CN102969899A - 低交叉调整率的高压输入多路输出的两级式变换器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种低交叉调整率的高压输入多路输出的两级式变换器，该变换器的前级是一个隔离式母线变换器，采用开环控制，实现隔离和大幅降压功能；后级各路均为非隔离型直流变换器，分别通过闭环控制，实现各路输出独立调节，从而保证各路输出均具有高的稳压精度、低的交叉调整率和快速的动态响应。

Description

低交叉调整率的高压输入多路输出的两级式变换器

技术领域

本发明涉及一种低交叉调整率的高压输入多路输出的两级式变换器，应用于高压输入低压多路输出的模块电源系统，属于功率电子变换技术的范畴。

背景技术

多路输出调节技术是DC/DC模块电源中的一项关键技术，变换器的多路输出一般采用变压器多副边绕组的方式，它有以下优点：1) 变压器的引入使得原副边相互隔离，因此安全性高；2) 各路输出相互独立，避免了电源地线间较大电流产生的噪声和交叉耦合干扰；3）减小了电源模块的体积，提高了功率密度。在多路输出模块电源的设计中，实现良好的交叉调整率十分重要，这是一个难点。所谓交叉调整率，是指在多路输出模块电源中，其中任何一路负载发生变化引起自身及其他各路输出电压变化的百分比。在模块电源的设计中，对交叉调整率的要求将会直接关系到电源设计方案的选取。

常规的多路输出技术只精确控制其中输出功率最大一路的输出电压，然后直接利用拓扑本身的性能对其它各路的输出电压进行调节。其主要优点是结构简单，生产成本低，但这种控制方式中各辅路的输出电压调整率受变压器副边漏感大小、副边功率元器件参数一致性及电路工作模式的影响很大。特别是在高压输入、低压小功率多路输出场合，采用传统的单级式隔离变换器设计时，输出电压远低于输入电压，变压器原副边匝比较大。大的匝比使得绕组间耦合较差，从而导致漏感增大，同时，随着输出路数增多，副边漏感的一致性较难保证，而大的漏感和较差的一致性会使得电路的交叉调整率变差，难以满足用户需求。

因此，在高压输入低压多路输出、高品质的模块电源应用场合，提出一种合理的电路结构克服大变压器匝比的影响，实现多路输出模块电源的高输出精度和良好交叉调整率，具有十分重要的实用价值。

发明内容

本发明的目的是针对高压输入多路输出的模块电源，提出一种低交叉调整率的两级式变换器。

本发明的目的通过以下技术方案实现：

一种低交叉调整率的高压输入多路输出的两级式变换器，该变换器的前级为一个隔离式直流变换器（多副边绕组的隔离式直流变换器），后级各路均为非隔离式直流变换器。

前级隔离式直流变换器采用开环满占空比控制，实现隔离和大幅降压功能。

后级非隔离式直流变换器均采用闭环控制，从而保证各路输出均具有高的稳压精度、低的交叉调整率和快速的动态响应。

本发明提出的两级式变换器，包含一个前级隔离型母线变换器和后级多个非隔离型直直变换器。其中前级母线变换器可以采用全桥变换器、半桥变换器、推挽变换器或其它隔离型拓扑结构；后级非隔离型直直变换器可以采用Buck变换器、Boost变换器、Zeta变换器、Sepic变换器等多种非隔离型拓扑结构。

本发明与现有技术相比主要特点如下：

本发明隔离型母线变换器作为前级，采用开环控制，实现隔离和大幅降压；后级为多个非隔离型直直变换器，实现多路输出的独立闭环调节，各路输出精度高，交叉调整率好，动态响应快。

附图说明

附图1是高压输入低压多路输出两级式变换器的电路原理图。

附图2是设计实例的电路原理图。

上述附图中的主要符号名称：T_r 、T_{r 1}、T_{r 2}为前级半桥变换器中的变压器；V_in 为输入电压；C_{d 1}、C_{d 2}为分压电容；C_block 为隔直电容；C_{f 1_1}、C_{f 1_n}、C_{f 2_1}、C_{f 2_n}、C _{1_hb} 、C _{2_hb} 、C _{3_hb} 、C _{4_hb} 、C _{1_b} 、C _{2_b} 、C _{3_b} 、C _{4_b} 为滤波电容；Q ₁ 、 Q ₂、Q ₁₁ 、 Q _nn 、 Q _{1_hb} 、Q _{2_hb} 、Q_{R 31}、Q_{R 32}、Q_{R 41}、Q_{R 42}、Q _{11_b} 、Q _{12_b} 、Q _{21_b} 、Q _{22_b} 、Q _{31_b} 、Q _{32_b} 、Q _{41_b} 、Q _{42_b} 为开关管；D ₁₁ 、 D ₁₂ 、 D _n1 、 D _n2 、 D_{R 11}、D_{R 12}、D_{R 21}、D_{R 22}为整流二极管；L_{f 1_1}、L_{f 1_n}、L_{f 2_1}、L_{f 2_n}、L _{1_hb} 、L _{2_hb} 、L _{3_hb} 、L _{4_hb} 、L _{1_b} 、L _{2_b} 、L _{3_b} 、L _{4_b} 为滤波电感；output1、output2、output3、output4为四路输出。

具体实施方式

附图1给出了高压输入低压多路输出两级式变换器的电路原理图。图中C_{d 1}与C_{d 2}、Q ₁与Q ₂分别组成两组桥臂并接于输入电压两端，变压器T_r 与隔直电容C_block 串联连接于两组桥臂中点之间。整流二极管D ₁₁与D ₁₂、D _n1与D _n2分别共阴极连接于滤波电感L_{f 1_1}与L_{f 1_n}的左端，其阳极分别连接至副边绕组两端，C_{f 1_1}与C_{f 1_n}的正极分别连接至L_{f 1_1}与L_{f 1_n}的右端，其负极分别连接至副边绕组的中点，开关管Q ₁₁与Q _nn分别连接于C_{f 1_1}与C_{f 1_n}的正极和续流二极管D_{FW 1}与D_{FW n}的阴极之间，续流二极管D_{FW 1}与D_{FW n}的阳极连接至副边绕组的中点，滤波电感L_{f 2_1}与L_{f 2_n}分别连接于D_{FW 1}与D_{FW n}的阴极和输出滤波电容C_{f 2_1}与C_{f 2_n}的正极之间，C_{f 2_1}与C_{f 2_n}的负极分别与副边绕组中点连接。

附图2给出了本发明设计实例的电路原理图。图中前级为半桥变换器，后级为Buck变换器。半桥变换器的变压器拆分为两个，根据四路输出功率情况，+12V/2A和3.3V/6A输出共用变压器T_{r 1}（总输出功率为43.8W）；–12V/1A和5V/10A输出共用变压器T_{r 2}（总输出功率为62W）。这样做的目的是可以降低变压器的高度，同时可以简化设计。对于半桥变换器的输出整流电路，考虑到3.3V和5V两路的输出电流大，+12V和–12V两路的输出电流较小，前两路采用同步整流方式，以提高效率，后两路采用二极管整流方式，以简化电路结构和控制电路。为了提高变换器的效率，后级的四路Buck变换器均采用同步整流方式。与传统变压器相比，由PCB绕组组成的平面变压器，具有电流密度大、变压器漏感小等优点，它不仅可以有效的提高模块的功率密度，大幅改善由于漏感带来的占空比丢失问题，还可以保证批量生产时良好的参数一致性，因此本文将采用PCB绕组组成的平面变压器。

本发明的具体实例如下，其主要性能参数为：

l 输入直流电压：V_in =270V，变化范围为200V~330V；

l 输出电压/电流：+12V/2A，−12V/1A，5V/10A，3.3V/6A；

l 负载调整率：δ _i ≤1%，电压调整率：δ _u ≤0.5%，

l 输出电压纹波：ΔV _5V≤50mV、ΔV _3.3V≤50mV、ΔV _±12V≤100mV；

l 期望效率：η(V_in =270V)≥85%；

l 模块体积：165×63×16.8mm³（带机壳）。

由以上描述可知，本发明提出的一种低交叉调整率的高压输入多路输出的两级式变换器具有如下优点：

1、前级母线变换器采用开环控制，实现了隔离和大幅降压，其结构和控制非常简单；

2、后级变换器可以实现独立的闭环调节，输出稳态精度高，交叉调整率好(<0.5%)，动态响应快速，热应力分布均匀。

Claims (5)

1.一种低交叉调整率的高压输入多路输出的两级式变换器，其特征在于：该变换器的前级为一个隔离式直流变换器，后级各路均为非隔离式直流变换器。

2.根据权利要求1所述的低交叉调整率的高压输入多路输出的两级式变换器，其特征在于：前级隔离式直流变换器采用开环满占空比控制。

3.根据权利要求1或2所述低交叉调整率的高压输入多路输出的两级式变换器，其特征在于：前级隔离式直流变换器采用全桥变换器、半桥变换器或推挽变换器。

4.根据权利要求1所述低交叉调整率的高压输入多路输出的两级式变换器，其特征在于：后级非隔离式直流变换器均采用闭环控制。

5.根据权利要求1或4所述低交叉调整率的高压输入多路输出的两级式变换器，其特征在于：后级非隔离式直流变换器采用Buck变换器。

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