CN100401628C

CN100401628C - 高压开关电源的dc/dc变换拓扑电路

Info

Publication number: CN100401628C
Application number: CNB2006100609848A
Authority: CN
Inventors: 吴建安; 刘小兵; 李斌; 张科孟; 张波
Original assignee: Shenzhen Invt Electric Co Ltd
Current assignee: Shenzhen Invt Electric Co Ltd
Priority date: 2006-06-07
Filing date: 2006-06-07
Publication date: 2008-07-09
Anticipated expiration: 2026-06-07
Also published as: CN1885701A

Abstract

一种高压开关电源的DC/DC变换拓扑电路，特点是设置两路半桥变换器，其原边串联、副边并联。其中原边的四个开关管Q1-Q4、四个电容C1-C4分别串联后并接在输入电压Ui两端；其中电容C1、C2和开关管Q1、Q2接成半桥变换器结构并经变压器T1到副边，电容C3、C4和开关管Q3、Q4接成半桥变换器结构并通过变压器T2到副边；开关管中，Q1、Q3受同一信号控制，Q2、Q4受同一信号控制。本发明应用在更高电压场合时，只要在此基础上增加半桥变换器即可。

Description

高压开关电源的DC/DC变换拓扑电路

技术领域

本发明涉及高频开关电源，主要是指一种应用于一些直流高压场合的高压开关电源的DC/DC变换拓扑电路。

背景技术

目前就基本的脉冲宽度调整(PWM)变换器主回路拓扑结构而言，有Buck、Boost、Buck-Boost、Cuk等多种变换器。在此基础上演变出的开关型稳压电源(DC/DC变换器)的电路结构多种多样，其中双管正激式和半桥电路的开关管承压仅为输入电源电压，而且不会出现单向偏磁饱和的问题，所以在高压输入电路中得到广泛的应用。

在半桥电路中(见图1)，Q1、Q2(可为三极管或MOS管，本文以三极管为例，下同)在相位不同的驱动脉冲控制下轮流导通。在Q1导通之前，C1、C2由输入电压Ui充电，图中A点电位相对于参考地为+1/2Ui。当Q1导通，输入电压Ui通过Q1的C-E极加到变压器，脉冲电流流过变压器和电容器C2，此时，脉冲变压器初级两端电压和Q1的C-E极间电压均为1/2Ui，Q2承受的电压为输入电压Ui；在副边，按照绕组同名端对应关系，绕组4-3电压使D2导通，经L1、C3滤波后输出。当Q1截止，Q2导通后，输入电压Ui通过C1、Q2加到变压器，脉冲电流流过电容器C1、变压器和Q2，此时，脉冲变压器初级两端电压和Q2的C-E极间电压均为1/2Ui，Q1承受的电压为输入电压Ui；在副边，按照绕组同名端对应关系，绕组4-5电压使D1导通，经L1、C3滤波后输出，完成一个工作周期。

半桥电路的主要优点：具有较强的抗不平衡能力，电路对称性好；适应的功率范围较大；开关管耐压为直流输入电压等。

虽然半桥电路对开关管的耐压要求为直流输入电压，比较低，但在一些高压的场合，其应用还是受到了限制。在实际电路中，由于高频变压器的漏感以及集电极回路中引线电感的影响，在开关管关断瞬间会引起较大的反峰尖刺，电路中加入缓冲回路等措施后，一般应将反峰尖刺限制在稳态值的20％以内。此外，还应考虑到电网波动+10％时的影响，所以开关管承受的电压为1.2×1.1Ui＝1.32Ui，当输入为800V直流时，即使不考虑降额，开关管的耐压也要达到Uceo＝1.32×800＝1056V，这样的高速开关管是很难选到的。如果输入比800V更高，达到1000V、1200V，则器件选型就更困难，甚至无合适器件可选。高压输入时，电路中其他器件的耐压要求也相应提高，很难找到符合要求的器件。即使找到合适的器件，工作于高电压情况下，也使整个电源的可靠性大大降低。另外，半桥电路使用一个变压器，电流过大，会使其饱和，输出功率不可能做的很大。

发明内容

本发明的目的是提供一种适用于高压场合(可达1000V以上)的开关电源的DC/DC变换拓扑电路，通过设置两路或多路原边串联、副边并联的半桥变换器，可以克服现有半桥电路存在的缺陷。

实现本发明的技术方案是：这种拓扑电路包括半桥变换器，其改进后的结构是：设置两路半桥变换器，其原边串联、副边并联(见图2)。

该技术方案还包括：

所述原边的四个开关管Q1-Q4、四个电容C1-C4分别串联后并接在输入电压Ui两端；其中电容C1、C2和开关管Q1、Q2接成半桥变换器结构并经变压器T1到副边，电容C3、C4和开关管Q3、Q4接成半桥变换器结构并通过变压器T2到副边；开关管中，Q1、Q3受同一信号控制，Q2、Q4受同一信号控制。

所述在副边，变压器T1次级线圈输出由D1、D2全波整流，再接电感L1平滑滤波；变压器T2也一样，次级线圈输出由D3、D4全波整流，再接电感L2平滑滤波，然后将两路输出并联，再经C7滤波输出。

设置两路或两路以上半桥变换器，其原边串联、副边并联。

一拓扑电路，其中四个电容C1、电容C2、电容C3、电容C6串联，接在直流输入两端，每个电容两端并联一个电阻；四个开关管也串联起来，开关管Q1的集电极接输入直流正极，发射极接开关管Q3的集电极，开关管Q3发射极接开关管Q6的集电极，开关管Q6的发射极接开关管Q7的集电极，开关管Q7的发射极接输入直流负极；再将电容C2、电容C3的中点和开关管Q3、开关管Q6的中点连接起来；同时，开关管Q1发射极连到TR2的3脚，经过反馈绕组3-5连接到TR1的原边绕组，接于2脚，绕组脚1经过一个隔离电容C4连接到电容C1、电容C2的中点；和上面的连接一样，开关管Q6发射极连到TR4的3脚，经过反馈绕组3-5连接到TR3的原边绕组，接于2脚，绕组脚5经过一个隔离电容C5连接到电容C3、电容C6的中点，这样，两路半桥变换器的原边主回路部分已经连接好。在变压器TR1的副边，将5、6、7脚连接，然后与TR3的5、6、7脚连在一起，作为电源输出的负端；10、11脚连接后经D6整流，与8、9脚经D7整流后连接，然后经过电感L1、电容C20、电容C21、电容C22滤波直流输出；TR3的副边连接同TR1的相同，然后将两路输出连接，并联输出，作为电源输出。TR1的绕组12-13、12-14经D1、D2整流，与TR3的绕组12-13、12-14经D12、D13整流后连接在一起，再经过C10滤波后连接到TL494的12脚，作为前级工作电源；TL494的11脚输出连接Q4的基极，控制其开通关断，经变压器TR2传输后，通过R11、R24控制Q1、Q3的开通关断，在TR2与电阻R11之间串联第一加速电路，所述第一加速电路包括电阻R10、二极管D4和电容C12，二极管D4与电阻R10串联，其中二极管D4负极与电阻R10一端连接，串联的二极管D4与电阻R10再与电容C12并联，电容C12的一端与二极管D4正极连接，另一端与电阻R10的另一端连接，电容C12与二极管D4的公共端接TR2，电容C12与电阻R10的公共端接电阻R11；在TR2与电阻R24之间串联第二加速电路，所述第二加速电路包括电阻R23、二极管D9和电容C24，二极管D9与电阻R23串联，其中二极管D9负极与电阻R23一端连接，串联的二极管D9与电阻R23再与电容C24并联，电容C24的一端与二极管D9正极连接，另一端与电阻R23的另一端连接，电容C24与二极管D9的公共端接TR2，电容C24与电阻R23的公共端接电阻R24；TL494的8脚输出连接Q5的基极，控制其开通关断，经变压器TR4传输后，通过R44、R53控制Q6、Q7的开通关断，在TR4与电阻R44之间串联第三加速电路，所述第三加速电路包括电阻R43、二极管D16和电容C37，二极管D16与电阻R43串联，其中二极管D16负极与电阻R43一端连接，串联的二极管D16与电阻R43再与电容C37并联，电容C37的一端与二极管D16正极连接，另一端与电阻R43的另一端连接，电容C37与二极管D16的公共端接TR4，电容C37与电阻R43的公共端接电阻R44；在TR4与电阻R53之间串联第四加速电路，所述第四加速电路包括电阻R52、二极管D20和电容C46，二极管D20与电阻R52串联，其中二极管D20负极与电阻R52一端连接，串联的二极管D20与电阻R52再与电容C46并联，电容C46的一端与二极管D20正极连接，另一端与电阻R52的另一端连接，电容C46与二极管D20的公共端接TR4，电容C46与电阻R52的公共端接电阻R53。由TL494控制开关管Q1、Q3、Q6、Q7按设计频率开通关断，从而使电源正常工作。

本发明具有的有益效果：①采用串联分压，根据半桥变换器特性，每个开关管承受的电压为输入直流电压Ui的一半，这样便于开关管的选择。②两个变压器的副边并联，输出电流能力比单个半桥变换器大一倍，相应的输出功率也增大一倍。③本拓扑电路可在更高电压场合使用，通过在以上电路基础上再增加一路半桥变换器，同样原边串联，副边并联，即可使每个开关管的承受电压降低。依次类推，此拓扑结构理论上可应用于任何高电压场合。

附图说明：

图1是已有半桥变换器的主电路结构。

图2是本发明的主电路拓扑结构；

图3是发明的实际应用参考电路图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步说明：

参照图2，用两路半桥变换器，将它们的原边串联，副边并联。四个开关管Q1-Q4串联，四个电容C1-C4串联，并接于输入电压两端。上面两个电容C1、C2、开关管Q1、Q2接成半桥变换器结构，通过变压器T1传输能量到副边。下面两个电容C3、C4、开关管Q3、Q4接成半桥变换器结构，通过变压器T2传输能量到副边。四个开关管中，Q1、Q3受同一信号控制，同步开通、关断，当其开通时，脉冲电流流向为Q1、T1、C7、C2、Q3、T2、C8、C4，加到变压器T1、T2的电压为1/4Ui。Q2、Q4受同一信号控制，同步开通、关断，当其开通时，脉冲电流流向为C1、C7、T1、Q2、C3、C8、T2、Q4，加到变压器T1、T2的电压亦为1/4Ui。两次流经变压器电流的方向相反，形成对称的方波电压。电容C5、C6是为隔断直流而设。在副边，两路变压器输出经全波整流、电容滤波后并联，供给负载，工作原理同半桥变换器。

本电路另一特点，输入端的四个串联电容能够自动均压，即每个电容两端的电压为1/4Ui。

由于串联分压，每个电容两端的电压为1/4输入电压Ui。根据半桥变换器特性，每个开关管承受的电压为输入直流电压Ui的一半。当输入直流电压为800V时，根据1.32Ui＝Uceo，求得Uceo＝1.32×400＝528V，这样的开关管是很好选到的。

两个变压器的副边并联，输出电流能力比单个半桥变换器大一倍，相应的输出功率也增大一倍。

本电路的拓扑技术，在更高电压场合，也可使用。当直流输入电压更高时，可在以上电路基础上再增加一路半桥变换器，同样原边串联，副边并联，即可使每个开关管的承受电压降下来。依次类推，此拓扑结构理论上可根据需要，应用于任何高电压场合。

参照图3，输入直流电压经C1、C2、C3、C6串联分压，向开关管Q1、Q3、Q6、Q7供电。R1、R2、R3、R4为均压电阻。C1、C2、Q1、Q3、TR1组成一路有自激启动电路的半桥式变换器，其PWM调制信号由前级TL494经隔离变压器TR2提供。C3、C6、Q6、Q7、TR3组成一路有自激启动电路的半桥式变换器，其PWM调制信号由前级TL494经隔离变压器TR4提供。两路半桥的原边串联，即C1、C2、C3、C6串联，Q1、Q3、Q6、Q7串联，副边整流、滤波后并联输出。Q1、Q6同步开关，其开通时，脉冲电流流经Q1、TR1、C2、Q6、TR3、C6，有1/4输入电压加在变压器TR1、TR3原边；Q3、Q7同步开关，其开通时，脉冲电流流经C1、TR1、Q3、C3、TR3、Q7，有1/4输入电压加在变压器TR1、TR3原边，两次电流流向相反，形成对称方波电压。到副边，TR1、TR3的输出各自经过整流、滤波后并联输出。以后重复上面过程。两路变换器的启动工作原理相同，现只分析Q1、Q3一路的工作过程。接通电源瞬间，由于电路的不平衡因素，两只开关管中会有一只先导通，产生一集电极电流脉冲。启动脉冲经驱动脉冲变压器TR2的反馈绕组3-5，对先导通的开关管产生正反馈，使之饱和，同时产生的感应脉冲使另一只开关管保持截止。先饱和的开关管电流，经TR1绕组1-2、分压电容，由TR3次级绕组12-13-14输出感应脉冲，经D1、D2整流，C10滤波，向前级推动级和TL494提供启动电压。前级电路输出驱动脉冲，使Q4和Q5交替导通完成DC/AC变换。至此，自激启动过程完成，电路工作在他激半桥工作状态。开关管基极回路串联的R10、D4、C12为加速电路，以减小开关管的导通截止损耗。

Claims

1.一种高压开关电源的DC/DC变换拓扑电路，包括半桥变换器，其特征是设置两路半桥变换器，其原边串联、副边并联；一拓扑电路，其直流输入端跨接串联的电阻R1-R4后跨接串联的电容C1、电容C2、电容C3、电容C6，该直流输入正极接开关管Q1集电极，开关管Q1发射极接开关管Q3集电极，开关管Q3发射极接开关管Q6集电极，开关管Q6发射极接开关管Q7集电极，开关管Q7发射极接输入直流负极，开关管Q1发射极接变压器TR2脚3，并经反馈绕组3-5接变压器TR1的原边绕组脚2，三极管TR1脚1经电容C4跨接在电容C1、电容C2之间；开关管Q6发射极接变压器TR4脚3，并经反馈绕组3-5接变压器TR4的原边绕组脚2，变压器TR4脚5经电容C5跨接在电容C3、电容C6之间；变压器TR1副边脚5、6、7连接后与变压器TR3脚5、6、7连接，脚10、11连接后经二极管D6与脚8、9连接后经二极管D7连接，再经线圈L1、电容C20、电容C21、电容C22输出；变压器TR3同变压器TR1，两路并联后输出；变压器TR1绕组12-13、12-14经二极管D1、二极管D2后连接在一起，变压器TR3绕组12-13、12-14经二极管D12、二极管D13后连接在一起，再经电容C10滤波后接集成电路TL494脚12；集成电路TL494脚11接三极管Q4基极，经变压器TR2、电阻R11接开关管Q1，经变压器TR2、电阻R24接开关管Q3；集成电路TL494脚8接三极管Q5基极，经变压器TR4、电阻R44接开关管Q6，经变压器TR4、电阻R53接开关管Q7；在变压器TR2与电阻R11之间串联第一加速电路，所述第一加速电路包括电阻R10、二极管D4和电容C12，二极管D4与电阻R10串联，其中二极管D4负极与电阻R10一端连接，串联的二极管D4与电阻R10再与电容C12并联，电容C12的一端与二极管D4正极连接，另一端与电阻R10的另一端连接，电容C12与二极管D4的公共端接TR2，电容C12与电阻R10的公共端接电阻R11；在TR2与电阻R24之间串联第二加速电路，所述第二加速电路包括电阻R23、二极管D9和电容C24，二极管D9与电阻R23串联，其中二极管D9负极与电阻R23一端连接，串联的二极管D9与电阻R23再与电容C24并联，电容C24的一端与二极管D9正极连接，另一端与电阻R23的另一端连接，电容C24与二极管D9的公共端接TR2，电容C24与电阻R23的公共端接电阻R24；在TR4与电阻R44之间串联第三加速电路，所述第三加速电路包括电阻R43、二极管D16和电容C37，二极管D16与电阻R43串联，其中二极管D16负极与电阻R43一端连接，串联的二极管D16与电阻R43再与电容C37并联，电容C37的一端与二极管D16正极连接，另一端与电阻R43的另一端连接，电容C37与二极管D16的公共端接TR4，电容C37与电阻R43的公共端接电阻R44；在TR4与电阻R53之间串联第四加速电路，所述第四加速电路包括电阻R52、二极管D20和电容C46，二极管D20与电阻R52串联，其中二极管D20负极与电阻R52一端连接，串联的二极管D20与电阻R52再与电容C46并联，电容C46的一端与二极管D20正极连接，另一端与电阻R52的另一端连接，电容C46与二极管D20的公共端接TR4，电容C46与电阻R52的公共端接电阻R53。