、電容C64接地，-15V電源經電阻R65後與運算放大晶片U6的第6腳連接；U6的第I腳與第7腳經電阻R77接+5V電源，Ul的第I腳與第7腳經電容C65接地，U6的第I腳與第7腳與非門晶片U7 (U7為⑶4011晶片)的第I腳連接；U6的第8腳與第14腳經電阻R70接+5V電源，U6的第8腳與第14腳經電容C77接地，誤差控制器的輸出信號Ucmp、U6的第8腳、第14腳和與非門晶片U7的第2腳連接；與非門晶片U7的第14腳接+5V電源，與非門晶片U7的第14腳經電容C71接地，與非門晶片U7的第3腳與PWM發生器U8 (U8為SG2525A)的第10腳連接。
[0076]變換器(作為放電調節器BDR或者作為充電調節器BCR)的輸出電壓信號?或
考U:)經電阻R92後與運算放大晶片U9 (U9為LM324晶片)的第6腳連接，電容C91連
接在電阻R92的兩端，變換器(作為放電調節器BDR或者作為充電調節器BCR)的輸出電壓
信號(uBDR或者uZr )經電阻R92、電容C92、電阻R94後與運算放大晶片U9的第7腳連
接，運算放大晶片U9的第5腳經電阻R91接地；給定電壓Ug經電組R93後與運算放大晶片U9的第6腳連接，電容C93連接在電組R93的兩端，給定電壓Ug經電阻R93、電容C92、電阻R94後與運算放大晶片U9的第7腳連接，運算放大晶片U9的第7腳經電阻R100、電阻R98後與第9腳連接，運算放大晶片U9的第7腳經電阻R100、電容C94後與第9腳連接。
[0077]變換器(作為放電調節器BDR或者作為充電調節器BCR)的輸出電流信號(/?或考IbBCR )經電阻R99後與運算放大晶片U9的第9腳連接，電容C95連接在電阻R99的兩端；
給定電流Ig經二極體D4、電阻R9W後與運算放大晶片U9的第9腳連接；運算放大晶片U9的第9腳與第8腳連接有電阻R96，第10腳經電阻R97接地，運算放大晶片U9的第8腳與第3腳連接有電阻R95，運算放大晶片U9的第2腳與第I腳串聯，運算放大晶片U9的第I腳經二極體D2、電容C85接地，運算放大晶片U9的第I腳經二極體D2後與PWM發生器U3的第9腳連接。
[0078]開關管M2經電阻RlOl後與驅動晶片UlO (U10為MC33153晶片)的第5腳連接，第6腳接+15V電源，第6腳經電容ClOl後接地，第4腳與PWM發生器U8的第11腳連接，驅動晶片UlO的第1、2、3、7、8腳接數字地。
[0079]開關管M3經電阻Rlll後與驅動晶片Ull (Ull為MC33153晶片)的第5腳連接，第6腳接+15V電源，第6腳經電容Cl 11後接地，第4腳與PWM發生器U8的第14腳連接，驅動晶片Ull的第1、2、3、7、8腳接數字地。
[0080]PWM發生器U8的第2腳經電阻R81接+5V電源，第I腳經電阻R82接+5V電源，第I腳經電阻R83接地，第I腳經電容C82接地；第12腳接地，第3腳經電阻R84接地，第13腳接+15V電源，第15腳接+15V電源，第15腳經電容C81接地，第5腳經電容C83接地，第6腳經電阻R85接地，第7腳經電容C83接地，第8腳經電容C84接地，第16腳經電容C86接地，第4腳經電容C87接地。
[0081]本實用新型設計的一種浮空器用寬電壓輸入高效直流電源變換器，採用SuperBuck電路輸出正極與推挽電路輸入正極串聯連接,且SuperBuck電路輸出正極通過二極體與推挽電路輸出負極串聯連接，SuperBuck電路輸出負極與推挽電路輸入負極和輸出負極連接。
[0082]本實用新型設計的一種浮空器用寬電壓輸入高效直流電源變換器，直流電源輸出電壓處於其輸入電壓變換範圍之間，該變換器具有升壓和降壓功能。
[0083]在本實用新型中，當變換器單機功率做到IOkW以上時，電源轉換效率96%以上。該變換器在升壓和降壓兩個階段輸入和輸出側電流均連續，具有較好的紋波係數。該變換器閉環控制電路採用電壓外環一電流內環的雙閉環控制電路，所述電流內環提高了系統的動態響應，優先調整電流環，同時配合電壓環使得變換器閉環控制電路既能擁有較快的動態響應又能有一個較小的輸出紋波。
【權利要求】
1.一種浮空器用寬電壓輸入高效直流電源變換器，其特徵在於:該變換器包括有SuperBuck電路、二極體D12、推挽電路、以及用於SuperBuck電路的閉環控制電路和用於推挽電路的閉環控制電路；所述二極體D12用於實現SuperBuck電路與推挽電路的輸出串聯； SuperBuck電路由第一電感L1、第一電容C1、第二電感L2、第一二極體D11、第一開關管M1和第二電容C2組成； 推挽電路由第二開關管仏和第三開關管M3，升壓變壓器T1、第一整流二極體D13、第二整流二極體D14、第三整流二極體D15和第四整流二極體D16，第三電容C3組成； 電感L1的I端與變換器輸入端正極連接，電感L1的2端經電容Cl、電感L2後與變換器輸入端負極連接，電感L1的2端與開關管Ml的I端連接，電感L2的2端經二極體Dll後與開關管Ml的2端連接，開關管Ml的2端經電容C2後連接到變換器的輸出端負極，開關管Ml的2端經二極體D12、二極體D14、二極體D13、二極體D16、二極體D15後與變換器輸出正極連接，開關管Ml的2端與變壓器Tl的2端連接，開關管Ml的3端經電阻R51後與驅動晶片U5的第5腳連接； 開關管M2的I端與變換器輸入端負極連接，開關管M2的3端經電阻RlOl後與驅動晶片UlO的第5腳連接，開關管M2的2端與升壓變壓器T1的I端連接； 開關管M3的I端與變換器輸入端負極連接，開關管M3的3端經電阻Rlll後與驅動晶片Ull的第5腳連接，開關管M3的2端與升壓變壓器T1的3端連接； 升壓變壓器T1的I端與開關管M2的2端連接，升壓變壓器T1的2端與開關管Ml的2端連接，升壓變壓器T1的3端與開關管M3的2端連接，升壓變壓器T1的4端連接在二極體D13與二極體14之間，升壓變壓器T1的5端連接在二極體D15與二極體D16之間； 二極體D12經二極體D14、二極體D13後接變換器的輸出端正極；二極體D12經二極體D16、二極體D15後接變換器 的輸出端正極； 電容C3串聯在變換器的輸出端的正極與負極之間； 第一電壓傳感器VS I用於測量電源母線的輸入正負端子間的電壓； 第二電壓傳感器VS II用於測量電源母線的輸出正負端子間的電壓； 第一電流傳感器CS I用於測量變壓器T的原邊的電流； 第二電流傳感器CS II用於測量變換器T的輸出電流； 給定電流記為Ig，給定電壓記為ug。
2.根據權利要求1所述的一種浮空器用寬電壓輸入高效直流電源變換器，其特徵在於=SuperBuck電路的閉環控制電路中變換器的輸出電壓信號經電阻R18接地，經電容C17接地，經電阻R19、電容C18接地，經電阻R19後與運算放大晶片Ul的第6腳連接；+5V電源經電阻R16、電阻R17接地，+5V電源經電阻R16、電容C16接地，+5V電源經電阻R16後與運算放大晶片Ul的第5腳連接；變換器的輸入電流信號經電阻R13接地，經電容C12接地，經電阻R14、電容C13接地，經電阻R14後與運算放大晶片Ul的第2腳連接；+5V電源經電阻Rl 1、電阻Rl2接地，+5V電源經電阻Rl 1、電容Cl I接地，+5V電源經電阻Rl I後與運算放大晶片Ul的第3腳連接;U1的第I腳與第7腳經電阻R15接+5V電源，Ul的第I腳與第7腳經電容C15接地，Ul的第I腳、第7腳和與非門晶片U2的第I腳連接，與非門晶片U2的第14腳接+5V電源，與非門晶片U2的第14腳經電容C21接地，與非門晶片U2的第3腳與PWM發生器U3的第10腳連接； 變換器的輸出電壓信號經電阻R42後與運算放大晶片U4的第6腳連接，電容C41連接在電阻R42的兩端，變換器的輸出電壓信號經電阻R42、電容C43、電阻R44後與運算放大晶片U4的第7腳連接，運算放大晶片U4的第5腳經電阻R41接地；給定電壓Ug經電阻R43後與運算放大晶片U4的第6腳連接，電容C42連接在電組R43的兩端，給定電壓Ug經電阻R43、電容C43、電阻R44後與運算放大晶片U4的第7腳連接，運算放大晶片U4的第7腳經電阻R50、電阻R48後與第9腳連接，運算放大晶片U4的第7腳經電阻R50、電容C44後與第9腳連接； 變換器的輸出電流信號經電阻R49後與運算放大晶片U4的第9腳連接，電容C45連接在電阻R49的兩端；給定電流18經二極體D3、電阻R48後與運算放大晶片U4的第9腳連接；運算放大晶片U4的第9腳與第8腳連接有電阻R46，第10腳經電阻R47接地，運算放大晶片U4的第8腳與第3腳連接有電阻R45，運算放大晶片U4的第2腳與第I腳串聯，運算放大晶片U4的第I腳經二極體D1、電容C35接地，運算放大晶片U4的第I腳經二極體Dl後與PWM發生器U3的第9腳連接； 開關管Ml經電阻R51後與驅動晶片U5的第5腳連接，第6腳接+15V電源，第6腳經電容C51後接地，第4腳經電阻R36接地，第4腳經二極體D31後與PWM發生器U3的第11腳連接，驅動晶片U5的第1、2、3、7、8腳接數字地； PWM發生器U3的第2腳經電阻R31接+5V電源，第I腳經電阻R32接+5V電源，第I腳經電阻R33接地，第I腳經電容C32接地；第12腳接地，第3腳經電阻R34接地，第13腳接+15V電源，第15腳接+15V電源，第15腳經電容C31接地，第5腳經電容C33接地，第6腳經電阻R35接地，第7腳經電容C33接地，第8腳經電容C34接地，第16腳經電容C36接地，第4腳經電容C37接地，第11腳經二極體D31、電阻R36接地，第14腳經二極體D32、電阻R36接地。
3.根據權利要求1所述的一種浮空器用寬電壓輸入高效直流電源變換器，其特徵在於:推挽電路的閉環控制電路中變`換器的輸出電壓信號經電阻R74接地，經電容C73接地，經電阻R75、電容C74接地，經電阻R75後與運算放大晶片U6的第13腳連接；+5V電源經電阻R72、電阻R73接地，+5V電源經電阻R72、電容C72接地，+5V電源經電阻R72後與運算放大晶片U6的第12腳連接；變換器的輸出電流信號經電阻R69接地，經電容C67接地，經電阻R76、電容C68接地，經電阻R76後與運算放大晶片U6的第9腳連接；+5V電源經電阻R67、電阻R68接地，+5V電源經電阻R67、電容C66接地，+5V電源經電阻R67後與運算放大晶片U6的第10腳連接；變換器的輸入電流信號經電阻R63接地，經電容C62接地，經電阻R64、電容C63接地，經電阻R64後與運算放大晶片U6的第2腳和第5腳連接；+15V電源經電阻R61、電阻R62接地，+15V電源經電阻R61、電容C61接地，+15V電源經電阻R61後與運算放大晶片U6的第3腳連接；_15V電源經電阻R65、電阻R66接地，-15V電源經電阻R65、電容C64接地，-15V電源經電阻R65後與運算放大晶片U6的第6腳連接；U6的第I腳與第7腳經電阻R77接+5V電源，Ul的第I腳與第7腳經電容C65接地，U6的第I腳、第7腳和與非門晶片U7的第I腳連接；U6的第8腳與第14腳經電阻R70接+5V電源，U6的第8腳與第14腳經電容C77接地，U6的第8腳、第14腳和與非門晶片U7的第2腳連接；與非門晶片U7的第14腳接+5V電源，與非門晶片U7的第14腳經電容C71接地，與非門晶片U7的第3腳與PWM發生器U8 (U8為SG2525A)的第10腳連接； 變換器的輸出電壓信號經電阻R92後與運算放大晶片U9的第6腳連接，電容C91連接在電阻R92的兩端，變換器的輸出電壓信號經電阻R92、電容C92、電阻R94後與運算放大晶片U9的第7腳連接，運算放大晶片U9的第5腳經電阻R91接地；給定電壓Ug經電阻R93後與運算放大晶片U9的第6腳連接，電容C93連接在電組R93的兩端，給定電壓Ug經電阻R93、電容C92、電阻R94後與運算放大晶片U9的第7腳連接，運算放大晶片U9的第7腳經電阻R100、電阻R98後與第9腳連接，運算放大晶片U9的第7腳經電阻R100、電容C94後與第9腳連接； 變換器的輸出電流信號經電阻R99後與運算放大晶片U9的第9腳連接，電容C95連接在電阻R99的兩端；給定電流18經二極體D4、電阻R98後與運算放大晶片U9的第9腳連接；運算放大晶片U9的第9腳與第8腳連接有電阻R96，第10腳經電阻R97接地，運算放大晶片U9的第8腳與第3腳連接有電阻R95，運算放大晶片U9的第2腳與第I腳串聯，運算放大晶片U9的第I腳經二極體D2、電容C85接地，運算放大晶片U9的第I腳經二極體D2後與PWM發生器U3的第9腳連接； 開關管M2經電阻RlOl後與驅動晶片UlO的第5腳連接，第6腳接+15V電源，第6腳經電容ClOl後接地，第4腳與PWM發生器U8的第11腳連接，驅動晶片UlO的第1、2、3、7、8腳接數字地； 開關管M3經電阻Rlll後與驅動晶片Ull的第5腳連接，第6腳接+15V電源，第6腳經電容Clll後接地，第4腳與PWM發生器U8的第14腳連接，驅動晶片Ull的第1、2、3、7、8腳接數字地； PWM發生器U8的第2腳經電阻R81接+5V電源，第I腳經電阻R82接+5V電源，第I腳經電阻R83接地，第I腳經電容C82接地；第12腳接地，第3腳經電阻R84接地，第13腳接+15V電源，第15腳接+15`V電源，第15腳經電容C81接地，第5腳經電容C83接地，第6腳經電阻R85接地，第7腳經電容C83接地，第8腳經電容C84接地，第16腳經電容C86接地，第4腳經電容C87接地。
4.根據權利要求1所述的一種浮空器用寬電壓輸入高效直流電源變換器，其特徵在於:採用SuperBuck電路輸出正極與推挽電路輸入正極串聯連接,且SuperBuck電路輸出正極通過二極體與推挽電路輸出負極串聯連接，SuperBuck電路輸出負極與推挽電路輸入負極和輸出負極連接。
5.根據權利要求1所述的一種浮空器用寬電壓輸入高效直流電源變換器，其特徵在於:直流電源輸出電壓處於其輸入電壓變換範圍之間，該變換器具有升壓和降壓功能。
6.根據權利要求1所述的一種浮空器用寬電壓輸入高效直流電源變換器，其特徵在於:當變換器單機功率做到IOkw以上時，電源轉換效率96%以上。
7.根據權利要求1所述的一種浮空器用寬電壓輸入高效直流電源變換器，其特徵在於:該變換器在升壓和降壓兩個階段輸入和輸出側電流均連續，具有較好的紋波係數。
8.根據權利要求1所述的一種浮空器用寬電壓輸入高效直流電源變換器，其特徵在於:該變換器閉環控制電路採用電壓外環一電流內環的雙閉環控制電路，所述電流內環提高了系統的動態響應，優先調整電流環，同時配合電壓環使得變換器閉環控制電路既能擁有較快的動態響應又能有一個較小的輸出紋波。
【文檔編號】H02M3/156GK203660877SQ201420035841
【公開日】2014年6月18日 申請日期:2014年1月20日 優先權日:2013年9月9日
【發明者】徐國寧, 李兆傑, 王生, 張衍壘, 王謙, 王旭巍 申請人:中國科學院光電研究院