CN103151930A

CN103151930A - 开关电源

Info

Publication number: CN103151930A
Application number: CN2013101125480A
Authority: CN
Inventors: 陈雷; 江振洲; 邢辉; 庞忠浩; 张辉
Original assignee: Shanghai Step Electric Corp; Shanghai Sigriner Step Electric Co Ltd
Current assignee: Shanghai Step Electric Corp; Shanghai Sigriner Step Electric Co Ltd
Priority date: 2013-04-02
Filing date: 2013-04-02
Publication date: 2013-06-12

Abstract

一种开关电源，包括功率变换电路、PWM控制电路和变压器。变压器初级绕组的一端与直流电源输入端的正极耦接。功率变换电路包括第一、第二开关管及开关管驱动电路。开关管驱动电路包括限流电路、第一及第二箝位电路。限流电路两端分别与直流电源输入端正极和第一箝位电路的一端耦接。第一箝位电路的另一端与第二开关管的源极耦接。第二箝位电路包括第二二极管，其正极和负极分别与第一开关管的源极和栅极耦接。第一开关管的栅极耦接于限流电路与第一箝位电路的公共接点，漏极与初级绕组的另一端耦接，源极与第二开关管的漏极耦接。第二开关管的栅极与PWM控制电路的输出端耦接，源极接地。由于采用了两个开关管串联，使本发明能够在宽输入电压的情况下正常工作。

Description

开关电源

技术领域

本发明涉及一种开关电源，尤其涉及一种用于变频器的开关电源。

背景技术

变频器中的开关电源需要提供IGBT驱动电源、主控芯片电源、通讯电源等多路输出电源，为了使开关电源的体积较小，一般采取反激式开关电源。但是，普通的反激式开关电源由于反激电压的存在，开关管承受了超过母线电压的电压应力，不能在较高的电压下可靠工作。目前，在直流母线电压为200V至1400V的变频器中，要实现开关电源的正常工作，主要有以下两种实现方式：

1、采用工频变压器的方法：将输入电压380VAC或690VAC通过工频变压器变为220VAC，然后通过整流滤波获取开关电源的输入电压为300VDC。这种办法需要的工频变压器体积较大、成本较高，不利于变频器的小型化；

2、采用正激式开关电源的方法：正激式开关电源可以使开关电源开关管承受的电压减小，但是在输出端需要体积较大的电感，因此不能直接输出多路电源，需要二级开关电源。这种方法所采用的器件较多，成本较高，可靠性较差。

发明内容

本发明所要解决的技术问题在于提供一种可以工作在宽电压范围内、开关损耗低的反激式开关电源。

本发明所采用的技术方案是：一种开关电源，包括功率变换电路、PWM控制电路和变压器；所述的变压器包括初级绕组和至少一个次级绕组；所述初级绕组的一端与直流电源输入端的正极耦接；其特点在于，功率变换电路包括第一开关管、第二开关管以及开关管驱动电路；

开关管驱动电路包括限流电路、第一箝位电路和第二箝位电路；限流电路的一端与所述直流电源输入端的正极耦接，另一端与第一箝位电路的一端耦接；第一箝位电路的另一端与第二开关管的源极耦接，第一箝位电路包括至少一只第一二极管；第二箝位电路包括一只第二二极管，该第二二极管的正极与第一开关管的源极耦接，负极与第一开关管的栅极耦接；

第一开关管，该第一开关管的栅极耦接于限流电路与第一箝位电路的公共接点，漏极与初级绕组的另一端耦接，源极与第二开关管的漏极耦接；

第二开关管，该第二开关管的栅极与PWM控制电路的输出端耦接，源极接地。

本发明具有以下优点：

1、本发明采用了两个开关管串联的方式，开关电源能够在宽输入电压的情况下使开关管的关断电压降低，防止开关管因为反向电压过高而击穿。本发明能够在变频器母线为200VDC至1400VDC时正常工作；

2、本发明通过与第二开关管相并联的电容，以及通过检测开关管上的电压振荡情况，实现开关管的软关断以及在较低电压下的开通，降低了开关管的损耗，增加了可靠性；

3、由于采用了反激式，开关电源的体积较小。与传统的开关电源相比，本发明能够在不使用工频变压器的情况下使开关电源的体积相对于正激式开关电源有极大的减小，且开关电源开关管承受的阻断电压较低，发热较小，开关电源的可靠性也有很大的提高。

附图说明

图1是本发明开关电源的一个实施例的电路示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作出进一步说明。

如图1所示，根据本发明一实施例的开关电源包括功率变换电路1、PWM控制电路2、变压器T1、输出检测反馈电路3、电压检测电路4、RCD吸收回路5以及供电电路。

变压器T1包括初级绕组Ta至少一个次级绕组Tb。初级绕组Ta的一端与直流电源输入端的正极耦接。次级绕组Tb与负载耦接。RCD吸收电路5与该初级绕组Ta并联连接。该RCD吸收回路5由电阻R1、电容C1和二极管D1组成。

功率变换电路1包括第一开关管U1、第二开关管M2以及开关管驱动电路。开关管驱动电路包括限流电路11、第一箝位电路12和第二箝位电路。限流电路11的一端与直流电源输入端的正极耦接，另一端与第一箝位电路的一端耦接。该限流电路可由至少一个限流电阻构成，图中，该限流电路由两只相互串联的电阻R2和R4组成。第一箝位电路12的另一端与第二开关管M2的源极耦接，第一箝位电路包括至少一只第一二极管。在图中所示的实施例中，第一箝位电路由相互串联的两只第一二极管ZD2、ZD3组成，其中一只第一二极管ZD2的负极与限流电路11的另一端耦接，正极与另一只第一二极管ZD3的负极耦接，另一只第一二极管ZD3的正极与第二开关管M2的源极S耦接。第二箝位电路包括一只第二二极管ZD1，该第二二极管ZD1的正极与第一开关管U1的源极S耦接，负极与第一开关管U1的栅极G耦接。在一优选的实施例中，两只第一二极管ZD2、ZD3及第二二极管ZD1为TVS二极管或稳压二极管。

第一开关管U1的栅极G耦接于限流电路11与第一箝位电路12的公共接点，漏极D与初级绕组Ta的另一端耦接，源极S与第二开关管M2的漏极D耦接。第二开关管M2的栅极G与PWM控制电路2的输出端耦接，源极S接地。优选地，第一开关管U1和第二开关管M2均为NMOS管。PWM控制电路2与第二开关管M2集成于一集成开关管芯片U2中，该芯片的型号为TLP431。

在本发明的优选实施例中，该功率变换电路还包括一电容C3，电容C3的一端与第二开关管M2的漏极D耦接，另一端与第二开关管M2的源极S耦接。在一变化实施例中，也可将电容C3的一端与第一开关管U1的漏极D耦接，另一端与第二开关管M2的源极S耦接。在又一变化实施例中，也可将电容C3的一端与第一开关管U1的栅极G耦接，另一端与第二开关管M2的源极S耦接。

输出检测反馈电路3的输出端与PWM控制电路2的第一输入端（参见图1中的集成开关芯片U2的4脚）耦接，输出检测反馈电路3用于对变压器次级绕组Tb的输出电压进行检测，并将检测结果反馈给所述的PWM控制电路2，PWM控制电路2根据该检测结果控制所输出的PWM信号的占空比。输出检测反馈电路3包括电压采样电路31、限流电阻R9、光耦ISO1和稳压器D5。电压采样电路31的输入端与变压器的任一个次级绕组的输出端耦接（在变频器的开关电源中，通常选择输出电压为5V的那一个次级绕组），输出端与稳压器D5的输入端耦接。光耦ISO1的发光二极管的正极通过限流电阻R9与耦接于电压采样电路输入端的那一个次级绕组的输出端耦接，该发光二极管的负极与稳压器D5的输出端耦接。光耦ISO1的光敏三极管的集电极与PWM控制电路2的第一输入端耦接，该光敏三极管的发射极接地。

供电电路用于向集成开关管芯片U2供电（即向PWM控制电路2）。其主要由启动电路和设置在变压器T1的原边侧的一个辅助绕组Tc组成。启动电路包括限流电路61和电容C4。限流电路61的一端与直流电源的正极耦接，另一端与电容C4的一端耦接，电容C4的另一端接地。电容C4的一端与集成开关管芯片U2的电源端VCC耦接。图中，该限流电路61是由相互串联的电阻R3和R8组成。辅助绕组Tc的正极与二极管D2的正极耦接，二极管D2的负极与集成开关管芯片U2的电源端VCC耦接。

电压检测电路4的输出端与PWM控制电路2的第二输入端（参见图1中的集成开关芯片U2的5脚）耦接。该电压检测电路4用于检测变压器T1的初级绕组Ta的输出电压，PWM控制电路2根据该电压检测电路4的检测结果控制第二开关管M2开通的时间。在图中所示出的实施例中，电压检测电路4包括二极管D4、分压电路41以及滤波电容C2，二极管D4的正极与辅助绕组Tc的正极端耦接，负极与分压电路41的输入端耦接，分压电路41的输出端与PWM控制电路的第二输入端耦接。分压电路41由相互串联的电阻R6和R7组成。

图1中的开关电源的工作过程是：

上电后，由启动电路的电容C4为集成开关管U2提供工作电压，PWM控制电路2开始工作。在第二开关管M2导通时，第一开关管U1的源端电压将被拉低，两只第一二极管ZD2和ZD3的寄生结电容将导通U1，电阻R2、R4向第一开关管U1提供栅极电流。稳压二极管ZD1可限制第一开关管U1的栅源电压。在第二开关管M2关断时，第二开关管M2 的最大漏源电压将被由ZD2和ZD3构成的第一箝位电路箝位，从而可将第二开关管M2的漏源电压限制到TVS管ZD2和ZD3的击穿电压值之和。而第一开关管U1的源极与第二开关管M2的漏极相连，因此，第一开关管U1和第二开关管M2串联的总关断耐压为U1的耐压和ZD2、ZD3的耐压总和，从而可以使反激式开关电源可靠地工作在高输入电压的情况。

在第二开关管M2关断而第一开关管U1尚未关断时，初级绕组Ta中的电流将通过第一开关管U1，并经由第二二极管ZD1流入两只第一二极管ZD2、ZD3，从而在ZD2与ZD3上产生损耗，同时由于第二开关管M2有较大的关断电压，损耗会较大。在本发明的优选实施例中，通过设置电容C3，可以将上述的损耗大大降低。电容C3在第二开关管M2关断时，会吸收初级绕组Ta中的电流，使得ZD2与ZD3上所流过的电流减小，同时电容C3会使第二开关管M2的关断电压减小，从而降低第二开关管M2的关断损耗。

集成开关管芯片U2通过输出检测反馈电路3的反馈，能够根据开关电源的负载大小调节开关电源的开关频率或占空比，使开关电源在轻载时的效率更高。同时，电压检测电路4能检测加在第一开关管U1和第二开关管M2上的关断电压，控制第一开关管U1和第二开关管M2在关断电压谐振到最低点时开通，可以减小第一开关管U1和第二开关管M2的开通损耗，提高开关电源的效率和可靠性。

作为一个应用实例，本发明的开关电源可应用在一种直流母线电压为200VDC~1400VDC的变频器中，使用耐压1500V的第一开关管U1和耐压为600V的集成开关管芯片U2串联。在变频器输入电压升高或控制电机制动时，母线电压上升至1400V后，该开关电源依然能够正常工作。

Claims

1.一种开关电源，包括功率变换电路、PWM控制电路和变压器；所述的变压器包括初级绕组和至少一个次级绕组；所述初级绕组的一端与直流电源输入端的正极耦接；其特征在于，所述的功率变换电路包括第一开关管、第二开关管以及开关管驱动电路；

所述的开关管驱动电路包括限流电路、第一箝位电路和第二箝位电路；所述限流电路的一端与所述直流电源输入端的正极耦接，另一端与所述第一箝位电路的一端耦接；第一箝位电路的另一端与第二开关管的源极耦接，所述的第一箝位电路包括至少一只第一二极管；所述的第二箝位电路包括一只第二二极管，该第二二极管的正极与第一开关管的源极耦接，负极与第一开关管的栅极耦接；

第一开关管，该第一开关管的栅极耦接于所述限流电路与所述第一箝位电路的公共接点，漏极与所述初级绕组的另一端耦接，源极与第二开关管的漏极耦接；

第二开关管，该第二开关管的栅极与所述PWM控制电路的输出端耦接，源极接地。

2.如权利要求1所述的开关电源，其特征在于，所述的功率变换电路还包括一电容；

所述电容的一端与第二开关管的漏极耦接，另一端与第二开关管的源极耦接；

或者，所述电容的一端与第一开关管的漏极耦接，另一端与第二开关管的源极耦接；

或者，所述电容的一端与第一开关管的栅极耦接，另一端与第二开关管的源极耦接。

3.如权利要求1所述的开关电源，其特征在于，所述的第一开关管和第二开关管为NMOS管或IGBT管。

4.如权利要求1所述的变频器开关电源，其特征在于，所述的第一二极管及第二二极管为TVS二极管或稳压二极管。

5.如权利要求1至4中任何一项所述的开关电源，其特征在于，所述的限流电路由至少一只限流电阻构成；

所述的第一箝位电路由相互串联的两只第一二极管组成，其中一只第一二极管的负极与所述限流电路的另一端耦接，正极与另一只第一二极管的负极耦接，另一只第一二极管的正极与所述第二开关管的源极耦接。

6.如权利要求1所述的开关电源，其特征在于，所述的开关电源包括一RCD吸收电路，所述的RCD吸收电路与所述的初级绕组并联连接。

7.如权利要求1所述的开关电源，其特征在于，所述的开关电源包括一输出检测反馈电路，该输出检测反馈电路的输出端与PWM控制电路的第一输入端耦接，该输出检测反馈电路用于对变压器次级绕组的输出电压进行检测，并将检测结果反馈给所述的PWM控制电路。

8.如权利要求7所述的变频器开关电源，其特征在于，所述的输出检测反馈电路包括电压采样电路、限流电阻、光耦和稳压器；所述电压采样电路的输入端与变压器的任一个次级绕组的输出端耦接，输出端与所述稳压器的输入端耦接；所述光耦的发光二极管的正极通过限流电阻与耦接于电压采样电路输入端的那一个次级绕组的输出端耦接，该发光二极管的负极与所述稳压器的输出端耦接；所述光耦的光敏三极管的集电极与PWM控制电路的第一输入端耦接，该光敏三极管的发射极接地。

9.如权利要求1所述的开关电源，其特征在于，

所述的开关电源包括一电压检测电路，所述的电压检测电路的输出端与所述PWM控制电路的第二输入端耦接，该电压检测电路用于检测所述变压器的初级绕组的输出电压，所述的PWM控制电路根据该电压检测电路的检测结果控制第二开关管开通的时间。

10.如权利要求1所述的开关电源，其特征在于，所述的PWM控制电路与所述的第二开关管集成于同一芯片中。