CN102638185A - 开关电源 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种开关电源，包括：用于将三相工频交流电转换成高压直流电的三相整流滤波模块，三相整流滤波模块的输出正极与初始驱动电源模块以及高频变压器模块相连接，所述初始驱动电源模块用于驱动IGBT驱动模块工作，所述IGBT驱动模块用于驱动IGBT及栅极过压保护模块中IGBT工作，所述高频变压器模块的初级线圈一端连接三相整流滤波模块的输出正极，另一端连接上述IGBT的集电极，所述初级线圈还连接放电模块，放电模块用于当所述IGBT关断时初级线圈的放电，所述高频变压器模块的次级线圈连接整流滤波模块。本发明以三相380伏工频交流电为输入，低成本高效地生成低压直流电源。
Description
技术领域
本发明涉及一种开关电源，特别是三相380伏交流输入的低压直流电源。
背景技术
获得小功率低压直流电源的通常做法是采用低频铁芯变压器变压、整流、滤波，或者采用单片开关电源模块的高频开关电源。采用低频铁芯变压器变压的直流电源由于变压器工作频率低(50Hz)，铁芯中磁通密度大，容易饱和，从而功率体积比小，与高频变压器相比，相同功率输出，需要较多的铁芯和更多的线圈，耗材大、效率低。而采用单片开关电源模块的高频开关电源只是针对220伏单相交流市电的场合，电源效率不高，只能在70％～80％，其余20％～30％的功率以发热的形式释放，这样，单片开关电源模块底部往往需加散热片；若采用三相380伏工频供电，单片开关电源模块会立即烧毁，不适合三相380伏工频供电的场合。
发明内容
有鉴于此，本发明提供一种开关电源，可以直接以三相380伏工频交流电为输入，低成本高效地生成低压直流电源。
本发明采用以下的技术方案：
开关电源，包括：用于将三相工频交流电转换成高压直流电的三相整流滤波模块，三相整流滤波模块的输出正极与初始驱动电源模块以及高频变压器模块相连接，所述初始驱动电源模块用于产生初始直流驱动电源以驱动IGBT驱动模块工作，所述IGBT驱动模块用于驱动IGBT及栅极过压保护模块中IGBT工作，所述高频变压器模块的初级线圈一端连接三相整流滤波模块的输出正极，初级线圈的另一端连接IGBT及栅极过压保护模块中IGBT的集电极，所述高频变压器模块的初级线圈还连接放电模块，放电模块用于当所述IGBT关断时高频变压器模块初级线圈的放电，通过该IGBT的高频导通和关断，高频变压器模块的初级获得高频交流电，所述高频变压器模块的次级线圈连接输出整流滤波模块，输出整流滤波模块用于将高频变压器模块输出的交流电压转换成输出直流电源，所述IGBT驱动模块的输入端连接有启动模块、输出电压反馈稳压模块、以及自激振荡模块，所述启动模块用于启动IGBT驱动模块，所述输出电压反馈稳压模块利用获得的稳定输出直流电源来关断IGBT驱动模块，所述自激振荡模块利用高频变压器模块所获得的次极感生电压来关断IGBT驱动模块；所述输出整流滤波模块的输出直流电源连接输出电压反馈稳压模块，所述初始驱动电源模块连接启动模块，所述高频变压器模块的输出端T2A连接自激振荡模块。
进一步，所述开关电源还包括与初始驱动电源模块连接的初始驱动电源关断模块，所述初始驱动电源关断模块用于关断所述初始驱动电源模块输出的初始直流驱动电源。
进一步，所述开关电源还包括与初始驱动电源模块连接的电压隔离模块，所述电压隔离模块用于当初始驱动电源模块停止工作时提供输出端(+15G)的直流驱动电源给IGBT驱动模块；所述输出整流滤波模块的输出直流电源连接电压隔离模块；所述输出直流电源比初始直流驱动电源高出至少二极管导通压降大小。所述输出直流电源比初始直流驱动电源高出至少二极管导通压降大小，是为了使电压隔离模块正常工作，电压隔离模块的+15V端通过二极管连接初始直流驱动电源的输出端+15G，二极管导通压降为0.7V，所以所述输出直流电源比初始直流驱动电源高出至少0.7V。
进一步，所述IGBT驱动模块的输入端还连接过流保护模块，所述过流保护模块用于在过流状态下关断IGBT驱动模块，所述高频变压器模块的输入端经过IGBT及栅极过压保护模块中的IGBT连接过流保护模块。
进一步，所述的IGBT驱动模块采用两级晶体管放大电路。
优选的，所述初始驱动电源模块输出的初始直流驱动电源在11V至18V之间。
进一步，所述初始驱动电源模块输出的初始直流驱动电源为15V。
本发明的技术构思在于：所述开关电源，由于高频变压器模块初级电压高，选用高效、耐高压的电压驱动的IGBT作为开关管。为了获得开关管IGBT所需的15伏驱动电源，设计了一个可关断的初始驱动电源模块。开关管IGBT由设计的两级晶体管放大电路控制其导通与截止。两级晶体管放大电路由启动模块启动，由自激振荡模块、过流保护模块、以及输出电压反馈稳压模块关断。
本发明的有益效果是：(1)开关电源采用独特的初始驱动电源，利用了IGBT作为开关管，提供了低成本、高效(转换效率可达90％以上)的从三相380伏工频供电到低压直流电源的解决方案；(2)在转换效率低的情况下，未转化的功率以热量形式释放，所以需要散热片，而本发明由于转换效率高，IGBT导通好，散热较少，所以小功率时IGBT无需匹配散热片，节约了成本。
附图说明
图1是本发明实施例的电路结构框图。
图2是本发明实施例的电路原理图。
具体实施方式
以下结合附图对本发明作进一步说明。
参照图1-2：开关电源，包括：用于将三相工频交流电转换成高压直流电的三相整流滤波模块1，三相整流滤波模块1的输出正极与初始驱动电源模块3以及高频变压器模块6相连接，所述初始驱动电源模块3用于产生初始15V的直流驱动电源以驱动IGBT驱动模块9工作，所述IGBT驱动模块9用于驱动IGBT及栅极过压保护模块10中IGBT管Q9工作，所述高频变压器模块6的初级线圈一端连接三相整流滤波模块1的输出正极，初级线圈的另一端连接IGBT及栅极过压保护模块10中IGBT管Q9的集电极，所述高频变压器模块6的初级线圈还连接放电模块5，放电模块5用于当所述IGBT管Q9关断时高频变压器模块6初级线圈的放电，通过该IGBT管Q9的高频导通和关断，高频变压器模块6的初级获得高频交流电，所述高频变压器模块6的次级线圈连接输出整流滤波模块7，输出整流滤波模块7用于将高频变压器模块6输出的交流电压转换成输出直流电源，所述IGBT驱动模块9的输入端连接有启动模块11、输出电压反馈稳压模块8、以及自激振荡模块12，所述启动模块11用于启动IGBT驱动模块9，所述输出电压反馈稳压模块8利用获得的稳定输出直流电源来关断IGBT驱动模块9，所述自激振荡模块12利用高频变压器模块6所获得的次极感生电压来关断IGBT驱动模块9；所述输出整流滤波模块7的输出直流电源连接输出电压反馈稳压模块8，整流滤波模块7用于给输出电压反馈稳压模块8提供直流电源，所述初始驱动电源模块3连接启动模块11，初始驱动电源模块3和启动模块11在+15G节点处连接，共用该+15G节点。所述高频变压器模块6的输出端T2A连接自激振荡模块12，高频变压器模块6用于给自激振荡模块12供电。
所述开关电源还包括与初始驱动电源模块3连接的初始驱动电源关断模块2，所述初始驱动电源关断模块2用于关断所述初始驱动电源模块3输出的初始15V直流驱动电源；所述初始驱动电源模块3和初始驱动电源关断模块2在+15G节点处连接，共用该+15G节点。
所述开关电源还包括与初始驱动电源模块3连接的电压隔离模块4，所述电压隔离模块4用于当初始驱动电源模块3停止工作时提供输出端(+15G)的直流驱动电源给IGBT驱动模块9；所述输出整流滤波模块7的输出直流电源连接电压隔离模块4，用于给电压隔离模块4供电；所述输出直流电源比初始驱动电源模块3高出至少二极管导通压降大小。所述输出直流电源比所述初始直流驱动电源高出至少二极管导通压降大小，是为了使电压隔离模块正常工作，电压隔离模块的+15V端通过二极管连接初始直流驱动电源的输出端+15G，二极管导通压降为0.7V，所以所述输出直流电源比初始直流驱动电源高出至少0.7V。
所述IGBT驱动模块9的输入端还连接过流保护模块13，所述过流保护模块13用于在过流状态下关断IGBT驱动模块9，所述高频变压器模块6的输入端经过IGBT及栅极过压保护模块10中的IGBT管Q9连接过流保护模块13。
所述的IGBT驱动模块9采用两级晶体管放大电路。
本实施例中，所述初始驱动电源模块3输出的初始直流驱动电源为15V，所述初始驱动电源模块3输出的初始直流驱动电源也可以是在11V至18V之间的其他数值。
本实施例的工作原理：开关电源通电后，三相整流滤波模块1中的三相桥式整流电路及电容电阻滤波电流产生高压直流电。初始驱动电源模块3通过R5、R6以及栅极保护稳压二极管D1使IGBT管Q2导通，高压直流电经R7限流和储能电容C4，使+15G端的电压徐徐上升。当+15G端的电压升到一定后(电压值取决于初始驱动电源关断模块2中的R3、R4分压电路，一般为IGBT的导通电压13V～15V)，初始驱动电源关断模块2中的Q1导通，从而关断Q2，使+15G端的电压稳定。启动模块11中的D10、R17、R18决定Q5的导通，即只有在+15G端的电压上升到设定值(如12伏)时，启动模块11才能向IGBT驱动模块9提供低电平的启动信号(启动模块11中的Q5、Q6导通)。当IGBT驱动模块9被启动模块11启动后(输入为低电平)，IGBT驱动模块9的Q7截止，Q8导通，IGBT及栅极过压保护模块10中的IGBT管Q9获得所需的导通电压。IGBT及栅极过压保护模块10中的Q9导通后，高频变压器模块6的初级线圈瞬时电流经Q9、以及过流保护模块13中的R23流到电源的地，从而高频变压器模块6的次级线圈的T2A端有感生电压，该电压经自激振荡模块12的C8和R22转相位后使IGBT驱动模块9关闭(Q6截止，启动模块11输出高电平，Q7导通，Q8截止，Q9的栅极电压经R16、D7和Q7到电源的地，释放到0)，从而栅极过压保护模块10中的Q9截止，高频变压器模块6的初级线圈断电。断电后储存在初级线圈的能量由放电模块5中的C5存储和R8释放，C5中的能量将使初级线圈得到反向电流，直到其能量释放殆尽为止，次级线圈T2A端的感生电压下降，启动模块11中的Q6导通，IGBT驱动模块9得到启动信号，使Q9导通，高频变压器模块6中的初级线圈再次得到正向电流，周而复始，从而初级线圈中有高频交流电通过，次级线圈亦产生低压的高频交流电，次级线圈的电压取决于高频变压器初、次级线圈匝数比。输出整流滤波模块7将高频变压器模块6的次级高频交流电整流、滤波成直流电经+15V端和G端输出。若+15V端的电压超过输出电压反馈稳压模块8中的D6和R9所设定的电压，则输出电压反馈稳压模块8中的Q3导通，Q4截止，使IGBT驱动模块9获得高电平，将使IGBT驱动模块9关闭，从而起到输出电压稳定的作用。同时该稳定电压经电压隔离模块4向开关电源提供驱动用电源，并通过初始驱动电源关断模块2使初始驱动电源模块3停止工作(初始驱动电源关断模块2与初始驱动电源模块3共+15G端)。在开关电源的负载太重时，流过高频变压器模块6中的初级线圈的电流大，该电流流经过流保护模块13的R23，产生的电压经R24提供给IGBT驱动模块9以使IGBT及栅极过压保护模块10关闭(Q9截止)，起到过载保护的作用。
需要说明的是：+15G是电路的一个连接节点，初始驱动电源模块3、初始驱动电源关断模块2、启动模块11共用该节点。同样的，输出整流滤波模块7输出的+15V端同样是电路的一个连接节点，用于给电压隔离模块4以及输出电压反馈稳压模块8供电。+15V仅仅是该端点的电压标识而已，并不意味着该节点的电压为15V，事实上，如上所述，+15V端的电压至少高出初始直流驱动电源(本实施例为15V)0.7V。
另外要说明的是，IGBT的驱动电压一般不能超过20V，最优在15V左右，若要在输出整流滤波模块7的输出端得到其他直流电压，可通过在高频变压器模块6的次级增加其他线圈，同时在输出整流滤波模块7中增加相应的整流滤波电路来做到，其他次级线圈的匝数越多，其输出的直流电压越高。
本发明开关电源采用独特的初始驱动电源，利用了IGBT作为开关管，提供了低成本、高效(转换效率可达90％)的从三相380伏工频供电到低压直流电源的解决方案。本发明转换效率高的原因在于：(1)工业用电基本上都是三相380伏工频交流电，使用高压供电，与220伏单相交流市电供电比较，相同输出功率时，电路中流过的电流较小，在导线上的铜耗就小；(2)采用了高效的电压驱动型IGBT开关管，其损耗较电流驱动型晶体管要小的多；(3)IGBT栅极端相当于一个电容，只需对电容充电，没有电流流过，栅极功率损耗小；(4)本发明的驱动电路采用两级放大电路，驱动能力强，驱动电压(由初始驱动电源模块3保证)合理，IGBT导通、截止充分，所以效率高。
IGBT导通性能取决于其驱动电路，本发明的初始驱动电源模块提供11V-18V的驱动电压，特别是15V驱动电压，使得IGBT导通性能好。若驱动电压低于11V，IGBT导通不畅，严重时会导致其烧毁，若驱动电压高于18V，由于系统存在干扰，很容易使驱动电压高于IGBT栅极的极限电压(20V)而使其烧毁。
在转换效率低的情况下，未转化的功率以热量形式释放，所以需要散热片，而本发明由于转换效率高，IGBT导通好，散热较少，所以本发明电路中的IGBT在小功率场合时(输出功率小于30瓦)无需匹配散热片，进一步节约了成本。
上述实施例仅仅是本发明技术构思实现形式的列举，本发明的保护范围不仅限于上述实施例，本发明的保护范围可延伸至本领域技术人员根据本发明的技术构思所能想到的等同技术手段。
Claims (7)
1.开关电源，其特征在于，包括：用于将三相工频交流电转换成高压直流电的三相整流滤波模块，三相整流滤波模块的输出正极与初始驱动电源模块以及高频变压器模块相连接，所述初始驱动电源模块用于产生初始直流驱动电源以驱动IGBT驱动模块工作，所述IGBT驱动模块用于驱动IGBT及栅极过压保护模块中IGBT工作，所述高频变压器模块的初级线圈一端连接三相整流滤波模块的输出正极，初级线圈的另一端连接IGBT及栅极过压保护模块中IGBT的集电极，所述高频变压器模块的初级线圈还连接放电模块，放电模块用于当所述IGBT关断时高频变压器模块初级线圈的放电，通过该IGBT的高频导通和关断，高频变压器模块的初级获得高频交流电，所述高频变压器模块的次级线圈连接输出整流滤波模块，输出整流滤波模块用于将高频变压器模块输出的交流电压转换成输出直流电源，所述IGBT驱动模块的输入端连接有启动模块、输出电压反馈稳压模块、以及自激振荡模块，所述启动模块用于启动IGBT驱动模块，所述输出电压反馈稳压模块利用获得的稳定输出直流电源来关断IGBT驱动模块，所述自激振荡模块利用高频变压器模块所获得的次极感生电压来关断IGBT驱动模块；所述输出整流滤波模块的输出直流电源连接输出电压反馈稳压模块，所述初始驱动电源模块连接启动模块，所述高频变压器模块的输出端连接自激振荡模块。
2.如权利要求1所述的开关电源，其特征在于，所述开关电源还包括与初始驱动电源模块连接的初始驱动电源关断模块，所述初始驱动电源关断模块用于关断所述初始驱动电源模块输出的初始直流驱动电源。
3.如权利要求1或2所述的开关电源，其特征在于，所述开关电源还包括与初始驱动电源模块连接的电压隔离模块，所述电压隔离模块用于当初始驱动电源模块停止工作时提供输出端的直流驱动电源给IGBT驱动模块；所述输出整流滤波模块的输出直流电源连接电压隔离模块；所述输出直流电源比所述初始直流驱动电源高出至少二极管导通压降大小。
4.如权利要求3所述的开关电源，其特征在于，所述IGBT驱动模块的输入端还连接过流保护模块，所述过流保护模块用于在过流状态下关断IGBT驱动模块，所述高频变压器模块的输入端经过IGBT及栅极过压保护模块中的IGBT连接过流保护模块。
5.如权利要求4所述的开关电源，其特征在于，所述的IGBT驱动模块采用两级晶体管放大电路。
6.如权利要求5所述的开关电源，其特征在于，所述初始驱动电源模块输出的初始直流驱动电源在11V至18V之间。
7.如权利要求6所述的开关电源，其特征在于，所述初始驱动电源模块3输出的初始直流驱动电源为15V。
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