CN101958649A - 一种谐振型稳流电源装置 - Google Patents

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Abstract

一种谐振型稳流电源装置属于电源技术领域。其目的是提供一种能够提高稳流电源的开关频率、功率密度及效率，降低开关电流谐波的谐振型稳流电源装置。包括有源功率因数校正电路或输入整流滤波电路(1)、谐振电路(2)、变压器及输出电路(3)和电流传感器(5)及控制电路(4)，谐振电路为串联谐振拓扑结构电路，谐振电容(2-6)、谐振电感(2-5)及变压器(3-1)串联在该拓扑结构电路的输出回路。相对于目前采用的PWM及移相调制技术，本发明提高了稳流电源的开关频率、功率密度及效率，使开关电流由“似方波”变为“似正弦波”，从而降低了开关电流的谐波。特别适合于10kW以下的中小功率稳流电源。

Description

一种谐振型稳流电源装置
技术领域
本发明属于电源技术领域，特别涉及粒子加速器装置中的磁铁稳流电源技术。
背景技术
在粒子加速器装置中，广泛使用二、四、六极磁铁、校正磁铁、螺线管等，以实现对束流的控制。目前磁铁稳流电源中，大功率的多采用斩波器方式，中小功率的多采用ZVS(零电压开关)移相PWM(脉冲宽度调制)技术，开关电流波形类似方波，开关频率一般只有几十KHz。近年来谐振电源如LLC谐振型拓扑在通讯电源、液晶电视电源等领域得到逐步应用，使电源开关频率、功率密度及效率得到进一步提高，但目前仍没有采用FM方式的谐振型磁铁稳流电源。
发明内容
本发明的目的是提供一种能够提高稳流电源的开关频率、功率密度及效率，降低开关电流谐波的谐振型稳流电源装置。
本发明的技术方案是，一种谐振型稳流电源装置，包括有源功率因数校正电路或输入整流滤波电路、谐振电路、变压器及输出电路和电流传感器及控制电路，所述谐振电路为串联谐振拓扑结构电路，谐振电感、谐振电容和输出变压器的初级串联在拓扑结构电路的输出回路。
上述串联谐振拓扑结构电路，为半桥方式，由两个MOS管和两个桥臂电容构成；两个MOS管和两个桥臂电容分别串联后，一起并联在有源功率因数校正电路或输入整流滤波电路的输出端。
上述串联谐振拓扑结构电路，为全桥方式，由四个MOS管构成；四个MOS管两两串联后，一起并联在有源功率因数校正电路或输入整流滤波电路的输出端。
其技术效果是：本发明由于采用串联谐振拓扑，其串联谐振电路的电流增益可以大于1，对电压的增益小于1，故适合了磁铁稳流电源低压大电流的特点；且由于损耗小，电源能够以很高的工作频率工作，结合谐振变换器和频率调制(FM)变换器的优点，最终能够达到很高功率密度的整机性能。相对于目前采用的PWM及移相调制技术，本发明提高了稳流电源的开关频率、功率密度及效率，使开关电流由“似方波”变为“似正弦波”，从而降低了开关电流的谐波。特别适合于10kW以下的中小功率稳流电源。
附图说明
图1是本发明的电原理框图；
图2是采用半桥式串联谐振拓扑结构的电路原理图；
图3是谐振电流波形图；
图4是采用全桥式串联谐振拓扑结构的电路原理图。
具体实施方式
如图1所示，谐振型稳流电源，包括有源功率因数校正电路或输入整流滤波电路1、谐振电路2、变压器及输出电路3和电流传感器5及控制电路4。根据稳流电源固定负载、低压大电流输出的特点，谐振电路采用串联谐振拓扑结构电路。
串联谐振拓扑结构电路可为全桥方式，也可为半桥方式。
如图2所示，本例为输出30A/30V稳流电源装置，不带有源功率因数校正电路，直接采用市电220V供电。谐振电路采用半桥式串联谐振拓扑结构电路，最低工作频率选定为137kHz，最高工作频率为500kHz。谐振电流波形参见图4。交流220V市电输入整流滤波电路1中，经过整流桥1-1、滤波电容1-2后输出直流300V电压，用于谐振电路2的输入电压。MOS管2-1、2-2分别并联有体二极管2-11、2-12，二极管作为续流二极管，组成MOS管组件，两个MOS管组件串联在一起。串联的两组MOS管组件与两个串联的桥臂电容2-7、2-8一起并联连接在整流滤波电路1的输出端，谐振电容2-6、谐振电感2-5及变压器3-1初级三者相串联后(无先后顺序)，一端连接在两个串联MOS管的中点，另一端连接在两个串联桥臂电容的中点。
MOS管2-1，2-2在驱动信号控制下，轮流导通，在两个桥臂中点之间产生交替的方波电压波形，谐振电感2-5和谐振电容2-6回路上产生形似正弦的电流波形。桥臂电容2-7和桥臂电容2-8串联分压，其中点电压为母线电压的一半，即150V。谐振电感2-5和谐振电容2-6发生谐振，在变压器3-1的初级产生高频交替的电流波形，用于向变压器3-1的次级提供能量。变压器3-1次级输出经过二极管3-2、3-3整流、电容3-4滤波后，输出给负载LOAD。
电流传感器5对输出电路中的电流进行取样，并将电流信号转换为电压信号，送到控制电路4中作为闭环的反馈电压。同时控制电路中有基准电压产生电路，和取样得到的电压信号一起决定驱动信号频率，可以调节基准电压的大小，控制MOS管的导通频率，从而控制电源的输出电流。当输出电流升高时，取样电压升高，和基准比较后，控制电源的驱动信号频率升高，从而电源的输出能力下降，使输出电流降低；当输出电流降低时，取样电压降低，和基准比较后，控制电源的驱动信号频率降低，电源的输出能力升高，使输出电流稳定。
设置控制器产生的驱动信号达到频率上限500kH时进入断续模式，即当电源工作于5A以下时，通过控制振荡发生器的“通”与“断”保持输出电流的稳定，使电源的输出可调范围下限接近于零。
电源设置过压、过流故障保护，当取样电流、电压超过设定值后，使用门电路封锁MOS管驱动输出，并具有故障记忆功能，重新加电后，可以解除故障记忆。
本电源装置工作时，测得的谐振电流波形如图3所示。
如图4所述示，本例为输出40A/50V稳流电源装置，该电源装置带有源功率因数校正电路1，把市电220V供电变换成直流400V电压，提供给后级谐振电路2。有源功率因数校正电路，主要利用BOOST电路实现有源功率因数校正。通过PFC控制芯片控制高频电感中的电流，使回路中的电压和电流具有相同的相位和波形，相当于纯阻性的负载，电源的功率因数大大提高，可以达到0.97。
谐振电路2采用全桥式串联谐振拓扑结构电路，最低工作频率选定为150kHz，最高工作频率为500kHz。
交流220V输入由整流桥1-1整流得100Hz半正弦波，该半正弦波加到高频电感1-2的输入端，同时加到控制电路4中经处理作为参考信号来确定输入电流所要求的相位和波形。输入电流通过电感1-2并经过电流取样电阻1-3返回，把实际电流波形的取样值提供给控制电路4。为了在电感1-2上达到平均的100Hz的半正弦波电流，功率开关管1-4以80kHz的频率进行开和关，而每个半正弦周期中瞬时输入电压改变较慢，如果能在短时期内准确地控制高频开关的占空比，那么在此周期内，可以使电感1-2上的电流跟随半正弦波电压信号的波形和相位，使后面的电路等效为一个纯电阻负载。
MOS管2-1～2-4分别并联有体二极管2-11～2-14，二极管作为续流二极管，构成MOS管组件。每两组MOS管串联后，一起并联在有源功率因数校正电路1的输出端，谐振电感2-5、谐振电容2-6及变压器初级3-1三者相串联后(无先后顺序)，两端分别连接在两组串联MOS管的中点。
MOS管2-1、2-2、2-3、2-4在驱动信号控制下，轮流导通，在两个桥臂中点之间产生交替的电压波形，谐振电感2-5和谐振电容2-6回路上产生形似正弦的电流波形。谐振电感2-5和谐振电容2-6发生谐振，在变压器3-1的初级产生高频交替的电流波形，用于向变压器3-1的次级提供能量。变压器3-1次级输出经过二极管3-2、3-3整流、电容3-4滤波后，输出给负载LOAD。
电流传感器5对输出电路中的电流进行取样，并将电流信号转换为电压信号，送到控制电路4中作为电流闭环的反馈。同时控制电路中有基准电压产生电路，和取样得到的电压信号一起决定驱动信号频率，可以调节基准电压的大小，控制MOS管的导通频率，从而控制电源的输出电流。当输出电流升高时，取样电压升高，和基准比较后，控制电源的驱动信号频率升高，从而电源的输出能力下降，输出电流降低；当输出电流降低时，取样电压降低，和基准比较后，控制电源的驱动信号频率降低，电源的输出能力升高，使输出电流稳定。
设置控制器产生的驱动信号达到频率上限500kH时进入断续模式，即当电源工作于8A以下时，通过控制振荡发生器的“通”与“断”保持输出电流的稳定，使电源的输出的可调范围下限接近于零。
电源设置过压、过流故障保护，当取样电流、电压超过设定值后，使用门电路封锁MOS管驱动输出，并具有故障记忆功能，重新加电后，可以解除故障记忆。

Claims (5)

1.一种谐振型稳流电源装置，包括有源功率因数校正电路或输入整流滤波电路(1)、谐振电路(2)、变压器及输出电路(3)和电流传感器(5)及控制电路(4)，其特征在于：所述谐振电路(2)为串联谐振拓扑结构电路，谐振电容(2-6)、谐振电感(2-5)及变压器(3-1)串联在该拓扑结构电路的输出回路。
2.根据权利要求1所述的一种谐振型稳流电源装置，其特征在于：所述串联谐振拓扑结构电路为半桥方式，由两个MOS管和两个桥臂电容构成，两个MOS管(2-1、2-2)和两个桥臂电容(2-7、2-8)分别串联后，一起并联在有源功率因数校正电路或输入整流滤波电路(1)的输出端。
3.根据权利要求1所述的一种谐振型稳流电源装置，其特征在于：所述串联谐振拓扑结构电路为全桥方式，由四个MOS管构成，四个MOS管(2-1、2-2、2-3、2-4)两两串联后，一起并联在有源功率因数校正电路或输入整流滤波电路(1)的输出端。
4.根据权利要求1所述的一种谐振型稳流电源装置，其特征在于：所述电流传感器(5)为霍尔传感器或零磁通传感器。
5.根据权利要求1所述的一种谐振型稳流电源装置，其特征在于：所述控制电路(4)采用电流闭环
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