專利名稱：一種不隔離降壓型直流-直流變換器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實用新型涉及直流-直流變換領(lǐng)域，具體涉及ー種不隔離降壓型直流-直流變換器。
背景技術(shù)：
隨著電カ電子技術(shù)的進(jìn)步，人們對電源設(shè)備的要求也越來越高，要求高效率及高功率密度。在不隔離的降壓變換器中BUCK電路經(jīng)常被采用，BUCK電路因其電路結(jié)構(gòu)簡単，效率較高的優(yōu)點，得到了廣泛的應(yīng)用，尤其是在小功率的應(yīng)用場合。但在大功率高輸入輸出電壓的應(yīng)用條件下，BUCK電路有其局限性，其ー為該電路在大功率應(yīng)用中，效率還不夠高，一般其效率達(dá)到94%左右就不錯了，其ニ還有ー個令人擔(dān)憂的危險，擔(dān)心因為功率開關(guān)的損壞或者控制電路的損壞所導(dǎo)致的電路直通，使得輸出電壓大幅 上升而導(dǎo)致用電設(shè)備的損壞。BUCK電路的構(gòu)成為輸入電源加在電子開關(guān)上，電子開關(guān)的一端接輸出電感及續(xù)流ニ極管的負(fù)極，續(xù)流ニ極管的正極接地，輸出電感的另一端接輸出濾波電容Cl，輸出電感與濾波電容Cl的相接點即為BUCK電路的輸出。其電路原理示意圖參見圖1，其工作過程為控制器根據(jù)輸出穩(wěn)壓的要求，產(chǎn)生PWM控制信號，控制電子開關(guān)的工作，電子開關(guān)導(dǎo)通吋，由電源給輸出電感儲能，并給輸出電容充電及給負(fù)載供電，電子開關(guān)關(guān)斷吋，ニ極管續(xù)流由輸出電感以所儲存的能量和輸出濾波電容共同給負(fù)載供電。由BUCK電路的上述結(jié)構(gòu)及工作原理可見，BUCK電路在變換中要處理所輸出的全部功率，其電子開關(guān)的開關(guān)損耗、電感的損耗及續(xù)流ニ極管的損耗，都與這個全功率相關(guān)，因此其效率很難做得很高。另外，因BUCK電路是由輸入電源經(jīng)串聯(lián)電子開關(guān)的PWM調(diào)制后，不隔離直接輸出的，當(dāng)電子開關(guān)意外擊穿時，更多的可能是因為控制電路失效時，由于是直接驅(qū)動，而導(dǎo)致電子開關(guān)直通的情況出現(xiàn)，此時將出現(xiàn)災(zāi)難性的后果，輸入電壓直接加在負(fù)載上，使得所供電的設(shè)備損壞。這是每個要采用BUCK電路的應(yīng)用環(huán)境必須要關(guān)注的問題，尤其是在高輸出電壓，高輸出功率的條件下更應(yīng)考慮的問題。也正是因為這個安全因素，在有不少大功率高輸出電壓的應(yīng)用中，人們不得不放棄采用該電路，使得BUCK電路在此類應(yīng)用中受到較大的影響。

實用新型內(nèi)容為了克服現(xiàn)有BUCK電路在輸出高電壓大功率時存在的問題，本實用新型提出一種不隔離降壓型直流-直流變換器，在輸出高電壓大功率的應(yīng)用條件下，同時具有高效率和高安全性，基本避免直通的危險。一種不隔離降壓型直流-直流變換器，包括分別反向并聯(lián)有ニ極管的第一 第四電子開關(guān)器件S1 S4,第一、ニ諧振電容C1X2,濾波電容Cltl,隔直電容C3,諧振電感L1,高頻變壓器T1，第一、ニ整流ニ極管D1. D2，輸出濾波電感L2，輸出濾波電容C2tl，移相全橋穩(wěn)壓控制電路，第一、ニ脈沖變壓器T2、T3,以及紋波抑制電感L3 ；第ー 第四電子開關(guān)器件31、も、も、54連接成全橋電路，第ー、ニ電子開關(guān)器件51、S2為左橋臂，第三、四電子開關(guān)器件S3、S4為右橋臂；濾波電容Cltl的正極連接于Si、S3的正輸入端，濾波電容Cltl的負(fù)極連接于第二、四電子開關(guān)器件S2、S4的負(fù)輸入端；第一、ニ電子開關(guān)器件Si、S2上分別并聯(lián)有第一、ニ電容C1. C2，左橋臂的中點依次連接隔直電容C3、諧振電感L和高頻變壓器T1的初級的一端，高頻變壓器T1的初級的另一端連接右橋臂的中點；高頻變壓器T1的次級中心抽頭，第一、ニ整流ニ極管D1. D2的正極分別與高頻變壓器T1的次級的兩端相連，第一、ニ整流ニ極管DpD2的負(fù)極連接在一起后連接輸出濾波電感L2的一端，輸出濾波電感L2的另一端與輸出濾波電容C2tl的正極相連,輸出濾波電感L2與輸出濾波電容C2tl間的連接點作為電源輸出的正極與負(fù)載相連，高頻變壓器T1的次級中心抽頭與輸出濾波電容C2tl的負(fù)極相連，次級中心抽頭與輸出濾波電容C2tl間的連接點作為電源輸出的負(fù)極與負(fù)載相連；電源輸出的正極連接移相全橋穩(wěn)壓控制電路，該控制電路工作于移相全橋零電壓零電流開關(guān)的控制模式，控制電路的輸出G1, G2、G3、G4經(jīng)脈沖變壓器T2、T3隔離后驅(qū)動控制全橋電路的第一 第四電子開關(guān)器件S1 S4 ;紋波抑制電感L3的一端與濾波電容C10的負(fù)極相連，紋波抑制電感L3的另一端與輸出濾波電容C2tl的正極相連。所述第一、ニ脈沖變壓器T2、T3為結(jié)構(gòu)相同，其結(jié)構(gòu) 為ー個初級繞組兩個次級繞組，兩個次級繞組的匝數(shù)相同但相位相反。本實用新型的技術(shù)效果體現(xiàn)在(I)高效率由該電路的構(gòu)成可見，該電路是ー個串聯(lián)分壓電路。為便于定量的了解該電路的效率特性，現(xiàn)舉例說明令該電路的輸出電壓為輸入電壓的三分之ニ，因為串聯(lián)電路的電流是相同的，此情況下負(fù)載上得到了三分之ニ的由電源提供的功率，而全橋直流-直流變換器作為ー個“可變電阻”上吸收了三分之一由電源提供的功率；通過變壓器隔離并將該所吸收的功率送回到負(fù)載兩端，以目前的應(yīng)用技術(shù)，在此條件下工作的全橋軟開關(guān)直流-直流變換器的效率達(dá)到94%-95%是不困難的。由此，可以看到，通過對三分之一功率的處理，也就是以三分之一功率的6%的損耗，取得了百分之百的輸出，效率的提高也是不言而喻的了。(2)高安全性其一，全橋結(jié)構(gòu)電路在目前的電路結(jié)構(gòu)下，相對于BUCK電路的電子開關(guān)工作于全電源電壓，其工作電壓為電源電壓減去輸出電壓，電壓應(yīng)カ的冗余度大幅度増加；其ニ，其電子開關(guān)為兩個串聯(lián)，兩個電子開關(guān)同時損壞的可能性極小于單個電子開關(guān)損壞的可能性，現(xiàn)以單個功率電子開關(guān)損壞的可能性為10_6為例，兩個功率電子開關(guān)同時損壞的可能性就為10_12 了 ；其三，從控制電路的角度來看，BUCK電路為直接控制，不管是控制電路失效或者是驅(qū)動電路失效，均會造成直通的可能性，而工作于移相控制的全橋電路，采用脈沖變壓器隔離驅(qū)動的方式，因其上下管是反向驅(qū)動的，控制上使得上下管同時導(dǎo)通的可能性完全沒有，即使是驅(qū)動電路損壞，也因為脈沖變壓器的隔離，對功率電子開關(guān)也產(chǎn)生不了影響，不會造成直通的可能性；綜上所述，該電路基本不可能形成直通的故障，工作是安全可靠的。

圖I為現(xiàn)有BUCK變換器電路原理示意圖；[0014]圖2為本實用新型不隔離降壓型直流-直流變換器工作原理示意框圖；圖3為本實用新型不隔離降壓型直流-直流變換器電路原理示意圖；圖4為本實用新型不隔離降壓型直流-直流變換器輸出電壓波形圖；圖5為本實用新型不隔離降壓型直流-直流變換器輸出電流波形圖；圖6為本實用新型不隔離降壓型直流-直流變換器的幅-頻特性圖及相-頻特性圖。
具體實施方式
如圖2所示，本實用新型的技術(shù)思路為本實 用新型將ー個全橋結(jié)構(gòu)的直流-直流變換器，等效為ー個“可變電阻”，將該“可變電阻”與負(fù)載串聯(lián)，將該串聯(lián)回路連接于輸入電源與地之間，通過控制該“可變電阻”的阻值，使得負(fù)載端對地的分壓為ー個穩(wěn)定的電壓。同時該“可變電阻”所吸收的功率全部送給了負(fù)載，且上述“可變電阻”的阻值，是通過該直流-直流變換器的穩(wěn)壓控制環(huán)路來控制的，該穩(wěn)壓環(huán)路對負(fù)載兩端的電壓取樣并進(jìn)行穩(wěn)壓控制，這個控制過程自動地調(diào)整該全橋電路的等效阻杭。如圖3所示，本實用新型降壓型直流-直流變換器，其電路包括反向并聯(lián)有ニ極管的電子開關(guān)器件Si、S2, S3及S4，諧振電容C1. C2，濾波電容Cltl，連接于橋臂中點的隔直電容c3，諧振電感L1，高頻變壓器T1，連接于變壓器次級的整流ニ極管D1. D2，輸出濾波電感L2,輸出濾波電容C2tl，移相全橋穩(wěn)壓控制電路，脈沖變壓器T2、T3及紋波抑制電感L3構(gòu)成。S1.S2> S3及S4，連接成全橋電路，S1, S2為左邊的橋臂，S3> S4為右邊的橋臂；濾波電容Cltl的正極連接于Si、S3的正輸入端，濾波電容Cltl的負(fù)極連接于S2、S4的負(fù)輸入端；Si、S2上分別并聯(lián)有電容Cp C2，橋臂的中點連接電容C3后連接電感L1的一端，電感L1的另一端連接高頻變壓器T1的初級的一端，高頻變壓器T1的初級的另一端連接S3、S4橋臂的中點；高頻變壓器T1的次級中心抽頭，整流ニ極管DpD2的正極分別與變壓器次級的兩端相連，整流ニ極管D1^ D2的負(fù)極連接在一起并且與輸出濾波電感L2的一端相連,輸出濾波電感L2的另一端與輸出濾波電容C2tl的正極相連，該點作為電源輸出的正極與負(fù)載相連；高頻變壓器T1的次級中心抽頭與輸出濾波電容C2tl的負(fù)極相連，該點作為電源輸出的地與負(fù)載相連；電源輸出的正極送入移相全橋穩(wěn)壓控制電路，該控制電路工作于移相全橋零電壓零電流開關(guān)的控制模式，控制電路的輸出G1, G2, G3> G4經(jīng)脈沖變壓器T2、T3隔離，去控制全橋電路的Si、S2, S3及S4 ;其控制電路的輸出Gp G2, G3> G4，為全橋控制集成電路的相關(guān)輸出經(jīng)驅(qū)動放大的控制信號，其脈沖變壓器T2、T3為相同的變壓器，均包括一個初級繞組和兩個次級繞組，兩個次級繞組的匝數(shù)相同但相位相反；紋波抑制電感L3的一端與濾波電容Cltl的負(fù)極相連，紋波抑制電感L3的另一端與輸出濾波電容C2tl,的正極相連。該全橋結(jié)構(gòu)的直流-直流變換器的穩(wěn)壓控制電路，由市售全橋相移控制集成電路UCC2875或者相似相同功能的芯片為核心的穩(wěn)壓控制環(huán)路構(gòu)成，工作于零電壓-零電流的軟開關(guān)的模式，該集成芯片的應(yīng)用及該穩(wěn)壓電路的設(shè)計，可參見該類器件的手冊及電カ電子技術(shù)的相關(guān)教科書和雜志的相關(guān)文章。該全橋結(jié)構(gòu)的直流-直流變換器設(shè)計應(yīng)注意的是，其工作電壓為電源電壓減去輸出電壓的值，其變壓器的變壓比應(yīng)以此為依據(jù)來設(shè)計，其全橋電路的電子開關(guān)的電流值應(yīng)以總輸出功率為依據(jù)，其耐電壓值仍應(yīng)以電源電壓為依據(jù)，以防止負(fù)載短路的情況發(fā)生。[0023]本實用新型等效阻抗調(diào)整的具體的工作過程為當(dāng)負(fù)載端對地的電壓偏高時，說明此刻該全橋結(jié)構(gòu)的直流-直流變換器的等效阻抗偏小，其輸出脈寬偏寬，將該輸出電壓送到移相全橋穩(wěn)壓控制電路，與控制電路內(nèi)的基準(zhǔn)比較，得到的誤差電壓經(jīng)放大后，去控制其輸出脈寬減小，令其等效阻抗加大，使得負(fù)載端對地的電壓降低，直到恢復(fù)至穩(wěn)壓值。反之，當(dāng)負(fù)載端對地的電壓偏低時，其工作過程可類推之。下面以三相直接整流濾波作為電源，三相電壓為380V，濾波電感為I. 5mH,濾波電容為1410 μ F，輸出為20kW為例進(jìn)行說明。圖4、圖5為該結(jié)構(gòu)不隔離降壓型直流-直流變換器的輸出電壓及輸出電流波形圖，圖6為該電路的幅-頻特性圖及相-頻特性圖。從圖4可見其輸出為350V，紋波為IOOmV左右，其穩(wěn)壓特性及紋波抑制能力是很優(yōu)秀的；從圖5可見由全橋電路經(jīng)L3直接提供給負(fù)載的電流為40A左右，此部分功率未經(jīng)變換處理，從高頻變壓器次級經(jīng)L2提供給負(fù)載的電流為18A左右，該電流為總輸出電流的約三分之一，實例僅對這一部分功率進(jìn)行了變換處理；從圖6可見其相位富裕度大于50度，其増益富裕度約為15db，結(jié)論為；其工作是穩(wěn)定的。 本領(lǐng)域的技術(shù)人員容易理解，以上所述僅為本實用新型的較佳實施例而已，并不用以限制本實用新型，凡在本實用新型的精神和原則之內(nèi)所作的任何修改、等同替換和改進(jìn)等，均應(yīng)包含在本實用新型的保護(hù)范圍之內(nèi)。
權(quán)利要求1.一種不隔離降壓型直流-直流變換器，其特征在于，包括分別反向并聯(lián)有二極管的第一 第四電子開關(guān)器件(S1 S4),第一、二諧振電容(Cp C2),濾波電容(Cltl),隔直電容(C3)，諧振電感(L1),高頻變壓器(T1),第一、二整流二極管(Dp D2),輸出濾波電感(L2),輸出濾波電容(C2tl),移相全橋穩(wěn)壓控制電路，第一、二脈沖變壓器(T2、T3)以及紋波抑制電感(L3); 第一 第四電子開關(guān)器件(Sp S2, S3、S4)連接成全橋電路，第一、二電子開關(guān)器件(SpS2)為左橋臂，第三、四電子開關(guān)器件(S3、S4)為右橋臂；濾波電容Cltl的正極連接于(S。S3)的正輸入端，濾波電容(Cltl)的負(fù)極連接于第二、四電子開關(guān)器件(S2、S4)的負(fù)輸入端；第一、二電子開關(guān)器件(SpS2)上分別并聯(lián)有第一、二電容(C1X2),左橋臂的中點依次連接隔直電容(C3)、諧振電感(L)和高頻變壓器(T1)的初級的一端，高頻變壓器(T1)的初級的另一端連接右橋臂的中點；高頻變壓器(T1)的次級中心抽頭，第一、二整流二極管(Dp D2)的正極分別與高頻變壓器(T1)的次級的兩端相連，第一、二整流二極管(Dp D2)的負(fù)極連接在一起后連接輸出濾波電感(L2)的一端,輸出濾波電感(L2)的另一端與輸出濾波電容(C20)的正極相連，輸出濾波電感(L2)與輸出濾波電容(C2tl)間的連接點作為電源輸出的正極與負(fù)載相連，高頻變壓器(T1)的次級中心抽頭與輸出濾波電容(C2tl)的負(fù)極相連，次級中心抽頭與輸出濾波電容(C2tl)間的連接點作為電源輸出的負(fù)極與負(fù)載相連；電源輸出的正極連接移相全橋穩(wěn)壓控制電路，該控制電路工作于移相全橋零電壓零電流開關(guān)的控制模式，控制電路的輸出(G^ G2, G3、G4)經(jīng)第一、二脈沖變壓器(T2、T3)隔離后驅(qū)動控制全橋電路的第一 第四電子開關(guān)器件(S1 S4);紋波抑制電感L3的一端與濾波電容(Cltl)的負(fù)極相連，紋波抑制電感(L3)的另一端與輸出濾波電容(C2tl)的正極相連。
2.如權(quán)利要求I所述的不隔離降壓型直流-直流變換器，其特征在于，所述第一、二脈沖變壓器(T2、T3)為結(jié)構(gòu)相同，包括一個初級繞組和兩個次級繞組，兩個次級繞組的匝數(shù)相同但相位相反。
專利摘要本實用新型公開了一種不隔離型直流-直流變換器，將一個全橋結(jié)構(gòu)的直流-直流變換器等效為一個可變電阻，將該可變電阻與負(fù)載串聯(lián)，該串聯(lián)回路連接于輸入電源與地之間，通過控制該可變電阻的阻值，使得負(fù)載端對地的分壓為一個穩(wěn)定的電壓；該可變電阻所吸收的功率全部送給了負(fù)載，且上述可變電阻的阻值可通過該直流-直流變換器的穩(wěn)壓控制環(huán)路來控制。本實用新型在輸出高電壓大功率的應(yīng)用條件下,同時具有高效率和高安全性，基本避免直通的危險。
文檔編號H02M3/28GK202586757SQ20122025360
公開日2012年12月5日 申請日期2012年5月31日 優(yōu)先權(quán)日2012年5月31日
發(fā)明者張黎明, 林杰 申請人:武漢永力電源技術(shù)有限公司