專利名稱：諧振變換器高壓電源裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型涉及一種電源裝置，具體涉及一種諧振變換器高壓電源裝置。
背景技術(shù)：
電力電子技術(shù)近年來(lái)發(fā)展迅猛，隨著通訊技術(shù)和電力系統(tǒng)的發(fā)展，對(duì)通訊用 開關(guān)電源和電力操作電源的性能、重量、體積、效率和可靠性提出了更高的要求。 為了滿足這些要求，軟開關(guān)技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生，如諧振變換器、準(zhǔn)諧振變換器和多諧 振變換器。它們實(shí)現(xiàn)了開關(guān)管的零電壓開關(guān)或零電流開關(guān)，減少了開關(guān)損耗，提 高了變換器的變換效率。90年代出現(xiàn)了零轉(zhuǎn)換變換器，只是開關(guān)管開關(guān)過程中 變換器工作在諧振狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)開關(guān)管的零電壓開關(guān)或零電流開關(guān)，其他時(shí)間均工 作在PWM (脈沖寬度調(diào)制)控制方式下。
諧振方式中，常用的是串聯(lián)諧振方式，該方式中實(shí)現(xiàn)了開關(guān)管的零電壓和零 電流開啟關(guān)斷，減少了開關(guān)管的損耗。缺點(diǎn)是流過開關(guān)管的峰值電流高，電源的 控制復(fù)雜，不易實(shí)現(xiàn)在直流穩(wěn)壓輸出狀態(tài)下工作。
發(fā)明內(nèi)容
針對(duì)上述問題，本實(shí)用新型的目的是要解決現(xiàn)有技術(shù)中存在的流過開關(guān)管的 峰值電流高，電源的控制復(fù)雜，不易實(shí)現(xiàn)在直流穩(wěn)壓輸出狀態(tài)下工作的問題。
本實(shí)用新型為實(shí)現(xiàn)其目的所采取的技術(shù)方案是在諧振電路中采用并聯(lián)諧振 拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)電路，諧振電容和變壓器初級(jí)并聯(lián)連接。
在全橋方式中，所述并聯(lián)諧振拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)電路采用四組開關(guān)管組件，每?jī)山M 串聯(lián)后， 一起并聯(lián)在有源功率因數(shù)校正電路的輸出端，諧振電感和諧振電容的輸 入端分別連接在兩組串聯(lián)開關(guān)管組件之間的中點(diǎn)，諧振電感和諧振電容的輸出端 并聯(lián)，并與變壓器的初級(jí)輸入端連接，諧振電容的輸入端還與變壓器的另一初級(jí) 輸入端相連接。
在半橋方式中，所述并聯(lián)諧振拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)電路采用兩組開關(guān)管組件和兩個(gè)電 容，分別串聯(lián)后， 一起并聯(lián)在有源功率因數(shù)校正電路的輸出端，諧振電感的輸入 端連接在兩串聯(lián)的電容之間的中點(diǎn)，諧振電容的輸入端連接在兩組串聯(lián)開關(guān)管組 件的中點(diǎn)，諧振電感和諧振電容的輸出端并聯(lián)，并與變壓器的初級(jí)輸入端連接， 諧振電容的輸入端還與變壓器的另 一初級(jí)輸入端相連接。
本實(shí)用新型可直接采用市電220V供電，技術(shù)方案如下
在全橋方式中，所述并聯(lián)諧振拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)電路采用四組開關(guān)管組件，每?jī)山M串 聯(lián)后， 一起并聯(lián)在整流濾波電路的輸出端，諧振電感和諧振電容的輸入端分別連 接在兩組串聯(lián)開關(guān)管組件之間的中點(diǎn)，諧振電感和諧振電容的輸出端并聯(lián)，并與 變壓器的初級(jí)輸入端連接，諧振電容的輸入端還與變壓器的另一初級(jí)輸入端相連 接。
在半橋方式中，所述并聯(lián)諧振拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)電路采用兩組開關(guān)管組件和兩個(gè)電 容，分別串聯(lián)后， 一起并聯(lián)在整流濾波電路的輸出端，諧振電感的輸入端連接在 兩串聯(lián)的電容之間的中點(diǎn)，諧振電容的輸入端連接在兩組串聯(lián)開關(guān)管組件的中 點(diǎn)，諧振電感和諧振電容的輸出端并聯(lián)，并與變壓器的初級(jí)輸入端連接，諧振電 容的輸入端還與變壓器的另一初級(jí)輸入端相連接。
本實(shí)用新型能夠滿足高壓電源應(yīng)用于直流穩(wěn)壓輸出狀態(tài)和電容恒流充電狀 態(tài)的方式，很好的發(fā)揮開關(guān)電源的優(yōu)點(diǎn)。并且能夠適合電源負(fù)載突變的場(chǎng)合，即 輸出由輕載突變到滿功率輸出狀態(tài)或從滿功率輸出狀態(tài)突變到輕載狀態(tài)。結(jié)合諧 振變換器和脈沖頻率調(diào)制(PFM)變換器的優(yōu)點(diǎn)，達(dá)到很高功率密度的整機(jī)性能。
以下結(jié)合附圖對(duì)本實(shí)用新型作詳細(xì)說明。


圖1為本實(shí)用新型總體框圖2為串聯(lián)諧振拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)電路圖3為并聯(lián)諧振拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)電路圖4為半橋并聯(lián)諧振拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)電路圖5為電流工作波形圖6為本實(shí)用新型實(shí)施例一電路結(jié)構(gòu)圖7為本實(shí)用新型實(shí)施例一實(shí)測(cè)諧振電流波形圖8為本實(shí)用新型實(shí)施例二電路結(jié)構(gòu)圖。
具體實(shí)施方式
參見圖l，本實(shí)用新型主要包括四個(gè)電路部分有源功率因數(shù)校正電路l (也 可直接用市電采用整流濾波電路)，諧振電路2，控制電路3，變壓輸出電路4。
在諧振方式中，常用的是串聯(lián)諧振方式，串聯(lián)諧振拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)電路如圖2所示， 該方式中實(shí)現(xiàn)了開關(guān)管的零電壓和零電流開啟關(guān)斷，減少了開關(guān)管的損耗。缺點(diǎn) 是流過開關(guān)管的峰值電流高，電源的控制復(fù)雜，不易實(shí)現(xiàn)在直流穩(wěn)壓輸出狀態(tài)下 工作。
本實(shí)用新型利用的是并聯(lián)諧振方式，并聯(lián)諧振拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)電路如圖3所示，利 用軟開關(guān)技術(shù)提高了開關(guān)頻率，使變壓器的寄生參數(shù)都被基本的變換器參數(shù)所吸 收利用，變換器可高效可靠的工作，是高壓電源理想的設(shè)計(jì)方案。
現(xiàn)對(duì)本實(shí)用新型各電路具體說明如下
有源功率因數(shù)校正電路l,主要利用BOOST電感實(shí)現(xiàn)電源的有源功率因數(shù)校 正。電路結(jié)構(gòu)如圖8中有源功率因數(shù)校正電路1所示。
通過控制芯片控制高頻電感中的電流，使回路中的電壓和電流具有相同的相 位和波形，后級(jí)電路相當(dāng)于純阻性的負(fù)載，電源的功率因數(shù)大大提高，可以達(dá)到 0.98。
本實(shí)用新型也可直接采用市電22ov供電，經(jīng)整流濾波電路r后供后級(jí)諧
振電路2，如圖6所示。
諧振電路2主回路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖3所示，為全橋并聯(lián)諧振變換器。在功率較 小的場(chǎng)合也可以使用半橋方式，工作原理和分析方法同全橋并聯(lián)諧振變換器。半 橋電路的拓樸結(jié)構(gòu)如圖4所示，利用電容作為另外的半橋，由于諧振回路的電容 相對(duì)于這兩個(gè)電容來(lái)說要小一個(gè)數(shù)量級(jí)，所以分析時(shí)，可以把電容的中點(diǎn)當(dāng)成電 壓是恒定的，即是母線電壓的一半。
電路包括開關(guān)管211、 212， 二極管221、 222,電容231、 232，諧振電感 24，諧振電容25，變壓器41，整流二極管421、 422、 423、 424，濾波電容43。
從有源功率因數(shù)校正電路提供的390V電壓加到諧振電路，開關(guān)管211和開 關(guān)管212輪換導(dǎo)通，經(jīng)過變壓器41、整流二極管421 424整流后，再濾波，輸 出給負(fù)載RL。具體的電流波形見圖5。
開關(guān)管211在控制信號(hào)控制下導(dǎo)通，電源電壓加到變壓器41的初級(jí)、諧振
電感24和電容232,由于諧振阻抗的存在，回路中的電流為諧振特性。開關(guān)管 211關(guān)斷后，212再導(dǎo)通，電容232上的電壓加到諧振電感24、變壓器41的初 級(jí)上。
從電流波形上看，t0時(shí)刻開關(guān)管211導(dǎo)通，此時(shí)電流從二極管221上流過， 到tl時(shí)電流反向從開關(guān)管211流過，到t2時(shí)刻完成諧振電感24和諧振電容25 的諧振，此時(shí)諧振電容25的電壓等于次級(jí)電壓折合到變壓器初級(jí)的電壓，t2時(shí) 刻后，變壓器后的整流管導(dǎo)通，向次級(jí)傳遞能量。到t3時(shí)，開關(guān)管211硬關(guān)斷， 諧振電感24中電流不會(huì)突變，此時(shí)電流就從二極管222中流過，電流波形為線 性下降。經(jīng)過死區(qū)時(shí)間后，t4時(shí)刻開關(guān)管212導(dǎo)通，此時(shí)電流從二極管222中流 過，所以對(duì)于開關(guān)管212來(lái)說，是零電流和零電壓導(dǎo)通。到t5時(shí)刻，電流反向， 從開關(guān)管212中流過，此后又到下一個(gè)周期。
變壓輸出4，此部分完成電壓的轉(zhuǎn)換，在高壓電源中為升壓變壓器，經(jīng)過整 流濾波后，向負(fù)載輸出。輸出電壓的極性根據(jù)實(shí)際需要，可以是正電源輸出，也 可以是負(fù)電源輸出，或者是浮動(dòng)輸出。
控制電路3的功能主要是電壓閉環(huán)，保證輸出電壓的穩(wěn)定度。從輸出電壓上 取樣和基準(zhǔn)比較，控制芯片的振蕩頻率，在頻率低時(shí)，輸出最大。當(dāng)輸出電壓升 高，取樣電壓升高，和基準(zhǔn)比較后，控制芯片的輸出頻率升高，電源輸出能力下 降；當(dāng)電壓降低時(shí)，取樣降低，和基準(zhǔn)比較后，控制芯片的輸出頻率降低，電源 輸出能力增加。
本實(shí)用新型可以工作在直流高壓輸出狀態(tài)，電源按上面所說的控制輸出電 壓，保證電源的穩(wěn)定度。當(dāng)在充電電源使用時(shí)，電源為恒流充電，當(dāng)充電電壓到 設(shè)定值時(shí)，停止充電。如在一定時(shí)間內(nèi)，電壓沒有充到設(shè)定值，則說明負(fù)載有問 題(或電源已經(jīng)超過設(shè)定功率)。
電源設(shè)置過壓故障保護(hù)，當(dāng)取樣電壓超過過壓設(shè)定值后，輸出OC門導(dǎo)通信 號(hào)，封鎖高壓輸出，并具有故障記憶功能。重新加電后，可以解除故障記憶。
實(shí)施例一
本例為輸出lkW電源裝置，其不帶有源功率因數(shù)校正電路1,直接采用市 電220V供電。諧振電路形式為半橋方式，最低工作頻率選定為40kHz,最高工 作頻率為100kHz。電路結(jié)構(gòu)參見圖6，諧振電流波形參見圖7，理論分析如上。
交流220V市電輸入整流濾波電路1'中，經(jīng)過整流橋11、濾波電容121、 122 后提供直流300V電壓，用于諧振電路2的輸入電壓。開關(guān)管211、 212并聯(lián)有 二極管221、 222，此處二極管作為續(xù)流二極管，組成開關(guān)管組件，兩個(gè)開關(guān)管組 件串聯(lián)在一起。串聯(lián)的兩組開關(guān)管組件與兩個(gè)串聯(lián)的電容231、 232 —起并聯(lián)連 接在整流濾波電路r的輸出端，諧振電感24的輸入端連接在電容231、 232的 中點(diǎn)，諧振電容25的輸入端與兩組串聯(lián)的開關(guān)管組件中點(diǎn)連接，諧振電感24 和諧振電容25的輸出端并聯(lián)，并與變壓器41的初級(jí)輸入端連接，諧振電容25 的輸入端還與變壓器41的另一初級(jí)輸入端相連接。
開關(guān)管211、 212在驅(qū)動(dòng)信號(hào)控制下，輪流導(dǎo)通，產(chǎn)生交替的電壓波形，用 于在諧振電感24和諧振電容25回路上產(chǎn)生交替的電流波形。電容231和電容 232兩個(gè)電容串聯(lián)分壓，使中點(diǎn)電壓為母線電壓的一半，即150V。諧振電感24 和諧振電容25發(fā)生諧振，在變壓器41的初級(jí)產(chǎn)生高頻交替的電流波形，用于向 變壓器41的次級(jí)提供能量。變壓器41次級(jí)輸出經(jīng)過二極管421 424整流，電 容43濾波后，輸出給負(fù)載RL。
控制電路3由交流220V市電供電，用于產(chǎn)生控制電路所用的低壓電源，有 +15V， -15V,十24V電源。從變壓輸出電路取樣輸出電壓到控制電路中，作為電 壓閉環(huán)的依據(jù)。同時(shí)控制電路中有基準(zhǔn)電壓產(chǎn)生電路，和取樣回來(lái)的輸出電壓一 起決定驅(qū)動(dòng)信號(hào)頻率，可以調(diào)節(jié)基準(zhǔn)電壓的大小，控制開關(guān)管的導(dǎo)通頻率，從而 控制電源的輸出電壓。當(dāng)輸出電壓升高時(shí)，取樣電壓升高，和基準(zhǔn)比較后，控制 電源的驅(qū)動(dòng)信號(hào)頻率升高，從而電源的輸出能力下降，輸出電壓降低；當(dāng)輸出電 壓降低時(shí)，取樣電壓降低，和基準(zhǔn)比較后，控制電源的驅(qū)動(dòng)信號(hào)頻率降低，電源 的輸出能力升高，使輸出電壓穩(wěn)定。
本實(shí)用新型是并聯(lián)諧振方式，輸出為恒定電流，當(dāng)負(fù)載短路時(shí)，輸出電流也 不會(huì)增加?？刂齐娐分性O(shè)置過壓保護(hù)電路，由取樣電壓和過壓保護(hù)基準(zhǔn)比較，當(dāng) 取樣電壓大于過壓保護(hù)基準(zhǔn)時(shí)，輸出過壓故障信號(hào)。
本實(shí)用新型的電源工作時(shí)，測(cè)得的諧振電流波形如圖7所示，從波形圖中看 分為三個(gè)工作階段，即諧振階段、電流輸出階段和二極管續(xù)流階段，對(duì)應(yīng)上面電 路分析中的tl到t2區(qū)間、t2到t3區(qū)間和t3到t5區(qū)間。
實(shí)施例二
本例為輸出2kW電源裝置，該電源裝置帶有源功率因數(shù)校正電路1，把市 電220V供電變換成直流390V電壓，提供給后級(jí)諧振電路2。諧振電路形式為 全橋方式，最低工作頻率選定為40kHz，最高工作頻率為100kHz。電路結(jié)構(gòu)如 圖8所示。
交流220V輸入由二極管111 114整流得半正弦波。這樣的半正弦波加到 高頻電感校正電路1的輸入端，同時(shí)加到控制電路3中經(jīng)處理作為參考信號(hào)來(lái)確 定輸入電流所要求的相位和波形。輸入電流通過電感12并經(jīng)過電流檢測(cè)電阻13 返回，把實(shí)際電流波形的取樣值提供給控制電路3。為了在電感12上達(dá)到平均 的100Hz的半正弦波電流，功率開關(guān)管14以50kHz實(shí)現(xiàn)開和關(guān)，而半正弦波周 期中瞬時(shí)輸入電壓改變較慢。如果能在短時(shí)期內(nèi)準(zhǔn)確地控制高頻開關(guān)過程，那么 在此周期內(nèi)，電感12上的電流會(huì)跟隨半正弦波電壓信號(hào)的波形和相位。這樣， 在這個(gè)周期內(nèi)電感12和其后電路會(huì)等效為一個(gè)純電阻負(fù)載。有源功率因數(shù)校正 電路1把市電交流220V變換成直流390V電壓，用于后級(jí)諧振電路2的輸入電 源。
開關(guān)管211 214并聯(lián)有二極管221 224,此處二極管作為續(xù)流二極管，組 成開關(guān)管組件。并聯(lián)諧振拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)電路采用四組開關(guān)管組件，每?jī)山M串聯(lián)后，一 起并聯(lián)在有源功率因數(shù)校正電路1的輸出端，諧振電感23和諧振電容24的輸入 端分別連接在兩組串聯(lián)開關(guān)管組件之間的中點(diǎn)，諧振電感23和諧振電容24的輸 出端并聯(lián)，并與變壓器41的初級(jí)輸入端連接，諧振電容24的輸入端還與變壓器 的另一初級(jí)輸入端相連接。
開關(guān)管211 214在驅(qū)動(dòng)信號(hào)控制下，交替導(dǎo)通，產(chǎn)生交替的電壓波形，用 于在諧振電感23和諧振電容24回路上產(chǎn)生交替的電流波形。諧振電感23和電 容24發(fā)生諧振，在變壓器41的初級(jí)產(chǎn)生高頻交替的電流波形，用于向變壓器 41的次級(jí)提供能量。變壓器41次級(jí)輸出經(jīng)過二極管421 424整流，電容43濾 波后，輸出給負(fù)載RL。
控制電路3由交流220V市電供電，用于產(chǎn)生控制電路3所用的低壓電源， 有+15V， -15V,十24V電源。從變壓輸出電路取樣輸出電壓到控制電路中，作為 電壓閉環(huán)的依據(jù)。同時(shí)控制電路中有基準(zhǔn)電壓產(chǎn)生電路，和取樣回來(lái)的輸出電壓一起決定驅(qū)動(dòng)信號(hào)，可以調(diào)節(jié)基準(zhǔn)電壓的大小，控制開關(guān)管的導(dǎo)通頻率，從而控 制電源的輸出電壓。當(dāng)輸出電壓升高時(shí)，取樣電壓升高，和基準(zhǔn)比較后，控制電 源的驅(qū)動(dòng)信號(hào)頻率升高，從而電源的輸出能力下降，輸出電壓降低；當(dāng)輸出電壓 降低時(shí)，取樣電壓降低，和基準(zhǔn)比較后，控制電源的驅(qū)動(dòng)信號(hào)頻率降低，電源的 輸出能力升高，使輸出電壓穩(wěn)定。
本實(shí)用新型是并聯(lián)諧振方式，輸出為恒定電流，當(dāng)負(fù)載短路時(shí)，輸出電流也 不會(huì)增加?？刂齐娐?中設(shè)置過壓保護(hù)電路，由取樣電壓和過壓保護(hù)基準(zhǔn)比較， 當(dāng)取樣電壓大于過壓保護(hù)基準(zhǔn)時(shí)，輸出過壓故障信號(hào)。
權(quán)利要求1.一種諧振變換器高壓電源裝置，包括諧振電路、其特征在于所述諧振電路采用并聯(lián)諧振拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)電路，諧振電容和變壓器初級(jí)并聯(lián)連接。
2、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的諧振變換器高壓電源裝置，其特征在于在全橋方 式中，所述并聯(lián)諧振拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)電路采用四組開關(guān)管組件，每?jī)山M串聯(lián)后， 一起并 聯(lián)在有源功率因數(shù)校正電路的輸出端，諧振電感和諧振電容的輸入端分別連接在 兩組串聯(lián)開關(guān)管組件之間的中點(diǎn)，諧振電感和諧振電容的輸出端并聯(lián)，并與變壓 器的初級(jí)輸入端連接，諧振電容的輸入端還與變壓器的另一初級(jí)輸入端相連接。
3、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的諧振變換器高壓電源裝置，其特征在于在半橋方 式中，所述并聯(lián)諧振拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)電路采用兩組開關(guān)管組件和兩個(gè)電容，分別串聯(lián)后， 一起并聯(lián)在有源功率因數(shù)校正電路的輸出端，諧振電感的輸入端連接在兩串聯(lián)的 電容之間的中點(diǎn)，諧振電容的輸入端連接在兩組串聯(lián)開關(guān)管組件的中點(diǎn)，諧振電 感和諧振電容的輸出端并聯(lián)，并與變壓器的初級(jí)輸入端連接，諧振電容的輸入端 還與變壓器的另一初級(jí)輸入端相連接。
4、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的諧振變換器高壓電源裝置，其特征在于在全橋方 式中，所述并聯(lián)諧振拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)電路采用四組開關(guān)管組件，每?jī)山M串聯(lián)后， 一起并 聯(lián)在整流濾波電路的輸出端，諧振電感和諧振電容的輸入端分別連接在兩組串聯(lián) 開關(guān)管組件之間的中點(diǎn)，諧振電感和諧振電容的輸出端并聯(lián)，并與變壓器的初級(jí) 輸入端連接，諧振電容的輸入端還與變壓器的另一初級(jí)輸入端相連接。
5、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的諧振變換器高壓電源裝置，其特征在于在半橋方 式中，所述并聯(lián)諧振拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)電路采用兩組開關(guān)管組件和兩個(gè)電容，分別串聯(lián)后， 一起并聯(lián)在整流濾波電路的輸出端，諧振電感的輸入端連接在兩串聯(lián)的電容之間 的中點(diǎn)，諧振電容的輸入端連接在兩組串聯(lián)開關(guān)管組件的中點(diǎn)，諧振電感和諧振 電容的輸出端并聯(lián)，并與變壓器的初級(jí)輸入端連接，諧振電容的輸入端還與變壓 器的另一初級(jí)輸入端相連接。
專利摘要本實(shí)用新型涉及一種諧振變換器高壓電源裝置，主要為解決現(xiàn)有技術(shù)中存在的流過開關(guān)管的峰值電流高，電源的控制復(fù)雜，不易實(shí)現(xiàn)在直流穩(wěn)壓輸出狀態(tài)下工作的問題。本實(shí)用新型采用并聯(lián)諧振拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)電路，諧振電容和變壓器初級(jí)并聯(lián)連接。這種電路結(jié)構(gòu)可在全橋或半橋方式中使用，可聯(lián)接在有源功率因數(shù)校正電路的輸出端，也可直接采用市電220V供電。本實(shí)用新型能夠滿足高壓電源應(yīng)用于直流穩(wěn)壓輸出狀態(tài)和電容恒流充電狀態(tài)的方式，并且能夠適合電源負(fù)載突變的場(chǎng)合，結(jié)合諧振變換器和脈沖頻率調(diào)制(PFM)變換器的優(yōu)點(diǎn)，達(dá)到很高功率密度的整機(jī)性能。
文檔編號(hào)H02M3/24GK201199674SQ20082011635
公開日2009年2月25日 申請(qǐng)日期2008年5月9日 優(yōu)先權(quán)日2008年5月9日
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