專利名稱：帶有輸出保護的高功率密度的直流供電電路的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種直流供電電路。
背景技術(shù)：
近年來，光伏發(fā)電、風(fēng)力發(fā)電、蓄電池供電等交流低壓、直流低壓供電的可再生新能源系統(tǒng)被廣泛使用，提高低壓新能源供電系統(tǒng)的供電效率、供電質(zhì)量、供電可靠性勢在必行。目前本領(lǐng)域公知電源轉(zhuǎn)換基本采用I、交流(AC)輸入，采用全波整流器把輸入交流(AC)電源整流為直流(DC)電源，再進行DC/DC轉(zhuǎn)換為直流(DC)輸出。此種方案解決了較高輸入電壓交流電源和小功率電源的轉(zhuǎn)換問題。但在低電壓交流電源輸入和大功率電源轉(zhuǎn)換時，因為AC/DC整流電路的電壓降較高，而產(chǎn)生很高的功耗，使電源轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換效率很低。2、直流(DC)輸入，直接進行DC/DC轉(zhuǎn)換為直流(DC)輸出。此種方案解決了固定設(shè)備供電問題。但使用可靠性較低，尤其是在移動性設(shè)備，經(jīng)常需要重新連接輸入電源的設(shè)備，一旦出現(xiàn)電源極性接反的情況，就會產(chǎn)生輸入短路事故。因此一些要求可靠性較高的設(shè)備，在轉(zhuǎn)換器輸入端加入直流定向整流電路。在低電壓直電源輸入和大功率電源轉(zhuǎn)換時，因為直流識別定向整流電路的電壓降較高，而產(chǎn)生很高的功耗，使電源轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換效率很低。3、為了提高低壓供電效率、降低線路電流一般采用升壓式(BOOST)直流(DC)供電方式。升壓式(BOOST)直流(DC)供電當(dāng)輸出產(chǎn)生短路故障，輸出電壓低于輸入電壓時BOOST電路功能失效，輸入電源直接對負載短路，大電流(大功率)系統(tǒng)短路保護控制難度很大。以常規(guī)整流(識別定向)電路在輸入為低壓新能源電源為例進行說明，輸入電壓Ui=IOV(AC、DC),輸入電流Ii=20A,輸入功率Pi=IOX 20=200ff,整流(識別定向)電路壓降Ud=2V，整流(識別定向)電路耗為Pd=2X20=40W，輸出功率Po=200_40=160W，其整流(識別定向)效率為E=160/200=0. 8，由此可見常規(guī)整流(識別定向)電路在輸入為低壓新能源電源時，功耗很大,效率很低。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明提供一種帶有輸出保護的高功率密度的直流供電電路，主要解決了現(xiàn)有低壓新能源電源轉(zhuǎn)換器功耗高、效率低、可靠性差的問題。本發(fā)明的具體技術(shù)解決方案如下該帶有輸出保護的高功率密度的直流供電電路，包括VMOS開關(guān)電路和調(diào)寬式脈沖控制電路，VMOS開關(guān)電路的輸入端通過續(xù)流電感與輸入電源的輸出端連接，VMOS開關(guān)電路的輸出端依次通過反向隔離電路、儲能濾波電路和輸出保護電路與負載連接，所述VMOS開關(guān)電路的輸入端還與VMOS開關(guān)驅(qū)動電路的輸出端連接，所述調(diào)寬式脈沖控制電路的輸出端通過驅(qū)動信號合成電路與VMOS開關(guān)驅(qū)動電路的輸入端連接，調(diào)寬式脈沖控制電路的輸入端通過輸入電流采樣電路與輸入電源的輸出端連接，驅(qū)動信號合成電路的輸入端還通過續(xù)流電壓采樣電路與VMOS開關(guān)電路的輸出端連接；所述調(diào)寬式脈沖控制電路的輸入端還通過輸出電流采樣電路與儲能濾波電路的輸出端連接；所述調(diào)寬式脈沖控制電路、驅(qū)動信號合成電路、VMOS開關(guān)驅(qū)動電路和續(xù)流電壓采樣電路組成控制電路；所述VMOS開關(guān)電路包括兩個串聯(lián)的VMOS管組，第一 VMOS管組是并聯(lián)交替工作的VMOS管Ml、M2，第二 VMOS管組是并聯(lián)交替工作的VMOS管M3、M4，輸入電源通過續(xù)流電感依次與兩個VMOS管組在反向隔離電路輸入端之前串聯(lián)；所述VMOS開關(guān)驅(qū)動電路包括兩個并聯(lián)的驅(qū)動器，第一驅(qū)動器的輸入端Ai、Bi與驅(qū)動信號合成電路輸出端的兩個輸出接口連接，第一驅(qū)動器的輸出端Ao、Bo與VMOS管的VMOS開關(guān)電路輸入端的一組接口連接；第二驅(qū)動器的輸入端Ai、Bi與驅(qū)動信號合成電路輸出端的另外兩個輸出接口連接，第二驅(qū)動器的輸出端Ao、Bo與開關(guān)電路輸入端的另一組接口連接；所述輸出保護電路包括基準(zhǔn)電壓源、比較器A、比較器B、三極管NI和穩(wěn)壓管Z5 ；該輸出安全控制電路的輸入端接BOOST直流輸出電壓，輸出端接負載，所述輸入端和輸出端所在的主回路上串聯(lián)設(shè)置有VMOS管M5和限流電阻R24，其中，VMOS管M5的基極經(jīng)三極管NI接至所述輸出端的負端，三極管NI的基極接至所述基準(zhǔn)電壓源；所述輸出端并聯(lián)有一個濾波電容和一個反饋支路，該反饋支路上依次串聯(lián)有分壓電阻R14和RC電路；比較器A的正相輸入端接入該反饋支路，經(jīng)分壓電阻R14接至所述輸出端的正端，比較器A的負相輸入端接基準(zhǔn)電壓，比較器A的輸出端依次經(jīng)串聯(lián)的電阻R13、電阻R27、電阻R22接至所述輸入端的負端；比較器B的正相輸入端接入電阻R13、電阻R27和電阻R22所在的串聯(lián)支路，其接入節(jié)點位于電阻R27與電阻R22之間；比較器B的負相輸入端經(jīng)電阻R6接至所述輸出端的負端；比較器B的輸出端接至三極管NI的基極?；谏鲜龇桨?，本發(fā)明還可做如下優(yōu)化限定和改進所述驅(qū)動信號合成電路為標(biāo)準(zhǔn)兩輸入或門控制芯片，該控制芯片包括四對輸入端A1，A2，B1，B2，C1，C2，D1，D2 和相應(yīng)的四個輸出端 Ao、Bo、Co、Do，其中輸入端 Al，BI，Cl，Dl與調(diào)寬式脈沖控制電路的兩個輸出端連接，輸入端A2，B2, C2，D2與續(xù)流電壓采樣電路的兩個輸出端連接，輸出端Ao、Bo、Co、Do與VMOS開關(guān)驅(qū)動電路的輸入端連接。所述調(diào)寬式脈沖控制電路為電壓型PWM控制器，PWM控制器的兩個輸出端Ao、Bo分別接至驅(qū)動信號合成電路的一組輸入端。所述輸入電流采樣電路包括電流傳感器CSl、電容C13、電阻R21，二極管D4，電流傳感器CSl與二極管D4串聯(lián)構(gòu)成一個支路，電容C13、電阻R21分別與該支路并聯(lián)。所述輸出電流采樣電路包括電流傳感器CS2、電容C9和二極管D5，電流傳感器CS2與二極管D5串聯(lián)構(gòu)成一個支路，電容C9與該支路并聯(lián)。所述續(xù)流電壓采樣電路包括由穩(wěn)壓二極管Z3，濾波電容C11，分壓電阻R3，R4組成的輸出米樣電路和由穩(wěn)壓二極管Z4,濾波電容C12,分壓電阻Rl, R5組成的輸入米樣電路，所述輸出采樣電路的輸出端為R4與R3之間的節(jié)點，該節(jié)點與驅(qū)動信號合成電路輸入端的一個接口連接，輸入采樣電路的輸出端為Rl與R5之間的節(jié)點，該節(jié)點與驅(qū)動信號合成電路輸入端的另一個接口連接。所述反向隔離電路由與所述VMOS開關(guān)電路同步整流的VMOS管組構(gòu)成，由所述驅(qū)動信號合成電路經(jīng)續(xù)流驅(qū)動電路同步驅(qū)動。
本發(fā)明的優(yōu)點在于本發(fā)明提供的帶有輸出保護的高功率密度的直流供電電路有XC/DC擴展(XC)形、無極性、多波形、寬頻率電源輸入，DC(直流)輸出，自動極性識別定向、高轉(zhuǎn)換效率、高功率因數(shù)、高可靠性、高功率密度、低成本等優(yōu)勢。所加的輸出保護電路能夠保證BOOST輸出在負載短路時自動調(diào)整，限流輸出，同時仍保證低功耗。


圖I為本發(fā)明電路原理框圖2為本發(fā)明電路結(jié)構(gòu)意圖3為自動定向BOOST在Ui正半周(Ml、M2、M3、M4) PWM導(dǎo)通時電流流4為自動定向BOOST在Ui正半周(M3、M4) PWM導(dǎo)通續(xù)流時電流流圖5為輸入電源為Ac正弦波時的單周期波形圖。
圖6為本發(fā)明的輸出保護電路的結(jié)構(gòu)示意圖。
具體實施例方式該帶有輸出保護的高功率密度的直流供電電路，包括VMOS開關(guān)電路和調(diào)寬式脈沖控制電路，VMOS開關(guān)電路的輸入端通過續(xù)流電感與輸入電源的輸出端連接，VMOS開關(guān)電路的輸出端依次通過反向隔離電路、儲能濾波電路與負載連接，所述VMOS開關(guān)電路的輸入端還與VMOS開關(guān)驅(qū)動電路的輸出端連接，所述調(diào)寬式脈沖控制電路的輸出端通過驅(qū)動信號合成電路與VMOS開關(guān)驅(qū)動電路的輸入端連接，調(diào)寬式脈沖控制電路的輸入端通過輸入電流采樣電路與輸入電源的輸出端連接，驅(qū)動信號合成電路的輸入端還通過續(xù)流電壓采樣電路與VMOS開關(guān)電路的輸出端連接；所述調(diào)寬式脈沖控制電路的輸入端還通過輸出電流采樣電路與儲能濾波電路的輸出端連接；所述調(diào)寬式脈沖控制電路、驅(qū)動信號合成電路、VMOS開關(guān)驅(qū)動電路和續(xù)流電壓采樣電路組成控制電路；所述VMOS開關(guān)電路包括兩個串聯(lián)的VMOS管組，第一 VMOS管組是并聯(lián)交替工作的VMOS管M1、M2，第二 VMOS管組是并聯(lián)交替工作的VMOS管M3、M4，輸入電源通過續(xù)流電感依次與兩個VMOS管組在反向隔離電路輸入端之前串聯(lián)；所述VMOS開關(guān)驅(qū)動電路包括兩個并聯(lián)的驅(qū)動器，第一驅(qū)動器的輸入端Ai、Bi與驅(qū)動信號合成電路輸出端的兩個輸出接口連接，第一驅(qū)動器的輸出端Ao、Bo與VMOS管的VMOS開關(guān)電路輸入端的一組接口連接；第二驅(qū)動器的輸入端Ai、Bi與驅(qū)動信號合成電路輸出端的另外兩個輸出接口連接，第二驅(qū)動器的輸出端Ao、Bo與開關(guān)電路輸入端的另一組接口連接。驅(qū)動信號合成電路為標(biāo)準(zhǔn)兩輸入或門控制芯片，該控制芯片包括四對輸入端Al，A2，BI，B2, Cl，C2，Dl, D2和相應(yīng)的四個輸出端Ao、Bo、Co、Do，其中輸入端Al, BI, Cl, Dl與調(diào)寬式脈沖控制電路的兩個輸出端連接，輸入端A2，B2, C2，D2與續(xù)流電壓采樣電路的兩個輸出端連接，輸出端Ao、Bo、Co、Do與VMOS開關(guān)驅(qū)動電路的輸入端連接。調(diào)寬式脈沖控制電路為電壓型PWM控制器，PWM控制器的兩個輸出端Ao、Bo分別接至驅(qū)動信號合成電路的一組輸入端。輸入電流采樣電路包括電流傳感器CS1、電容C13、電阻R21，二極管D4，電流傳感
6器CSl與二極管D4串聯(lián)構(gòu)成一個支路，電容C13、電阻R21分別與該支路并聯(lián)。輸出電流采樣電路包括電流傳感器CS2、電容C9和二極管D5，電流傳感器CS2與二極管D5串聯(lián)構(gòu)成一個支路，電容C9與該支路并聯(lián)。續(xù)流電壓采樣電路包括由穩(wěn)壓二極管Z3，濾波電容C11，分壓電阻R3，R4組成的輸出采樣電路和由穩(wěn)壓二極管Z4，濾波電容C12，分壓電阻Rl，R5組成的輸入采樣電路，所述輸出采樣電路的輸出端為R4與R3之間的節(jié)點，該節(jié)點與驅(qū)動信號合成電路輸入端的一個接口連接，輸入采樣電路的輸出端為Rl與R5之間的節(jié)點，該節(jié)點與驅(qū)動信號合成電路輸入端的另一個接口連接。反向隔離電路由與所述VMOS開關(guān)電路同步整流的VMOS管組構(gòu)成，由所述驅(qū)動信號合成電路經(jīng)續(xù)流驅(qū)動電路同步驅(qū)動。以下對各重要電路的功能進行說明續(xù)流電感利用電感特性對輸入電源進行升壓；VMOS開關(guān)電路VM0S開關(guān)電路導(dǎo)通期間，續(xù)流電感中有電流通過；VM0S開關(guān)電路關(guān)斷期間，續(xù)流電路導(dǎo)通，使續(xù)流電感中電流繼續(xù)導(dǎo)通，產(chǎn)生高壓，對儲能濾波電路進行充電，充電后由儲能濾波電路對負載進行供電；儲能濾波電路VM0S開關(guān)電路關(guān)斷期間充電并對負載供電；VMOS開關(guān)驅(qū)動電路對驅(qū)動信號合成電路生成的VMOS開關(guān)信號和VMOS續(xù)流信號進行放大處理；驅(qū)動信號合成電路對調(diào)寬式脈沖控制電路生成的PWM調(diào)寬式脈沖信號、電壓采樣電路輸入的交直流信號、正負極信號或續(xù)流信號以及電源信號進行合成，生成合成信號(包括極性、交流、直流、調(diào)寬信號);然后根據(jù)合成信號進行自動分配，區(qū)分為VMOS開關(guān)信號和VMOS續(xù)流信號；調(diào)寬式脈沖控制電路根據(jù)輸入采樣電路和/或輸出采樣電路輸入的電流采樣信號生成PWM調(diào)寬式脈沖信號；續(xù)流電壓采樣電路對VMOS開關(guān)電路和續(xù)流電路的電流信號進行采樣，產(chǎn)生交直流信號、正負極信號或續(xù)流信號，并將上述信號輸入至驅(qū)動信號合成電路；輸入電流采樣電路對輸入電源輸入經(jīng)過續(xù)流電感的電流進行采樣,生成采樣信號并將采樣信號提供給調(diào)寬式脈沖控制電路進行處理；以下結(jié)合附圖對本發(fā)明進行詳述ICl (UCC28084或其它同類器件)，為標(biāo)準(zhǔn)雙端交替輸出PWM控制器，通過器件I端(OC)控制PWM調(diào)寬輸出，輸出交替PWM波形P1、P2。町、! 5、(12、24對續(xù)流波形？4進行檢測整形，形成波形？3。其中，穩(wěn)壓管Z4保持P3的電壓穩(wěn)定，電容C12用以濾波，使得在PA出現(xiàn)高電平時能夠使P3持續(xù)高電平。1 4、1 3、(11、23對續(xù)流波形？8進行檢測整形，形成波形？4。其中，穩(wěn)壓管Z3保持P4的電壓穩(wěn)定，電容Cll用以濾波，使得在PB出現(xiàn)高電平時能夠使P4持續(xù)高電平。IC2(CD4071或其它同類器件)，為標(biāo)準(zhǔn)2輸入或門，其中Αο=Α1+Α2、Βο=Β1+Β2、Co=Cl+C2、Do=Dl+D2，對PU P2、P3、P4進行邏輯合成后形成交錯輸出PWM控制波形。IC3、IC4 (IR442或其它同類器件)，為標(biāo)準(zhǔn)驅(qū)動器，其中Ao=Ai、Bo=Bi，對VMOS進行高速大電流驅(qū)動，以降低VMOS開關(guān)功耗提高轉(zhuǎn)換效率。
CS1、CS2、D4、D5、R21、C13組成電流傳感、鑒別、檢測電路，自動檢測出PWM開通時電源高端VMOS通過的電流波形。同時超其電路具有很低的功耗，采用電流傳感系數(shù)< 100、采樣控制電壓< O. 5V，控制功耗Pe < O. 5X10X0. 01=0. 005X10 (10為導(dǎo)通電流)，當(dāng)IO為 20A 時Pe < O. 05X20=0.1ff0C7、C8、C9主要用于進一步消除噪聲(窄脈沖)。L1、D3、C14組成BOOST升壓電路的LDC，為了適應(yīng)輸入電源的不對稱性，例如單極性直流、單極性方波、單極性三角波等，LI采用差模對稱式，也可僅在輸入回路的正端或負端設(shè)置電感作為LI。PWM控制電路(I CI)的Ao端口和Bo端口交替輸出控制信號PI、P2，且PI、P2之間總保持一個用于續(xù)流的間隔時間(對應(yīng)于PA波形的高電平)。P3、P4由輸入回路中的PA、PB波形分壓所得。PU P2、P3、P4接入觸發(fā)信號合成電路(IC2)的輸入端口，進行如前所述的或邏輯運算后，再分別經(jīng)開關(guān)驅(qū)動器IC3、IC4驅(qū)動將觸發(fā)信號分別加至兩個VMOS開關(guān)電路
組(Ml、M2 ;M3、M4)，D3具有兩個輸入端，分別接至輸入回路的正端和負端，正向電流經(jīng)反向隔離電路D3對C14充電。Ml與M2并聯(lián)交替工作，M3與M4并聯(lián)交替工作(每一個VMOS開關(guān)本身具有與之并聯(lián)的二極管)。在輸入交流在波形正半周或輸入直流為上正下負，當(dāng)PWM控制電路(ICl)輸出的控制信號Pl和P2之一處于高電平時，該XC/DC自動定向BOOST電路處于PWM導(dǎo)通狀態(tài)，電流在輸入回路中從正端依次流經(jīng)第一組VMOS開關(guān)電路組(Ml、M2 )、第二組VMOS開關(guān)電路組(M3、M4)，然后流回負端；由于D3起反向隔離作用，C14上的儲能不會反向流回輸入回路。當(dāng)PWM控制電路(ICl)輸出的控制信號P1、P2均為低電平時，則Ml、M2上沒有觸發(fā)信號，因此M1、M2不導(dǎo)通，但由于續(xù)流電感LI的存在，且M3、M4中的二極管能夠形成自地端至輸入回路負端的導(dǎo)通回路，從而使電路中因續(xù)流電感產(chǎn)生的續(xù)流自輸入回路的正端經(jīng)D3對C14充電，并且同時經(jīng)由輸出回路的負載、第二組VMOS開關(guān)電路組(M3、M4)，然后流回負端。實際上，一旦電路中存在上述續(xù)流，即PA為高電平、PB為低電平，從而使得P1、P2、P3、P4進行或邏輯運算后產(chǎn)生觸發(fā)信號，使M3、M4導(dǎo)通，由于M3、M4的電阻很小，因此，在續(xù)流過程中產(chǎn)生的功耗仍然很小。而且，升壓輸出本身能夠降低線路損耗。比如，Ui=IO(V),升壓后Uo=50 (V)，則根據(jù)P=U2/R可知，線路損耗僅為原來的1/5.舉例說明本發(fā)明的低功耗電路中采用Rds=O. 001 Ω低導(dǎo)通電阻N溝道VMOS管，在PWM開通期間Ml、M2交錯導(dǎo)通，VMOS導(dǎo)通電阻Rds=O. 001 Ω，M3、M4雙管并聯(lián)交錯導(dǎo)通，VMOS導(dǎo)通電阻Rds=O. 001 Ω /2=0. 0005 Ω，若還是輸入20A電流，則導(dǎo)通電壓為U1=0. 001X20=0. 02V，U2=0. 0005X20=0. OlV,識別定向功耗為Pe=20X (0. 02+0. 01)=0. 6W ;在PWM關(guān)斷期間Ml、M2截止關(guān)斷，M3、M4雙管并聯(lián)交錯導(dǎo)通續(xù)流，VMOS導(dǎo)通電阻Rds=O. 001 Ω /2=0. 0005 Ω，若是20A續(xù)流電流，則導(dǎo)通電壓為U2=0. 0005X20=0. 01V，識別定向功耗為Pe=20X0· 01=0. 2W。較之于現(xiàn)有技術(shù)的整流識別定向電路40W的功耗，本發(fā)明的XC/DC自動識別定向BOOST電路功耗顯著降低。若反向隔離電路D3也采用同步的VMOS開關(guān)電路(其觸發(fā)信號與PA和PB的波形同步)，則可利用VMOS開關(guān)電路電阻小的特性進一步降低線路損耗。尤其在BOOST輸出較低時轉(zhuǎn)換效率的提高更為顯著。
VMOS開關(guān)在觸發(fā)信號作用下，能夠根據(jù)所加電壓極性實現(xiàn)正向或反向?qū)?，基于此特性，在輸入交流在波形負半周或輸入直流為上負下正時，該XC/DC自動定向BOOST電路的工作過程與上述導(dǎo)通、續(xù)流過程原理相同，且由于第一組VMOS開關(guān)電路組(Ml、M2)與第二組VMOS開關(guān)電路組(M3、M4)采用對稱電路結(jié)構(gòu)，在Ui負半周VMOS導(dǎo)通和續(xù)流是完全可逆的。如，當(dāng)PWM控制電路(ICl)輸出的控制信號P1、P2均為低電平時，則M3、M4上沒有觸發(fā)信號，因此M3、M4不導(dǎo)通，而由第一組VMOS開關(guān)電路組(Ml、M2)實現(xiàn)續(xù)流過程?？梢?，該BOOST電路能夠自動完成對雙極性電源(交流正玄波、方波、三角波，交流工頻、中頻、低頻、超低頻)的自動識別定向；及對單極性電源(直流、直流方波、直流三角波等)的自動識別定向，交流雙極性電源及直流單極性電源可以不分正負任意接入。另外，在負載前加入的輸出安全控制電路，包括基準(zhǔn)電壓源、比較器A、比較器B、三極管NI和穩(wěn)壓管Z5 ;該輸出安全控制電路的輸入端接BOOST直流輸出電壓，輸出端接負載，所述輸入端和輸出端所在的主回路上串聯(lián)設(shè)置有VMOS管M5和限流電阻R24，其中，VMOS 管M5的基極經(jīng)三極管NI接至所述輸出端的負端，三極管NI的基極接至所述基準(zhǔn)電壓源；所述輸出端并聯(lián)有一個濾波電容和一個反饋支路，該反饋支路上依次串聯(lián)有分壓電阻R14和RC電路；比較器A的正相輸入端接入該反饋支路，經(jīng)分壓電阻R14接至所述輸出端的正端，比較器A的負相輸入端接基準(zhǔn)電壓，比較器A的輸出端依次經(jīng)串聯(lián)的電阻R13、電阻R27、電阻R22接至所述輸入端的負端；比較器B的正相輸入端接入電阻R13、電阻R27和電阻R22所在的串聯(lián)支路，其接入節(jié)點位于電阻R27與電阻R22之間；比較器B的負相輸入端經(jīng)電阻R6接至所述輸出端的負端；比較器B的輸出端接至三極管NI的基極。在VMOS管M5的基極與三極管NI的漏極之間引出一個支路至VMOS管M5的源極，該支路上設(shè)置有穩(wěn)壓管Zl。所述基準(zhǔn)電壓由與所述基準(zhǔn)電壓源串聯(lián)的2. 5V穩(wěn)壓管提供。比較器B的正相輸入端的接入節(jié)點還通過濾波電容接至所述輸出端的負端。比較器A和比較器B構(gòu)成一個雙封裝比較器。該雙封裝比較器優(yōu)選LH2903、LM2903或其它同類器件。IC5為標(biāo)準(zhǔn)高速比較器電路(雙比較器)，比較器B、N1、M5組成恒流控制電路。B-端電壓V3=0V，B+端電壓為:V2=R22 X Vl/(R22+R27)-Us上式中，Us=Is X Rs=I s X R24Vl電壓受比較器A控制，A-端電壓VR=2. 5V, A+端電壓為VL=ULXR7/(R7+R14) =RLX Is。I、限流啟動電路啟動(上電)時，VL < 2. 5V，比較器A輸出低，則R13接入分壓。其中R13< < R25、R13 < < R27、VR=2.5V;Vl ^ VRXR13/(R13+R25) =2. 5XR13/(R13+R25) V2=R22XVl/(R22+R27)_Us=R22 X (2. 5XR13/(R13+R25))/(R22+R27)-Us
=2. 5XR22XR13/((R13+R25) (R22+R27))-1sXRs
設(shè)cl=2.5XR22XR13/((R13+R25) (R22+R27))BP V2=cl-RsXIs當(dāng)V2=cl_RsXIs ^ O時，比較器B、N1、M5限流輸出，限流值為Is=cl/Rs。即能夠保證BOOST輸出以 限流(Is=cI/Rs)啟動。VL=UL X R7/ (R7+R14) =RL XIs=ClX RL/Rs因此，只需要配置相應(yīng)的阻值，使得BOOST負載阻抗較小(短路)時，VL < 2. 5V，工作在安全限流狀態(tài)下。比如，根據(jù)Is=cl/Rs，設(shè)置Is在常規(guī)值1/4-1/10之間。2、運行中的常規(guī)限流當(dāng)BOOST負載阻抗無故障VL ^ 2. 5V時比較器A輸出高(開路)，則R13脫離分壓，V2=2. 5 X R22/(R22+R27+R25)-Us ；設(shè)c2=2.5XR22/(R22+R27+R25)BP V2=c2-RsXIL當(dāng)V2=c2_RsXIL ^ O時，比較器B、NI、M5限流輸出，限流值為IL=c2/Rs,即能夠保證BOOST輸出以限流(IL=c2/Rs)工作。因此，只需要配置相應(yīng)的電阻阻值，使IL大于正常工作電流，且使VMOS限制在電流、功率的安全范圍內(nèi)。通常，IL設(shè)置為常規(guī)值的1.1倍至1. 5倍之間。3、正常工作的低功耗BOOST輸出正常工作時，輸出電流小于IL，比較器(A、B)輸出高(開路)，P溝道VMOS (M5)工作在超低導(dǎo)通電阻(Rds=O. 005 Ω )狀態(tài)下。例如輸出功率200W輸出電壓50V，則輸出電流為Io=200/50=4A，VMOS(M5)上壓降為4X0. 005=0. 02，VMOS(M5)控制功耗為Pe=0. 02X4=0. 08W，可以看出，正常運行時的控制功耗很低。4、短路保護若BOOST電路工作過程中若發(fā)生輸出短路等故障，導(dǎo)致VL < 2. 5V，則比較器A輸出低，使比較器B、NI、M5限流輸出(參見前述第I種情況)，電路重新進入安全啟動(Is)狀態(tài)，當(dāng)故障消除后，BOOST自動恢復(fù)正常輸出。上述實施例是本發(fā)明的最佳實施例，采用這種交錯PWM控制方式使Ml、M2交錯導(dǎo)通，每個VMOS開關(guān)工作頻率為1/2電路頻率，能夠使VMOS開關(guān)在較低開關(guān)頻率下工作，大幅降低開關(guān)功耗；相應(yīng)地，電路中L、C器件的工作頻率為2倍VMOS管頻率，較高的電路工作頻率降低了對LC電路中電感(L)量和電容(C)的要求，降低了成本及工藝難度。實際上，基于本發(fā)明的導(dǎo)通、續(xù)流的基本原理，也可以考慮每個VMOS開關(guān)電路組只采用一個VMOS開關(guān)，也足以體現(xiàn)本發(fā)明的技術(shù)效果。比如只保留M1、M3，同樣也能夠在輸入交流在波形正半周或輸入直流為上正下負時，由Ml、M3實現(xiàn)導(dǎo)通回路，由M3實現(xiàn)續(xù)流回路；在輸入交流在波形負半周或輸入直流為上負下正時，由M1、M3實現(xiàn)導(dǎo)通回路，由Ml實現(xiàn)續(xù)流回路。當(dāng)然，在此方案下，也可以嘗試讓每個VMOS開關(guān)的工作頻率減半，但這就需要成倍地增大續(xù)流電感、儲能電容，以滿足續(xù)流的要求，從而導(dǎo)致成本較高、元器件體積較大、功率密度降低。
權(quán)利要求
1.一種帶有輸出保護的高功率密度的直流供電電路，其特征在于包括VMOS開關(guān)電路和調(diào)寬式脈沖控制電路，VMOS開關(guān)電路的輸入端通過續(xù)流電感與輸入電源的輸出端連接，VMOS開關(guān)電路的輸出端依次通過反向隔離電路、儲能濾波電路和輸出保護電路與負載連接，所述VMOS開關(guān)電路的輸入端還與VMOS開關(guān)驅(qū)動電路的輸出端連接，所述調(diào)寬式脈沖控制電路的輸出端通過驅(qū)動信號合成電路與VMOS開關(guān)驅(qū)動電路的輸入端連接，調(diào)寬式脈沖控制電路的輸入端通過輸入電流采樣電路與輸入電源的輸出端連接，驅(qū)動信號合成電路的輸入端還通過續(xù)流電壓采樣電路與VMOS開關(guān)電路的輸出端連接；所述調(diào)寬式脈沖控制電路的輸入端還通過輸出電流采樣電路與儲能濾波電路的輸出端連接；所述調(diào)寬式脈沖控制電路、驅(qū)動信號合成電路、VMOS開關(guān)驅(qū)動電路和續(xù)流電壓采樣電路組成控制電路； 所述VMOS開關(guān)電路包括兩個串聯(lián)的VMOS管組，第一 VMOS管組是并聯(lián)交替工作的VMOS管Ml、M2，第二 VMOS管組是并聯(lián)交替工作的VMOS管M3、M4，輸入電源通過續(xù)流電感依次與兩個VMOS管組在反向隔離電路輸入端之前串聯(lián)；所述VMOS開關(guān)驅(qū)動電路包括兩個并聯(lián)的驅(qū)動器，第一驅(qū)動器的輸入端Ai、Bi與驅(qū)動信號合成電路輸出端的兩個輸出接口連接，第一驅(qū)動器的輸出端Ao、Bo與VMOS管的VMOS開關(guān)電路輸入端的一組接口連接；第二驅(qū)動器的輸入端Ai、Bi與驅(qū)動信號合成電路輸出端的另外兩個輸出接口連接，第二驅(qū)動器的輸出端Ao、Bo與開關(guān)電路輸入端的另一組接口連接； 所述輸出保護電路包括基準(zhǔn)電壓源、比較器A、比較器B、三極管NI和穩(wěn)壓管Z5 ;該輸出安全控制電路的輸入端接BOOST直流輸出電壓，輸出端接負載，所述輸入端和輸出端所在的主回路上串聯(lián)設(shè)置有VMOS管M5和限流電阻R24，其中，VMOS管M5的基極經(jīng)三極管NI接至所述輸出端的負端，三極管NI的基極接至所述基準(zhǔn)電壓源；所述輸出端并聯(lián)有一個濾波電容和一個反饋支路，該反饋支路上依次串聯(lián)有分壓電阻R14和RC電路； 比較器A的正相輸入端接入該反饋支路，經(jīng)分壓電阻R14接至所述輸出端的正端，t匕較器A的負相輸入端接基準(zhǔn)電壓，比較器A的輸出端依次經(jīng)串聯(lián)的電阻R13、電阻R27、電阻R22接至所述輸入端的負端； 比較器B的正相輸入端接入電阻R13、電阻R27和電阻R22所在的串聯(lián)支路，其接入節(jié)點位于電阻R27與電阻R22之間；比較器B的負相輸入端經(jīng)電阻R6接至所述輸出端的負端；比較器B的輸出端接至三極管NI的基極。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的帶有輸出保護的高功率密度的直流供電電路，其特征在于所述驅(qū)動信號合成電路為標(biāo)準(zhǔn)兩輸入或門控制芯片，該控制芯片包括四對輸入端Al，A2，BI，B2，Cl，C2，Dl, D2和相應(yīng)的四個輸出端Ao、Bo、Co、Do，其中輸入端Al，BI，Cl，Dl與調(diào)寬式脈沖控制電路的兩個輸出端連接，輸入端A2，B2, C2，D2與續(xù)流電壓采樣電路的兩個輸出端連接，輸出端Ao、Bo、Co、Do與VMOS開關(guān)驅(qū)動電路的輸入端連接。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的帶有輸出保護的高功率密度的直流供電電路，其特征在于所述調(diào)寬式脈沖控制電路為電壓型PWM控制器，PWM控制器的兩個輸出端Ao、Bo分別接至驅(qū)動信號合成電路的一組輸入端。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的帶有輸出保護的高功率密度的直流供電電路，其特征在于所述輸入電流采樣電路包括電流傳感器CSl、電容C13、電阻R21，二極管D4，電流傳感器CSl與二極管D4串聯(lián)構(gòu)成一個支路，電容C13、電阻R21分別與該支路并聯(lián)。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的帶有輸出保護的高功率密度的直流供電電路，其特征在于所述輸出電流采樣電路包括電流傳感器CS2、電容C9和二極管D5，電流傳感器CS2與二極管D5串聯(lián)構(gòu)成一個支路，電容C9與該支路并聯(lián)。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的帶有輸出保護的高功率密度的直流供電電路，其特征在于所述續(xù)流電壓采樣電路包括由穩(wěn)壓二極管Z3，濾波電容C11，分壓電阻R3，R4組成的輸出采樣電路和由穩(wěn)壓二極管Z4，濾波電容C12，分壓電阻Rl，R5組成的輸入采樣電路，所述輸出采樣電路的輸出端為R4與R3之間的節(jié)點，該節(jié)點與驅(qū)動信號合成電路輸入端的一個接口連接，輸入采樣電路的輸出端為Rl與R5之間的節(jié)點，該節(jié)點與驅(qū)動信號合成電路輸入端的另一個接口連接。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的帶有輸出保護的高功率密度的直流供電電路，其特征在于所述反向隔離電路由與所述VMOS開關(guān)電路同步整流的VMOS管組構(gòu)成，由所述驅(qū)動信號合成電路經(jīng)續(xù)流驅(qū)動電路同步驅(qū)動。
全文摘要
本發(fā)明提供一種帶有輸出保護的高功率密度的直流供電電路，主要解決了現(xiàn)有低壓新能源電源轉(zhuǎn)換器功耗高、效率低、可靠性差的問題。該直流供電電路，包括VMOS開關(guān)電路和調(diào)寬式脈沖控制電路，VMOS開關(guān)電路的輸入端通過續(xù)流電感與輸入電源的輸出端連接，VMOS開關(guān)電路的輸出端依次通過反向隔離電路、儲能濾波電路和輸出保護電路與負載連接，所述VMOS開關(guān)電路包括兩個串聯(lián)的VMOS管組，每個VMOS管組均包括并聯(lián)交替工作的兩個VMOS管。該直流供電電路能夠?qū)弧⒅绷鞫喾N波形無差別穩(wěn)定輸出；且在負載短路時自動限流輸出，同時仍保證低功耗。
文檔編號H02M1/088GK102983717SQ20121051707
公開日2013年3月20日 申請日期2012年11月30日 優(yōu)先權(quán)日2012年11月30日
發(fā)明者胡家培, 胡民海 申請人:西安智海電力科技有限公司