耐高壓的開關(guān)電源的制作方法
【專利摘要】本實用新型涉及一種耐高壓的開關(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；兩個初級繞組N1、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作；每個變換器的初級繞組N1、N2匝數(shù)相同，在電源模塊正常工作時兩個初級繞組中磁通量變化一致；單個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)的均壓問題及功率器件的電壓限制問題。本實用新型所述一種耐高壓開關(guān)電源模塊輸入電壓范圍的更改僅需要進行簡單的配置，同時具有結(jié)構(gòu)簡單、成本低、通用性強的特點。
【專利說明】耐高壓的開關(guān)電源
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本實用新型涉及一種耐高壓的開關(guān)電源。
【背景技術(shù)】
[0002]對于全球市場，電網(wǎng)制式繁多:如歐洲和中國的220V/380V系統(tǒng)，北美有208V，還有480和600V。目前市場的電源模塊，通常是輸入電壓限于220VAC，有些也可以兼容IlOVAC0對于600C輸入，考慮電網(wǎng)10%的波動，經(jīng)過整流后電壓超過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MOSFET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作為主功率開關(guān)器件的成本較高。為了降低變換器的開關(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，減低了變換器的可靠性，且控制比較復(fù)雜。近年來，一些場合采用多模塊輸入串聯(lián)輸出并聯(lián)組合變換器應(yīng)用于高輸入電壓場合，但是這種變換器存在輸入分壓電容均壓及輸出均流問題，增加了控制電路的復(fù)雜性。如何設(shè)計一種結(jié)構(gòu)簡單、功能齊全、適合高寬輸入電壓的開關(guān)電源，是本領(lǐng)域技術(shù)人員需要解決的問題。
[0004]經(jīng)過對現(xiàn)有技術(shù)的檢索發(fā)現(xiàn):中國專利申請?zhí)?00710162358.4，
【公開日】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，低壓輸入時兩個變換器輸出并聯(lián)，高壓輸入時兩個變化器輸出串聯(lián)，兩個變化器輸入串聯(lián)均壓。但是該技術(shù)不能解決較高輸入電壓問題，也無法做到兩級變換器輸入電壓之間均壓，對參數(shù)的一致性要求過高，只要一致性較差整個設(shè)備就無法工作，也沒有明確給出有關(guān)的工作原理。
實用新型內(nèi)容
[0005]本實用新型的目的是提供一種耐高壓開關(guān)電源模塊，以克服現(xiàn)有技術(shù)存在的耐壓問題、輸入均壓等問題。
[0006]為實現(xiàn)上述目的，本實用新型的方案包括:
[0007]—種耐高壓的開關(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(I);所述均壓電路(2)包括串聯(lián)的至少兩個分壓單元；所述變換電路(3)包括一個變壓器(Tl)和與所述分壓單元對應(yīng)數(shù)量的變換器，每個變換器與分壓單元對應(yīng)并聯(lián)；變換器構(gòu)成正激變換電路或者反激變換電路；每個變換器均包括一個初級繞組；所述整流輸出電路(4)的輸入端連接所述變壓器(Tl)的一個次級繞組(N3)。
[0008]所述分壓單元分為第一均壓單元(21)與第二均壓單元(22)，第一均壓單元(21)由第一均壓電阻(Rl)和第一均壓電容(Cl)并聯(lián)構(gòu)成；第二均壓單元(22)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)的第一開關(guān)管(Ql)和第一初級繞組(NI)構(gòu)成，第二變換器(32)由串設(shè)的第二開關(guān)管(Q2)和第二初級繞組(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]所述第一初級繞組(NI)與第二初級繞組(N2)同名端一致，匝數(shù)相同；與次級繞組(N3)同名端一致時構(gòu)成正激變換電路，與次級繞組(N3)同名端不一致時構(gòu)成反激變換電路。
[0012]構(gòu)成正激變換電路時，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(LI)、儲能濾波電容(C3)和負載電阻(RLl);構(gòu)成反激變換電路時，所述整流輸出電路(4)包括第一整流二極管(D3)、儲能濾波電容(C3)和負載電阻(RL2)。
[0013]所述開關(guān)管為功率M0SFET。本實用新型提供的一種耐高壓開關(guān)電源模塊，其創(chuàng)新點在于:電源模塊初級采用兩個變換器串聯(lián)的方式，即第一、第二變換器同步動作、串聯(lián)輸出，由于兩個變換器中的變壓器初級繞組屬于同一變壓器，若兩個初級繞組匝數(shù)一致，則兩個初級繞組在兩個變換器中的功率MOSFET同時開通、關(guān)斷時磁通量變化一致，這樣就保證了兩個變換器的輸入電壓之間的瞬時均壓；兩個變換器串聯(lián)同步PWM的方式大大提高的電源模塊的耐壓性能。
[0014]本實用新型的有益效果是:提供了一種耐高壓開關(guān)電源模塊，解決了功率器件的電壓限制問題；克服現(xiàn)有技術(shù)存在的輸入均壓問題；功率器件損耗分散，有利于熱設(shè)計；更改輸入電壓范圍僅需要進行簡單的配置；適合高寬輸入電壓，提高可靠性、降低開關(guān)損耗，達到適用于高壓直流輸入場合的目的，同時具有結(jié)構(gòu)簡單、控制容易和成本低廉的優(yōu)點。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0015]圖1是實施例1的電路拓撲結(jié)構(gòu)示意圖；
[0016]圖2是實施例2的電路拓撲結(jié)構(gòu)示意圖；
[0017]圖3是控制電路控制框圖；
[0018]圖4是實施例1電路交錯工作時輸出電流、功率MOSFET漏源極端電壓的波形圖；
[0019]圖5是實施例2電路交錯工作時輸出電流、功率MOSFET漏源極端電壓的波形圖。
【具體實施方式】
[0020]下面結(jié)合附圖對本實用新型做進一步詳細的說明。
[0021]一種耐高壓的開關(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I ;所述均壓電路2包括串聯(lián)的至少兩個分壓單元；所述變換電路3包括一個變壓器Tl和與所述分壓單元對應(yīng)數(shù)量的變換器，每個變換器與分壓單元對應(yīng)并聯(lián)；變換器構(gòu)成正激變換電路或者反激變換電路；每個變換器均包括一個初級繞組；所述整流輸出電路4的輸入端連接所述變壓器Tl的一個次級繞組N3。
[0022]開關(guān)電源模塊的控制芯片，發(fā)出兩路同步的PWM脈沖，分別控制兩個變換器的功率MOSFET的開通、關(guān)斷。兩個變換器所連接的變壓器Tl的初級繞組的匝數(shù)一致，控制環(huán)路穩(wěn)定時，兩個變換器所連接的變壓器Tl的初級繞組磁通量變化一致，與均壓電路配合實現(xiàn)均壓，保證兩個變換器的功率MOSFET的漏源極端電壓均壓。
[0023]以下實施例中，實施例1中采用正激變換電路；在實施例2中采用反激變換電路。
[0024]實施例1
[0025]具體的正激變換電路主電路拓撲如圖1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Tl。其中，第一變換器31包括:變壓器Tl第一初級繞組N1、第一功率MOSFET Ql、第一快恢復(fù)二極管D1、第一穩(wěn)壓二極管Zl ;第一穩(wěn)壓二極管Zl的陽極與變壓器Tl第一初級繞組NI的同名端相連、陰極與第一快恢復(fù)二極管Dl的陰極相連；第一快恢復(fù)二極管Dl的陽極與變壓器Tl第一初級繞組NI的異名端相連、陰極與第一穩(wěn)壓二極管Zl的陰極相連；第一功率MOSFETQl的漏極與變壓器Tl第一初級繞組NI的異名端相連、源極與變壓器Tl第二初級繞組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Tl第二初級繞組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的陽極與變壓器Tl第二初級繞組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的陽極與變壓器Tl第二初級繞組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Tl第二初級繞組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I的DC-相連。變壓器Tl包括第一初級繞組N1、第二初級繞組N2、第一次級繞組N3，第一初級繞組NI的同名端與第一穩(wěn)壓二極管Zl的陽極連接后連接在電源模塊輸入端I的DC+端、異名端連接在第一功率MOSFETQl的漏極，第二初級繞組N2的同名端與第二穩(wěn)壓二極管Z2的陽極連接后連接在第一功率MOSFET Ql的源極、異名端連接在第二功率MOSFET Q2的漏極，第一次級繞組N3的同名端連接在第一整流二極管D3的陽極、異名端連接在第二整流二極管D4的陽極。
[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Cl ;第一均壓電阻Rl與第一均壓電容Cl并聯(lián)；并聯(lián)后的第一均壓電阻Rl與第一均壓電容Cl的一端連接在變壓器Tl的第一初級繞組NI的同名端、另一端連接在第一功率MOSFET Ql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 Ql的源極、另一端連接在電源模塊輸入端I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、儲能濾波電容C3、負載電阻RL1、輸出正U0+、輸出負UO-;第一整流二極管D3的陽極連接在變壓器Tl的第一次級繞組N3的同名端、陰極連接在續(xù)流電感LI的一端；第二整流二極管D4的陽極連接在變壓器Tl的第一次級繞組N3的異名端、陰極連接在續(xù)流電感LI的一端；續(xù)流電感LI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UO+ ;儲能濾波電容C3的陽極連接在輸出正U0+、陰極連接在輸出負UO-;負載電阻RLl的一端連接在輸出正U0+、另一端連接在輸出負UO-。
[0029]實施例2
[0030]具體的反激變換電路主電路拓撲如圖2所示。
[0031]如圖2所示，反激變換電路主電路拓撲中均壓電路2、變換電路3的連接方式與正激變換電路主電路拓撲相同。
[0032]整流輸出電路4包括:整流二極管D3、儲能濾波電容C3、負載電阻RL2、輸出正U0+、輸出負UO-;整流二極管D3的陽極連接在變壓器Tl的第一次級繞組N3的異名端、陰極連接在輸出正UO+ ;儲能濾波電容C3的陽極連接在輸出正U0+、陰極連接在輸出負UO-；負載電阻RL2的一端連接在輸出正U0+、另一端連接在輸出負UO-。
[0033]一種耐高壓開關(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)過同步信號調(diào)節(jié)后的三角波載波交截產(chǎn)生PWM波，該PWM波控制一種耐高壓開關(guān)電源模塊的功率MOSFET (Ql、Q2)，調(diào)節(jié)輸出電壓。實際工作中，兩路驅(qū)動信號同步。
[0034]如圖4、5分別正激變換電路主電路拓撲、反激變換電路主電路拓撲中功率MOSFETQl漏源極電壓、功率MOSFET Q2漏源極電壓、輸出電流(IL1、1)的波形，可以看出功率MOSFET Ql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，這樣實現(xiàn)了分壓及均壓。
[0035]實施例1與實施例2提供的是兩級的情況，本實用新型的耐高壓開關(guān)電源模塊可以擴展到更多級數(shù)，適合更高的輸入電壓等級。若所述電源的輸入電壓等級要求增大，參照以上所述解決方法，可以采用三個或以上的均壓單元和變換器，使三個或三個以上的功率MOSFET串聯(lián)起來。各個功率MOSFET的控制電路配置、保護配置等參照單個功率MOSFET的配置方式。
[0036]以上給出了具體的實施方式，但本實用新型不局限于所描述的實施方式。本實用新型的基本思路在于上述基本方案，對本領(lǐng)域普通技術(shù)人員而言，根據(jù)本實用新型的教導(dǎo)，設(shè)計出各種變形的模型、公式、參數(shù)并不需要花費創(chuàng)造性勞動。在不脫離本實用新型的原理和精神的情況下對實施方式進行的變化、修改、替換和變型仍落入本實用新型的保護范圍內(nèi)。
【權(quán)利要求】
1.一種耐高壓的開關(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(I)； 所述均壓電路(2)包括串聯(lián)的至少兩個分壓單元； 所述變換電路(3)包括一個變壓器(Tl)和與所述分壓單元對應(yīng)數(shù)量的變換器，每個變換器與分壓單元對應(yīng)并聯(lián)；變換器構(gòu)成正激變換電路或者反激變換電路；每個變換器均包括一個初級繞組； 所述整流輸出電路(4)的輸入端連接所述變壓器(Tl)的一個次級繞組(N3)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種耐高壓的開關(guān)電源，其特征在于，所述分壓單元分為第一均壓單元(21)與第二均壓單元(22)，第一均壓單元(21)由第一均壓電阻(Rl)和第一均壓電容(Cl)并聯(lián)構(gòu)成；第二均壓單元(22)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)的第一開關(guān)管(Ql)和第一初級繞組(NI)構(gòu)成，第二變換器(32)由串設(shè)的第二開關(guān)管(Q2)和第二初級繞組(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關(guān)電源，其特征在于，所述第一初級繞組(NI)與第二初級繞組(N2)同名端一致，匝數(shù)相同；與次級繞組(N3)同名端一致時構(gòu)成正激變換電路，與次級繞組(N3)同名端不一致時構(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關(guān)電源，其特征在于，構(gòu)成正激變換電路時，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(LI)、儲能濾波電容(C3)和負載電阻(RLl);構(gòu)成反激變換電路時，所述整流輸出電路⑷包括第一整流二極管(D3)、儲能濾波電容(C3)和負載電阻(RL2)。
7.根據(jù)權(quán)利要求3所述的一種耐高壓的開關(guān)電源，其特征在于，所述開關(guān)管為功率MOSFET。
【文檔編號】H02M3/335GK204089600SQ201420479665
【公開日】2015年1月7日 申請日期: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 申請人:國家電網(wǎng)公司, 許繼集團有限公司, 許昌許繼風(fēng)電科技有限公司