CN102447395A - 一种多电平平衡电路的实现方法和多电平平衡电路 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种多电平平衡电路的实现方法和多电平平衡电路。多电平平衡电路包括输入电路、变压器和复数个平衡电压输出电路，变压器包括原边绕组和复数个副边绕组；输入电路的一端接输入电源正极，另一端接输入电源负极；输入电路包括开关管和与开关管连接的所述变压器的原边绕组；每个平衡电压输出电路包括整流二极管、平衡电容和1个变压器的副边绕组，副边绕组与整流二极管串联后接平衡电压输出电路的输出端，平衡电容的两端分别接平衡电压输出电路的两个输出端；辅边绕组是正激输出绕组，辅边绕组与变压器原边绕组的同名端接平衡电容的正极。本发明是一种可靠性高，能够适应大动态快速平衡的多电平平衡电路。
Description
[技术领域]
本发明涉及多电平电路，尤其涉及一种多电平平衡电路的实现方法和多电平平衡电路。
[背景技术]
在中高压电路中，多数常规电容、功率管等元器件或材料的耐压值有限，无法直接承受中高压电路的高压，如直接用在中高压电路中可靠性性极低，一些能够直接承受这些高压的特种器件和特种材料，价格高昂，成本极高。为了解决这一问题，业界大量使用了三电平和多级较低电平电压串联的方式，将高压转化为多级较低电压，以便正常使用耐压级别较低的器件与材料，降低功率管上的电压、功耗等应力，实现电路设计的可行性、提高可靠性、降低成本等目的。
由于通过多低压电压电平串联组成高压电路，例如多低压电容电压串联，组成高耐压的电容组，则必须专门辅助电路，平衡每个低电平单元的电压，防止任何一个低压单元电压失控，特别是防止局部低压单元的电压变高，超出该低压单元的器件电压承受，损坏低压器件。
业界有很多方式的多电平电压平衡电路，例如使用串联电阻分压等电路，功耗大，平衡能力弱，或者使用复杂多电平专用均衡电路，电路复杂可靠性低，成本较高，平衡所能提供的功率能力有限。而且这些电压平衡电路，都难以适应大动态的快速多电压串联的平衡。多电平专用均衡电路适应的多电平电压级数非常有限，一般局限三电平、四电平有限级数，更多级数多电平电路设计越来越复杂，可靠性继续降低、成本急剧上升。
[发明内容]
本发明要解决的技术问题是提供一种可靠性高，能够适应大动态快速平衡的多电平平衡电路的实现方法。
本发明另一个要解决的技术问题是提供一种可靠性高，能够适应大动态快速平衡的多电平平衡电路。
为了解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是，一种多电平平衡电路的实现方法，所述的多电平平衡电路采用变压器原边绕组输入，复数个副边绕组输出，每个辅边绕组的输出整流后接相应的平衡电容，辅边绕组是正激输出绕组，通过正激电路动态的电压与能量补偿，维持多电平电路的电压平衡。
一种多电平平衡电路的技术方案，包括输入电路、变压器和复数个平衡电压输出电路，所述的变压器包括原边绕组和复数个副边绕组；所述的输入电路的一端接输入电源正极，另一端接输入电源负极；所述的输入电路包括开关管和与开关管连接的所述变压器的原边绕组；每个所述的平衡电压输出电路包括整流二极管、平衡电容和1个所述变压器的副边绕组，所述的副边绕组与整流二极管串联后接平衡电压输出电路的输出端，所述平衡电容的两端分别接平衡电压输出电路的两个输出端；所述的辅边绕组是正激输出绕组，辅边绕组与变压器原边绕组的同名端接平衡电容的正极。
以上所述的多电平平衡电路，所述的平衡电压输出电路包括限流电阻，所述的副边绕组与整流二极管、限流电阻串联后接平衡电压输出电路的输出端。
以上所述的多电平平衡电路，每个所述的平衡电压输出电路包括限流电感和续流二极管，所述限流电感的一端接整流二极管的阴极，限流电感的另一端接所述平衡电压输出电路的第一输出端；续流二极管的阳极接副边绕组的第二端，续流二极管的阴极接整流二极管的阴极。
以上所述的多电平平衡电路，各平衡电压输出电路的平衡电容按极性依次串联，串联形成的平衡电容串联电路的正极端接输入电源正极，平衡电容串联电路的负极端接输入电源负极。
以上所述的多电平平衡电路，所述的开关管与所述变压器的原边绕组串接。
以上所述的多电平平衡电路，包括第一谐振电容和第二谐振电容，所述的开关管包括第一开关管和第二开关管；第一开关管与第二开关管串联后接输入电源的正负极，第一谐振电容和第二谐振电容串联后接输入电源的正负极；变压器原边绕组的第一端接第一开关管和第二开关管之间的连接点，第二端接第一谐振电容和第二谐振电容之间的连接点。
以上所述的多电平平衡电路，所述的开关管为4个，4个开关管构成全桥电路，全桥电路的输入端接输入电源的正负极，输出端接变压器的原边绕组。
以上所述的多电平平衡电路，包括反激电路，所述的反激电路包括反激辅助绕组和二极管，所述的反激辅助绕组通过变压器铁芯与变压器原边绕组耦合，反激辅助绕组的匝数等于变压器原边绕组的匝数，反激辅助绕组的第一端是变压器原边绕组正极端的同名端；反激辅助绕组的第二端接二极管的阳极，二极管的阴极接输入电源正极，反激辅助绕组的第一端接输入电源负极。
本发明多电平平衡电路结构简单、可靠性高，较好地解决大电流、大动态、大功率时的多电平平衡，并可以解决任意电平的多电平平衡。
[附图说明]
下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
图1是本发明多电平平衡电路实施例1的电路原理图。
图2是本发明多电平平衡电路实施例2的电路原理图。
图3是本发明多电平平衡电路实施例3的电路原理图。
图4是本发明多电平平衡电路实施例4的电路原理图。
图5是本发明多电平平衡电路实施例5的电路原理图。
图6是本发明多电平平衡电路实施例6的电路原理图。
[具体实施方式]
在图1所示的本发明多电平平衡电路实施例1中，包括输入电路、变压器和N个平衡电压输出电路。
变压器T1包括原边绕组N0和N个副边绕组N1-NN，输入电路包括开关管Q1和变压器T1的原边绕组N0，开关管Q1与变压器T1原边绕组N0串联后构成的输入电路一端接输入电源正极，另一端接输入电源负极。每个平衡电压输出电路包括1个整流二极管D(D1-DN)、1个平衡电容C(C1-CN)和1个变压器T1的副边绕组(N1-NN)。
副边绕组与整流二极管D串联，副边绕组的第一端接整流二极管D的阳极，副边绕组的第二端接平衡电压输出电路的第二输出端，整流二极管D的阴极接平衡电压输出电路的第一输出端，平衡电容C的两端分别接平衡电压输出电路的两个输出端。
辅边绕组是正激输出绕组，副边绕组的第一端与变压器T1原边绕组N0的正极端是同名端，所以本实施例的平衡电压输出电路是正激电路。
N个平衡电压输出电路的平衡电容C(C1-CN)按极性依次串联，串联形成的平衡电容C串联电路的正极端接输入电源正极，平衡电容C串联电路的负极端接输入电源负极。
输入电源的输入电压为U0，各平衡电压输出电路的输出的平衡电压分别是U1、U2......UN。
变压器T1原边的匝数为N0，对应多电平电压的各副边绕组匝数为分别为N1、N2......NN。原副边的匝比N0/N1，等于或者稍微大于U0/U1，以此同样规律类推原副边的匝比N0/N2，等于或者稍微大于U0/U2，......UN。如果是半桥的变压器传递电路，副边绕组匝数相应减少一半。
当该变压器T1能量与电压传递电路工作时，各副边输出的电压就会等于或者稍微小于所对应连接的平衡电压。如果某平衡支路的平衡电压失调导致低于设计的平衡电压，正激电路相应的副边绕组就提供给设计电压(或稍微小一点)的平衡用电压，以恢复正常电压。
如果某平衡支路的平衡电压失调导致高于设计的平衡电压，会导致其他支路平衡电压低于设计电压，正激电路相应的对应的其他路副边绕组，就提供给对应设计电压(或稍微小一点)的平衡电压，同时降低了失调导致高电压平衡支路的电压，恢复正常电压。
通过以上的动态电压与能量的补偿，可以始终维持多电平电路的电压平衡。电平平衡电路平衡与补偿电压能力大小，可通过设计正激变压器T1输出功率的大小来进行调整。
变压器能量与电压传递电路的拓扑，可以现有任何的隔离式拓扑以及相应拓扑电路变形，例如使用正激电路，而正激电路又可以是现有技术范畴内任何的变形正激电路，例如给最基本正激电路额外增加去磁绕制、钳位电路、滤波电感、续流二极管、滤波电容等。
电路拓扑可以是正激但不限于正激等绕组，可以是正激、全桥、半桥、推挽、移相全桥、LLC、LCC等任一种开关电源的基本拓扑、或正激、全桥、半桥、推挽、移相全桥、LLC、LCC等电路的任一变形电路拓扑。变压器的副边绕组除了平衡电压用绕组，可以有其他用途绕组。
变压器可以增加非平衡电压之外的辅助额外绕组，构成正激式、或者反激式电路，为非平衡之路之外的其他电路提供电源，与非平衡之路之外的电源可以构成闭环，也可构成开环，视电气设计而定。
本发明的若干变形结构如以下实施例所示。
图2所示的本发明多电平平衡电路实施例2与实施例1的区别在于，每个平衡电压输出电路包括1个限流电阻R(R-RN)，限流电阻R与副边绕组、整流二极管D组成串联电路。限流电阻R可以防止瞬间电流过大，烧毁二极管等相关器件。
图3所示的本发明多电平平衡电路实施例3的输入电路包括反激电路，反激电路包括反激辅助绕组N01和二极管DF，反激辅助绕组N01通过变压器T1铁芯与变压器T1原边绕组N0耦合，反激辅助绕组N01的匝数等于变压器T1原边绕组N0的匝数，反激辅助绕组N01的第一端是变压器T1原边绕组N0正极端的同名端。反激辅助绕组N01的第二端接二极管DF的阳极，二极管DF的阴极接输入电源正极，反激辅助绕组N01的第一端接输入电源负极。
图4所示的本发明多电平平衡电路实施例4与实施例3的主要区别是，每个平衡电压输出电路有限流电感L(L1-LN)、整流二极管D(D1-DN)和续流二极管DX(DX1-DXN)。副边绕组的第一端接整流二极管D的阳极，，整流二极管D的阴极通过限流电感L接平衡电压输出电路的第一输出端；副边绕组的第二端接续流二极管DX的阳极，续流二极管DX的阴极接整流二极管D的阴极。平衡电容C(C1-CN)的两端分别接平衡电压输出电路的两个输出端。限流电感L可以防止瞬间电流过大，烧毁二极管等相关器件。
图5所示的本发明多电平平衡电路实施例5的输入电路为半桥拓朴结构，包括第一谐振电容C1、第一谐振电容C2，第一开关管Q1和第二开关管Q2；第一开关管Q1与第二开关管Q2串联后接输入电源的正负极，第一谐振电容C1和第一谐振电容C2串联后接输入电源的正负极；变压器原边绕组N0的第一端接第一开关管Q1和第二开关管Q2之间的连接点，第二端接第一谐振电容C1和第一谐振电容C2之间的连接点。
图6所示的本发明多电平平衡电路实施例6的输入电路为半桥拓朴结构，4个开关管Q1-Q4构成全桥电路，全桥电路的输入端接输入电源的正负极，输出端接变压器的原边绕组N0的两端。
本发明以上的实施例有以下优点：
1、双端正激的双MOS，很容易实现高压输入的辅助电源。
2、电路非常简单，可以实现三电平甚至N电平的平衡。
3、同时集成辅助电源。
4、电平平衡的绕组，同时又实现了电平钳位的功能。
5、在上下电平平衡性很好正常情况下，正激电路传递的能量很小，对于平衡电路是一个开环的反馈回路，对于正常输出的支路是闭环的电路，正常电压输出。
Claims (9)
1.一种多电平平衡电路的实现方法，其特征在于，所述的多电平平衡电路采用变压器原边绕组输入，复数个副边绕组输出，每个辅边绕组的输出整流后接相应的平衡电容，辅边绕组是正激输出绕组，通过正激电路动态的电压与能量补偿，维持多电平电路的电压平衡。
2.一种多电平平衡电路，其特征在于，包括输入电路、变压器和复数个平衡电压输出电路，所述的变压器包括原边绕组和复数个副边绕组；所述输入电路的一端接输入电源正极，另一端接输入电源负极；所述的输入电路包括开关管和与开关管连接的所述变压器的原边绕组；每个所述的平衡电压输出电路包括整流二极管、平衡电容和1个所述变压器的副边绕组，所述的副边绕组与整流二极管串联后接平衡电压输出电路的输出端，所述平衡电容的两端分别接平衡电压输出电路的两个输出端；所述的辅边绕组是正激输出绕组，辅边绕组与变压器原边绕组的同名端接平衡电容的正极。
3.根据权利要求2所述的多电平平衡电路，其特征在于，所述的平衡电压输出电路包括限流电阻，所述的副边绕组与整流二极管、限流电阻串联后接平衡电压输出电路的输出端。
4.根据权利要求2所述的多电平平衡电路，其特征在于，每个所述的平衡电压输出电路包括限流电感和续流二极管，所述限流电感的一端接整流二极管的阴极，限流电感的另一端接所述平衡电压输出电路的第一输出端；续流二极管的阳极接副边绕组的第二端，续流二极管的阴极接整流二极管的阴极。
5.根据权利要求2所述的多电平平衡电路，其特征在于，各平衡电压输出电路的平衡电容按极性依次串联，串联形成的平衡电容串联电路的正极端接输入电源正极，平衡电容串联电路的负极端接输入电源负极。
6.根据权利要求2所述的多电平平衡电路，其特征在于，所述的开关管与所述变压器的原边绕组串接。
7.根据权利要求2所述的多电平平衡电路，其特征在于，包括第一谐振电容和第二谐振电容，所述的开关管包括第一开关管和第二开关管；第一开关管与第二开关管串联后接输入电源的正负极，第一谐振电容和第二谐振电容串联后接输入电源的正负极；变压器原边绕组的第一端接第一开关管和第二开关管之间的连接点，第二端接第一谐振电容和第二谐振电容之间的连接点。
8.根据权利要求2所述的多电平平衡电路，其特征在于，所述的开关管为4个，4个开关管构成全桥电路，全桥电路的输入端接输入电源的正负极，输出端接变压器的原边绕组。
9.根据权利要求2所述的多电平平衡电路，其特征在于，包括反激电路，所述的反激电路包括反激辅助绕组和二极管，所述的反激辅助绕组通过变压器铁芯与变压器原边绕组耦合，反激辅助绕组的匝数等于变压器原边绕组的匝数，反激辅助绕组的第一端是变压器原边绕组正极端的同名端；反激辅助绕组的第二端接二极管的阳极，二极管的阴极接输入电源正极，反激辅助绕组的第一端接输入电源负极。
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