專利名稱：鏈?zhǔn)阶儞Q器功率單元控制器用開關(guān)電源的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及開關(guān)電源，具體涉及一種的應(yīng)用于鏈?zhǔn)阶儞Q器功率單元控制器的開關(guān)電源。
背景技術(shù)：
開關(guān)電源，因其損耗低、體積小、輸出路數(shù)多、用途廣而受到電子設(shè)備廠家的特別 青睞。隨著技術(shù)的不斷更新、能源的壓力以及對電能質(zhì)量的要求加深，使得小型化、低 損耗、高效節(jié)能開關(guān)電源的市場需求量與日俱增。
電子設(shè)備對開關(guān)電源基本的技術(shù)要求是高效率、高可靠性、成本低和小型輕量化。 為達到這樣的要求，開關(guān)電源需要進^步提高開關(guān)頻率，縮小其體積，輕量，薄型， 提高變換效率。自60年代開始得到發(fā)展和應(yīng)用的功率變換技術(shù)通常是硬開關(guān)技術(shù)，即 功率開關(guān)管的開通或關(guān)斷是在器件上的電流或電壓不為零的狀態(tài)下進行的，此刻電流 與電壓有一個很大的交疊區(qū)，損耗很大，所以在使用硬開關(guān)技術(shù)時，其開關(guān)頻率不能 太高，否則隨開關(guān)頻率升高開關(guān)損耗將加大，變換器效率將會大為下降。而軟開關(guān)技 術(shù)是讓功率開關(guān)管在零電壓或零電流的情況下開通或者關(guān)斷，使交疊區(qū)變得很小，這 樣開關(guān)電源運行在很高的頻率時損耗仍然可以很小，從而實現(xiàn)變換器效率的提高。IXC 串聯(lián)諧振軟開關(guān)技術(shù)中的開關(guān)頻率越大時， 一個周期內(nèi)對隔離變壓器T的一次繞組充 電的時間就越短，故輸入的功率就越小，因此隨著頻率的增大，輸入功率將減小。
鏈?zhǔn)阶儞Q器主要應(yīng)用于工業(yè)場合，裝置的可靠性要求高， 一般而言其構(gòu)成有很多個 功率單元。功率單元的一般結(jié)構(gòu)圖如附圖2所示，包括四個耐壓為400V左右的電容器 組成的直流濾波串聯(lián)電容器組及其均壓電阻,還包括四個大功率的全控型IGBT功率管 (Insulated Gate Bipolar Transistor,絕緣柵極型功率管)。功率單元的控制和采樣電路都 需要可靠的電源，所以功率單元控制器對開關(guān)電源的質(zhì)量提出了比民用電源更高的要求，不僅要求體積小，重量輕，損耗較小，還有高可靠性、很強的適應(yīng)性等要求。正 常情況下在對功率單元單相全橋電路的4個IGBT控制時，要求有三個完全高壓隔離的 電源供電，同時功率單元控制器還需要兩路控制芯片和模擬調(diào)理信號用電源，現(xiàn)有的 開關(guān)電源沒有一個可以完全達到這樣的輸出要求。在以往鏈?zhǔn)阶儞Q器方案中，功率單 元控制器供電基本采用UPS供電加AC-DC (交流-直流)整流的方式來實現(xiàn)，該類型 的供電效率低、成本高、很多路的隔離電源需要多個的開關(guān)電源組合起來用，所以電 源間差別大，可靠性低，且各IGBT驅(qū)動電路的高壓隔離的實現(xiàn)難度大。另外，功率單 元是鏈?zhǔn)阶儞Q器的核心部件，其工作在1200V的高壓直流電壓下，其傳輸電能容量相 對開關(guān)電源來說是無窮大的，如果能夠利用它作為開關(guān)電源的直流輸入電源，不僅可 以節(jié)約成本、控制體積，還能提高電源的可靠性。
發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的就在于針對現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種的鏈?zhǔn)阶儞Q器功率單元控制器 的開關(guān)電源，旨在實現(xiàn)鏈?zhǔn)阶儞Q器功率單元控制器的工作電源和IGBT驅(qū)動電源由單個開 關(guān)電源供電，同時利用諧振軟開關(guān)技術(shù)實現(xiàn)功率開關(guān)管的軟開關(guān)過程。
本發(fā)明采用如下技術(shù)方案
一種鏈?zhǔn)阶儞Q器功率單元控制器用開關(guān)電源，包括主電路、電壓反饋電路、過流保 護電路、低壓監(jiān)測電路、過壓保護電路和控制驅(qū)動電路，其特征在于所述主電路的 電源輸入端連接直流輸入電壓，所述主電路包括7個電壓輸出端，分別提供5V-15W、 25V1—5W、 25V2—5W、 25V3—IOW、 +12V—IOW、 -12V—5W、 15VF—5W輸出電壓， 其中，25V1—5W、 25V2—5W、 25V3—IOW電壓輸出端分別連接有鉗位電路，5V—15W、 +12V—IOW、 15VF—5W電壓輸出端分別對應(yīng)連接至電壓反饋電路的5V—15W、 +12V--10W、 15VF-5W電壓反饋輸入端；所述過流保護電路的過流檢測輸入端連接主 電路的過流檢測輸出端；所述低壓監(jiān)測電路的輸入端連接直流輸入電壓；所述電壓反
饋電路、過流保護電路、低壓監(jiān)測電路、過壓保護電路的輸出端分別對應(yīng)連接至控制 驅(qū)動電路的電壓反饋控制輸入端、過流控制輸入端、低壓控制輸入端和過壓控制輸入 端，控制驅(qū)動電路的輸出端連接主電路的控制驅(qū)動輸入端。
本發(fā)明的鏈?zhǔn)阶儞Q器功率單元控制器用開關(guān)電源包含相互之間采用高壓隔離的多路
輸出，其中三路25V輸出電壓(25V1—5W、 25V2—5W、 25V3—10W)采用鉗位輸出， 可提供正負(fù)驅(qū)動電源給鏈?zhǔn)阶儞Q器功率單元的功率開關(guān)管IGBT的驅(qū)動電路； 一路5V輸出電壓(5V-15W)可供鏈?zhǔn)阶儞Q器功率單元控制器數(shù)字控制電路使用；+12V-10W、 -12V-5W兩路輸出電壓可供鏈?zhǔn)阶儞Q器功率單元控制器模擬調(diào)理電路使用； 一路15VF-5 W輸出電壓作為輔助電源可供開關(guān)電源控制芯片自身使用。開關(guān)電源利用三元件LLC串 聯(lián)諧振原理，采用變開關(guān)頻率調(diào)整輸出功率的方式，在整個負(fù)載范圍內(nèi)，控制開關(guān)電源 的主電路中功率開關(guān)管的占空比保持不變，均為50%左右，功率開關(guān)管可以在零電壓條 件下開通和關(guān)斷，利用諧振軟開關(guān)技術(shù)實現(xiàn)了功率開關(guān)管的軟開關(guān)過程。本發(fā)明還利用 隔離變壓器本身的寄生參數(shù)(漏感和勵磁電感)作為串聯(lián)諧振的器件，提高了開關(guān)電源 的轉(zhuǎn)換效率，減少開關(guān)電源的對外電磁干擾，節(jié)約了電源成本。此外，本發(fā)明的鏈?zhǔn)阶?換器功率單元控制器用開關(guān)電源還以鏈?zhǔn)阶儞Q器功率單元中直流濾波串聯(lián)電容器組的最
后一個電容器作為開關(guān)電源的直流輸入電源，無需額外的AC-DC供電整流橋。并且，本 發(fā)明開關(guān)電源的電壓輸出反饋采用3路輸出電壓的線性光藕組合交叉反饋的形式，保證了 開關(guān)電源的精度。
與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的有益效果在于
1.本發(fā)明的鏈?zhǔn)阶儞Q器功率單元控制器用開關(guān)電源具有多路相互之間高壓隔離的輸 出，其中三路25V輸出電壓采用鉗位輸出的方式，可以提供正的開通電壓和負(fù)的關(guān)斷電壓， 功率單元的每個IGBT驅(qū)動電源無需單獨的兩組電源供電，實現(xiàn)了鏈?zhǔn)阶儞Q器功率單元控 制器的工作電源和IGBT驅(qū)動電源由單個開關(guān)電源供電，節(jié)約了電源成本；低輸入電壓時 的可靠輸出使得功率單元的控制可靠，減少功率單元IGBT誤動作幾率。
2，本發(fā)明的鏈?zhǔn)阶儞Q器功率單元控制器用開關(guān)電源利用諧振軟開關(guān)技術(shù)實現(xiàn)了功率 單元的功率開關(guān)管的軟開關(guān)過程，在很寬的輸出功率范圍內(nèi)實現(xiàn)開關(guān)功率管的零電壓開
通，從而使電路開關(guān)功率損耗降到最小,轉(zhuǎn)換效率相對最高，且輸出功率可以進行很好的 調(diào)節(jié)，既減小了開關(guān)管的導(dǎo)通損耗，又提高了開關(guān)電源的轉(zhuǎn)換效率，延長了開關(guān)器件的 壽命。同時，通過提高功率元件的開關(guān)頻率，可以減小開關(guān)電源的體積和重量，也減少 了EM1 (電磁干擾)。此外，本發(fā)明充分利用變壓器元件本身的寄生參數(shù)(漏感和勵磁電 感)，有效地節(jié)約了電源成本。
3. 本發(fā)明開關(guān)電源充分利用功率單元直流輸出電壓作為直流輸入電源，無需額外的 AC-DC供電整流橋，并且當(dāng)功率單元正常運行時直流輸入電源電壓波動小，保證了開關(guān) 電源運行的穩(wěn)定性。
4. 本發(fā)明開關(guān)電源的電壓反饋電路采用交叉閉環(huán)反饋控制使各路直流輸出電壓波動 范圍小，提高了鏈?zhǔn)阶儞Q器的工作穩(wěn)定性和可靠性。
5. 利用本發(fā)明開關(guān)電源供電的變換器的掉電維持時間特性較控制占空比的變換器好，可用在對掉電維持時間要求比較高的場合，且該開關(guān)電源的二次側(cè)輸出電壓應(yīng)力小， 隔離變壓器不存在直流偏置現(xiàn)象，'可以廣泛地應(yīng)用于工業(yè)重要負(fù)荷場所。
下面結(jié)合附圖和具體實施方式
對本發(fā)明作進一步的闡述。
圖1:開關(guān)電源電路框圖2:主電路結(jié)構(gòu)框圖3:主電路原理圖4:功率單元結(jié)構(gòu)圖5:隔離變壓器的等效結(jié)構(gòu)圖6:軟開關(guān)工作原理(a) 第一階段工作原理(b) 第二階段工作原理圖； (C)第三階段工作原理(d) 第四階段工作原理(e) 第五階段工作原理(f) 第六階段工作原理(g) 第七階段工作原理(h) 第八階段工作原理圖7:電壓反饋電路與主電路連接電路示意圖8:鉗位電路與主電路連接電路示意圖9:過流保護電路與主電路連接電路示意圖10:低壓監(jiān)測電路、過壓保護電路與主電路連接電路圖11:控制芯片NCP13恥功能管腳示意圖。
具體實施例方式
以下為本具體實施方式
附圖中元器件符號說明
DC:直流輸入電壓正極 N:直流輸入電壓負(fù)極
VDC:直流輸入電壓(即功率單元最后一個電容器Cap4兩端電壓)Lll :直流平波電感 Cll :第一濾波電容
C12 :第二濾波電容
Ql :第一MOSFET開關(guān)管
Dll :第一M0SFET開關(guān)管Q1內(nèi)部自帶反向并聯(lián)快速二極管 Q2 :第二MOSFET開關(guān)管
D12 :第二MOSFET開關(guān)管Q2內(nèi)部自帶反向并聯(lián)快速二極管
C13 :第一MOSFET開關(guān)管吸收電容器
C14 :第二MOSFET開關(guān)管吸收電容器
Cr :諧振電容
T :隔離變壓器
Nl : —次繞組
N21 :第一二次繞組
N22 :第二二次繞組
N23 :第三二次繞組
N24 :第四二次繞組
N25 :第五二次繞組
N26 :第六二次繞組
N27 :第七二次繞組
D21 D24 :第一二次繞組的整流二極管
C21 C22 :第一二次繞組的濾波電容器
D31 D32 :第二二次繞組的整流二極管
C31 C32 :第二二次繞組的濾波電容器
D41 D42 :第三二次繞組的整流二極管
C41 C42 :第三二次繞組的濾波電容器
D51 D52 :第四二次繞組的整流二極管
C51 C52 :第四二次繞組的濾波電容器
D61:第五二次繞組的整流二極管
D62:第六二次繞組的整流二極管
C61 C62 :第五二次繞組的濾波電容器
C63 C64 :第六二次繞組的濾波電容器D71 :第七二次繞組的整流二極管 C71 C72 :第七二次繞組的濾波電容器
L21 :模擬電源與數(shù)字電源隔離磁珠 5V :第一二次繞組對應(yīng)輸出電壓標(biāo)示 25V1 :第二二次繞組對應(yīng)輸出電壓標(biāo)示
25V2 :第三二次繞組對應(yīng)輸出電壓標(biāo)示 25V3 :第四二次繞組對應(yīng)輸出電壓標(biāo)示
+12V :第五二次繞組對應(yīng)輸出電壓標(biāo)示 -12V:第六二次繞組對應(yīng)輸出電壓標(biāo)示 15VF:第七二次繞組對應(yīng)輸出電壓標(biāo)示
GND1: +12V/-12V直流輸出參考地 GND2: 5V直流輸出參考地 GND3: 25Vl直流輸出參考地 GNM: 25V2直流輸出參考地 GND5: 25V3直流輸出參考地
G1 G4:功率單元IGBT (內(nèi)部自帶反向并聯(lián)二極管)
Capl Cap4:功率單元直流濾波電容器
Resl Res4:功率單元直流濾波電容器電壓平衡電阻
Lr:隔離變壓器的漏感
Lm:隔離變壓器的勵磁電感
Tl:隔離變壓器等效的理想變壓器
Load:等效負(fù)載
IL:隔離變壓器的漏感電流
Im:隔離變壓器的勵磁電感電流
LOAD:部分等效負(fù)載
箭頭虛線表示實際電流流過路徑
QF1:反饋的標(biāo)準(zhǔn)源器件，型號為TL431
DF1 DF2:反饋線性光藕，其中A端是輸入側(cè)，B端是輸出側(cè)
R81 R89:反饋電路用第一電阻 第九電阻
CF1 CF2:反饋電路用電容器
Vout:反饋電壓輸出端Voutl:低壓檢測端 C33 C34:鉗位電路濾波電容器 D33:穩(wěn)壓管 R31:分壓電阻
圖1示出了本發(fā)明開關(guān)電源的電路框圖。一種鏈?zhǔn)阶儞Q器功率單元控制器用開關(guān)電
源，包括主電路l、電壓反饋電路2、過流保護電路3、低壓監(jiān)測電路4、過壓保護電 路5和控制驅(qū)動電路7，其特征在于所述主電路1的電源輸入端連接直流輸入龜壓 VDC，所述主電路1包括7個電壓輸出端，分別提供5V—15W、 25V1—5W、 25V2—5W、 25V3—10W、+12V—10W、-12V—5W、 15VF—5W輸出電壓，其中，25V1—5W、 25V2—5W、 25V3—10W電壓輸出端分別連接有鉗位電路6， 5V—15W、 +12V—IOW、 15VF—5W電 壓輸出端分別對應(yīng)連接至電壓反饋電路2的5V—15W、 +12V-IOW、 15VF-5W電壓反 饋輸入端；所述過流保護電路3的過流檢測輸入端連接主電路1的過流檢測輸出端； 所述低壓監(jiān)測電路4的輸入端連接直流輸入電壓VDC;所述電壓反饋電路2、過流保 護電路3、低壓監(jiān)測電路4、過壓保護電路5的輸出端分別對應(yīng)連接至控制驅(qū)動電路7 的電壓反饋控制輸入端、過流控制輸入端、低壓控制輸入端和過壓控制輸入端，控制 驅(qū)動電路7的輸出端連接主電路1的控制驅(qū)動輸入端。
圖2示出主電路的結(jié)構(gòu)框圖，主電路1包括直流母線濾波電路101、 LLC i皆振電路 102和多路輸出電路103,直流母線濾波電路101用于對直流輸入電壓VDC進行濾波， 所述直流輸入電壓VDC由鏈?zhǔn)阶儞Q器功率單元中直流濾波串聯(lián)電容器組的最后一個 電容提供，直流母線濾波電路101的直流正、負(fù)母線輸出端分別與LLC諧振電路102 的直流正、負(fù)母線輸入端連接，LLC諧振電路102包括隔離變壓器，LLC諧振電路102 通過所述隔離變壓器與多路輸出電路103耦合，所述多路輸出電路103由隔離變壓器 的多路二次繞組及二次繞組的整流濾波電路組成，多路輸出電路103的7個輸出端作 為主電路1的7個電壓輸出端。
附圖3示出了主電路原理圖。直流母線濾波電路101包括直流平波電感L11、第一 濾波電容Cll和第二濾波電容C12。第一濾波電容Cll和第二濾波電容C12并聯(lián)，直 流平波電感Ul的一端連接直流輸入電壓VDC的正極DC，另一端連接第一濾波電容 Cll和第二濾波電容C12的一個并聯(lián)點，該連接點作為直流母線濾波電路101的直流 正母線輸出端。第一濾波電容Cll和第二濾波電容C12的另一個并聯(lián)點連接直流輸入 電壓VDC的負(fù)極N，該負(fù)極N同時作為直流母線濾波電路101的直流負(fù)母線輸出端。
LLC諧振電路102主要由隔離變壓器T、第一M0SFET開關(guān)管Q1、第二 MOSFET開關(guān)管Q2和諧振電容Cr組成，第一MOSFET開關(guān)管Ql的源極連接第二 MOSFET開關(guān) 管Q2的漏極，第一 MOSFET開關(guān)管Ql的漏極、第二 MOSFET開關(guān)管Q2的源極分 別作為LLC諧振電路102的直流正、負(fù)母線輸入端，第一 MOSFET開關(guān)管Q1和第二 MOSFET開關(guān)管Q2的柵極由所述控制驅(qū)動電路7分別進行控制。第一 MOSFET開關(guān) 管Ql的漏極和源極之間連接有第一反向并聯(lián)二極管Dll和第一吸收電容C13，第二 MOSFET開關(guān)管Q2的漏極和源極之間連接有第二反向并聯(lián)二極管D12和第二吸收電 容C14。第一反向并聯(lián)二極管Dl和第二反向并聯(lián)二極管D12分別為兩個開關(guān)管內(nèi)部 自帶的反向并聯(lián)二極管。隔離變壓器T的一次繞組N1的同名端通過諧振電容Cr與第 二 MOSFET開關(guān)管Q2的漏極連接， 一次繞組Nl的異名端與第二 MOSFET開關(guān)管Q2 的源極連接，隔離變壓器T包含第一二次繞組N21 第七二次繞組N27，每一二次繞 組分別連接有整流濾波電路構(gòu)成二次繞組輸出電路。七路二次繞組輸出電路之間相互 高壓隔離，分別提供5V—15W、 25V1—5W、 25V2—5W、 25V3—10W、 +12V—10W、 -12V—5W、 15VF 5W輸出電壓。
圖3中所示的電路元件的配置特征是由于諧振電容Cr起到儲存電能，同時進行 諧振和鉗制MOSFET管兩端峰值電壓的作用，因此要采用一個較大的電容，其值大約為 第一吸收電容C13、第二吸收電容C14容值大小的20多倍。第一吸收電容C13、第二 吸收電容C14起到快速充放電的作用，從而可以使第一 MOSFET開關(guān)管Ql、第二 MOSFET 開關(guān)管Q2的發(fā)射極的端電壓快速變化，實現(xiàn)高頻操作，因此要采用一個相對較小的電 容值。由于第一 MOSFET開關(guān)管Ql、第二 MOSFET開關(guān)管Q2控制所產(chǎn)生的電壓等于最大 值為直流輸入電壓VDC，因此考慮雷電電涌或者突然電壓驟升等這些緊急情況，可以采 用600V耐壓值的MOSFET管開關(guān)元件。設(shè)定功率開關(guān)管的最小工作頻率為60KHZ,最大 工作頻率為150KHZ，開關(guān)電源額定運行在H)0KHZ。總輸出功率45W，分6個輸出電壓 等級，即5V-15W， 25V1-5W， 25V2-5W， 25V3-10W， +12V-10W, -12V-5W,各輸出之間 是高壓隔離的，隔離電壓達4000V。另外一路輸出15VF-5 W為輔助電源，可對控制 驅(qū)動電路7供電6
圖4為功率單元結(jié)構(gòu)圖，總的輸入電源是1200V的，有4個耐壓的450V電容器串聯(lián)組成
電源，本發(fā)明開關(guān)電源的直流輸入電壓就引自串聯(lián)電容器組的最后一個電容Cap4,再經(jīng)
過直流母線濾波電路濾波后給MOSFET開關(guān)管供電。第一M0SFET開關(guān)管Q1和第二M0SFET開
關(guān)管Q2組成半橋電路，諧振電容Cr和隔離變壓器T一次繞組Nl形成的串聯(lián)電路和第二
M0SFET開關(guān)管Q2并聯(lián)。兩個M0SFET管開關(guān)元件由控制驅(qū)動電路7進行控制，兩者的占空比
都是50%，控制驅(qū)動電路7以預(yù)定頻率產(chǎn)生方波來控制開關(guān)管的通斷，通過改變開關(guān)頻率來實現(xiàn)電壓的實時調(diào)節(jié)，使輸出的電壓隨輸出功率的變化而快速穩(wěn)定。
圖5是隔離變壓器的等效結(jié)構(gòu)圖。本發(fā)明的開關(guān)電源利用隔離變壓器T自身的漏感Lr
和勵磁電感Lm作為諧振電感，漏感Lr和諧振電容Cr的諧振頻率作為第一諧振頻率fl,也
是開關(guān)電源穩(wěn)定工作頻率；漏感Lr、勵磁電感Lm和諧振電容Cr的諧振頻率作為第二諧振
頻率f2，是開關(guān)電源下限工作頻率。由于要求變壓器的漏感和勵磁電感比較大，所以在
繞制時一次繞組和二次繞組采用隔離糟分開繞制，同時在隔離變壓器的兩個合成磁芯間
增加氣隙，以此來增加電感。隔離變壓器的磁芯材料采用高頻軟磁材料PC40鐵氧體，EE
型結(jié)構(gòu)，兩個E型磁元件的三個對應(yīng)磁柱間都留有氣隙。
圖6為軟開關(guān)工作原理圖，僅以25V1-5W輸出電路為例進行說明。第一MOSFET開關(guān)管
Ql、第二M0SFET開關(guān)管Q2、第一吸收電容器C13、第二吸收電容C14、諧振電容Cr以及隔
離變壓器T的一次繞組N1組成的開關(guān)電源的核心電路的工作過程共分八個階段，第一階段
如圖(a)所示第二M0SFET開關(guān)管Q2關(guān)斷，這時諧振電感Lr內(nèi)的電流為負(fù)，因此第一MOSFET
開關(guān)管Q1內(nèi)部反向并聯(lián)二極管D11導(dǎo)通，為第一M0SFET開關(guān)管Q1的ZVS (零電壓開關(guān))導(dǎo)
通創(chuàng)造了條件，此階段有部分能量回饋至第一濾波電容C11和第二濾波電容C12中。當(dāng)?shù)?br>
一反向并聯(lián)二極管D11導(dǎo)通時，隔離變壓器的漏感電流IL開始增加，變壓器的極性為上正
下負(fù)，此時迫使第二二次繞組的第一二極管D31導(dǎo)通，變壓器開始在二次側(cè)輸出電壓。為
此諧振電感Lm上的電壓被輸出電壓鉗位，因此只有Lr和諧振電容Cr參與諧振，諧振電感Lm
在此過程中恒壓充電。第二階段如圖(b):當(dāng)諧振電感Lr中的電流由負(fù)變?yōu)檎?，電路進
入第二階段。導(dǎo)通第一M0SFET開關(guān)管Q1，輸出側(cè)仍然是第二二次繞組的第一二極管D31導(dǎo)
通，隔離變壓器一次側(cè)被電壓鉗位，諧振電感Lm在該鉗位電壓下線性充電，不參與諧振。
整個電路仍只有諧振電感Lr和諧振電容Cr參與諧振，第一濾波電容Cll、第二濾波電容C12
輸入能量給輸出電路。當(dāng)兩個諧振電感Lr和Lm的電流相等時，第二二次繞組的第一二極
管D31輸出電流為零，第二階段結(jié)束。第三階段見圖(c):此時，兩個諧振電感Lr和Lm
的電流相等，電感Lm開始和Lr、諧振電容Cr一起參與諧振。變壓器二次側(cè)電壓小于輸出
電壓，輸出被變壓器隔離，第二二次繞組的第一二極管D31、第二二極管D32都反向截止，
輸出負(fù)載消耗能量由電容器第二二次繞組的第一電容C31、第二電容C32提供。第四階段
如圖(d):第一M0SFET開關(guān)管Q1、第二M0SFET開關(guān)管Q2都沒有驅(qū)動信號，進入死區(qū)時間。
此時，諧振電感Lr和Lm的電流相等，輸出依然被變壓器隔離，輸出負(fù)載消耗能量由電容
器C31、 C32提供，并且電感Lm、 Lr和電容Cr都參與諧振。諧振電流給第一吸收電容C13充
電，第二吸收電容C14則開始放電。當(dāng)?shù)诙针娙軨14放電結(jié)束時，進入下一階段。第
五階段見圖(e):第一M0SFET開關(guān)管Q1關(guān)斷，這時第二M0SFET開關(guān)管Q2的反向并聯(lián)二極管D12導(dǎo)通，為第二M0SFET開關(guān)管Q2的ZVS導(dǎo)通創(chuàng)造了條件，另外，變壓器一次側(cè)被電壓
鉗位，上負(fù)下正，第二二次繞組的第二二極管D32開始導(dǎo)通。電感Lm在該鉗位電壓下線性
充電，不參與諧振，只有諧振電感Lr和諧振電容Cr參與諧振，諧振電流經(jīng)諧振電感Lm、
變壓器一次側(cè)及二極管D32傳遞能量到輸出端。當(dāng)諧振電流IL下降到O時，結(jié)束該階段。
第六階段見圖(f):導(dǎo)通第二M0SFET開關(guān)管Q2，變壓器一次側(cè)被電壓鉗位，上負(fù)下正，
輸出仍然由二極管D32導(dǎo)通，諧振電感Lm在該鉗位電壓下線性充電，不參與諧振，只有諧
振電感Lr和諧振電容Cr參與諧振，諧振電流經(jīng)諧振電感Lm、變壓器一次側(cè)傳遞能量到輸
出。第七階段見圖(g):第二M0SFET開關(guān)管Q2為導(dǎo)通狀態(tài)，當(dāng)諧振電感Lr的電流和Lm的
電流相等時，輸出被變壓器隔離，二極管D31、 D32都反向截止，輸出負(fù)載消耗能量由電
容器C31、 C32提供。此時，諧振電感Lm開始參與諧振，諧振電流在第二MOSFET開關(guān)管Q2
和諧振腔內(nèi)循環(huán)流動。第八階段見圖(h):第一、第二M0SFET開關(guān)管Q1、 Q2都沒有驅(qū)動
信號，進入死區(qū)時間。此時，電感Lr的電流和Lm的電流相等，輸出依然被變壓器隔離，
輸出負(fù)載消耗能量由電容器C31、 C32提供，并且諧振電感Lnu Lr和諧振電容Cr都參與諧
振。諧振電流對第二吸收電容C14充電，第一吸收電容C13開始放電。當(dāng)?shù)谝晃针娙軨13
放電結(jié)束后，進入第一階段從新開始。
電壓反饋電路與主電路連接電路示意圖如圖7,電壓反饋電路2采用5V-15W、
+12V-IOW兩路輸出電壓作為反饋主電路輸入，并加入25V3—10W的輸出電壓作為輔
助反饋輸入。電壓反饋電路2包括標(biāo)準(zhǔn)源器件QF1，標(biāo)準(zhǔn)源器件QF1采用型號為TL431
的基準(zhǔn)源。供給功率單元控制器模擬調(diào)理電路使用的+12V-10W輸出電壓功率比較穩(wěn)
定，經(jīng)第二電阻R82、第六電阻R86分壓后輸入到TL431的參考電壓輸入端，用作TL431
的參考電壓輸入。供鏈?zhǔn)阶儞Q器功率單元控制器數(shù)字控制電路使用的5V-15W輸出電
壓，作為隔離線性光藕的輸入電源，通過第三電阻R83和第二光藕DF2的二極管輸入
到TL431的陰極，第二光藕DF2的輸入側(cè)二極管兩端并聯(lián)第四電阻R84。三路25V輸
出電壓是作為IGBT的驅(qū)動電源用，由于驅(qū)動電源往往是脈沖形式的，所以波動也比較
大，控制不好會影響鏈?zhǔn)阶儞Q器功率單元的運行，故取三路25V輸出電壓中功率最大
的25V3-IOW輸出電壓作為附加反饋回路，該反饋作為5V-15W輸出電壓主反饋的補
充，可以有效抑制驅(qū)動電源的波動。25V3-10W輸出電壓通過第一電阻R81和第一光
耦DF1的輸入側(cè)二極管形成輔助反饋輸入，第一光耦DF1、第二光藕DF2的輸出側(cè)三
極管由15VF-5W輸出電壓供電，第一光耦DF1、第二光藕DF2的輸出側(cè)三極管的發(fā)
射極分別與第七電阻R87、第八電阻R88的一端連接，第七電阻R87、第八電阻R88
的另一端相互連接形成反饋電壓輸出端Vout，該反饋電壓輸出端Vout通過第九電阻R89接直流輸入電壓的負(fù)極。
反饋電壓輸出端Vout的輸出電壓接入控制驅(qū)動電路7中控制芯片的信號反饋管腳， 控制芯片根據(jù)此電壓輸出相應(yīng)頻率的MOSFET管驅(qū)動脈沖對第一MOSFET開關(guān)管Ql、 第二MOSFET開關(guān)管Q2的柵極分別進行控制，最終穩(wěn)定輸出電壓。圖中第一回授電 容CF1、第五電阻R85和第二回授電容CF2構(gòu)成了回授電路補償以穩(wěn)定控制驅(qū)動電路。
功率單元中4個IGBT的驅(qū)動在開通時需要正電壓，關(guān)斷時則需要負(fù)電壓，如果采用2 個正負(fù)輸出電壓組合為一個供電源的話，對一個單相全橋電路4個IGBT來說就很不經(jīng)濟。 所以，本發(fā)明中采用穩(wěn)壓管鉗位的方式，使輸出的電壓有一個懸浮的中性點，兩端相對 中性點是一正(+15V) —負(fù)(-10V)的電壓。如圖8所示為鉗位電路6與主電路連接電路 示意圖，僅以25V1-5W輸出電路為例鉗位電路6包括分壓電阻R31和穩(wěn)壓管D33，分壓 電阻R31的一端連接25V1輸出的正端，另一端連接穩(wěn)壓管D33的負(fù)極，穩(wěn)壓管D33的正極 連接25V1輸出的負(fù)端，分壓電阻R31、穩(wěn)壓管D33的兩端分別并聯(lián)有第三濾波電容C33、 第四濾波電容C34。單相全橋電路共需3組這樣的電路，所以開關(guān)電源3組25V輸出電路均 采用了上述鉗位電路輸出方式，從而得到3組相互隔離的正負(fù)輸出。
控制驅(qū)動電路7由開關(guān)死區(qū)時間設(shè)置、最大頻率設(shè)置、軟啟動設(shè)置、故障持續(xù)時間 設(shè)置等運行參數(shù)設(shè)置電路組成，僅僅需要設(shè)置匹配的電阻、電容器。本具體實施方式
控制驅(qū)動電路7的核心采用NCP1396型號控制芯片，控制芯片功能管腳示意圖見圖11。 其中
管腳lCss:軟啟動功能，確定軟啟動的持續(xù)時間。
管腳2Fmax:最大頻率設(shè)定功能，通過一個電阻來設(shè)定芯片的最大工作頻率。 管腳3Ctimer:錯誤持續(xù)時間設(shè)定功能，可以設(shè)定慢速錯誤的持續(xù)時間。 管腳4Rt:時標(biāo)電阻，連接一個電阻到這個管腳，設(shè)定最小震蕩器頻率到VFB-1V 管腳5BO:反饋端，起到低電壓保護的作用，當(dāng)該引腳電壓高于限定值時，芯片
才正常工作，低于限定值時，封鎖輸出。
管腳6FB:反饋端，增大該管腳的注入電流，使振蕩頻率增加直到最大頻率。
管腳7DT:死區(qū)時間設(shè)定，通過一個電阻來設(shè)定死區(qū)持續(xù)時間。
管腳8 Fast Fault:檢測快速錯誤，起到快速停止芯片工作的作用。當(dāng)檢測到快速錯
誤發(fā)生，停止芯片工作，錯誤消除后，重新軟啟動芯片。用作過電壓保護。
管腳9 Slow Fault:檢測慢速錯誤。當(dāng)檢測到有慢速錯誤時，計時器開始倒數(shù)計時，
末了如果錯誤還沒有消失，則關(guān)閉芯片。用作過電流保護。 管腳10Gnd:芯片接地端。管腳llMlower:低端輸出驅(qū)動信號，驅(qū)動低端的MOSFET。 管腳12VCC:提供芯片工作電壓。
管腳14HB:半橋結(jié)構(gòu)連接端，在半橋結(jié)構(gòu)變換器中，連接到半橋中間端。 管腳15Mupper:高端輸出驅(qū)動信號，驅(qū)動高端的MOSFET。 管腳16 Vboot:為高端提供懸浮的Vcc電壓。
過流保護電路與主電路連接示意圖如圖9所示，過流保護電路3連接在主電路1 的諧振電容Cr兩端，由電容器C91、 C92，電阻R97、 R98和二極管D91、 D92組成。 過流保護電路3的輸出電壓lout連接到控制驅(qū)動電路7的控制芯片NCP1396的Slow Fault端，當(dāng)主電路1的電流過大時，輸出電壓Iout超過門限值，控制芯片NCP1396 通過軟關(guān)斷保護主電路。
圖10為低壓監(jiān)測電路、過壓保護電路與主電路連接電路圖。低壓監(jiān)測電路4通過電阻 R95、 R96對直流母線電壓分壓后，低壓檢測端Voutl輸出低壓檢測信號到控制芯片 NCP1396的BO端，當(dāng)電壓過低時，NCP1396的BO端電壓過低，NCP1396控制MOSFET管 關(guān)斷，實現(xiàn)低壓保護功能。過壓保護電路5與5V-15W輸出電路連接，主要由過壓保護電 路用穩(wěn)壓管ZF、光藕DF3、三極管QF2及電阻R91、 R92、 R93組成。當(dāng)開關(guān)電源輸出的5V 電壓過高時，光藕DF3中輸入側(cè)二極管的電流迅速增大，光藕DF3輸出側(cè)電流也一起增大， 使得三極管QF2中集電極流過的電流增大，由于低壓檢測端Voutl同時作為過壓檢測端， 過壓檢測端VouU的電壓增加，NCP1396的BO端檢測到該電壓后，控制MOSFET管關(guān)斷， 實現(xiàn)過壓保護功能。熱敏電阻R94為負(fù)溫度系數(shù)的熱敏電阻，其反映MOSFET管的溫度， 當(dāng)溫度過高時，隨其電阻的變化三極管QF2集電極流過的電流增大，過壓檢測端Voutl電 壓增加，NCPI396的BO端檢測到該電壓后，控制MOSFET管關(guān)斷，保護開關(guān)電源。
權(quán)利要求
1.一種鏈?zhǔn)阶儞Q器功率單元控制器用開關(guān)電源，包括主電路(1)、電壓反饋電路(2)、過流保護電路(3)、低壓監(jiān)測電路(4)、過壓保護電路(5)和控制驅(qū)動電路(7)，其特征在于所述主電路(1)的電源輸入端連接直流輸入電壓(VDC)，所述主電路(1)包括7個電壓輸出端，分別提供5V--15W、25V1--5W、25V2--5W、25V3--10W、+12V--10W、-12V--5W、15VF--5W輸出電壓，其中，25V1--5W、25V2--5W、25V3--10W電壓輸出端分別連接有鉗位電路(6)，5V--15W、+12V--10W、15VF--5W電壓輸出端分別對應(yīng)連接至電壓反饋電路(2)的5V--15W、+12V--10W、15VF--5W電壓反饋輸入端；所述過流保護電路(3)的過流檢測輸入端連接主電路(1)的過流檢測輸出端；所述低壓監(jiān)測電路(4)的輸入端連接直流輸入電壓(VDC)；所述電壓反饋電路(2)、過流保護電路(3)、低壓監(jiān)測電路(4)、過壓保護電路(5)的輸出端分別對應(yīng)連接至控制驅(qū)動電路(7)的電壓反饋控制輸入端、過流控制輸入端、低壓控制輸入端和過壓控制輸入端，控制驅(qū)動電路(7)的輸出端連接主電路(1)的控制驅(qū)動輸入端。
2. 如權(quán)利要求1所述的鏈?zhǔn)阶儞Q器功率單元控制器用開關(guān)電源，其特征在于^f述 主電路(1)包括直流母線濾波電路(101 )、 LLC諧振電路(102)和多路輸出電路(103)， 直流母線濾波電路(101)用于對直流輸入電壓(VDC)進行濾波，所述直流輸入電壓(VDC)由鏈?zhǔn)阶儞Q器功率單元中直流濾波串聯(lián)電容器組的最后一個電容提供，直流 母線濾波電路(101)的直流正、負(fù)母線輸出端分別與LLC諧振電路(102)的直流正、 負(fù)母線輸入端連接，LLC諧振電路(102)包括隔離變壓器，IXC諧振電路(102)通 過所述隔離變壓器與多路輸出電路(103)耦合，所述多路輸出電路(103)由隔離變 壓器的多路二次繞組及二次繞組的整流濾波電路組成，多路輸出電路(103)的7個輸 出端作為主電路(1)的7個電壓輸出端。
3. 如權(quán)利要求2所述的鏈?zhǔn)阶儞Q器功率單元控制器用開關(guān)電源，其特征在于所述 LLC諧振電路(102)還包括第一 MOSFET開關(guān)管(Ql)、第二MOSFET開關(guān)管(Q2) 和諧振電容(Cr)，所述第一MOSFET開關(guān)管(Ql)的源極連接第二 MOSFET開關(guān)管(Q2)的漏極，第一 MOSFET開關(guān)管(Ql)的漏極、第二 MOSFET開關(guān)管(Q2)的 源極分別作為所述IXC諧振電路(102)的直流正、負(fù)母線輸入端，所述第一 MOSFET 開關(guān)管(Ql)和第二 MOSFET開關(guān)管(Q2)的柵極由控制驅(qū)動電路(7)分別進行控制，所述第一MOSFET開關(guān)管(Ql)和第二MOSFET開關(guān)管(Q2)中每一個的源極 和漏極之間分別連接有吸收電容，所述隔離變壓器的一次繞組的同名端通過諧振電容 (Cr)與第二 MOSFET開關(guān)管(Q2)的漏極連接，該一次繞組的異名端與第二 MOSFET 開關(guān)管(Q2)的源極連接。
4.如權(quán)利要求1所述的鏈?zhǔn)阶儞Q器功率單元控制器用開關(guān)電源，其特征在于所述 鉗位電路(6)包括分壓電阻和穩(wěn)壓管，分壓電阻的一端連接輸出電壓的正極，另一端 連接穩(wěn)壓管的負(fù)極，穩(wěn)壓管的正極連接輸出電壓的負(fù)極，分壓電阻和穩(wěn)壓管的兩端分 別并聯(lián)有電容。
5. 如權(quán)利要求1所述的鏈?zhǔn)阶儞Q器功率單元控制器用開關(guān)電源，其特征在于所述 電壓反饋電路(2)采用5V—15W、 +12V—IOW兩路輸出電壓作為反饋主電路輸入，并 加入25V3-10W的輸出電壓作為輔助反饋輸入，所述電壓反饋電路(2)包括標(biāo)準(zhǔn)源器 件(QF1)， +12V-10W輸出電壓經(jīng)第二電阻(R82)、第六電阻(R86)分壓后輸入到 標(biāo)準(zhǔn)源器件(QF1 )的參考電壓輸入端，用作標(biāo)準(zhǔn)源器件(QF1 )的參考電壓輸入，5V-15W 輸出電壓通過第三電阻(R83)和第二光藕(DF2)的二極管輸入到標(biāo)準(zhǔn)源器件(QF1) 的陰極，第二光藕(DF2)的二極管兩端并聯(lián)第四電阻(R84), 25V3--10W輸出電壓 通過第一電阻(R81)和第一光耦(DF1)的二極管形成輔助反饋輸入，第一光耦(DF1 )、 第二光藕(DF2)的三極管由15VF—5 W輸出電壓供電，第一光耦(DF1)、第二光藕(DF2)的發(fā)射極分別與第七電阻(R87)、第八電阻(R88)的一端連接，第七電阻(R87)、 第八電阻(R88)的另一端相互連接形成反饋電壓輸出端(Vout)，該反饋電壓輸出端 (Vout)通過第九電阻(R89)接直流輸入電壓(VDC)的負(fù)極(N)。
6. 如權(quán)利要求5所述的鏈?zhǔn)阶儞Q器功率單元控制器用開關(guān)電源，其特征在于所述 標(biāo)準(zhǔn)源器件(QF1)采用型號為TL431的基準(zhǔn)源。
全文摘要
本發(fā)明公開一種鏈?zhǔn)阶儞Q器功率單元控制器用開關(guān)電源，該開關(guān)電源包含相互之間采用高壓隔離的七路輸出，實現(xiàn)了鏈?zhǔn)阶儞Q器功率單元控制器的工作電源和IGBT驅(qū)動電源由單個開關(guān)電源供電，節(jié)省了電源成本。該開關(guān)電源還利用三元件LLC串聯(lián)諧振原理，通過諧振軟開關(guān)技術(shù)實現(xiàn)功率開關(guān)管的軟開關(guān)過程，并利用隔離變壓器本身的寄生參數(shù)作為串聯(lián)諧振的器件，使電路開關(guān)功率損耗降到最小，轉(zhuǎn)換效率相對最高，且輸出功率可以進行很好的調(diào)節(jié)，既減小了開關(guān)管的導(dǎo)通損耗，又提高了開關(guān)電源的轉(zhuǎn)換效率，延長了開關(guān)器件的壽命。
文檔編號H02M1/00GK101304217SQ20081012292
公開日2008年11月12日 申請日期2008年7月2日 優(yōu)先權(quán)日2008年7月2日
發(fā)明者倪喜軍, 銘 楊, 杰 白, 趙劍鋒, 閆安心 申請人:東南大學(xué)