一種高壓電源功率變換電路的制作方法
【專利摘要】本實用新型公開了一種高壓電源功率變換電路，包括直流電壓源Vin、降壓轉(zhuǎn)換器電路、全橋轉(zhuǎn)換器、高壓變壓器T、多個橋式倍壓整流電路，直流電壓源Vin的直流電壓依次經(jīng)過降壓轉(zhuǎn)換器電路、全橋轉(zhuǎn)換器后送入高壓變壓器的初級線圈，高壓變壓器次級線圈接入有橋式倍壓整流電路，多個橋式倍壓整流電路依次串聯(lián)。本實用新型避免了出現(xiàn)開關(guān)管導通瞬間電流過沖和整流管電壓應力過大的問題，可明顯減小次級高壓線圈的漏感，進一步有效緩解了開關(guān)管開關(guān)瞬間存在的“振鈴”問題，使功率變換的高壓調(diào)整率保持較佳狀態(tài)。
【專利說明】一種高壓電源功率變換電路
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本實用新型涉及高壓電源領(lǐng)域，具體是一種高壓電源功率變換電路。
【背景技術(shù)】
[0002] 高壓電源廣泛應用于各類雷達、電子對抗、通信、導航等領(lǐng)域中，是當代國防裝備 和國民經(jīng)濟各部門都在使用的一類最重要的高壓電源技術(shù)之一。功率變換是高壓電源的核 心組成部分，為高壓電源的正常工作提供高達數(shù)千伏乃至數(shù)萬伏的高壓電壓。功率變換電 路的優(yōu)劣無疑將直接影響到高壓電源的工作指標和可靠性。
[0003] 由于高壓電源輸出電壓高，輸出功率大，電壓穩(wěn)定度高，體積重量要求小，實現(xiàn)起 來具有一定的難度。在早期設(shè)備中，使用電子管作為調(diào)整管，采用串聯(lián)穩(wěn)壓技術(shù)設(shè)計高壓電 源，體積和重量都很大。自從開關(guān)電源出現(xiàn)后，由于開關(guān)電源在技術(shù)上的優(yōu)點，高壓電源逐 漸采用開關(guān)電源技術(shù)實現(xiàn)，對高壓電源功率變換技術(shù)的研究也勢在必行。
[0004] 功率變換電路是高壓電源設(shè)計上的一大難點，因為功率變換中的高壓儲能電感器 制作非常困難，必須將電感放置于低壓側(cè)，這樣就限制了可使用的電路拓樸結(jié)構(gòu)。目前高壓 電源的功率變換電路主要分為單級和雙級兩種，單級變換器中用于大功率輸出的一般采用 全橋變換器，這種變換器在高壓電源的應用中存在兩個問題，一個是高壓儲能電感的制作 問題。由于電壓很高，導致其體積很大，同時在工作時承受輸出高壓，導致電暈和飛弧，制作 非常困難，解決辦法就是增加體積，并且整體將電感油浸，帶來的使用不方便。另外一個問 題是開關(guān)管共通導致整個功率電路損壞的問題，雖然可以通過增加死區(qū)時間，防止誤導通 來解決，但是在惡劣情況下，還是無法避免共同現(xiàn)象。 實用新型內(nèi)容
[0005] 本實用新型的目的是提供一種高壓電源功率變換電路，以解決現(xiàn)有技術(shù)存在的問 題。
[0006] 為了達到上述目的，本實用新型所采用的技術(shù)方案為：
[0007] -種高壓電源功率變換電路，其特征在于：包括直流電壓源Vin、降壓轉(zhuǎn)換器電 路、全橋轉(zhuǎn)換器、高壓變壓器、多個橋式倍壓整流電路，直流電壓源Vin的直流電壓經(jīng)降壓 轉(zhuǎn)換器電路后變換為交流電流，交流電流經(jīng)過全橋轉(zhuǎn)換器后變換為正負方波電流，正負方 波電流送入高壓變壓器的初級線圈，所述高壓變壓器具有多組次級線圈，多個橋式倍壓整 流電路一一對應接入高壓變壓器的次級線圈，且多個橋式倍壓整流電路依次串聯(lián)。
[0008] 所述的一種高壓電源功率變換電路，其特征在于：所述降壓轉(zhuǎn)換器電路包括場效 應管Q5、二極管D5、電感L1，直流電壓源Vin的正極與場效應管Q5的漏極連接，場效應管 Q5的源極與電感L1 一端連接，電感L1的另一端接入全橋轉(zhuǎn)換器，二極管D5的陰極接入場 效應管Q5源極與電感L1之間，二極管D5的陽極通過一個緩沖電路與直流電壓源Vin負極 連接，所述緩沖電路由二極管Dc、一端與二極管Dc陽極連接的電阻Rc、并接在二極管Dc陰 極與電阻Rc另一端之間的電感L2構(gòu)成，二極管D5陽極接入二極管Dc陰極與電感L2對應 端之間，直流電壓源Vin的負極接入電阻Rc與電感L2對應端之間；
[0009] 所述全橋轉(zhuǎn)換器由開關(guān)管Q1-Q4構(gòu)成，開關(guān)管Q1的漏極與開關(guān)管Q3的漏極共接， 開關(guān)管Q1的源極與開關(guān)管Q4的漏極連接，開關(guān)管Q3的源極與開關(guān)管Q2的漏極連接，開關(guān) 管Q4的源極與開關(guān)管Q2的源極共接，降壓轉(zhuǎn)換器電路中電感L1的另一端接入開關(guān)管Q1與 開關(guān)管Q3的漏極共接端，開關(guān)管Q4的源極與開關(guān)管Q2的源極共接端接入直流電壓源Vin 負極與緩沖電路之間；
[0010] 所述高壓變壓器T初級線圈兩端一一對應接入開關(guān)管Q1的源極與開關(guān)管Q4的漏 極、開關(guān)管Q3的源極與開關(guān)管Q2的漏極之間，每個橋式倍壓整流電路分別由兩高壓濾波 電容、兩高壓整流二極管構(gòu)成，其中兩高壓濾波電容連接在兩相鄰橋臂中、兩高壓整流二極 管連接在另外兩相鄰橋臂中，且兩高壓整流二極管順向連接，每個橋式倍壓整流電路中兩 高壓濾波電容連接端作為一個輸入端接入對應的高壓變壓器次級線圈一端，每個橋式倍壓 整流電路中兩高壓整流二極管連接端作為另一個輸入端接入對應的高壓變壓器T次級線 圈另一端，每個橋式倍壓整流電路中一個高壓整流二極管陽極與一個高壓濾波電容連接端 作為負極輸出端，每個橋式倍壓整流電路中另一個高壓整流二極管陰極與另一個高壓濾波 電容連接端作為正極輸出端，多個橋式倍壓整流電路通過正、負極輸出端依次串聯(lián)，且第一 個橋式倍壓整流電路負極輸出端接出有輸出線,最后一個橋式倍壓整流電路正極輸出端接 地。
[0011] 所述的一種高壓電源功率變換電路，其特征在于：開關(guān)管Q1的源極與漏極之間接 有濾波儲能電容C1。
[0012] 所述的一種高壓電源功率變換電路，其特征在于：直流電壓源Vin的正極還與一 個二極管D8的陰極連接，二極管D8的陽極接入開關(guān)管Q1與開關(guān)管Q3的漏極共接端。
[0013] 所述的一種高壓電源功率變換電路，其特征在于：直流電壓源Vin的正極還與一 個由二極管D1、電阻R1構(gòu)成的并聯(lián)支路一連接，并聯(lián)支路一中二極管D1陰極與電阻R1連 接的一個并聯(lián)端連接直流電壓源Vin的正極，二極管D1陽極與電阻R1連接的另一個并聯(lián) 端連接至開關(guān)管Q1與開關(guān)管Q3的漏極共接端。
[0014] 所述的一種高壓電源功率變換電路，其特征在于：直流電壓源Vin的正極還與一 個由二極管D2、電阻R2構(gòu)成的并聯(lián)支路二連接，并聯(lián)支路二中二極管D2陰極與電阻R2連 接的一個并聯(lián)端連接直流電壓源Vin的正極，二極管D2陽極與電阻R2連接的另一個并聯(lián) 端通過電容C2接入開關(guān)管Q3的源極與開關(guān)管Q2的漏極之間。
[0015] 所述的一種高壓電源功率變換電路，其特征在于：第一個橋式倍壓整流電路負極 輸出端上的輸出線還旁路通過相互并聯(lián)的電容與電阻接地。
[0016] 所述的一種高壓電源功率變換電路，其特征在于：所述高壓變壓器為十段平繞式 結(jié)構(gòu)變壓器。
[0017] 本實用新型在高壓電源的功率變換設(shè)計中，采用了一種獨特的高效可靠的電流 饋電全橋轉(zhuǎn)換器和高壓變壓器多組繞制集成技術(shù)，該技術(shù)構(gòu)思巧妙，電路可靠實用。基本 思路：Buck電流饋電全橋拓撲與Buck電壓饋電全橋電路類似，同樣沒有輸出電感，但還比 Buck電壓饋電全橋電路少了Buck濾波電容，但是，這里仍可認為此處有一個由二次輸出電 容折射的等效當量電容，其濾波功能與同容量實際電容相同。
[0018] 本實用新型電路中的全橋轉(zhuǎn)換器不同于傳統(tǒng)全橋電路使用脈寬調(diào)制，使輸出保持 穩(wěn)定，而是兩對斜對角的開關(guān)管以半個周期輪流導通，而且兩者之間不像Buck電壓饋電拓 撲需留死區(qū)時間，而是電路中的每對開關(guān)管的導通時間都稍大于半個周期。輸出電壓的調(diào) 節(jié)通過調(diào)節(jié)Buck電路的功率開關(guān)管的脈寬實現(xiàn)。當全橋轉(zhuǎn)換器中開關(guān)管出現(xiàn)共導通時，由 于Buck電路的電感呈現(xiàn)高阻抗，橋路所有輸入、輸出接點電壓均將為零，正是這個高阻抗 使橋路的供電源成為恒流源。
[0019] Buck電流饋電全橋拓撲與Buck電壓饋電全橋電路類似，同樣沒有輸出電感，但比 Buck電壓饋電全橋電路少了Buck濾波電容，由于去掉這個電容，全橋轉(zhuǎn)換器輸入呈現(xiàn)高阻 抗，使橋路的供電源成為恒流源，避免了出現(xiàn)共通導致的瞬間電流和電壓應力過大的問題。 同時，由于設(shè)置了重疊導通時間，占空比的利用率也相對較高；還帶來一個好處是全橋轉(zhuǎn)換 器開關(guān)管中先關(guān)斷的開關(guān)管零電壓關(guān)斷，以及所有開關(guān)管零電壓導通，有效的緩解了開關(guān) 管開關(guān)瞬間存在的問題，降低損耗，提高效率。
[0020] 功率變換的高壓變壓器采用創(chuàng)新的十段平繞式結(jié)構(gòu)變壓器設(shè)計，其電路原理如 下，高壓變壓器次級高壓線圈繞組被相互串聯(lián)的高壓二極管整流橋分割成十段，使各段繞 組對交流信號相互隔離，而各段電位串聯(lián)相加，所以每一段線圈和二極管整流橋都可以看 成是一個獨立的次級整流回路。這種結(jié)構(gòu)使每一段線圈和二極管整流橋都可以看成是一個 獨立的次級整流回路，這種結(jié)構(gòu)使每段線圈的分布電容和漏感明顯的減小，大大低于無分 割的一次升壓整流變壓器，使產(chǎn)品性能和可靠性大為提高。
[0021] 本實用新型有益效果為：Buck電流饋電全橋轉(zhuǎn)換器設(shè)置兩對開關(guān)管之間的重疊 導通時間，去掉Buck電路輸出電容，避免了出現(xiàn)開關(guān)管導通瞬間電流過沖和整流管電壓應 力過大的問題。該拓撲先關(guān)斷的開關(guān)管由于零電壓關(guān)斷而沒有關(guān)斷損耗，所有的開關(guān)管因 為與變壓器漏感串聯(lián)且零電壓導通，所以開通損耗也很小，可以忽略。功率變換的高壓變壓 器采用創(chuàng)新的十段平繞式結(jié)構(gòu)變壓器設(shè)計，可明顯減小次級高壓線圈的漏感，進一步有效 緩解了開關(guān)管開關(guān)瞬間存在的"振鈴"問題，使功率變換的高壓調(diào)整率保持較佳狀態(tài)。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0022] 圖1為本實用新型電路原理圖。
[0023] 圖2為本實用新型第一級Buck降壓變換器開關(guān)管驅(qū)動波形與電感電流波形。
[0024] 圖3為本實用新型全橋轉(zhuǎn)換器前后臂驅(qū)動波形圖。
[0025] 圖4為本實用新型高壓變壓器一次側(cè)電壓及電流波形圖。
[0026] 圖5為本實用新型高壓電源陰極在重載時，變壓器初級電流與陰極電壓波形圖。
[0027] 圖6為本實用新型陰極電源輕載時電壓波形和變壓器初級電流波形。
[0028] 圖7為本實用新型陰極電源無載時電壓波形和變壓器初級電流波形。
【具體實施方式】
[0029] 如圖1所示。一種高壓電源功率變換電路，包括直流電壓源Vin、降壓轉(zhuǎn)換器電路、 全橋轉(zhuǎn)換器、高壓變壓器T、多個橋式倍壓整流電路，直流電壓源Vin的直流電壓經(jīng)降壓轉(zhuǎn) 換器電路后變換為交流電流，交流電流經(jīng)過全橋轉(zhuǎn)換器后變換為正負方波電流，正負方波 電流送入高壓變壓器的初級線圈，所述高壓變壓器具有多組次級線圈，多個橋式倍壓整流 電路一一對應接入高壓變壓器的次級線圈，且多個橋式倍壓整流電路依次串聯(lián)。
[0030] 降壓轉(zhuǎn)換器電路包括場效應管Q5、二極管D5、電感LI，直流電壓源Vin的正極與場 效應管Q5的漏極連接，場效應管Q5的源極與電感L1 一端連接，電感L1的另一端接入全橋 轉(zhuǎn)換器，二極管D5的陰極接入場效應管Q5源極與電感L1之間，二極管D5的陽極通過一個 緩沖電路與直流電壓源Vin負極連接，所述緩沖電路由二極管Dc、一端與二極管Dc陽極連 接的電阻Rc、并接在二極管Dc陰極與電阻Rc另一端之間的電感L2構(gòu)成，二極管D5陽極接 入二極管Dc陰極與電感L2對應端之間，直流電壓源Vin的負極接入電阻Rc與電感L2對 應端之間；
[0031] 全橋轉(zhuǎn)換器由開關(guān)管Q1-Q4構(gòu)成，開關(guān)管Q1的漏極與開關(guān)管Q3的漏極共接，開關(guān) 管Q1的源極與開關(guān)管Q4的漏極連接，開關(guān)管Q3的源極與開關(guān)管Q2的漏極連接，開關(guān)管Q4 的源極與開關(guān)管Q2的源極共接，降壓轉(zhuǎn)換器電路中電感L1的另一端接入開關(guān)管Q1與開關(guān) 管Q3的漏極共接端，開關(guān)管Q4的源極與開關(guān)管Q2的源極共接端接入直流電壓源Vin負極 與緩沖電路之間；
[0032] 高壓變壓器T初級線圈兩端一一對應接入開關(guān)管Q1的源極與開關(guān)管Q4的漏極、 開關(guān)管Q3的源極與開關(guān)管Q2的漏極之間，每個橋式倍壓整流電路分別由兩高壓濾波電 容、兩高壓整流二極管構(gòu)成，其中兩高壓濾波電容連接在兩相鄰橋臂中、兩高壓整流二極管 連接在另外兩相鄰橋臂中，且兩高壓整流二極管順向連接，每個橋式倍壓整流電路中兩高 壓濾波電容連接端作為一個輸入端接入對應的高壓變壓器次級線圈一端，每個橋式倍壓整 流電路中兩高壓整流二極管連接端作為另一個輸入端接入對應的高壓變壓器T次級線圈 另一端，每個橋式倍壓整流電路中一個高壓整流二極管陽極與一個高壓濾波電容連接端 作為負極輸出端，每個橋式倍壓整流電路中另一個高壓整流二極管陰極與另一個高壓濾波 電容連接端作為正極輸出端，多個橋式倍壓整流電路通過正、負極輸出端依次串聯(lián)，且第一 個橋式倍壓整流電路負極輸出端接出有輸出線,最后一個橋式倍壓整流電路正極輸出端接 地。
[0033] 開關(guān)管Q1的源極與漏極之間接有濾波儲能電容C1。
[0034] 直流電壓源Vin的正極還與一個二極管D8的陰極連接，二極管D8的陽極接入開 關(guān)管Q1與開關(guān)管Q3的漏極共接端。
[0035] 直流電壓源Vin的正極還與一個由二極管D1、電阻R1構(gòu)成的并聯(lián)支路一連接，并 聯(lián)支路一中二極管D1陰極與電阻R1連接的一個并聯(lián)端連接直流電壓源Vin的正極，二極 管D1陽極與電阻R1連接的另一個并聯(lián)端連接至開關(guān)管Q1與開關(guān)管Q3的漏極共接端。
[0036] 直流電壓源Vin的正極還與一個由二極管D2、電阻R2構(gòu)成的并聯(lián)支路二連接，并 聯(lián)支路二中二極管D2陰極與電阻R2連接的一個并聯(lián)端連接直流電壓源Vin的正極，二極 管D2陽極與電阻R2連接的另一個并聯(lián)端通過電容C2接入開關(guān)管Q3的源極與開關(guān)管Q2 的漏極之間。
[0037] 第一個橋式倍壓整流電路負極輸出端上的輸出線還旁路通過相互并聯(lián)的電容與 電阻接地。
[0038] 高壓變壓器為十段平繞式結(jié)構(gòu)變壓器。
[0039] 本實用新型中，本實用新型應用的高壓電源要求如下，輸出電壓16kV，輸出功率 lkW，交流輸入電壓220VAC± 10 %，準確度1 %，輸出電壓紋波0. 5 %。
[0040] a)開關(guān)頻率：
[0041]Buck降壓轉(zhuǎn)換器切換頻率選100kHz，全橋轉(zhuǎn)換器約50kHz。
[0042]b)降壓轉(zhuǎn)換器工作周期設(shè)計
【權(quán)利要求】
1. 一種高壓電源功率變換電路，其特征在于：包括直流電壓源Vin、降壓轉(zhuǎn)換器電路、 全橋轉(zhuǎn)換器、高壓變壓器T、多個橋式倍壓整流電路，直流電壓源Vin的直流電壓經(jīng)降壓轉(zhuǎn) 換器電路后變換為交流電流，交流電流經(jīng)過全橋轉(zhuǎn)換器后變換為正負方波電流，正負方波 電流送入高壓變壓器的初級線圈，所述高壓變壓器具有多組次級線圈，多個橋式倍壓整流 電路一一對應接入高壓變壓器的次級線圈，且多個橋式倍壓整流電路依次串聯(lián)。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種高壓電源功率變換電路，其特征在于：所述降壓轉(zhuǎn)換器 電路包括場效應管Q5、二極管D5、電感L1，直流電壓源Vin的正極與場效應管Q5的漏極連 接，場效應管Q5的源極與電感L1 一端連接，電感L1的另一端接入全橋轉(zhuǎn)換器，二極管D5 的陰極接入場效應管Q5源極與電感L1之間，二極管D5的陽極通過一個緩沖電路與直流電 壓源Vin負極連接，所述緩沖電路由二極管Dc、一端與二極管Dc陽極連接的電阻Rc、并接 在二極管Dc陰極與電阻Rc另一端之間的電感L2構(gòu)成，二極管D5陽極接入二極管Dc陰極 與電感L2對應端之間，直流電壓源Vin的負極接入電阻Rc與電感L2對應端之間； 所述全橋轉(zhuǎn)換器由開關(guān)管Q1-Q4構(gòu)成，開關(guān)管Q1的漏極與開關(guān)管Q3的漏極共接，開關(guān) 管Q1的源極與開關(guān)管Q4的漏極連接，開關(guān)管Q3的源極與開關(guān)管Q2的漏極連接，開關(guān)管Q4 的源極與開關(guān)管Q2的源極共接，降壓轉(zhuǎn)換器電路中電感L1的另一端接入開關(guān)管Q1與開關(guān) 管Q3的漏極共接端，開關(guān)管Q4的源極與開關(guān)管Q2的源極共接端接入直流電壓源Vin負極 與緩沖電路之間； 所述高壓變壓器T初級線圈兩端一一對應接入開關(guān)管Q1的源極與開關(guān)管Q4的漏極、 開關(guān)管Q3的源極與開關(guān)管Q2的漏極之間，每個橋式倍壓整流電路分別由兩高壓濾波電 容、兩高壓整流二極管構(gòu)成，其中兩高壓濾波電容連接在兩相鄰橋臂中、兩高壓整流二極管 連接在另外兩相鄰橋臂中，且兩高壓整流二極管順向連接，每個橋式倍壓整流電路中兩高 壓濾波電容連接端作為一個輸入端接入對應的高壓變壓器次級線圈一端，每個橋式倍壓整 流電路中兩高壓整流二極管連接端作為另一個輸入端接入對應的高壓變壓器T次級線圈 另一端，每個橋式倍壓整流電路中一個高壓整流二極管陽極與一個高壓濾波電容連接端作 為負極輸出端，每個橋式倍壓整流電路中另一個高壓整流二極管陰極與另一個高壓濾波電 容連接端作為正極輸出端，多個橋式倍壓整流電路通過正、負極輸出端依次串聯(lián)，且第一 個橋式倍壓整流電路負極輸出端接出有輸出線,最后一個橋式倍壓整流電路正極輸出端接 地。
3. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種高壓電源功率變換電路，其特征在于：開關(guān)管Q1的源極 與漏極之間接有濾波儲能電容C1。
4. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種高壓電源功率變換電路，其特征在于：直流電壓源Vin 的正極還與一個二極管D8的陰極連接，二極管D8的陽極接入開關(guān)管Q1與開關(guān)管Q3的漏 極共接端。
5. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種高壓電源功率變換電路，其特征在于：直流電壓源Vin 的正極還與一個由二極管D1、電阻R1構(gòu)成的并聯(lián)支路一連接，并聯(lián)支路一中二極管D1陰極 與電阻R1連接的一個并聯(lián)端連接直流電壓源Vin的正極，二極管D1陽極與電阻R1連接的 另一個并聯(lián)端連接至開關(guān)管Q1與開關(guān)管Q3的漏極共接端。
6. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種高壓電源功率變換電路，其特征在于：直流電壓源Vin 的正極還與一個由二極管D2、電阻R2構(gòu)成的并聯(lián)支路二連接，并聯(lián)支路二中二極管D2陰極 與電阻R2連接的一個并聯(lián)端連接直流電壓源Vin的正極，二極管D2陽極與電阻R2連接的 另一個并聯(lián)端通過電容C2接入開關(guān)管Q3的源極與開關(guān)管Q2的漏極之間。
7. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種高壓電源功率變換電路，其特征在于：第一個橋式倍壓 整流電路負極輸出端上的輸出線還旁路通過相互并聯(lián)的電容與電阻接地。
8. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種高壓電源功率變換電路，其特征在于：所述高壓變壓器 為十段平繞式結(jié)構(gòu)變壓器。
【文檔編號】H02M7/00GK204156727SQ201420373415
【公開日】2015年2月11日 申請日期:2014年7月7日 優(yōu)先權(quán)日:2014年7月7日
【發(fā)明者】王文廷, 王群, 李斌, 王俊, 汪定華 申請人:中國電子科技集團公司第四十一研究所