一種耐高壓的開(kāi)關(guān)電源的制作方法
【專(zhuān)利摘要】本發(fā)明涉及一種耐高壓的開(kāi)關(guān)電源，包括電源模塊輸入端、均壓電路、變換電路和整流輸出電路，如一種實(shí)施方式，變換電路包括變壓器和串聯(lián)的第一變換器31、第二變換器32;兩個(gè)初級(jí)繞組Nl、N2分別接入所述第一變換器31、第二變換器32，第一變換器31、第二變換器32中的功率器件同步動(dòng)作；每個(gè)變換器的初級(jí)繞組Nl、N2匝數(shù)相同，在電源模塊正常工作時(shí)兩個(gè)初級(jí)繞組中磁通量變化一致；單個(gè)變換器的輸入電壓為輸入電壓的一半，解決了現(xiàn)有技術(shù)的均壓?jiǎn)栴}及功率器件的電壓限制問(wèn)題。本發(fā)明所述一種耐高壓開(kāi)關(guān)電源模塊輸入電壓范圍的更改僅需要進(jìn)行簡(jiǎn)單的配置，同時(shí)具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本低、通用性強(qiáng)的特點(diǎn)。
【專(zhuān)利說(shuō)明】一種耐高壓的開(kāi)關(guān)電源

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及一種耐高壓的開(kāi)關(guān)電源。

【背景技術(shù)】
[0002] 對(duì)于全球市場(chǎng)，電網(wǎng)制式繁多：如歐洲和中國(guó)的220V/380V系統(tǒng)，北美有208V， 還有480和600V。目前市場(chǎng)的電源模塊，通常是輸入電壓限于220VAC，有些也可以兼容 110VAC。對(duì)于600C輸入，考慮電網(wǎng)10%的波動(dòng)，經(jīng)過(guò)整流后電壓超過(guò)900V。目前，地鐵、城 軌供電電壓也從早期的600VDC和750VDC提高到1500VDC。
[0003] 在這樣高的電壓下，功率器件的選擇非常困難：高耐壓功率M0SFET的可選產(chǎn)品較 少，導(dǎo)通電阻大，導(dǎo)通損耗也大，這將導(dǎo)致變換器的效率降低；IGBT在高壓的條件下，仍然 有較小的飽和導(dǎo)通壓降，因此可以減小變換器的導(dǎo)通損耗，但是由于IGBT存在電流拖尾現(xiàn) 象，因此變換器的開(kāi)關(guān)頻率受到限制，使得變換器的變壓器和輸出濾波器的體積增加，很難 提高變換器的功率密度，并且使用IGBT作為主功率開(kāi)關(guān)器件的成本較高。為了降低變換器 的開(kāi)關(guān)管的電壓應(yīng)力，可采用多電平轉(zhuǎn)換器，但是多電平轉(zhuǎn)換器存在橋臂直通的危險(xiǎn)，減低 了變換器的可靠性，且控制比較復(fù)雜。近年來(lái)，一些場(chǎng)合采用多模塊輸入串聯(lián)輸出并聯(lián)組合 變換器應(yīng)用于高輸入電壓場(chǎng)合，但是這種變換器存在輸入分壓電容均壓及輸出均流問(wèn)題， 增加了控制電路的復(fù)雜性。如何設(shè)計(jì)一種結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、功能齊全、適合高寬輸入電壓的開(kāi)關(guān)電 源，是本領(lǐng)域技術(shù)人員需要解決的問(wèn)題。
[0004] 經(jīng)過(guò)對(duì)現(xiàn)有技術(shù)的檢索發(fā)現(xiàn)：中國(guó)專(zhuān)利申請(qǐng)?zhí)?00710162358. 4,
【公開(kāi)日】 2009-4-1，記載了一種寬輸入電壓范圍的電源模塊，該技術(shù)采用半控逆變器，低壓輸入時(shí)兩 個(gè)變換器輸出并聯(lián)，高壓輸入時(shí)兩個(gè)變化器輸出串聯(lián)，兩個(gè)變化器輸入串聯(lián)均壓。但是該技 術(shù)不能解決較高輸入電壓?jiǎn)栴}，也無(wú)法做到兩級(jí)變換器輸入電壓之間均壓，對(duì)參數(shù)的一致 性要求過(guò)高，只要一致性較差整個(gè)設(shè)備就無(wú)法工作，也沒(méi)有明確給出有關(guān)的工作原理。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 本發(fā)明的目的是提供一種耐高壓開(kāi)關(guān)電源模塊，以克服現(xiàn)有技術(shù)存在的耐壓?jiǎn)?題、輸入均壓等問(wèn)題。
[0006] 為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明的方案包括：
[0007] -種耐高壓的開(kāi)關(guān)電源，包括依次連接的均壓電路（2)，變換電路（3)和整流輸出 電路（4)，均壓電路（2)用于連接直流電源輸入端（1);所述均壓電路（2)包括串聯(lián)的至少 兩個(gè)分壓?jiǎn)卧?；所述變換電路（3)包括一個(gè)變壓器（T1)和與所述分壓?jiǎn)卧獙?duì)應(yīng)數(shù)量的變換 器，每個(gè)變換器與分壓?jiǎn)卧獙?duì)應(yīng)并聯(lián)；變換器構(gòu)成正激變換電路或者反激變換電路；每個(gè) 變換器均包括一個(gè)初級(jí)繞組；所述整流輸出電路（4)的輸入端連接所述變壓器（T1)的一個(gè) 次級(jí)繞組（N3)。
[0008] 所述分壓?jiǎn)卧譃榈谝痪鶋簡(jiǎn)卧?1)與第二均壓?jiǎn)卧?2)，第一均壓?jiǎn)卧?1) 由第一均壓電阻（R1)和第一均壓電容（C1)并聯(lián)構(gòu)成；第二均壓?jiǎn)卧?2)由第二均壓電阻 (R2)與第二均壓電容（C2)并聯(lián)構(gòu)成。
[0009] 所述變換器分為第一變換器（31)與第二變換器（32)，第一變換器（31)由串設(shè)的 第一開(kāi)關(guān)管（Q1)和第一初級(jí)繞組（N1)構(gòu)成，第二變換器（32)由串設(shè)的第二開(kāi)關(guān)管（Q2) 和第二初級(jí)繞組（N2)構(gòu)成。
[0010] 所述變換電路（3)還包括與所述變換器串聯(lián)的采樣電阻（R3)。
[0011] 所述第一初級(jí)繞組（N1)與第二初級(jí)繞組（N2)同名端一致，匝數(shù)相同；與次級(jí)繞組 (N3)同名端一致時(shí)構(gòu)成正激變換電路，與次級(jí)繞組（N3)同名端不一致時(shí)構(gòu)成反激變換電 路。
[0012] 構(gòu)成正激變換電路時(shí)，所述整流輸出電路（4)包括第一整流二極管（D3)、第二整 流二極管（D4)、續(xù)流電感（L1)、儲(chǔ)能濾波電容（C3)和負(fù)載電阻（RL1);構(gòu)成反激變換電 路時(shí)，所述整流輸出電路（4)包括第一整流二極管（D3)、儲(chǔ)能濾波電容（C3)和負(fù)載電阻 (RL2)。
[0013] 所述開(kāi)關(guān)管為功率M0SFET。本發(fā)明提供的一種耐高壓開(kāi)關(guān)電源模塊，其創(chuàng)新點(diǎn)在 于：電源模塊初級(jí)采用兩個(gè)變換器串聯(lián)的方式，即第一、第二變換器同步動(dòng)作、串聯(lián)輸出，由 于兩個(gè)變換器中的變壓器初級(jí)繞組屬于同一變壓器，若兩個(gè)初級(jí)繞組匝數(shù)一致，則兩個(gè)初 級(jí)繞組在兩個(gè)變換器中的功率M0SFET同時(shí)開(kāi)通、關(guān)斷時(shí)磁通量變化一致，這樣就保證了兩 個(gè)變換器的輸入電壓之間的瞬時(shí)均壓；兩個(gè)變換器串聯(lián)同步PWM的方式大大提高的電源模 塊的耐壓性能。
[0014] 本發(fā)明的有益效果是：提供了一種耐高壓開(kāi)關(guān)電源模塊，解決了功率器件的電壓 限制問(wèn)題；克服現(xiàn)有技術(shù)存在的輸入均壓?jiǎn)栴}；功率器件損耗分散，有利于熱設(shè)計(jì)；更改輸 入電壓范圍僅需要進(jìn)行簡(jiǎn)單的配置；適合高寬輸入電壓，提高可靠性、降低開(kāi)關(guān)損耗，達(dá)到 適用于高壓直流輸入場(chǎng)合的目的，同時(shí)具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、控制容易和成本低廉的優(yōu)點(diǎn)。

【專(zhuān)利附圖】

【附圖說(shuō)明】
[0015] 圖1是實(shí)施例1的電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)示意圖；
[0016] 圖2是實(shí)施例2的電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)示意圖；
[0017] 圖3是控制電路控制框圖；
[0018] 圖4是實(shí)施例1電路交錯(cuò)工作時(shí)輸出電流、功率M0SFET漏源極端電壓的波形圖；
[0019] 圖5是實(shí)施例2電路交錯(cuò)工作時(shí)輸出電流、功率M0SFET漏源極端電壓的波形圖。

【具體實(shí)施方式】
[0020] 下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明做進(jìn)一步詳細(xì)的說(shuō)明。
[0021] 一種耐高壓的開(kāi)關(guān)電源，包括依次連接的均壓電路2,變換電路3和整流輸出電路 4,均壓電路2用于連接直流電源輸入端1 ;所述均壓電路2包括串聯(lián)的至少兩個(gè)分壓?jiǎn)卧?所述變換電路3包括一個(gè)變壓器T1和與所述分壓?jiǎn)卧獙?duì)應(yīng)數(shù)量的變換器，每個(gè)變換器與分 壓?jiǎn)卧獙?duì)應(yīng)并聯(lián)；變換器構(gòu)成正激變換電路或者反激變換電路；每個(gè)變換器均包括一個(gè)初 級(jí)繞組；所述整流輸出電路4的輸入端連接所述變壓器T1的一個(gè)次級(jí)繞組N3。
[0022] 開(kāi)關(guān)電源模塊的控制芯片，發(fā)出兩路同步的PWM脈沖，分別控制兩個(gè)變換器的功 率M0SFET的開(kāi)通、關(guān)斷。兩個(gè)變換器所連接的變壓器T1的初級(jí)繞組的匝數(shù)一致，控制環(huán)路 穩(wěn)定時(shí)，兩個(gè)變換器所連接的變壓器T1的初級(jí)繞組磁通量變化一致，與均壓電路配合實(shí)現(xiàn) 均壓，保證兩個(gè)變換器的功率MOSFET的漏源極端電壓均壓。
[0023] 以下實(shí)施例中，實(shí)施例1中采用正激變換電路；在實(shí)施例2中采用反激變換電路。
[0024] 實(shí)施例1
[0025] 具體的正激變換電路主電路拓?fù)淙鐖D1所示。
[0026] 變換電路3包括第一變換器31、第二變換器32、采樣電阻R3和變壓器Τ1。其中， 第一變換器31包括：變壓器Τ1第一初級(jí)繞組Ν1、第一功率MOSFET Q1、第一快恢復(fù)二極管 D1、第一穩(wěn)壓二極管Z1 ;第一穩(wěn)壓二極管Z1的陽(yáng)極與變壓器T1第一初級(jí)繞組N1的同名端 相連、陰極與第一快恢復(fù)二極管D1的陰極相連；第一快恢復(fù)二極管D1的陽(yáng)極與變壓器T1 第一初級(jí)繞組N1的異名端相連、陰極與第一穩(wěn)壓二極管Z1的陰極相連；第一功率MOSFET Q1的漏極與變壓器T1第一初級(jí)繞組N1的異名端相連、源極與變壓器T1第二初級(jí)繞組N2 的同名端相連、控制端連接至控制電路。第二變換器32包括：變壓器T1第二初級(jí)繞組N2、 第二功率MOSFET Q2、第二快恢復(fù)二極管D2、第二穩(wěn)壓二極管Z2 ;第二穩(wěn)壓二極管Z2的陽(yáng) 極與變壓器T1第二初級(jí)繞組N2的同名端相連、陰極與第二快恢復(fù)二極管D2的陰極相連； 第二快恢復(fù)二極管D2的陽(yáng)極與變壓器T1第二初級(jí)繞組N2的異名端相連、陰極與第二穩(wěn)壓 二極管Z2的陰極相連；第二功率MOSFET Q2的漏極與變壓器T1第二初級(jí)繞組N2的異名 端相連、源極與采樣電阻R3的一端相連、控制端連接至控制器。采樣電阻R3的一端與第二 功率MOSFET Q2的源極相連，另一端與電源模塊輸入端1的DC-相連。變壓器T1包括第一 初級(jí)繞組N1、第二初級(jí)繞組N2、第一次級(jí)繞組N3,第一初級(jí)繞組N1的同名端與第一穩(wěn)壓二 極管Z1的陽(yáng)極連接后連接在電源模塊輸入端1的DC+端、異名端連接在第一功率MOSFET Q1的漏極，第二初級(jí)繞組N2的同名端與第二穩(wěn)壓二極管Z2的陽(yáng)極連接后連接在第一功率 MOSFET Q1的源極、異名端連接在第二功率MOSFET Q2的漏極，第一次級(jí)繞組N3的同名端連 接在第一整流二極管D3的陽(yáng)極、異名端連接在第二整流二極管D4的陽(yáng)極。
[0027] 均壓電路2包括第一均壓電路21和第二均壓電路22。其中第一均壓電路21包 括：第一均壓電阻R1、第一均壓電容C1 ;第一均壓電阻R1與第一均壓電容C1并聯(lián)；并聯(lián)后 的第一均壓電阻R1與第一均壓電容C1的一端連接在變壓器T1的第一初級(jí)繞組N1的同名 端、另一端連接在第一功率MOSFET Q1的源極。第二均壓電路22包括：第二均壓電阻R2、 第二均壓電容C2 ;第二均壓電阻R2與第二均壓電容C2并聯(lián)；并聯(lián)后的第二均壓電阻R2與 第二均壓電容C2的一端連接在第一功率MOSFET Q1的源極、另一端連接在電源模塊輸入端 1的DC-端。
[0028] 整流輸出電路4包括：第一整流二極管D3、第二整流二極管D4、續(xù)流電感L1、儲(chǔ)能 濾波電容C3、負(fù)載電阻RL1、輸出正U0+、輸出負(fù)U0-;第一整流二極管D3的陽(yáng)極連接在變壓 器T1的第一次級(jí)繞組N3的同名端、陰極連接在續(xù)流電感L1的一端；第二整流二極管D4的 陽(yáng)極連接在變壓器T1的第一次級(jí)繞組N3的異名端、陰極連接在續(xù)流電感L1的一端；續(xù)流 電感L1的一端連接在第一整流二極管D3、第二整流二極管D4的陰極結(jié)合處，另一端連接在 輸出正U0+ ;儲(chǔ)能濾波電容C3的陽(yáng)極連接在輸出正U0+、陰極連接在輸出負(fù)U0-;負(fù)載電阻 RL1的一端連接在輸出正U0+、另一端連接在輸出負(fù)U0-。
[0029] 實(shí)施例2
[0030] 具體的反激變換電路主電路拓?fù)淙鐖D2所示。
[0031] 如圖2所示，反激變換電路主電路拓?fù)渲芯鶋弘娐?、變換電路3的連接方式與正 激變換電路主電路拓?fù)湎嗤?br> [0032] 整流輸出電路4包括：整流二極管D3、儲(chǔ)能濾波電容C3、負(fù)載電阻RL2、輸出正 U0+、輸出負(fù)U0-;整流二極管D3的陽(yáng)極連接在變壓器T1的第一次級(jí)繞組N3的異名端、陰 極連接在輸出正U0+ ;儲(chǔ)能濾波電容C3的陽(yáng)極連接在輸出正U0+、陰極連接在輸出負(fù)U0-; 負(fù)載電阻RL2的一端連接在輸出正U0+、另一端連接在輸出負(fù)U0-。
[0033] -種耐高壓開(kāi)關(guān)電源模塊可采用雙閉環(huán)控制方案。雙閉環(huán)控制方案的控制框圖如 圖3所示：輸出端基準(zhǔn)電壓Uref連接到電壓環(huán)調(diào)節(jié)器的同向輸入端，輸出端的采樣電壓Uo 接在電壓環(huán)調(diào)節(jié)器的反向輸入端，電壓環(huán)調(diào)節(jié)器的輸出與次級(jí)采樣電阻R3的電流采樣IR3 分別接入電流內(nèi)環(huán)調(diào)節(jié)器的同向輸入端和反向輸入端。電流內(nèi)環(huán)調(diào)節(jié)器的輸出與經(jīng)過(guò)同步 信號(hào)調(diào)節(jié)后的三角波載波交截產(chǎn)生PWM波，該P(yáng)WM波控制一種耐高壓開(kāi)關(guān)電源模塊的功率 MOSFET (Ql、Q2)，調(diào)節(jié)輸出電壓。實(shí)際工作中，兩路驅(qū)動(dòng)信號(hào)同步。
[0034] 如圖4、5分別正激變換電路主電路拓?fù)?、反激變換電路主電路拓?fù)渲泄β蔒OSFET Q1漏源極電壓、功率MOSFET Q2漏源極電壓、輸出電流（IL1、Ιο)的波形，可以看出功率 MOSFET Q1漏源極電壓、功率MOSFET Q2漏源極電壓相等且為輸入電壓UDC的一半，這樣實(shí) 現(xiàn)了分壓及均壓。
[0035] 實(shí)施例1與實(shí)施例2提供的是兩級(jí)的情況，本發(fā)明的耐高壓開(kāi)關(guān)電源模塊可以 擴(kuò)展到更多級(jí)數(shù)，適合更高的輸入電壓等級(jí)。若所述電源的輸入電壓等級(jí)要求增大，參照 以上所述解決方法，可以采用三個(gè)或以上的均壓?jiǎn)卧妥儞Q器，使三個(gè)或三個(gè)以上的功率 MOSFET串聯(lián)起來(lái)。各個(gè)功率MOSFET的控制電路配置、保護(hù)配置等參照單個(gè)功率MOSFET的 配置方式。
[0036] 以上給出了具體的實(shí)施方式，但本發(fā)明不局限于所描述的實(shí)施方式。本發(fā)明的基 本思路在于上述基本方案，對(duì)本領(lǐng)域普通技術(shù)人員而言，根據(jù)本發(fā)明的教導(dǎo)，設(shè)計(jì)出各種變 形的模型、公式、參數(shù)并不需要花費(fèi)創(chuàng)造性勞動(dòng)。在不脫離本發(fā)明的原理和精神的情況下對(duì) 實(shí)施方式進(jìn)行的變化、修改、替換和變型仍落入本發(fā)明的保護(hù)范圍內(nèi)。
【權(quán)利要求】
1. 一種耐高壓的開(kāi)關(guān)電源，其特征在于，包括依次連接的均壓電路（2)，變換電路（3) 和整流輸出電路（4)，均壓電路（2)用于連接直流電源輸入端（1); 所述均壓電路（2)包括串聯(lián)的至少兩個(gè)分壓?jiǎn)卧? 所述變換電路（3)包括一個(gè)變壓器（T1)和與所述分壓?jiǎn)卧獙?duì)應(yīng)數(shù)量的變換器，每個(gè)變 換器與分壓?jiǎn)卧獙?duì)應(yīng)并聯(lián)；變換器構(gòu)成正激變換電路或者反激變換電路；每個(gè)變換器均包 括一個(gè)初級(jí)繞組； 所述整流輸出電路（4)的輸入端連接所述變壓器（T1)的一個(gè)次級(jí)繞組（N3)。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種耐高壓的開(kāi)關(guān)電源，其特征在于，所述分壓?jiǎn)卧譃榈?一均壓?jiǎn)卧?1)與第二均壓?jiǎn)卧?2)，第一均壓?jiǎn)卧?1)由第一均壓電阻（R1)和第一均 壓電容（C1)并聯(lián)構(gòu)成；第二均壓?jiǎn)卧?2)由第二均壓電阻（R2)與第二均壓電容（C2)并 聯(lián)構(gòu)成。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種耐高壓的開(kāi)關(guān)電源，其特征在于，所述變換器分為第一 變換器（31)與第二變換器（32)，第一變換器（31)由串設(shè)的第一開(kāi)關(guān)管（Q1)和第一初級(jí)繞 組（N1)構(gòu)成，第二變換器（32)由串設(shè)的第二開(kāi)關(guān)管（Q2)和第二初級(jí)繞組（N2)構(gòu)成。
4. 根據(jù)權(quán)利要求3所述的一種耐高壓的開(kāi)關(guān)電源，其特征在于，所述變換電路（3)還包 括與所述變換器串聯(lián)的采樣電阻（R3)。
5. 根據(jù)權(quán)利要求3所述的一種耐高壓的開(kāi)關(guān)電源，其特征在于，所述第一初級(jí)繞組 (N1)與第二初級(jí)繞組（N2)同名端一致，匝數(shù)相同；與次級(jí)繞組（N3)同名端一致時(shí)構(gòu)成正 激變換電路，與次級(jí)繞組（N3)同名端不一致時(shí)構(gòu)成反激變換電路。
6. 根據(jù)權(quán)利要求5所述的一種耐高壓的開(kāi)關(guān)電源，其特征在于，構(gòu)成正激變換電路時(shí)， 所述整流輸出電路（4)包括第一整流二極管（D3)、第二整流二極管（D4)、續(xù)流電感（L1)、儲(chǔ) 能濾波電容（C3)和負(fù)載電阻（RL1);構(gòu)成反激變換電路時(shí)，所述整流輸出電路（4)包括第 一整流二極管（D3)、儲(chǔ)能濾波電容（C3)和負(fù)載電阻（RL2)。
7. 根據(jù)權(quán)利要求3所述的一種耐高壓的開(kāi)關(guān)電源，其特征在于，所述開(kāi)關(guān)管為功率 MOSFET。
【文檔編號(hào)】H02M3/335GK104218807SQ201410419948
【公開(kāi)日】2014年12月17日 申請(qǐng)日期:2014年8月22日 優(yōu)先權(quán)日:2014年8月22日
【發(fā)明者】趙瑞杰, 代興華, 劉德林, 田素立, 王艷領(lǐng), 李紅剛, 朱洪浩 申請(qǐng)人:國(guó)家電網(wǎng)公司, 許繼集團(tuán)有限公司, 許昌許繼風(fēng)電科技有限公司